黄淮棉区棉花品种种子萌发期低温耐受性评价

高利英 ，邓永胜 ，韩宗福 ，孔凡金 ，申贵芳 ，李汝忠 *，尹燕枰

（1.山东棉花研究中心/农业部黄淮海棉花遗传改良与栽培生理重点实验室，济南250100；2.山东农业大学农学院/作物生物学国家重点实验室/山东省作物生物学重点实验室，山东泰安271018）

自新中国成立至21世纪的头10余年间，黄淮棉区一直是我国第一大产棉区[1]。该区在20世纪90年代中期之前，先后进行过6次棉花品种大更换[2]。20世纪90年代中后期，引进推广美国转基因抗虫棉，随后迅速被国产抗虫棉品种取代[3]，又进行了2次棉花品种大更换。每次品种更换都使该区棉花产量得到不同程度的提高，棉花品种改良在该区棉花生产中发挥了重要的作用。关于新中国成立以来我国黄淮棉区棉花品种改良的成效，前人已做过一些研究报道[4-5]，但就某一重要性状进行系统研究评价却未见报道。近年来，随着经济快速发展，该区农业劳动力成本大幅上升，棉花生产改精耕细作的传统种植方式为轻简化种植已势在必行。精量播种，省去间苗、定苗环节，是棉花轻简化种植的重要内容之一[6-7]，这对棉种质量提出了更高的要求。一播全苗、苗匀苗壮，是实现棉花高产、稳产的重要基础。黄淮棉区棉花的适宜播期一般在4月中上旬，此期气温波动较大，如遇“倒春寒”常使棉花出土时间长、出苗不齐、苗弱多病。因而，提高棉种萌发期低温耐受性，对实现精量播种条件下的一播全苗具有重要的意义和作用。前人关于棉花低温冷害研究报道大多集中在幼苗期[8-10]，少数对种子萌发期低温冷害的研究是以新疆棉花品种为主[11-12]。高巧丽等[13]对棉属D基因组5个野生种萌发期低温评价表明，随着温度降低，5个品种的发芽指标均呈降低趋势。闫强等[14]对17个主栽棉花品种（系）低温萌发试验证实，低温对种子萌发与幼苗生长势具有抑制作用，且品种（系）间具有较大的差异。

本文通过对黄淮棉区不同时期种植的38个代表性棉花品种在不同低温胁迫下萌发指标的研究，综合评价其在萌发期对低温胁迫的耐受能力，以期为选育耐低温萌发的棉花新品种提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选择新中国成立以来黄淮棉区不同时期代表性棉花品种38个（表1，这38个品种均是曾在生产上大面积推广应用或有重要影响的品种。系谱信息见本文在《棉花学报》网站的电子资源附表1）。其中：1～13为新中国成立初期从国外引进的品种以及从中经系统选择育成的品种；14～32主要是以1～13等材料为亲本，经有性杂交育成的品种；34～38为国产转基因抗虫棉品种。试验材料主要来源于国家棉花种质资源库，其余从育种家征集。参试品种在山东棉花研究中心试验站（山东临清）与海南基地（海南三亚南滨农场）连续2代自交提纯、恢复活力。2015年在临清试验站集中种植，选收棉株中部内围棉铃籽棉，轧花脱绒后选择颗粒饱满、无损伤种子作为本次试验用种。

1.2 种子萌发试验

种子萌发试验采用砂培法。将棉种均匀整齐地摆放于预先置好的发芽盒内砂床上，然后加盖相同质量的湿砂。每个发芽盒摆放1个品种的50粒种子，3次重复，将发芽盒置于光照培养箱培养。设置3个胁迫温度：18℃、15℃与12℃，以25℃为对照（CK），连续处理12 d。从种子置床后第4天起每天记录种子出苗情况，第12天洗苗后经105℃杀青30 min，80℃烘干至质量恒定，称量全苗干物质质量。25℃和18℃温度下萌发试验中，苗高达4cm及以上视为正常发芽[15]；15℃和12℃低温萌发试验中，以芽长超过0.5 cm、颜色为白色、无腐烂的芽为正常发芽[11]。

1.3 测定指标与计算方法

洗苗后称取全苗干物质质量（g），并计算单苗干物质质量、发芽率（Germination rate，GR）、发芽指数 （Germination index，GI）以及活力指数（Vigor index，VI）。各个指标的计算公式参照高荣岐等[15]的方法。GR（%）＝（G/N）×100%；GI＝ ∑（Gt/Dt）；VI＝GI×S。式中：G为正常发芽种子数，N为种子总数；Gt为t日内发芽的种子数；Dt为Gt相对应的种子出苗经历的时间 （d）；S为单苗平均干物质质量（g）。

