生態(tài)環(huán)境對陸地棉品種主要產(chǎn)量和質(zhì)量性狀的影響及其穩(wěn)定性分析

孔德培 拜克熱?斯迪克 王艷 龔舉武

摘要 為了研究陸地棉品種主要性狀在新疆不同生態(tài)區(qū)域的變異和產(chǎn)量的穩(wěn)定性，選用10個陸地棉品種分別在5個試驗點進(jìn)行種植，分析了不同生態(tài)環(huán)境下陸地棉主要性狀的變異規(guī)律，并利用GGE雙圖標(biāo)分析了籽棉和皮棉產(chǎn)量的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，不同環(huán)境下各陸地棉品種的質(zhì)量和產(chǎn)量性狀變幅很大，不同環(huán)境下各性狀表現(xiàn)有差異，變異系數(shù)最小的是纖維的整齊度指數(shù)，其次是衣分和纖維的上半部平均長度;棉花品質(zhì)性狀的上半部平均長度、斷裂比強度和馬克隆值表現(xiàn)為環(huán)境效應(yīng)大于基因型效應(yīng)和G×E互作效應(yīng);其他性狀均表現(xiàn)為基因型效應(yīng)大于環(huán)境效應(yīng)和G×E互作效應(yīng);籽棉產(chǎn)量和纖維的斷裂比強度G×E互作效應(yīng)最大，籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量分別運用GGE-biplot可以有效地解釋G和GE互作的86.54%和84.87%的變異;中棉XP5和中棉XP4是高產(chǎn)類型品種;中MB13017是優(yōu)質(zhì)品種;棉花品質(zhì)性狀主要受環(huán)境的影響，而基因型則決定棉花產(chǎn)量，單鈴重、衣分和馬克隆值受G×E互作共同影響，衣分、纖維的整齊度指數(shù)和上半部平均長度受基因的遺傳特性所控制，可以通過優(yōu)化栽培條件顯著提高纖維整齊度和長度以及衣分，從而奪取棉花優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)。

關(guān)鍵詞 陸地棉;基因型;G×E互作;GGE雙圖標(biāo)

中圖分類號 S562文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）24-0022-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.24.007

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Effects of Ecological Conditions on Major Yield and Quality Characters of Upland Cotton and Their Stability Analysis

KONG Depei1，Baikere·sidike2，WANG Yan3 et al（1.State Key Laboratory of Cotton Biology，Institute of Cotton Research of Chinese Academy of Agricultural Sciences，Anyang，Henan 455000;2.Center of Seed Industry，Department of Agriculture and Rural Affairs of Xinjiang，Urumqi，Xinjiang 830000;3.Xinjiang China Cotton Seed Industry Co.，Ltd.，Akesu ，Xinjiang 843000）

Abstract In order to study the variations of major quality traits and yield stability of upland cotton varieties in different ecological conditions of Xinjiang，10 upland cotton varieties were planted in 5 experimental sites.The variations of major characters of upland cotton under different ecological environments were analyzed，and the stability of seed cotton yield and lint yield was analyzed by using GGEbiplot.The results showed that the traits showed wide variation ranges in different environments，and different traits performed differently in different environments.Fiber uniformity had the smallest coefficient of variations，followed by lint percentage and fiber length.Fiber length，fiber strength and fiber micronaire showed greater environmental effects than genotype effects and G × E interaction effects.All other traits showed greater genotype effect than environment effect and G × E interaction effect.Seed cotton yield and fiber strength had the largest G × E interaction effect，GGE biplot could effectively explain 86.54% and 84.87% variation of G and GE interaction in seed yield and lint yield，respectively.Zhongmian XP5 and Zhongmian XP4 were highyield varieties;Zhong MB 13017 was highquality variety.Results showed that cotton quality traits were mainly affected by environment，while genotype was the determinant of cotton yield.Single boll weight，lint percentage and micronaire were affected by the interaction of G × E.fiber uniformity，lint percentage and fiber length were controlled by genetic factors.It is demonstrated that fiber uniformity and length and lint percentage could be significantly improved by optimizing cultivation conditions，and thus obtained high quality and yield of cotton.

