棉花芽期的抗旱性鉴定及综合评价

孙 瑶，杨晓杰，薄晓培，侯甲男，赵元明，吕淑平，李 武，谢德意

(1.河南省农业科学院经济作物研究所，郑州 450002； 2.河南大学，河南 开封 475000)

植物生长过程中会遭遇一系列的环境胁迫[1]。由于全球气候变化，降水在世界各区域分布严重不均匀，干旱已成为限制植物生长的主要非生物胁迫因素[2,3]。棉花是我国重要的经济作物，非常耐旱，但是在严重缺水条件下，棉花会出现生长缓慢甚至落蕾落铃现象，严重影响棉花生长[4]，最终导致棉花减产，品质降低。生产实践表明，具有广泛适应性的品种，即使种植在不确定胁迫因子的低产环境条件下，也有可能达到优良的表现水平[5]。因此，选育优秀的抗旱品种，鉴定筛选抗旱作物的种质资源对抗旱新品种培育具有重要意义。国内外学者对农作物种质资源的抗旱性鉴定工作都非常重视[6-12]，大多数研究者采用温室人工控水鉴定和田间自然鉴定进行作物抗旱鉴定，这些方法费工费时；若采用室内模拟干旱胁迫，可控性强，简单易行。本实验采用不同生态型棉花种质资源进行室内干旱模拟实验，通过综合性状评价棉花芽期抗旱性，旨在为抗旱种质的早期筛选鉴定提供理论和实践依据。

表1 种质资源编号及来源

1 材料与方法

1.1 供试材料

试材中9807、中J 0958、中J 0710、中J 7516、中J 7526来自国家棉花种质资源中期库和国家棉花种质资源平台，其余材料为本课题自己留存的种质资源(表1)。

1.2 试验设计

试验在河南省农业科学院经济作物研究所棉花育种实验室进行。棉花种子脱绒后，经严格挑选，去杂，选取健康饱满、整齐一致的种子，放入9 cm×9 cm一次性培养皿中，铺2层滤纸，每皿摆25粒棉花种子。实验设置参考杨剑平等[13]构建的实验室PEG-6000模拟干旱胁迫体系进行，73份材料实验组均用15%(w/v)PEG-6000溶液处理，对照组用蒸馏水处理，每个材料设置5个实验组，5个对照组。每个培养皿中加入20 mL液体，置于恒温光照培养箱中，25 ℃条件下进行萌发。每天用清水清洗种子，换滤纸、溶液。

1.3 测定项目与方法

1.3.1种子吸水率测定

实验开始前，称量每皿种子的重量作为初始值，以后每天定时称量种子的重量，测算吸水率。

种子吸水率(%)=[(B-A)/A]×100%；

相对吸水率(%)=(实验组吸水率/对照组吸水率)×100%；

式中，A、B分别为吸水前后的种子重量。

1.3.2萌发性状测定

为了测定种子萌发性状，从第3天开始每天调查1次发芽数(以胚根长2 mm为标准)，直至第8天。每天统计发芽率，第8天测量下胚轴长(在每个培养皿中随机抽取10粒测量，求平均值)。

相对发芽率(%)=(处理发芽数/对照发芽数)×100%；

下胚轴长度指数=(处理下胚轴长/对照下胚轴长)×100%。

1.3.3数据分析

采用Excel 2007软件进行全部原始数据处理，使用SPSS 17.0软件进行数据分析计算。抗旱性评价应用模糊数学中的隶属函数法[14,15]。将每一个品种各指标的抗旱隶属函数值进行累加，求平均值。

图1 17 P 771与邯郸5 C 08的吸水率

式中，K为材料某个性状的隶属函数值，Xi为材料此性状的相对值，Xmin为所有材料此性状相对值的最小值，Xmax为所有材料此性状相对值的最大值。n为指标的性状数量，Kj为第j个性状的隶属函数值。

