陆地棉花铃期抗旱指标筛选及评价

闫成川， 曾庆涛， 陈琴， 付锦程， 王婷伟， 陈全家， 曲延英

（1.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；2.新疆生产建设兵团第七师农业科学研究所，新疆 奎屯 833200）

棉花属于锦葵科棉属，作为天然纤维的主要来源，在80 多个国家及地区均有种植，同时在我国经济作物中占有重要地位[1]。据国家统计局数据，2021年新疆棉花播种面积 250.61 万 hm2，产量512.9 万 t，比上年减少 3.2 万 t，下降 0.6%，主要由于春季低温时间长、局部阶段性干旱对棉花生产造成不利影响[2]。新疆作为我国最大的产棉区，属于干旱、半干旱地区，水资源短缺严重影响棉花的生产。近几年来，出现极端干旱天气的频率升高，作物受到干旱胁迫的次数增加，对棉花生产构成了极大的威胁[3]。棉花抗旱性由多基因控制及多种途径调控[4]，属于复杂的数量性状[5]，其中产量性状以及众多生理生化和形态性状受影响最大[6]。棉花在生育时期的不同阶段中抗旱机制不同,其抗旱性最终体现在产量上，因此抗旱性主要通过与产量相关的指标（包括形态性状、生理生化和光合指标等）共同表现出来。

在棉花的幼苗时期进行干旱胁迫后发现，轻度干旱（土壤相对湿度指数为55%～65%）对于叶片光合作用没有显著影响，但中度(土壤相对湿度指数45%～55%)以上的持续干旱胁迫会致使叶片光合能力下降、光抑制程度加重，说明随着干旱程度的加剧，棉花幼苗的生长发育状况受到进一步抑制，叶片含水量、叶片水势、净光合速率逐渐降低[7]。沈杰等[8]研究发现，花铃期受到干旱胁迫后，因蒸腾作用加大，水分供需失调，叶片开始出现萎蔫，使得花铃加速脱落，严重影响棉花单株产量和纤维品质。王俊娟等[9]研究发现，干旱胁迫使籽棉、皮棉重均降低，同时花铃期的干旱胁迫会使纤维品质产生极大变化，如纤维长度、断裂比强度极显著降低，整齐度极显著下降，马克隆值和伸长率极显著升高。干旱胁迫会降低叶面积指数，且丙二醛(malondialdehyde，MDA)含量、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase，SOD)活性与品种的抗旱指数呈显著或极显著负相关[10]。近年来，随着棉花抗旱性鉴定技术逐步发展，由原来的直接鉴定和抗旱隶属函数鉴定发展到由多个指标结合主成分分析、相关性分析、逐步回归分析、灰色关联度分析和聚类分析等进行综合评价，使抗旱性评价的结果更加准确[11-14]。

本研究以新疆农业大学农学院作物遗传改良与种质创新重点实验室收集和本实验室自育的优质棉花品种共253 份为供试材料，以棉花花铃期作为抗旱的关键时期，设置干旱胁迫和正常对照2个处理，通过比较这2个处理下的光合指标和农艺性状等15个指标，结合主成分分析、相关性分析、抗旱隶属函数分析和聚类分析方法，筛选出棉花抗旱性关键指标，对品种抗旱性进行评价。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料共253份（表1），包括黄河流域棉区68 份、西北内陆棉区62 份、长江流域棉区43 份、东北特早熟棉区7 份、国外引进材料49 份和本实验室自育材料24 份，由新疆农业大学农学院作物遗传改良与种质创新重点实验室收集并提供。

表1 253份国内外陆地棉资源Table 1 253 domestic and foreign upland cotton resources

表1 253份国内外陆地棉资源Table 1 253 domestic and foreign upland cotton resources 续表Continued

表1 253份国内外陆地棉资源Table 1 253 domestic and foreign upland cotton resources 续表Continued

