62份陆地棉种质资源苗期抗旱性综合评价及耐旱种质筛选

韩永亮，李世云，路正营，孙 璐，杨玉枫，尹 国，李 平，崔红印,常金华

(1.邯郸市农业科学院，河北省作物杂种优势研究与利用重点实验室, 邯郸市种质资源创新与分子辅助育种重点实验室,河北 邯郸 056000；2.河北农业大学，河北 保定 071001)

棉花是我国重要的经济作物，常年棉田面积约500万hm2，其中雨养棉田200万hm2，约占总面积的40%，主要分布在华北平原、黄土高原、长江中游丘陵地区。其中华北平原是重要的粮棉基地，耕地面积占17%，水资源占2.3%,水资源匮乏，粮棉争水争地矛盾突出[1]。中国地域情况复杂,旱情变化多样[2]，在华北黄淮棉区，棉花苗期经常遇到干旱少雨的情况，导致棉花生长受到抑制，加重病虫害危害甚至出现死苗、缺苗，无法有效利用光、温、热资源，造成了巨大的经济损失。为解决上述问题，选育节水抗旱棉花品种是增产、稳产的有效措施，而且对扩大植棉面积提高土地资源、水资源利用率，促进节水农业和农业生态可持续发展具有重要意义。目前各单位在棉花抗旱育种中取得了一定进展，育成了以‘晋棉23’、‘中棉所10’等为代表的一系列耐旱品种[1]，但高抗品种数量较少。在棉花抗旱性鉴定上多采用田间鉴定法、反复干旱法，其方法受季节限制、所需时间长、工作量大[3]，不利于早代材料的大规模筛选。PEG模拟抗旱法在玉米、小麦、高粱、苜蓿等作物上均有报道，并取得了一定进展[4-5]。因此，PEG模拟抗旱鉴定可以用于抗旱资源的筛选鉴定和综合评价。本研究在前人研究的基础上，利用15% PEG 6000高渗溶液模拟苗期干旱胁迫，通过对62份陆地棉材料18个指标的抗旱性进行综合分析与评价，以期为建立棉花种质资源苗期抗旱性评价体系、筛选或选育抗旱性强的棉花品系和品种提供理论依据和材料基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为邯郸市农业科学院早熟棉研究室自选综合性状良好的新品系以及部分育成品种、杂交组合一代(表1)，材料共62份，遗传背景丰富，具有一定的代表性，种子为2019年大田收获。

表1 试验材料系谱及主要亲本来源

续表1

试验药品PEG 6000由上海麦克林生化科技有限公司生产。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 试验于2020年10―12月在邯郸市农业科学院生物技术重点实验室人工气候室中进行。棉花苗期抗旱鉴定参考已发表的方法[7-11]并加以改进：取62份棉花材料的种子，每个品种(系)分为2份，1份用于处理，1份用于对照。选取籽粒健康、饱满、大小一致的棉花毛籽，用75%的酒精消毒5 min，再经30%的H2O2表面灭菌1 h，用无菌水冲洗4～5次放入三角瓶里浸种，24 h后种植于装有石英砂的营养钵中进行育苗，保持营养钵湿润，待长出两片子叶后，用1/2 Hoagland 营养液灌根，光照室中进行培养。育苗培养条件:14 h/10 h(光照/黑暗)、27.5℃、光强12 000 lx以上，保持相对湿度60%～80%。处理组每隔2 d补充营养液观察记录棉花的生长势、整齐度[6]，待长至一叶一心时用7.5% PEG 6000营养液进行模拟干旱胁迫预处理48 h，再用15% PEG 6000营养液(与之对应的溶液水势约为-0.4 MPa[12])对62份材料进行连续灌根处理，在处理5 d后对棉花各个品种(系)苗期抗旱情况进行表型鉴定、指标测量；对照组仅用1/2 Hoagland营养液对62份材料进行连续灌根；每份材料处理与对照均设3个重复，分别调查处理与对照组抗旱相关的18个指标。

