棉花重組自交系群體重要農(nóng)藝性狀的遺傳分析

李丹 ，裴文鋒 ，宋吉坤 ，吳嫚 ，劉國(guó)元 ，臧新山 ，Zhang Jinfa，于霽雯 *

（1.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所/棉花生物學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 安陽(yáng) 455000；2.Department of Plant and Environmental Sciences,New Mexico State University,Las Cruces,NM 88003,USA）

棉花作為重要的經(jīng)濟(jì)作物之一，在提供世界上最大量的天然紡織纖維的同時(shí)，也為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展提供了重要保障。高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的新品種成為現(xiàn)代棉花育種的主要目標(biāo)。由于陸地棉遺傳基礎(chǔ)狹窄，要進(jìn)一步提高陸地棉產(chǎn)量、品質(zhì)須引入其他棉花種質(zhì)。愛(ài)字棉材料在改良過(guò)程中滲入了海島棉種質(zhì)，并注重選育、保持和積累優(yōu)良的纖維品質(zhì)基因，在纖維品質(zhì)、黃萎病抗性等方面表現(xiàn)優(yōu)異，自20 世紀(jì)50年代以來(lái)，已被廣泛用作棉花品種培育的親本[1－2]。

對(duì)棉花產(chǎn)量、纖維品質(zhì)、株型性狀的研究前人已有報(bào)道，孫振剛等[3]對(duì)27 個(gè)陸地棉種質(zhì)的農(nóng)藝性狀進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)單株成鈴數(shù)在各材料間變化較大而纖維品質(zhì)性狀變化較?。灰鼤?huì)會(huì)等[4]對(duì)134 份國(guó)外陸地棉種質(zhì)農(nóng)藝性狀進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)馬克隆值在各材料間變異系數(shù)最大，霜前衣分的遺傳多樣性最高；李慧琴等[5]對(duì)270 份陸地棉種質(zhì)農(nóng)藝性狀進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)衣分與株高、斷裂比強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)，與果枝數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。上述研究多運(yùn)用種質(zhì)資源材料，而對(duì)棉花農(nóng)藝性狀的遺傳解析也可運(yùn)用經(jīng)典遺傳作圖群體，如林忠旭等[6]對(duì)棉花F2:3群體進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，衣分與纖維長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度、整齊度存在極顯著相關(guān)；黃聰?shù)萚7]對(duì)棉花MAGIC（Multi-parent advanced generation inter-cross） 群體進(jìn)行方差分析發(fā)現(xiàn)，鈴數(shù)和衣分受遺傳效應(yīng)和環(huán)境效應(yīng)影響顯著，開(kāi)花期和株高受環(huán)境效應(yīng)影響顯著。也有人利用雙列雜交群體研究農(nóng)藝性狀的顯性、加性模型，如劉艷改等[8]研究指出纖維品質(zhì)的遺傳主要受加性、顯性和加性與環(huán)境互作效應(yīng)控制，趙樹(shù)琪等[9]研究指出株高的最佳模型為1 對(duì)加性-顯性主基因與加性-顯性-上位性多基因控制的混合模型。經(jīng)典遺傳作圖群體中重組自交系群體，因其子代基因型已經(jīng)達(dá)到純合，可通過(guò)設(shè)置重復(fù)及多環(huán)境試驗(yàn)，把區(qū)組效應(yīng)、環(huán)境效應(yīng)和隨機(jī)誤差分解出來(lái)，以便準(zhǔn)確的測(cè)定每個(gè)系的表型值變化趨勢(shì)[10-11]。王芙蓉[12]利用棉花RIL 群體對(duì)纖維品質(zhì)及產(chǎn)量性狀進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)衣分、纖維長(zhǎng)度的遺傳效應(yīng)最高；張培通等[13]利用棉花RIL 群體研究了泗棉3 號(hào)高產(chǎn)性狀的遺傳規(guī)律，并指出對(duì)于受環(huán)境影響較大的性狀，需進(jìn)行多環(huán)境研究；汪保華等[14]利用棉花RIL群體對(duì)產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因子進(jìn)行解析，得出鈴數(shù)對(duì)皮棉產(chǎn)量貢獻(xiàn)最大，并提出在棉花育種上可優(yōu)先考慮單株鈴數(shù)并結(jié)合其它產(chǎn)量構(gòu)成因素進(jìn)行品種選育。

