棉花萌发期和苗期耐盐性差异研究及种质鉴定

杜 磊, 雄东毕, 赵海红, 李成奇

(1.运城学院生命科学系, 山西 运城 044000; 2.阿克苏地区农业农村局, 新疆 阿克苏 843000)

我国盐碱地面积约为1亿hm2,位居世界第三,土壤盐碱化已成为制约农业生产的主要因素之一。棉花作为耐盐先锋植物,不仅可以在盐碱地种植,还可改良土壤,近年来,种植区域逐渐向盐碱地转移[1]。研究表明,萌发期和苗期棉花的耐盐能力较差,比较适合进行耐盐材料的筛选鉴定[2]。基于此,通过萌发期和苗期棉花品种耐盐性鉴定,筛选优良材料,进而培育适合在盐碱地种植的新品种,不仅能提高棉花产量和棉纤维品质,确保我国棉花产业安全,也可以更加充分有效地利用盐碱地,提高我国土地资源利用率。

前人已开展了很多关于棉花萌发期和苗期种质资源的耐盐筛选鉴定以及鉴定方法和评价指标的研究,但试验多数是在室内进行,室内环境同大田环境差异较大[3-6]。本研究萌发期耐盐鉴定在室内进行,苗期耐盐鉴定在大田盐碱地进行,以确保试验结果更客观、更科学。以246份棉花种质资源为材料,在因子分析基础上,采用单项因子分析和综合因子分析,力求更全面客观地分析棉花萌发期和苗期耐盐性的区别与联系;在此基础上,采用聚类分析进行棉花耐盐性鉴定,以期为耐盐棉花种质资源的收集、评价和利用工作提供参考,为棉花耐盐新品种的培育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为246份棉花品种(系),分别来自黄河流域(139个)、长江流域(63个)、西北内陆(21个)和北部特早熟(15个)等四大棉区,另有6个引自美国,2个材料来源未知。所有材料均经过多代自交。

1.2 试验方法

1.2.1萌发期耐盐鉴定

萌发期耐盐鉴定采用双层滤纸培养法。每个品种采用0 mmol/L(ck)和150 mmol/L的NaCl溶液处理。每处理50粒种子,共3次重复。以胚根长达到种子1/2长度为发芽标准,分别统计第3天、第7天的发芽数目。以所有已发芽种子的平均胚根长为指标,测定第7天的胚根长度[7-8]。

1.2.2苗期耐盐鉴定

试验于2020—2021年在运城盐湖附近的许贾村盐碱地进行,通过2018—2019年监测土壤含盐量和观测棉花长相,确定了试验地块,在试验当年雨水偏少的6—7月份其土壤总盐含量7.135 g/kg,电导率为3 128.1 μS/cm,pH值8.35,有机质7.63 g/kg,速效钾286.8 mg/kg,碱解氮18.64 mg/kg,速效磷10.46 mg/kg。对照处理在正常农业生产地块种植。土壤总盐含量1.835 g/kg,电导率为1 599 μS/cm,pH值7.66,有机质15.39 g/kg,速效钾303 mg/kg,碱解氮28.45 mg/kg,速效磷20.7 mg/kg。每个棉花品种(系)设为1个处理,每个处理设2次重复。田间管理同大田常规管理。

1.3 指标测定

根据《国家种子检验规程》,以胚根长≥1/2种子长作为发芽标准,统计发芽势、发芽率等。

发芽势/%=(3 d发芽种子数/试验种子数)×100%;

发芽率/%=(7 d发芽种子数/试验种子数)×100%;

胚根长度:以所有已发芽种子的平均胚根长为指标,用WinRhizo Pro根系扫描仪分析扫描图片获取根长,测定第7天的胚根长度;

根冠比:地下部的鲜重/地上部的鲜重;

出苗率/%=(出苗种子数/试验播种数)×100%;

成苗率/%=(两叶一心时成苗种子数/试验播种数)×100%;

相对值=盐胁迫处理数值/对照处理数值;

变异系数/%=(标准差/平均值)×100%[7-10]。

1.4 数据处理

采用Excel 2013软件和SPSS 19.0软件对试验数据进行统计学分析、相关性分析、因子分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 盐胁迫下棉花萌发期和苗期各性状变化分析

前人研究显示,本试验涉及的6个性状中,发芽势、发芽率、胚根长、出苗率、成苗率的数值变化同棉花耐盐性呈正相关,根冠比的数值变化同棉花耐盐性呈负相关[3-6,11-12]。由表1可知,各性状试验数据的变化趋势同预期一致,但盐胁迫对其影响程度差异较大。

