42個早熟陸地棉產(chǎn)量與品質(zhì)性狀的多樣性分析

李娟 周小鳳 劉文豪 孔憲輝 王旭文 趙福相 吳珂 寧新柱 余渝

摘要：棉花是重要的經(jīng)濟(jì)作物之一。為科學(xué)研究和創(chuàng)制棉花種質(zhì)資源，進(jìn)一步培育出棉花新品種，統(tǒng)計了2018、2019年42個新疆早熟陸地棉品種的4個產(chǎn)量性狀和5個纖維品質(zhì)性狀數(shù)據(jù)，采用主成分分析、聚類分析和相關(guān)性分析的方法進(jìn)行多元化綜合評價。結(jié)果表明，比強(qiáng)度、衣指和籽指的變異系數(shù)大;整齊度和伸長率的變異系數(shù)小。當(dāng)歐式距離值為6.781時，42個棉花品種可分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ類，分別包含7、10、24、1個棉花品種。單鈴質(zhì)量與衣指呈極顯著正相關(guān);衣分與衣指呈極顯著正相關(guān)，與籽指呈極顯著負(fù)相關(guān)。伸長率與絨長、比強(qiáng)度呈極顯著正相關(guān)，與整齊度呈顯著正相關(guān)。主成分分析結(jié)果，前3個主成分的累計貢獻(xiàn)率為73.886%;第1主成分主要反映棉花纖維品質(zhì)的性狀特征;第2主成分、第3主成分主要反映棉花產(chǎn)量的性狀特征。本研究結(jié)果可為拓寬新疆早熟陸地棉種質(zhì)基因庫和篩選雜交的優(yōu)質(zhì)親本種質(zhì)資源提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：陸地棉;產(chǎn)量性狀;纖維品質(zhì)性狀;多樣性分析

中圖分類號：S562.037 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）02-0073-05

收稿日期：2021-09-10

基金項目：新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)重點領(lǐng)域創(chuàng)新團(tuán)隊建設(shè)計劃（編號：2017CB011）;新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)科技攻關(guān)項目（編號：2019DB010）。

作者簡介：李 娟（1995—），女，云南廣南人，碩士研究生，主要從事棉花遺傳育種研究，E-mail：15750017784@163.com;共同第一作者：周小鳳（1975—），女，安徽廬江人，碩士，研究員，主要從事棉花遺傳育種研究，E-mail：xjzhxf@sohu.com。

通信作者：余 渝，博士，研究員，主要從事棉花遺傳育種研究。E-mail：xjyuyu021@sohu.com。

新疆不僅是我國主要的優(yōu)質(zhì)棉花種植基地，還是重要的紡織生產(chǎn)基地。新疆的棉花產(chǎn)業(yè)在我國有著舉足輕重的地位[1]。棉花各產(chǎn)量性狀與纖維品質(zhì)性狀之間存在著正相關(guān)或負(fù)相關(guān)關(guān)系，通過科學(xué)地界定棉花產(chǎn)量性狀與纖維品質(zhì)性狀之間的相關(guān)性，可為優(yōu)質(zhì)棉花育種提供理論參考。目前，我國棉花新品種培育仍以雜交育種為主，研究棉花資源的特性及遺傳多樣性是選配雜交親本的基礎(chǔ)[2]，但利用聚類分析、主成分分析和相關(guān)性分析3種方法相結(jié)合綜合評價棉花種質(zhì)資源的報道較少。通過對植株形態(tài)特征進(jìn)行數(shù)字化分析，可以將不同的棉花種質(zhì)資源進(jìn)行分類，以明確其親緣關(guān)系[3]。聚類分析是一種用于生物資源分類和親緣關(guān)系研究的分類方法[4]，它將一批樣品或變量按照它們在性質(zhì)上的親疏程度進(jìn)行分類;相關(guān)性分析是人們常用的一種揭示不同性狀間相關(guān)性密切程度的統(tǒng)計方法[5];主成分分析能使因子分析方法降維，將具有錯綜復(fù)雜關(guān)系的產(chǎn)量指標(biāo)和品質(zhì)指標(biāo)歸結(jié)為幾個綜合變量[6]，從而提高對某些性狀的改良和選擇效率。

本研究以42個新疆早熟陸地棉審定品種為研究材料，通過對其4個產(chǎn)量性狀和5個纖維品質(zhì)性狀指標(biāo)進(jìn)行數(shù)量分析，從而了解供試棉花種質(zhì)資源的表型變異程度?；诒硇托誀顢?shù)據(jù)對各種質(zhì)資源進(jìn)行聚類分析以揭示它們的親緣關(guān)系;采用主成分分析、相關(guān)性分析方法解析與棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)性狀關(guān)系密切的主要表型特征，以期獲得具有較大優(yōu)勢的新疆陸地棉主栽品種信息，為新疆早熟陸地棉種質(zhì)資源的遺傳改良和新品種選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試的新疆早熟陸地棉種質(zhì)資源材料共42份，均由新疆農(nóng)墾科學(xué)院棉花研究所提供（表1）。