本研究以豐產(chǎn)、 穩(wěn)產(chǎn)抗蟲(chóng)棉魯棉研28 作為母本，與美國(guó)優(yōu)質(zhì)棉材料愛(ài)字棉73003 進(jìn)行雜交，通過(guò)單粒傳法構(gòu)建了一個(gè)穩(wěn)定的RIL 群體。本研究利用該群體進(jìn)行產(chǎn)量性狀、纖維品質(zhì)性狀和株型性狀的分析和評(píng)價(jià)，為后續(xù)分子標(biāo)記輔助育種提供參考信息。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料選取山東棉花研究中心與中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院生物技術(shù)研究所共同選育的魯棉研28 為母本材料，將其與優(yōu)質(zhì)的美國(guó)愛(ài)字棉73003 雜交，并自交6 代，獲得一個(gè)含126 個(gè)株系的RIL(Recombinant inbred lines) 群體 （魯棉研 28×73003 RIL 群體）。2017年將該RIL 群體分別種植于河南安陽(yáng)（E1）、河北邢臺(tái)（E2）、新疆阿拉爾（E3）、新疆石河子（E4），四月下旬播種，群體在 E1、E2、E3 行長(zhǎng) 2 m，行寬 0.8 m，單行播種；E1、E3 種植 2 重復(fù)，E2種植 1 重復(fù)；E4 行長(zhǎng) 1.5 m，行寬 0.8 m，雙行，田間2 重復(fù)。待棉苗長(zhǎng)出第 2 片真葉后，E1、E2 定苗 12株，E3、E4 定苗 24 株。常規(guī)管理，調(diào)查時(shí)以實(shí)際株數(shù)為準(zhǔn)。

1.2 試驗(yàn)方法

2017年7月至8月對(duì)各環(huán)境株系進(jìn)行田間性狀調(diào)查。所調(diào)查性狀包括：株高、第一果枝高度、果枝數(shù)，計(jì)算平均果枝間距＝（株高－第一果枝高度）/（果枝數(shù)－1）。于 2017年 10月調(diào)查單株鈴數(shù)，收取20 個(gè)中部自然成鈴和株行產(chǎn)量，曬干后進(jìn)行室內(nèi)考種，計(jì)算鈴重、衣分、單株產(chǎn)量、單位面積產(chǎn)量，其中單株產(chǎn)量=株行產(chǎn)量/實(shí)際株數(shù)。株系和親本纖維樣品送農(nóng)業(yè)部棉花品質(zhì)檢驗(yàn)中心，用HVI900測(cè)定纖維品質(zhì)的五項(xiàng)指標(biāo)，包括：上半部平均長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度、馬克隆值、纖維整齊度和纖維伸長(zhǎng)率。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用 Microsoft Excel 2010 和 SPSS 19.0 軟件對(duì)群體進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)性分析，用QTL IciMapping 4.0 進(jìn)行方差分析、遺傳力分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 描述性統(tǒng)計(jì)分析

2.1.1雙親各性狀表現(xiàn)。對(duì)群體進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析（見(jiàn)表1）發(fā)現(xiàn)，在四個(gè)環(huán)境中，魯棉研28 表現(xiàn)為鈴重大、衣分高、產(chǎn)量高，73003 表現(xiàn)為鈴重小、衣分低、 鈴數(shù)多；73003 纖維品質(zhì)優(yōu)于魯棉研28；73003 株高、第一果枝高度、果枝數(shù)和平均果枝間距均高于魯棉研28。由以上分析可知，73003 具有較好的纖維品質(zhì)和株型優(yōu)勢(shì)，魯棉研28 具有良好的豐產(chǎn)優(yōu)勢(shì)。

2.1.2群體各性狀在不同地點(diǎn)的表現(xiàn)。對(duì)群體在四個(gè)環(huán)境的性狀表現(xiàn)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，群體在E1 表現(xiàn)為鈴重最小、衣分最低、鈴數(shù)最多、單株產(chǎn)量居中、單位面積產(chǎn)量最小、斷裂比強(qiáng)度和整齊度最高、伸長(zhǎng)率最低、株高、第一果枝高度、果枝數(shù)最高；在E2 表現(xiàn)為鈴重最大、衣分偏低、鈴數(shù)較多、單株產(chǎn)量最高、單位面積產(chǎn)量較高、上半部平均長(zhǎng)度和斷裂比強(qiáng)度最低、馬克隆值最高、平均果枝間距最大、第一果枝高度最低；在E3 表現(xiàn)為鈴重較大、衣分最高、鈴數(shù)最少、單株產(chǎn)量最低、單位面積產(chǎn)量較低、上半部平均長(zhǎng)度和伸長(zhǎng)率最高、株高、果枝數(shù)和平均果枝間距最低； 在E4 表現(xiàn)為鈴重較低、 衣分較高、鈴數(shù)較少、單株產(chǎn)量居中、單位面積產(chǎn)量最高、馬克隆值和整齊度最低。

