王準(zhǔn)，張恒恒，董強(qiáng)，貴會(huì)平，王香茹，龐念廠，李永年，牛靜，靳丁沙，汪蘇潔，張西嶺，宋美珍

（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/ 棉花生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 安陽455000）

棉花作為我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物和紡織工業(yè)原料， 其產(chǎn)業(yè)涉及2 000 多萬紡織工人的就業(yè)和近1 億棉農(nóng)的收入問題。 棉農(nóng)為提高產(chǎn)量而大量施用化肥，以新疆棉田為例，化肥施用量為462.9 kg·hm－2， 其中氮肥施用量高達(dá)300 kg·hm－2，遠(yuǎn)高于全球農(nóng)作物化肥施用量120 kg·hm－2[1]。過量施用造成氮肥利用率降低， 大量肥料氮流失，導(dǎo)致溫室效應(yīng)、 水體富營(yíng)養(yǎng)化等嚴(yán)重的環(huán)境問題。棉花生產(chǎn)和資源環(huán)境的矛盾限制著棉花種植和產(chǎn)量潛力的發(fā)揮[2-3]。 如何提高氮素的利用效率，減少氮肥投入是目前亟需解決的問題。 但作物的氮素利用效率不僅與環(huán)境條件有關(guān)，而且與品種自身的吸收和利用能力有關(guān)[4-9]。 因此，挖掘棉花氮高效利用和耐低氮的基因潛力，選育棉花氮高效新品種，是提高氮效率，降低環(huán)境污染的最經(jīng)濟(jì)有效途徑。

目前，氮素養(yǎng)分高效利用已成為國(guó)際農(nóng)業(yè)研究熱點(diǎn)，其中關(guān)于作物耐低氮種質(zhì)的篩選及機(jī)制的研究有大量報(bào)道，主要在水稻[10]、小麥[11]、玉米[12-13]等作物上。 不同作物種質(zhì)之間氮效率存在顯著差異[14]，主要表現(xiàn)在氮素吸收效率和利用效率[15]。為了發(fā)揮作物品種的高產(chǎn)潛力，許多育種種質(zhì)都是在高氮環(huán)境中篩選的，但可能在缺氮的情況下表現(xiàn)不好。 這就需要同時(shí)在低氮和高氮條件下測(cè)定相關(guān)指標(biāo)去鑒定氮高效種質(zhì)[16]。 棉花耐低氮種質(zhì)篩選起步較晚，只有少量報(bào)道。韓璐等[17]以相對(duì)整株干物質(zhì)質(zhì)量為篩選指標(biāo)，在苗期將新疆33 個(gè)主栽品種分為高效、 低效與中間型3 類；鄭順利等[18]根據(jù)總相對(duì)干物質(zhì)質(zhì)量、總氮積累量、地上部含氮量等6 個(gè)指標(biāo)對(duì)30 個(gè)棉花品種進(jìn)行聚類分析，篩選出5 個(gè)氮高效品種和3 個(gè)氮低效品種。 以上研究的品種收集范圍局限在當(dāng)?shù)?，樣本容量小，遺傳背景較窄，篩選出的品種的差異可能較小。 同時(shí)評(píng)價(jià)棉花氮素利用效率的指標(biāo)很多， 僅采用單一指標(biāo)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法如聚類分析、相關(guān)分析等難以全面反映耐低氮脅迫能力；因此，須構(gòu)建合理的篩選指標(biāo)體系，綜合采用多指標(biāo)評(píng)價(jià)方法，進(jìn)行全面準(zhǔn)確的篩選鑒定。 產(chǎn)量是棉花的主要經(jīng)濟(jì)性狀，也是評(píng)價(jià)棉花耐低氮能力的重要指標(biāo)，但通過苗期篩選和田間產(chǎn)量驗(yàn)證綜合篩選棉花氮高效種質(zhì)尚未見報(bào)道。

因此，本研究以中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所植棉技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化課題對(duì)370 份國(guó)內(nèi)外有代表性的種質(zhì)進(jìn)行沙培篩選后獲得的80 份不同氮吸收利用效率棉花種質(zhì)為研究對(duì)象，采用水培及田間驗(yàn)證等方式，在低氮和正常氮條件下研究苗期不同種質(zhì)棉花對(duì)氮素吸收利用的差異，構(gòu)建苗期篩選指標(biāo)體系，采用聚類熱圖分析、氮效率綜合值等評(píng)價(jià)方法，進(jìn)一步篩選不同氮效率種質(zhì)，并與田間篩選結(jié)果對(duì)比分析，以期綜合評(píng)判出氮高效種質(zhì)，為研究棉花氮素高效利用機(jī)理提供方法和基礎(chǔ)材料。

