楊 濤 李生梅 黃雅婕 任 丹 崔進鑫 龐 博 高文偉

(新疆農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/棉花教育部工程研究中心，新疆 烏魯木齊 830052)

土壤鹽漬化是主要的非生物脅迫因子之一[1-2]，不合理的種植制度、施用化肥及灌溉致使土壤產(chǎn)生更嚴重的次生鹽漬化，影響作物生長發(fā)育，進而導致作物減產(chǎn)[3]。新疆是我國唯一的海島棉生產(chǎn)基地，鹽漬化及次生鹽漬化耕地占全部可墾荒地面積的40%[4]，嚴重制約了海島棉的正常生產(chǎn)，因此篩選海島棉耐鹽性種質(zhì)成為目前合理利用鹽堿地的主要手段之一，對我國海島棉持續(xù)健康發(fā)展有重要意義。

棉花作為鹽堿地先鋒作物，本身具有一定的耐鹽性，但鹽分含量過高將影響棉花種子萌發(fā)[5]，持續(xù)鹽堿脅迫使棉花發(fā)育緩慢、生長期縮短，進而影響棉花產(chǎn)量[6]。復合鹽脅迫下棉花不同生育時期對鹽的忍耐性不同[5]，部分學者認為[7]棉花萌發(fā)期較為敏感，也有部分學者認為[8-9]苗期較為敏感。而大田鹽脅迫是多種鹽離子持續(xù)共同作用，有別于室內(nèi)鑒定，直接利用自然復合鹽綜合評價海島棉資源耐受性更鮮有報道。直接產(chǎn)量鑒定、主成分分析綜合得分(F)、隸屬函數(shù)(μ)、綜合得分D值評價已在多種作物上應用。喬海龍等[10]利用直接法鑒定了3個強耐鹽大麥品種，高春華等[11]利用綜合得分D值篩選到5個強耐鹽高粱品種；薛曉強等[12]利用隸屬函數(shù)鑒定了5份高粱的耐鹽性；任茂等[13]利用主成分綜合得分鑒定了13個棉花品種花鈴期的耐熱性。但上述研究評價方法均較單一，而基于直接鑒定與間接鑒定海島棉耐復合鹽的4種方法是否具有統(tǒng)一性仍不明確。因此，本研究結(jié)合4種方法評價復合鹽脅迫下海島棉花鈴期耐鹽堿強弱，以期了解4種方法的相關性，更準確地篩選海島棉耐鹽品種，為海島棉品種篩選提供方法，為抗性育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗203份海島棉資源材料：國外75份，涵蓋亞洲、美洲等5個國家，分別來自阿爾巴尼亞(3份)、美國(16份)、前蘇聯(lián)(44份)、埃及(12份)，中國(103份)以及未知來源(25份)。基于株高(plant height，PH)、衣分(lint percent，LP)、始節(jié)高(height of the first node，HPN)、鈴數(shù)(boll number，BN)、始節(jié)數(shù)(first node of fruit branch，F(xiàn)NB)、果枝數(shù)(fruit branch number，F(xiàn)BN)、有效果枝數(shù)(effective fruit branch number，EFBN)、有效鈴數(shù)(effective boll number，EBN)、蕾鈴脫落數(shù)(number of boll drop，NOBD)、蕾鈴脫落脫率(NOBD/EBN+BN)、單鈴籽棉產(chǎn)量(yield of single boll seed cotton，YOSBSC)、單鈴皮棉產(chǎn)量(yield of single boll lint yield，YOSBLY)、單株籽棉產(chǎn)量(seed cotton yield per plant，SCYPP)、單株皮棉產(chǎn)量(lint yield per plant，LYPP)14個數(shù)量性狀耐鹽系數(shù)，利用直接產(chǎn)量比較、主成分綜合得分(F)、隸屬函數(shù)(μ)、主成分分析和隸屬函數(shù)產(chǎn)生綜合得分D值4種方法結(jié)合的綜合值(CEV)進行海島棉花鈴期耐鹽資源篩選。

