基于主成分分析的不同棉花品種低溫萌發(fā)關(guān)鍵期研究

李 進(jìn)，梁 晶，翟夢華，王 莉，金 嶸，張軍高，周小云，雷 斌

(1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院核技術(shù)生物技術(shù)研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部荒漠綠洲作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，烏魯木齊 830091；2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，烏魯木齊 830052)

棉花產(chǎn)業(yè)是新疆農(nóng)業(yè)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)中不可或缺的支柱產(chǎn)業(yè)，2019年種植面積為254.05萬hm2，總產(chǎn)為500.20萬t，分別占全國棉花種植面積和總產(chǎn)的76.0%和84.9%，已然形成了“世界棉花看中國，中國棉花看新疆”的格局[1]。與此同時，新疆棉花生產(chǎn)中也面臨許多問題和挑戰(zhàn)，特別是棉花萌發(fā)成苗期低溫冷害造成的爛種、爛芽和死苗等問題亟待解決[2-4]。因此，明確低溫為害棉花種子萌發(fā)過程的關(guān)鍵期，為品種布局和棉花豐產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)，對促進(jìn)新疆棉花產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量持續(xù)健康發(fā)展具有重要的理論和實(shí)踐意義。

研究實(shí)踐證實(shí)，棉花播種后遭遇低溫為害導(dǎo)致種子萌發(fā)期延長和出苗率降低，嚴(yán)重時造成爛種、爛芽和死苗，最終影響棉花品質(zhì)和產(chǎn)量[5-7]。近年來前人圍繞棉花品種萌發(fā)期抗冷性比較、種子抗冷生理及外源物質(zhì)提高棉種活力等方面開展了大量研究[8-12]，但就棉花種子萌發(fā)成苗過程中低溫為害關(guān)鍵時期研究相對較少。基于此，本研究以新陸中46號、新陸早57號、新陸早74號和新陸早82號為試驗(yàn)材料，以25 ℃為對照溫度，通過室內(nèi)發(fā)芽試驗(yàn)，研究12 ℃低溫處理下4個棉花品種在萌發(fā)成苗過程中不同階段的種子萌發(fā)特性，探明低溫為害關(guān)鍵期，為豐富棉花耐低溫機(jī)理和高產(chǎn)栽培理論提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試棉花品種為新陸中46號、新陸早57號、新陸早74號和新陸早82號，購于昌吉州農(nóng)資市場，供試發(fā)芽紙為“發(fā)芽紙38號”，購于北京懋嘉龍農(nóng)業(yè)科技有限公司。

1.2 方 法

2019年4—6月在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部荒漠綠洲作物生理生態(tài)與耕作重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(烏魯木齊)進(jìn)行。挑選籽粒飽滿均勻的4個品種棉花種子，75%酒精浸泡2 min，無菌水沖洗3次備用。試驗(yàn)設(shè)計以常溫(25 ℃)作為對照(ck)，Tn表示第n天12 ℃處理24 h，即T 1～T 7分別代表為第1天～第7天12 ℃處理24 h，每處理其余6 d時間為常溫處理(25 ℃)。按照試驗(yàn)設(shè)計取各處理棉種均勻置于3層充分吸水的發(fā)芽紙上，每張發(fā)芽紙上均勻放置50粒，各處理重復(fù)3次。密封袋封口放入不同溫度發(fā)芽箱中進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)。每天記錄各處理種子萌發(fā)數(shù)，以芽長超過1 cm，色白、無腐爛的芽為正常芽；第4天計算發(fā)芽勢，第7天計算發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)，并于第7天隨機(jī)選取各處理樣品10株，用直尺測定胚根長，用萬分之一天平測定胚根鮮重和胚根干重。

發(fā)芽勢(%)=(前4 d內(nèi)種子發(fā)芽數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽率(%)=(前7 d內(nèi)種子發(fā)芽數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)；

活力指數(shù)=S×∑(Gt/Dt)；

式中，Gt表示第t天的發(fā)芽種子數(shù)，Dt表示發(fā)芽試驗(yàn)第t天；S表示第7天時各處理單株胚根鮮重。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計算，SPSS 17.0軟件進(jìn)行方差分析，Duncan法進(jìn)行多重比較檢驗(yàn)(p<0.05)，Origin Pro 8.0軟件進(jìn)行繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對4個棉花品種種子活力的影響

