王培培， 姬俊華， 付軍亮， 李雪林， 張富厚， 孟超敏*， 劉逢舉

(1.河南科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，河南 洛陽 471003； 2.洛陽理工學(xué)院 環(huán)境工程與化學(xué)系，河南 洛陽 471023； 3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 棉花研究所/棉花生物學(xué)國家重點實驗室, 河南 安陽 455000)

磷作為植物生長發(fā)育不可缺少的礦質(zhì)元素之一[1]，不僅是植物體及體內(nèi)能量載體的主要組成部分，在植物的呼吸、光合和生理生化調(diào)節(jié)過程中也發(fā)揮著重要的作用[2-3]，對作物的產(chǎn)量和品質(zhì)也有重要影響[4]，同時還是土壤肥力形成的原始啟動因子[5]。馬進(jìn)川[6]研究認(rèn)為，化肥磷素是農(nóng)田磷素輸入的主要來源。由于磷素在土壤中的移動性弱，且極易以無機(jī)態(tài)的形式被固定起來，使植物能夠吸收利用的磷素很少，從而導(dǎo)致當(dāng)季磷肥的利用率僅為10%左右，造成缺磷現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為遺傳學(xué)缺磷[7-10]。磷資源屬于不可再生資源[11]，目前全球可供開采的磷礦資源僅能維持到22世紀(jì)中葉[12]，因此篩選耐磷性品種，挖掘磷高效基因成為解決遺傳學(xué)缺磷的有效途徑之一，而合理選擇耐磷性鑒定指標(biāo)則是進(jìn)行耐磷性品種篩選和耐磷機(jī)理研究的基礎(chǔ)。

近年來，關(guān)于磷脅迫對棉花干物質(zhì)的積累、分配規(guī)律和生長發(fā)育的影響均有研究[13-15]，李衛(wèi)華等[16-17]通過對各指標(biāo)變異系數(shù)分析，篩選出相對整株干物質(zhì)、相對吸磷量、相對含磷量和相對磷吸收效率、相對磷利用效率、相對地上部干重、相對根干重、相對生物量為棉花耐磷性鑒定指標(biāo)。但由于試驗方法不同，得到的鑒定指標(biāo)也有所不同。雖然前人對棉花耐磷性指標(biāo)的篩選有一定的研究，但總體缺乏系統(tǒng)性，因此目前對棉花耐磷材料的快速判斷還存在一定的困難。為快速進(jìn)行大批量耐磷材料篩選，筆者等采用棉株先砂培后水培的磷脅迫處理方式，運(yùn)用隸屬函數(shù)、主成分分析和線性回歸對低磷脅迫下的12個棉花品種苗期耐磷性進(jìn)行綜合評價，并對生理指標(biāo)和耐磷能力的關(guān)系進(jìn)行探討，同時基于各生理指標(biāo)與耐磷性關(guān)系建立棉花苗期耐磷性數(shù)學(xué)評價模型，以期為棉花耐磷品種的選育和耐磷機(jī)理的研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為12個棉花品種(系)，分別為新陸早42號、新陸早46號、新陸早19號、中棉所21號、中棉所32號、冀航8號、錦科棉11號、GK99、邯218、冀H170、棉鄉(xiāng)雜3號和苗寶21號，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院安陽棉花研究所和新疆石河子棉花研究所提供。

1.2 試驗設(shè)計

以棉花幼苗期磷脅迫為試驗處理，設(shè)置2個磷脅迫水平，即低磷水平和適磷水平。低磷水平處理：KH2PO4濃度為0.01 mmol/L；適磷水平處理：KH2PO4濃度為 1.0 mmol/L。

1.3 試驗過程

試驗于2018年于河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院實驗室進(jìn)行。采用營養(yǎng)液水培方式，精選飽滿完整的棉種在溫開水中浸泡30 min，用去離子水浸泡過夜至露白。將細(xì)沙與蛭石的混合基質(zhì)高溫滅菌24 h，加蒸餾水充分?jǐn)嚢枋蛊浜窟_(dá)35%，播種于塑料培養(yǎng)缽常溫萌發(fā)，待其長至8 cm左右，將棉苗沖洗干凈，用海綿裹住根莖結(jié)合處移至水培盆中，每個品種每盆移栽3株棉苗，每盆移栽4個品種，各處理設(shè)3個重復(fù)，室內(nèi)放置2 d后逐步過渡至室外遮陽棚培養(yǎng)。前期用改良的1/2 Hongland營養(yǎng)液培養(yǎng)，每周更換1次營養(yǎng)液；當(dāng)大多數(shù)棉苗第4片真葉能進(jìn)行光合作用后，開始進(jìn)行磷脅迫全營養(yǎng)液處理(表1)，處理期間每5 d更換1次營養(yǎng)液，連續(xù)更換3次后收取棉苗并對其各項生理指標(biāo)進(jìn)行測定。K+的缺失用KCl補(bǔ)充，每天加入5滴30% H2O2以提供根系呼吸所需氧氣，調(diào)節(jié)pH至6.0～6.5。