1.2 试验设计

试验于2021年在沙湾县144 团3 连新疆农业大学棉花育种基地（43°20′—45°20′N，84°45′—86°40′E）进行。试验设置干旱胁迫(drought stress,DS)和正常对照(check，CK)2个处理，各 2个重复，干旱胁迫与正常对照之间设2 m 的保护行。小区行长 2 m，1 区 14 膜，1 膜 3 行，1 膜 1 份材料种植，采用膜下滴灌浇水。试验材料于4月26日播种，5月 5日出苗，7月 7日打顶。胁迫处理在 7月4日开始，胁迫前在干旱区主管道安装水表来记录控水量。栽培期间管理方法同大田。

1.3 测定指标与方法

花铃期（7月4日）开始胁迫处理，干旱胁迫15 d 后采用5 点取样法对土壤 0—20、20—40、40—60 cm的土层进行取样称重，放入烘箱内烘至恒重称量，对含水量进行测定。

干旱胁迫15 d 后，选取棉花倒3 叶，用光合仪（英国汉莎，CIRAS-3）测定光合指标，包括蒸腾速率（transpiration rate，Tr）、胞间二氧化碳浓度（intercellular carbon dioxide concentration，C）i、净光合速率（photosynthetic net，Pn）、气孔导度（gas cavity，Gs）、水蒸气压亏缺（vapor pressure deficit，VPD）和 水 分 利 用 效 率（water use efficiency，WUE），每个材料连续测5 株取平均值为1个重复。

7月 20日，用 SPAD 仪（日本赛亚斯，SYSSPAD-502Plus）测定叶绿素相对值（SPAD 值），选取棉花倒3 叶，在倒3 叶上、中、下测量取平均值，连续测5株，再取平均值记为1个重复。

9月17日，测定干旱胁迫和正常对照的农艺性状，包括株高（plant height，PH）、有效果枝数（efficiency fruit branch number，EFBN）、始节高(height of the first node of fruit branch，HFNFB)、果枝 数（fruit branch number，FBN）、铃 数（boll number，BN）、有 效 铃 数 (efficiency fruit boll number，EFNB)；9月 25日，开始测定混收 20 铃籽棉重（seed cotton weight，SCW）和皮棉重（lint weight，LW），测定方法参照《棉花种质资源描述规范和数据标准》[15]。

1.4 数据处理

采用EXCEL 2010软件和SPSS 25.0软件对数据进行统计分析。抗旱评价包括抗旱系数(DC)、抗旱指数(DI)及抗旱性度量值(D)，按照以下公式进行计算[16]。

式中，Xd为某指标干旱胁迫条件下测定值,Xw为某指标正常对照条件下测定值为某指标在干旱胁迫条件下的平均值。

式中，DIimin、DIimax分别为各材料某性状指标抗旱指数的最小值和最大值。

式中，ri为第i个综合指标的贡献率。

2 结果与分析

2.1 土壤含水量分析

在胁迫 15 d 后对 0—20、20—40、40—60 cm的土层进行取样称重，结果见表2。干旱胁迫后0—20 cm土层的含水量变化最大，下降了8.257个百分点，3个土层含水量平均下降了7.921个百分点，在干旱胁迫处理的主管道安装水表，胁迫期间2个干旱胁迫处理总共控水566 m3，达到干旱胁迫条件。

表2 土壤干旱胁迫后水分含量变化Table 2 Changes in soil moisture content after drought stress

2.2 单一指标统计

对253份陆地棉15个单一指标进行统计分析如表3所示。通过t检验分析表明，15个指标均受到了显著影响，正常对照和干旱胁迫表现为显著性差异。不同处理下的变异系数范围为6.56%～64.44%，气孔导度、果枝数、铃数和有效铃数的变异系数超过了12%，其中气孔导度变异系数最高，正常对照下为33.67%，干旱胁迫条件下为64.44%；叶绿素相对值的变异系数最小，正常对照下为6.56%，干旱胁迫条件下为14.20%。由此可知，选取的253 份陆地棉资源材料类型比较丰富，在干旱胁迫下变异系数差异较大，对水分胁迫较敏感，所选取的指标可以为抗旱评价奠定基础。

表3 不同处理下各种性状的统计Table 3 Statistics of various traits surveyed under different treatments