低溫處理抑制了各棉花品種種子活力，不同品種間低溫耐受力不同(圖1)。發(fā)芽率方面，新陸中46號的T 2和T 3顯著低于ck，較ck減少7.53%，其余處理與ck差異不顯著；新陸早57號、新陸早74號和新陸早82號各處理較ck略有降低，但與ck無差異。發(fā)芽勢方面，新陸中46號的T 2～T 5顯著低于ck，較ck減少7.53%～10.27%，其余處理與ck差異不顯著；新陸早57號和新陸早74號各處理較ck略有降低，但與ck無顯著差異；新陸早82號的T 1顯著低于ck，較ck減少6.16%，其余處理與ck差異不顯著，但較ck減少0.68%～4.79%。發(fā)芽指數(shù)方面，新陸中46號的T 2和T 3顯著低于ck，較ck減少14.46%～37.81%，其余處理與ck無差異；新陸早57號除T 2和T 3外，其余處理顯著高于ck；新陸早74號的T 2和T 3顯著低于ck，較ck減少12.33%～16.51%，T 7與ck無差異，其余處理與ck差異不顯著；新陸早82號的T 2與ck差異不顯著，T 3顯著低于ck，其余處理顯著高于ck?；盍χ笖?shù)方面，新陸中46號的T 3顯著低于ck，較ck減少44.11%，T 2、T 4與ck差異不顯著，其他處理與ck無差異；新陸早57號除T 2和T 3外，其余處理顯著高于ck；新陸早74號的T 1和T 2顯著低于ck，較ck減少14.89%～23.82%，T 3～T 5與ck差異不顯著，但較ck減少11.24%～13.54%，T 6、T 7與ck無差異；新陸早82號的T 3與ck無差異，其余處理顯著高于ck，較對照增加23.06%～48.45%。綜上所述，新陸早57號低溫耐受力最強(qiáng)。

2.2 不同處理對4個棉花品種胚根生長的影響

不同時期低溫處理對棉花胚根生長影響不同(圖2)。胚根干重方面，新陸中46號的T 1～T 7間無差異，但顯著低于ck，較ck減少9.25%～21.72%；新陸早57號的T 1、T 6與ck差異不顯著，T 2～T 5顯著低于ck，較ck減少10.84%～14.61%，T 7與ck無差異；新陸早74號的T 1、T 6、T 7與ck差異不顯著，其余處理顯著低于ck，較ck減少11.19%～17.51%；新陸早82號的T 1、T 2與ck差異不顯著，而T 3顯著低于ck，其余處理與ck無差異。胚根鮮重方面，新陸中46號、新陸早57號與ck無差異；新陸早74號的T 1、T 5～T 7與ck差異不顯著，T 2～T 4與ck差異顯著，較ck減少11.63%；新陸早82號的T 1與ck無差異，T 2、T 3、T 5、T 6與ck差異不顯著，T 4和T 7顯著高于ck。胚根長方面，新陸中46號的T 1～T 6顯著低于ck，較ck減少3.81%～15.48%，T 7與ck無差異；新陸早57號與ck無差異；新陸早74號的T 1、T 6、T 7與ck無差異，T 2、T 4、T 5與ck差異不顯著，T 3較ck差異顯著，較ck減少13.13%；新陸早82號的T 1、T 7與ck差異不顯著，T 2～T 6顯著低于ck，較ck減少14.12%～30.21%。

2.3 不同棉花品種萌發(fā)成苗期耐低溫性狀指標(biāo)的相關(guān)矩陣

以上述12 ℃下不同棉花品種各處理的測定值(T 1～T 7)與25 ℃下不同棉花品種各處理的測定值(ck)的比值作為相對值進(jìn)行相關(guān)性分析，得出不同棉花品種在萌發(fā)成苗期各指標(biāo)的相關(guān)矩陣，如表1。研究表明，發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚根鮮重、胚根干重和胚根長各指標(biāo)之間均存在一定的正相關(guān)關(guān)系，新陸中46號、新陸早57號和新陸早82號的發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)相關(guān)性最大，分別為0.990、0.972和0.932，新陸早74號的胚根鮮重和胚根干重相關(guān)性最大，為0.964；新陸中46號和新陸早74號的發(fā)芽指數(shù)與胚根長相關(guān)性最小，分別為0.484和0.099，新陸早57號和新陸早82號的發(fā)芽勢與胚根長相關(guān)性最小，分別為0.171和0.025。

表1 不同棉花品種萌發(fā)成苗期各指標(biāo)的相關(guān)矩陣Table 1 Correlation matrix analysis of each index at germination stage of different cotton varieties

