不同棉花基因型根系表型差异分析

薛惠云，李倩，王果，陈雪，张志勇，王清连

(河南科技学院，河南省现代生物育种协同创新中心/河南省棉麦分子生态和种质创新重点实验室，河南 新乡 453003)

根系是植物吸收水分和养分的主要器官，其发育情况直接关系着植株整体生长发育的好坏。但前人对改善作物和农业技术的研究热点主要集中在增加地上部干物重和收获产量[1, 2]，往往忽视根系与作物产量的关系[3]。干旱胁迫、土壤盐渍化、养分缺失、病虫害等严重威胁作物根系和植株整体生长发育，影响其产量，增加水肥、农药投入虽然可以在一定程度上缓解上述问题，但利用效率低、成本高，限制了其经济收益，而且造成严重的生态环境污染。因此，分析作物根系表型，筛选影响其水肥吸收利用效率的主要性状，对创制水分和养分利用效率高的新种质具有重要意义[4]。

作物根系表型同时受基因型和环境的影响，表型不同，其对氮、磷、钾及水分的吸收利用效率也不同[5]。廖红等[6]研究认为磷素在土壤中不容易发生转移，有效磷一般分布在土壤表层，具有浅根系的作物能更好地吸收利用土壤中的磷素。赵首萍等[7]分析指出，当作物的根系表现为根干重较大、总根长较长、侧根在土壤中分布范围较广以及根系的吸收表面积较大时，能够更加高效地吸收氮素和水分。York等[8]研究表明，相对较多的侧根数量和较长的根毛有助于对土壤表层养分的吸收，而减少侧根数量、减小侧根进入土壤的角度则有助于根系吸收更深层土壤中的养分。闫映宇等[9]研究认为土壤含水量较大时，根系主要分布在浅层，侧根横向生长比较旺盛，根冠比较小；土壤含水量降低后，总根长增加，根系倾向于纵向伸长生长，从而导致根冠比也增大。可见，根系形态特征可以影响其对水分、氮和无机盐的吸收，根据不同根系表型合理灌水、施肥，协调营养生长和生殖生长间的关系，可以实现低肥高效，在提高产量同时减少对环境的污染[10]。

棉花是我国重要的经济作物，在国民经济中发挥着重要作用。前人对棉花根系表型的研究多选用常规的大田品种，且品种比较单一。本研究选用从国内外收集的88个基因型棉花种质，通过室内试验，对其主要根系表型性状，如总根长、主根长、侧根长、根表面积、根体积、平均根夹角、平均根直径、根冠比、侧根密度及主根根尖区比例等的差异性及相关性进行比较分析，以期为选育水肥高效利用种质育种，提高水肥利用效率、保护环境提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究选用88个棉花基因型作为试验材料(表1)。其中，78个基因型来自中国农业科学院棉花研究所国家棉花种质资源库，10个基因型由河南科技学院棉花研究所提供；来自国内三大棉区(西北流域、黄河流域、长江流域)的基因型72个，国外基因型16个。

1.2 幼苗培养

每个基因型取30粒饱满的光籽，用10%的过氧化氢25 mL消毒30 min后用水冲洗干净，再用无菌水浸泡12 h进行催芽；然后每个基因型选取6颗露白的种子，均匀放置在用改良霍格兰氏营养液浸透的无菌吸水纸中，将吸水纸卷在无菌PVC管周围，然后竖直放入盛有5 L改良霍格兰氏营养液的塑料容器中，表面覆盖透气的塑料薄膜以防止水分蒸发过快，置于温室中进行培养。

首先在冷光源下(光照12 h，黑暗12 h，白天温度28℃，晚上温度26℃)培养5 d，至棉花出苗且子叶由黄转绿；之后调节为强光(光照12 h，黑暗12 h，光强为328 μE·m-2·s-1，白天温度30 ℃，晚上温度26℃)，培养7 d，至棉花主根与侧根发育完全。每天定时在纸筒表面喷施多菌灵，防止种子出现霉变。

表1 不同棉花基因型编号

1.3 指标测定

1.3.1 地上部干重 将棉苗地上部分茎、叶放入105℃烘箱杀青30 min， 80℃烘至恒重，待样品冷却到室温后，用万分之一天平对茎、叶分别称重，并记录数据，两者之和为地上部干重。