1.2 田間種植

所有試驗材料于2018、2019年在新疆石河子市新疆農(nóng)墾科學(xué)院棉花研究所試驗地（86.002E，44.307N）進(jìn)行種植。試驗隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，重復(fù)2次，小區(qū)面積為2.3 m2，采用1膜6行（寬窄行）種植模式，行距為（66+10） cm，膜下滴灌，化學(xué)調(diào)控、水肥管理和病蟲害防治均與大田相同。

1.3 測定項目

每小區(qū)選取分布均勻且有代表性的棉花植株，從中隨機(jī)采收不同棉株上部、中部、下部位吐絮棉鈴共計20個，曬干后測定產(chǎn)量性狀：單鈴質(zhì)量、衣指和籽指并計算衣分。隨后每處理取15 g棉樣在新疆農(nóng)墾科學(xué)院棉花研究所檢測棉花纖維品質(zhì)性狀，纖檢儀型號為Premier HFT9000，檢測指標(biāo)為纖維上半部平均長度、斷裂比強(qiáng)度、整齊度指數(shù)、伸長率和馬克隆值。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)經(jīng)Microsoft Excel 2016整理后，進(jìn)行變異分析。隨后利用DPS 7.05軟件進(jìn)行主成分分析和聚類分析，聚類分析采用系統(tǒng)聚類、標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換、歐式距離和最長距離法。此外使用仙桃學(xué)術(shù)生信工具（https：//www.xiantao.love/products）繪制相關(guān)性圖譜。

2 結(jié)果與分析

2.1 新疆早熟陸地棉品種產(chǎn)量與纖維品質(zhì)性狀比較

從表2可以看出，42個新疆早熟陸地棉的絨長在20.91～30.74 mm，平均絨長27.83 mm;斷裂比強(qiáng)度在20.7～36.4 g/tex，平均比強(qiáng)度30.15 g/tex;馬克隆值在3.69～5.01，平均馬克隆值4.38;整齊度在80.3%～86.3%，平均整齊度84.7%;伸長率在6.5%～7.0%，平均伸長率6.81%;衣指在5.45～8.85 g，平均衣指7.41 g;籽指在8.08～12.53 g，平均籽指10.50 g;衣分在35.1%～46.3%，平均衣分41.61%;單鈴質(zhì)量在4.4～6.4 g，平均單鈴質(zhì)量5.39 g。

2.2 新疆早熟陸地棉4個產(chǎn)量性狀和5個纖維品質(zhì)性狀的變異分析

對42個新疆早熟陸地棉品種的4個產(chǎn)量性狀和5個纖維品質(zhì)性狀進(jìn)行變異分析（表3）可知，產(chǎn)量性狀和纖維品質(zhì)性狀的變異系數(shù)為1.307%～9.943%，其中籽指的變異系數(shù)最大，為9.943%;衣指的變異系數(shù)次之，為9.933%;整齊度的變異系數(shù)最小，為1.307%。表明在不同棉花品種中，與產(chǎn)量相關(guān)的性狀變異豐富，有較大差異;與品質(zhì)相關(guān)的性狀變異較小，差異不明顯。

2.3 不同早熟陸地棉產(chǎn)量與纖維品質(zhì)性狀的主成分分析

對42份新疆早熟陸地棉品種的4個產(chǎn)量性狀和5個品質(zhì)性狀進(jìn)行主成分分析，其規(guī)格化特征向量、特征值、貢獻(xiàn)率和累計貢獻(xiàn)率見表4。前3個主成分的特征值≥1.0，累計貢獻(xiàn)率為73.886%，具有較強(qiáng)的信息代表性，表明前3個主成分能夠代表42份陸地棉品種的產(chǎn)量性狀和纖維品質(zhì)性狀73.886%的信息，可以用前3個主成分對產(chǎn)量性狀和纖維品質(zhì)性狀進(jìn)行評價。第1主成分的貢獻(xiàn)率為36.461%，其中絨長、比強(qiáng)度、整齊度的特征向量值較大，分別為0.468、0.434、0.438，表明該主成分主要反映棉花纖維品質(zhì)的性狀特征。第2主成分的貢獻(xiàn)率為21.171%，籽指的特征向量值較大，為0.572，表明該主成分主要反映棉花產(chǎn)量的性狀特征。第3主成分的貢獻(xiàn)率為16.254%，單鈴質(zhì)量的特征向量值最大，為0.601，表明該主成分主要反映產(chǎn)量的性狀特征。