1 材料與方法

1.1 供試種質(zhì)

供試種質(zhì)為中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所植棉技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化課題經(jīng)初篩[19-20]后獲得的80 份棉花種質(zhì)，由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所種質(zhì)資源庫(kù)提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 水培試驗(yàn)。 水培試驗(yàn)于河南省安陽市中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所溫室內(nèi)進(jìn)行， 晝/ 夜溫度28℃/20℃，光周期（晝/夜）16 h/8 h。 將種子置于混有蛭石的濕沙土中萌發(fā)， 出苗4 d 后移入水培盒（33 cm×24 cm×12 cm）中，上面覆蓋具有12個(gè)孔的泡沫板，每孔定植1 株棉苗，用海綿包莖以固定植株，每天加入50 mL 的去離子水以補(bǔ)充因蒸騰而消耗的水分，并以充氣泵連續(xù)通氣。 每5 d 更換1 次營(yíng)養(yǎng)液，35 d 后取樣測(cè)定相關(guān)性狀。氮素以Ca（NO3）2提供，根據(jù)課題組前期試驗(yàn)結(jié)果[19-20]，設(shè) 低 氮（N0）0.25 mmol·L－1和 正 常 氮（N1）5 mmol·L－1兩個(gè)處理。 Hoagland 營(yíng)養(yǎng)液配方[20]：400 μmol·L－1CaSO4，200 μmol·L－1K2SO4，175 μmol·L－1KH2PO4，100 μmol·L－1MgSO4，20 μmol·L－1Fe-EDTA，5 μmol·L－1KCl，2.5 μmol·L－1H3BO3，0.2 μmol·L－1CuSO4，0.2 μmol·L－1ZnSO4，0.2 μmol·L－1MnSO4，0.05 μmol·L－1Na2MoO4。 低氮處理中加入CaCl2至滲透壓與正常氮處理一致。

1.2.2 田間試驗(yàn)。 田間試驗(yàn)于2017―2018 年連續(xù)2 年在河南省安陽縣中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所東場(chǎng)試驗(yàn)基地（36°06′N，116°21′E）進(jìn)行。 設(shè)置2 個(gè)施氮處理：低氮處理N0（0 kg·hm－2）和正常氮處理N1（225 kg·hm－2），每個(gè)種質(zhì)進(jìn)行單行區(qū)種植，行長(zhǎng)8 m，行距0.8 m，密度52 500 株·hm－2，重復(fù)3 次，重復(fù)間走道1 m。氮肥為尿素，分2 次施用， 基施50%和初花期追施50%； 磷肥（P2O5）120 kg·hm－2、鉀肥（K2O）150 kg·hm－2均作為底肥一次性施入；田間管理及病蟲害防治按照常規(guī)進(jìn)行。 試驗(yàn)地耕層土壤pH 8.67；土壤基礎(chǔ)肥力： 有機(jī)質(zhì)含量1.75 g·kg－1， 全氮含量1.16 g·kg－1， 堿解氮含量74.21 mg·kg－1， 速效磷含量10.55 mg·kg－1，速效鉀含量199.1 mg·kg－1。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

水培試驗(yàn)：測(cè)定株高、根長(zhǎng)、根系表面積、根體積。

根干物質(zhì)質(zhì)量和地上部干物質(zhì)質(zhì)量：在105 ℃下殺青30 min，80 ℃下烘干至質(zhì)量恒定， 冷卻至室溫后稱量地上部及根生物量，取平均值。

氮含量：使用濃H2SO4-H2O2法[21]消煮后，使用凱式定氮法測(cè)定。

計(jì)算公式如下：氮積累量＝植株總干物質(zhì)質(zhì)量×植株氮含量； 氮利用效率＝總干物質(zhì)質(zhì)量/總氮積累量，即植株體內(nèi)單位質(zhì)量氮所形成的生物量；氮吸收效率＝氮積累量/ 供氮量[34]；耐低氮值＝低氮下性狀測(cè)定值/正常氮性狀測(cè)定值。

