棉花萌发出苗期耐盐性鉴定和评价

关键词：棉花；耐盐鉴定；萌发出苗期；主成分分析；聚类分析；综合评价

中图分类号：S562 文献标识号：A 文章编号：1001-4942（2025）02-0029-09

易溶性盐分离子在土壤表层积聚导致土壤环境恶化的现象称为土壤盐渍化或土壤盐碱化。据2021年10月联合国粮农组织发布的世界盐碱土壤分布图估计，全球盐碱地面积超过8.33×108公顷，约占地球面积的8.7%。我国具有各类可利用盐碱地资源3.67×10⁷公顷，其中有开发利用潜力的面积为6.67×10⁶公顷，范围覆盖东北、西北、华北等地区。土壤盐渍化严重影响植物正常生长发育，降低农作物产量。合理利用这些盐碱地，充分开发盐碱耕地潜力，对改善生态环境、维持国家耕地面积和保障农业安全有重要的实践意义。

棉花是盐碱地的先锋作物，其耐盐性受基因型影响显著。萌发期和幼苗期是植物对盐胁迫较敏感的时期，也是棉花能否在盐碱地上一播全苗的关键时期。作为筛选培育耐盐品种的基础工作，耐盐性鉴定一直是耐盐研究的热点。前人的研究通常将棉花萌发期和苗期作为两个不同的阶段分别进行鉴定。他们或只鉴定棉花萌发期耐盐性，或使用不同的方法分别对萌发期和苗期进行处理和性状调查，再进行综合分析。实际上，棉花从异养向自养过渡的时期也极易受盐胁迫影响，该阶段遭遇盐胁迫时会造成棉苗畸形和叶绿素合成困难。以往的研究难以反映棉花该阶段的耐盐性。本研究采用沙培法开展萌发试验，在前人研究基础上将性状调查的时间延长至12d，时间覆盖棉花种子萌发到出苗、异养转变为自养的全过程，这更有利于反映棉花整个萌发出苗阶段的耐盐性。

本研究选取建国以来黄淮海地区育成推广的棉花品种或其育种材料共58份，通过主成分分析、因子分析、聚类分析对其进行耐盐性分级，并在此基础上通过正态分布和逐步回归分析建立性状指标与耐盐综合评分D值的最优回归方程，构建棉花萌发出苗期耐盐性鉴定方法，以期为棉花耐盐种质鉴定和盐碱地植棉研究提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料

本试验所用的58份棉花材料由课题组多年征集得到，并于2020年在三亚南滨农场统一种植、管理、自交繁殖和收获，种子具有较高的一致性。

1.2试验方法

1.2.1最适盐胁迫浓度确定 本研究设置6个盐处理浓度（0、100、200、300、400、500 mmol/LNaCl）进行试验以确定最适盐胁迫试验浓度，分别表示为CK、T1、T2、T3、T4、T5。参考高利英等的沙培萌发法，随机选择6份材料进行NaCl溶液胁迫处理，其中CK为等体积清水。称取一定量灭菌烘干后的沙子，按干沙：溶液（质量：体积）= 1：0.18的比例加入处理溶液，充分搅拌混匀。在每个发芽盒中加入等量的湿沙并铺平，将种子整齐摆放在沙床上，每盒50粒，再加盖200g湿沙，25℃、16 h光照/8 h黑暗条件下培养。以子叶顶端露出沙面作为种子萌发标准，在播种后3～12d间每天同一时间统计每个发芽盒内的萌发种子数。

播种后12d，小心地将棉花幼苗从沙子中洗出，每个发芽盒随机选择10株测定株高（茎基部至两子叶间生长点的长度）。同时，分离盒内所有萌发植株的地上和地下部分，分别烘干并称重。调查统计相关指标后确定最适盐胁迫浓度。

1.2.2材料处理和性状指标调查 用1.2.1确定的最适盐胁迫浓度对其他待测棉花材料进行处理。棉花材料种植、萌发种子数量调查及株高、地上部和地下部干重的测定同1.2.1中的方法。