表1(續(xù))

表1(續(xù))

表1(續(xù))

表1(續(xù))

1.2 試驗設計

1.3 數(shù)據(jù)處理

直接產(chǎn)量鑒定法是利用單株皮棉產(chǎn)量直接鑒定，隸屬函數(shù)值(μ)利用各材料14個數(shù)量性狀的耐鹽系數(shù)平均值進行評價，主成分綜合得分及多指標降維，利用權重達到評價目的，綜合得分D是利用權重及隸屬函數(shù)結(jié)合以達到評價目的。在分析之前所有的指標處理為耐鹽系數(shù)(耐鹽系數(shù)C=復合鹽脅迫某一性狀觀測值/對照某一性狀觀測值)。

采用SPSS 19.0統(tǒng)計各指標耐鹽系數(shù)的均值、標準差及變異系數(shù)等描述性指標、相關分析、主成分分析及聚類分析[15]。

隸屬函數(shù)值[15]計算公式：

μ(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)，i=1，2，…，n

(1)

式中，Xi為第i個綜合指標；Xmin為第i個綜合指標的最小值；Xmax為第i個綜合指標的最大值。

指標權重[15]計算公式：

(2)

式中，wi為第i個綜合指標在所有綜合指標中的權重；Pi為各品種第i個綜合指標的貢獻率。指標優(yōu)劣計算公式：

(3)

2 結(jié)果與分析

2.1 復合鹽對海島棉花鈴期耐鹽系數(shù)的影響

由表2可知，在復合鹽脅迫下，203份海島棉資源數(shù)量性狀中PH、HPN、FBN、NOBD、NOBD/EBN+BN、YOSBSC略有下降，但下降幅度不同；LP、BN、FNB、EBN、EFBN、YOSBLY、SCYPP、LYPP呈現(xiàn)略上升，上升幅度也不同。海島棉數(shù)量性狀的變異系數(shù)在14.336%～51.043%之間，其中變異幅度較大的性狀有LYPP、SCYPP、FNB，變異系數(shù)分別為51.043%、46.807%、46.169%；變異幅度較小的性狀有NOBD/EBN+BN、YOSBSC，變異系數(shù)分別為14.336%、18.797%。

表2 海島棉耐鹽系數(shù)描述性統(tǒng)計

2.2 海島棉耐鹽系數(shù)相關性分析

對14個數(shù)量性狀耐鹽系數(shù)進行相關性分析(表3)，發(fā)現(xiàn)PH與BN、HPN、FNB、FBN、EBN、EFBN、NOBD、NOBD/EBN+BN、SCYPP、LYPP存在顯著相關性，其中，PH與NOBD/EBN+BN存在顯著負相關，其余性狀間存在極顯著正相關；FNB與HPN存在極顯著正相關；FBN與BN、HPN存在極顯著正相關；EBN與BN、FNB存在極顯著正相關；EFBN與BN、FBN、EBN存在極顯著正相關；NOBD與BN、HPN、FNB、EBN、EFBN存在極顯著正相關。NOBD/EBN+BN與BN、HPN、FNB、FBN、EBN、EFBN、NOBD存在顯著相關性，其中HPN與NOBN存在極顯著正相關，其余性狀間存在顯著負相關。YOSBSC與NOBD/EBN+BN存在顯著負相關；YOSBLY與LP、YOSBSC存在極顯著正相關。SCYPP與BN、FNB、FNB、EBN、EFBN、NOBD、NOBD/EBN+BN、YOSBSC、YOSBLY存在顯著相關性，其中，SCYPP與NOBD/EBN+BN存在極顯著負相關，其余性狀間存在顯著正相關。LYPP與LP、BN、FBN、EBN、EFBN、NOBD、NOBD/EBN+BN、YOSBSC、YOSBLY、SCYPP存在極顯著相關，其中，LYPP與NOBD/EBN+BN存在極顯著負相關，其余性狀間存在極顯著正相關。綜上，不同數(shù)量性狀間存在不同程度的相關性，說明數(shù)量性狀之間存在信息重疊。