產(chǎn)量調(diào)查：田間試驗(yàn)分區(qū)收獲，實(shí)收計(jì)產(chǎn)，3次重復(fù)取平均值，并折合為公頃產(chǎn)量。

1.4 氮效率綜合值計(jì)算及分類方法

采用隸屬函數(shù)法將評(píng)價(jià)指標(biāo)計(jì)算為氮效率綜合值來代表不同供氮條件下不同種質(zhì)的氮素吸收效率[20]。 公式：

Uij表示第i 種質(zhì)第j 評(píng)價(jià)指標(biāo)的氮效率隸屬函數(shù)值；Xij表示第i 種質(zhì)第j 評(píng)價(jià)指標(biāo)的測(cè)定值；Xjmin、Xjmax分別表示第j 評(píng)價(jià)指標(biāo)的最小值和最大值。

采用客觀賦權(quán)法計(jì)算權(quán)重，公式：

Ej表示第j 評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)重；Cj表示第j 評(píng)價(jià)指標(biāo)的變異系數(shù)。

氮效率綜合值 （N efficiency comprehensive index，NEI）計(jì)算公式：NEI＝∑（Uij×Ej）.

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

使用MS Excel 整理數(shù)據(jù)，使用SPSS 18.0 進(jìn)行方差分析、相關(guān)性分析和主成分分析（Principal component analysis, PCA）； 熱圖聚類分析采用Heml 1.0-Heatmap Illustrator 的歐式距離平方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 苗期性狀及氮效率指標(biāo)差異

2 個(gè)氮處理下棉花種質(zhì)間農(nóng)藝性狀及氮吸收利用效率存在顯著差異（表1）。 方差分析結(jié)果表明， 各指標(biāo)在種質(zhì)和氮水平間存在極顯著差異（P＜0.01），同時(shí)氮水平和種質(zhì)間交互作用達(dá)到顯著水平，表明不同種質(zhì)間在2 個(gè)氮處理下各性狀均差異顯著。 因此，在該低氮濃度下進(jìn)行篩選是可行的。 正常氮水平下總干物質(zhì)質(zhì)量、株高和總氮積累量， 分別比低氮水平高56.4%、56.6%、72.9%。 但低氮水平下根干物質(zhì)質(zhì)量高于正常氮水平下。

品種間各性狀指標(biāo)的變異程度是衡量篩選指標(biāo)是否適宜的重要依據(jù)，變異程度大，則該指標(biāo)有利于顯示種質(zhì)間的差異[22]。 在正常氮水平條件下，變異系數(shù)表現(xiàn)為地上部氮積累量＞根氮積累量＞總氮積累量＞氮吸收效率＞地上部干物質(zhì)質(zhì)量＞根干物質(zhì)質(zhì)量＞根體積＞總干物質(zhì)質(zhì)量＞根系表面積＞根長(zhǎng)＞株高＞氮利用效率；在低氮水平下呈現(xiàn)相似規(guī)律， 根體積＞根氮積累量＞根系表面積＞根干物質(zhì)質(zhì)量＞根長(zhǎng)＞地上部干物質(zhì)質(zhì)量＞地上部氮積累量＞總干物質(zhì)質(zhì)量＞總氮積累量＞氮吸收效率＞株高＞氮利用效率。 上述結(jié)果表明，干物質(zhì)質(zhì)量、氮積累量、氮吸收效率等指標(biāo)可以作為篩選指標(biāo)。

2.2 苗期性狀及氮效率指標(biāo)主成分分析及相關(guān)性分析

為消除種質(zhì)間自身生物學(xué)特性的差異，確定主要篩選指標(biāo)，對(duì)低氮和正常氮水平處理下各性狀指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見表2。在低氮和正常氮水平下分別提取3 個(gè)主成分，累積貢獻(xiàn)率分別為86.10%和84.03%。 在低氮條件下，提取了3個(gè)主成分，第一主成分貢獻(xiàn)率為64.27%，主要由總干物質(zhì)質(zhì)量（Total dry biomass, TDB）、地上部干物質(zhì)質(zhì)量 （Above-ground dry biomass, ADB）、根干物質(zhì)質(zhì)量（Root dry biomass, RDB）、總氮積累量（Total nitrogen accumulation, TNA）、地上部氮積累量 （Above-ground nitrogen accumulation,ANA）、氮吸收效率（Nitrogen absorption efficiency,NAE）決定，主要為反映植株生物量、氮積累量和氮素吸收效率的指標(biāo)。 在正常氮條件下，第一主成分貢獻(xiàn)率為62.85%，主要決定因素與低氮條件下相同。 主成分分析能夠直觀地反映氮高效種質(zhì)篩選指標(biāo)的主次作用，綜合評(píng)價(jià)不同種質(zhì)的差異。 因此，根據(jù)篩選指標(biāo)的變異系數(shù)及主成分分析結(jié)果初步確定總干物質(zhì)質(zhì)量、地上部干物質(zhì)質(zhì)量、根干物質(zhì)質(zhì)量、總氮積累量、地上部氮積累量、氮吸收效率為篩選指標(biāo)。