2.1.3群體各性狀超親及變異分析。對(duì)群體在四個(gè)環(huán)境超親比例的均值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量性狀中，鈴重超親比例最低，為8.53%，單位面積產(chǎn)量最高，為34.53%，其余3 個(gè)性狀依次為鈴數(shù)（25.40%）＞單株產(chǎn)量（24.61%）＞衣分（21.03%）；纖維品質(zhì)性狀中，斷裂比強(qiáng)度超親比例最低（15.28%），馬克隆值最高 （45.83%），其余 3 個(gè)性狀依次為伸長(zhǎng)率（39.49%）＞上半部平均長(zhǎng)度（37.11%）＞整齊度指數(shù)（29.96%）；株型性狀中，果枝數(shù)超親比例最低，為10.30%，平均果枝間距最高，為20.37%，其余兩個(gè)性狀為第一果枝高度（20.11%）＞株高（18.52%）。對(duì)群體在4 個(gè)環(huán)境變異系數(shù)的均值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量性狀中，單株產(chǎn)量（28.80%）＞鈴數(shù)（26.78%）＞單位面積產(chǎn)量（25.95%）＞鈴重（9.16%）＞衣分（5.13%）；纖維品質(zhì)性狀中馬克隆值（8.48%）＞斷裂比強(qiáng)度（6.42%）＞上半部平均長(zhǎng)度（4.29%）＞伸長(zhǎng)率（2.57%）＞整齊度指數(shù)（1.45%）；株型性狀中平均果枝間距（12.40%）＞第一果枝高度（11.95%）＞果枝數(shù)（10.30%）＞株高（9.67%）。三類(lèi)性狀整體變異系數(shù)大小表現(xiàn)為：產(chǎn)量性狀＞株型性狀＞纖維品質(zhì)性狀。超親分析和變異分析表明群體內(nèi)部存在豐富的遺傳變異。

表1 魯棉研28×73003 RIL 群體各性狀描述性統(tǒng)計(jì)分析

表1 （續(xù)）

2.2 各性狀在4個(gè)地點(diǎn)的方差分析

對(duì)群體各性狀進(jìn)行方差分析，由表2 可知，各性狀受環(huán)境的影響均達(dá)到極顯著水平，其中株高、果枝數(shù)、鈴重受環(huán)境的影響最大，斷裂比強(qiáng)度和第一果枝高度受環(huán)境影響相對(duì)較小。在所有的14 個(gè)性狀中有11 個(gè)性狀受基因型的影響達(dá)極顯著水平，其中上半部平均長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度、馬克隆值和衣分受基因型影響最大。鈴數(shù)和單株產(chǎn)量受基因型的影響未達(dá)到顯著水平。從以上分析可知，產(chǎn)量性狀和株型性狀受環(huán)境影響較大，而纖維品質(zhì)性狀受環(huán)境影響相對(duì)較??； 產(chǎn)量性狀與纖維品質(zhì)性狀受基因型影響較大，株型性狀受基因型影響相對(duì)較小。

2.3 相關(guān)性分析

2.3.1產(chǎn)量性狀和纖維品質(zhì)性狀之間的相關(guān)性。由表3 可知，鈴重與馬克隆值、整齊度指數(shù)呈極顯著正相關(guān)；衣分與上半部平均長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度和整齊度指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，與馬克隆值、伸長(zhǎng)率呈極顯著正相關(guān)； 單株產(chǎn)量與馬克隆值呈顯著正相關(guān)，與整齊度指數(shù)呈極顯著正相關(guān)；鈴數(shù)和單位面積產(chǎn)量與纖維品質(zhì)各性狀之間沒(méi)有顯著相關(guān)關(guān)系。由以上分析可知，鈴重和單株產(chǎn)量的提高會(huì)使馬克隆值變大，但又會(huì)使整齊度提高，衣分的提高會(huì)極顯著地降低纖維長(zhǎng)度、強(qiáng)度，體現(xiàn)了產(chǎn)量性狀與纖維品質(zhì)性狀之間的矛盾。

2.3.2產(chǎn)量性狀和株型性狀之間的相關(guān)性。由表4可知，鈴重與第一果枝高度呈顯著正相關(guān)；衣分與第一果枝高度呈顯著負(fù)相關(guān)；鈴數(shù)與果枝數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與平均果枝間距呈極顯著負(fù)相關(guān)；單位面積產(chǎn)量與株高和果枝數(shù)呈顯著正相關(guān)。由以上分析可知，株高和果枝數(shù)的提高將極顯著的增加單位面積產(chǎn)量，果枝數(shù)的增多極顯著的增加鈴數(shù)，平均果枝間距的提高將極顯著地減少鈴數(shù)，第一果枝高度的提高將顯著提高鈴重。

