海島棉種質(zhì)資源表型性狀的遺傳多樣性分析及綜合評價(jià)

楊濤，黃雅婕，李生梅，任丹，崔進(jìn)鑫，龐博，于爽，高文偉

新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/棉花教育部工程研究中心，烏魯木齊 830052

0 引言

【研究意義】海島棉（Gossypiumbarbadense）作為主要的經(jīng)濟(jì)作物及重要的戰(zhàn)略儲備物資[1-2]，因其纖維長、細(xì)、強(qiáng)等特點(diǎn)[3]，被譽(yù)為“纖維上的寶石”。目前，海島棉產(chǎn)量約占世界棉花產(chǎn)量的 2%[4]，新疆是中國海島棉唯一產(chǎn)區(qū)，海島棉種植面積約為10萬hm2[5]，產(chǎn)量約為世界海島棉產(chǎn)量的25%[6]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】遺傳資源材料是育種家選育新品種的基礎(chǔ)[7]，而遺傳材料的遺傳基礎(chǔ)是育種的關(guān)鍵。目前，種質(zhì)資源的遺傳多樣性和評價(jià)研究主要集中于表型及分子水平[8-10]，表型及分子研究是育種家獲得海島棉遺傳差異的重要手段。表型研究是最直接、最有效的研究方法，可更直觀地表現(xiàn)某一品種特異性，不同于分子研究。目前，水稻[11]、小麥[12]、玉米[13]、綠豆[14-15]應(yīng)用表型進(jìn)行多樣性分析及綜合評價(jià)已有報(bào)道，開展資源多樣性分析及鑒定，不僅有利于有利基因的發(fā)掘，而且對抗逆性品種的選育更有重要意義。海島棉作為常異花授粉作物，育種過程中，主要以種間雜交為主，利用分子標(biāo)記輔助育種及轉(zhuǎn)基因育種單位較少，新品種選育中，親本數(shù)量有限且遺傳基礎(chǔ)較窄，嚴(yán)重影響了新品種的選育；為進(jìn)一步選育優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)和穩(wěn)產(chǎn)的海島棉品種，篩選優(yōu)異親本成為目前主要目標(biāo)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】目前，海島棉表型性狀在自然群體的分布規(guī)律仍不明確，適宜于篩選海島棉優(yōu)異資源綜合評價(jià)的文章仍鮮見報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究利用175份海島棉資源的12個表型性狀進(jìn)行海島棉種質(zhì)資源遺傳多樣性分析及綜合評價(jià)，為海島棉種質(zhì)創(chuàng)新利用、品種改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

175份海島棉資源材料包含國外材料72份（涵蓋亞洲、美洲等，分別來自美國16份、前蘇聯(lián)44份、埃及12份）和國內(nèi)材料103份（新疆47份、疆外56份）?；谥旮撸╬lant height，PH）、衣分（lint percent，LP）、鈴數(shù)（boll number，BN）、始節(jié)數(shù)（first node of fruit branch，F(xiàn)NB）、果枝數(shù)（fruit branch number，F(xiàn)BN）、有效果枝數(shù)（effective fruit branch number，EFBN）、有效鈴數(shù)（effective boll number，EBN）、蕾鈴脫落數(shù)（number of boll drop，NOBD）、單鈴籽棉重（yield of single boll seed cotton，YOSBSC）、單鈴皮棉重（yield of single boll lint yield，YOSBLY）、單株籽棉重（seed cotton yield per plant，SCYPP）、單株皮棉重（lint yield per plant，LYPP）12個表型性狀，利用主成分分析和隸屬函數(shù)產(chǎn)生綜合評價(jià)值D進(jìn)行海島棉種質(zhì)資源綜合評價(jià)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018—2019年（4—11月）種植于阿拉爾市12團(tuán)阿拉爾國家科技園及2019年4—11月種植于石河子市144團(tuán)（新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)基地）。采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，一膜6行，每個小區(qū)2行，行長2.00 m，2—3粒點(diǎn)播，行距0.40 m，株距0.10 m，2次重復(fù)，田間管理方式同常規(guī)管理一致。嚴(yán)格按照《棉花種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行農(nóng)藝性狀的鑒定[16]，于10月初，各重復(fù)連續(xù)選取5株測定各表型性狀，收獲20鈴測定單鈴重，連續(xù)收獲10株測得籽棉重，扎花后測定相應(yīng)皮棉重。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Origin 2018統(tǒng)計(jì)各性狀變異系數(shù)、均值及標(biāo)準(zhǔn)差等描述性指標(biāo)，利用R 3.6.0進(jìn)行Person相關(guān)性分析、聚類分析；利用Excel 2010計(jì)算Shannon-Weaver遺傳多樣性指數(shù)，具體分級采用前人研究方法[17-19]，之后主成分分析，利用隸屬函數(shù)產(chǎn)生綜合評價(jià)值D評價(jià)海島棉種質(zhì)[20-22]。

