陆地棉苗期的耐盐碱性评价及鉴定指标筛选

黄雅婕， 任丹， 李生梅， 崔进鑫， 杨涛， 任姣姣， 高文伟

（新疆农业大学农学院，棉花教育部工程研究中心，乌鲁木齐 830052）

土壤盐渍化是影响农业生产最严重的逆境胁迫之一[1]。新疆盐碱土面积占全国的22.01%，盐渍化耕地面积占新疆耕地总面积的30.12%[2]。而新疆是我国重要的棉花产区，棉花生产在我国占有重要地位，同时也是新疆经济的重要组成部分[3]。而土壤盐渍化已严重威胁到新疆的棉花生产安全。孙小芳等[4]研究表明，棉花在种子萌发期和幼苗期的耐盐性较弱，这2个时期是研究和鉴定棉花耐盐性的关键时期。张国伟等[5]将苗期的叶片伸展速率、株高、地上部干物质量、根干物质量、根系活力和净光合速率作为棉花苗期的耐盐鉴定指标；戴海芳等[6]将棉花相对电导率、净光合速率、叶绿素含量、第一片真叶面积和幼苗鲜重作为苗期耐盐鉴定的指标；刘祎等[7]认为幼苗生长状况、干物质量及根系生长情况可作为耐盐鉴定指标。魏俊梅[8]采用室内和盐碱地种植两种方式对24份棉花品种进行鉴定，室内和田间鉴定结果相一致。目前对于棉花苗期的耐盐鉴定大多使用盆栽，鲜有在田间进行鉴定，因此，无法真实还原田间自然胁迫下棉花品种的耐盐性。且室内鉴定指标多、耗时长，无法大批量进行品种耐盐碱性鉴定。因此，本研究综合前人研究成果，选取六个在田间能快速测定的指标对90份棉花品种的耐盐碱性进行鉴定，并对其耐盐碱性进行综合评价，为棉花育种及耐盐碱性鉴定评价工作提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以90份不同来源的陆地棉品种（系）为供试材料（表1）。其中，51份来自黄河流域棉区，24份来自长江流域棉区，8份来自西北内陆棉区，4份来自北部特早熟棉区，3份来自美国。所有试验材料均由新疆农业大学农学院作物遗传育种系提供。

表1 供试棉花品种及来源Table 1 Cotton varieties and origin 续表Continued

表1 供试棉花品种及来源Table 1 Cotton varieties and origin

1.2 试验设计

本试验于2020年在新疆农业大学棉花育种基地（E 43°20′—E 45°20′，N 84°45′—86°40′）进行。该地为温带大陆性气候，平均海拔300～500 m，年平均气温7.5～8.2 ℃，年日照时长2 318～2 732 h，全年无霜期 147～191 d，年降雨量 125 ～207.7 mm，年蒸发量1 000～1 500 mm。

胁迫处理（ST）选地为自然盐碱地（试验田排碱渠附近），土壤总盐含量9.165 g·kg-1，电导率为4 450.1 μS·cm-1，pH 8.51，有机质 11.93 g·kg-1，速效钾 456.8 mg·kg-1，碱解氮 21.34 mg·kg-1，速效磷6.16 mg·kg-1。

对照处理（CK）在正常棉田生产地块种植。土壤总盐含量6.765 g·kg-1，电导率为 2 599 μS·cm-1，pH 8.06，有机质12.57 g·kg-1，速效钾 505 mg·kg-1，碱解氮 24.91 mg·kg-1，速效磷 14.7 mg·kg-1。

每个处理两次重复。采用随机区组试验设计，1膜6行，每个品种种植2行，行长2 m，行距0.7 m，株距0.1 m，播幅2.35 m。田间管理同大田常规管理。

1.3 测定项目与方法

于播种后10 d测定棉花的出苗率（emergence rate，ER）[6]，于播种后 30 d 测定棉苗的下胚轴长（hypocotyl lengths,HL）、株高（plant height，PH）和叶片数（number of leaves，NL）；使用 SPAD-502 Plus手持式叶绿素仪测定第1片真叶SPAD值；采用打孔称重法[9]测定第1片真叶面积（leaf area of the first true leaf，LA）[9]。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2019进行试验数据的整理，使用SPSS 26.0进行描述性统计、相关性分析、主成分分析和多元逐步回归分析[6]，使用TBtools进行聚类分析。

为排除品种间差异，所有指标均转化为耐盐系数，计算公式如下。

式中，M为隶属函数值，Xi为第i个综合指标；Xmin为第i个综合指标的最小值；Xmax为第i个综合指标的最大值；i=1，2，…，n。

式中：wi为第i个综合指标在所有综合指标中的权重；pi为各品种第i个综合指标的贡献率；i=1，2，…，n。

式中，D为不同品种综合耐盐能力，i=1，2，…，n。

2 结果与分析

2.1 不同品种各指标描述性统计分析

由表2可知，棉花的下胚轴、株高、叶片数及第1片真叶面积在胁迫条件下较对照降低，出苗率和叶片SPAD值较对照升高。其中，胁迫条件下，第1片真叶面积的变异系数最高，表明在胁迫下不同品种的第1片真叶面积差异较大。

表2 不同处理下棉花幼苗的形态指标Table 2 Indexes of cotton seedlings under different treatments

2.2 不同指标的相关性分析

对苗期各性状的相关性进行分析，结果（表3）表明，出苗率与下胚轴长、株高呈显著正相关；下胚轴长与株高呈极显著正相关；株高与叶片数和第1片真叶面积呈极显著正相关；叶片数与第1片真叶面积呈显著正相关。

