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
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由图 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。
2.2 温度对不同棉花品种株高和干物质量的影响由表 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。
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。
2.4 温度对不同棉花品种幼苗根系生长的影响由表 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。
2.5 温度对不同棉花品种幼苗根长密度的影响从图 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。
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。
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。
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, CI1、CI2、CI3、CI4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。
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。
[1] |
杨舵, 王淑民. 南疆棉花产量指数与平均气温相关分析[J].
中国棉花, 2000, 27(3): 21–22.
Yang D, Wang S M. Analysis of cotton yield index correlated with the mean temperature[J]. Cotton in China, 2000, 27(3): 21–22. (in Chinese with English abstract) |
[2] |
龚双军, 李国英, 杨德松, 等. 不同棉花品种苗期抗寒性及其生理指标测定[J].
中国棉花, 2005, 32(3): 16–17.
Gong S J, Li G Y, Yang D S, et al. Determination of cold resistance and physiological indexes of different cotton varieties at seedling stage[J]. Cotton in China, 2005, 32(3): 16–17. (in Chinese with English abstract) |
[3] |
陶群, 张晓军, 王月福, 等. 低温对花生种子发芽及幼苗生长的影响[J].
花生学报, 2014, 43(1): 24–27.
Tao Q, Zhang X J, Wang Y F, et al. Effects of low temperature on seed germination and seedling growth of peanut[J]. Journal of Peanut Science, 2014, 43(1): 24–27. (in Chinese with English abstract) |
[4] |
罗宁, 魏湜, 李晶, 等. 低温胁迫对玉米苗期根系特征及电导率的影响[J].
生态学杂志, 2014, 33(10): 2694–2699.
Luo N, Wei S, Li J, et al. Effects of low-temperature stress on root system characteristics and electric conductivity of maize seedlings[J]. Chinese Journal of Ecology, 2014, 33(10): 2694–2699. (in Chinese with English abstract) |
[5] |
姜兴芳, 陶洪斌, 郑志芳, 等. 株行距配置对玉米根系性状及产量的影响[J].
玉米科学, 2013, 21(2): 116–121.
Jiang X F, Tao H B, Zheng Z F, et al. Effect of spacing allocation on the root system characters and yield of maize[J]. Journal of Maize Sciences, 2013, 21(2): 116–121. (in Chinese with English abstract) |
[6] |
王立红, 张巨松, 李星星, 等. 外源水杨酸对盐胁迫下棉花幼苗光合作用的影响[J].
核农学报, 2016, 30(9): 1864–1871.
Wang L H, Zhang J S, Li X X, et al. Effects of exogenous salicylic acid on the photosynthesis of cotton seedlings under salt stress[J]. Journal of Nuclear Agricultural Sciences, 2016, 30(9): 1864–1871. DOI: 10.11869/j.issn.100-8551.2016.09.1864(in Chinese with English abstract) |
[7] |
樊怀福, 蒋卫杰, 郭世荣. 低温对番茄幼苗植株生长和叶片光合作用的影响[J].
江苏农业科学, 2005, 33(3): 89–91.
Fan H F, Jiang W J, Guo S R. Effects of low temperature on growth and photosynthesis of tomato seedings[J]. Jiangsu Agricultural Sciences, 2005, 33(3): 89–91. (in Chinese with English abstract) |
[8] |
王玉凤. 玉米苗期对NaCl胁迫的响应与耐盐性调控机理的研究[D]. 沈阳: 沈阳农业大学, 2008.
Wang Y F. Studies on the response of maize seedling to NaCl stress and the regulation mechanism of salt tolerance[D]. Shenyang:Shenyang Agricultural Uinversity, 2008(in Chinese with English abstract). |
[9] |
田治国, 王飞, 张文娥, 等. 多元统计分析方法在万寿菊品种抗旱性评价中的应用[J].
应用生态学报, 2011, 22(12): 3315–3320.
Tian Z G, Wang F, Zhang W E, et al. Drought-resistance evaluation of marigold cultivars based on multiple statistics analysis[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2011, 22(12): 3315–3320. (in Chinese with English abstract) |
[10] |
王兆. 低温胁迫对彩叶草的生理效应及抗寒性研究[D]. 福州: 福建农林大学, 2014.
Wang Z. Study on the physiological effects of low temperature stress and cold resistance of coleus blumei[D]. Fuzhou:Fujian Agriculture and Forestry University, 2014(in Chinese with English abstract). |
[11] |
史俊东, 李新民, 辛永红, 等. 低温持续期与低温强度对棉花种子发芽率的影响[J].
北京农业, 2014(21): 5–6.
Shi J D, Li X M, Xin Y H, et al. The effect of low temperature duration and low temperature on the germination rate of cotton seeds[J]. Beijing Agriculture, 2014(21): 5–6. DOI: 10.3969/j.issn.1000-6966.2014.21.003(in Chinese with English abstract) |
[12] |
陈银萍, 王晓梅, 杨宗娟, 等. NO对低温胁迫下玉米种子萌发及幼苗生理特性的影响[J].