式中，Xi為第i個綜合指標(biāo)，Xmin為第i個綜合指標(biāo)的最小值，Xmax為第i個綜合指標(biāo)的最大值。

式中，Wi為第i個綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中的權(quán)重，Pi為各品種第i個綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。

式中，D值為綜合指標(biāo)評價(jià)值。

2 結(jié)果

2.1 海島棉主要農(nóng)藝性狀的描述性分析

175份海島棉材料表型性狀 PH、FNB、FBN、EFBN、BN、EBN、NOBD、YOSBSC、YOSBLY、LP、SCYPP、LYPP變異范圍為6.40%—28.10%，其中LYPP最大，為28.10%，LP最小，為6.40%，基本排序?yàn)椋篖P＜YOSBSC＜FNB＜YOSBLY＜NOBD＜FBN＜PH＜EBN＜BN＜EFBN＜SCYPP＜LYPP，其中 LP、YOSBSC變異系數(shù)均小于 10.00%，EFBN、BN、EBN、SCYPP、LYPP變異系數(shù)均大于20.00%。偏度與峰度絕對值部分小于1，多數(shù)大于1，表明海島棉資源各性狀基本服從偏態(tài)分布。

表1 主要農(nóng)藝性狀描述性指標(biāo)Table 1 Descriptive indicators of main agronomic traits

2.2 表型數(shù)量性狀的遺傳多樣性

通過對海島棉資源遺傳多樣性指數(shù)的統(tǒng)計(jì)（圖1-A）可知海島棉遺傳多樣性指數(shù)為1.97—2.05，其中，F(xiàn)BN、SCYPP分別為1.97和1.98，其余各性狀遺傳多樣性指數(shù)為2.00—2.06。

2.3 國內(nèi)外種質(zhì)資源遺傳多樣性分析

分別計(jì)算國外（72份）和國內(nèi)（103份）海島棉遺傳多樣性指數(shù)（圖 1-B）。國外海島棉遺傳多樣性指數(shù)為1.89—2.05，中國海島棉遺傳多樣性指數(shù)為1.96—2.05，均值為 2.00。在中國，新疆海島棉遺傳多樣性指數(shù)為 1.90—2.02，均值為 1.98；疆外海島棉遺傳多樣性指數(shù)為 1.87—2.00，均值為 1.93。利用海島棉12個數(shù)量性狀遺傳多樣性指數(shù)進(jìn)行差異性分析表明，國內(nèi)外海島棉育成品種多樣性無顯著差異，新疆與疆外海島棉育成品種多樣性存在顯著差異（P＜0.01）。

2.4 海島棉表型性狀相關(guān)性分析

相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)PH、FNB、FBN、EFBN、BN、EBN之間呈極顯著正相關(guān)；LYPP與 SCYPP、YOSBSC、EFBN、FBN、EBN、LP、YOSBLY、PH、FNB、BN呈極顯著正相關(guān)；SCYPP與YOSBSC、FNB、YOSBLY、FBN、PH、EBN、BN、EFBN呈極顯著正相關(guān)，與LP呈顯著正相關(guān)；LP與YOSBLY呈極顯著正相關(guān)，與 EBN呈顯著正相關(guān)；YOSBLY與YOSBSC呈極顯著正相關(guān)，與EBN、PH呈顯著正相關(guān)；YOSBSC與PH呈極顯著正相關(guān)，與FNB呈顯著正相關(guān)；NOBD與EFBN和BN呈極顯著負(fù)相關(guān)；其余各指標(biāo)間存在不同程度的弱相關(guān)。由于各指標(biāo)間存在不同程度的相關(guān)性，會使所包含的信息進(jìn)行重疊，各指標(biāo)所代表的信息不同，發(fā)揮的作用也不一致，故而進(jìn)行多指標(biāo)簡化是有必要的。

2.5 主成分分析

基于表型性狀進(jìn)行主成分分析，KMO（0.76）和Bartlett（P＜0.01）檢驗(yàn)合格，根據(jù)特征根及累計(jì)貢獻(xiàn)率提取前3個主成分，貢獻(xiàn)率分別為49.34%、18.03%和10.63%，解釋總方差為78.00%，表示這3個成分能反映12個表型性狀的絕大多數(shù)信息。第一主成分荷載較大為PH、FNB、FBN、EFBN、BN、EBN、SCYPP和 LYPP，代表單株生長及有效產(chǎn)量因子；第二主成分荷載較大為LP、YOSBSC和YOSBLY，代表單鈴產(chǎn)量因子；第三主成分荷載較大為NOBD，代表蕾鈴脫落因子。

