陆地棉光合和生理生化指标的耐盐性鉴定

刘 娜,曲延英, 高文伟, 黄雅婕,杨 涛,张 茹, 安秋双

(新疆农业大学农学院，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】棉花的生产在很大程度上受到环境恶化的制约。土壤盐渍化越来越严重，造成了新疆耕地逐渐退化，土地大面积的荒漠化，给当地的生态环境与农业生产带来严重的不良影响[1]。目前正致力于利用传统和现代育种方法开发新品种，以提高盐条件下的棉花产量和耐受性。建立系统全面的耐盐性鉴定方法是棉花耐盐育种的关键问题。【前人研究进展】关于棉花资源的鉴定评价的研究已经在我国广泛开展，同时也有不少关于棉花耐盐性鉴定方法及评价指标的研究[2-4]。王俊娟等[5]在研究不同耐盐性的棉花时，选择的耐盐性鉴定指标是芽质量与芽长度；孙小芳等[6]选择的耐盐鉴定指标包括了相对叶面积，苗期相对株高，以及相对出苗率；沈法富等[7]采选择的耐盐鉴定指标包括了叶片鲜质量减少的百分数与棉花叶片总面积。【本研究切入点】由于室内研究环境有异于田间环境，而前人大多研究苗期[6]或萌发期[3]的室内研究，少有报道自然盐碱条件下的耐盐性指标鉴定。研究自然盐胁迫对陆地棉生理及产量的影响。【拟解决的关键问题】采用直接鉴定法(产量比较法)对参试资源在盐碱作用下光合和生理的综合评价，筛选出耐盐资源。研究棉花对盐胁迫的生理响应和适应性机制,通过整合花铃期光合及生理耐盐性状进行综合评价，选择一些先进的耐盐品种，为耐盐性改良育种提供优良种质。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验中所选的材料为28份陆地棉品种，分别为：D1525，TM-1，百棉1号，岱字棉16，鄂荆1号，鄂抗棉10号，鄂棉14，鄂棉17号，邯5 158，邯郸885，冀1 516，冀91-93，冀棉20，冀棉24(石远321)，军棉1号，辽棉17号，辽棉19号，鲁棉21，鲁棉6号，棉乡69，山西引进W1，泗棉2号，苏7036(7-15)，湘棉10号，湘棉16号，新陆早26号，新陆早7号，中R014121。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验于2018年在塔城沙湾新疆农业大学实验基地进行。该试验田从地理位置分布来看，其处于N 43°20′～45°20′，E 84°45′～86°40′，这里的平均海拔在300 ～500 m，所属的气候类型为温带大陆性气候，年平均气温在7.5～8.2℃，年日照小时数在2 318～2 732 h，全年无霜期时间在147～191 d，每年的降雨量大约在125～207.7 mm，年蒸发量约在1 000～1 500 mm，北部地区中一年降水最多的月份为7月，然后是5月和6月，最少的是4月，在这段时间的平均降雨量水平大约在13 ～20 mm；但是南部地区降雨量最多的月份是在4月，然后才是5与7月，降雨量最小的是6月，这段时间的平均降水量约在21.7～27.6 mm。这里全年拥有的无霜期相对是长的，气候条件适宜棉花种植。

试验选地为试验田排碱渠附近(自然盐碱地)，试验设计为2个处理、2个重复，其中盐含量是根据各区组五点采样法取40 cm处的土样，测得处理1(盐胁迫)总含盐量为19 g/kg,处理2(对照)总含盐量为4 g/kg。具体的种植方式为，每膜种植六行，宽度在20～25 cm，长度在50～60 cm，对每份材料的点播方式采取的是"1 米1行"方式，每膜上种植6份材料，株距约等于10 cm，在一个膜两个不同材料之间隔离走道宽度为50 cm。灌溉、施肥方法采用膜下滴灌-施肥技术。

1.2.2 测定指标

在花铃期采用便携式光合测定系统(CIRAS-3，汉莎，英国)测定棉花光合作用，为消除人工气候室内光源对光合作用的影响，试验测定光合作用时，光源由仪器提供，光强为 1 100 μmol/(m2·s)。10:30～12:30此段时间为当地测量最佳时间，避免光合午休现象，进行光合测量，并摘取幼叶(均已测定到三叶为准)，液氮速冻用于生理指标的测定。吐絮期调查棉花始节位、单株铃数、有效果枝数等农艺性状，收获后测定棉花单株产量和衣分等指标。通过硫代巴比妥酸法测定丙二醛含量，用考马斯蓝染色法测定可溶性蛋白质含量;超氧化物歧化酶(SOD)测定采用氯化硝基四氮唑蓝(NBT)比色法;选用愈创木酚法测定过氧化物酶(POD)活性[8-10]。

1.3 数据处理

按公式(1)和(2)分别计算单项耐盐系数(DC)及综合耐盐系数(CDC)，在该式中，Xi和 CKi分别代表盐胁迫和对照处理的测量值。

(1)

