陆地棉种质资源材料的耐热性评价及指标筛选

王 朋,郑 凯,赵杰银,高文举,龙遗磊,陈全家,曲延英

(新疆农业大学农学院/棉花教育部工程研究中心,乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】高温影响棉花纤维的产量和品质[1-3]。新疆经常周期性在6～8月出现不同程度的高温胁迫。高温胁迫会严重影响棉花花粉发育过程,并阻碍棉花生殖生长,引起棉花花铃期蕾铃脱落,产量和纤维品质下降[4-7]。采用田间和室内鉴定相结合的方法鉴定耐热种质资源,对提高棉花热胁迫的耐受性品种选择有重要意义。【前人研究进展】目前,鉴定棉花高温耐性主要有花粉离体培养、人工模拟高温和田间自然遭遇高温的方法[8]。可通过果枝着生高度、早熟性等指标直接选择,通过生理指标(如细胞膜热稳定性、叶绿素含量等)以及红外、遥感手段进行间接选择。耐性分析评价主要有单指标鉴定和多指标综合评价等方法[9]。【本研究切入点】前人鉴定方法多是单指标或者几个指标的方式衡量棉花的耐热性,采用多指标综合分析方法的研究较少,难以全面地反映不同品种的耐热性。且多为国内材料,至今尚未形成统一的棉花耐热性鉴定和评价标准。需筛选评价陆地棉种质资源材料的耐热性指标。【拟解决的关键问题】基于国内外具有代表性的24份陆地棉种质资源,其中巴基斯坦材料14份,中国材料10份。人工模拟高温条件,调查田间性状指标,采用多元统计分析方法,建立棉花耐热性综合评价指标,选取极端材料,筛选室内生理指标,为快速选育耐热性棉花品种及研究棉花耐热性机理提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

采用2018年和2020年中国新疆沙湾(https://www.tianqi.com/shawan/)和巴基斯坦费萨拉巴德(https://en.climate-data.org/asia/pakistan/punjab/faisalabad-764568/#climate-table)的气象数据,在棉花生育期内,试验地区气候条件除温度外其它并无明显的差异。其中2018年在巴基斯坦费萨拉巴德地区6～8月月平均气温均在39～41℃,属于热应激环境。

24份棉花种质资源均由新疆农业大学棉花遗传育种团队收集提供。表1

表1 不同陆地棉来源品种(系)名称

1.2 方 法

1.2.1 大田试验设计

试验于2018年和2020年的4～11月在中国新疆沙湾市新疆农业大学棉花育种试验田进行,2018年3～10月在巴基斯坦费萨拉巴德农业大学主校区试验田进行。均采用随机区组设计,每份材料采用5 m×3行种植方式,设置3个重复。在棉花吐絮成熟期,对小区中每份材料均一稳定具有代表性的5株测定株高;每个材料选择长势均一的5个植株收取中下部20朵棉铃,测量籽棉、皮棉、衣分。每份材料连续摘取下部、中部和上部各30朵铃计算单铃重。

1.2.2 室内试验设计

选择耐热极端4份棉花资源材料,选取大小均一,籽粒饱满的棉花种子,常规土壤培养。待棉花3叶1心时期,放入人工气候培养箱,温度40℃,相对湿度湿度60%,光照8 h,于胁迫0、6和12 h取真叶用液氮冰冻,并保存在-80℃冰箱中。测定叶片含水量(LWC)、丙二醛(MDA)、相对电导率、叶绿素总含量、游离脯氨酸含量(Pro)、过氧化物酶(POD)活性[10-12]。

1.3 数据处理

利用Excel2007整理数据,R-4.0.5语言进行分析和作图。耐热性综合评价D值计算[13,14]:

(1)隶属函数值u(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin);i=1,2,3,…,n;其中Xj表示第j个综合指标,Xmin和Xmax分别表示每个主成分上各性状指标得分值的最小值和最大值;

(2)Wj表示第j个主成分的权重;Pj表示提取的主成分所对应的特征值;

D值表示各陆地棉资源材料高温处理下所得的耐热性综合评价值。

2 结果与分析

2.1 24份陆地棉品种(系)性状描述

研究表明,巴基斯坦费萨拉巴德的陆地棉变异系数明显大于中国新疆沙湾的陆地棉。且巴基斯坦费萨拉巴德种植区陆地棉各性状变异系数都大于10%。2018年中国新疆沙湾试验田中来自巴基斯坦陆地棉资源材料各指标的变异系数范围是8.23%～14.22%,变异系数超过10%的性状指标包括皮棉产量(14.22%)与株高(14.24%)。来自中国的陆地棉种质资源材料各指标变异系数的范围是10.70%～33.65%,所有农艺性状的变异系数均超过10%。中国的陆地棉材料更加适应是中国的环境。

