李 航 劉 麗 黃 乾 劉文豪 司愛君 孔憲輝 王旭文 趙福相 梅擁軍 余 渝,*

棉花種質(zhì)資源萌發(fā)期耐鹽性鑒定及篩選

李 航1,2,**劉 麗2,**黃 乾1,2劉文豪2司愛君2孔憲輝2王旭文2趙福相2梅擁軍1,*余 渝2,*

1塔里木大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 新疆阿拉爾 843300;2新疆農(nóng)墾科學(xué)院棉花研究所 / 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北內(nèi)陸區(qū)棉花生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 新疆石河子 832000

種子萌發(fā)期是對鹽分較敏感的時期, 測定不同鹽濃度脅迫下的棉花種子發(fā)芽情況是篩選棉花耐鹽種質(zhì)的重要依據(jù)之一。本研究對629份棉花種質(zhì)資源進(jìn)行0、150 mmol L–1NaCl處理, 對鮮重、發(fā)芽勢等6個性狀的耐鹽系數(shù)進(jìn)行差異分析, 結(jié)果顯示鹽脅迫下各個性狀較對照均存在顯著差異; 使用主成分分析、隸屬函數(shù)分析對棉花種質(zhì)耐鹽性進(jìn)行綜合評價(jià); 對綜合評價(jià)值值進(jìn)行聚類分析, 根據(jù)值的大小將629份種質(zhì)資源分成5類: 188份耐鹽中間型材料、376份耐鹽型材料、36份高耐鹽型材料、28份鹽敏感型材料、1份高鹽敏感型材料; 通過逐步回歸分析建立棉花萌發(fā)期耐鹽性評價(jià)預(yù)測模型:= 0.277RFW+0.29RGP+0.189RPL+0.387RGR-0.32 (2=0.992), 篩選出鮮重、下胚軸長、發(fā)芽勢和發(fā)芽率4個指標(biāo)可作為棉花萌發(fā)期耐鹽性鑒定的指標(biāo)。本研究建立了一套精準(zhǔn)、高效的耐鹽性鑒定體系, 篩選到36份高耐鹽材料和1份高敏感材料, 為棉花耐鹽機(jī)制研究和培育耐鹽新品種提供參考。

棉花; 萌發(fā)期; 耐鹽性; 綜合評價(jià)

棉花是天然、優(yōu)質(zhì)纖維的主要來源, 是重要的纖維和油料作物, 在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占據(jù)十分重要的地位。近年來, 我國棉花消費(fèi)量常年穩(wěn)定在820萬噸左右, 占全球棉花總消費(fèi)量1/3, 由于人們生活水平提高, 糧食需求量逐年上升, “棉糧爭地”矛盾日益加劇[1]。人類活動和全球氣候變化使得土壤鹽漬化現(xiàn)象日益嚴(yán)重, 全球鹽堿地面積已達(dá)9.5億公頃, 且每年以100萬～150萬公頃的速度增長[2]。我國是受土壤鹽漬化影響最嚴(yán)重的國家之一, 目前我國鹽漬土總面積約9900萬公頃, 其中新疆地區(qū)的鹽漬土面積占全國的1/5。土壤鹽漬化是影響棉花產(chǎn)量品質(zhì)的重要因素之一[3-4], 嚴(yán)重影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展, 篩選培育耐鹽棉花品種是利用鹽漬化土壤最經(jīng)濟(jì)有效的方式之一, 通過將棉花種植向鹽堿荒地轉(zhuǎn)移, 進(jìn)一步擴(kuò)大棉花種植面積, 對棉花產(chǎn)業(yè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有重要意義。

棉花是一種較耐鹽的農(nóng)作物, 是鹽堿地改良的先鋒作物[5]。當(dāng)土壤含鹽量小于0.2% (34 mmol L–1)時有利于棉花出苗與生長發(fā)育, 甚至能提高產(chǎn)量品質(zhì), 但是土壤含鹽量大于0.2% (34mmol L–1)時, 便會對棉花造成滲透脅迫和離子毒害等影響[6-7]。隨著土壤鹽分含量升高, 超過一定臨界值, 就會顯著影響棉花的生長發(fā)育和生理代謝活動, 從而導(dǎo)致棉花產(chǎn)量下降和品質(zhì)發(fā)生改變。鑒定篩選不同棉花種質(zhì)資源的耐鹽性、研究棉花萌發(fā)期耐鹽機(jī)理和挖掘耐鹽相關(guān)基因, 可為棉花耐鹽性遺傳改良及拓展種植區(qū)域奠定基礎(chǔ)。目前有眾多研究人員對作物萌發(fā)期抗逆性進(jìn)行鑒定評價(jià), 但是在鑒定方法和篩選指標(biāo)上各不相同, 王俊娟等[8]對2個棉花品種進(jìn)行9個梯度的鹽脅迫處理, 測定棉花的發(fā)芽勢、芽長和鮮重, 認(rèn)為土壤鹽濃度為0.8% (137mmol L–1)時芽長作為棉花耐鹽性鑒定的理想指標(biāo), 鹽濃度≥1.2% (205mmol L–1), 可以用發(fā)芽勢來鑒定棉花的耐鹽性; 王靜等[9]對25份紫花苜蓿品種進(jìn)行不同濃度鹽處理, 比較不同品種間及不同濃度鹽處理間發(fā)芽率、發(fā)芽勢、鹽害指數(shù)等指標(biāo)的差異, 篩選出耐鹽品種‘WL326GE’。但是通過單一指標(biāo)或多指標(biāo)之間的差異分析不能對作物的抗逆性進(jìn)行全面綜合性評價(jià), 因此更多的研究者選擇綜合方差分析、主成分分析、隸屬函數(shù)分析、聚類分析和逐步回歸分析等, 通過多元統(tǒng)計(jì)方法更全面的對品種間的抗逆性進(jìn)行綜合評價(jià), 如在大豆、油菜、水稻、高粱、小麥等多種作物種質(zhì)的綜合鑒定評價(jià)中都用過此方法[10-14]。前人開展棉花耐鹽性鑒定的研究不在少數(shù), 但受限于供試品種數(shù)量和鑒定方法不夠全面。因此, 本研究對具有廣泛遺傳背景的629份棉花種質(zhì)資源在萌發(fā)期進(jìn)行鹽脅迫處理, 對各項(xiàng)指標(biāo)的耐鹽系數(shù)進(jìn)行方差分析、主成分分析、隸屬函數(shù)分析、聚類分析和逐步回歸分析, 對棉花萌發(fā)期耐鹽性進(jìn)行綜合評價(jià), 以篩選出耐鹽材料和耐鹽性鑒定指標(biāo), 建立一套快速、有效的萌發(fā)期耐鹽性評價(jià)體系, 為棉花種質(zhì)資源耐鹽性鑒定篩選、培育耐鹽品種和耐鹽基因挖掘提供材料和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