(2)

按照公式(3)计算棉花的耐盐指数(Y)。在该式中，盐胁迫组中每个品种的单株产量用Yd表示; 对照组中每品种的单株产量用Yw表示; 组中所有品种的单株平均产量用Ymw表示。

Y=Yd2/YwYmw

(3)

根据公式(4)计算每个综合指标的加权因子ωi，其中Pi表示第i个复合指数的贡献率;使用公式(5)获得每个综合指数的隶属函数值μ(xi)，其中xi表示第i个复合指数。ximin、ximax分别表示第i个综合指标的最大值和最小值。根据公式(6)，结合公式(4)和(5)计算出耐盐性度量值D。

(4)

(5)

=1,2,3,…,n

(6)

2 结果与分析

2.1 盐胁迫对棉花生理指标的影响

盐胁迫处理下品种的棉花叶片中可溶性蛋白、SOD含量的平均值和极值均低于对照，可溶性糖、MDA含量大于对照，POD活性略高于对照。从标准差值来看，盐胁迫下除了可溶性蛋白含量的标准差小于对照，其余指标均大于对照。盐胁迫下可溶性蛋白含量材料间变化幅度小，其他指标变化幅度大。表1

表1 盐胁迫下棉花生理指标变化

Table 1 Effects of salt stress on physiological indexes of cotton

指标Index盐胁迫Salt stress对照Control均值Mean标准差Standard deviation极小值Min极大值Max均值Mean标准差Standard deviation极小值Min极大值Max可溶性蛋白Soluble protein3.47 0.71 1.83 5.85 4.96 2.71 2.67 15.50 可溶性糖Soluble sugar39.59 5.77 28.55 51.50 35.72 5.65 21.23 47.13 SOD4.12 1.02 2.21 6.15 4.39 0.90 2.24 6.03 MDA244.03 80.00 103.90 416.14 191.68 69.53 97.46 349.63 POD0.35 0.12 0.13 0.69 0.32 0.08 0.16 0.49

2.2 盐胁迫对棉花光合指标的影响

研究表明，花铃期棉花各品种蒸腾速率(E)、气孔导度(Gs)、光合速率(A)、和胞内 CO2浓度(Ci)均在盐胁迫下低于对照。从标准差值来看，对照组的标准差均大于盐胁迫下。表2

表2 盐胁迫下棉花光合指标变化

Table 2 Effects of salt stress on photosynthesis index of cotton

指标Index盐胁迫Salt stress对照Control均值Mean标准差Standard deviation极小值Min极大值Max均值Mean标准差Standard deviation极小值Min极大值MaxA21.94 3.57 14.80 33.60 24.00 3.82 15.60 36.50 E5.22 0.85 3.40 7.85 5.35 1.07 3.35 7.85 Ci177.71 37.40 91.00 264.00 187.65 53.33 89.50 506.50 Gs250.43 51.85 145.00 365.00 272.38 80.35 108.00 460.00

2.3 棉花产量与各指标间的相关性

将各品种在盐胁迫下收获的单株产量与各生育期的指标进行相关性分析，单株产量与净光合速率呈显著正相关，相关系数为0.447；与E呈极显著正相关，相关系数为0.521；与胞间二氧化碳浓度为显著正相关，相关系数为0.364；与Gs呈极显著正相关，相关系数为0.516；与POD活性呈显著正相关，相关系数为0.508；与MDA 含量呈显著负相关，相关系数为-0.372。表3

2.4 主成分分析

计算Kaiser-Mayer-Olkin(KMO)指数并进行Bartlett测试以分析原始数据集是否适合于因子分析。KMO值为0.627(> 0.5)，Bartlett检验值为(χ2= 1 052.464>χ20.01,45= 69.957，Sig.0.000<0.05)，表明原始数据适用于因子分析。

基于累积贡献率超过80%的规则，获得了占总方差的82.71%的五因子解。因子1代表产量因子，包括与产量显著正相关的4个光合指标等，因子2-4被称为生理因子，包括POD活性等生理指标。因子5代表胞间二氧化碳浓度因子。因子分析的结果与相关性分析一致。

表3 棉花产量与各指标间相关性

Table 3 Correlation analysis between cotton yield and various indicators

指标Index籽棉Seed cotton皮棉Lint cotton单产Yield per plantAECiGs可溶性蛋白Soluble protein可溶性糖Soluble sugarSODMDAPOD籽棉Seed cotton1皮棉Lint cotton0.948∗∗1单产Yield per plan0.795∗∗0.780∗∗1A0.2840.2350.447∗1E0.433∗0.446∗0.521∗∗0.496∗∗1Ci0.3080.388∗0.364∗0.2380.487∗∗1Gs0.481∗∗0.553∗∗0.516∗∗0.535∗∗0.701∗∗0.679∗∗1可溶性蛋白Soluble protein0.1060.0930.2000.2080.105-0.0840.1151可溶性糖Soluble sugar0.409∗0.379∗0.3250.529∗∗0.567∗∗0.1000.417∗0.1141SOD0.2420.1510.0830.1290.1250.0040.0860.0230.1511MDA-0.496∗∗-0.423∗-0.372∗0.189-0.407∗0.1970.2670.0750.226-0.442∗1POD03340.224.0508∗∗0.1520.1370.1330.2260.408∗-0.0620.286-0.366∗1