1.2.2 指标测量 试验结束时用直尺测量棉花植株地上部高度、子叶柄长、子叶长宽、第一真叶长宽；洗去石英砂后用吸水纸吸水，称量棉花植株鲜质量；用直尺测量棉花植株全长(地上部分长度加主根长度)、棉花幼苗主根长度；测量后的幼苗利用WinRHIZO根系分析系统i800根茎扫描仪测量植株根系参数检测各个品系幼苗根部的根全长、投影面积、像素面积、表面积、体积、根部平均直径等指标[13-14]；最后将幼苗于80℃烘干至恒重，称量棉花植株总干物质量和根部干物质量。所有处理测量指标均取3株长势最好的幼苗进行测量。各个重复平均值进行数据统计。

根冠比(%)=根生物量(g)/地上部生物量(g)

根冠长度比(%)=主根根长度(mm)/地上部长度(mm)

植株含水量(%)=(植株鲜质量-植株干质量)(g)/植株鲜质量(g)×100%

子叶面积(mm2)=子叶长(mm)×子叶宽(mm)

第一真叶叶面积(mm2)=第一真叶长(mm)×第一真叶宽(mm)

1.2.3 抗旱性综合评价 抗旱性综合评价采用隶属函数法，按公式(1)计算与抗旱性相关的指标具体隶属值。

U(Xij)=(Xij-Ximin)/(Ximax-Ximin)

(1)

式中，Xij为i材料的j性状值；Ximin为j性状的最小值；Ximax为j性状的最大值;U(Xij)为i材料j性状的抗旱隶属值。将抗旱隶属值进行累加求得平均数，见公式( 2) :

Xi=∑U(Xij)/n

(2)

式中，Xi为平均抗旱隶属值，隶属值越大，抗旱性越强。

1.2.4 统计分析 利用Microsoft Excel 2010对数据进行整理，计算出平均数、方差、变异系数，利用统计分析软件为SPSS 17.0进行因子分析[15]，采用隶属函数法对62份陆地棉种质进行萌发期抗旱性综合评价。

2 结果与分析

2.1 PEG 胁迫条件下陆地棉种质资源幼苗生长指标的变化

由表2可知，在15% PEG 6000胁迫条件下，62份棉花幼苗材料，处理组与对照组的18个指标中有根干重、植株总干物质量、根冠长度比3个指标差异不显著；根冠比、根总长2个指标处理组大于对照组36.3%和386.0%，表明模拟干旱胁迫下植株生长优先地下部分生长；其他13个指标均为处理组小于对照组，平均减小33.4%，变化幅度为2.0%～75.1%，表明模拟干旱胁迫下棉花植株生长均受到了不同程度的抑制。从指标的变异系数可以看出，处理组的植株总干物质量和第一真叶面积变异大于对照组40.8%和32.5%，表明模拟干旱胁迫增大了品种(系)间生物量、生长速率的变异幅度；根系扫描的6个指标中投根影面积、根像素面积、根表面积、根体积、根平均直径5个指标的变异系数高于对照组119.8%，变化幅度为17.3%～295.0%,表明模拟干旱胁迫加剧了品种根部的形态变异。

2.2 各抗旱相关指标因子分析结果

图1～图2为本试验因子分析特征和贡献率结果，根据主因子累积方差贡献率大于80% 的原则[16]，选取前6个主因子(贡献率达85.977%)，基本上能综合评价陆地棉苗期的抗旱性，在此基础上可以比较可靠地鉴定出不同材料抗旱性的大小。通过因子分析可以用6个复合因子来反映原有18个性状的信息(见表3)。因子1中根部投影面积、根像素面积、根表面积、根体积、根平均直径5个性状值具有最大载荷，表明因子1主要对这5个性状起直接控制作用，并且这5个性状之间存在着密切作用关系，从生物学意义来看，这5个性状反映根系生长情况，可称之为根系生长因子。在因子2中植株全长和主根根长2个性状具有最大载荷，这两个性状均反映植株长势，可称为长势因子。因子3中的根干重、植株总干重和植株含水量3个性状具有最大载荷，植株含水量的值为负值，根干重、植株总干重的值为正值，表明根干重、植株总干重与植株含水量之间可能存在一定的抑制关系，可以把因子3称为生物量因子。因子4的子叶柄长、子叶面积、第一真叶叶面积3个性状具有最大载荷，这3个性状反映植株光合能力，可以把因子4称为光合因子。因子5中地上部长度和根冠长度比2个性状具有最大载荷，因子6中的根冠比具有最大载荷，这3个性状均反映棉花苗期干旱胁迫下，地上部与地下部分长势协调性，即在品种间地上部生物量较大的情况下，具有较高根冠比的品种抗旱性较好。

