棉花种子耐盐碱能力快速筛选研究

陈 莹 王 萌 王晓禹 张红霞 梁 琪 那仁巴特 马媛媛 王方永 罗宏海

（1 石河子大学农学院，新疆石河子 832003；2 新疆农垦科学院棉花研究所，石河子 832000）

棉花是国计民生不可或缺的基础产品、基础产业[1]，对新疆和兵团经济社会稳定发挥着不可替代的重要作用。盐碱是影响农作物生长发育、产量的主要非生物胁迫因素之一[2]。新疆被称为世界盐碱土的博物馆，是土壤积盐最重、盐碱化类型最多、土壤盐碱化分布面积最广的地区[3]。棉花相对其他作物更耐盐碱，同时也是改良盐碱地的主要作物之一[4]。因此，合理改良与开发利用新疆盐碱地植棉，成为新疆农业可持续发展中亟待解决的主要问题。

种子是植物得以保存的重要的传播者，也是植物生长发育的基础[5]。影响种子耐盐碱能力的因素较多，其中遗传因素占主导作用[6]。植物体内的遗传物质也会受盐碱胁迫影响，如小麦核酸含量会随胁迫浓度的增加而减少[7]。几亿年来，随着时间、地理和气候的不断变化，种子植物种类逐渐增多，即使是同一种植物，也因为地理、气候等因子而发生变异和进化[8]。种子大小变异是植物适应环境和进化的结果[9]，在对鹰嘴豆种子的分级研究中发现，小粒鹰嘴豆种子在低浓度NaCl 胁迫下的发芽和生长速度较大粒种子快[10]。时伟芳等[11]发现小麦小粒种子活力高于大粒种子活力。种子的内在物质与种子的物理性质及种子品质有密切的关系[12]。张丽[13]研究发现，植物细胞通过增强蛋白质合成代谢能力，参与渗透调节，从而适应盐胁迫环境。盐碱胁迫对植物代谢的影响主要包括脂类、蛋白质代谢。脂类物质在植物逆境耐受性方面起着重要作用[14]。棉花蛋白质代谢受盐碱胁迫的影响主要表现为盐分抑制棉花对氮的吸收，同时降低棉株体内的氨基酸和蛋白质的合成速率[15]。

盐碱胁迫对棉花的危害和棉花耐盐机理方面的研究报道已有很多，但关于棉种物理指标、种子贮藏物质指标与种子耐盐碱能力关系的研究鲜有报道。基于此，本研究以41 份新疆棉种为试材，通过混合盐碱胁迫处理棉花种子，利用人工测定的方法、聚类分析、主成分分析和逐步回归，通过数学分析方法与棉种发芽率相结合，探讨棉花种质物理特性与种子耐盐碱能力关系，旨在为棉花种子的无损伤分级筛选奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料试验材料为41 份新疆棉种，品种名称和种子来源信息见表1。

表1 41 份棉种材料名称及来源

1.2 试验设计试验在新疆农业科学院人工气候室进行，人工气候室模拟大田条件下棉花种子萌发的环境，用复合盐碱溶液模拟盐胁迫条件，设4 个盐碱浓度，混合盐碱溶液浓度分别为365mmol/L、390mmol/L、415mmol/L 和465mmol/L。混合盐碱溶液的组成（表2）参考新疆图木舒克地区盐碱地土壤离子含量组成（表3），参照许艳超等[16]的方法有所改进。

表2 混合盐碱溶液组成

表3 图木舒克地区盐碱地成分

对41 个供试品种，各选取籽粒饱满、种胚完整、无霉变、大小一致的种子，用1%次氯酸钠浸泡消毒10min，用蒸馏水冲洗4次，将种子放在超净工作台处晾干，恢复至种皮表面无水分。蛭石与混合盐碱溶液以1∶3 的比例进行搅拌后放入发芽盒中，每个发芽盒摆放40 粒种子，每个处理重复4 次。气候室设定相对湿度60%，温度25～28℃，14h 光照/10h 黑暗，光照强度283μmol/m2s。第7 天调查发芽数，胚芽长度大于棉种长度的1/2 时视为发芽。

1.2 测试指标及方法从41 份供试品种中随机选取籽粒饱满、无霉变、无机械损伤的种子，使用考种仪（SC-A 型，中国）对种子外部形态进行测定，每个材料取100 粒，重复4 次，取平均值。棉种形态指标有面积（SA，单位为mm2）、直径（D，mm）、宽（W，mm）、长（L，mm）、千 粒重（SW，g）、长宽比（L/W）、周长（P，mm）、圆度（C）。

随机选取1000 粒籽粒饱满、无霉变、无机械损伤的种子，去掉种子外壳，称取重量为千种仁重（KW，g），重复4 次，取平均值。

使用近红外分析仪（DA7250，瑞典）对棉籽的含水量（S，%）、油分（Y，%）、蛋白含量（B，%）、粗蛋白含量（CB，%）进行测量，每个材料20g，重复4 次，取平均值。