1.3.2 根系表型性状 用Epson扫描仪在彩色模式下透射扫描棉苗根部，获得根系照片，然后用Image J软件测量获取根系夹角，用WinRhizo图像分析软件分析计算，获得主根长、总根长、根表面积、平均根直径、根体积、侧根数、侧根长、侧根区长、主根根尖区长、侧根密度、主根根尖区比例。其中，侧根密度=侧根数/侧根区长，主根根尖区长=总根长-侧根区长，主根根尖区比例=主根根尖区长/主根长。将扫描后的根系烘至恒重，称重并计算根冠比(根冠比=根干重/地上部干重)。

1.4 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2003进行数据整理，用SPSS 22.0软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 根系表型性状的变异分析

对88个基因型的10个主要性状进行统计分析，结果(表2)显示，除平均根夹角外，其它表型性状不同基因型间均达到差异极显著水平(P<0.01)。变异系数是衡量农艺性状变异程度的重要标准[11]。本研究结果表明，除平均根夹角外其他9个性状的变异系数均超过10%，其中，侧根长变异系数最大，为86.07%；其次为总根长、根表面积、主根长，变异系数分别为60.42%、44.57%、41.42%；根体积、侧根密度、主根根尖区比例、根冠比、平均根直径的变异系数也较大，分别为35.10%、33.65%、31.72%、18.85%、17.93%。说明参试棉花基因型根表型存在丰富的遗传变异，尤其侧根长，改良潜力较大；而平均根夹角在各基因型之间差异最小，离散程度最低，稳定性最好，改良潜力较小。

表2 参试基因型根系表型性状的变异情况

2.2 根系表型性状间的相关性

通过相关性分析可揭示性状间是否存在依存关系及相关关系的方向与强度[12]。结果(表3)表明，除主根根尖区比例外，平均根夹角与其它根系表型性状间均相关不显著。总根长、主根长、侧根长、根表面积、根体积之间均极显著正相关(P<0.01)。平均根直径与除侧根密度及主根根尖区比例外的其它根系表型性状均存在负相关关系，其中与总根长、主根长、侧根长、根表面积的相关性达到极显著水平(P<0.01)。根冠比与总根长、主根长、侧根长、根表面积、根体积、平均根直径、主根根尖区比例均存在负相关关系，其中，与主根长显著相关(P<0.05)，与根表面积、根体积、主根根尖区比例极显著相关(P<0.01)。侧根密度与总根长、主根长、侧根长、根表面积、根体积呈负相关关系，其中与总根长、根表面积显著相关(P<0.05)，与主根长极显著相关(P<0.01)。主根根尖区比例除与根冠比、侧根长极显著或显著负相关(P<0.01，P<0.05)、与平均根夹角显著正相关(P<0.05)外，与其余性状间无显著相关性。

可见，根系表型是一个复杂的综合性状，彼此之间相互影响，且多个根系表型性状都会通过影响根冠比而影响地上部干重，可通过对根系表型性状的直接选择改善地上部。

表3 参试基因型根系表型性状的相关性

2.3 主成分分析

通过相关性分析可知，根系表型性状之间存在信息重叠，因此利用主成分分析法进行降维，并对88个基因型进行综合评价。结果(表4)表明，依据特征值大于1的原则选取前3个主成分，其累积贡献率达77.872%，包含了上述表型性状的绝大部分信息。其中，第1主成分的贡献率最高，为47.928%，根表面积、总根长、侧根长、主根长及根体积对其正向影响较大，特征向量值分别为0.980、0.977、0.913、0.863和0.822，而平均根直径对其负向影响较大，特征向量值为-0.660。第2主成分的贡献率为17.341%，主根根尖区比例对其正向影响最大，特征向量值为0.719，而根冠比对其负向影响最大，特征向量值为-0.818。第3主成分的贡献率为12.603%，平均根夹角、侧根密度对其正向影响最大，特征向量值分别为0.783、0.521，而平均根直径具有负向影响，特征向量值为-0.374。

