羅礽蘭，胡道武，王靜靜，潘兆娥，賈銀華，何守樸，王立如，龐保印，陳全家，杜雄明*

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院/ 棉花教育部工程研究中心，烏魯木齊 830052；2.中國農(nóng)業(yè)科學院棉花研究所/ 棉花生物學國家重點實驗室，河南 安陽 455000）

棉花是我國重要的經(jīng)濟作物之一，2021 年全國棉花播種面積為302.81 萬hm2，棉花總產(chǎn)量為573.1 萬t[1]。棉花的生長發(fā)育易受澇漬影響。根系是直接遭受澇漬脅迫的器官，短期的澇漬脅迫會誘導植物根系變粗壯[2]，而長時間的淹澇脅迫則會使主根變短，嚴重時甚至會發(fā)生漚根而導致植株萎蔫、死苗。澇害脅迫使土壤中缺乏氧氣，引起根系呼吸作用減弱、根系細胞死亡、細胞膜質過氧化加劇、抗氧化物酶活性降低、葉綠素降解、植株干物質的積累與轉運受到抑制[3]。研究表明棉花生長發(fā)育期間遭遇階段性的淹水后產(chǎn)量損失可達40%[4]，持續(xù)淹水會引起棉花減產(chǎn)甚至絕收。培育耐澇性棉花品種是應對澇害脅迫最為經(jīng)濟有效的方法，因此篩選和鑒定耐澇性棉花種質資源尤為重要。

植物耐澇性的鑒定方法主要有田間直接鑒定法[5]、盆栽模擬淹水法[6]、人工模擬氣候箱法[7]、高通量表型平臺法[8]等。田間直接鑒定法操作簡單、無需特殊設備，但是受環(huán)境因子的影響較大，往往需要多年多點的重復鑒定才能準確評價品種的耐澇性，所需時間長、工作量大[9]。盆栽模擬淹水法簡單易行，可通過調整注水量造成不同程度的澇漬脅迫，且可在環(huán)境可控的玻璃溫室或人工氣候室中進行，重復性較好，適合苗期大規(guī)模群體的耐澇性鑒定，但是長期處理下植物根系的生長發(fā)育易受抑制[10]。人工模擬氣候箱法可有效控制環(huán)境條件，耐澇性鑒定結果較為可靠且重復性較好，但需要特殊設備、能源消耗較大，且不適于大批量種質材料的鑒定[11]。高通量表型平臺法克服了傳統(tǒng)表型鑒定方法效率低、誤差大、費時費力、鑒定材料規(guī)模較小等缺點，但是技術復雜、成本較高[12]。而室內鑒定法簡便易行，周期短，受地勢、氣候等環(huán)境因素干擾也較小，適用于批量棉花種質資源材料的耐澇性鑒定。

種子萌發(fā)期的生長狀況直接影響植物后續(xù)的生長發(fā)育。目前關于棉花苗期、蕾期、花鈴期遭受澇害脅迫后的形態(tài)特征、生理生化指標變化等方面已有報道[13]，但關于棉花種子萌發(fā)期澇漬脅迫的相關研究還未見報道。2021 年7-9 月，河南省安陽市、鄭州市和新鄉(xiāng)市等地遭受了洪澇的襲擊，給當?shù)氐淖魑锷a(chǎn)帶來了較大的影響。2021 年9 月份，筆者團隊在安陽市對受澇后的棉花群體做了初步的田間調查，發(fā)現(xiàn)不同的棉花品種（系）的耐澇性有所不同，其中402 和晉棉36 等受澇害的影響相對較小，而蘇棉9 號和宛棉3 號等受澇害的影響較大。為能批量地對棉花種質資源的耐澇性進行室內鑒定，選取了晉棉36、冀豐908、宛棉3 號、TM-1、402 和蘇棉9 號這6 個陸地棉品種（系），以萌發(fā)期的出苗率、株高、主根長、葉綠素含量（SPAD 值，soil and plant analyzer development value）、幼苗鮮物質質量、幼苗干物質質量為指標，鑒定并評價其耐澇性，初步探索適用于大批量棉花種質資源材料耐澇性鑒定的方法。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選用6 個陸地棉品種（系）晉棉36、冀豐908、宛棉3 號、TM-1、蘇棉9 號和402，均由國家棉花種質中期庫（河南省安陽市）提供。

