206份棉花資源的優(yōu)選鑒定及聚類利用研究

唐中杰， 呂淑平， 李 武， 聶利紅， 王 舜， 謝德意

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所， 鄭州 450002；2.商丘市睢陽區(qū)經(jīng)濟作物技術(shù)推廣中心， 河南 商丘 476000)

我國年產(chǎn)原棉600萬t左右，產(chǎn)量占全球的29%，是第一大原棉生產(chǎn)國，然而每年仍有300萬t左右的進口需求，這既有產(chǎn)能不夠問題，更有品質(zhì)結(jié)構(gòu)問題[1]。隨著棉花機采模式的大面積利用，我國現(xiàn)有棉花品種逐漸暴露出機采棉品種少、適紡高支紗品種少、抗病品種缺乏、農(nóng)藝性狀不能與農(nóng)機相匹配等諸多問題[2,3]，生產(chǎn)上急需培育出一批農(nóng)藝性狀優(yōu)良、農(nóng)機農(nóng)藝相融合的新型棉花品種。因此，收集鑒定和分析性狀多樣、遺傳基礎(chǔ)廣泛的棉花種質(zhì)資源，為棉花的遺傳改良提供豐富的物質(zhì)材料就顯得尤為重要[4-6]。為此，本研究利用國家、河南省棉花產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系、國家棉花資源庫等交流平臺，收集地方老棉花品種以及全國、各省新審定的206份棉花資源，進行田間篩選、鑒定及聚類分析，以期為選育農(nóng)藝性狀優(yōu)良、適宜農(nóng)機發(fā)展的新型棉花品種籌備提供必要的物質(zhì)條件。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1資源收集

2015年4月15日前，通過國家棉花種質(zhì)資源庫、國家棉花產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系等交流平臺，共收集地方棉花品種以及全國、各省審定棉花品種206份。

1.1.2資源來源分類

把收集到的206份資源按地區(qū)來源分為4類：黃河流域棉區(qū)、長江流域棉區(qū)、西北內(nèi)陸棉區(qū)及其它地區(qū)(以下簡稱：其它)。從圖1可以看出，黃河流域棉區(qū)收集資源數(shù)最多，有98份；長江流域棉區(qū)次之；其它地區(qū)的棉花資源最少，有17份。

圖1 206份棉花資源來源分類

1.2 方 法

1.2.1田間種植

2018年4月22日，將206份資源種于河南現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗示范基地(新鄉(xiāng)市平原新區(qū))，隨機區(qū)組，2行區(qū)，重復(fù)2次，行長5 m，行間距0.9 m，株間距0.27 m，管理同大田管理。

1.2.2性狀調(diào)查與分析

參照NY/T 2323—2013《農(nóng)作物種質(zhì)資源鑒定評價技術(shù)規(guī)范——棉花》進行調(diào)查，選取中間10株，測量株高、始節(jié)位、果枝臺數(shù)、鈴數(shù)、單鈴重、衣分、子指、生育期等性狀，黃萎病依據(jù)DB 51/T 1205-2011《棉花黃萎病抗性鑒定技術(shù)規(guī)程》進行鑒定，并利用Excel 2010軟件和DPS 9.5軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計、聚類分析[7]。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要農(nóng)藝性狀鑒定

通過出苗期、開花期、吐絮期、株高、始節(jié)位、果枝數(shù)、鈴數(shù)等田間農(nóng)藝性狀調(diào)查以及收獲后產(chǎn)量性狀篩選，依據(jù)生育期適中、株型結(jié)構(gòu)合理以及結(jié)鈴性強等棉花農(nóng)藝調(diào)查指標，優(yōu)選出綜合評價為優(yōu)異和良好的棉花種質(zhì)資源75份，平均優(yōu)選率為36.4%(表1)。其中，黃河流域棉區(qū)的優(yōu)選率最高，達47.9%，說明黃河流域棉區(qū)來源的資源在本試驗區(qū)適應(yīng)性好。