2018年在巴基斯坦费萨拉巴德试验田的24份陆地棉资源材料各农艺性状的变异系数范围是18.34%～25.08%,各指标变异系数依次为皮棉产量(25.08%)>株高(21.25%)>籽棉产量(20.09%)>单铃重(18.91%)>衣分(18.34%)。其中,来自中国陆地棉资源材料各指标的变异系数为9.92%～27.03%,变异系数最大的性状指标是单铃重(27.03%)与籽棉产量(26.96%)。所有性状的变异系数均接近20%。巴基斯坦陆地棉种质资源材料的变异系数明显大于中国陆地棉材料,巴基斯坦陆地棉材料更适宜巴基斯坦的自然环境。

2020年在中国新疆沙湾试验田24份陆地棉资源材料各性状的变异系数范围是7.78%～16.49%,各指标变异系数依次为皮棉产量(16.49%)>株高(16.05%)>衣分(11.91%)>单铃重(10.10%)>籽棉产量(7.78%)。表2

表2 24份陆地棉资源材料各性状描述

2.2 耐热性综合评价及多元逐步回归

研究表明,24份陆地棉资源材料可明显聚为3类,其中第一类为耐热材料,第二类为中间型材料,第三类为敏热材料。其中第一类巴基斯坦陆地棉材料主要包括Cyto-179和BAHAR-2017,第三类主要包括中国陆地棉材料新陆早49号、新陆中24号、中棉所35号和中棉49号。巴基斯坦陆地棉材料相比于中国陆地棉材料其耐热性更好。图1

图1 24份陆地棉资源材料的耐热性评价

以耐热性综合评价值(D)作因变量,把各单项指标2年变化率的平均值作自变量,采用逐步回归方法建立了最优回归方程:D=-0.111+0.175X2+0.470X3+1.211X4(F=71.54,R2=0.914 8,P<0.001)。5个指标中,3个指标对陆地棉耐热性有显著影响,分别是籽棉产量(X2)、单铃重(X3)和皮棉产量(X4)。籽棉产量、单铃重和皮棉产量对棉花的耐热性有影响。耐热材料Cyto-179和BAHAR-2017皮棉产量仅仅下降了30.09%和37.87%,籽棉产量和单铃重与对照相比下降也较少。敏热材料新陆早49号、新陆中24号、中棉所35号和中棉49号其籽棉产量、单铃重和皮棉产量的下降都超过70%。表3

表3 2018年和2020年24份陆地棉材料各性状变化百分率平均值

2.3 各指标变化率与综合评价D值的相关性

研究表明,籽棉产量、单铃重和皮棉产量和D值之间呈明显的正相关,且相关系数均大于0.77。籽棉产量、单铃重和皮棉产量之间也呈明显的正相关,相关系数均大于0.69。其中株高和衣分与籽棉产量、单铃重、皮棉产量和D值之间的相关系数均较小,株高和衣分与棉花的耐热性无关。图2

图2 各指标变化率与综合评价D值相关性

2.4 不同种植地区各农艺性状差异

研究表明,2018年和2020年中国新疆沙湾之间都没有显著性差异,2个重复可靠。其中株高和衣分之间在3个试验点都无显著性差异。籽棉产量、单铃重和皮棉产量,在中国新疆沙湾和巴基斯坦费萨拉巴德种植都有显著性差异,3个指标受热胁迫的显著影响。籽棉产量、单铃重和皮棉产量可以作为陆地棉田间耐热和敏热材料筛选的指标。图3

图3 不同种植地区各农艺性状差异

2.5 棉花产量、单铃重和皮棉产量的回归拟合

研究表明,在3个环境点,籽棉产量、单铃重和皮棉产量的R2均大于0.52。其中2018年中国新疆沙湾单铃重和籽棉产量的R2最高(0.93)。2018年巴基斯坦费萨拉巴德单铃重和籽棉产量的R2为0.89。虽然2020年中国新疆沙湾3个指标的R2较小,但均超过0.5,3个指标之间联系紧密,可作为陆地棉热胁迫的评价指标。图4