表1 棉花磷脅迫試驗不同處理的Hoagland營養(yǎng)液配方

1.4 測定指標(biāo)

棉苗在磷脅迫處理15 d后開始進(jìn)行各項生理指標(biāo)測定。株高(PH)：利用刻度尺量取，由子葉節(jié)至生長點；葉面積(TFA)：利用長寬乘積法測定；植株鮮重及干重：棉苗用自來水沖洗干凈，稱取地上部鮮重(FWO)、地下部鮮重(UFW)、子葉鮮重(FWC)和真葉鮮重(FWTL)，然后將地上部和地下部分別包裝好于105℃殺青30 min，在70℃烘48 h至恒重，測定地上部干物重(DWO)和地下部干物重(UDW)；植株磷含量(PC)：利用釩鉬黃比色法測得。根據(jù)測定結(jié)果，計算以下指標(biāo)：總鮮重(TFW)=地上部鮮重(FWO)+地下部鮮重(UFW)；總干重(TDW)=地上部干物重(DWO)+地下部干物重(UDW)；根冠比(RSR)=地下部干物重(UDW)/地上部干物重(DWO)；磷積累量(PA)=總干重(RCR)×磷含量(PC)；磷利用效率(PUE)=總干重(RCR)/磷積累量 (PA)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分析，SPSS 22.0進(jìn)行主成分分析、聚類分析和線性回歸分析。根據(jù)楊春婷等[18-19]的方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行定量轉(zhuǎn)換。

1.5.1 指標(biāo)耐磷系數(shù) (PTC) 各測定指標(biāo)的耐磷系數(shù)PTC=磷脅迫測定值/適磷測定值。

1.5.2 各基因型棉花的綜合指標(biāo)F(Xj)=a1jX1j+a2jX2j+…+aijXij。i=1,2,…n,j=1,2,…n。式中，F(xiàn)(Xj)為第j個棉花品系的綜合指標(biāo)值，aij表示各單一指標(biāo)的特征值所對應(yīng)的特征向量，Xij為各單一指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化處理值。

1.5.3 各基因型棉花綜合指標(biāo)隸屬函數(shù)的計算u(Fj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)。j=1,2,…n。式中，F(xiàn)j為第j個棉花品系的綜合指標(biāo)，Xmax為第j個綜合指標(biāo)最大值，Xmin為第j個綜合指標(biāo)最小值。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花單項指標(biāo)耐磷系數(shù)及其相關(guān)性

2.1.1 耐磷系數(shù) 從表2可知，不同基因型(品系)棉花經(jīng)磷脅迫處理后，磷含量(PC)和磷積累量(PA)的耐磷系數(shù)絕大多數(shù)小于1，說明磷含量和磷積累量低磷處理總體上較適磷處理有所下降；磷利用效率(PUE)的耐磷系數(shù)絕大多數(shù)大于1，說明低磷處理的磷利用效率高于適磷處理。其余各單項指標(biāo)的耐磷系數(shù)在各品種上的變化幅度不盡相同。

表2 磷脅迫下棉花幼苗各單項生理指標(biāo)的耐磷系數(shù)

2.1.2 相關(guān)性 通過相關(guān)性分析可直觀揭示指標(biāo)間的關(guān)系及其相關(guān)關(guān)系的方向和強(qiáng)度[20]。由表3看出，棉花各指標(biāo)間均有不同程度的相關(guān)性，說明各指標(biāo)所提供的信息發(fā)生重疊。綜合其耐磷系數(shù)變化情況可知，各指標(biāo)在不同棉花品種中所起的作用也有所不同，表明棉花耐磷性是一個復(fù)雜的綜合性狀，直接對各單項指標(biāo)作出評價不能準(zhǔn)確反應(yīng)棉花的耐磷性，因此需在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步利用多元統(tǒng)計法進(jìn)行分析。

