南京农业大学学报  2017, Vol. 40 Issue (4): 584-591   PDF    
http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201608008
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文章信息

李星星, 严青青, 王立红, 魏鑫, 张巨松
LI Xingxing, YAN Qingqing, WANG Lihong, WEI Xin, ZHANG Jusong
不同棉花品种生长特性分析及耐寒性鉴定
Growth analysis and identification of cold resistance of different varieties of cotton
南京农业大学学报, 2017, 40(4): 584-591
Journal of Nanjing Agricultural University, 2017, 40(4): 584-591.
http://dx.doi.org/10.7685/jnau.201608008

文章历史

收稿日期: 2016-08-04
不同棉花品种生长特性分析及耐寒性鉴定
李星星, 严青青, 王立红, 魏鑫, 张巨松    
新疆农业大学农学院/教育部棉花工程研究中心, 新疆 乌鲁木齐 830052
摘要[目的]研究不同棉花品种幼苗耐寒特性,为耐寒新品种选育、推广奠定基础。[方法]以新陆早45、48、50、51、57、60号6个品种为试验材料,通过盆栽试验,研究不同温度处理对不同棉花品种幼苗生长特性的影响和抗寒性鉴定。[结果]同一温度处理下新陆早50和57号的种子活力较强,发芽率较高,耐低温的能力相对于其他品种较强。低温条件下棉花幼苗株高生长受到抑制,尤其严重抑制了地下部分的生长,新陆早45、48、50、51、57、60号抑制率分别为70.75%、64.89%、69.87%、50.77%、61.78%、69.14%;随温度升高,各品种的根长密度增长率也呈现上升趋势,温度为24 ℃时比12 ℃时的根长密度分别增长了92.17%、92.69%、94.17%、89.83%、92.77%、94.61%;随温度升高,各品种根系质量均升高,24 ℃比12 ℃处理分别增长了70.70%、64.87%、69.84%、50.74%、61.77%、69.13%。低温处理下,各品种根系总长度和总表面积呈下降趋势,同时影响着棉花幼苗根系小径及总长度的生长。利用主成分分析法将棉花幼苗的7个单项指标转换成4个彼此相互独立的综合指标,计算得出综合评价D值。通过聚类分析,将6个棉花品种划分为3种类型:新陆早45、48号为不耐寒棉花品种;新陆早50、51、60号为中耐寒品种;新陆早57号为强耐寒品种。[结论]低温处理在一定程度上限制了叶片和根系对营养物质和水分的吸收,抑制了棉花幼苗的生长发育。种植新陆早57号可减少春季低温危害。
关键词棉花   低温胁迫   生长特性   根系统   主成分分析   
Growth analysis and identification of cold resistance of different varieties of cotton
LI Xingxing, YAN Qingqing, WANG Lihong, WEI Xin, ZHANG Jusong    
College of Agronomy/Research Center of Cotton Engineering, Ministry of Education, Xinjiang Agricultural University, Urumqi 830052, China
Abstract: [Objectives] The aim of the paper is to study the characteristics of cold resistance of different cotton varieties, and to lay the foundation for the selection and extension of new cold resistant varieties. [Methods] Varieties Xinluzao 45, 48, 50, 51, 57, 60 as the test materials, pot experiment was conducted to study the effects of different temperature treatments on the growth characteristics and cold resistance of different cotton varieties. [Results] Under the same temperature, Xinluzao 50 and 57, two cotton varieties, had stronger seed vigor and higher germination rate, and the ability of low temperature resistance was stronger than the other varieties. Under low temperature condition, the plant height of cotton seedling was severely inhibited, especially the growth of the underground part was suppressed, and the inhibition rate of Xinluzao 45, 48, 50, 51, 57, 60 reached 70.75%, 64.89%, 69.87%, 50.77%, 61.78% and 69.14%. With the increase of temperature, the growth rate of the root length density of each species also showed a rising trend, at 24 ℃, the root length density which increased 92.17%, 92.69%, 94.17%, 89.83%, 92.77%, 94.61% more than at 12 ℃; with the increase of temperature, the root weight of all cotton varieties increased, and at 24 ℃, the root weight density increased 70.70%, 64.87%, 69.84%, 50.74%, 61.77%, 69.13% more than at 12 ℃. Under low temperature treatment, the total root length and surface area decreased, at the same time, the total length of root diameter of cotton seedlings was affected. Principal component analysis(PCA)was used to convert the 7 individual indexes of cotton seedling into 4 independent indexes which were independent of each other, and the comprehensive evaluation of D value was calculated. Through cluster analysis, 6 cotton varieties were divided into 3 types:non-cold resistant cotton varieties, Xinluzao 45 and 48;middle cold resistant varieties, Xinluzao 50, 51, 60;strong hardy variety, Xinluzao 57. [Conclusions] This experiment showed that the low temperature treatment to a certain extent limited the absorption of nutrients and water in the leaves and roots, and severely inhibited the growth and development of cotton seedlings. The Xinluzao 57 is a high hardy variety, and the use of Xinluzao 57 variety is the effecctive measure to decrease the harm of low temperature in spring and the way.
Key words: cotton    low temperature stress    growth characteristics    root system    principal component analysis   