图4 棉花产量、单铃重和皮棉产量的回归拟合

2.6 生理指标变化趋势

研究表明,耐热材料Cyto-179和BAHAR-2017和敏热材料中棉49号和新陆中24号,在40℃胁迫的过程中,过氧化物酶、叶片含水量和叶绿素含量都呈现下降的趋势,而相对电导率、丙二醛和脯氨酸含量都呈现上升的趋势。除叶片含水量和游离脯氨酸含量外的生理指标在耐热性材料中的变化趋势明显小于敏热材料。过氧化物酶、丙二醛和叶绿素含量可作为室内筛选的指标。图5

注:*和**分别表示在 P<0.05 和 P<0.01 水平差异显著

3 讨 论

3.1高于最适温度的温度会导致小花不育,从而降低作物产量[15]。温度高于35℃时,产量会大大降低[15]。随着高温发生的频率增加,植物的耐热性评价及耐高温品种的筛选已有相关报道,在马铃薯、甜瓜、小麦、水稻和玉米等作物上用多个指标多种方法判断其耐热性[16-20]。徐如强等[21]、陈希勇等[22]用热感指数法来鉴定多个品种的耐热性,通过计算热感指数鉴定品种的耐热性,虽然简单易行,但只是用单一指标判定参试品种的耐热性,忽略了品种的耐热性受多种因素的影响。耿晓丽等[23]以细胞膜热稳定性、容重热感指数、千粒重热感指数对小麦耐热性品种进行筛选,鉴定出不同类型的耐热品种。但该方法只是用单一的分析方式比较不同品种的耐热性,缺乏多元统计分析。

3.2光照、温度和水分影响作物的产量和品质。中国新疆沙湾和巴基斯坦费萨拉巴德基本处于同一纬度,光照是相近的。2018年和2020年,中国新疆沙湾两年的降雨、灌水与施肥量基本一致,但2020年的病害稍大于2018年,2020年的籽棉产量和皮棉产量明显低于2018年。但是2年间各性状的相关系数较高且各指标并无显著性差异。虽然中国新疆沙湾和巴基斯坦费萨拉巴德降雨和田间灌溉方式不同,但供水量都能够保证棉花的正常的生长,温度是限制棉花生长的主要限制因素。

3.3吾甫尔·阿不都等[24]以60个国内陆地棉种质资源材料为基础,对其生长及产量等综合性状进行耐热性鉴定。任茂等[25]以13份陆地棉品种为材料,在花铃期模拟高温热害,筛选出散粉率、衣分、孕籽率、单铃重、成铃率等5个耐热性鉴定指标。研究基于24份陆地棉种质资源,于室内和大田同时进行耐热指标的筛选与评价。相较于棉花或者其他作物的耐热性鉴定[26-28],研究进行了不同种植环境的性状检测,完善了陆地棉耐热性评价指标体系。

3.4结果表明,巴基斯坦陆地棉种质资源材料的变异系数明显大于中国陆地棉资源材料,巴基斯坦的陆地棉资源材料可能更适宜耐热的自然环境,与材料的来源表现一致。差异分析发现籽棉产量、单铃重和皮棉产量无论是中国陆地棉材料、巴基斯坦陆地棉材料,在中国新疆沙湾和巴基斯坦费萨拉巴德种植都有显著性差异,3个指标受热胁迫的影响,且其可以作为田间耐热和敏热材料筛选的指标,且多元逐步回归分析、相关性分析与差异分析结果一致。

3.5高温胁迫下,植物细胞膜透性增加为高温胁迫的本质现象之一[26]。结果显示,相对电导率变化值较小的材料耐热性较强。可溶性糖作为主要的渗透调节物质,在试验中耐热性和相对电导率均呈极显著相关[26]。丙二醛含量的高低能反映膜脂过氧化的程度,可作为衡量植物组织抗氧化能力高低的指标[26]。脯氨酸在植物抗逆胁迫中具有防止水分散失和提高原生质体稳定性的作用。但试验中,脯氨酸含量均没有发生显著的变化,不适合作为陆地棉耐热性评价的指标。

4 结 论

24份陆地棉材料分为三类:耐热材料、中间型材料和敏热型材料。建立耐热性的评价模型:D= -0.111+0.175X2+0.470X3+1.211X4(R2=0.914 8),籽棉产量、单铃重和皮棉产量作为棉花大田耐热性评价的指标,而株高和衣分与耐热性无关。筛选出4份耐热陆地棉材料,并建立了室内耐热性评价的指标。