表1 206份棉花資源來源及分布

來源資源份數(shù)/份優(yōu)選資源份數(shù)/份優(yōu)選率/%黃河流域棉區(qū)984747.9長江流域棉區(qū)692130.4西北內(nèi)陸棉區(qū)22313.6其它17423.5合計20675

2.1.1優(yōu)選資源的生育期分析

農(nóng)藝性狀調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該批優(yōu)選棉花資源平均生育期為102～119 d，平均為114.6 d。從表2可以看出，黃河流域的棉花資源中生育期在110.0 d以內(nèi)的占16.0%，早熟性偏好，長江流域生育期在110.0 d以內(nèi)的只有2.7%，多數(shù)屬于中晚熟材料；西北內(nèi)陸地區(qū)的棉花資源為早熟材料；其它 4 份資源的生育期都小于125 d。其中，黃河流域棉區(qū)的中棉所58的生育期為102 d，是該批優(yōu)選棉花資源中生育期最短的棉花品種?？傊?，該批優(yōu)選資源的生育期適中，是中早熟或早熟棉花新品種培育的理想親本材料。

表2 優(yōu)選棉花資源生育期

棉區(qū)生育期/d資源/份占比/%黃河流域≤110.0(早熟)110.1～125.0(中早熟)123516.046.7長江流域≤110.0(早熟)110.1～125.0(中早熟)2192.725.3西北內(nèi)陸≤125.0(早熟)125.1～140.0(中早熟)304.00.0其它≤110.0(早熟)110.1～125.0(中早熟)040.05.3

2.1.2植株高度分析

該批資源的平均植株高度99.6 cm，分布范圍為67.1～129.0 cm。黃河流域棉區(qū)的棉花品種長勢適中，屬于中、矮型，尤其是中棉所7號的株高最低，僅 67.1 cm，是很好的矮稈資源。長江流域棉花資源在該試驗區(qū)長勢普遍較高，其中鄂抗棉10號是優(yōu)選棉花資源中株高最高的品種，達129.0 cm。西北內(nèi)陸棉區(qū)棉花資源在黃河流域明顯偏高，這應(yīng)該是引種后氣候條件變化所致(表3)。

表3 優(yōu)選棉花資源的株高分布情況

棉區(qū)株高/cm資源/份占比/%≤70.0(矮)11.3 黃河流域棉區(qū)70.1～90.0(中)1013.3 ≥90.1(高)3648.0 ≤90.0(矮)34.0 長江流域棉區(qū)90.1～110.0(中)1418.7 ≥110.1(高)45.3 ≤50.0(矮)00.0 西北內(nèi)陸棉區(qū)50.1～70.0(中)00.0 ≥70.1 (高)34.0 其他45.3

注：株高(列1)按棉區(qū)株高分類標準，資源(列2)河南種植的調(diào)查結(jié)果。

2.1.3優(yōu)選棉花種質(zhì)資源的產(chǎn)量性狀分析

通過對優(yōu)選棉花種質(zhì)資源的產(chǎn)量性狀分析，75份優(yōu)選資源鈴重、衣分、株鈴數(shù)的平均數(shù)較適中，其中鈴重5.6 g，單株鈴數(shù)24.2，衣分 38.7%(表4)。從性狀的變化范圍來看，各項指標的變異程度較大，說明該批資源具有廣泛的遺傳基礎(chǔ)，具有較好的高產(chǎn)改良潛力。

表4 優(yōu)選棉花資源的產(chǎn)量性狀分布情況

產(chǎn)量性狀分布范圍資源/份占比/%≤5.0 (小)56.7鈴重/g5.1～5.9 (中)5472.0≥6.0 (大)1621.3≤20 1925.3株鈴數(shù)/個20.1～29.9 4256.0≥30 1418.7≤35912.0衣分/%35.1～38.93040.039.0～41.92736.0≥42.0912.0

總體來看，該批棉花資源的生育期早晚適中，株高和產(chǎn)量性狀良好。從單一性狀來看，這75 份棉花種質(zhì)資源中果枝緊湊資源4份，棉花鈴殼薄，棉絮肥暢資源61份。從熟性、豐產(chǎn)性等全方面，可分類選出早熟性好、果枝緊湊、高衣分、棉絮暢的材料3份，分別為中棉所30、中棉所21、中棉所18。