棉花是新疆主要栽培作物。由于新疆特定的生态气候条件, 每年都有部分棉田遭受不同程度的“倒春寒”低温和盐渍危害, 致使棉花发芽、出苗困难, 造成棉花烂种、烂芽、死苗等情况, 进而导致部分棉田重播, 严重影响着棉花生长发育和产量[1-2]

低温可使植物种子的发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数降低, 幼苗长度、侧根长度和侧根数量减少, 根系活力、出苗率降低[3]。随低温胁迫程度加强, 植物的根系干质量、根长、根表面积、根长密度、根系直径增长率均降低, 电导率均升高[4]。低温强度和持续时间都严重影响着植物的生长和发育。然而, 不同温度处理, 各品种间的生长形态变化存在着一定的差异。因此, 研究不同温度对棉花种子发芽和幼苗生长的影响并确定低温阈值, 对抵御“倒春寒”具有指导意义。本试验以新陆早45、48、50、51、57、60号6个品种为研究对象, 研究温度对棉花种子发芽特性的影响, 为生产上选育和采用耐低温棉花品种以及减少春季低温危害提供依据。

1 材料与方法 1.1 试验设计

试验在新疆农业大学教育部棉花工程研究中心棉花生理室进行。供试棉花品种是由新疆农业科学院经济作物研究所提供的新陆早45、48、50、51、57和60号, 精选饱满一致的种子, 用1 g·L-1 HgCl2消毒10 min, 蒸馏水冲洗5次, 用蒸馏水浸种24 h。将洗干净的砂子于120 ℃烘干24 h。每个发芽盒放600 g砂子, 102 mL的蒸馏水, 充分拌匀平铺发芽盒内, 每盒点播50粒种子, 温度设置为12、16、20、24 ℃, 置于培养箱中培养10 d, 每个品种每个温度3个重复, 光照强度为500 μmol·m-2·s-1, 光周期为12 h/12 h(昼/夜)。

1.2 测定项目与方法

从第1天开始记录种子发芽数直至第10天, 计算发芽率, 3次重复。用直尺测量基质表面至植株生长点高度, 即株高, 10次重复。将冲洗干净的植株用吸水纸吸干水, 用千分之一电子天平称质量, 即鲜质量; 再将植株于干燥箱中105 ℃下杀青20 min, 然后75 ℃烘干至恒质量, 即干质量, 每10株为一个重复, 3次重复。

1.2.1 根质量密度

根质量密度(DRWD)=根系干质量/土体体积, 单位为mg·dm-3[5]

1.2.2 根系形态学参数

采用根系扫描仪将完整的根系生长发育图像扫描存入计算机, 采用万深LA-S根系分析系统软件分析根系总长度、总表面积、不同径级根系长度和不同径级根尖数等形态参数, 10次重复。