Key words Upland cotton;Genotype;Genotype×environment interactions;GGEbiplot

棉花是世界上重要的經(jīng)濟作物，在中國和世界經(jīng)濟發(fā)展中占據(jù)重要地位[1]，它不僅是重要的纖維作物，也是我國重要的經(jīng)濟和油料作物之一[2]，在國民經(jīng)濟中的地位舉足輕重[3]。2019年全國棉花總產(chǎn)量588.9萬t，其中新疆棉花產(chǎn)量500.2萬t，因此新疆棉花產(chǎn)量占全國的84.9%[4-5]。

棉花的產(chǎn)量及纖維品質(zhì)性狀是復(fù)雜的數(shù)量性狀，易受基因型和環(huán)境共同影響，了解棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)性狀的遺傳特性對棉花育種具有極其重要的指導(dǎo)意義，因此同時改良陸地棉產(chǎn)量和提高纖維品質(zhì)成為育種工作者集中關(guān)注的問題。近年來，我國糧棉生產(chǎn)爭地矛盾突出，棉花面積萎縮，生產(chǎn)成本較高，棉花育種的主要任務(wù)是選育在一定條件下栽培產(chǎn)量高、品質(zhì)優(yōu)良的新品種。李成奇等[6]研究表明，陸地棉產(chǎn)量及其構(gòu)成因素都有較高的遺傳主效應(yīng)方差，受加性效應(yīng)和顯性效應(yīng)共同控制。楊昶等[7]研究了纖維品質(zhì)和產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀。葉禎維等[8]研究結(jié)果表明，雜種F1纖維品質(zhì)表現(xiàn)突出，在分離群體中，各性狀均存在大量的超親變異，衣分與纖維長度及強度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與馬克隆值呈極顯著正相關(guān)，說明棉花產(chǎn)量與品質(zhì)間的同步改良仍有困難。劉艷改[9]研究表明，性狀的表現(xiàn)均受隨機誤差影響，但主要由遺傳主效應(yīng)及其與環(huán)境互作效應(yīng)控制，產(chǎn)量及其構(gòu)成性狀的顯性方差占表型方差的比例為20.9%～59.2%;纖維品質(zhì)性狀主要由遺傳主效應(yīng)控制，同時受環(huán)境影響較大;其中衣分、子指、衣指、果枝數(shù)、纖維上半部平均長度、馬克隆值、伸長率和比強度的狹義遺傳率為10.7%～45.7%。

易先輝[10]指出，利用AMMI模型的分析結(jié)果能更有效地解釋基因與環(huán)境間的互作，從而提高綜合評價參試品種穩(wěn)定性的能力。何叔軍等[11]研究表明，各品種（系）皮棉產(chǎn)量的基因型、環(huán)境、G×E效應(yīng)均達(dá)極顯著水平。李武等[12]研究表明，中716和魯棉2153屬高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)性好的品系;中804具有特殊適應(yīng)性，在局部地區(qū)有推廣價值。王士杰等[13]研究表明，05-1441和97G1是區(qū)分能力和代表性最好的親本。胡國祥等[14]研究表明，馬克隆值、伸長率是受環(huán)境影響最大的因素，品種間差異大，改良研究與推廣應(yīng)用時應(yīng)注意G×E效應(yīng)。許乃銀等[15]分析了區(qū)域試驗材料，結(jié)果表明長江流域棉區(qū)大致可劃分為4個基于纖維比強度選擇的品種生態(tài)區(qū);在纖維品質(zhì)的綜合表現(xiàn)上，北疆棉區(qū)、長江下游、長江上游和南疆棉區(qū)的纖維品質(zhì)綜合表現(xiàn)最好，淮北平原、長江中游和南襄盆地次之，而華北平原和黃土高原稍差[16-24]。金石橋等[25]研究表明，長江流域棉區(qū)大致可劃分為基于纖維上半部平均長度選擇的3個品種生態(tài)區(qū)。唐淑榮等[26-27]研究表明，紡紗均勻性指數(shù)與纖維上半部平均長度、比強度和整齊度指數(shù)呈極顯著或顯著正相關(guān);西北內(nèi)陸棉區(qū)早熟組纖維品質(zhì)性狀可劃分為3個生態(tài)區(qū)，西北內(nèi)陸棉區(qū)早中熟組品質(zhì)性狀由優(yōu)質(zhì)到普通亦可劃分為3個生態(tài)區(qū)，生態(tài)試點的表現(xiàn)可劃分為3個特征明顯的纖維品質(zhì)生態(tài)區(qū)。在此基礎(chǔ)上，筆者選取了10個不同陸地棉品種為試驗材料，在新疆的石河子、溫宿、45團(tuán)、阿拉爾和125團(tuán)5個環(huán)境進(jìn)行種植，研究不同環(huán)境下陸地棉品種主要產(chǎn)量與品質(zhì)性狀的變異規(guī)律，以便為篩選出某一優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)積累的特定栽培區(qū)種植區(qū)提供理論依據(jù)，從而實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)棉花品種區(qū)域化生產(chǎn)，進(jìn)一步為不同生態(tài)環(huán)境條件下互相引種和推廣提供科學(xué)依據(jù)，對加快我國優(yōu)質(zhì)棉的發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用10個優(yōu)質(zhì)棉品種種子均由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所和中棉種業(yè)有限公司提供，包括新陸中42、中MB13017、中MB1502、中棉15257、中棉529、中棉XP4、中棉XP5、中棉ZS11、中優(yōu)163和中優(yōu)1702。