表3 14個數(shù)量性狀耐鹽系數(shù)相關性

2.3 主成分分析結(jié)果

主成分分析是將存在相關的變量進行降維，變?yōu)榛ゲ幌嚓P的綜合性因子，用較少的綜合性因子來代表原變量。耐鹽系數(shù)降維，改變成幾個綜合性因子來評價海島棉耐鹽性，避免了單一指標無法代表海島棉整體耐鹽性。本試驗根據(jù)特征根(>1.00)及累計貢獻率為(>75%)篩選到5個綜合因子(表4)，第1因子貢獻率為40.613%，第2因子貢獻率為16.456%，第3因子貢獻率為12.171%，第4因子貢獻率為9.777%，第5因子貢獻率為7.309%，這5個因子符合變量變化趨勢，適合做主成分分析。

表4 前5個主成分的特征值及特征向量描述

結(jié)合特征向量相關系數(shù)，第1因子特征根為5.686，貢獻率為40.613%，與BN(0.930)、FBN(0.673)、EBN(0.949)、EFBN(0.897)、SCYPP(0.952)、LYPP(0.893)呈正相關，與NOBD/EBN+BN呈負相關，主要反映生長狀況，代表生長因子；第2因子特征根為2.304，貢獻率為16.456%，與YOSBSC(0.613)、YOSBLY(0.830)呈正相關，與NOBD(-0.501)呈負相關，主要反映單鈴單量，代表單鈴產(chǎn)量因子；第3因子特征根為1.704，貢獻率為12.171%，與HPN(0.680)、NOBD/EBN+BN(0.545)呈正相關，主要反映單株鈴數(shù)脫落，代表鈴脫落因子；第4因子特征根為1.369 ，貢獻率為9.777%，與FNB呈負相關(-0.720)，主要反映始節(jié)高，代表適合機采因子；第5因子特征根為1.023，貢獻率為7.309%，與LP呈正相關(0.675)，與YOSBSC(-0.573)呈負相關，主要反映出絨率，代表有效產(chǎn)量因子。

2.4 海島棉耐鹽系數(shù)綜合得分及評價

根據(jù)主成分得分系數(shù)矩陣(表5)，獲得5個主成分因子方程，求得主成分綜合得分F=0.470F1+0.191F2+0.141F3+0.113F4+0.085F5，根據(jù)主成分綜合得分公式分別計算各海島棉材料綜合得分F值，并進行排序。由表1可知，耐鹽性排名前10的品種依次為Pimas-4、比馬1、8704依、新海4號、海南長絨棉、司-6011、C-6024、卡那殼、海92-1、75-86，耐鹽最差的5個品種依次為4399、PI野生棉、Pimas-3、洛賽雅、云南3號。

表5 主成分得分系數(shù)矩陣

2.5 海島棉耐復合鹽模糊隸屬函數(shù)值評價

模糊隸屬函數(shù)是系統(tǒng)的統(tǒng)計學評價方法，因此，利用公式(1)，分別計算各數(shù)量性狀耐鹽系數(shù)隸屬函數(shù)值進行評價。

通過計算203份海島棉各數(shù)量性狀耐鹽系數(shù)隸屬函數(shù)值(μ)，隸屬函數(shù)值大小代表耐鹽強弱，分別計算海島棉耐鹽系數(shù)隸屬函數(shù)平均值。由表1可知，耐鹽最強的10個品種依次為Pimas-4、吉1、卡那殼、新海4號、海92-1、吉2、比馬1、司-6011、75-86、埃及棉424；耐鹽最差的5個品種依次為Pimas-3、4399、8813依、DJ-07-136、洛賽雅。