629份棉花種質(zhì)資源由新疆農(nóng)墾科學(xué)院棉花研究所多年收集保存, 主要來自我國長江流域、黃河流域、西北內(nèi)陸地區(qū)、華南地區(qū)和北部特早熟地區(qū)五大棉區(qū), 部分來自美國和前蘇聯(lián), 詳細(xì)信息可見附表1。

1.2 試驗(yàn)方法

選擇大小均勻、籽粒飽滿的棉花種子, 經(jīng)過10%過氧化氫消毒浸泡30 min后再使用無菌水沖洗4～5次, 使用濾紙將種皮表面水分吸干。將濾紙裁成長30 cm、寬20 cm的長方形, 在溶液中浸濕后平鋪在試驗(yàn)臺上, 挑選40粒種子在濾紙頂部向下2 cm處擺放成2行(1行20粒), 2行間隔2 cm, 種子錯位擺放, 珠孔朝下。再將一張濾紙?jiān)谌芤褐薪窈髮R平鋪在種子上, 從濾紙頂部1.5～2.0 cm處對折(防止溶液蒸發(fā)過快), 將濾紙卷起來呈圓柱形, 重復(fù)3次在底部用橡皮筋扎起來放在發(fā)芽盒中, 發(fā)芽盒中加入3 cm高的鹽溶液, 每個發(fā)芽盒放入18個濾紙卷。將裝有濾紙卷的發(fā)芽盒放入種子萌發(fā)室, 溫度(30± 1)℃, 相對濕度60%, 第3天補(bǔ)充光照, 光暗時間12 h/12 h (L/D), 每日補(bǔ)充水分至統(tǒng)一液面高度(3 cm)。第3天、第7天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽數(shù), 第7天隨機(jī)選取5株長勢基本一致的幼苗測量鮮重、幼苗全長、胚根長和下胚軸長, 每個處理重復(fù)3次。

1.3 測定指標(biāo)

種子胚根突破種皮即露白視為發(fā)芽; 使用直尺測量幼苗全長(根冠至子葉著生點(diǎn))和胚根長; 吸干幼苗表面水分后稱重。

發(fā)芽勢=第3天發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)×100%

發(fā)芽率=第7天發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)×100%

下胚軸長=幼苗全長-胚根長

各指標(biāo)相對耐鹽系數(shù)=處理指標(biāo)/對照指標(biāo)×100%。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

采用Microsoft Excel 2016整理試驗(yàn)數(shù)據(jù), 使用SPSS Statistics 27對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)描述、方差分析、主成分分析、相關(guān)性分析, 使用R語言“cluster、factoextra”軟件包進(jìn)行聚類分析及可視化, 使用Graphpad prism作圖。

通過主成分分析法將6個性狀的相對值轉(zhuǎn)換成3個綜合指標(biāo), 采用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法對629份棉花種質(zhì)進(jìn)行耐鹽性綜合評價(jià)。

隸屬函數(shù)值:

式中,X表示第個綜合指標(biāo)值,min表示第個綜合指標(biāo)中的最小值,max表示第個綜合指標(biāo)中的最大值,(X)表示第個綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值。

各綜合指標(biāo)權(quán)重:

式中,w表示第個綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中的權(quán)重,P表示主成分分析中得到的各棉花種質(zhì)第個綜合指標(biāo)的方差貢獻(xiàn)率。

耐鹽性綜合評價(jià)值:

式中,值表示第個種質(zhì)在鹽脅迫條件下耐鹽性綜合評價(jià)值。

聚類分析: 根據(jù)值的大小, 采用歐氏距離, 組間最大距離連接(complete)法、聚類個數(shù)=5, 對629份棉花種質(zhì)耐鹽性進(jìn)行分類, 按照值范圍大小定義每一類棉花種質(zhì)的耐鹽性。

逐步回歸分析: 以耐鹽性綜合評價(jià)值為因變量, 6個指標(biāo)的耐鹽系數(shù)為自變量進(jìn)行逐步回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫濃度選擇