表2 前4個主成分的特征值及特征向量描述Table 2 The eigenvalues and eigenvectors of the first 4 principal components

2.6 聚類分析

基于海島棉資源材料 12個表型性狀聚類（圖3），分為4個類群，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。Ⅰ類群70份材料，占所有種質(zhì)資源40.00%，包括國外24份、國內(nèi)46份（新疆14份和疆外32份），主要特征矮稈（63.4）、低產(chǎn)（6.31）的較差種質(zhì)；Ⅱ類群35份材料，占所有種質(zhì)資源20.00%，包括國外15份，國內(nèi)20份（新疆12份和疆外8份），主要特征衣分較高（0.33%）、單株皮棉重較高（8.83）的潛在增產(chǎn)種質(zhì)；Ⅲ類群 19份材料，占所有種質(zhì)資源的10.86%，包括國外8份、國內(nèi)11份（新疆9份和疆外2份），主要特征高稈（99.56），其余性狀較好的優(yōu)異種質(zhì)；Ⅳ類群 51份材料，占所有種質(zhì)資源29.14%，包括國外25份、國內(nèi)26份（新疆12份和疆外14份），主要特征低重心、衣分較高（0.33）的極端特殊種質(zhì)。

表3 海島棉4個類群表型特征Table 3 Phenotypic characteristics of 4 group in Sea-island cotton resources

2.7 海島棉種質(zhì)綜合評價(jià)

利用3個主成分因子（1—3）及公式（1）分別算出μ（Xi），利用貢獻(xiàn)率結(jié)合公式（2）求得權(quán)重分別為49.34%、18.03%和10.63%，利用權(quán)重及μ（X1）—μ（X3）結(jié)合公式（3）求得綜合評價(jià)值D，D值大小決定某一種質(zhì)資源的綜合性狀優(yōu)劣程度，D越大越優(yōu)，反之亦然；根據(jù)綜合性狀優(yōu)劣程度將國內(nèi)外種質(zhì)分為3類，分別為劣（D≤0.35）、中等（0.35＜D≤0.59）和優(yōu)（D＞0.59）。海島棉資源統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外極端種質(zhì)差異不大；表現(xiàn)中等的資源材料國內(nèi)較多；在國內(nèi)，疆外極端種質(zhì)所占比例較高，新疆與疆外中間種質(zhì)差異不大。根據(jù)D值篩選出排名較高的10個品種為 T07-152、JZ1、TH-901、K222、65-3028-5、BZ-3761、Y51、5172F、XH30和270；較低的10個品種為774-11、H3549、KNK、YJ1H、HNDFM、2515、JZHDM、Y51-2、Y51-4和DJ-1。

表4 不同地域海島棉種質(zhì)資源評價(jià)結(jié)果Table 4 Evaluation results of Sea-island cotton germplasm resources in different regions

表5 表型性狀與綜合得分（D值）間的相關(guān)性Table 5 Correlation between phenotypic traits and D-value

2.8 回歸模型的建立及指標(biāo)篩選

以綜合評價(jià)值D和12個表型性狀為基礎(chǔ)，D作為因變量，12個數(shù)量性狀作為自變量建立最優(yōu)回歸方程。X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11和X12分別代表PH、FNB、FBN、EFBN、BN、EBN、NOBD、YOSBSC、YOSBLY、LP、SCYPP和LYPP，建立逐步回歸方程：

Y=0.002X1+0.018X2+0.060X3+0.384X9+0.010X11-0.598，相關(guān)系數(shù)r=0.995，校正R2=0.990，這5個指標(biāo)解釋了D值99.00%的變異，F(xiàn)=3284.53。相關(guān)分析表明，上述5個性狀與D值均呈極顯著正相關(guān)，該回歸方程可用于海島棉種質(zhì)綜合評價(jià)，上述5個指標(biāo)可作為篩選海島棉優(yōu)異種質(zhì)的關(guān)鍵性指標(biāo)。

3 討論

3.1 不同來源海島棉遺傳多樣性

種質(zhì)資源是品種遺傳改良、創(chuàng)新利用的研究基礎(chǔ)，而分析種質(zhì)資源遺傳基礎(chǔ)對于育種工作顯得尤為關(guān)鍵，利用175份海島棉種質(zhì)資源進(jìn)行遺傳多樣性分析及變異分析，所選性狀較廣泛，對海島棉遺傳改良有重要意義。