1.3测定指标及方法

1.3.1种子萌发和幼苗生长相关指标 参考高利英等的方法计算不同材料的种子发芽率、发芽势和发芽指数，地上部或地下部干重除以萌发植株数得到地上部或地下部单株干重，所得数据用于进一步分析。为了避免待测材料种子质量对鉴定结果的影响，使用各指标的相对值评价材料的耐盐性。相对发芽率（GR）、相对发芽势（GE）、相对发芽指数（GI）、相对株高（PH）、地上部相对干重（SW）、地下部相对干重（RW）的计算公式如下：

耐盐综合评价：对所有待测材料的耐盐综合评分D_i进行系统聚类分析，聚类方法选择组之间的链接（Between-groups linkage），测量（Measure）方法使用平方Euclidean距离（Squared Euclidean distance）。根据聚类分析结果，对待测材料进行分组，根据耐盐综合评分D_i进行耐盐性分级。

1.4数据处理与分析

使用Microsoft Excel 2019进行数据的初步整理和分析，用SPSS Statistics 22.0软件进行主成分分析、聚类分析、正态分布分析和逐步回归分析。

2结果与分析

2.1不同浓度盐胁迫对棉花萌发出苗期表型性状的影响

盐胁迫显著影响棉花种子萌发和幼苗生长，随胁迫浓度升高萌发种子数量减少，棉花幼苗株高降低、生长速度减缓（图1）。T1、T2（100、200mmol/L）处理棉花种子萌发和幼苗生长受影响较小；盐胁迫浓度为300 mmol/L（T3）时，种子萌发和幼苗生长受到明显抑制；当盐胁迫浓度为400、500 mmol/L（T4、T5）时，各指标值显著减小，500mmol/L时，6份材料的GR、GE、GI、PH、RW和SW均为零。由于400 mmol/L及以上盐浓度处理时大部分材料幼苗的相对株高较低、幼苗太小，因此未调查400、500 mmol/L盐胁迫下的幼苗地上部和地下部干重。

2.2最适盐胁迫浓度的确定

为了确定耐盐鉴定的最适盐胁迫浓度，首先计算不同胁迫浓度下6份棉花材料GR、GE、GI、PH、SW、RW的四分位差（表1），结果发现GI和PH的四分位差极值均出现在200mmol/L盐胁迫处理时，GE、SW、RW的四分位差极值均出现在300 mmol/L盐胁迫时，而GR的四分位差在400mmol/L盐胁迫时达到极值。400mmol/L盐胁迫时，大部分材料的发芽率极低，有的甚至不发芽（图1、图2、表1），因此该浓度不具有比较价值；300 mmol/L盐处理与200 mmol/L处理相比，其处理组与对照组的表型差异更显著，故本试验选择300 mmol/L作为棉花耐盐鉴定的最适盐胁迫浓度。

2.3盐胁迫下棉花耐盐性鉴定指标的主成分分析和因子分析

计算58份棉花材料6个指标的相对值，并对其进行主成分分析和因子分析，以特征值大于1为标准，提取到了2个主成分（表2）。第一个主成分特征值为3.217，可解释53.618%的总体方差；第二个主成分特征值为1.241，可解释20.680%的总体方差。两者累计可解释74.298%的变异方差，表明这两个主成分可进一步用于计算耐盐综合评分。

第一个主成分中GR、GE、GI、PH的因子载荷值分别为0.946、0.969、0.965、0.660，均大于0.4，表明第一个主成分对GR、GE、GI、PH有较高的解释度。由于GR、GE、GI是与棉花种子萌发相关的性状指标，PH则与种子的萌发时间有关，因此第一个主成分是与种子萌发相关的因子（F1）。第二个主成分中SW、RW的因子载荷值分别为0.769、0.763，表明第二个主成分对RW、SW有较高的解释度，该主成分是与棉苗干物质积累相关的因子（F2）。由各主成分的方差贡献率计算权重，F1的权重w1=53.618%/（53.618%+20.680%）×100%，F2的权重w2=20.680%/（53.618%+20.680%）×100%，最终计算得到两个主成分的权重分别为72.166%和27.834%。