表1 在不同氮處理下棉苗主要性狀的變異Table 1 Variation of main traits of cotton seedlings under different nitrogen treatments

表2 苗期性狀及氮吸收利用效率指標(biāo)主成分分析Table 2 Principal component analysis of seedling traits, nitrogen absorption efficiency and nitrogen utilization efficiency

為確定篩選指標(biāo)的準(zhǔn)確性， 對(duì)總干物質(zhì)質(zhì)量、地上部干物質(zhì)質(zhì)量、總氮積累量等6 個(gè)指標(biāo)進(jìn)一步作相關(guān)性分析（表3，右上部為正常氮水平下相關(guān)性， 左下部為低氮水平下各性狀間相關(guān)性）。 在低氮和正常氮水平下，6 個(gè)篩選指標(biāo)間顯著正相關(guān)，表明這6 個(gè)指標(biāo)在反映棉花種質(zhì)的氮高效能力上具有一致性，可作為篩選耐低氮棉花種質(zhì)的指標(biāo)。

2.3 基于耐低氮值的聚類分析

以6 個(gè)篩選指標(biāo)的耐低氮值作為指標(biāo)，采用歐式距離平方法進(jìn)行聚類熱圖分析，顏色變化梯度可以直觀地反映數(shù)據(jù)的大小及差異（圖1）。 根據(jù)聚類分析結(jié)果分為7 類， 第Ⅰ類有6 個(gè)種質(zhì)（分別為魯05R59、新陸早34 號(hào)、中棉所69、新陸早35 號(hào)、墾6641、軍棉1 號(hào)），總干物質(zhì)質(zhì)量、地上部干物質(zhì)質(zhì)量、根干物質(zhì)質(zhì)量、地上部氮積累量、總氮積累量及氮吸收效率均較大；第Ⅱ類有18 個(gè)種質(zhì)（運(yùn)早N177、新陸中4 號(hào)、新陸中22 號(hào)等），表現(xiàn)為根干物質(zhì)質(zhì)量耐低氮值較小，第Ⅲ類12 個(gè)種質(zhì)（魯棉研28、中棉所17、新陸中30 號(hào)等），總干物質(zhì)質(zhì)量、地上部干物質(zhì)質(zhì)量、根干物質(zhì)質(zhì)量、地上部氮積累量、總氮積累量及氮吸收效率均表現(xiàn)為最??；第Ⅳ類6 個(gè)種質(zhì)表現(xiàn)為根干物質(zhì)質(zhì)量耐低氮值最小，其他性狀較大；第Ⅴ類9個(gè)種質(zhì)（新陸早9 號(hào)、中棉所14、新棉33B 等），表現(xiàn)為地上部氮積累量、總氮積累量及氮吸收效率耐低氮值最??；第Ⅵ類16 個(gè)種質(zhì)（魯棉2153、石早1 號(hào)、 新陸早20 號(hào)等） 表現(xiàn)為根干物質(zhì)質(zhì)量、地上部氮積累量、總氮積累量及氮吸收效率耐低氮值最?。坏冖黝?3 個(gè)種質(zhì)（邯686、晉棉23 號(hào)、 遼棉10 號(hào)等） 表現(xiàn)為地上部氮積累量最小，其他性狀耐低氮值較大。 綜合分析，第Ⅰ類6個(gè)種質(zhì)為耐低氮種質(zhì)， 第Ⅲ類12 個(gè)種質(zhì)為低氮敏感型。