2.3 主成分分析和相关性分析

主成分分析是将多个指标进行降维分析得出几个关键指标，而不会丢失信息。因此，所有指标的主成分分析代表了胁迫后指标的变化情况。由表4 可知，将15个指标进行主成分分析，提取出7个主成分（PC1～PC7），累计贡献率为82.442%。第1 主成分特征值为3.335，与有效铃数、铃数和有效果枝数等农艺性状相关，可以作为筛选花铃期棉花抗旱的特征指标。因此，第1 主成分中的有效铃数（0.801）、铃数（0.779）及有效果枝数（0.748），第2 和第3 主成分中的气孔导度（0.690和0.558），第4 主成分中的皮棉重（0.750），第5 主成分中的蒸腾速率（0.647），第6 主成分中的始节高（0.773），第7 主成分中的叶绿素相对值（0.660）和株高（0.566）等，以上主成分分别与农艺性状、光合指标及生理特征指标相关，可以作为棉花花铃期抗旱筛选的关键指标。

由表4 结合表5 可知，有效铃数与有效果枝数、铃数、果枝数、水分利用效率和净光合速率呈极显著正相关，与胞间二氧化碳浓度呈极显著负相关；气孔导度与蒸腾速率和胞间二氧化碳浓度呈极显著正相关，与水蒸气压亏缺呈极显著负相关；皮棉重与籽棉重呈极显著正相关；蒸腾速率与净光合速率和气孔导度呈极显著正相关；始节高与果枝数呈显著负相关；SPAD 值与籽棉重及铃数呈极显著负相关。

表4 主成分分析因子载荷矩阵和贡献率Table 4 Principal component analysis factor loading matrix and contribution rate

析分性关相状性各5 orrelation analysis of each trait表Table 5 C压D气VP蒸缺水亏度导Gs 孔气合Pn光率净速化氧Ci度间二碳浓胞数EFNB 铃效有BN数铃0.774**数FBN 枝果0.438**0.344**高HFNFB节始-0.155*0.040 0.059 LW重棉0.024 0.001 0.055 0.077皮重SCW 棉籽0.726**0.031-0.062 0.092 0.119率速Tr 腾蒸0.050-0.060 0.078 0.175**0.203**0.204**枝果效EF BN有数0.209**-0.040 0.032-0.017 0.653**0.776**0.638**PH高株0.182**0.114 0.095 0.074 0.133*0.24**0.212**0.244**相AD素SP绿值叶对-0.009-0.093-0.044-0.175**-0.122-0.009-0.027-0.204**-0.130*Trait BN B NB PH EF Tr率SC W LW N FB NF BN 数EF状 高枝速重重HF数数数性 株果腾棉棉高枝铃铃效蒸籽皮节果 效有始有-0.070-0.564**-0.131*0.170**-0.102 0.623**-0.460**0.395**-0.514**-0.595**-0.249**0.362**-0.069 0.074 0.210**-0.149*0.312**0.034 0.032 0.160*-0.081 0.115 0.003 0.049 0.024-0.022 0.173**0.042-0.067 0.041-0.148*0.100-0.085-0.001 0.171**-0.120 0.108-0.022 0.035 0.038 respetively.0.151*0.289**0.529**-0.108-0.340**-0.180**0.251**-0.021 0.094 0.105。＜0.01 levels，关相著-0.087 0.171**-0.002-0.015 0.057显0.01水0.149**＜0.05 and P平-0.198**0.027 0.031-0.136**P＜0.05和P＜D VP E 在碳Pn 示化Ci Gs 率 缺WU表率度氧度速 别亏indicate significant correlation at P用**分合二浓 导 效**间 光孔压气胞 净气蒸利水水分：*和注Note：*and

2.4 抗旱性综合评价、聚类分析及等级划分

以抗旱性度量值（D值）为参数，D值的大小代表棉花的抗旱性强弱，D值越大代表棉花的抗旱性越强。用15个指标计算的D值记做D15，7个关键指标计算的D值记做D7，利用主成分分析结合抗旱性隶属函数分析将棉花的抗旱性分为5个等级，D15和D7值在棉花抗旱等级划分上基本一致，说明主成分和相关性选取的7个指标可以作为棉花抗旱筛选的关键指标。以D15值进行聚类分析，结果如表6 和图1 所示，第Ⅰ类为强抗旱材料，包括 JK625、库车 7946 和肯尼亚 2 号等 14 份，占供试资源材料的5.53%；第Ⅱ类为抗旱材料，包括133K1、苏徐138（旱熟）和滇中-7 陆等46 份，占供试资源材料的18.19%；第Ⅲ类为耐旱材料，包括抚荣紫 164、农大棉 7 号和 Y2012004 等 116 份，占供试资源材料的45.85%；第Ⅳ类为较敏感材料，包括中 507145、石 128 和新棉 5 号等 58 份，占供试资源材料的22.92%；第Ⅴ类为敏旱材料，包括 HT-176、鄂棉 18 号和川 R128 等 19 份，占供试资源材料的7.51%。