2.4棉花耐盐性综合评价

根据因子分析结果（表3），由公式（2）可得因子得分方程，即种子萌发相关因子F1=0.376X_GR+0.510X_GE+0.126X_GI+0.061X_PH+0.068X_SW+0.076X_RW，干物质积累相关因子F2=0.169X_GR-0.037X_GE-0.016X_GI+0.006X_PH+0.654X_SW+0.639X_RW。由F1、F2的权重72.166%、27.834%计算各材料的因子综合得分F=72.166%×F1+27.834%×F2。最后，根据公式（3）和公式（4）计算棉花材料的因子综合得分和耐盐综合评分D值，见表4。

2.5基于棉花耐盐综合评分（D值）的聚类分析

用计算得到的耐盐综合评分（D值）进行系统聚类分析，并构建树系图（图3）。根据树系图将58份棉花材料的耐盐性分为五类：高抗、抗、耐、不耐、敏感。高抗盐材料有5份，耐盐综合评分范围为0.888～1.000;抗盐材料有11份，耐盐综合评分范围为0.648～0.817；耐盐材料有22份，耐盐综合评分范围为0.437～0.615：不耐盐材料有16份，耐盐综合评分范围为0.223～0.373，盐敏感材料有4份，耐盐综合评分范围为0.000～0.108。

2.6棉花萌发出苗期耐盐鉴定方法的建立

本研究中，耐盐综合评价值的计算要经过主成分分析、因子分析、主成分权重计算等过程，每次有新的鉴定材料加入，就需要重新分析数据和计算耐盐综合得分。为了解决这一问题，本研究以6个性状指标的相对值为自变量，耐盐性综合评分（D）为因变量，进行逐步回归分析，构建性状指标与耐盐综合评分的最优回归方程式：D=-0.775+0.569X_GR+0.720X_GE+0.404X_SW+0.410X_RW。该公式中引入了4个性状指标，方程决定系数R²=0.999，Plt;0.0001。

同时，对本试验58份材料的耐盐综合评价值进行正态分布统计，发现其分布偏度和峰度均小于1（偏度=0.009，峰度=-0.259），说明所测材料的耐盐性符合正态分布，本试验所用的58份材料可以反映棉花材料整体的耐盐情况，则根据本试验建立的耐盐性分级标准原则上也适用于所有棉花材料萌发出苗期的耐盐性鉴定。由本研究棉花材料的D值和聚类分析结果确定的棉花萌发出苗期耐盐性分级标准见表5。

综上可建立棉花萌发出苗期耐盐鉴定体系，即采用沙培萌发法，调查300mmol/L盐胁迫处理时棉花材料的发芽和生长情况，计算GR、GE、SW、RW这4个性状指标的相对值，代入回归方程式D=-0.775+0.569X_GR+0.720X_CE+0.404X_SW+0.410X_RW，计算耐盐综合评分D值，然后参考表5中的棉花耐盐性分级标准即可对棉花萌发出苗期的耐盐性进行综合评价。

3讨论

3.1盐胁迫对棉花萌发出苗的影响

萌发期是植物对盐胁迫较敏感的时期。本研究结果表明，随着盐胁迫浓度升高，棉花种子的相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数总体均呈下降趋势，且当盐胁迫浓度在300 mmol/L及以上时，棉花相对株高、地上部相对干重和地下部相对干重均出现急剧下降，表明盐胁迫对棉花种子萌发有明显抑制作用。这与王宁等的结论一致。较低浓度（100、200mmol/L）盐胁迫时，部分棉花材料的相对发芽率、相对发芽势等指标与对照无明显差异，甚至相对株高、地上部相对干重明显高于对照，这与前人的研究结果一致，表明棉花具有一定的耐盐性，这为盐碱地植棉提供了理论支持。