1.2 試驗方法

試驗于2018年4月上中旬分別在新疆的石河子、溫宿、45團(tuán)、阿拉爾和125團(tuán)5個環(huán)境進(jìn)行種植，采用統(tǒng)一的種植技術(shù)。每個品種按照隨機區(qū)組設(shè)計進(jìn)行種植，每個試驗點重復(fù)3次，設(shè)置1個當(dāng)?shù)仄贩N為對照（新陸早61），每個小區(qū)面積在22 m2。8月中下旬調(diào)查棉花黃萎病發(fā)病，計算病指;2018年10月上旬收取中部花，混收50個棉鈴，室內(nèi)稱取籽棉質(zhì)量（g）、皮棉質(zhì)量（g），用于分析產(chǎn)量及纖維品質(zhì)測定產(chǎn)量性狀，包括鈴重和衣分。纖維品質(zhì)統(tǒng)一送農(nóng)業(yè)農(nóng)村部棉花品質(zhì)檢驗檢測中心采用HFT90000儀器測定（HVICC校準(zhǔn)），包括上半部平均長度、比強度、馬克隆值、伸長率、整齊度指數(shù)等。10月中下旬分別收取每個品種的籽棉重量并記錄。

1.3 數(shù)據(jù)處理 采用Excel 2007和R軟件包GGEBiplot GUI中的GGE模型雙圖標(biāo)分析不同品種的基因型與環(huán)境互作效應(yīng)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同環(huán)境下各陸地棉品種主要性狀的比較 由表1可知，不同環(huán)境下各陸地棉品種主要性狀的變幅很廣，最大值和最小值均呈倍數(shù)關(guān)系。棉花主要性狀在基因型間存在極顯著差異。4個不同環(huán)境中，黃萎相對病情指數(shù)在基因型間的變異系數(shù)最大，均超過35.00%，最大變異系數(shù)為49.43%，出現(xiàn)在溫宿試驗點;而纖維的整齊度指數(shù)的變異系數(shù)最小，都不足2.00%，最小變異系數(shù)為0.89%，也出現(xiàn)在溫宿試驗點。其中，纖維品質(zhì)性狀的上半部平均長度、斷裂比強度和馬克隆值均在125團(tuán)環(huán)境，棉花抗病性狀黃萎病相對病情指數(shù)、產(chǎn)量性狀的衣分、籽棉和皮棉產(chǎn)量均在溫宿環(huán)境，產(chǎn)量性狀的單鈴重和纖維性狀的纖維整齊度指數(shù)在阿拉爾環(huán)境，表明在不同環(huán)境下各性狀有差異。

從表2可以看出，中棉XP5和中棉XP4的籽棉和皮棉產(chǎn)量最高，纖維的上半部平均長度大于30.0 mm，斷裂比強度大于28.0 cN/tex，馬克隆值在II級，是高產(chǎn)類型品種;中MB13017品種的纖維品質(zhì)最好，上半部平均長度達(dá)34 mm，斷裂比強度大于36.2 cN/tex，馬克隆值為I級， 產(chǎn)量為中等水平，可以用做優(yōu)質(zhì)專用棉。

2.2 不同環(huán)境下各陸地棉品種主要產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的方差分析

由表3可知，5個環(huán)境的棉花品種的基因型、環(huán)境以及基因型與環(huán)境互作均在0.01水平達(dá)到顯著差異。從F值大小可以得出，棉花品質(zhì)性狀的上半部平均長度、斷裂比強度和馬克隆值表現(xiàn)為環(huán)境效應(yīng)大于基因型效應(yīng)和基因型×環(huán)境