表2 魯棉研28×73003 RIL 群體各性狀方差分析

表3 魯棉研28×73003 RIL 群體產(chǎn)量性狀和纖維品質(zhì)性狀之間的相關(guān)性

表4 魯棉研28×73003 RIL 群體產(chǎn)量性狀和株型性狀之間的相關(guān)性

2.3.3纖維品質(zhì)性狀和株型性狀之間的相關(guān)性。表5 可知，整齊度指數(shù)與第一果枝高度呈極顯著正相關(guān)； 伸長(zhǎng)率與第一果枝高度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與平均果枝間距呈顯著負(fù)相關(guān)；伸長(zhǎng)率與果枝數(shù)呈極顯著正相關(guān)。由以上分析可知，第一果枝高度的提高將極顯著的提高整齊度指數(shù)，同時(shí)降低伸長(zhǎng)率；平均果枝間距的增大將極顯著降低伸長(zhǎng)率，果枝數(shù)的增多將極顯著提高伸長(zhǎng)率。

表5 魯棉研28×73003 RIL 群體纖維品質(zhì)性狀和株型性狀之間的相關(guān)性

2.4 遺傳力分析

對(duì)群體各性狀進(jìn)行遺傳力分析（表6），從表中數(shù)據(jù)可知衣分、上半部平均長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度、馬克隆值4 個(gè)性狀的遺傳力最高，都在80%以上，表明這四個(gè)性狀受基因型的影響最大，環(huán)境的改變對(duì)其影響較??；其次是鈴重和整齊度指數(shù)，二者遺傳力均在65%以上，這兩個(gè)性狀受基因型的影響占總變異的一半以上，但同時(shí)也受到較大的環(huán)境影響；而單位面積產(chǎn)量、伸長(zhǎng)率、株高、第一果枝高度、果枝數(shù)、平均果枝間距遺傳力在25%～50%左右，表明這六個(gè)性狀受環(huán)境的影響占總變異的一半及以上，受基因型的影響較小；鈴數(shù)、單株產(chǎn)量?jī)蓚€(gè)性狀的遺傳力均小于15%，表明二者受環(huán)境影響很大。

表6 魯棉研28×73003 RIL 群體各性狀的遺傳力 %

2.5 優(yōu)異株系表現(xiàn)

根據(jù)NY/T1426-2007 《棉花纖維品質(zhì)評(píng)價(jià)辦法》[15]中關(guān)于優(yōu)質(zhì)棉的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)魯棉研 28×73003RIL 群體各株系進(jìn)行篩選，獲得同時(shí)在4 個(gè)環(huán)境表現(xiàn)優(yōu)異的9 個(gè)株系。這9 個(gè)株系在4 個(gè)環(huán)境中，纖維上半部平均長(zhǎng)度均處于30 mm 以上，屬中絨及中長(zhǎng)絨水平； 斷裂比強(qiáng)度均處于28 cN·tex－1以上，屬中等和較高水平；整齊度均達(dá)83%以上，屬較高水平。該9 個(gè)株系在四個(gè)環(huán)境的纖維品質(zhì)表現(xiàn)均達(dá)到優(yōu)質(zhì)棉范疇 （纖維品質(zhì)處于A 檔及以上），其中，第41 號(hào)株系在三個(gè)環(huán)境達(dá)AA 檔，一個(gè)環(huán)境達(dá)AAA 檔； 第17 號(hào)株系在三個(gè)環(huán)境達(dá)AA 檔，一個(gè)環(huán)境處于A 檔； 第62 號(hào)株系在兩個(gè)環(huán)境達(dá)AA檔，兩個(gè)環(huán)境處于 A 檔；第 36、50、109 號(hào)株系在一個(gè)環(huán)境達(dá) AA 檔，三個(gè)環(huán)境處于 A 檔； 第 40、55、11 5 號(hào)株系在四個(gè)環(huán)境均處于A檔。

3 討論與結(jié)論

國(guó)外種質(zhì)資源的引入將大大豐富我國(guó)棉花種質(zhì)資源的遺傳多樣性，但大部分國(guó)外種質(zhì)引入國(guó)內(nèi)時(shí)又會(huì)在氣候、成熟期、抗逆性等方面表現(xiàn)出適應(yīng)性較差的現(xiàn)象[4]，而將其與國(guó)內(nèi)栽培品種進(jìn)行雜交育種是利用國(guó)外種質(zhì)資源的重要途徑。本研究通過(guò)將美國(guó)優(yōu)質(zhì)棉材料愛(ài)字棉73003 與當(dāng)前生產(chǎn)上廣泛種植的高產(chǎn)抗性品種魯棉研28 構(gòu)建重組自交系群體，獲得9 個(gè)在4 個(gè)環(huán)境下均達(dá)到優(yōu)質(zhì)棉水平的株系，以期為棉花新品種選育提供參考。