表4 各根系表型性状的特征根向量、特征根和贡献率

2.4 聚类分析

依据上述分析结果，根表面积、总根长、侧根长、主根长、根体积、主根根尖区比例、平均根夹角、侧根密度对3个主成分的影响较大，而根表面积、总根长、根体积与主根长和侧根长密切相关，因此，依据主根长、侧根长、平均根夹角、侧根密度、主根根尖区比例对参试88个基因型进行聚类分析，可将其分为5类(表5)。第Ⅰ类包括16个基因型，该类棉花基因型平均根夹角小、主根长中等、侧根短、侧根密度小、主根根尖区比例中等。第Ⅱ类包括32个基因型，该类棉花基因型平均根夹角大、主根长中等、侧根短、侧根密度大、主根根尖区比例大。第Ⅲ类包括10个基因型，该类棉花基因型平均根夹角中等、主根短、侧根短、侧根密度大、主根根尖区比例小。第Ⅳ类包括4个基因型，该类棉花基因型平均根夹角小、主根长、侧根长、侧根密度中等、主根根尖区比例中等。第Ⅴ类包括26个基因型，该类棉花基因型平均根夹角中等、主根长中等、侧根长中等、侧根密度小、主根根尖区比例中等。

表5 聚类分析结果

3 讨论

表型性状研究是了解生物特性最简单、最直接的方式之一，已成为评价、鉴定、筛选优异生物种质的基础[13]。根系是植物吸收水分和养分的主要器官，长度、形状、在土壤中的空间分布等表现型与植物对水分及矿质元素的吸收功能密切相关[14]，因此，分析作物根系表型不仅能为农业合理灌溉、节约水资源提供指导，还可为农田科学施肥、提高肥料利用效率提供依据。

棉花是直根系深根作物，由入土很深的主根、分布较广的侧根和众多的根毛组成发达的根系网[15]。本研究对88个基因型的10个主要根系表型性状进行了分析，结果表明，参试基因型存在丰富的遗传变异，除平均根夹角外其它9个性状的变异系数均超过10%，其中侧根长、总根长、根表面积、主根长的变异系数较高，这为特定目的基因型筛选提供了可能。但根表面积、总根长、侧根长、主根长、根体积之间存在显著相关性，经主成分分析降维[16]，得到3个主成分，其累积贡献率可达77.872%，可解释根表面积、总根长、侧根长、主根长、根体积、主根根尖区比例、平均根夹角及侧根密度的主要变异。基于上述结果，选择平均根夹角、主根长、侧根长、侧根密度和主根根尖区比例5个参数对88个基因型进行聚类分析，可将其分为根系表型各具特点的5类。

土壤表层的水分和氮肥资源随着时间的推移会逐渐渗透到深层土壤，因此在大田生长环境中，根系能快速延伸到深层土壤的品种往往能最优地利用水分和氮肥资源[17-20]。Lynch[17]提出玉米理想的吸收水分和氮肥的根系特征是“夹角小、资源利用高效、分布深”。Zhan等[21]提出侧根少但长的根系表型可以作为筛选氮高效品种的一项可行性指标。按此标准，参试第Ⅳ类棉花基因型的平均根夹角小、主根长、侧根长、侧根密度中等、主根根尖区比例中等，属于水氮高效基因型，符合水氮高效育种的目标。

磷素和钾素在土壤中较为稳定，不易发生渗漏，多分布在土壤的浅层。当作物浅层根系的数量较多同时侧根长度较大时，根系有着较大的表面积且主要集中在地表附近，更有利于磷的高效吸收利用[22]。在低磷和低钾条件下，侧根密度大且土壤浅层中根系分布多的玉米基因型，磷和钾吸收效率高，生物产量高[23]。根夹角大、侧根密度大及低的代谢成本有利于浅层土壤中磷的获取[24]，而利于磷吸收的根系表型同样利于钾的吸收[25]。因此，本研究中参试第Ⅱ类棉花基因型更有利于磷素和钾素的高效吸收，符合磷和钾高效育种的目标。

4 结论

参试88个棉花基因型的侧根长、总根长、根表面积和主根长变异程度较大，受基因型的影响较为显著，改良潜力较大。10个根系表型性状之间存在信息重叠，总根长、根表面积、根体积与主根长、侧根长显著相关，可经主成分分析降维为3个综合指标，根表面积、总根长、侧根长、主根长、根体积、主根根尖区比例、平均根夹角、侧根密度是其主导因子。基于平均根夹角、主根长、侧根长、侧根密度、主根根尖区比例可将88个棉花基因型聚为5类，其中，第Ⅳ类属于水氮高效基因型，第Ⅱ类属于磷、钾高效基因型。本研究结果可为棉花水肥高效利用种质的选育以及阐述其水分和养分高效吸收利用机制提供依据。