1.2.3 根长密度

根长密度(RLD)=根长度/土体体积, 单位为dm·dm-3[5]

1.3 数据处理和分析

采用Excel 2010软件处理数据和绘图, 采用DPS 7.05软件进行数据统计分析, 采用最小显著极差法(LSD)进行差异显著性检验。

对不同棉花品种的耐寒性数据(株高, 地上鲜、干质量, 地下鲜、干质量, 总长度, 总表面积)进行相关性分析、主成分分析及聚类分析。具体计算方法见式(1)~(3)。

不同棉花品种各综合指标的隶属函数值:

(1)

各综合指标的权重系数:

(2)

各棉花品种抗寒性的综合品质评价:

(3)

式中:Xj表示第j个综合指标; Xmin表示第j个综合指标的最小值; Xmax表示第j个综合指标的最大值。Wj表示第j个综合指标在所有综合指标中的重要程度即权重; Pj为各棉花品种第j个综合指标的贡献率。D值为各棉花品种由综合指标评价所得的耐寒综合评价值。

2 结果与分析 2.1 温度对不同棉花品种发芽率的影响

图 1可见:在12 ℃低温处理下, 新陆早50号和新陆早57号发芽率相对其他品种较高, 分别为60%和56%, 说明新陆早50和57号耐低温能力相对于其他品种较强; 在16 ℃时的发芽率明显高于12 ℃时的发芽率, 说明温度越低种子的活力及其发芽率越低; 在24 ℃条件下, 新陆早45、48、50、51、57和60号的发芽率均达到最大值, 分别为88.00%、87.00%、91.00%、89.00%、89.00%、72.00%, 高于12 ℃条件下的53.41%、52.87%、34.07%、48.31%、37.08%、63.89%, 说明种子的活力随着温度的升高而增加, 则发芽率也在提高。

图 1 温度对不同棉花品种发芽率的影响 Figure 1 Effects of the temperature on the germination rate of different cotton varieties 同一品种的不同小写字母表示不同温度处理间在0.05水平上差异显著。 The different lowercases of the same variety mean significant difference at 0.05 level in different temperture treatments.The same as follows.
2.2 温度对不同棉花品种株高和干物质量的影响

表 1可见:新陆早45、48、50、51、57和60号幼苗在24 ℃生长温度下株高分别为7.13、8.35、7.73、7.95、7.22、8.64 cm, 在12 ℃低温处理下, 6个品种的株高仅为24 ℃时的33.10%、24.67%、30.92%、27.42%、32.27%、20.02%。对于地上部分和地下部分来说, 12 ℃处理的6个品种地上部分干质量分别比24 ℃时减少了31.29%、42.29%、19.18%、28.12%、19.17%、24.47%, 地下部分分别减少了70.75%、64.89%、69.87%、50.77%、61.78%、69.14%, 这说明逆境条件更加抑制了地下部分的生长[6-7]。温度处理10 d后, 12、16、20 ℃根系干质量都显著低于24 ℃(P < 0.05), 但品种间差异不显著, 说明低温条件下棉花幼苗的细胞伸长生长受阻, 生长势减弱和干物质的积累量减少。

表 1 温度对不同棉花品种幼苗株高和单株质量的影响 Table 1 Effects of the temperature on the cotton plant height and single plant weight of different varieties
2.3 温度对不同棉花品种幼苗根质量密度的影响

较大的根质量密度(DRWD)也是实现农作物高产的一个重要因素。不同温度处理下根质量密度的变化趋势见图 2。随温度的升高, 各品种根系质量均升高, 表明低温胁迫严重影响着根质量密度。低温胁迫10 d后, 24 ℃处理的新陆早45、48、50、51、57和60号的根质量密度比12 ℃处理的增加了70.70%、64.87%、69.84%、50.74%、61.77%、69.13%。不同温度处理中, 各品种间表现出差异, 新陆早50和57号的根质量密度比其他品种高, 可能是因为自身品种调节能力更强。新陆早45号根质量密度相对于其他品种较低, 可能是低温改变了细胞膜的透性, 细胞膜透性影响了细胞的组分, 从而使氨基酸、蛋白质、有机酸等干物质的外渗[8], 从而导致了根系干质量下降。