发芽率（PG，%）=（发芽种子数/供试棉种数）×100

1.3 数据分析试验数据采用Excel 软件处理，采用SPSS 19.0 进行聚类分析（组间联接法）、方差分析（Duncan′s test）、主成分分析与回归分析（逐步回归），使用Excel 进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同棉花品种棉种形态指标统计由表4 可知，41 个棉花品种的圆度为0.57、面积为23.39mm2、周长为19.83mm、长宽比为1.80、长为7.31mm、直径为5.44mm、宽为4.12mm、千粒重为82.76g、千种仁重为48.74g。变异系数最大的是千种仁重，变化范围在39.23～58.87g 之间，而圆度的变异系数最小，统计值在0.54～0.60 之间，变异系数仅为2.55%。面积、千粒重、千种仁重的变异系数分别为6.29%、7.54%、9.19%，表明41 份棉花品种的大小差异较大，大小不均。圆度、周长、长宽比、长、直径、宽的变异系数均低于5%，说明圆度、周长、长宽比、长、直径、宽等6 个形态指标在41 份棉花品种间较稳定。

表4 41 份棉花种子形态指标描述统计

2.2 不同棉花品种的贮藏物质与含水量根据表5可知，所有供试品种的含水量为7.56%，粗蛋白含量27.35%，蛋白含量8.62%，油分含量16.18%，此外，不同品种的同一性状以及各个性状间都存在较大差异，变异系数处于5.11%～22.88%之间。其中蛋白含量的变异系数最大，变幅在3.28%～11.66%之间，蛋白含量可能影响棉种的耐盐碱能力，而含水量的变异系数最小，变幅在6.2%～8.23%之间，说明含水量在品种间稳定。

表5 41 份棉花种子贮藏物质与含水量描述统计 （%）

2.3 不同品种资源耐盐碱级别的分类由图1 可知，在365mmol/L、390mmol/L、415mmol/L 和465mmol/L盐碱条件下种子萌发受到抑制，随浓度的增加发芽率平均降低30.62%、48.39%、97.14%。在465mmol/L浓度盐碱胁迫下只有L6 种子萌发，其余种子均无法萌发，说明此浓度盐碱混合胁迫是新疆棉花品种所能承受的最大胁迫浓度。在365mmol/L 浓度盐碱胁迫下，L6、L7、L10、L9、L19、L14、L30、L11和L27 的发芽率均分别是44.25%、36.25%、20%、16%、15%、15%、13.75%、11.25%、11.25%，其中L6、L7、L9、L10、L11 均来自一师农科所，说明地理位置或生态环境影响棉种生长发育，从而影响耐盐碱能力。

图1 不同浓度混合盐碱胁迫下棉籽的发芽率

根据棉种在365mmol/L、390mmol/L、415mmol/L和465mmol/L 混合盐碱浓度下的发芽率将41 份供试材料进行聚类分析，采用组间联接法将供试材料分成3 类（表6），第I 类为高耐盐碱品种L6 和L7；第II 类为耐盐碱品种L9、L10、L14、L19 和L30；其余品种分为第III 类，为盐碱敏感品种。

表6 41 份品种聚类分析结果

2.4 棉花种子耐盐碱性能与种子基础表型特征指标相关性对365mmol/L 混合盐碱浓度下棉种的13 个物理指标（面积、直径、宽、长、千粒重、长宽比、千种仁重、周长、圆度、蛋白含量、粗蛋白含量、含水量、油分含量），使用Pearson 相关分析筛选出盐碱条件下与发芽率极显著相关的指标，筛选出面积、直径、宽、长、长宽比、周长、圆度、蛋白含量、粗蛋白含量共9 个指标。由表7 可知，盐碱发芽率与棉种的面积、直径、长、长宽比、周长呈极显著负相关，与棉种宽呈显著负相关，而与圆度、蛋白含量、粗蛋白含量呈极显著正相关；棉种的面积与长、宽、直径、周长呈极显著正相关，而与圆度、蛋白含量、粗蛋白含量呈极显著负相关；棉种的直径与长、宽、周长呈极显著正相关；棉种的长与长宽比、周长呈极显著正相关，与圆度、蛋白含量、粗蛋白含量呈极显著负相关；千粒重与千种仁重呈极显著正相关，与油分含量显著负相关；棉种的周长与圆度、蛋白含量、粗蛋白含量呈极显著负相关；棉种的圆度与蛋白含量、粗蛋白含量呈极显著正相关；棉种的蛋白含量与粗蛋白含量呈极显著正相关。

表7 365mmol/L 盐碱胁迫下棉种发芽率与棉种物理指标的相关性

2.5 棉花种子物理指标与种子发芽率回归建模由表8 公因子方差比可知，9 个变量的公因子方差比提取量均大于0.65，说明表中指标提取量较为充分，可用于后续分析。棉种的形态指标面积、周长、长、直径、宽提取量分别为0.99、0.97、0.97、0.99、0.98；圆度的提取量最少，为0.68；棉种贮藏物质蛋白、粗蛋白的提取量为0.79、0.71，小于外部形态指标。