互作效應(yīng);其他性狀均表現(xiàn)為基因型效應(yīng)大于環(huán)境效應(yīng)和基因型×環(huán)境互作效應(yīng);籽棉產(chǎn)量和纖維的斷裂比強度受基因型×環(huán)境互作效應(yīng)最大，說明棉花品質(zhì)性狀主要受環(huán)境的影響，而基因型則決定棉花產(chǎn)量，其次是單鈴重、衣分和馬克隆值受基因型×環(huán)境互作共同影響。

2.3 各陸地棉品種適宜種植區(qū)域的劃分

采用品種與環(huán)境的互作來說明各環(huán)境產(chǎn)量最高的品種（圖1）。通過中心對5條邊做5條垂線，將雙標(biāo)圖分為5個扇區(qū)，品種在5個扇區(qū)均有分布，籽棉和皮棉產(chǎn)量環(huán)境均分為3個扇區(qū)，45團(tuán)、阿拉爾和石河子為1組，溫宿和125團(tuán)各為1組。分析得出，中棉XP5的籽棉和皮棉產(chǎn)量在45團(tuán)、阿拉爾和石河子環(huán)境下產(chǎn)量最高。

2.4 各陸地棉品種的產(chǎn)量穩(wěn)定性分析品種與環(huán)境互作的GGE 模型分析得出，以環(huán)境的第一主成分為X 軸，以第二主成分為Y 軸，品種點和平均環(huán)境軸做1條垂線，繪制出品種適應(yīng)性曲線圖（圖2）。籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量分別運用GGE-biplot可以有效地解釋G和GE互作的86.54%和84.87%的變異。環(huán)境平均軸所指的方向是品種在所有環(huán)境下的近似平均產(chǎn)量的走向，可以看出中棉XP5的籽棉和皮棉產(chǎn)量最高，其次是中優(yōu)1702，中優(yōu)163接近試驗品種的平均值。

通過中心（原點）與平均軸垂直的線代表各品種與各環(huán)境相互作用的傾向性，品種與平均環(huán)境軸之間的垂線越長，表示品種越不穩(wěn)定。由此可知，中棉15257籽棉產(chǎn)量和新陸中42（線段最長）的皮棉產(chǎn)量最不穩(wěn)定，而較穩(wěn)產(chǎn)的是中MB1502、中優(yōu)163、中棉XP4和中MB13017，他們與平均環(huán)境軸的垂線較短。綜合品種產(chǎn)量和穩(wěn)定的指標(biāo)可以看出，中棉XP4、中棉XP5是較高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的品種;而中棉15257雖然高產(chǎn)，但是不穩(wěn)產(chǎn);中MB1502雖然穩(wěn)產(chǎn)，但是產(chǎn)量不很高。

3 結(jié)論與討論

2019年新疆棉花產(chǎn)量繼續(xù)保持全國最高，雖較2018年下降2.1%，但占全國總產(chǎn)量比重同比增加1.1百分點，達(dá)84.9%[4-5]。新疆棉區(qū)是我國優(yōu)質(zhì)棉的優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)，棉花的單產(chǎn)潛力很大，品質(zhì)優(yōu)勢顯著，棉花是該區(qū)農(nóng)民收入的重要來源。

棉花產(chǎn)量與纖維品質(zhì)受遺傳和環(huán)境因素雙重影響，同時受環(huán)境與基因互作效應(yīng)影響，是生物學(xué)特性和自然規(guī)律的互作，對選育能抵抗不良環(huán)境的廣泛適應(yīng)性或特殊適應(yīng)性品種具有重要意義[28]。不同生態(tài)環(huán)境條件下，黃萎病的相對病情指數(shù)的變異系數(shù)最大，均超過35.00%，最大變異系數(shù)為49.43%，平均變異系數(shù)為42.04%，纖維的整齊度指數(shù)的變異系數(shù)最小，都不足2.00%，最小變異系數(shù)為0.89%，平均為1.18%。各性狀的變異系數(shù)從大到小依次為黃萎病相對病情指數(shù)>皮棉產(chǎn)量>籽棉產(chǎn)量>馬克隆值>單鈴重>斷裂比強度>纖維上半部平均長度>衣分>整齊度指數(shù)，表明纖維的整齊度指數(shù)、衣分和纖維上半部平均長度被基因的遺傳特性所控制，而受不同生態(tài)環(huán)境條件及栽培條件的影響較小，人為促變的難度較大。通過優(yōu)化栽培條件，各生態(tài)點可顯著提高纖維整齊度和長度以及衣分，達(dá)到棉花優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)，這與陳榮江等[29]研究結(jié)果衣分與鈴重為品種固有的遺傳特性所控制基本一致。此外，得出中棉XP5和中棉XP4是高產(chǎn)類型品種;而中MB13017為優(yōu)質(zhì)品種。