1.2 試驗方法

參照 《棉花耐漬澇性鑒定技術規(guī)程》（NY/T 3567-2020）[14]，選取顆粒飽滿、大小一致的棉花種子，用蒸餾水浸泡4 h 后，播種于裝有沙土的發(fā)芽盒中，每個發(fā)芽盒播種8 粒種子。所有發(fā)芽盒均置于人工氣候室（28 ℃，光照/ 黑暗時間為16 h/8 h，相對濕度65%）中培養(yǎng)，設置對照和淹水處理，每個材料設置3 個重復。對照處理按標準發(fā)芽試驗進行發(fā)芽；淹水處理為向塑料盆中灌水，至水面高于發(fā)芽盒中沙面1 cm 為止。每日換水以防止棉種腐爛影響試驗結果。淹水6 d 后排去多余水分并在正常環(huán)境下恢復生長8 d。于排水后的第9 天，隨機選取對照和淹水處理的植株進行性狀調查或測定。

1.3 測定指標與方法

測定對照處理組和淹水處理組中各供試材料的出苗率、株高、主根長、子葉SPAD 值、幼苗鮮物質質量和幼苗干物質質量。其中，出苗率＝（出苗數(shù)÷播種種子數(shù)）×100%。選取3 株幼苗，使用葉綠素計SPAD-502 PLUS（日本柯尼卡美能達）測定子葉的SPAD 值，每片子葉選取3 個位點進行測量。選取8～12 株棉花，采用直尺直接測量法測定其株高（從植株基部至主莖頂端的長度）和主根長。選取8～12 株棉苗，使用電子天平稱量幼苗鮮物質質量；于105 ℃烘箱中殺青20 min，然后在80 ℃下烘干至質量恒定后稱量幼苗干物質質量。幼苗鮮物質質量和干物質質量均是以單株平均值數(shù)據(jù)來表現(xiàn)的。

1.4 相關指標的計算

以陸地棉萌發(fā)期各性狀的耐澇系數(shù)來評價其耐澇性。耐澇系數(shù)＝處理組指標值÷對照組指標值×100%。

參考程建權[15]模糊數(shù)學建模的方法計算綜合指標式中：CIi表示第i個綜合指標；Eij表示第i個主成分第j個單項指標對應的特征向量；xj表示第j個單項指標值。

隸屬函數(shù)μi、綜合指標權重Wi及綜合評價隸屬函數(shù)值D參照王賀正[16]的方法計算。μi＝（Xi-Ximin）/（Ximax-Ximin），i＝1，2，…，n。式中：μi表示i綜合指標的隸屬值；Xi表示某品種（系）i綜合指標，即CIi；Ximax、Ximin分 別 表 示i綜 合 指 標 的 最 大 值 和 最小值，即CIimax和CIimin。Wi＝Pi/ΣPi。式中：Wi為第i個綜合指標在所有綜合指標中的重要程度即權重；Pi為各基因型材料第i個綜合指標的貢獻率。D＝∑（μi×Wi）。式中：D值為各基因型棉花材料在澇漬脅迫條件下根據(jù)綜合指標評價所得的耐澇性綜合評價值，可用來表示綜合耐澇能力的強弱。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2021 進行數(shù)據(jù)處理，利用SPSS 24.0 軟件進行主成分分析及聚類分析（組內聯(lián)接法）。