图 2 温度对不同棉花品种幼苗根质量密度的影响 Figure 2 Effects of temperature on seedling root mass density of different cotton varieties
2.4 温度对不同棉花品种幼苗根系生长的影响

表 2可见:24 ℃处理条件下, 6个品种的根系形态学参数显著高于其他温度处理。12 ℃时新陆早57号的根长明显高于其他品种。在12 ℃低温处理中, 新陆早45、48、50、51、57和60号的根系总长度和根系总表面积分别为1.78、1.60、1.52、2.05、1.82、1.44 cm和0.55、0.28、0.53、0.39、0.46、0.39 cm2; 在24 ℃处理中, 棉花幼苗的根系总长度和总表面积分别是12 ℃处理的12.93、13.68、16.93、9.83、13.67、18.67倍和6.31、13.61、7.77、7.31、8.15、14.21倍。在12和16 ℃低温处理中, 在0.00 mm≤Φ < 0.50 mm径级的根系总长为0 cm。根系总长度随着温度的升高而增加, 且差异显著, 至24 ℃时为12.38、15.54、14.26、11.71、15.31、12.41 cm。0.50 mm≤Φ < 2.00 mm径级的根系总长明显增加, 差异显著。在12 ℃处理中, 各品种幼苗在0.00 mm≤Φ < 0.50 mm径级的根尖数都为0, 0.50 mm≤Φ < 2.00 mm径级的根尖数随着温度的升高明显增加, 在24 ℃处理时是12 ℃时的3.90、3.50、3.80、5.40、3.00、5.90倍, 说明低温严重抑制侧根的生长发育。

表 2 温度对不同棉花品种幼苗根系生长的影响 Table 2 Effect of temperature on root growth of different cotton varieties
2.5 温度对不同棉花品种幼苗根长密度的影响

图 3可见:随温度升高, 各品种的根长密度增长率也呈上升趋势。在12 ℃低温处理中, 新陆早50号的根长密度与其他5个品种均差异显著(P < 0.05)。当温度为12 ℃时, 根长密度增长极其缓慢。温度为20 ℃时, 新陆早45、48、50、51、57和60号的根长密度比12 ℃时增长了88.08%、90.86%、91.85%、74.05%、87.37%、92.39%, 温度为24 ℃时比12 ℃时增长了92.17%、92.69%、94.17%、89.83%、92.77%、94.61%, 说明低温对根系的生长产生了严重的阻碍。

图 3 温度对不同棉花品种幼苗根长密度的影响 Figure 3 Effects of temperature on seedling root length density of different cotton varieties
2.6 主成分分析

对棉花幼苗的株高, 地上部分鲜、干质量, 地下部分鲜、干质量, 根系总长度和根系总表面积等指标进行主成分分析, 通过降维法重新浓缩为4个贡献率较高的综合性指标, CI 1-CI4 的贡献率分别为41.49%、31.34%、16.67%、10.05%, 累积贡献率达到99.54%(表 3), 其余指标的贡献率可忽略不计, 这4个新的综合性指标是相互独立的且包含了原始数据的绝大部分信息。

表 3 各综合指标的系数及贡献率 Table 3 Coefficient and contribution rate of each index
2.7 品种综合性评价 2.7.1 隶属函数分析

通过式(1) 计算每一个棉花品种综合指标的隶属函数值u(Xj)。由表 4可见:同一综合指标如CI 3, 新陆早57号的隶属函数值u(X3)最大, 为1.00, 说明该品种在CI 3上表现为耐寒性最强, 而新陆早45号的隶属函数值最小, 为0.00, 说明该品种在CI 3上表现为耐寒性最差。