2.4 不同氮水平下棉花苗期氮效率綜合值分析

確定總干物質(zhì)質(zhì)量、 地上部干物質(zhì)質(zhì)量、根干物質(zhì)質(zhì)量、總氮積累量、地上部氮積累量、氮吸收效率為綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，采用隸屬函數(shù)法復(fù)合運(yùn)算得到在低氮和正常氮處理下不同種質(zhì)的氮效率綜合值（表4）。在正常氮和低氮條件下，不同種質(zhì)的氮效率綜合值存在顯著性差異。 以低氮和正常氮處理下不同種質(zhì)的氮效率綜合值作散點(diǎn)圖，如圖2 所示將不同種質(zhì)分成4 類： 雙高效型（Efficient-efficient, EE）有24 個(gè)，占30%；低氮高效型（Efficient-inefficient, EI）有13 個(gè)，占16.25%；雙低效型（Inefficient-inefficient, II）有29 個(gè)，占36.25%；正常氮高效型（Inefficient-efficient,IE）有14 個(gè)，占17.5%。 前述聚類熱圖分析得到的6 個(gè)耐低氮種質(zhì)中2 個(gè)屬于雙高效型，12 個(gè)氮敏感種質(zhì)中有2 個(gè)屬于雙低效型。經(jīng)綜合分析，初步將魯05R59、中棉所69 定為耐低氮、氮高效種質(zhì)，珂字棉201、新陸中30 號(hào)定為氮敏感、氮低效種質(zhì)。

2.5 耐低氮種質(zhì)苗期根系差異

表3 不同氮水平下干物質(zhì)質(zhì)量、氮積累量、氮吸收效率等指標(biāo)相關(guān)性分析Table 3 The correlation analysis between dry total biomass, nitrogen accumulation and nitrogen absorption efficiency under different nitrogen treatments

根系構(gòu)型是影響氮素吸收的重要因素，根系性狀的種質(zhì)差異與氮效率有密切聯(lián)系[14,34]。 本研究中氮脅迫顯著降低了干物質(zhì)積累（表5），低氮處理下珂字棉201、新陸中30 號(hào)、魯05R59、中棉所69 等種質(zhì)總干物質(zhì)質(zhì)量小于正常氮處理下。正常氮處理下，總干物質(zhì)質(zhì)量、根冠比、根長(zhǎng)、根系表面積、根體積、氮吸收效率等性狀，魯05R59、中棉所69 顯著大于珂字棉201、新陸中30 號(hào)；低氮處理下，根長(zhǎng)差異不顯著。 在低氮處理下，珂字棉201、新陸中30 號(hào)的根系表面積分別為正常氮處理的83.66%、77.37%，魯05R59、中棉所69 分別為正常氮處理的48.09%、59.46%，受氮脅迫影響較大。 本研究中種質(zhì)間氮利用效率差異不顯著，氮吸收效率差異明顯；低氮水平下，氮吸收效率顯著提高，魯05R59、中棉所69 的氮吸收效率顯著大于珂字棉201、新陸中30 號(hào)，同時(shí)根系性狀優(yōu)于珂字棉201、新陸中30 號(hào)，表明在氮素脅迫條件下，根系形態(tài)對(duì)氮吸收效率起重要作用。

圖1 不同種質(zhì)棉花指標(biāo)耐低氮值聚類圖Fig. 1 Heatmap clustering for low nitrogen tolerance value in different germplasms of cotton

2.6 基于產(chǎn)量的棉花耐低氮能力田間篩選

為進(jìn)一步檢驗(yàn)棉花耐低氮能力， 開展以產(chǎn)量為評(píng)價(jià)指標(biāo)的田間篩選。 以田間2 個(gè)氮處理下產(chǎn)

量做散點(diǎn)圖， 并以產(chǎn)量平均值將不同品種分為4類（圖3），2017 年雙高效型（2 個(gè)氮處理下產(chǎn)量大于平均值，EE1）共28 個(gè)，占35%；低氮高效型（低氮處理產(chǎn)量大于平均值， 正常氮處理產(chǎn)量小于平均值，EI1）共7 個(gè)，占8.75%；雙低效型（2 個(gè)氮處理下產(chǎn)量小于平均值，II1）共37 個(gè)，占46.25%；正常氮高效型（正常氮處理產(chǎn)量大于平均值，低氮處理產(chǎn)量小于平均值，IE1）共8 個(gè)，占10%。 2018 年田間試驗(yàn)雙高效型共34 個(gè)，占42.5%；低氮高效型共5 個(gè)，占6.25%；雙低效型共31 個(gè)，占38.75%；正常氮高效型共10 個(gè)，占12.5%。