2 結果與分析

2.1 淹澇脅迫對不同陸地棉材料萌發(fā)期生長的影響

淹澇脅迫處理6 d 恢復8 d 后，6 個供試棉花品種（系）的出苗率、株高、主根長、子葉SPAD 值、幼苗鮮物質質量、幼苗干物質質量與對照組相比均有所下降（耐澇系數(shù)＜100%），但不同品種（系）的各單項指標的變化幅度不同，因此用不同單項指標的耐澇系數(shù)來評價各品種（系）萌發(fā)期的耐澇性，其結果可能不同（表1）。例如：若從出苗率、株高、主根長、SPAD 值以及幼苗鮮物質質量這5 個指標的耐澇系數(shù)來評價，供試材料402 的耐澇系數(shù)均較高，表明其耐澇性可能較強；而若從幼苗干物質質量的耐澇系數(shù)來看，則其耐澇性相對較弱。

表1 淹澇脅迫處理后供試棉花品種（系）各性狀及其耐澇系數(shù)的比較

2.2 棉花種子萌發(fā)期耐澇性綜合評價

2.2.1主成分分析。利用SPSS 24.0 軟件對6 個單項指標的耐澇系數(shù)進行主成分分析，前2 個主成分的貢獻率分別為71.344%和18.367%。第1 主成分得分表達式為CI1＝0.424x1＋0.445x2＋0.435x3-0.195x4＋0.466x5＋0.421x6；第2 主成分得分表達式為CI2＝-0.025x1＋0.367x2-0.129x3＋0.853x4-0.140x5＋0.320x6。在第1 主成分得分表達式中，幼苗鮮物質質量（x5）、株高（x2）、主根長（x3）、出苗率（x1）、幼苗干物質質量（x6）的特征值較大，分別為0.466、0.445、0.435、0.424 和0.421。在第2 主成分得分表達式中，SPAD 值 （x4）的特征值最大，為0.853（表2）。表明幼苗鮮物質質量、株高、主根長、出苗率、幼苗干物質質量和SPAD 值這6 個指標的方差貢獻率較大，可作為棉種耐澇性評價的依據(jù)。

表2 各指標主成分的特征向量、貢獻率及權重

2.2.2隸屬函數(shù)分析。對每個品種（系）的綜合指標、隸屬函數(shù)值和綜合評價值分別進行計算，結果見表3。供試材料的綜合評價值表現(xiàn)為402＞晉棉36＞冀豐908＞宛棉3 號＞蘇棉9 號＞TM-1。其中402 的綜合評價值最大（1.000 00），說明它是耐澇性較強的品系；其次是晉棉36，其綜合評價值為0.630 08；TM-1 的綜合評價值最?。?.059 18），說明它是耐澇性較弱的材料。

表3 供試棉花品種（系）的耐澇性綜合評價結果

2.2.3聚類分析?；诰C合評價值（D值），采用系統(tǒng)分類的組內聯(lián)接法，對各參試材料的耐澇性進行聚類分析（圖1）。結果表明：當歐式距離為10 時，6個參試材料可分為2 大類。第1 類（C1）包括晉棉36 和402，可視為高耐澇品種（系）；第2 類（C2）包含蘇棉9 號、TM-1、宛棉3 號以及冀豐908，可視為低耐澇品種（系）。

圖1 6 個供試陸地棉品種（系）基于耐澇性的聚類分析

3 討論與結論

在外界環(huán)境脅迫下，植物會啟動一些應激反應以緩解自身所受損傷，從而導致農(nóng)藝性狀發(fā)生不同程度的改變。本研究發(fā)現(xiàn)，淹澇脅迫下6 個陸地棉品種（系）的出苗率、株高、主根長、子葉SPAD 值、幼苗干物質質量、幼苗鮮物質質量與對照組相比均有所下降，這與已報道的研究結果類似，但本研究中不同品種（系）的各單項指標的變化幅度不盡相同。蔡艾君[17]對729 份棉花材料苗期的耐濕性進行鑒定，篩選出28 份死苗率為0 的高耐濕材料。羅振等[18]指出，在苗期棉花受到澇漬脅迫后，植株干物質質量和葉片凈光合速率逐漸降低，葉片的葉綠素含量也降低。梁哲軍等[19]指出苗期遭遇濕害會顯著降低棉花的株高和葉片光合速率。棉花的產(chǎn)量、纖維品質、抗逆性等農(nóng)藝性狀是由多基因控制的復雜性狀[20]。其中耐澇性通過多個性狀表現(xiàn)出來，是較為復雜的綜合性狀。因此，要準確鑒定棉花材料的抗性，應根據(jù)多個指標進行綜合分析，不能僅根據(jù)某個單一生理生化指標進行判定。