表5 優(yōu)選棉花資源的黃萎病病指

資源名稱病指/抗性魯棉研2613.5/R贛棉12號14.6/R中棉所3517.1/R中棉所4117.1/R山農(nóng)豐6號18.3/R銀山4號18.3/R中棉所1918.3/R南通5號19.5/R中棉所3020.8/MR中棉所1621.0/MR中棉所6922.5/MR中棉所3722.7/MR冀棉66823.2/MR中棉所2123.2/MR徐州14223.4/MR中棉所4923.4/MR邯80223.7/MR晉棉36號23.7/MR中棉所1123.7/MR鹽棉48號23.7/MR中棉所1824.4/MR沙農(nóng)6號24.4/MR中棉所4524.7/MR鄂抗棉5號24.7/MR蘇抗19124.7/MR資源名稱病指/抗性新陸早1624.9/MR中棉所3125.4/MR新棉33B25.7/MR湘棉1325.9/MR邯484926.1/MR冀棉22826.1/MR泗棉3號26.1/MR中棉所9號26.6/MRSGK95826.7/MR鄂棉2426.8/MR中棉所3426.9/MR贛棉10號26.9/MR中-8627.1/MR中棉所3327.9/MR中棉所4027.9/MRSGK32128.1/MR晉棉12號28.5/MR中棉所4328.5/MR中棉所5號28.5/MR中棉所7928.5/MR新陸中3號28.5/MR鄂棉23號28.5/MR中棉所1429/MR中棉所2429/MR晉棉1129.6/MR資源名稱病指/抗性中棉所2729.6/MR鄂棉20號29.6/MR遼棉14號30.2/MR川棉3030.5/MR滬棉20431.0/MR荊楚20131.0/MR鄂抗蟲1號32.9/MR中棉所4433.0/MR99B33.0/MR新陸早3233.0/MR鄂棉2號33.2/MR遼棉17號33.7/MR鄂荊1號36.1/S中棉所2340.1/S中棉所7號40.3/S鄂抗棉10號40.3/S宛抗棉9號41.5/S贛棉11號41.5/S冀22842.7/S中棉所1042.7/S渝棉1號45.2/S魯棉研2150.1/HS天棉1號50.1/HS華抗棉1號51.2/HS中棉所1751.2/HS

2.2 棉花黃萎病抗性鑒定

棉花黃萎病是危害棉花生產(chǎn)的主要病害，而選育抗黃萎病棉花品種是目前最直接、最有效的措施，篩選抗黃萎病資源就顯得尤為重要。棉花黃萎病主要包括葉枯型、黃斑型。依據(jù)75份棉花種質(zhì)資源的相對病情指數(shù)來評價這批種質(zhì)資源的黃萎病抗性表現(xiàn)。黃萎病采用DB 51/T 1205-2011《棉花黃萎病抗性鑒定技術(shù)規(guī)程》進行鑒定[8]。

從表5、表6可以看出，這75份棉花種質(zhì)資源包括8份為抗黃萎病材料，54份中抗和9份感病資源，沒有免疫和高抗的資源。其中，抗黃萎病資源8份，如魯棉26、贛棉12號等棉花資源，占這批優(yōu)選棉花資源的10.67%，特別是魯棉研26黃萎病抗性最好，黃萎病病指13.5。感病種質(zhì)資源9份，如鄂抗棉10號、中棉所7號等，占這批優(yōu)選棉花資源的12.0%。中抗的分別有中棉所30、冀棉668和邯鄲802等54份資源，占這批優(yōu)選棉花資源的72.0%。中抗棉花占絕大多數(shù)，沒有免疫和高抗的棉花資源，說明現(xiàn)有棉花遺傳資源缺乏黃萎病抗原材料，利用現(xiàn)有資源通過常規(guī)育種方法很難攻克棉花黃萎病。