目前，研究人員多側(cè)重于對陸地棉區(qū)域試驗的產(chǎn)量與品質(zhì)性狀的基因型與環(huán)境互作效應(yīng)和生態(tài)區(qū)劃分[14-27]，而對新疆維吾爾自治區(qū)陸地棉品種產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的研究較少。隨著我國棉花產(chǎn)業(yè)的戰(zhàn)略布局的推進(jìn)，新疆棉花產(chǎn)量占全國的84.9%[4-5]，2019年通過對喀什地區(qū)主推品種調(diào)研發(fā)現(xiàn)，喀什地區(qū)主推棉花品種衣分多在45.0%以上，纖維長度平均為28.5 mm，斷裂比強度為26.2 cN/tex，難以滿足現(xiàn)代紡紗工業(yè)的需求。該研究發(fā)現(xiàn)，棉花品質(zhì)性狀的上半部平均長度、斷裂比強度和馬克隆值表現(xiàn)為環(huán)境效應(yīng)大于基因型效應(yīng)和基因型×環(huán)境互作效應(yīng);其他性狀均表現(xiàn)為基因型效應(yīng)大于環(huán)境效應(yīng)和基因型×環(huán)境互作效應(yīng);籽棉產(chǎn)量和纖維的斷裂比強度基因型×環(huán)境互作效應(yīng)最大，這表明棉花品質(zhì)性狀主要受環(huán)境的影響，而基因型則決定棉花產(chǎn)量，單鈴重、衣分和馬克隆值受基因型×環(huán)境互作共同影響。因此，陸地棉纖維品質(zhì)性狀受氣候條件和管理水平的影響較大，這對優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)棉花品種的區(qū)域化生產(chǎn)及優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的棉花品種選育有一定的指導(dǎo)意義。

目前，我國農(nóng)業(yè)面臨著人口不斷增加和耕地資源不斷減少的雙重壓力，隨著生物技術(shù)的發(fā)展，通過現(xiàn)代育種技術(shù)大幅度提高棉花單產(chǎn)成為緩解以上壓力的重要手段。提高棉花纖維產(chǎn)量和品質(zhì)以滿足棉花生產(chǎn)者和紡織業(yè)的要求是棉花育種工作者面臨的一個長期挑戰(zhàn)。高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)穩(wěn)產(chǎn)是品種推廣和選育的首要目標(biāo)。品種的穩(wěn)定性評價一直采用 Eberhart 和 Russell 的回歸系數(shù)法[30]，此外也有其他多種估算方法，但各具不同的評估側(cè)重點[31]。用高穩(wěn)系數(shù)法[32]分析了國家抗蟲棉聯(lián)試的11個參試品種（系）的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性，結(jié)果表明采用高穩(wěn)系數(shù)分析棉花新品種（系）高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)比較準(zhǔn)確簡便。任愛民等[33]評價了邯6203的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性，同時驗證了高穩(wěn)系數(shù)法可以兼顧參試品種的高產(chǎn)性和穩(wěn)產(chǎn)性，是進(jìn)行棉花品種高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)性評價的一種較準(zhǔn)確、簡便和實用的方法?？茖W(xué)評價品種的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和適應(yīng)性有助于提高新品種的選育和應(yīng)用效率[34]。GGE雙圖標(biāo)模型在區(qū)域試驗廣泛應(yīng)用，它能綜合考慮主效應(yīng)和互作效應(yīng)，其圖形能直觀簡潔地表達(dá)分析結(jié)果。該研究利用GGE雙圖標(biāo)分析了棉花品種在新疆的適宜種植區(qū)域劃分，并開展了不同品種的產(chǎn)量穩(wěn)定性分析，結(jié)果表明籽棉和皮棉產(chǎn)量環(huán)境均分為3個扇區(qū)，45團(tuán)、阿拉爾和石河子為1組，溫宿和125團(tuán)各為1組，中棉XP5的籽棉和皮棉產(chǎn)量在45團(tuán)、阿拉爾和石河子環(huán)境下產(chǎn)量最高;籽棉產(chǎn)量和皮棉產(chǎn)量分別運用GGE-biplot可以有效地解釋G和GE互作的86.54%和84.87%的變異。綜合品種產(chǎn)量和穩(wěn)定的指標(biāo)，可以得出中棉XP4、中棉XP5是較高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的品種。

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