表4 2 個(gè)氮水平（N1、N0）下棉花苗期氮效率綜合值Table 4 N efficiency comprehensive index under different nitrogen levels (N1, N0)

表4 （續(xù)）Table 4 (Continued)

圖2 2 個(gè)氮水平下不同種質(zhì)氮效率綜合值散點(diǎn)圖Fig. 2 Scatter map of nitrogen efficiency comprehensive value under different nitrogen levels

在2 年的田間試驗(yàn)中， 雙高效型和雙低效型品種數(shù)量均較多，共65 個(gè)，占比81.25%，這與苗期氮效率綜合值的分類結(jié)果相似。在田間試驗(yàn)（圖3、4）中，魯05R59 和中棉所69 劃分為雙高效型種質(zhì)，珂字棉201、新陸中30 號(hào)劃分為雙低效型種質(zhì)， 苗期篩選與田間鑒定結(jié)果一致， 最終確定魯05R59、中棉所69 為耐低氮、氮高效種質(zhì)，珂字棉201、新陸中30 號(hào)為低氮敏感、氮低效種質(zhì)，可作為研究棉花耐低氮機(jī)理的理想種質(zhì)。

表5 珂字棉201、新陸中30 號(hào)、魯05R59、中棉所69 苗期性狀Table 5 Seedling traits of Coker 201, Xinluzhong 30, Lu05R59 and CCRI 69

圖3 2017 年、2018 年不同氮水平下田間籽棉產(chǎn)量散點(diǎn)圖Fig. 3 Scatter plot of seed cotton field yield under different nitrogen levels in 2017 and 2018

圖4 2017 年、2018 年珂字棉201、新陸中30 號(hào)、魯05R59、中棉所69 田間籽棉產(chǎn)量比較Fig. 4 Comparison of seed cotton yields between the fields of Coker 201, Xinluzhong 30, Lu05R59 and CCRI 69 in 2017 and 2018

3 討論

3.1 棉花苗期不同氮水平下農(nóng)藝性狀及氮效率的種質(zhì)差異

挖掘棉花自身的氮利用潛力，培育氮高效品種是提高氮素利用效率，減少氮素?fù)p失的重要途徑。 試驗(yàn)結(jié)果表明，供試棉花種質(zhì)在低氮和正常氮水平下苗期各指標(biāo)存在顯著性差異（表1），與水稻[22]、小麥[23]、玉米[24]等研究結(jié)果一致。 供氮水平顯著影響植株的生長(zhǎng)，氮脅迫會(huì)抑制作物的生長(zhǎng)發(fā)育[25]。 隨著施氮量的增加，株高、干物質(zhì)質(zhì)量和氮含量等指標(biāo)顯著提高（表1），低氮處理的根冠比較大，與前人的研究結(jié)果[13]一致。根系構(gòu)型是影響作物生長(zhǎng)和氮素吸收的重要因素之一，在氮脅迫下更多的光合物質(zhì)被用來構(gòu)建發(fā)達(dá)的根系（如根長(zhǎng)、根系表面積、根體積等），進(jìn)而吸收更多的氮素，促進(jìn)植株干物質(zhì)的形成與積累[26]。本研究發(fā)現(xiàn)與正常氮處理相比，低氮處理下根干物質(zhì)質(zhì)量略高， 根長(zhǎng)、 根系表面積和根體積無顯著性差異。 作物的氮效率主要由氮吸收效率和氮利用效率共同決定[27-28]。本研究中不同種質(zhì)間氮吸收效率和利用效率差異顯著， 低氮和正常氮條件下氮吸收效率變異系數(shù)均顯著高于氮利用效率， 表明棉花苗期氮吸收效率對(duì)氮效率的貢獻(xiàn)起主導(dǎo)作用。