研究表明，群體樣本變異系數(shù)均大于10.00%，說明群體樣本差異較明顯[23]。本研究表明單株籽棉重、衣分變異系數(shù)較低，這與馬麒等[24]研究結(jié)果一致，其余性狀變異大于 10.00%，說明所選海島棉資源較豐富[1]，這有利于海島棉優(yōu)異種質(zhì)的篩選，對于拓寬海島棉遺傳基礎(chǔ)有積極意義。遺傳多樣性是生物遺傳信息的總和，代表群體性狀的多樣性，往往能夠決定物種的進(jìn)化潛力和抵御不良環(huán)境的能力[25-26]。因此，深入研究種質(zhì)資源的遺傳多樣性，不僅有利于構(gòu)建核心種質(zhì)資源庫，而且對于了解種質(zhì)的遺傳背景有重要意義。本研究遺傳多樣性表明，國內(nèi)外育成海島棉品種無顯著差異，新疆較疆外育成海島棉品種有顯著差異，各性狀間遺傳多樣性指數(shù)差異較小，遺傳多樣性指數(shù)相對較低，選擇程度較高。這與李金榮等[27]和謝元元等[26]的研究結(jié)果較一致，但與潘兆娥等[28]的研究結(jié)果不一致；這可能是海島棉種質(zhì)來源和數(shù)量不同有關(guān)，此外，表型是受環(huán)境型和基因型等共同作用，所以表型性狀的最終表現(xiàn)形式是由多因素綜合反映的結(jié)果[29-30]。

主成分分析在盡量減少原有信息的基礎(chǔ)上進(jìn)行降維，簡化原有信息工作量[25]。主成分分析前3個因子包含了大部分信息量，且各性狀間具有一定的相關(guān)關(guān)系，表明材料及性狀對于主成分結(jié)果均有一定的影響。聚類分析是按照相似程度應(yīng)運(yùn)統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件的分析方法之一[31-33]；本研究利用175份海島棉資源進(jìn)行聚類分為4個類群，個數(shù)分別為70、35、19和51，說明這些種質(zhì)有不同的育種目標(biāo)，遺傳背景差異相對較大，這與馬麟等[24]新疆海島棉育種目標(biāo)單一、目標(biāo)性狀相似的結(jié)論不一致；對不同來源海島棉資源類群進(jìn)行聚類表明，國外和中國新疆海島棉種質(zhì)與疆外海島棉種質(zhì)遺傳背景較遠(yuǎn)，國外和中國新疆海島棉資源背景較一致，這與中國新疆海島棉及疆外海島棉育種歷程不同相符合，也可能與所選材料中有較多的蘇棉有關(guān)，具體原因待進(jìn)一步驗(yàn)證。因此，在育種過程中應(yīng)加強(qiáng)國外、中國新疆和疆外海島棉資源的利用，對于拓寬海島棉遺傳背景及提高產(chǎn)量有重要意義。

3.2 海島棉資源基于表型綜合評價(jià)

棉花遺傳多樣性的研究相對較多，但海島棉種質(zhì)資源綜合評價(jià)的文章鮮有報(bào)道，呂偉等[34]利用 246份中國不同來源芝麻種質(zhì)資源綜合評價(jià)篩選到10份表型變異豐富、遺傳多樣性指數(shù)較好、綜合指標(biāo)較高的材料；胡標(biāo)林等[35]對六大洲的1 579份水稻種質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià)，篩選到6個種質(zhì)資源表型評價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)。本研究利用175份不同來源海島棉種質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià)，更直觀的D值作為指標(biāo)將海島棉種質(zhì)分為 3類，篩選單株皮棉重等5個指標(biāo)作為海島棉種質(zhì)鑒定指標(biāo)。此外表型性狀研究存在一定的局限性，為提高海島棉研究的寬度及深度仍需結(jié)合分子水平進(jìn)行評價(jià)鑒定[36-37]，本研究后續(xù)將結(jié)合 SNP標(biāo)記進(jìn)行群體結(jié)構(gòu)及親緣關(guān)系分析，擴(kuò)寬海島棉研究的寬度及深度。

4 結(jié)論

參試海島棉種質(zhì)資源類型豐富，但各性狀遺傳多樣性指數(shù)差異較??；株高、始節(jié)高、果枝數(shù)、單鈴皮棉重、單株籽棉重5個指標(biāo)可作為核心種質(zhì)評價(jià)的綜合指標(biāo)；品種XH 30和270表型變異較大、遺傳基礎(chǔ)較寬、產(chǎn)量較高且年份間穩(wěn)定和綜合得分較優(yōu)，可作為重要的親本選擇。