為確定棉花萌發(fā)期耐鹽性篩選的適宜濃度, 隨機(jī)挑選5個品種(系)進(jìn)行0、100、150、200、250和300 mmol L–16個梯度鹽脅迫處理, 第7天測量統(tǒng)計(jì)鮮重、幼苗全長、胚根長和發(fā)芽率。由圖1可知, 在不同濃度鹽脅迫下, 5個品種(系)的性狀變化趨勢存在差異(a～e)。當(dāng)處理濃度大于或等于200 mmol L–1時, 鮮重、苗長和根長較對照差異均達(dá)到顯著水平, 并且隨著濃度升高, 對鮮重、苗長和根長的抑制效果越明顯。當(dāng)處理濃度為100 mmol L–1和150 mmol L–1時, 不同品種(系)的鮮重、幼苗全長和胚根長較對照差異不同, 說明這2個濃度能夠用于不同品種(系)棉花種子萌發(fā)期耐鹽性篩選。分析5個品種(系)在100～300 mmol L–1鹽脅迫下不同指標(biāo)的相對耐鹽系數(shù)(f～j), 各指標(biāo)的相對耐鹽系數(shù)隨著濃度升高而逐漸減小。處理濃度大于或等于200 mmol L–1時, 嚴(yán)重抑制了棉花的生長, 處理濃度為100 mmol L–1時, 對棉花生長抑制效果最不明顯, 甚至顯著促進(jìn)品種ST32的生長。根據(jù)張國偉的研究結(jié)果, 鹽濃度對各項(xiàng)指標(biāo)影響過大或過小時均不適宜作為耐鹽鑒定水平, 綜合不同濃度下性狀變化的差異和耐鹽系數(shù), 選擇150 mmol L–1NaCl作為棉花耐鹽性鑒定的最適濃度。

2.2 鹽脅迫對不同棉花品種(系)萌發(fā)期的影響

鹽脅迫與對照條件下, 不同品種(系)的6個性狀變化差異顯著(圖2)。對照組中各性狀變異系數(shù)在2.79%～18.01%范圍內(nèi), 變異系數(shù)從大到小依次為下胚軸長、胚根長、幼苗全長、鮮重、發(fā)芽勢、發(fā)芽率; 處理組中各性狀變異系數(shù)在8.96%～28.12%范圍內(nèi), 變異系數(shù)排列情況與對照組相同, 下胚軸長變異系數(shù)最大, 發(fā)芽率最小。相較于對照, 鹽脅迫下6個性狀均受到明顯抑制, 下胚軸長、胚根長、幼苗全長和鮮重的均值較對照均下降幅度30%以上, 其中下胚軸長受到抑制最嚴(yán)重, 下降幅度最大為42.78%, 而發(fā)芽勢和發(fā)芽率受到影響相對較小, 分別下降16.52%和9.93% (表1)。由此可見不同品種對鹽脅迫的響應(yīng)各不相同, 使用單一指標(biāo)不能全面評價(jià)棉花品種的耐鹽性強(qiáng)弱。

圖1 5個棉花品種在不同濃度鹽脅迫處理下的性狀差異和耐鹽系數(shù)變化曲線

a～e: 性狀差異; f～j: 耐鹽系數(shù)變化曲線。FW: 鮮重; SL: 幼苗全長; RL: 胚根長; GR: 發(fā)芽率; RFW: 相對鮮重; RSL: 相對幼苗全長; RRL: 相對胚根長; RGR: 相對發(fā)芽率。

a–e: traits differences; f–j: salt tolerance coefficient curves. FW: fresh weight; SL: seedlings length; RL: root length; GR: germination rate; RFW: the relative fresh weight; RSL: the relative seedlings length; RRL: the relative root length; RGR: the relative germination rate.

表1 鹽脅迫下629份棉花品種(系)的表型性狀

(續(xù)表1)

圖2 對照與鹽脅迫下棉花的表型性狀

CK: 正常處理; ST: 鹽脅迫; ST-CK: 鹽脅迫與對照的均值差; ***代表< 0.001。

CK: control; ST: salt treatment; ST-CK: the mean difference between salt treatment and control. ***:< 0.001.

2.3 棉花種質(zhì)資源耐鹽系數(shù)及其相關(guān)性分析

為消除棉花品種(系)間自身存在的差異, 使用各指標(biāo)的相對耐鹽系數(shù)對棉花耐鹽性進(jìn)行綜合評價(jià)。由表2可知, 相對鮮重的變化范圍在0.31～1.08之間, 相對幼苗全長的變化范圍在0.24～1.05, 相對胚根長的變化范圍在0.22～1.31, 相對下胚軸長的變化范圍在0.20～1.41, 相對發(fā)芽勢的變化范圍在0.19～1.13, 相對發(fā)芽率的變化范圍在0.42～1.13, 6個相對指標(biāo)的變異系數(shù)范圍在8.57%～29.12%, 其中相對下胚軸長的變異系數(shù)最大, 相對發(fā)芽率的變異系數(shù)最小。可以看出不同指標(biāo)的耐鹽系數(shù)在不同基因型棉花中的變化范圍不同, 說明不同性狀對鹽脅迫的響應(yīng)不同, 僅靠單一指標(biāo)的耐鹽系數(shù)不能準(zhǔn)確評價(jià)棉花品種(系)的耐鹽性。

進(jìn)一步對各指標(biāo)的耐鹽系數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析, 從表3可以看出, 相對鮮重、相對幼苗全長與相對發(fā)芽勢與其他性狀間均達(dá)到極顯著正相關(guān), 相對胚根長與相對發(fā)芽勢顯著正相關(guān), 相對下胚軸長與相對發(fā)芽率相關(guān)性不顯著, 其中相對幼苗全長與相對胚根長相關(guān)性最強(qiáng)(=0.803**), 相對下胚軸長與相對發(fā)芽率相關(guān)性最弱(=0.077), 6個指標(biāo)的耐鹽系數(shù)間的相關(guān)性具有較高的一致性, 并且相互間包含的信息部分重疊。