胚根长、发芽势、发芽率、成苗率和出苗率在盐胁迫下所得数据的均值同对照组相比,依次降低了70.14%、26.56%、12.98%、8.81%和5.77%,其中胚根长降幅最大,表明盐胁迫对萌发期种子胚根伸长存在明显抑制作用。胚根长在盐胁迫处理下的变异系数为24.94%,数值依然比较大,表明盐胁迫处理的浓度比较合适,在抑制棉花种子萌发的同时,又使品种间的耐盐性差异充分展现。

根冠比在盐胁迫下所得数据的均值同对照组相比,增加了37.03%。说明盐胁迫对棉花地上部分的生长抑制作用大于地下部分。

对照组和盐胁迫处理下,大部分性状的变异系数绝对值较大,表明本试验所研究的246份棉花品种(系)的耐盐性存在较大差异。大部分性状在盐胁迫处理下的变异系数比对照组大,表明在150 mmol/L的NaCl溶液处理时,246份棉花品种(系)的耐盐性差异比0 mmol/L的 NaCl溶液处理时大,说明本试验盐胁迫浓度比较合适,在此浓度下不同品种间的耐盐性差异被更好地展现出来。

表1 盐胁迫下246份棉花种质资源性状统计Table 1 Character statistics of 246 cotton germplasm resources under salt stress

2.2 耐盐性状的相关性分析

由表2可知,盐胁迫条件下,相对出苗率和相对成苗率,相对发芽势和相对发芽率均存在极显著的正相关,相关系数分别为0.823和0.880。种子萌发需要胚根伸长去突破种皮,因此相对胚根长和相对发芽势、相对发芽率之间均存在极显著的正相关,相关系数分别为0.665和0.571。棉花的根系属于直根系,其主根发达,主根主要由胚根发育而来,因此相对胚根长和相对根冠比之间也存在极显著的正相关,相关系数为0.284。

相对根冠比、相对胚根长、相对出苗率和相对成苗率之间相关性较强。因为棉花幼苗类型属于子叶出土幼苗,在出苗过程中需要胚根和下胚轴的伸长才能把子叶顶出土,所以他们之间相关性较强。但相关系数不是很大,因为出苗率、立苗率受外界环境影响较大。

2.3 耐盐性状的因子分析

由表2可知,多个性状间相关性较高,具备提取公共因子的条件,可以采用因子分析的方法。为进一步验证上述6个性状是否适合进行因子分析,通过SPSS软件进行KMO检测和Bartlett球度检测分析性状间相关性。结果如表3所示,KMO值为0.583,大于0.5,表明因子分析可以进行。Bartlett球度检测值为865.486,大于100,且对应的伴随概率为0.00,小于显著水平0.05,表明变量之间存在相关性[13]。

表2 6个性状间的相关性分析Table 2 Correlation analysis among 6 traits

表3 KMO 和 Bartlett 的检验Table 3 KMO and Bartlett test

由表4可知,通过因子分析从6个性状中提取出3个公共因子,特征值分别为1.881、1.827和1.225,均大于1。3个公共因子分别解释了6个性状总方差的31.352%、30.455%和20.432%,共同解释了6个性状总方差的82.239%。放弃的其他3个因子解释的总方差不到18%,信息丢失较少。

表4 3个公共因子的特征值及贡献率Table 4 Eigenvalues of 3 common factors and their contribution rate

图1 246个棉花品种盐胁迫聚类分析Fig.1 Salt stress cluster analysis of 246 cotton varieties

表5为因子载荷矩阵,显示了提取的3个公共因子与6个性状间的相关性,可知公共因子1在相对发芽势和相对发芽率上载荷大,称为萌发期公共因子。公共因子2在相对出苗率和相对成苗率上载荷大,称为苗期公共因子,公共因子3在相对根冠比和相对胚根长上载荷大,称为根相关性状公共因子。

2.4 耐盐材料聚类分析及种质资源筛选

各公共因子的得分系数矩阵见表6。据此可获得各公共因子的得分函数:

萌发期公共因子F1=-0.018X1-0.029X2-0.061X3+0.011X4+0.517X5+0.516X6

苗期公共因子F2=0.524X1+0.522X2+0.046X3-0.032X4-0.036X5-0.010X6

根相关性状公共因子F3=0.027X1-0.026X2+0.756X3+0.618X4-0.002X5-0.027X6

将3个公共因子的方差贡献率作为权数进行加权分析,可得各棉花品种的耐盐综合得分:F=(31.352F1+30.455F2+20.432F3)/82.239。

表5 公共因子载荷矩阵Table 5 Loading matrix of common factors

表6 公共因子得分系数矩阵Table 6 Coefficient matrix of common factor scoring

利用系统分析法的组间联接平均法进行聚类分析,将246份棉花品种分为四类。如图1所示,苏棉9号、鄂棉14、冀邯3号、鲁棉10号、鲁棉11号、52-128、邯4849、鄂抗棉10号、辽棉13号、南通5号等10个品种为耐盐材料(F值范围为0.798～1.464),盐棉48、中棉所40号、豫早73、冀棉20号、新陆早26号、新陆中8号、新陆中21号、黑山棉1号、苏棉3号、辽棉17号、锦育5号、锦棉6号、朝阳棉1号、邯棉559等14个品种为盐敏材料(F值范围为-2.103～-1.329)。

3 结论与讨论

在因子分析中,可依据各因子得分进行单项比较,也可依据综合因子得分进行综合比较[13]。本试验分别通过单项和多项比较,分析了三种条件下棉花的耐盐性。依据萌发期公共因子F1对材料萌发期耐盐性进行评价。F1值越大,材料萌发期耐盐性越好;F1值越小,材料萌发期盐敏性越好。依据苗期公共因子F2,对材料苗期耐盐性进行评价。F2值越大,材料苗期耐盐性越好;F2值越小,材料苗期盐敏性越好。依据综合因子F,对材料的综合耐盐性进行评价。F值越大,材料综合耐盐性越好;F值越小,材料综合盐敏性越好。

3.1 棉花萌发期和苗期耐盐性差异分析

以综合耐盐性为判断标准,萌发期耐盐性和综合耐盐性各自排名均属于前30的有中棉所40号、邯棉559、鑫秋4号、锦育5号、苏棉3号、辽棉14号、豫早73、新陆早26号、陕401和岱字棉15等10个材料,即在萌发期进行棉花耐盐性鉴定,准确率为33.33%;苗期耐盐性和综合耐盐性各自排名均属于前30的有辽棉17号、百棉1号、新陆中21号和冀棉228等4个材料,即在苗期进行棉花耐盐性鉴定,准确率为13.33%。表明在萌发期和苗期,可以优先选择萌发期进行耐盐性鉴定。

以综合耐盐性为判断标准,没有三种条件下各自排名均属于前30的材料,说明本试验材料中没有萌发期和苗期耐盐性都很强的棉花品种。可以推测耐盐性强的棉花品种,一般是萌发期或者苗期耐盐性很强,很少有品种在这两个时期的耐盐性都很强;棉花萌发期耐盐性和苗期耐盐性不存在显著相关性。其原因可能是两个时期棉花的耐盐机理不同,萌发期耐盐性的主要机理是棉株抵抗渗透胁迫,而苗期耐盐性的主要机理是棉株通过拒盐、离子区域化、渗透调节和活性氧清除等方式来抵抗离子毒害和渗透胁迫,同时苗期耐盐性也体现了不同棉花品种的光合产物积累能力[14-15]。

3.2 棉花萌发期和苗期盐敏性差异分析

以综合盐敏性为标准,三种条件下各自排名均属于前30的材料有52-128、邯4849、辽棉13号、南通5号、新陆中26、锦科棉9号和国欣棉11号等7个品种,即盐敏材料中,萌发期和苗期都盐敏的比例为7/30。表明棉花萌发期盐敏性和苗期盐敏性相关性较大。推测盐敏材料一般萌发期和苗期的耐盐性都较差,只要苗期或者萌发期耐盐性强,不会被认定为盐敏材料。

以综合盐敏性为标准,萌发期盐敏性和综合盐敏性各自排名均属于前30的材料有52-128、邯4849、辽棉13号、奥棉618、金字棉、银山7号、南通5号、中棉所35号、新陆中26、鄂抗棉10号、湘棉12号、徐州142、中棉所49号、锦科棉9号和国欣棉11号等15个,即以萌发期判定材料盐敏性,准确率为50%。苗期盐敏性和综合盐敏性各自排名均属于前30的材料有南通5号、苏棉9号、邯4849、冀邯3号、52-128、鄂棉14、鲁棉10号、辽棉13号、鲁棉11号、国欣棉11号、徐州514、嘉星1号、新陆中26、沪棉204、中棉所30号、锦科棉9号、川棉45、一树红和鄂抗棉3号等19个,即以苗期判定材料盐敏性,准确率为63.33%。表明在萌发期和苗期,可以优先选择苗期进行盐敏鉴定。