图1 棉花品种资源综合抗旱性聚类分析Fig.1 Comprehensive drought resistance cluster analysis of cotton variety resource

表6 棉花资源材料的D15值、D7值及分类Table 6 D15，D7 value and classification of cotton resource material

表6 棉花资源材料的D15 值、D7 值及分类Table 6 D15，D7 value and classification of cotton resource material 续表Continued

3 讨论

3.1 棉花花铃期抗旱指标的筛选

棉花的各个生育时期受到干旱都会对其产量造成影响，尤其是在花铃期受到干旱胁迫时，会使植株矮化，叶片生长缓慢，果枝生长受到抑制，果枝数量减少，严重时落花、落铃率升高，甚至导致棉花死亡[17]。李海明[18]在棉花花铃期开始干旱胁迫，最终筛选出株高、籽棉重、单铃重、有效铃数和果枝数5个性状可以作为陆地棉抗旱评价指标。赵福相等[19]对海岛棉花铃期进行干旱胁迫，发现单株产量、单铃重和株高3个抗旱性评价指标能直观、简单并可靠地评价海岛棉花铃期种质资源的抗旱性。本研究以253 份国内外陆地棉资源材料为研究对象，遗传背景更加丰富，通过测定蒸腾速率、气孔导度、株高和有效果枝数等15个指标，结合主成分分析筛选出有效果枝数、蒸腾速率、叶绿素相对值和株高关键指标，与孙丰磊[20]、郑巨云等[16]和李憬霖等[21]花铃期抗旱关键指标一致。另外，叶绿素相对值、株高、气孔导度和蒸腾速率可作为棉花花铃期抗旱的显著性立测指标。

3.2 棉花抗旱性评价方法

棉花的抗旱性评价方法不是基于单一指标就可完成，它是由多种指标和各种分析方法结合完成的，不同的指标和分析方法得到的评价结果可能不一致。随着统计方法的发展，国内外学者开始采用抗旱系数、抗旱指数、主成分分析、隶属函数分析、灰色关联分析及聚类分析相结合的方法对棉花抗旱性进行评价[16]，这可以有效避免单一指标或单一分析方法带来的误差。本试验用抗旱性隶属函数结合主成分分析对棉花花铃期抗旱性进行鉴定，筛选出强抗旱材料14 份，抗旱材料46份，耐旱材料116 份，较敏感材料58 份，敏旱材料19 份。与郑巨云等[16]、李海明等[14]和孙丰磊[20]研究强抗旱和敏旱材料少，耐旱、抗旱和较敏感材料多一致；在抗旱等级划分上，苏棉12、新陆早49号及新陆早58 号一致，但有些品种抗旱等级分类不一致，如关农1 号、新陆早45 号及中棉41，与郑巨云等[16]及李憬霖等[21]评价结果不一致，有可能是由于生育期、评价指标、干旱胁迫环境以及本试验基地不对黄萎病和枯萎病管理所致。

棉花作为新疆大规模种植的经济作物，近年来种植面积逐年增加，种植方式采用1 膜6 行、株距10 cm 的高密度种植模式，棉花旱情的监测工作越来越严峻。传统的旱情监测工作量大、费时费力，不适宜大规模、高密度的种植模式。随着小型无人机的出现和技术的成熟，已经应用于越来越多的领域。无人机作为具有高灵活性、低成本的新型农业监测工具，为我国向农业现代化、精准化转变提供了极大的帮助[22-23]。本文所筛选的棉花花铃期抗旱关键指标叶绿素相对值、株高、气孔导度和蒸腾速率，可以为无人机监测指标选择提供基础。