2.4 耐鹽系數(shù)主成分分析

對6個指標(biāo)的耐鹽系數(shù)進(jìn)行主成分分析, 根據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率大于85%的原則, 將原先6個指標(biāo)的耐鹽系數(shù)轉(zhuǎn)化成3個新的相互獨(dú)立的綜合指標(biāo), 其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到91.83% (表4), 說明新的綜合指標(biāo)包含了原先6個指標(biāo)的大部分遺傳信息, 可用于對棉花品種(系)的耐鹽性評價(jià)。綜合指標(biāo)PC1的特征值為2.919, 方差貢獻(xiàn)率為48.65%, 與相對鮮重(0.875)和相對幼苗全長(0.935)相關(guān)性最大, 主要反應(yīng)了棉花總生物量與生長情況; 綜合指標(biāo)PC2的特征值為1.649, 方差貢獻(xiàn)率為27.48%, 與相對發(fā)芽勢(0.864)和相對發(fā)芽率(0.857)相關(guān)性最大, 主要反應(yīng)了鹽脅迫下棉花種子萌發(fā)情況; 綜合指標(biāo)PC3的特征值為0.942, 方差貢獻(xiàn)率為15.71%, 與相對胚根長(–0.691)和相對下胚軸長(0.634)相關(guān)性最大, 主要反應(yīng)了鹽脅迫對棉花地上部和地下部生長情況的影響。

表2 棉花各性狀的耐鹽系數(shù)

RFW: the relative fresh weight; RSL: the relative seedlings length; RRL: the relative root length; RHL: the relative hypocotyl length; RGP: the relative germination potential; RGR: the relative germination rate.

表3 棉花各性狀耐鹽系數(shù)的相關(guān)性分析

*和**分別表示在0.05和0.01概率水平相關(guān)性顯著。

*and**indicate significance correlations at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. Abbreviations are the same as those given in Table 2.

表4 棉花各性狀耐鹽系數(shù)的主成分分析

Abbreviations are the same as those given in Table 2.

2.5 耐鹽性綜合評價(jià)及聚類分析

主成分分析將原先的6個指標(biāo)的耐鹽系數(shù)轉(zhuǎn)化成3個新的綜合指標(biāo), 根據(jù)這3個綜合指標(biāo)值計(jì)算出各自的隸屬函數(shù)值, 根據(jù)綜合指標(biāo)的方差貢獻(xiàn)率大小計(jì)算出各自的權(quán)重, 3個綜合指標(biāo)的權(quán)重分別為0.530、0.299和0.171。得到綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值和權(quán)重后, 計(jì)算出耐鹽性綜合評價(jià)值(附表1), 根據(jù)值的大小對629份棉花種質(zhì)資源耐鹽性進(jìn)行評價(jià)。采用歐氏距離“complete”法、聚類個數(shù)=5, 對綜合評價(jià)值值進(jìn)行聚類, 根據(jù)值大小和和聚類結(jié)果將629份品種(系)分為5類(圖3): 第1類(I)材料188份, 占供試材料的29.89%, 屬于耐鹽中間型,值范圍0.429～0.542; 第2類(II)材料376份, 占供試材料的59.78%, 屬于耐鹽型,值范圍0.543～ 0.691; 第3類(III)材料36份, 占供試材料的5.72%, 屬于高耐鹽型,值范圍0.698～0.824; 第4類(IV)材料28份, 占供試材料的4.45%, 屬于鹽敏感型,值范圍0.248～0.425; 第5類材料(V) 1份, 占供試材料的0.16%, 屬于高鹽敏感型,值0.063, 其中高耐鹽材料如下所示(表5)。

表5 高耐鹽材料種質(zhì)、D值及排名

圖3 629份棉花耐鹽性聚類分析

2.6 逐步回歸分析

為了進(jìn)一步分析棉花萌發(fā)期各項(xiàng)指標(biāo)與耐鹽性間的關(guān)系, 篩選出耐鹽性鑒定指標(biāo), 建立可用于棉花萌發(fā)期耐鹽性評價(jià)的數(shù)學(xué)模型, 以耐鹽性綜合評價(jià)值為因變量, 6個指標(biāo)的耐鹽系數(shù)為自變量進(jìn)行逐步回歸分析, 得到最優(yōu)方程:=0.277RFW+ 0.29RGP+0.189RPL+0.387RGR–0.32, 方程決定系數(shù)2=0.992,<0.001。對方程的預(yù)測值精度進(jìn)行分析, 結(jié)果顯示各品種(系)的預(yù)測精度均在95.37%以上(附表1), 證明該方程可以用于棉花種質(zhì)資源萌發(fā)期耐鹽性評價(jià), 在相同條件下只需測定鮮重、下胚軸長、發(fā)芽勢和發(fā)芽率4個指標(biāo), 計(jì)算出相應(yīng)的耐鹽系數(shù), 根據(jù)該方程計(jì)算出的綜合評價(jià)值判斷不同棉花種質(zhì)資源耐鹽性大小。

3 討論

3.1 棉花萌發(fā)期耐鹽性鑒定

種子萌發(fā)階段是棉花對鹽脅迫最敏感的時期之一, 鹽脅迫下種子能否正常萌發(fā)出苗, 對棉花生長和產(chǎn)量的影響至關(guān)重要[16]。鹽漬化土壤中主要包含Na+、Ca2+、Mg2+、Cl–、SO42–、CO32–等離子, 不論是單一型或是復(fù)合型鹽漬化環(huán)境, 棉花萌發(fā)出苗受到傷害主要是由Na+積累引起的滲透脅迫和離子毒害造成的[17], 因此, 萌發(fā)期是棉花耐鹽性差異最明顯的時期, 是鑒定篩選不同品種耐鹽性的關(guān)鍵時期[8]。