表8 各公因子方差比

由表9 可知，棉种的物理指标前2 个主成分C1、C2贡献率分别为70.28%、18.40%，累计贡献率已到达88.68%，涵盖所有指标的的基本信息，所以，将由这2 个相互独立的主成分代替原本的9 个物理单项指标。圆度（C）、面积（SA）、周长（P）、长宽比（L/W）、长（L）、直径（D）、宽（W）、蛋白含量（B）、粗蛋白含量（CB）的线性组合，其中变量均已标准化。分别为：

表9 种子物理特性主成分分析

C1=-0.09C+0.11SA+0.12P+0.06（L/W）+0.11L+0.11D+0.08W-0.10B-0.10CB

C2=0.05C+0.04SA+0.01P-0.09（L/W）-0.01L+0.04D+0.08W+0.04B+0.02CB

根据主成分分析可知，第1 和第2 主成分的贡献率α 分别为0.7028 与0.1840，并作为权数，可构建F=C1α1+C2α2的综合模型，既F=0.7028C1+0.184C2。采用逐步回归分析法，构建综合评价F值和发芽率与各物理因子指标的回归方程：F=0.29+0.12L-0.07CB+0.10W-0.06B+0.09SA+0.07P-0.15C。根 据方程可以看出对综合值F 影响较大的是棉种的长、粗蛋白含量、宽、蛋白含量、面积、周长和圆度，其中棉种的宽、长、面积和周长呈极显著正相关（P<0.01），而棉种的圆度和蛋白含量呈极显著负相关（P<0.01）；发芽率PG=50.19-23.75L+223.81C，根据方程得出，影响发芽率的主要指标是棉种圆度和长，且与棉种的长呈极显著负相关，与棉种的圆度呈极显著正相关，说明发芽率随棉种长度的增大而降低，随圆度增大而增大（0.54mm

3 讨论与结论

种子的形态特征可以作为植物分类的主要标准之一，种子形态对于种子的鉴定具有重要意义[17]。在不同的生理环境下，种子形态也会有所不同[18]。种子的饱满度会响应植物的生长发育以及生物量[19]。种子的分类依据包括：种子大小、种子颜色、表面纹饰[20]等。种子的贮藏物质积累受海拔、气温、降水、外界环境和地理位置不同的影响[21]。由于环境条件差异光合同化产物向种子中贮藏物的分配和转化也就不同。本研究发现，41 份供试品种为新疆大面积种植品种，范围分布广泛，盐碱条件、地理和气候等方面存在较大差异。在不同区域中，41 份棉花品种蛋白含量、千粒重、种仁重变幅较大，个体差异较大，即使是同一品种在不同的地区仍存在差异。说明棉种形态和贮藏物质以及饱满度受地理环境等因子影响较大。

在NaCl 胁迫下小种子的发芽指数均高于大种子[10]，种子大小影响水分吸收，进而影响品种的生长参数。时伟芳等[11]研究表明逆境条件下小麦小粒种子活力高于大粒种子活力，小麦小粒种子的吸水速率比大粒种子快。本研究表明365mmol/L 盐碱胁迫下的发芽率与棉种的面积、直径、长、周长等呈极显著负相关，说明相对较小的棉花品种的耐盐碱能力更强，可能是由于盐碱形成渗透屏障，从而抑制水分吸收，而小种子萌发所需水分较少，更易萌发。

棉花是耐盐碱能力较强的经济作物之一[22]，但目前研究多集中在单盐[23-24]或单碱[25]的研究中，自然界中的盐碱更多是以混合的形式出现[26]。因此，棉花耐盐碱鉴定工作面临巨大挑战。从早期的直接鉴定：田间盐池鉴定[27]、产量比较[28]、形态观察，到后来的间接鉴定法都涉及很多生理生化指标以及Na+、K+[4]等含量的测定。存在耗时长、成本高、可操作性不强等缺点。而种子无损检测在优化农作物生产成本中则起着重要作用[29]，同时，使用耐盐碱能力强的种子是在盐碱地农业生产获得丰产的先决条件之一。因此，本研究通过将棉种的耐盐碱能力与棉种贮藏物质和形态特征关联，分析方法也从单一的系统聚类法[30]、隶属性函数[31]和主成分[32]分析法，变成结合上述方法，通过相关性分析剔除与发芽率相关性差的指标，再使用主成分分析筛选，最后构建完整的回归方程，达到对棉花品种耐盐碱能力的快速筛选。

盐碱条件下与发芽率极显著相关的指标有面积、直径、宽、长、长宽比、周长、圆度、蛋白含量、粗蛋白含量共9 个指标，其中棉种的长与圆度对发芽率的影响大于其他的指标。由于指标间的关系太弱，棉种的千粒重、千种仁重、含水量与油分含量未能与发芽率建立理想的回归模型。构建的回归方程：PG=50.19-23.75L+223.81C，棉种的长与圆度可作为棉种耐盐碱能力筛选的参照指标。