1.4 统计分析

1.4.1抗逆系数。采用仪小梅等[16]的方法计算各品种的耐低温萌发指标抗逆系数（Adversity resistance coefficient，AC）。AC=DH/CK×100%。式中：CK为对照测定值，DH为胁迫处理测定值。

1.4.2低温萌发指标模糊隶属函数值。低温萌发指标模糊隶属函数值计算参照孟庆立等[17]的方法。μ（xj）＝（xj－xjmin）/（xjmax－xjmin）（j＝1，2，...，n）。式中：μ（xj）为第j个低温萌发指标抗逆系数的模糊隶属函数值，xj为第j个低温萌发指标的抗逆系数；xjmax为第j个低温萌发指标抗逆系数的最大值；xjmin为第j个低温萌发指标抗逆系数的最小值。

1.4.3各品种综合耐低温萌发能力的评价。参照王兰芬等[18]的方法，以该品种测定指标的平均隶属函数值为耐低温萌发能力的评价值，该值越大，表明该材料的耐低温萌发能力越强。

1.5 数据处理及分析

采用SPSS 22.0分析软件对数据进行方差分析以及聚类分析。发芽率经反正弦转换后做方差分析。聚类分析采用欧式距离平方法。

表1 参试品种的编号与名称Table 1 The numbers and names of the tested varieties

2 结果与分析

2.1 不同低温胁迫下不同品种萌发特性的差异

在不同低温胁迫条件下，随着温度降低，各品种的发芽率、发芽指数和活力指数均呈下降趋势，不同品种的下降幅度存在显著差异（表2）。在对照温度（25℃）条件下，鲁棉6号、高密933发芽率最高，均达到100%；斯字棉2B的发芽率最低，为90.00%。随着温度降低，鲁棉6号、高密933高发芽率的优势逐渐减弱；鲁棉研37号发芽率受影响最小，分别为97.33% （25℃）、96.00%（18 ℃）、84.67% （15 ℃）、69.33% （12 ℃）；斯字棉2B在各处理温度下的发芽率均较低，分别为90.00%（25 ℃）、73.33%（18 ℃）、40.67%（15 ℃）、0.00%（12℃）。在发芽指数方面，在25℃处理下，以鲁棉研37号最高，为13.14；在18℃和15℃低温胁迫条件下，鲁棉研37号排名虽有下降，但在12℃低温胁迫条件下又上升为第1位。从活力指数来看，在对照温度（25℃）下，鲁棉研36号和鲁棉研37号2个品种活力指数高，分别为1.12和1.05。在12℃条件下，鲁棉研37号、鲁棉研36号的活力指数分别为0.13和0.12，同样表现出较强优势；斯字棉5A、斯字棉2B等品种活力指数为0，均未萌发。

表2 各品种萌发指标及显著性分析Table 2 Germination indexes and significance analysis of 38 varieties

2.2 不同低温胁迫下各品种耐低温萌发特性抗逆系数的差异

与对照相比，几乎所有品种的各萌发指标在不同低温胁迫下均呈下降趋势（表3），但下降程度有较大差异。从发芽率抗逆系数看，鲁棉研37号在不同胁迫温度下的抗逆系数分别为98.6%（18 ℃）、87.0%（15 ℃）、71.2%（12 ℃），均属于高值组，说明鲁棉研37号在发芽率指标方面具有较强的耐低温优势。定陶621在18℃条件下发芽率抗逆系数为66.2%，为最低，15℃条件下，发芽率抗逆系数又有所上升，为73.6%，但是12℃条件下，发芽率抗逆系数仅为9.5%，说明该品种在一定温度范围内抗低温能力较强。在15℃条件下，鲁棉2号发芽率抗逆系数最小，为22.4%。在12℃条件下，斯字棉2B、斯字棉5A、中棉所17、鲁棉4号、滨棉1号等7个品种均未发芽。在18℃与15℃条件下，鲁棉研37号发芽指数抗逆系数分别45.1%与32.3%，在参试品种间属中等偏上；而活力指数抗逆系数分别为25.7%和18.1%，在参试品种间偏下位。而在12℃条件下，鲁棉研37号发芽指数抗逆系数为22.0%，居第1位；活力指数抗逆系数为12.4%，仍为第1位，表明鲁棉研37号具有较强的抗低温能力。在18℃下，定陶621发芽指数抗逆系数为29.7%；活力指数抗逆系数为17.9%，为最低。在15℃下，鲁棉2号发芽指数抗逆系数和活力指数抗逆系数均最低，分别为9.2%和8.7%。12℃下，斯字棉2B、斯字棉5A、中棉所2、中棉所 17、中棉所35、鲁棉 4号、滨棉1号的发芽指数抗逆系数均为0；其活力指数抗逆系数也为0。