农业环境科学学报, 2012, 31(2): 270–277.
Chen Y P, Wang X M, Yang Z J, et al. Effects of nitric oxide on seed germination and physiological reaction of maize seedlings under low temperature stress[J]. Journal of Agro-Environment Science, 2012, 31(2): 270–277. (in Chinese with English abstract) |
[13] | Colmer T D. Long-distance transport of gases in plants:a perspective on internal aeration and radial oxygen loss from roots[J]. Plant, Cell and Environment, 2003, 26(1): 17–36. DOI: 10.1046/j.1365-3040.2003.00846.x |
[14] | Hund A, Fracheboud Y, Soldati A, et al. Cold tolerance of maize seedlings as determined by root morphology and photosynthetic traits[J]. European Journal of Agronomy, 2008, 28(3): 178–185. DOI: 10.1016/j.eja.2007.07.003 |
[15] | Jordan-Meille L, Pellerin S. Shoot and root growth of hydroponic maize(Zea mays L.)as influenced by K deficiency[J]. Plant and Soil, 2008, 304(1): 157–168. |
[16] |
宋广树, 孙蕾, 杨春刚, 等. 吉林省水稻幼苗期低温处理对根系活力的影响[J].
中国农学通报, 2012, 28(3): 33–37.
Song G S, Sun L, Yang C G, et al. The effect of low temperature treatment on root activity in rice seedling period in Jilin Province[J]. Chinese Agricultural Science Bulletin, 2012, 28(3): 33–37. DOI: 10.11924/j.issn.1000-6850.2011-1563(in Chinese with English abstract) |
[17] |
姜丽娜, 张黛静, 林琳, 等. 低温对小麦幼苗干物质积累及根系分泌物的影响[J].
麦类作物学报, 2012, 32(6): 1171–1176.
Jiang L N, Zhang D J, Lin L, et al. Effects of low temperature on dry matter accumulation and root exudates of wheat seedlings[J]. Journal of Wheat Crops, 2012, 32(6): 1171–1176. DOI: 10.7606/j.issn.1009-1041.2012.06.029(in Chinese with English abstract) |
[18] |
王树凤, 胡韵雪, 孙海菁, 等. 盐胁迫对2种栎树苗期生长和根系生长发育的影响[J].
生态学报, 2014, 34(4): 1021–1029.
Wang S F, Hu Y X, Sun H J, et al. Effects of salt stress on growth and root development of two oak seedlings[J]. Acta Ecologica Sinica, 2014, 34(4): 1021–1029. (in Chinese with English abstract) |
[19] |
燕辉, 刘广全, 李红生. 青杨人工林根系生物量、表面积和根长密度变化[J].
应用生态学报, 2010, 21(11): 2763–2768.
Yan H, Liu G Q, Li H S. Changes of root biomass, root surface area, and root length density in a populus cathayana plantation[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2010, 21(11): 2763–2768. (in Chinese with English abstract) |
[20] |
张智猛, 万书波, 戴良香, 等. 花生抗旱性鉴定指标的筛选与评价[J].
植物生态学报, 2011, 35(1): 100–109.
Zhang Z M, Wan S B, Dai L X, et al. Estimating and screening of drought resistance indexes of peanut[J]. Chinese Journal of Plant Ecology, 2011, 35(1): 100–109. (in Chinese with English abstract) |
[21] |
周广生, 梅方竹, 周竹青, 等. 小麦不同品种耐湿性生理指标综合评价及其预测[J].
中国农业科学, 2003, 36(11): 1378–1382.
Zhou G S, Mei F Z, Zhou Z Q, et al. Comprehensive evaluation and forecast on physiological indices of waterlogging resistance of different wheat varieties[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2003, 36(11): 1378–1382. DOI: 10.3321/j.issn:0578-1752.2003.11.026(in Chinese with English abstract) |
[22] |
祁旭升, 王兴荣, 许军, 等. 胡麻种质资源成株期抗旱性评价[J].
中国农业科学, 2010, 43(15): 3076–3087.
Qi X S, Wang X R, Xu J, et al. Drought-resistance evaluation of flax germplasm at adult plant stage[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2010, 43(15): 3076–3087. DOI: 10.3864/j.issn.0578-1752.2010.15.004(in Chinese with English abstract) |
[23] |
王贺正, 马均, 李旭毅, 等. 水稻开花期抗旱性鉴定指标的筛选[J].
作物学报, 2005, 31(11): 1485–1489.
Wang H Z, Ma J, Li X Y, et al. Screening identification indexes of drought resistance at flowering stage in rice[J]. Acta Agronomica Sinica, 2005, 31(11): 1485–1489. DOI: 10.3321/j.issn:0496-3490.2005.11.016(in Chinese with English abstract) |