表3 不同指标的相关性分析Table 3 Correlation analysis of various indexes

2.3 不同品种耐盐碱性综合评价

主成分分析提取出4个主成分因子（表4），它们的贡献率分别为34.034%、20.910%、14.513%和13.842%，累计贡献率达83.298%。通过主成分分析得到各品种在各成分中的F值，将其带入式（3）计算出不同材料各指标的μ（Xi）值，值越高表明材料耐盐碱性越好，反之耐盐碱性越差。根据表5可以看出：第1综合指标下鲁棉37耐盐碱性最好，鲁棉研17的耐盐碱性最差；第2综合指标下中宿410408耐盐碱性最好，新陆中33耐盐碱性最差；第3综合指标下一树红耐盐碱性最好，晋棉36耐盐碱性最差；第4综合指标下军棉1号耐盐碱性最好，GK99-1的耐盐碱性最差。根据式（4）和式（5）计算权重和D值。根据D值对90份品种的耐盐碱性进行排序，结果（表5）表明，军棉1号D值最高，表明其耐盐碱性最强；中棉所49的D值最低，表明其耐盐碱性最差。

表4 主成分分析及贡献率Table 4 Principal component analysis and contribution rate

表5 不同品种的综合评价Table 5 Comprehensive evaluation of different varieties 续表Continued

表5 不同品种的综合评价Table 5 Comprehensive evaluation of different varieties

表5 不同品种的综合评价Table 5 Comprehensive evaluation of different varieties 续表Continued

根据D值进行聚类分析，90个品种划分为4类（图1）。第Ⅰ类包含3份材料，其D值范围为0.671～0.814，因此将该类命名为强耐盐碱类型；第Ⅱ类包含18份材料，其D值范围为0.471～0.584，因此将该类命名为中等耐盐碱类型；第Ⅲ类包含52份材料，其D值范围为0.316～0.459，因此将该类命名为弱耐盐碱类型；第Ⅳ类包含17份材料，其D值范围为0.215～0.305，因此将该类命名为盐碱敏感类型。

图1 90份棉花聚类图Fig.1 Clustering maps of 90 cotton samples

进一步对4类品种的表型性状进行分析，结果（表6）表明，第Ⅰ类群的出苗率、第1片真叶面积在胁迫条件下显著高于其他类群，下胚轴长、株高、叶片数与其他类群差异不显著；第Ⅱ类群叶片SPAD值显著高于第Ⅰ类群与第Ⅳ类群，出苗率、第一片真叶面积略高于第Ⅱ、Ⅲ类群，下胚轴长、株高、叶片数与其他三个类群差异不显著；第Ⅲ类群的出苗率、第一片真叶面积显著低于第Ⅰ类群，其余指标与其他类别无显著差异；第Ⅳ类群除叶片数外的指标均低于其他类群。

2.4 回归模型建立和鉴定指标的筛选

为进一步筛选确定与棉花耐盐碱性相关的鉴定指标，以D值为因变量，各项指标为变量进行多元逐步回归分析，构建回归方程，结果表明，D=-0.656+0.294ER+0.487SPAD+0.134LA+0.136PH，R2=0.995，F=4 078.27，P＜0.001。其中，出苗率、叶片SPAD值、第1片真叶面积和株高对棉花苗期耐盐碱性具有显著影响。可通过测定这4个指标求得耐盐系数代入方程来估算品种的D值，从而对其耐盐碱性进行评价。

3 讨论

在棉花的整个生长发育阶段，不同时期的耐盐性存在差异。研究表明，棉花在萌发期和苗期耐盐性较弱[4]，因此，品种在萌发期和苗期的表现至关重要。棉花的耐盐性多采用单盐胁迫[5-8,10-16]、混合盐碱胁迫[17-21]及采用盐池盐碱原土[22-23]在室内进行鉴定，而在室外鉴定的研究较少[24]。在大田生产中，盐或碱胁迫通常都不是单一的作用，而是共同作用。室内鉴定虽受环境影响小，但无法还原自然胁迫的真实情况。本研究在大田盐碱地对棉花萌发及苗期的耐盐碱进行鉴定，更加贴合农业生产实际情况，选用6个在田间易于操作且不影响植株正常生长发育的鉴定指标，运用多种方法对90份陆地棉品种的耐盐碱性进行综合性评价，结果准确可靠，为棉花耐盐碱育种提供了参考依据。

本研究通过主成分分析、隶属函数法得到各品种的综合评价D值，并进一步根据D值将90份材料划分为4个类群。研究表明，90份陆地棉中，多数材料均具有一定的耐盐碱性，但强耐盐碱材料较少。强耐盐碱材料的出苗率、第1片真叶面积均显著高于敏感材料，说明盐碱胁迫对强耐盐碱材料出苗影响较小，棉苗通过增大真叶面积来保证较高的光合能力，通过光合产物的积累来保证棉苗的正常生长发育，从而应对胁迫带来的影响。以D值为因变量，各项指标为变量进行多元逐步回归分析进一步筛选与棉花耐盐碱性相关的鉴定指标，结果显示，出苗率、叶片SPAD值、第一片真叶面积和株高4个指标与耐盐碱性密切相关。因此，在大田生产中可通过这4个指标快速评价不同棉花品种的耐盐碱性。