低濃度的鹽脅迫處理在一定程度上能夠促進(jìn)種子萌發(fā)和幼苗生長, 超過一定閾值隨著鹽濃度的升高對種子萌發(fā)和幼苗生長發(fā)育抑制越顯著[17-18]。白燈沙·買買提艾力等[19]對27個新疆棉花品種進(jìn)行6個濃度梯度(0、50、100、150、200、300 mmol L–1)的NaCl處理, 以發(fā)芽勢、發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)為指標(biāo)進(jìn)行耐鹽性評價(jià), 認(rèn)為150 mmol L–1NaCl是區(qū)分棉花耐鹽性強(qiáng)弱的臨界濃度。張國偉等[20]在3個鹽濃度(100、150、200 mmol L–1)下比較了13個棉花品種的鹽害系數(shù), 選擇150 mmol L–1NaCl作為棉花萌發(fā)期耐鹽性鑒定的最適溫度。鹽濃度對各項(xiàng)指標(biāo)影響過大或過小均不適宜作為耐鹽鑒定水平, 結(jié)合前人報(bào)道[21]和前期濃度試驗(yàn), 本研究選擇150 mmol L–1NaCl作為鑒定評價(jià)棉花種質(zhì)耐鹽性強(qiáng)弱的適宜濃度。

前人關(guān)于棉花萌發(fā)期抗逆性評價(jià)主要集中在栽培品種, 種質(zhì)數(shù)量少, 遺傳背景狹窄[22-23], 本研究鑒定的629份種質(zhì)資源來自中國五大棉區(qū)和其他2個國家, 供試品種多, 遺傳多樣性豐富, 為進(jìn)一步棉花耐鹽性研究提供參考。后續(xù)結(jié)合苗期耐鹽性鑒定能夠更全面精準(zhǔn)的評價(jià)種質(zhì)資源的耐鹽性。

3.2 棉花萌發(fā)期耐鹽性綜合評價(jià)與指標(biāo)的篩選

棉花耐鹽性是復(fù)雜的數(shù)量性狀, 研究發(fā)現(xiàn), 不同栽培品種之間耐鹽性存在較大差異, 同一品種在不同的生長發(fā)育階段、各個器官組織對于鹽脅迫的響應(yīng)也不同[15]。

種子萌發(fā)期最初階段, 鹽處理會對種子造成滲透脅迫, 影響種子吸水膨脹, 從而延緩種子萌發(fā)時間, 鹽濃度過高還會使種子進(jìn)入休眠[5,18]。同時鹽脅迫會抑制貯藏物質(zhì)的分解、轉(zhuǎn)化和合成代謝, 抑制多種酶活性, 進(jìn)一步抑制種子萌發(fā)。種子萌發(fā)后幼苗階段, 因滲透脅迫影響, 植株吸水能力下降, 細(xì)胞質(zhì)中液泡體積減小, 影響細(xì)胞伸長和分裂, 幼苗根系與地上部生長發(fā)育受到抑制[24-25]。植株體內(nèi)Na+積累過多, 細(xì)胞內(nèi)離子平衡被打破, 造成活性氧的產(chǎn)生和活性氧清除的動態(tài)平衡被破壞, 加劇膜脂過氧化程度, 導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)遭到破壞, 細(xì)胞質(zhì)外滲導(dǎo)致電導(dǎo)率升高, 超氧化物歧化酶(superoxide dismutase, SOD)、過氧化物酶(peroxidase, POD)和過氧化氫酶(catalase, CAT)等活性氧清除酶活性顯著降低, 丙二醛(malondialdehyde, MDA)含量明顯增加[15]。因此前人研究選擇發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、吸水速率和電導(dǎo)率, 根長、下胚軸長、幼苗全長和地上部/地下部干鮮重, SOD、POD、CAT活性和MDA含量等作為評價(jià)各種作物萌發(fā)期耐鹽性的指標(biāo)[26-31]。但是各鑒定指標(biāo)相互間均存在一定程度的相關(guān)性, 使用單個指標(biāo)或是對多個指標(biāo)使用單一評價(jià)方法不能精準(zhǔn)、全面評價(jià)棉花耐鹽性。

生理指標(biāo)測定容易受到個體差異、取樣部位和取樣時間的影響, 本研究選擇了受鹽脅迫影響最直觀的6個形態(tài)指標(biāo), 結(jié)合多元統(tǒng)計(jì)分析, 對629份棉花種質(zhì)資源的耐鹽性進(jìn)行快速、精準(zhǔn)、全面的綜合評價(jià)。相關(guān)性分析表明, 除發(fā)芽率與下胚軸長外, 其余各指標(biāo)間相關(guān)性均為顯著或極顯著, 所包含信息存在重疊。通過主成分分析將6個指標(biāo)轉(zhuǎn)換成3個相互獨(dú)立的綜合指標(biāo), 降低原始指標(biāo)信息的冗余, 保留了91.83%的原始信息。在此基礎(chǔ)上使用隸屬函數(shù)分析計(jì)算出綜合評價(jià)值, 對棉花萌發(fā)期耐鹽性進(jìn)行綜合評價(jià), 使用最大距離法將值分成5種不同的耐鹽類型。以耐鹽性綜合評價(jià)值為因變量, 6個耐鹽系數(shù)為自變量建立了棉花萌發(fā)期耐鹽性評價(jià)的數(shù)學(xué)模型, 確定鮮重、下胚軸長、發(fā)芽勢和發(fā)芽率可作為棉花耐鹽性鑒定的指標(biāo)。綜上所述, 本研究對遺傳背景豐富的629份棉花種質(zhì)資源萌發(fā)期耐鹽性進(jìn)行全面、客觀的綜合評價(jià), 建立了一套高效、精準(zhǔn)的棉花耐鹽性鑒定體系, 鑒定篩選出4份高耐鹽材料和1份對鹽高敏感材料, 為棉花耐鹽性鑒定提供方法參考, 并為耐鹽機(jī)理研究和耐鹽品種改良提供材料基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本研究前期設(shè)置6個梯度鹽脅迫處理, 綜合5個品種間各指標(biāo)的方差分析和耐鹽系數(shù)變化曲線, 選擇150 mmol L–1NaCl作為棉花耐鹽性評價(jià)的最適濃度。以此濃度對629份棉花種質(zhì)資源進(jìn)行耐鹽性評價(jià), 通過相關(guān)性分析、主成分分析、綜合隸屬函數(shù)和聚類分析, 將6個指標(biāo)轉(zhuǎn)換成3個新的獨(dú)立的指標(biāo), 得到629份棉花種質(zhì)耐鹽性的綜合評價(jià)值, 根據(jù)值的大小將種質(zhì)分成五大類, 最終篩選得到了耐鹽材料ST542和鹽敏感材料ST55, 并構(gòu)建了逐步回歸模型, 在150 mmol L–1NaCl條件下, 鮮重、下胚軸長、發(fā)芽勢和發(fā)芽率可作為棉花萌發(fā)期耐鹽性鑒定的指標(biāo)。