2 结果与分析

2.1 室内模拟干旱胁迫下萌发性状与抗旱性的关系

室内模拟干旱胁迫一般采用聚乙二醇法。植株在遭受干旱胁迫后，各种相关指标必然会产生变化。为了明确不同棉花品种之间抗旱能力是否存在真实差异，利用Excel 2007软件对所测指标进行方差及变异系数分析。变异系数反映了各性状在不同基因型棉花品种间存在的差异。某一指标变异系数越大，说明它对干旱胁迫越敏感；方差和标准差反映的是数据指标的离散程度。分析数据表明，不同基因型棉花品种间萌发性状变异系数均大于10%，存在较大变异(表2)。其中变异系数最大的是下胚轴长度，为34.92%；不同时间段吸水率的变异系数相对较小。分析方差及标准差，数据离散程度较大的是不同材料的下胚轴长度及发芽率。对整体数据分析表明，不同基因型品种之间在干旱胁迫下萌发性状产生较大的变异，对干旱胁迫的抵御能力存在较大的遗传差异。

表2 干旱胁迫下芽期萌发性状的变异

2.1.1发芽率与抗旱性的关系

充足的水分是种子发芽的必要条件。对发芽率与水量的相关性分析显示，发芽率与可吸收水量呈正相关关系。数据分析表明，约53%的材料种子发芽率明显低于对照组，余下47%材料的发芽率基本与对照组持平或高于对照组，即选取的材料中，约一半种子的萌发受到抑制，另一半材料能较好地抵御干旱胁迫(表4)。

2.1.2下胚轴长度与抗旱性的关系

种子发芽后，由于子叶伸展和下胚轴的伸长，种子重量每天呈指数级增长，下胚轴的长度在一定程度上体现了种子在吸胀后的生长效率。对下胚轴与水量的相关性分析显示，下胚轴长度与可吸收水量呈显著正相关关系。在PEG-6000的处理下，90%以上的种质受到了胁迫，下胚轴伸长受到了抑制，实验组下胚轴长度明显短于对照组。另有10%的材料(如中9807)在干旱胁迫下，下胚轴长度长于对照组。表明适当的干旱条件不仅有利于部分材料发芽，还能促进其生根[16]。因此，下胚轴的长度也可作为棉花种质资源抗旱性鉴定的一项指标。

2.1.3种子吸水率与抗旱性的关系

种子吸水率用以表示种子在干旱胁迫下对水分的摄取情况，可以作为棉花种质资源抗旱性鉴定的生理指标。测试的种质资源中，90%以上的材料吸水率的增速小于对照组，说明PEG-6000溶液形成了干旱胁迫；由时间和吸水率的关系可知，24 h内种子的吸水率最高，但各个材料差异不显著，无法区分不同材料的抗旱性；而棉花种子浸泡72 h后，90%以上已经开始萌发，萌发后种子的重量既有吸水膨胀的关系，又有光合作用的影响，统计较复杂。因此24 h和72 h吸水率均不适合作为抗旱性状的衡量指标，选用48 h的吸水率更合适。不同材料间的吸水率差异非常显著，如17 P 771和邯郸5 C 08(图1)，对照组材料最大吸水率(144 h)分别为159%和74%。为了规避不同材料间的固有差异，选用相对吸水率来评价不同材料抗旱性更合适。17 P 771和邯郸5 C 08在48 h的吸水率分别为99%和105%，仅以48 h相对吸水率判断材料的抗旱性，邯郸5 C 08明显优于17 P 771。

2.2 利用隶属函数进行抗旱性评价

用模糊隶属法对品种抗旱性评价是目前较为通用的评价方法。根据隶属函数值，将棉花种质的抗旱能力划分为4个等级(表3)。为了避免单一指标的偏差和系统误差，利用发芽率、下胚轴长度、48 h吸水率3项指标的相对值进行综合性抗旱评价。通过抗旱性综合评价，筛选出高抗旱材料1份，抗旱材料28份，耐旱材料38份，不耐旱材料6份(表4)。

表3 抗旱分级标准

表4 品种萌发性状隶属函数值

续表4：

表5 不同品种的5个指标之间相关性分析(Pearson 相关系数)

3 讨论与结论

棉花是抗旱性较强的作物，其抗旱性与基因型、表型、生理、生化等多项指标息息相关。有研究人员曾经选用发芽率或株高单项指标来描述棉花的抗旱性。这些指标能从一定程度上对旱胁迫结果进行评价，但存在局限性。水分胁迫下单项指标造成的偏差会严重影响最终判断。若能综合考察多项指标，会对水分胁迫有更加准确可靠的评价。