表3 磷脅迫下棉花幼苗各單項生理指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)矩陣

2.2 棉花耐磷指標(biāo)的主成分分析

主成分分析可通過各指標(biāo)間的偏相關(guān)性化繁為簡，將大量單一指標(biāo)提煉為可表述各指標(biāo)間關(guān)系的新指標(biāo)，彌補(bǔ)單項指標(biāo)耐磷性評價的不足。一般認(rèn)為，偏相關(guān)性值大于0.9時，代表該指標(biāo)在此主成分中起主要作用，當(dāng)偏相關(guān)性值大于0.7小于0.9時則認(rèn)為該指標(biāo)在此主成分中所起作用尚可，當(dāng)偏相關(guān)性值小于0.7時則認(rèn)為該指標(biāo)在此主成分中所起作用較差。主成分分析將棉花14個單項耐磷性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為4個主成分，4個主成分的貢獻(xiàn)率分別為59.344%、15.368%、8.696%和7.666%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)91.074%。4個主成分是相互獨立的綜合指標(biāo)，同時還攜帶原始指標(biāo)的大部分信息。從表4看出，第一主成分中起主作用的指標(biāo)有地上部鮮重(FWO)、地下部鮮重(UFW)、真葉鮮重(FWTL)、地上部干重(DWO)、地下部干重(UDW)、總鮮重(TFW)、葉面積(TFA)和總干重(TDW)，說明耐磷能力較好的棉花幼苗在磷脅迫下會促使自身生理生長；第二主成分中起主作用的指標(biāo)有磷含量(PC)和磷利用效率(PUE)，說明耐磷能力較好的棉花幼苗在磷脅迫下會適當(dāng)增加植株磷含量，但磷利用率卻有所降低，可能是種子攜帶磷素的原因；第三主成分中起主作用的指標(biāo)為根冠比(RSR)，說明耐磷性較強(qiáng)的品種在磷脅迫下會促使根部生長，加大根冠比以獲得更多的磷元素。第四主成分中起主作用的指標(biāo)是株高(PH)，說明耐磷性較強(qiáng)的棉花會加快幼苗植株的生長。

表4磷脅迫下棉花幼苗各指標(biāo)的成分矩陣

Table 4 Component matrix of each single physiological index of cotton seedlings under phosphorus stress

指標(biāo)Index主成分Principal component1234株高 PH 0.031 0.191 0.219 0.922 地上部鮮重 FWO 0.987 -0.056 -0.055 0.040 地下部鮮重 UFW 0.939 0.049 0.190 -0.137 子葉鮮重 FWC 0.551 0.214 -0.192 -0.316 真葉鮮重 FWTL 0.963 -0.125 -0.059 0.026 地上部干重 DWO 0.970 -0.136 -0.119 0.006 地下部干重 UDW 0.887 0.105 0.406 0.022 總鮮重 TFW 0.993 -0.037 -0.012 0.008 葉面積 TFA 0.971 -0.101 -0.058 0.028 總干重 TDW 0.980 -0.112 -0.069 0.017 根冠比 RSR -0.057 0.365 0.875 -0.275 磷含量 PC -0.075 0.936 -0.089 -0.060 磷干積累量 PA 0.766 0.563 -0.075 0.145 磷利用效率 PUE 0.064 -0.817 0.351 0.022

2.3 棉花品種耐磷性綜合評價

從表5看出，棉花耐磷性評價指標(biāo)D值最大的是新路早19號，其次是錦科棉11號，冀H170最低。D值越大，耐磷性越強(qiáng)，反之，耐磷性越弱。由此可看出，12個棉花品種耐磷性排序為新陸早19號>錦科棉11號>棉鄉(xiāng)雜3號>苗寶21>中棉所21號>新陸早46號>中棉所32號>新陸早42號>冀航8號>GK99>邯218>冀H170。

表5各基因型棉花的耐磷性評價指標(biāo)D值和排序

Table 5Dvalue and ranking of phosphorus tolerance evaluation index of tested cotton varieties with different genotypes