表6 棉花黃萎病抗性鑒定評價標準

抗性型病指(X)范圍免疫(I)X =0.00高抗(HR)0.0050.00

2.3 棉花纖維品質(zhì)測定

經(jīng)農(nóng)業(yè)部棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗測試中心測試(HVICC標準)， 該批優(yōu)選棉花資源纖維品質(zhì)平均結(jié)果：纖維上半部平均長度29.1 mm，比強度為30.2 cN·tex-1，馬克隆值5.1，整齊度86.1%。該批優(yōu)選棉花資源的纖維品質(zhì)長度以中間為主，纖維上半部平均長度在≥30 mm的有22份，如贛棉12號、中棉所35、中棉所41等。整齊度都在80.0%以上，其中53%的資源的整齊度在83.0%～85.9%之間，且變異系數(shù)為2.6%，說明這批資源的整齊度較好。馬克隆值整體較高，A級(馬克隆值3.7～4.2)的只有5份：沙農(nóng)6號、鄂棉24、SGK 321、川棉30、魯棉26；C級(馬克隆值≥5.0)的達45份，占該批優(yōu)選棉花資源總量的60%，較粗纖維資源占多數(shù)。比強度較好，比強度在29.0 cN·tex-1以上的共39份，如沙農(nóng)6號、新棉33 B等。其中宛抗棉9號、贛棉11號、冀228、渝棉1號這4個資源的比強度在34.2～36.2 cN·tex-1之間，屬于高強。從表7可以看出：優(yōu)選棉花資源的纖維上半部平均長度、比強度和整齊度變異系數(shù)均在10%以內(nèi)，說明遺傳基礎(chǔ)相似程度較高，遺傳變異狹窄，遺傳多樣性水平較低，棉花纖維品質(zhì)通過系統(tǒng)選育難以提高。

表7 優(yōu)選棉花資源的纖維品質(zhì)分析

指標纖維上半部平均長度/mm比強度/(cN·tex-1)馬克隆值整齊度/%伸長率/%平均值29.130.25.286.15.6最大值32.835.46.287.87.0最小值24.625.73.879.64.2標準差1.72.30.561.40.7變異系數(shù)/%5.86.910.42.611.6

2.4 優(yōu)選棉花資源聚類分析

本研究將75個優(yōu)選棉花種質(zhì)資源按9項農(nóng)藝性狀的相關(guān)數(shù)據(jù)按要求錄入表格，經(jīng)標準化處理后，在保留它們變異總信息量87.02%的前提下，采用歐氏距離-離差平方和法對資源材料進行聚類分析[9,10]。結(jié)果顯示，當歐式距離在D=9.80水平上，可以將75個棉花品種劃分為6大類：

第1類群包括中棉所30、中棉所21和沙農(nóng)6號等共19個資源，對照田間農(nóng)藝性狀調(diào)查，發(fā)現(xiàn)第1類屬于長勢旺、植株較高，果枝較多結(jié)鈴性強，果枝始節(jié)位高，偏晚熟，豐產(chǎn)潛力大的品種類型。

第2類群包括中棉所40、中棉所14和山農(nóng)豐6號等共9個品種，對照田間農(nóng)藝性狀調(diào)查發(fā)現(xiàn)，第2類屬于植株較高，偏晚熟，衣分較低，豐產(chǎn)性好的品種類型。

第3類群包括贛棉11號、冀228和中棉所10號等共15個品種，屬于植株較低，生育期較長，果枝和結(jié)鈴數(shù)少，鈴重低，衣分一般，產(chǎn)量較低的品種類型。

第4類群包括鹽棉48號、鄂抗蟲1號和新陸早32等共計9個品種，對照田間農(nóng)藝性狀調(diào)查分析第4類資源長勢一般，株高和熟性適中，單鈴重最大，衣分較高，但豐產(chǎn)潛力不大的品種類型。

第5類群包括中棉所43、鄂棉23號和新陸早16等共合計11個品種，此類品種屬于植株中等，生育期適中，果枝多，結(jié)鈴較好，鈴重與籽指較低，豐產(chǎn)潛力大的品種類型。