2.6 海島棉耐復合鹽單株皮棉產(chǎn)量評價

利用LYPP耐鹽系數(shù)進行評價，由表1可知，耐鹽最強的10個品種依次為Pimas-4、比馬1、8704依、新海4號、C-6024、司-6011、海南長絨棉、海92-1、卡那殼、躍零2號；耐鹽最弱的5個品種依次為4399、云南3號、Pimas-3、大35、新海27。

2.7 海島棉耐復合鹽D值評價

利用4個主成分因子(1-5)及公式(1)分別算出μ(Xi),利用貢獻率結(jié)合公式(2)求得權重分別為0.470、0.191、0.141、0.113、0.085，利用權重及μ(X1)-μ(X5)，結(jié)合公式(3)求得綜合評價值D(表1)。結(jié)果表明，耐鹽最強的10個品種依次為Pimas-4、比馬1、8704依、新海4號、海南長絨棉、司-6011、C-6024、卡那殼、海92-1、75-86；耐鹽最弱的5個品種依次為4399、Pimas-3、PI野生棉、洛賽雅、云南3號。

2.8 耐鹽性綜合評價

主成分分析綜合得分值(F)、隸屬函數(shù)均值(μ)、產(chǎn)量鑒定值(LYPP)及D值，屬于4類不同的評價方法，結(jié)果是否客觀合理需多方驗證。由表6可知，通過主成分綜合得分值、隸屬函數(shù)均值、LYPP值及D值進行Person相關性分析，發(fā)現(xiàn)4個評價值之間存在極顯著正相關(P<0.01)，表明4種方法結(jié)合評價海島棉耐鹽性是可行且統(tǒng)一的，也表明直接鑒定法與間接鑒定法之間是統(tǒng)一的。將4類評價值進行標準化，求得平均值作為綜合評價值(CEV)進行評價。

表6 4類評價系數(shù)相關性分析

2.8.1 海島棉資源耐鹽性綜合評價 由表7可知，203份海島棉資源耐鹽性分為4類：敏感(CEV≤-1.000)、中耐鹽(-1.0001.000)，且存在差異。其中，耐鹽、中耐鹽資源材料所占比例最高，敏感資源材料次之，高耐鹽資源材料最少，依次為38.916%、33.498%、15.765%、11.823%。4399、Pimas-3、PI野生棉、洛賽雅等32份屬于敏感鹽材料；躍51-4、3965、06E2032-24等68份屬于中耐鹽材料；65-3049、4394、躍61、E24-3353等79份屬于耐鹽材料；卡那殼、8704依、新海4號、比馬1、Pimas-4等24份屬于高耐鹽材料。

表7 海島棉復合鹽堿綜合評價

2.8.2 不同果枝類型海島棉資源耐鹽性 利用不同果枝類型，將海島棉資源分為松散型、緊湊型。由表8可知，海島棉整體表現(xiàn)為耐鹽最高、中耐鹽次之，敏感、高耐鹽資源偏少。不同果枝類型海島棉資源耐鹽性不一致，其中果枝緊湊型海島棉資源材料中耐鹽資源最多，耐鹽資源次之，敏感、高耐鹽資源相對較豐富；果枝松散型海島棉資源中耐鹽資源最多，中耐鹽資源次之，極端資源相對較少。

表8 不同果枝類型海島棉耐鹽性

2.9 聚類分析

利用組間連距，遺傳歐式距離進行聚類(圖1)，在歐氏距離為13時分為4類，其中，第Ⅰ類在鹽脅迫下對鈴數(shù)、有效鈴數(shù)、單株籽棉產(chǎn)量、單株皮棉產(chǎn)量、單鈴籽棉重和單鈴皮棉重影響極小的1份極強耐鹽材料Pimas-4；第Ⅱ類有15份資源材料，包括吉2、阿什蒙、埃及棉424、7045、吉1、躍零2號、75-86、海南長絨棉、海92-1、C-6024、司-6011、卡那殼、8704依、新海4號、比馬1均屬于強耐鹽材料；第Ⅲ類有63份資源材料，包括4399、Pimas-3、PI野生棉、洛賽雅、云南3號、DJ-07-136、8813依、2365B等；第Ⅳ類包括124份資源材料，包括吉扎30、NMGB-14、E24-3389、65-3030-4、MOC-1號、孔雀202、大8、華東海島棉、新海36等。

