基于模糊权属函数法的棉花萌发力评价模型

基于模糊权属函数法的棉花萌发力评价模型

棉花是世界上最大的棉花产区。它在中国的工农业发展中发挥着重要作用，是新疆经济发展的支柱。低温是我国北方棉区常见的自然灾害,发生于棉花生长发育的各个阶段,轻则引起生育期延迟,产量下降,品质变劣,重则导致棉花绝收。北疆棉区由于光照积温低、无霜期短,每年在种子萌发期和幼苗期常发生倒春寒等低温冷害灾害,导致烂种、烂芽、死苗[4~6],成为棉花生长发育中低温冷害发生最频繁的时期,因此开展生育期早期的棉花抗寒机理及抗寒资源筛选等相关研究具有重要的意义,但目前相关研究多集中在棉花幼苗期,种子萌发期的研究还未见报道。本研究以适宜北疆棉区的棉花品种(系)为材料,通过研究不同低温胁迫下种子的萌发变化,初步评价不同棉花种子的耐冷萌发力差异,了解不同种子萌发指标与耐冷性评价的关系,以期为棉花耐寒性的分阶段资源鉴定和品种选育提供理论依据。1材料和方法1.1中棉所20个材料+1#,2#供试棉花种子由新疆生产建设兵团绿洲生态农业重点实验室棉花研究室提供,均为北疆棉区近些年主栽的棉花品种(品系),分别为:中棉所42、新陆早12号、134-1、新陆早8号、98-2、新陆早31号、新陆早26号、新陆早24号、新陆早13号、新陆早10号、新陆早7号、新陆早25号、新陆早36号、81-3、4723、新陆早6号、中棉36、297-5、新陆早19号、ZM-2等20个材料(在后文中依次用1#,2#,…,20#代替表示),1.2方法1.2.1种子处理与萌发挑选乌黑饱满、未破损且经硫酸脱绒的种子置于垫有2层滤纸的培养皿中(滤纸及培养皿采取高温蒸汽灭菌法灭菌处理),用0.1%高锰酸钾溶液消毒种子10~15min,然后用自来水冲洗3~5次,在每个培养皿中加入3000μL的蒸馏水以润湿发芽床;放入不同温度的气候箱中培养,设3个低温处理温度:15℃、20℃和25℃,连续处理7d,第3天起每天记录发芽种子数,并依情况补加1μL蒸馏水,以芽长超过0.5cm,色白、无腐烂变质和无负向生长的芽为正常芽。1.2.2指标和方法的测量测定发芽率、发芽势、发芽指数和平均发芽速度等常用的种子萌发指标,各个指标的具体定义和测定方法参照李志博等方法。1.2.3参试棉花萌芽指标用模糊隶属函数法评价各参试棉花种子的萌发耐冷性差异,其中模糊隶属值U=(X-Xmin)/(Xmax-Xmin)(X为参试棉花的萌芽指标,Xmax为所有参试棉花中萌芽指标的最大值,Xmin为所有参试棉花中萌芽指标的最小值)。具体方法为:各胁迫温度下的种子萌发耐冷性由该温度下所有种子萌发指标隶属值的平均值鉴定,其中单一指标的隶属函数值的为该胁迫温度下该指标的耐冷性鉴定评价结果,萌芽期种子体耐冷性强弱由不同低温下的种子萌发耐冷性的平均值大小来评判,耐冷性分级标准参考张卫星等的方法。2结果与分析2.1温度对发芽势、发芽率的影响从图1可以看出,随着处理温度增大,胁迫程度减轻时,除种子平均发芽速度下降外,其它种子萌发指标均显著的升高,各指标中以发芽势的变化幅度最大,随着温度的升高(20℃,25℃),其升高率依次为69.23%,80.68%,其次变化幅度最大的为发芽率,其升高率随温度变化依次为58.18%和67.79%,而平均发芽速度的变化幅度最少,其变化率随温度升高依次为12.4%和26.5%,表明棉花种子的发芽势和发芽率对低温胁迫的反应比较敏感,而平均发芽速度受温度变化影响不大。2.2种子萌发的抗冷性不同低温胁迫下各参试棉花种子萌发指标的隶属函数值见表1。由表1可以看出,不同萌芽指标及不同温度下各参试棉花种子的耐冷性鉴定结果不同,15℃低温胁迫下,中棉所42号的发芽率、发芽指数和平均发芽速度的抗寒隶属值表现为高抗,但其发芽势的鉴定结果为中抗,20℃处理时,中棉所36号的发芽率的抗寒隶属值表现为高抗,而其余指标的抗寒隶属值则鉴定为弱抗或不抗。综合各温度下不同种子萌发指标的平均隶属值,15℃时种子萌发耐冷性强的为新陆早25号和中棉所42号,20℃时种子萌发耐冷性强的为新陆早13号和新陆早25号,25℃时种子萌发耐冷性强的材料为新陆早13号、新陆早25号、中棉所36号和中棉所42号。