表3 陆地棉种质资源苗期各生长指标的因子分析

2.3 隶属函数及相关系数分析

根据因子分析的结果，各特征值大小代表各综合指标即主因子对方差贡献的大小，特征向量表示各性状对综合指标的贡献大小[16]。选1～6主因子中的较大特征向量:根部投影面积、根部像素面积、根表面积、根体积、根部平均直径、根冠比、根干重、总干物质量、地上部高度、植株全长、主根根长、植株含水量、根冠长度比、子叶柄长、子叶面积、第一真叶叶面积16个指标进行隶属函数分析，并求平均值，以评价其苗期抗旱顺序。根据隶属函数平均值的大小对陆地棉不同供试材料进行苗期抗旱性排序，其抗旱能力强弱见表4，可以看出62份棉花材料的苗期抗旱顺序，其中HL59、HL662、HL58、HL28、HL64、HL50、HL48等品系排序靠前，表明抗旱性相对较强。

2.4 品种表型分析与隶属分析综合筛选研究

在光照培养室内15% PEG 6000胁迫120 h后根据对供试材料生长势、整齐度、株高、子叶、真叶平展度等性状进行表型鉴定，从62份材料中进行分组，将材料分为相对抗旱组、相对耐旱组、敏感类型组，实验室表型鉴定可以直观地对棉花苗期材料抗旱性进行分组，但是同一组内的品种(系)间抗旱性强弱无法准确区分，隶属分析可以对每个材料抗旱强弱进行排序，因此将实验室表型观察分组结果与各个性状隶属分析综合评价结果结合，筛选出相对抗旱品系7个、相对耐旱品系4个、敏感品系6个(见表5)。根据各品种(系)在模拟干旱胁迫下的表现相对值进行品种聚类，得到品种聚类图(图3)，多数抗(耐)旱品系聚在一起，结果与表5基本一致，表5中HL60来源于邯663，该品种经大田试验鉴定为耐旱品种，在此次试验中光照培养表型鉴定为相对抗旱，但综合排序靠后，主要是由于其前期长速缓慢，生物量积累较少，造成了一定偏差。

表5 PEG 6000胁迫下表型鉴定与隶属分析综合结果

3 讨 论

棉花苗期是以根、茎、叶生长为主的营养生长阶段，在2～3片真叶期开始花芽分化，进入孕蕾期[17]。苗期的生长情况关系到植株的形态建成和生长发育，直接影响到丰产群体的构建。华北黄淮棉区常有春季初夏连旱的气候影响，正是棉花的苗期阶段，对干旱敏感[18]，虽然棉田苗期轻微受旱有利于扎根，壮苗早发，但持续严重干旱，造成弱苗、死苗、缺苗断垄，直接影响产量。抗旱性是一个复杂的生理现象，与植物类型、基因型等紧密相关，并且容易受环境因素影响；根部是干旱环境条件下最早接收到信号的部位，根系又是苗期的生长中心。因此，在棉花苗期对其进行抗旱性鉴定在生产上具有非常重要的现实意义。吴文荣等[19-20]测定了苗期玉米的抗旱性相关生理指标,并研究了这些指标的综合评价与干旱胁迫处理下产量抗旱指数的相关性,发现抗旱性强的品种种子产量较对照下降较少，而抗旱性弱的品种产量则下降较多，从而说明研究植物苗期的抗旱性相关生理指标的强弱可以用来快速预测品种抗旱性。