圖1 綜合評價聚類

2.10 回歸模型的建立及指標篩選

利用綜合評價值作為因變量，各指標耐鹽系數(shù)作為自變量建立最優(yōu)回歸方程，其中X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12、X13、X14分別代表PH、LP、BN、HPN、FNB、FBN、EBN、EFBN、NOBD、NOBD/EBN+BN、YOSBSC、YOSBLY、SCYPP、LYPP。建立逐步回歸方程：

Y=0.611X2+0.190X4+0.4886+0.410X9+0.476X11+1.339X14-3.640,R2=0.988,F=2667.378(P<0.01)，這6個數(shù)量性狀耐鹽系數(shù)均可作為花鈴期海島棉耐復合鹽的指標。

3 討論

本研究結(jié)果表明，在鹽脅迫下，海島棉數(shù)量性狀耐鹽系數(shù)如株高、始節(jié)高、果枝數(shù)、蕾鈴脫落數(shù)、蕾鈴脫落率及單鈴籽棉產(chǎn)量呈現(xiàn)下降，衣分、鈴數(shù)、始節(jié)數(shù)、有效鈴數(shù)、有效果枝數(shù)、單鈴皮棉產(chǎn)量、單株籽棉產(chǎn)量及單株皮棉產(chǎn)量略有上升。研究發(fā)現(xiàn)，鹽脅迫下Ca2+的存在一定程度上減少了植物對Na+的吸收，K+的選擇性向地上部運輸，以維持葉片中較高的K+/Na+[18-19]，這可能是致使部分數(shù)量性狀略上升的主要原因；蕾鈴脫落數(shù)下降幅度最大，始節(jié)數(shù)上升幅度最大，表明海島棉始節(jié)數(shù)與蕾鈴脫落數(shù)對復合鹽較為敏感；單鈴皮棉產(chǎn)量變化幅度較弱，說明對復合鹽脅迫反應較為遲鈍。研究表明，變異系數(shù)大于10.00%，說明群體樣本差異明顯[20]。復合鹽脅迫下還發(fā)現(xiàn)各性狀變異系數(shù)均大于10.00%，單株皮棉產(chǎn)量及單株籽棉產(chǎn)量變異系數(shù)最大，表明單株皮棉、籽棉產(chǎn)量變異最大，群體耐鹽遺傳基礎較豐富。株高與果枝數(shù)、始節(jié)高、鈴數(shù)呈極顯著正相關，與衣分無顯著相關，這與王俊鐸等[6]的研究一致；果枝數(shù)與鈴數(shù)呈極顯著正相關。本研究結(jié)果表明，蕾鈴脫落率與鈴數(shù)、始節(jié)高、始節(jié)數(shù)、果枝數(shù)、有效鈴數(shù)、有效果枝數(shù)、蕾鈴脫落數(shù)呈顯著相關，其中始節(jié)高、蕾鈴脫落數(shù)呈顯著正相關；單鈴皮棉產(chǎn)量與衣分呈顯著正相關。單株皮棉產(chǎn)量與衣分、鈴數(shù)、果枝數(shù)、有效鈴數(shù)、有效果枝數(shù)、蕾鈴脫落數(shù)、蕾鈴脫落率、單鈴籽棉產(chǎn)量、單鈴皮棉產(chǎn)量、單株籽棉產(chǎn)量呈顯著相關，其中單株皮棉產(chǎn)量與蕾鈴脫落率呈顯著負相關，其余性狀間呈顯著正相關。