附表 請見網(wǎng)絡(luò)版: 1) 本刊網(wǎng)站http://zwxb. chinacrops.org/; 2) 中國知網(wǎng)http://www.cnki.net/; 3) 萬方數(shù)據(jù)http://c.wanfangdata.com.cn/Periodical- zuowxb.aspx。

[1] 王曉偉, 岳丕昌, 丁建國, 張利召. 新疆棉花生產(chǎn)的比較優(yōu)勢分析. 中國棉花, 2012, 39(6): 4?6. Wang X W, Yue P C, Ding J G, Zhang L Z. Study on the comparative advantage of Xinjiang cotton production., 2012, 39(6): 4?6 (in Chinese with English abstract).

[2] 李彬, 王志春, 孫志高, 陳淵, 楊福. 中國鹽堿地資源與可持續(xù)利用研究. 干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究, 2005, 39(2): 154–158. Li B, Wang Z C, Sun Z G, Chen Y, Yang F. Study on saline-alkali land resources and sustainable utilization in China., 2012, 39(6): 4–6 (in Chinese with English abstract).

[3] 王東明, 賈媛, 崔繼哲. 鹽脅迫對植物的影響及植物鹽適應(yīng)性研究進(jìn)展. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2009, 25(4): 124–128. Wang D M, Jia Y, Cui J Z. Advances in research on effects of salt stress on plant and adaptive mechanism of the plant to salinity., 2009, 25(4): 124–128 (in Chinese with English abstract).

[4] Munns R. Comparative physiology of salt and water stress: comparative physiology of salt and water stress., 2002, 25: 239–250.

[5] Abdelraheem A, Esmaeili N E, O’Connell M, Zhang J F. Progress and perspective on drought and salt stress tolerance in cotton., 2019, 130: 118–129.

[6] 孫小芳, 劉友良. 棉花品種耐鹽性鑒定指標(biāo)可靠性的檢驗(yàn). 作物學(xué)報(bào), 2001, 27: 794–801. Sun X F, Liu Y L. Test on criteria of evaluating salt tolerance of cotton cultivars., 2001, 27: 794–801 (in Chinese with English abstract).

[7] 賈玉珍, 朱禧月, 唐予迪, 蔡養(yǎng)廉, 林同保, 羅先寶. 棉花出苗及苗期耐鹽性指標(biāo)的研究. 河南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1987, 21(1): 30–41. Jia Y Z, Zhu X Y, Tang Y D, Cai Y L, Lin T B, Luo X B. Study on salt tolerance index of cotton seedling emergence and seedling stage., 1987, 21(1): 30–41 (in Chinese with English abstract).

[8] 王俊娟, 葉武威, 周大云, 呂有軍, 樊保香, 宋麗艷. 鹽脅迫下不同耐鹽類型棉花的萌發(fā)特性. 棉花學(xué)報(bào), 2007, 19(4): 315–317. Wang J J, Ye W W, Zhou D Y, Lyu Y J, Fan B X, Song L Y. Studies on germination characteristics of different salinity resistant cotton under salt stress., 2007, 19(4): 315–317 (in Chinese with English abstract).

[9] 王靜, 許興, 麻冬梅. 紫花苜蓿種質(zhì)資源萌發(fā)期耐鹽性鑒定. 核農(nóng)學(xué)報(bào), 2018, 32: 1939–1948. Wang J, Xu X, Ma D M. Salt tolerance identification of alfalfa germplasm resources at germination stage., 2018, 32: 1939–1948 (in Chinese with English abstract).

[10] 靳路真, 王洋, 張偉, 邱紅梅, 陳健, 候云龍, 馬曉萍, 王躍強(qiáng),謝甫綈. 大豆品種(系)耐熱性鑒定及分級評鑒. 中國油料作物學(xué)報(bào), 2016, 38: 77–87. Jin L Z, Wang Y, Zhang W, Qiu H M, Chen J, Hou Y L, Ma X P, Wang Y Q, Xie F T. Grading evaluation on heat-tolerance in soybean and identification of heat-tolerant cultivars., 2016, 38: 77–87 (in Chinese with English abstract).

[11] 郜歡歡, 葉桑, 王倩, 王劉艷, 王瑞莉, 陳柳依, 唐章林, 李加納, 周清元, 崔翠. 甘藍(lán)型油菜種子萌發(fā)期耐鋁毒特性綜合評價(jià)及其種質(zhì)篩選. 作物學(xué)報(bào), 2019, 45: 1416–1430. Gao H H, Ye S, Wang Q, Wang L Y, Wang R L, Chen L Y, Tang Z L, Li J N, Zhou Q Y, Cui C. Screening and comprehensive evaluation of aluminum-toxicity tolerance during seed germination in, 2019, 45: 1416–1430 (in Chinese with English abstract).