3.2 棉花苗期氮高效篩選指標(biāo)的確定

關(guān)于小麥、玉米、水稻等作物的氮高效種質(zhì)篩選已有大量報(bào)道，但受環(huán)境、篩選時(shí)期、作物種類等因素影響，所用篩選指標(biāo)及評(píng)價(jià)方法不盡相同[29]。 其中土壤與作物分析儀（Soil and plant analyzer development,SPAD)葉綠素測(cè)定值、株高、產(chǎn)量、含氮量、酶活性等指標(biāo)可以用于評(píng)價(jià)作物耐低氮能力，但至今沒有統(tǒng)一的選擇標(biāo)準(zhǔn)[30]。種質(zhì)間的變異系數(shù)是衡量某一性狀指標(biāo)能否作為篩選評(píng)價(jià)的重要依據(jù)，變異系數(shù)越大則表示該指標(biāo)的靈敏度越高[17]。 如杜保見等[31]根據(jù)小麥苗期性狀變異大小選擇了莖葉干物質(zhì)質(zhì)量等指標(biāo)為綜合篩選指標(biāo)。在本研究中，2 個(gè)氮水平下各性狀指標(biāo)的變異系數(shù)均較大，種質(zhì)間各性狀差異明顯。 不同指標(biāo)在評(píng)價(jià)作物耐低氮能力中主次作用不一，在低氮和正常氮處理下第一主成分均由總干物質(zhì)質(zhì)量、地上部干物質(zhì)質(zhì)量、根干物質(zhì)質(zhì)量、總氮積累量、地上部氮積累量、氮吸收效率組成（表2）；進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)性分析，這6 個(gè)指標(biāo)之間相關(guān)性顯著（表3），表明將總干物質(zhì)質(zhì)量、地上部干物質(zhì)質(zhì)量、根干物質(zhì)質(zhì)量、總氮積累量、地上部氮積累量、 氮吸收效率作為篩選評(píng)價(jià)指標(biāo)是合理的。 許多氮高效作物品種篩選研究只是通過簡(jiǎn)單聚類分析開展[31-32]，忽略掉了種質(zhì)自身氮吸收利用效率，這樣容易篩選出耐低氮能力強(qiáng)，但在正常氮條件下氮吸收利用效率低的品種。 因此，本研究在聚類熱圖分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合種質(zhì)氮效率綜合值，綜合評(píng)價(jià)各種質(zhì)的氮素吸收利用水平。

3.3 棉花耐低氮能力的苗期篩選與田間鑒定分析

篩選棉花耐低氮品種的最客觀直接的方式是在缺氮和正常施氮的土壤上種植，以最終產(chǎn)量和品質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)；但龐大的篩選群體及田間全生育期試驗(yàn)增加了篩選難度，不僅耗時(shí)、費(fèi)工和篩選效率低，而且土壤氮素的時(shí)空異質(zhì)性、氣候、病害等因素提高了試驗(yàn)的不可控性[33]。因此，許多研究在作物苗期進(jìn)行氮效率差異種質(zhì)的篩選，結(jié)果證實(shí)作物種質(zhì)間氮效率相關(guān)指標(biāo)在苗期表現(xiàn)出顯著差異；因此，在苗期進(jìn)行篩選是可行的[29]。產(chǎn)量是作物各性狀綜合作用的結(jié)果，可以初步表征氮效率，即在正常氮與低氮處理下產(chǎn)量均大于平均值的為氮高效基因型，反之則為氮低效基因型[34]。 苗期篩選可以控制環(huán)境條件，快速進(jìn)行大批量的篩選， 但篩選條件與田間環(huán)境差異太大，首先表現(xiàn)在溶液氮素形態(tài)，無法真實(shí)反映植株利用土壤有效氮的能力。 因此，須對(duì)苗期快速篩選結(jié)果和田間全生育期篩選結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，確定苗期篩選的結(jié)果準(zhǔn)確性和可行性。

4 結(jié)論

供試棉花種質(zhì)苗期的總干物質(zhì)質(zhì)量等12 個(gè)指標(biāo)在低氮和正常氮水平下均存在顯著性差異。綜合變異系數(shù)、主成分分析及相關(guān)性分析，將總干物質(zhì)質(zhì)量、地上部干物質(zhì)質(zhì)量、根干物質(zhì)質(zhì)量、總氮積累量、地上部氮積累量、氮吸收效率6 個(gè)性狀作為棉花苗期氮效率評(píng)價(jià)指標(biāo)。 利用聚類熱圖分析和氮效率綜合值在苗期初步篩選，并進(jìn)行田間試驗(yàn)以產(chǎn)量指標(biāo)驗(yàn)證，最終確定魯05R59 和中棉所69 為耐低氮、氮高效種質(zhì)，珂字棉201 和新陸中30 號(hào)為低氮敏感、氮低效種質(zhì)；同時(shí)證明利用上述6 個(gè)性狀在苗期篩選是可行的，可用于耐低氮種質(zhì)的初篩。