注:*.在 0.05 水平(双侧)上显著相关。**.在 0.01 水平(双侧)上显著相关

Note:*.Significantly correlated at the 0.05 level (both sides).**.Significantly correlated at 0.01 level (both sides)

表4 因子载荷

Table 4 Factor load

指标 Index成份 IngredientsF1F2F3F4F5籽棉Seed cotton0.170.13-0.25-0.01-0.35皮棉Lint cotton0.170.05-0.30-0.08-0.34单产Yield per plan0.170.10-0.08-0.23-0.20A0.12-0.170.420.080.02E0.16-0.210.120.100.16Ci0.11-0.23-0.24-0.210.53Gs0.16-0.220.03-0.120.28可溶性蛋白Soluble protein0.050.240.53-0.34-0.07可溶性糖Soluble sugar0.12-0.210.290.33-0.35SOD0.060.300.030.560.29MDA0.120.25-0.100.340.18POD0.090.410.13-0.270.29合计Total4.891.601.251.171.02方差的 (%)Variance40.7213.3510.439.748.47累积 (%)Accumulation40.7254.0764.5074.2482.71总得分公式D=0.49F1+0.16F2+0.13F3+0.12F4+0.1F5

2.5 品种综合评价

根据公式计算不同棉花品的综合评价，并选用ward法对D值进行聚类分析，可将28个棉花品种划分为4类：8个品种为先进的耐盐植物(D值范围为0.9～1.07)，10个品种具有高等耐盐性(D值范围为0.78～0.87)，6个品种具有中等耐盐性(D值范围为0.7～0.76)，4个品种低等耐盐性(D值范围为0.56～0.66)。图1

图1 聚类分析

Fig.1 Cluster analysis

3 讨 论

3.1 盐胁迫对各指标的影响

试验中，在盐胁迫下光合指标均小于对照。光合作用是棉花干物质积攒和产量构成的基础[11-13]。盐胁迫下，土壤中的盐分进入植物细胞中，阻止了叶绿素的合成[14]，同时加速了叶绿素分解,最终导致净光合速率下降，这与前人研究一致[15-20]。在盐胁迫下棉花叶片中可溶性蛋白、SOD活性的平均值和极值均低于对照，可溶性糖、MDA含量大于对照，盐胁迫发生时，细胞内会产生大量的活性氧,它破坏了植物的渗透压和离子平衡，导致体内代谢紊乱，引起活性氧的积累，从而导致自由基损伤，这与前人研究结果一致[21]，但是，POD活性低于对照，这与本试验结果存在差异，试验POD活性略高于对照。可能是由于试验所采取的材料是耐盐品种，存在差异。

3.2 盐胁迫下各指标间的相关性

盐胁迫是影响新疆棉花生长发育的主要压力，产量及其构成因素是反映盐胁迫对棉花影响的直接指标。盐胁迫促进了细胞内自由基的代谢产生了大量的活性氧，当其积累量超出伤害阈值时，会引起细胞膜脂过氧化反应而产生丙二醛 (MDA),然后导致叶绿素降解和光合酶活性下降，影响植株光合能力[22- 23]；POD活性是植物中抗氧化系统的组分，其具有抵抗组织细胞中膜过氧化的作用。试验将盐胁迫下棉花产量和其他耐盐性指标做相关性分析，单株产量与A、E、Ci、气孔导度、与POD活性呈显著正相关，与MDA 含量呈显著负相关。由此可知，盐胁迫下光合作用和POD活性越高，棉花品种越具有耐盐性；而MDA含量越低耐盐性越高。

4 结 论

采用主成分分析法(PCA)进行分析，能够简化问题，减少分析的变量数量，进一步简化对多变量问题的分析。采用适当的变换后，将几个具有代表性的综合指标得到，以此来对对象的基本特征展开客观的描述，也就是耐盐综合指标。主成分分析将12项指标归类为5大因子，因子1代表产量因子，包括与产量显著正相关的4个光合指标等，因子2-4被称为生理因子，包括POD活性等生理指标。因子5代表胞间二氧化碳浓度因子。

棉花耐盐性是多基因控制的数量性状，耐盐育种难度较大且评价指标尚不统一，基于产量比较法将花铃期的光合指标和生理生化指标用主成分分析与隶属函数法建立为综合耐盐系指D值，将28份耐盐陆地棉材料所测指标数值按照本研究方法求得D值，而后用聚类分析将材料分为四类，分别为高耐盐材料，中耐盐材料，低耐盐材料和先进耐盐材料。