變異系數(shù)是衡量一組數(shù)據(jù)變異程度的統(tǒng)計(jì)量，群體內(nèi)某一性狀變異系數(shù)越大，表明該性狀變異越豐富，個(gè)體間差異越大[16]。本研究中三類(lèi)性狀的變異系數(shù)表現(xiàn)為：產(chǎn)量性狀＞株型性狀＞纖維品質(zhì)性狀；產(chǎn)量性狀中單株產(chǎn)量＞鈴數(shù)＞單位面積產(chǎn)量＞鈴重＞衣分；纖維品質(zhì)性狀中馬克隆值＞斷裂比強(qiáng)度＞上半部平均長(zhǎng)度＞伸長(zhǎng)率＞整齊度指數(shù)；株型性狀中平均果枝間距＞第一果枝高度＞果枝數(shù)＞株高。以上結(jié)果表明，產(chǎn)量性狀在群體內(nèi)變異最為豐富，其次是株型性狀，而纖維品質(zhì)性狀表現(xiàn)最為穩(wěn)定，與吳翠翠等[17]的研究結(jié)果一致；在產(chǎn)量性狀中鈴數(shù)、單株產(chǎn)量變異最為豐富，而鈴重、衣分表現(xiàn)最為穩(wěn)定，與宿俊吉等[18]、馮新民等[19]的部分研究結(jié)果一致；在纖維品質(zhì)性狀中，馬克隆值、斷裂比強(qiáng)度變異最大，整齊度、伸長(zhǎng)率變異最小，與王林輝、朱明哲的部分研究結(jié)果一致[20－21]。

相關(guān)性分析中衣分與纖維上半部平均長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度、整齊度指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，與馬克隆值呈極顯著正相關(guān)，顯示出提高纖維品質(zhì)與增大衣分之間的矛盾，也說(shuō)明一味追求高產(chǎn)會(huì)導(dǎo)致纖維品質(zhì)的下降，所以在棉花高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)育種中要協(xié)調(diào)好衣分與纖維品質(zhì)之間的關(guān)系，這與田琴等[22]、王沛政等[23]的研究結(jié)果一致；鈴重和單株產(chǎn)量均與馬克隆值、整齊度存在正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明產(chǎn)量的增大會(huì)提高整齊度，但也會(huì)使馬克隆值增大，這與蘭孟焦等[24]的研究結(jié)果一致；株高與單位面積產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，說(shuō)明適當(dāng)?shù)奶岣咧旮哂欣谠黾赢a(chǎn)量，這與付遠(yuǎn)志等[25]的研究結(jié)果一致；第一果枝高度與鈴重呈極顯著正相關(guān)，可能是由于適當(dāng)提高第一果枝離地高度能夠增加田間通風(fēng)透光，提高光合效率，從而促進(jìn)棉鈴生長(zhǎng)，這與李繼軍等[26]的部分研究結(jié)果一致；果枝數(shù)與鈴數(shù)、單位面積產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，說(shuō)明果枝數(shù)的增多有利于鈴數(shù)的增加和單位面積產(chǎn)量的提高，這與付遠(yuǎn)志等[25]的部分研究結(jié)果一致。

遺傳力分析中，纖維品質(zhì)性狀具有較高的遺傳力，表明纖維品質(zhì)性狀受基因型的影響較大，因此，在棉花遺傳育種中按照纖維品質(zhì)表型數(shù)據(jù)進(jìn)行選育具有較高的可靠性；在產(chǎn)量性狀中衣分和鈴重的遺傳力最高，說(shuō)明這兩個(gè)性狀是遺傳改良過(guò)程中所要重點(diǎn)關(guān)注的，而鈴數(shù)、單株產(chǎn)量和單位面積產(chǎn)量受環(huán)境因素的影響更大些，說(shuō)明在品種培育以及推廣種植過(guò)程中輔之以高效的栽培措施，將會(huì)收到較好產(chǎn)量效果；株型性狀遺傳力均較一般，在育種過(guò)程中需要兼顧環(huán)境和基因型二者的共同作用，這與張忠波等[27]、齊海坤等[28]的部分研究結(jié)果一致。