2.4 不同棉花品種萌發(fā)成苗期耐低溫性狀指標(biāo)的主成分分析

對4個棉花品種7個處理的7個測定指標(biāo)進(jìn)行主成分分析得到主成分特征值。由表2可以看出，新陸中46號第1和第2主成分的特征值分別為5.525和0.821，貢獻(xiàn)率分別為78.934%和11.734%，前2個主成分的累積貢獻(xiàn)率為90.668%；此外新陸早57號、新陸早74號和新陸早82號前2個主成分的累積貢獻(xiàn)率分別為83.914%、84.339%和88.163%，即4個棉花品種前2個主成分的累計貢獻(xiàn)率均超過80%，可以反映大部分信息，故本研究提取各品種前2個主成分作綜合評價。

表2 主成分特征值Table 2 Characteristic value of pincipal component

2.5 不同棉花品種主成分得分和排序

4個棉花品種7個處理的得分和排序見表3。棉花種子萌發(fā)期受低溫影響不同，新陸中46號和新陸早57號在第3天低溫時對種子萌發(fā)影響最大，其次為第2天；新陸早74號和新陸早82號在第2天低溫時對種子萌發(fā)影響最大，其次為第3天；4個品種在第7天低溫時均對種子萌發(fā)影響最小。以4個棉花品種綜合得分為排序依據(jù)，結(jié)果為T 2

表3 各棉花品種主成分得分和排序情況Table 3 Main component score and ranking of each cotton variety

3 討 論

溫度是調(diào)控作物種子萌發(fā)的關(guān)鍵因子，棉種在萌發(fā)期遇低溫時種子活力顯著降低，特別是低于10 ℃低溫時停止萌發(fā)[13-15]。新疆棉花生產(chǎn)中預(yù)防低溫為害最關(guān)鍵的做法是抗冷品種選育[14]和種子包衣[16]等。因此，選擇耐低溫品種，明確低溫為害關(guān)鍵期，是防災(zāi)減災(zāi)、高產(chǎn)豐產(chǎn)的關(guān)鍵因素。本研究表明，12 ℃低溫處理的4個棉花品種的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均有不同程度降低，分別較對照減少0.66%～7.53%、0.67%～10.27%、1.74%～37.81%和1.73%～44.11%，且不同品種間萌發(fā)期低溫耐受力也不同，新陸早57號低溫耐受力最強(qiáng)，這與高利英等[9]、李星星等[17]研究結(jié)果一致。此外12 ℃低溫處理的4個棉花品種的胚根鮮重、胚根干重和胚根長較對照分別減少0～11.63%、2.43%～21.72%和0.25%～30.21%，與雷斌等[3]研究結(jié)果相似。本研究還發(fā)現(xiàn)供試4個棉花品種在第2天和第3天低溫處理時，對種子活力和棉花胚根生長影響較大，隨著低溫處理時間的推移影響逐漸變小。

主成分分析是將起初數(shù)量較多的單項指標(biāo)轉(zhuǎn)換成綜合指標(biāo)，來解釋起初指標(biāo)中所攜帶的信息，種子萌發(fā)過程中低溫為害關(guān)鍵階段的確定應(yīng)該是種子萌發(fā)期多項指標(biāo)的綜合表現(xiàn)，不能利用某個指標(biāo)來確定。已有研究表明，利用主成分分析可以鑒定與評價作物種子萌發(fā)期耐冷性、抗旱性和耐鹽堿能力[18-20]。本研究以12 ℃下不同棉花品種各處理的測定值與常溫下不同棉花品種各處理的測定值的比值作為相對值，對4個棉花品種7個處理的7個測定指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，試驗(yàn)表明，發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、胚根鮮重、胚根干重和胚根長各指標(biāo)之間均存在一定的正相關(guān)關(guān)系，其中發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)、胚根鮮重與胚根干重相關(guān)性最大，發(fā)芽指數(shù)與胚根長、發(fā)芽勢與胚根長相關(guān)性最小。研究還發(fā)現(xiàn)，4個棉花品種主成分初始特征值前2個主成分的累計貢獻(xiàn)率均超過80%，已然能反映大部分信息，4個棉花品種得分和排序結(jié)果較相似，不同棉花品種主成分綜合得分排序?yàn)門 2

4 結(jié) 論

本試驗(yàn)研究了低溫處理下4個棉花品種萌發(fā)成苗期萌發(fā)特性，并對各指標(biāo)相對值進(jìn)行主成分分析和評價。研究發(fā)現(xiàn)12 ℃處理能降低棉花種子活力和抑制胚根生長，品種間耐低溫能力也存在差異，以新陸早57號低溫耐受力最強(qiáng)。棉花各品種間發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)、胚根鮮重與胚根干重相關(guān)性最大，發(fā)芽勢與胚根長、發(fā)芽指數(shù)與胚根長相關(guān)性最小。不同棉花品種主成分綜合得分排序?yàn)門 2