盐胁迫对种子萌发和幼苗生长的影响机制不同。种子萌发时，高盐环境对种子造成渗透胁迫，影响种子吸胀而抑制萌发，而幼苗生长同时受渗透胁迫和离子毒害的影响。本研究中，通过主成分分析从6个性状指标中提取到两个分别与种子萌发和棉苗干物质积累有关的因子，这也说明盐胁迫下种子萌发与幼苗生长可能是两个相对独立的过程。

3.2棉花耐盐性与育成年份、地区的相关性

品种的抗逆性与育成地点、年份、育种目标等多种因素有关。邵桂花等对来自国内外的3600多个大豆品种进行耐盐鉴定，发现山东、河南的品种耐盐性较强，推测可能是山东、河南盐碱地较多且所种植的品种在这些地区经过了长期自然选择的原因。高利英等对黄淮海地区45个棉花材料进行萌发期耐旱鉴定，发现山东、河北选育的品种旱胁迫下种子萌发能力较强，认为可能与当地棉花萌发期降水较少有关。高利英对黄淮海地区38个代表性棉花品种进行耐低温萌发能力评价，发现黄淮海棉区新育成品种耐低温萌发能力显著强于早期引进的品种（如斯字棉、岱字棉），表明在棉花改良过程中，种子萌发期对低温的抗性逐渐增强。

本研究通过主成分分析和聚类分析将58份棉花材料分为高抗盐、抗盐、耐盐、不耐盐、盐敏感5个等级，每个等级内的棉花材料数分别为5、11、22、16、4份。其中，脱字棉、徐州1818、定陶621、滨棉1号、冀668表现出高抗盐性，可以作为耐盐棉花品种选育的优异种质资源。进一步分析棉花萌发出苗期耐盐性与育成或推广年份的关系，未发现品种耐盐性与育成或推广年份有明显的相关性，这可能与育种习惯有关。棉花育种田大都选择在土质良好、气候适宜的地区，并在选育过程中进行精细化栽培和管理，这有利于最大限度发挥种质资源的产量潜力，从中选育出高产、优质棉花品种。由于全球极端气候频发，冷害、干旱等不可控气候因素无形之中对品种进行了自然选择，从而促进了近年来所选育棉花品种的抗冷性和抗旱性方面均有大幅提升。与冷害和干旱不同，盐碱地具有地域性，因此品种的耐盐性更易在不同地区间存在差异。但由于本研究试验材料覆盖地区较少，难以分析棉花耐盐性与种植区域间的相关性，该部分内容有待后续进一步研究。

随着气候变化和棉花主产区的转移，滨海和内陆地区盐碱地棉花的种植面积越来越大，因此当前仅仅关注棉花优质高产的育种方向已明显不能满足未来棉花产业的发展。由于缺乏针对性的耐盐鉴定和筛选，某些耐盐基因（尤其是与其他不良性状连锁的耐盐基因）可能会在多年人工选择的过程中逐渐丢失。随着农业生产模式和产业结构的改变，精简化和机械化将成为未来农业的发展方向。为了培育适于未来农业生产需求的棉花品种，棉花育种过程中应尽可能与棉花主产区生态条件和当地精简化的栽培管理模式接轨，并充分利用自然逆境（如干旱、盐碱地）保留抗逆种质资源，培育高产、优质、多抗、适于机械化生产的棉花新品种。

4结论

本研究通过对盐胁迫下棉花的6个相对指标进行主成分分析和聚类分析，将58份棉花材料分为高抗盐、抗盐、耐盐、不耐盐、盐敏感5个等级，各等级内材料数分别为5、11、22、16、4份。其中，脱字棉、徐州1818、定陶621、滨棉1号、冀668在萌发出苗期表现出高抗盐性，可作为棉花耐盐育种的优异种质资源。本研究在此基础上构建了棉花萌发出苗期耐盐鉴定体系和耐盐性分级标准，可为棉花萌发出苗期室内耐盐性鉴定提供新的方法和思路。