表3 各品种耐低温萌发指标的抗逆系数（AC）Table 3 Adversity resistance coefficient（AC）to low temperature germination of varieties

2.3 不同品种种子萌发期耐低温综合评价及聚类分析

各品种耐低温萌发能力评价值列入表4。以鲁棉研37号的评价值最大，为0.879 1；鲁棉研36号的评价值位居第二，为0.782 4，说明这2个品种耐低温萌发能力较强。早期引进的斯字棉5A、斯字棉2B等品种的评价值较低，表明该类品种种子萌发时低温耐受性较差。而近期育成的5个转基因抗虫棉品种排位比较靠前，其中有2个居前2位，2个分别排在第9位与第19位，只有1个排位较靠后，位于第37位。

为了综合评价不同品种耐低温萌发的抗逆能力，根据各品种的低温评价值进行聚类分析，将38个棉花品种分为3类（图1）。聚入第一类的品种只有鲁棉研37号和鲁棉研36号，为高抗品种。聚入第二类的有34个品种，分为4个亚类。第一亚类包括中棉所13、中棉所16、鲁棉5号、86-1等共10个品种，为抗性品种，在种子萌发时具有较强的抗低温能力。第二亚类的品种有中棉所 17、中棉所 12、鲁棉 9号、中棉所 35等共 10个，为中抗性品种。第三亚类的品种有临清1526、鲁棉4号、高密933、鲁棉研12号等共9个，为不抗品种。第四亚类的品种有鲁棉2号、中棉所2、80-9等5个，为低温敏感品种。聚入第三类的仅有2个品种，为鲁棉研28号、斯字棉2B，为低温极敏感品种。

表4 各品种的耐低温萌发评价值及排序Table 4 Comprehensive measurement and ranking of varieties

3 讨论与结论

温度是影响种子萌发的关键因素之一[19]。研究表明，棉花种子萌发的最适温度为28℃左右，而最低温度为10.5～12℃[20-21]。在10℃以下，棉花种子不萌发[11]。25℃是种子萌发最适温度的下限，在许多耐低温冷害的研究报道中，此温度大多作为对照温度[11,22-23]。本研究表明，在25℃条件下，不同时期育成的棉花品种发芽率虽有差异，但均在90%以上。随着温度降低，所有棉花品种的发芽率、发芽指数、活力指数均呈下降趋势，下降幅度存在显著差异。不同品种，尤其是不同时期育成品种的种子萌发期低温耐受能力大不相同。

棉花品种种子萌发期低温耐受性是品种的优良特性，是重要的遗传性状。种子低温萌发能力评价值聚类分析结果，反映了不同时期品种对低温耐受性强弱的变化趋势。黄淮地区近期育成棉花品种的耐低温萌发能力评价值较高，聚类分析大多归于第一类以及第二类的前2个亚类，种子萌发期抵御低温胁迫能力较强，而早期引进品种以及从早期引进品种内系统选育的品种则耐低温萌发能力评价值较低，聚类分析多归于第二类的后2个亚类以及第三类，其在应对低温胁迫时，明显弱于近期杂交选育的新品种，尤以早期引进的斯字棉与岱字棉品种抵御低温胁迫的能力最弱。根据模糊隶属函数评价结果，鲁棉研37号、36号为强耐低温萌发品种，斯字棉5A、斯字棉2B等品种为低温敏感品种。这一结果还说明，在漫长的棉花品种改良过程中，在对棉花品种综合性状改良的同时，种子萌发期低温耐受性也得到了显著提高。今后棉花育种应针对性地加强对种子萌发期低温耐受性状选择。

种子萌发期低温耐受性是品种多种抗逆性状的综合表现，利用单一指标评价具有片面性，不能全面反映其抗逆能力，模糊隶属函数法是鉴定抗逆性的1种有效科学的统计方法，在多种作物的抗逆性评价上得到了广泛的应用[18,24-26]。根据模糊隶属函数评价结果，鲁棉研37号、36号为强耐低温萌发的品种，斯字棉5A、斯字棉2B为不耐低温萌发的品种。