[12] 楊瑰麗, 楊美娜, 李帥良, 曲志恒, 黃明, 陳志強(qiáng), 王慧. 水稻萌芽期抗旱指標(biāo)篩選與抗旱性綜合評價(jià). 華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 36(2): 1–5. Yang G L, Yang M N, Li S L, Qu Z H, Huang M, Chen Z Q, Wang H. Screening and comprehensive evaluation of drought resistance indices of rice at germination stage., 2015, 36(2): 1–5 (in Chinese with English abstract).

[13] 李豐先, 周宇飛, 王藝陶, 孫璐, 白薇, 閆彤, 許文娟, 黃瑞冬.高粱品種萌發(fā)期耐堿性篩選與綜合鑒定. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2013, 46: 1762–1771. Li X F, Zhou Y F, Wang Y T, Sun L, Bai W, Yan T, Xu W J, Huang R D. Screening and identification of sorghum cultivars for alkali tolerance during germination., 2013, 46: 1762–1771 (in Chinese with English abstract).

[14] 李國瑞, 馬宏亮, 胡雯媚, 湯永祿, 榮曉椒, 樊高瓊. 西南麥區(qū)小麥品種萌發(fā)期抗旱性的綜合鑒定及評價(jià). 麥類作物學(xué)報(bào), 2015, 35: 479–487. Li G R, Ma H L, Hu W M, Tang Y L, Rong X J, Fan G Q. Identification and evaluation of wheat cultivars for drought resistance during germination in Southwest Area., 2015, 35: 479–487 (in Chinese with English abstract).

[15] Yang Q Y, Guo Y. Elucidating the molecular mechanisms mediating plant salt-stress responses., 2018, 217: 523–539.

[16] 孫小芳, 劉友良, 陳沁. 棉花耐鹽性研究進(jìn)展. 棉花學(xué)報(bào), 1998, 10(3): 118–124. Sun X F, Liu Y L, Chen Q. Recent progresses in studies on salinity tolerance in Cotton., 1998, 10(3): 118–124 (in Chinese with English abstract).

[17] Garratt L C, Janagoudar B S, Lowe K C, Anthony P, Davey M R. Salinity tolerance and antioxidant status in cotton cultures., 2002, 33: 502–511.

[18] Iram S, Saba A, Jehanzeb F, Muhammad R, Abia Y, Ghulam S, Shaid M C. Salinity stress in cotton: effects, mechanism of tolerance and its management strategies., 2019, 25: 807–820.

[19] 白燈莎·買買提艾力, 張少民, 孫良斌, 李寒暝, 寧新民, 孔杰, 馮固. 新疆不同年代27個棉花品種(系)種子萌發(fā)階段耐鹽能力比較. 西北農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2012, 21(1): 72–79. Baidengsha M, Zhang S M, Sun L B, Li H M, Ning X M, Kong J, Feng G. Comparisons of salt resistances during germination stage among 27 cotton varieties (line) grown in Xinjiang., 2012, 21(1): 72–79 (in Chinese with English abstract).

[20] 張國偉, 路海玲, 張雷, 陳兵林, 周治國. 棉花萌發(fā)期和苗期耐鹽性評價(jià)及耐鹽指標(biāo)篩選. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 22: 2045–2053. Zhang G W, Lu H L, Zhang L, Chen B L, Zhou Z G. Salt tole-rance evaluation of cotton () at its germinating and seedling stages and selection of related indices., 2011, 22: 2045–2053 (in Chinese with English abstract).

[21] 蘇瑩, 郭安慧, 華金平. 棉花耐鹽性鑒定方法討論. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2021, 26(12): 11–19. Su Y, Guo A H, Hua J P. Strategies for evaluation the salt tolerance in cotton., 2021, 26(12): 11–19 (in Chinese with English abstract).

[22] 沈倩, 張思平, 劉瑞華, 劉紹東, 陳靜, 葛常偉, 馬慧娟, 趙新華, 楊國正, 宋美珍, 龐朝友. 棉花出苗期耐冷綜合評價(jià)體系的構(gòu)建及耐冷指標(biāo)篩選. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué), 2022, 55: 4342–4355. Shen Q, Zhang S P, Liu R H, Liu S D, Chen J, Ge C W, Ma H J, Zhao X H, Yang G Z, Song M Z, Pang C Y. Construction of a comprehensive evaluation system and screening of cold tolerance indicators for cold tolerance of cotton at seedling emergence stage., 2022, 55: 4342–4355 (in Chinese with English abstract).

[23] Li W H, Zhang H Z, Zeng Y L, Xiang L J, Lei Z H, Huang Q X, Li T Y, Shen F, Cheng Q. A salt tolerance evaluation method for sunflower (L.) at the seed germination stage., 2020, 10: 10626.

[24] 王東明, 賈媛, 崔繼哲. 鹽脅迫對植物的影響及植物鹽適應(yīng)性研究進(jìn)展. 中國農(nóng)學(xué)通報(bào), 2009, 25(4): 124–128. Wang D M, Jia Y, Cui J Z. Advances in research on effects of salt stress on plant and adaptive mechanism of the plant to salinity., 2009, 25(4): 124–128 (in Chinese with English abstract).

[25] 辛承松, 董合忠, 唐薇, 溫四民. 棉花鹽害與耐鹽性的生理和分子機(jī)理研究進(jìn)展. 棉花學(xué)報(bào), 2005, 17(5): 309–313. Xin C S, Dong H Z, Tang W, Wen S M. Physiological and molecular mechanisms of salt injury and salt tolerance in cotton., 2005, 17(5): 309–313 (in Chinese with English abstract).