在本试验的研究结果中，16个指标与棉花苗期抗旱性有关系，除根冠比、根冠长度比、主根根长、植株含水量4个指标外，剩余12个指标与棉花苗期综合抗旱性存在显著和极显著相关。本研究利用隶属函数多指标进行综合评价，能更好地评价不同品种苗期对水分胁迫的适应性，提高了抗旱鉴定的区分度和准确性，使试验结果更加可靠。本研究在15% PEG 6000 胁迫条件下，不同品种的棉苗地上部长度受到抑制程度平均为9.48%，主根长度的抑制程度为1.55%，表明主茎伸长受抑制程度远大于主根伸长的受抑制程度，这与严美玲等[21]、王俊娟等[12]的研究结果有一定的相似性，这也许是棉花在进化过程中保留这样一种适应机制，即在不利的条件下优先保证根的生长[22-25]，同时株高降低也节省了水分运输的距离，节省了根系吸水所需的能量。在本研究中抗旱材料虽然主根伸长受到抑制但侧根长度增加(见表2)，根全长显著增加，根部表面积增大、根体积增大，这与李文娆等[25]研究干旱胁迫使得紫花苜蓿根系表现为主根伸长生长受到抑制、主根直径变细、侧根和根系总长度伸长生长则被促进、根系表面积显著增加的结果一致。另有研究表明，当水分成为限制植物生长的条件时，根系会产生形态、生理等方面的变化来维持其功能行为[26-29]。在本试验中，7.5% PEG 6000干旱胁迫处理48 h后, 对照组和干旱胁迫处理组没有明显差异；随后15% PEG 6000干旱胁迫处理48 h后，处理组部分品种叶片边缘发生轻微卷曲，叶片颜色加深，生长缓慢，96 h以后处理组的个别敏感品种叶片出现坏死的小斑点，边缘卷曲，120 h后多数品种(系)出现干旱萎蔫形态。处理组大部分品种根尖由白色转为褐色，有些敏感品种转为深褐色，然而相对抗旱耐旱的品种(系)虽然根部也有变色，但变色程度轻且部分根尖仍然为白色。由此可知，面对干旱，根系的适应性变化可能是陆地棉能忍耐一定程度干旱的主要机制。对于作物的抗旱性评价，大多数研究者认为，基于抗旱性是多种因素综合作用的结果，采用多指标的综合评价比单指标评价更为科学和客观，但从材料筛选和育种效率出发，考虑到育种早代对大量遗传变异材料的选择，抗旱性鉴定也必须重视简单、快捷的鉴定。根据沈嘉等[30]研究，随着干旱处理时间的延长, 根系各细胞器形态变化的时间普遍晚于叶片, 并且各细胞器的降解程度也明显小于叶片，在受到干旱胁迫时根系抗旱的能力大于叶片。结合本研究中子叶柄长、子叶面积、第一真叶叶面积的抗旱隶属函数值较高，可以选这3个性状作为早代抗旱鉴定的指标。在育种的早期世代，每个植株代表一个基因型，选用这3个性状表型鉴定不需要破坏性取样。因此育种早期选用子叶柄长、子叶面积、第一真叶叶面积这3个指标对干旱胁迫下的陆地棉进行苗期抗旱性鉴定，可以达到高效、快速的目的；而在育种的高代材料筛选中，应考虑16个指标的综合效应，对其抗旱性进行综合评价。

4 结 论

15% PEG 6000胁迫处理棉花幼苗可以对棉花品种进行简单、快速的抗旱性筛选；62份材料中选出相对抗旱品系7个：HL21、HL28、HL47、HL59、HL60、HL63、HL662；相对耐旱品系4个：HL13、HL14、HL64、HL66；敏感品系6个：HL31、HL34、HL40、HL42、HL68、HL73；剩余材料为介于耐旱与敏感之间的过渡类型。