本研究中，經(jīng)綜合評價發(fā)現(xiàn)203份海島棉資源敏感、中耐鹽、耐鹽及高耐鹽品種各有32、68、79、24份，分別占15.764%、33.498%、38.916%、11.823%。整體來看，大部分海島棉品種以耐鹽及中耐鹽品種為主，強耐鹽、敏感鹽品種相對較少，這與部分學者研究[6,21-22]結(jié)果不一致，可能是海島棉與陸地棉耐鹽機理不同及評價指標不同所導致[21,23]。

本研究還發(fā)現(xiàn)，不同果枝類型海島棉資源耐鹽性不一致，其中果枝緊湊型海島棉資源：中耐鹽資源最多，耐鹽資源次之，敏感、高耐鹽資源相對較少；果枝松散型海島棉資源：耐鹽資源最多，中耐鹽資源次之，極端資源相對較少。說明果枝松散型較緊湊型海島棉資源整體耐鹽性較好，這可能是所選取松散型海島棉資源較多所導致，具體原因需進一步深入探究。

海島棉耐鹽屬于多指標控制的數(shù)量性狀。部分學者利用產(chǎn)量直接鑒定種質(zhì)資源耐鹽性[24]，但直接鑒定法忽略了其余指標對耐鹽的貢獻；還有部分學者利用隸屬函數(shù)值(μ)來比較種質(zhì)資源耐鹽性[23]，但忽略了各指標對耐鹽貢獻率的大??；更有部分學者利用主成分綜合得分F進行種質(zhì)資源耐鹽性評價[13]和利用主成分及隸屬函數(shù)結(jié)合產(chǎn)生D值來評價種質(zhì)資源耐性[25-26]。本試驗結(jié)合利用4種方法分別進行海島棉耐鹽性分類，經(jīng)相關分析發(fā)現(xiàn)，4類耐鹽得分值之間存在極顯著正相關(P<0.01)，可以統(tǒng)一整合進行綜合評價。通過分析發(fā)現(xiàn)主成分綜合得分、綜合得分D較優(yōu)，隸屬函數(shù)法及直接鑒定法弊端明顯。通過結(jié)合4類方法耐鹽得分值進行聚類，將海島棉資源分為4類：第Ⅰ、第Ⅱ類包括16份強耐鹽品種；第Ⅲ類以敏感鹽品種為主，包括Pimas-3、PI野生棉、洛賽雅等63份；第Ⅳ類以中耐鹽品種為主，包括吉扎30、NMGB-14、E24-3389等124份。

植物耐鹽是受多指標影響的數(shù)量性狀[27-28]，因此進行多指標篩選海島棉耐復合鹽指標是有必要的，本試驗利用海島棉綜合評價值(CEV)為因變量，14個數(shù)量性狀耐鹽系數(shù)為自變量進行逐步回歸，發(fā)現(xiàn)衣分、始節(jié)高、果枝數(shù)、蕾鈴脫落數(shù)、單鈴籽棉產(chǎn)量、單株皮棉產(chǎn)量單鈴皮棉產(chǎn)量和單株籽棉產(chǎn)量可作為鑒定海島棉耐復合鹽脅迫的指標。

4 結(jié)論

海島棉耐鹽是一個復雜的數(shù)量性狀，因此應選取多指標進行海島棉耐鹽評價。產(chǎn)量是評價的關鍵影響因子之一，合理利用產(chǎn)量性狀進行評價是必要的。本試驗利用4類方法結(jié)合綜合評價海島棉耐鹽性是可行的，并篩選到1份強耐鹽材料Pimas-4，其在鹽脅迫下表現(xiàn)為鈴數(shù)、有效鈴數(shù)、單鈴籽棉重、單鈴皮棉重、單株籽棉及單株皮棉產(chǎn)量影響較小，株高、始節(jié)高、果枝數(shù)、蕾鈴脫落數(shù)和蕾鈴脫落率影響較大。本試驗結(jié)果為花鈴期海島棉耐鹽品種的篩選提供了理論基礎及鑒定方法。