[26] 李雙男, 郭慧娟, 王晶, 閔偉, 侯鎮(zhèn)安. 不同鹽堿脅迫對棉花種子萌發(fā)的影響. 種子, 2018, 37(1): 38–45. Li S N, Guo H J, Wang J, Min W, Hou Z A. Effects of different saline and alkaline stress on seed., 2018, 37(1): 38–45 (in Chinese with English abstract).

[27] 孫小芳, 鄭青松, 劉友良. NaCl脅迫對棉花種子萌發(fā)和幼苗生長的傷害. 植物資源與環(huán)境學(xué)報(bào), 2000, 9(3): 22–25. Sun X F, Zheng Q S, Liu Y L. Salinity injury to germination and growth of cotton (L.) at emergence and seedling stages., 2000, 9(3): 22–25 (in Chinese with English abstract).

[28] 王俊娟, 王德龍, 樊偉莉, 宋貴方, 王帥, 葉武威. 陸地棉萌發(fā)至三葉期不同生育階段耐鹽特性. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31: 3720–3727. Wang J J, Wang D L, Fan W L, Song G F, Wang S, Ye W W. The characters of salt-tolerance at different growth stages in cotton., 2011, 31: 3720–3727 (in Chinese with English abstract).

[29] 陳莉, 劉連濤, 馬彤彤, 江丹, 孫紅春, 張永江, 張科, 白志英,李存東. 褪黑素對鹽脅迫下棉花種子抗氧化酶活性及萌發(fā)的影響. 棉花學(xué)報(bào), 2019, 31: 438–447. Chen L, Liu L T, Ma T T, Jiang D, Sun H C, Zhang Y J, Zhang K, Bai Z Y, Li C D. Effects of melatonin on the antioxidant enzyme activities and seed germination of cotton (L.) under salt-stress conditions., 2019, 31: 438–447 (in Chinese with English abstract).

[30] Wang Q Q, Lu X K, Chen X G, Malik W A, Wang D L, Zhao L J, Wang J J, Wang S, Guo L X, Cui R F, Han M G, Rui C, Zhang Y X, Fan Y P, Chen C, Ye W W. Transcriptome analysis of upland cotton revealed novel pathways to scavenge reactive oxygen species (ROS) responding to Na2SO4tolerance., 2021, 11: 8670.

[31] Zhang L, Ma H J, Chen T T, Pen J, Yu S X, Zhao X H. Morphological and physiological responses of cotton (L.) plants to salinity., 2014, 9: e112807.

Identification and screening of salt tolerance of cotton germplasm resources at germination stage

LI Hang1,2,**, LIU Li2,**, HUANG Qian1,2, LIU Wen-Hao2, SI Ai-Jun2, KONG Xian-Hui2, WANG Xu-Wen2, ZHAO Fu-Xiang2, MEI Yong-Jun1,*, and YU Yu2,*

1College of Agriculture, Tarim University, Alar 843300, Xinjiang, China;2Cotton Research Institute, Xinjiang Academy Agricultural and Reclamation Science / Northwest Inland Region Key Laboratory of Cotton Biology and Genetic Breeding (Xinjiang), Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Shihezi 832000, Xinjiang, China

Seed germination stage is sensitive to salt. The determination of cotton seed germination under different salt concentration stress is one of the important bases for screening cotton salt-tolerant germplasm. In this study, 629 cotton germplasm resources were treated with 0 mmol L–1and 150 mmol L–1NaCl, and the salt tolerance coefficients of 6 traits such as fresh weight and germination potential were analyzed. The results showed that there were significant differences in each trait under salt stress compared with the control. Principal component analysis and membership function analysis were used to comprehensively evaluate the salt tolerance of cotton germplasm. Cluster analysis was carried out on the comprehensive evaluation value (-value), and 629 germplasm resources were divided into 5 categories according to the-value: 188 medium salt-tolerant materials, 376 salt-tolerant materials, 36 high salt-tolerant materials, 28 salt-sensitive materials, 1 high salt-sensitive material. A prediction model for salt tolerance evaluation of cotton at germination stage was established by stepwise regression analysis:= 0.277RFW + 0.29RGP + 0.189RPL + 0.387RGR-0.32 (2=0.992). Four indexes of fresh weight, hypocotyl length, germination potential, and germination rate were selected as the indexes of salt tolerance identification in cotton germination stage. In this study, a set of accurate and efficient salt tolerance identification system was established, and 4 high salt-tolerant materials and 1 high salt-sensitive material were screened, which providing the reference for the study of salt tolerance mechanism and the cultivation of new salt tolerant varieties in cotton.

cotton; germination stage; salt tolerance; comprehensive evaluation

10.3724/SP.J.1006.2024.34148

本研究由新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第三師重大科技計(jì)劃項(xiàng)目(KY2022ZD02), 新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第三師科技創(chuàng)新人才項(xiàng)目(KJ2023PT01)和棉花生物學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題(CB2022A27)資助。

This study was supported by the Major science and Technology Plan Project of the Third Division of the Xinjiang Production and Construction Corps (KY2022ZD02), the Science and Technology Innovation Talent Project of the Third Division of Xinjiang Production and Construction Corps (KJ2023PT01), and the State Key Laboratory of Cotton Biology (CB2022A27).

梅擁軍, E-mail: xnmeiyj @126.com; 余渝, E-mail: xjyuyu021@sohu.com

**同等貢獻(xiàn)(Contributed equally to this work)

李航, E-mail: 1298044524@qq.com; 劉麗, E-mail: cottonliuli@sina.com

2023-08-31;

2023-10-23;

2024-02-06.

URL: https://link.cnki.net/urlid/11.1809.S.20240204.1845.002

This is an open access article under the CC BY-NC-ND license (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/).