表 4 不同棉花品种的抗寒综合指标值、权重、D值及综合评价 Table 4 Comprehensive index value, weight, D value and comprehensive evaluation of different varieties
2.7.2 权重确定

权重是指某一指标在整体评价中的相对重要程度[9]。根据各个综合指标贡献率的大小, 可用式(2) 计算相对应的权重。经过计算, CI1CI2CI3CI4的权重分别为0.42、0.31、0.17、0.10(表 4)。

2.7.3 综合评价

采用公式(3) 计算各棉花品种综合耐寒能力的评价得分D值(表 4), 并根据D值对其耐寒性进行排序(由小到大)。在研究的6个棉花品种中新陆早57号D值最大, 表明耐寒性最强, 新陆早48号D值最小, 表明耐寒性最差。

采用最大距离法对D值进行聚类分析(图 4), 将6个棉花品种划分为Ⅲ类:第Ⅰ类不耐寒棉花品种:新陆早45、48号; 第Ⅱ类中耐寒品种:新陆早50、51、60号; 第Ⅲ类强耐寒品种:新陆早57号。

图 4 6个棉花品种聚类树状图 Figure 4 Dendrogram of six cotton varieties
3 讨论

植物生长受阻是对低温响应最敏感的生理过程[10], 经受一定时期的低温后, 生长速率下降, 生长受抑制的程度与低温变化幅度、低温持续时间有关, 也与植物自身对低温的耐受能力有关[11-12]。本试验在进行不同温度处理时, 同一棉花品种在播种出苗期遭遇低温时, 严重抑制了种子的发芽率、活力指数, 阻碍了幼苗植株和根系的生长。6个品种在同一温度处理下, 新陆早50和57号品种的发芽率最高, 干物质积累量较高, 新陆早45和60号种子活力最低, 发芽率最低。

不同棉花品种遗传特性不同, 抵御低温能力不同。生物量分配策略是植物在逆境胁迫下的适应机制之一, 低温胁迫下, 棉花幼苗株高、根鲜质量、茎叶鲜质量明显降低, 随着温度的升高, 从6个品种的增幅来看:地下部分鲜质量大于地上部分鲜质量, 说明增加温度可以增加生物量在根系中的分配, 有利于根系对水分和营养物质的获取, 增强植株的生长能力[13]

土壤中植物根系的生长与分布决定植物对土壤水分与营养吸收能力及对低温逆境的抵抗能力[14-15]。低温胁迫能显著降低根系的活力[16], 抑制根系的增长率[17]。本试验结果表明, 较耐寒棉花品种会主动通过扩大根系分布来适应逆境, 低温下, 可通过减少根系表面积、增加根系直径和通气组织等来缓解逆境胁迫带来的缺氧损害, 保持一定的单位根长密度和根质量密度, 有利于吸收更多的水分和养分, 促使植株正常生长[13, 18-19]

作物的抗逆能力受到很多复杂的因素影响[20], 孤立地使用某一单项指标反映耐寒本质具有局限性, 且各指标间具有一定的相关性, 导致它们对逆境反应的信息发生交叉重叠, 且各指标的重要程度不相同[21]。因此, 运用多元分析法对耐寒性指标进行综合评价, 建立可靠的评价体系是必要的[22-23]。主成分分析是将原来数量较多的单项指标转换成新的彼此独立且个数较少的综合指标, 进一步利用隶属函数分析法求出各综合指标评价D值, 客观地反映参试品种的耐寒性。本试验用主成分分析法将低温胁迫下棉花幼苗的7个单项指标转换成4个彼此相互独立的综合指标, 得到不同品种棉花幼苗的D值。通过聚类分析, 将6个棉花品种划分为高度耐寒、中度耐寒和不耐寒3种类型:不耐寒棉花品种:新陆早45、48号; 中耐寒品种:新陆早50、51、60号; 强耐寒品种:新陆早57号。

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