由表1还可以看出,胁迫温度越低,棉花种子萌发所受抑制程度越大,种子萌发耐冷性强的材料的所占比例越少,在15℃处理时,新陆早12号等15个材料的种子萌发耐冷性鉴定结果为完全不耐,占参试材料的75%,20℃时,完全不耐的材料占参试材料总数的50%,而25℃时,各参试棉花种子的萌发能力大大加强,大部分材料都表现出了一定的耐冷性,鉴定结果中种子萌发完全不耐的材料比例下降到25%左右。结合不同温度下各材料的综合耐冷隶属值,可看出,参试材料中,萌芽期棉花种子具有强的耐冷性的材料为新陆早13号和新陆早25号,而新陆早8号、297-5、98-2和新陆早26号的种子萌发耐冷性极差。2.3棉花种子在发芽期的抗寒性评价体系2.3.1壮和种子发芽速度的影响发芽率、发芽势、发芽指数及平均发芽速度是评价种子发芽常用的指标,反映了种子活力、发芽整齐度、幼苗健壮和种子发芽速度的潜势。对不同低温胁迫下各种子萌发指标与种子萌芽耐冷性的相关关系分析结果见表2。由表2可以看出,除了平均发芽速度外,发芽率、发芽势和发芽指数均与棉花种子萌芽耐冷性呈极显著的正相关关系,且发芽率、发芽势和发芽指数两两之间极显著正相关,均与平均发芽速度相关不显著(结果未列出)。2.3.2种子萌发过程中的影响因素根据2.3.1的分析结果,以不同温度下棉花种子萌发耐冷性鉴定的平均隶属值为依变量,以种子萌发指标的隶属值为自变量,采用逐步回归分析法所建立的不同温度下棉花种子萌发耐冷性评价和鉴定模型见表3。由表3可以看出,不同温度下影响棉花种子耐冷性的关键因子不一样。所有回归模型经回归系数测验和决定系数验证,都达显著水平。2.3.3种子萌发耐冷性鉴定与种子萌发耐冷性鉴定的关系从表4可以看出,15℃的棉花种子萌发力鉴定结果与20℃的鉴定结果不相关,但与25℃的鉴定结果极显著正相关,且不同温度下种子萌发耐冷性鉴定结果与萌芽期棉花种子的整体耐冷性强弱都有极其密切的联系,根据相关系数的大小和显著度,不同温度下棉花种子萌芽耐冷性鉴定结果对萌芽期棉花种子耐冷性鉴定的影响程度依次为15℃、25℃和20℃,表明15℃是影响棉花种子萌发的关键温度,该温度为萌芽期种子萌发耐冷性评价的适宜胁迫温度。3结论和讨论3.1棉花茶种子萌发低温冷害是棉花生产中常见的逆境环境灾害,种子萌发期遇到低温冷害,常导致棉花种子烂种、烂芽、甚至死苗,从而影响棉花的生育期,降低产量和纤维品质。早期有研究认为,棉花种子萌发的极限低温为10~12℃,也曾对参试材料在10℃下的种子萌发性进行了调查,结果发现,所有的棉花种子均没有萌发,进一步验证了该项结论。本试验还设置了另外3种不同的低温胁迫温度,其中15℃和20℃是棉花播种期常见的温度,研究表明,随着胁迫温度的降低,棉花种子的发芽率、发芽势和发芽指数均呈明显的下降,其中发芽势的降幅最大,表明低温胁迫下发芽势可能是影响棉花种子萌发力的最主要因素。25℃常被认为是适宜棉花生长发育中的下限温度,在诸多耐冷机理和耐性鉴定中,该温度下的相应参数值多被用作对照,而本研究结果发现,25℃下虽然棉花种子的萌芽力较15℃和20℃有较大增长,大部分参试棉花种子都表现出了一定的耐冷性,但并不是所有种子的发芽率达到了100%,仍然有25%的参试材料鉴定结果为完全不耐,表明25℃也处于限制棉花种子萌发的低温温度范围,也可能是25℃低温处理后的棉花种子萌发具有较强的恢复性,是棉花种子萌芽的次适宜温度。3.2种子萌发鉴定作物抗寒性是由多个抗寒性特征共同反映的、综合的概念,而模糊隶属函数值法是植物抗逆性鉴定的一种有效数理统计方法,已在多种作物中得到了广泛的应用,模糊隶属函数值鉴定结果,15℃下种子萌发强的材料为新陆早25号和中棉所42号,20℃下种子萌发强的材料为新陆早13号和新陆早25号,整个萌芽期种子耐低温强的材料为新陆早25号和新陆早13号。由鉴定结果可以看出,不同低温下不同种子萌发指标的鉴定结果不完全一致,表明不同温度下影响棉花种子萌发的机理可能不同,进一步说明建立萌芽期棉花种子萌发鉴定评价简易体系具有重要意义。相关分析结果发现,低温下除了平均发芽速度与种子萌发耐冷性不相关外,其它指标均对棉花种子萌发有极显著的影响,而且两两之间极显著正相关,采用逐步回归分析的方法分别建立了萌芽期不同低温胁迫的棉花种子耐冷性鉴定评价模型。研究还发现,15℃和25℃的棉花种子萌发力鉴定结果的显著正相关,且不同温度下棉花种子萌芽耐冷性鉴定结果对萌芽期棉花种子耐冷性鉴定的影响程度依次为15℃,25℃和20℃,表明15℃是影响棉花种子萌发的关键温度,可作为萌芽期种子萌发耐冷