指标值有绝对值和相对值。绝对值简单易得，缺陷也是显而易见的，不同材料本身存在差异性，绝对值的比较并不能完全体现胁迫环境下不同品种指标值的差异。如果选用相对值，相对值参照了未胁迫状态下的指标值，消除了不同品种间的固有差异，可以真正比较出不同材料抗旱性的大小。同时，选用相对值进行分析，无论是同一指标还是不同指标，均可进行直接分析比较，指标间存在明显的变化趋势，可比性更强。因此，采用多项指标的相对值来综合评价棉花的抗旱性，更能真实体现其抗旱能力，数据更加准确可靠[20,21]。对陆地棉芽期的抗旱性鉴定，全部选用相对值，选取种子相对发芽率，24 h、48 h、72 h相对吸水率以及相对下胚轴长度等指标来衡量。比较这5个指标数据的相关性(表5)，各指标间均为正相关关系，相关系数最高的是相对根长和48 h吸水率，高达0.640。分析24 h、48 h、72 h 3个不同时间段的相对吸水率，48 h相对吸水率与相对下胚轴长度、相对发芽率相关系数较高。由于24 h内种子的吸水效率都较高，无法体现差异；而72 h后，部分种子已经发芽，因此选用48 h相对吸水率作为评价指标更为合适。综合以上因素，最终选择相对下胚轴长、相对发芽率和48 h相对吸水率3项指标来评价陆地棉芽期的抗旱性。

棉花抗旱性的评价，一方面需要筛选合适的指标值，另一方面，评价方法和评价标准也很重要[22]。评价方法主要有2种，其中一种是以产量为导向的直接评价法。相同程度的干旱胁迫条件下，相对产量高，抗旱性强。产量的确是棉花非生物胁迫的一个主要评价指标，直接评价法简单直接，但以单指标产量进行评价，不考虑品质等其他性状，无法确切的表达和反映棉花抗旱能力的强弱，缺乏科学性和严谨性。棉花抗旱性评价的另一个主要方法是综合评价法，综合评价法主要有隶属函数法和综合D值法。这两种方法均在多项指标的测定基础上对材料进行抗旱性综合评价，目前无法评价哪一种方法更准确。但相较于以产量为导向的直接评价法，2种综合评价方法是更加全面、系统的，也被大多数研究人员认可和采用。棉花的抗旱性是受多基因控制的数量性状。抗旱性的评价不仅与选取的指标值、评价方法有关，与水分胁迫发生的强度、时期及持续时间等环境因素密切相关。本研究中，选取的三项指标(相对发芽率、相对下胚轴长、48 h相对吸水率)和隶属函数评价方法，以及水分胁迫的强度时期等，是否适用于棉花苗期、花期或者全生育期的抗旱性评价，还有待进一步的研究验证。

近年来，由于极端的干旱天气越来越频繁的出现，干旱土地面积也在逐步扩增，这对保障农作物的生长是一个极为严峻的挑战。低抗逆作物需要消耗更多的水和肥料，极大增加环境负担，因此提高作物的抗逆性对农业生产和环境的可持续性至关重要。需要充分利用干旱荒地，开发抗旱作物新品种。棉花根系强大，主根发达、侧根分布深广，在土壤中能形成强大的吸收网，利用深层水分，所以棉花是一个耐旱能力较强的作物。在实验室条件下，用PEG-6000模拟干旱，精确控制温度、湿度，尽量保证生态环境对棉花生长条件一致的情况下筛选棉花种质的抗旱性。在胁迫和正常给水条件下，研究不同棉花种质芽期的吸水率、发芽率以及下胚轴长度等萌发指标；通过方差、变异系数、相关性分析，这些萌发指标反映生理生化调节机制对棉花种质抗旱性的影响，可作为棉花芽期抗旱性的重要指标。综合重要指标的相对值，利用隶属函数法对不同材料的抗旱性进行综合评价，将73份材料进行抗旱性划分，最终筛选出高抗旱材料1份，抗旱材料28份，耐旱材料38份，不耐旱材料6份。在早期对不同棉花种质资源进行抗旱能力鉴选，为抗旱高产棉花选育及亲本选配提供较为科学的理论依据。