品種Variety (line)D值D valueD值排序Ranking of D value新路早42號 Xinluzao 42 0.356 8新路早46號 Xinluzao 46 0.420 6新路早19號 Xinluzao 19 0.868 1中棉所21號 Zhongmiansuo 21 0.453 5中棉所32號Zhongmiansuo 32 0.381 7冀航8號 Jihang 8 0.240 9錦科棉11號 Jinkemian 11 0.748 2GK99 0.217 10邯218 Han 218 0.215 11冀H170 Ji H170 0.193 12棉鄉(xiāng)雜3號 Miaxiangza 3 0.660 3苗寶21號 Miaobao 21 0.569 4

2.4 棉花品種耐磷性分類

利用系統(tǒng)聚類法對棉花耐磷評價指標(biāo)(D值)進(jìn)行聚類分析[21-22]，將12棉花品種分為4類，第一類僅有新陸早19號，屬強(qiáng)耐磷類型；第二類有苗寶21、棉鄉(xiāng)雜3號和錦科棉11號，屬中度耐磷類型；第三類有中棉所21號、新陸早46號、中棉所32號和新陸早42號，屬弱耐磷類型；第四類有翼航8號、翼H170、邯218和GK99，屬磷敏感類型(圖1)。

圖1 12個棉花品種耐磷性聚類樹狀圖

Fig.1 The dendrogram of 12 cotton varieties in phosphorus tolerance

2.5 棉花耐磷指標(biāo)回歸模型建立及鑒定指標(biāo)篩選

為分析指標(biāo)與品種耐磷性關(guān)系，篩選耐磷性指標(biāo)，建立棉花苗期耐磷性評價模型，把D值作為因變量，各指標(biāo)的耐磷系數(shù)作為自變量，進(jìn)行逐步回歸分析，建立回歸方程：D=-3.329+1.773PH-7.724FWTL+10.826TFA-2.37UDW+1.212RSR，方程決定系數(shù)R2=0.965。由方程可知，12個單項指標(biāo)內(nèi)有5個指標(biāo)對棉花幼苗的耐磷性有顯著影響，分別是株高、真葉鮮重、總?cè)~面積、地下部干重和根冠比。

3 結(jié)論與討論

磷是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，缺磷直接影響植物的形態(tài)發(fā)育和生物量[23]，因此，在低磷脅迫下植物形成一定的適應(yīng)性機(jī)制，如根系伸長、根毛增多等從而擴(kuò)大根系吸收面積，提高磷素吸收效率[24]。作物的耐磷性受眾多因素影響，苗期又是作物群體建成的關(guān)鍵時期，同時苗期篩選棉花耐磷性品種不僅時間短，而且容量大，所以苗期篩選棉花耐磷性具有重要意義。

由于該研究的磷脅迫發(fā)生在幼苗期，且持續(xù)時間較短，使種子中的磷素可能發(fā)揮一定的作用，對試驗結(jié)果可能造成一定誤差。董合林[25]研究指出，棉花磷素吸收的高峰期在花鈴期，且吸收百分率一般在60%以上，遠(yuǎn)超苗期、蕾期和吐絮期，因此今后還需對參試棉花品種各時期耐磷性進(jìn)行研究以進(jìn)一步驗證。由于試驗采用水培方法進(jìn)行，可能與田間耐磷性表現(xiàn)不完全一致。因此，準(zhǔn)確篩選磷高效品種還需田間進(jìn)一步試驗鑒定。

主成分分析將磷脅迫下棉花幼苗的14個單項指標(biāo)轉(zhuǎn)化為4個獨立的綜合指標(biāo)，并得到耐磷性綜合評價值(D值)，客觀反映了12個棉花品種苗期的耐磷性。通過聚類分析將12個棉花品種劃分成磷敏感、弱耐磷、中度耐磷和高度耐磷4個類型。高度耐磷型品種1個，即新陸早19號；中度耐磷型品種3個，分別為苗寶21、棉鄉(xiāng)雜3號和錦科棉11號；弱耐磷型品種4個，分別為中棉所21號、新陸早46號、中棉所32號和新陸早42號；磷敏感型品種4個，分別為冀航8號、冀H170、邯218和GK99。建立棉花幼苗耐磷性評價回歸模型：D=-3.329+1.773PH-7.724FWTL+10.826FDW-2.37UDW+1.212PC(R2=0.964)，篩選出影響棉花幼苗耐磷能力的5個單項指標(biāo)，分別為株高、真葉鮮重、總?cè)~面積、地下干重和根冠比。