圖2 優(yōu)選75份棉花資源材料聚類圖

第6類群包括中棉所45、鄂抗棉5號和蘇抗191等共計12個品種，此類品種屬早熟型，果枝始節(jié)位較低，結(jié)鈴少，衣分低，豐產(chǎn)潛力不大。

從以上聚類分析可以看出，來自中棉所的28個品種，其中有19個主要聚集在聚類1、2、3類群中，各有9、4、5個資源材料，由此可以推斷中棉所棉花品種資源遺傳多樣性較豐富。而其它省份或區(qū)域的選育棉花品種基本聚類在一起，例如第1類群基本上都是黃河流域棉區(qū)的棉花品種，只有2個長江流域棉區(qū)的品種贛棉11號和渝棉1號，而在第6類群中則是長江流域棉區(qū)棉花品種居多。說明中棉所由于處于國家層面，與全國各地合作交流便利，資源來源豐富，遺傳基礎(chǔ)廣泛。而其他省市選育棉花品種存在同一棉區(qū)來源地品種親緣關(guān)系較近，遺傳基礎(chǔ)狹窄。表明在雜交育種親本選擇及雜交優(yōu)勢利用上，親本選擇既要地區(qū)差異大，更要積極運用聚類分析等輔助手段，跨類選擇，遠緣雜交，促使雜種優(yōu)勢利用最大化。

2.5 優(yōu)選棉花種質(zhì)資源的保存和利用

種質(zhì)資源研究不僅包含收集鑒定、評價，而且還要妥善保存與利用，只有這樣才能更好發(fā)揮其作用。在這75份棉花種質(zhì)中，每份資源都有可利用的優(yōu)點，可直接用于棉花科研育種。河南省農(nóng)業(yè)科學院建立了低溫冷庫等作為種質(zhì)資源的保存方式，在放入低溫冷庫前，依據(jù)資源材料的熟性、植株高度、豐產(chǎn)性進行分類(見表8)。將綜合農(nóng)藝性狀優(yōu)良的種質(zhì)提供給育種者直接利用，并依據(jù)各棉花資源的特征性狀，分類錄入電腦系統(tǒng)，建立棉花品種資源信息庫，實現(xiàn)各育種單位數(shù)據(jù)和種質(zhì)資源共享[11,12]，為棉花種質(zhì)資源的高效利用創(chuàng)造條件。

表8 優(yōu)選棉花資源特征性狀分類及利用方向

特征性狀數(shù)量資源名稱利用方向早熟3中棉所16、中棉所50、中棉所58早熟、麥后直播矮稈3中棉所7號、湘棉13、中-86適于機械化采摘大鈴3宛抗棉9號、鹽棉48號、鄂抗蟲1號便于收摘抗病2魯棉26、贛棉12號抗病資源優(yōu)質(zhì)3沙農(nóng)6號、鄂棉24、SGK321提高棉纖維品質(zhì)高衣分2鄂棉24、銀山4號提高產(chǎn)量豐產(chǎn)3中棉所30、中棉所21、中棉所18提高產(chǎn)量

3 問題與討論

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)集約化、規(guī)模化生產(chǎn)的發(fā)展和農(nóng)業(yè)機械化的快速推進，對棉花農(nóng)藝性狀、簡化管理和纖維品質(zhì)等方面提出新要求，選育農(nóng)藝性狀符合農(nóng)機生產(chǎn)的棉花品種已成為育種人的共識和棉花生產(chǎn)的必然。然而我國目前適應(yīng)機采棉的品種并不多，往往是纖維品質(zhì)和農(nóng)藝性狀不能同時達到機采要求[13,14]，從而不能得到廣泛的應(yīng)用。因此，本研究在收集和鑒定傳統(tǒng)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)資源的基礎(chǔ)上，加強果枝節(jié)位高、含絮適中、葉枝少、對脫葉劑敏感等符合農(nóng)機生產(chǎn)要求的棉花種質(zhì)資源的收集、分類和鑒定，必將在今后棉花育種研究和集約化、規(guī)?；藁ㄉa(chǎn)中發(fā)揮越來越重要的作用。