主成分分析是數(shù)據(jù)降維的一種方法，采用主成分分析既能減少變量的個數(shù)，又能體現(xiàn)變量間的內在聯(lián)系[21-22]。陳杰等[23]采用主成分分析法對西瓜砧木幼苗的株高、莖粗、根長、地上部鮮物質質量、根系鮮物質質量、地上部干物質質量、根系干物質質量、葉綠素含量等12 個性狀指標進行了分析，發(fā)現(xiàn)以根長、地上部干物質質量、根系干物質質量、葉綠素含量和光合速率作為耐澇性鑒定的綜合指標評價效果較好。本研究對萌發(fā)期澇漬脅迫下6 個棉花品種（系）的6 個單項指標進行主成分分析，結果表明前2 個主成分的累計方差貢獻率為89.71%，其中主成分1 的方差貢獻率為71.34%；幼苗鮮物質質量、株高、主根長、出苗率、幼苗干物質質量和SPAD 值可作為萌發(fā)期棉花耐澇性的鑒定指標。

隸屬函數(shù)分析是在多指標測定基礎上對材料的特性進行綜合評價的途徑之一[24]。劉小玲等[25]利用鈴重、干物質質量等為指標，通過隸屬函數(shù)值的比較，從9 個棉花品種中篩選出2 個耐澇品種。本研究通過隸屬函數(shù)法計算棉種萌發(fā)期6 個指標的綜合得分，進行隸屬函數(shù)值的比較，發(fā)現(xiàn)棉花品系402 的耐澇性最強，而TM-1 的耐澇性最差。

聚類分析被視為是一種無管理模式的識別方法，可對相同或相似的一類數(shù)據(jù)進行劃分[26]。佳秋等[27]以葉綠素、可溶性蛋白和可溶性糖的含量以及多種酶的活性等為指標，通過主成分分析及聚類分析，基于耐澇性強弱將10 個辣椒品種（系）分成了3 大類，并從中篩選出了1 個最耐澇的辣椒品種。本研究通過聚類分析將6 個參試棉花材料分為2大類：第1 類（C1）包括晉棉36 和402，可視為高耐澇品種（系）；第2 類（C2）包含蘇棉9 號、TM-1、宛棉3 號以及冀豐908，可視為低耐澇品種。本研究的耐澇性鑒定評價結果與2021 年7 月份河南省安陽市棉田受淹澇脅迫后供試材料的性狀表現(xiàn)相一致。

迄今為止，關于棉花萌發(fā)期的耐澇性研究鮮有報道。本研究基于《棉花耐漬澇性鑒定技術規(guī)程》，并在此基礎上加入了株高、主根長、子葉SPAD 值、幼苗鮮物質質量和幼苗干物質質量這5 個指標進行綜合分析，最后根據(jù)綜合得分進行聚類分析以評價棉種的相對耐澇性。本研究的方法具有簡便易行的優(yōu)點，適于大批量棉花種質資源的耐澇性鑒定。但本研究因選擇的材料較少且測定指標較少，僅僅是批量種質資源耐澇性鑒定方法的前期探索。后續(xù)，將根據(jù)本研究的方法繼續(xù)對大批量棉花種質資源的耐澇性進行鑒定和評價，并對篩選出的部分耐澇性強（弱）的代表材料進行相關生理生化指標（如光合作用、根系活力、過氧化物酶活性等）的測定[28-29]。