2.4 不同早熟陸地棉產(chǎn)量與纖維品質(zhì)性狀的聚類分析

基于42個品種的4個產(chǎn)量性狀和5個纖維品質(zhì)性狀對供試品種進(jìn)行聚類分析。當(dāng)歐式距離值為6.781時，可分為4類。第Ⅰ類包括新陸早2號、新陸早36號、新陸早22號、新陸早24號、新陸早27號、新陸早45號和新陸早31號，共7個品種;第Ⅱ類包括新陸早5號、新陸早10號、新陸早16號、新陸早6號、新陸早46號、新陸早19號、新陸早37號、新陸早39號、新陸早30號和新陸早38號，共10個品種;第Ⅲ類包括新陸早3號、新陸早12號、新陸早9號、新陸早35號、新陸早40號、新陸早32號、新陸早42號、新陸早49號、新陸早11號、新陸早15號、新陸早29號、新陸早47號、新陸早18號、新陸早20號、新陸早23號、新陸早28號、新陸早17號、新陸早34號、新陸早33號、新陸早21號、新陸早25號、新陸早26號、新陸早50號和新陸早48號，共24個品種;第Ⅳ類僅含有1個品種，為新陸早13號。該聚類劃分結(jié)果表明，不同品種之間的系譜親緣關(guān)系存在差異性，分類較為明顯且集中。選育適合新疆棉區(qū)種植的早熟陸地棉品種時，應(yīng)根據(jù)育種目標(biāo)選擇適宜親本配制組合。

2.5 不同早熟陸地棉產(chǎn)量與纖維品質(zhì)性狀的相關(guān)性分析

通過測定42個新疆早熟陸地棉品種的產(chǎn)量指標(biāo)和品質(zhì)指標(biāo)，計算相關(guān)指標(biāo)的平均數(shù)值進(jìn)行相關(guān)性分析。從圖2可以看出，在4個產(chǎn)量和5個纖維品質(zhì)構(gòu)成因素的相關(guān)關(guān)系中，28個呈正相關(guān)關(guān)系，8個呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;達(dá)到顯著以上相關(guān)的有11個，其中10個為正相關(guān)，1個為負(fù)相關(guān)。單鈴質(zhì)量與衣指呈極顯著正相關(guān)。衣分與衣指呈極顯著正相關(guān)，與籽指呈極顯著負(fù)相關(guān)。衣指與單鈴質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)，與絨長與馬克隆值呈顯著正相關(guān)。伸長率與絨長和比強(qiáng)度呈極顯著正相關(guān)，與整齊度呈顯著正相關(guān)。整齊度與絨長和比強(qiáng)度呈極顯著正相關(guān)，與伸長率呈顯著的正相關(guān)。比強(qiáng)度與絨長和整齊度呈極顯著正相關(guān)。

3 討論與結(jié)論

棉花種質(zhì)資源作為新疆早熟陸地棉生物學(xué)研究和遺傳育種的重要基礎(chǔ)，主要由優(yōu)質(zhì)的地方品種和外引品種構(gòu)成，對當(dāng)?shù)丨h(huán)境或栽培條件具有良好的適應(yīng)性[7]。棉花產(chǎn)量性狀和纖維品質(zhì)性狀是受遺傳因子和環(huán)境因子相互影響的復(fù)合性狀，利用單一指標(biāo)很難準(zhǔn)確和客觀地評價棉花產(chǎn)量性狀和品質(zhì)性狀的好壞。近年來，多樣性分析已在玉米[8]、小麥[9]、大豆[10]花生[11]、水稻[12]等作物中應(yīng)用。本研究以變異系數(shù)分析、主成分分析、聚類分析和相關(guān)性分析方法相結(jié)合對產(chǎn)量性狀和纖維品質(zhì)性狀進(jìn)行多元化綜合評價。變異系數(shù)是評價作物遺傳多樣性和多變環(huán)境下遺傳穩(wěn)定性的重要指標(biāo)[13]。本研究結(jié)果表明，42份新疆早熟陸地棉供試材料9個性狀的變異系數(shù)為1.307%～9.943%，其中變異系數(shù)較大的是籽指，為9.943%、衣指為9.933%、比強(qiáng)度為9.211%。在產(chǎn)量因子的變異系數(shù)中，從大到小的排序為籽指>衣指>單鈴質(zhì)量>衣分;在品質(zhì)性狀變異系數(shù)中，從大小排序為比強(qiáng)度>馬克隆值>絨長>伸長率>整齊度指數(shù)。本研究結(jié)果與前人部分研究結(jié)果[14-15]是一致，可能是由于試驗材料、栽培管理、生態(tài)環(huán)境因子的差異造成的。

主成分分析被廣泛應(yīng)用于多種作物種質(zhì)資源多樣性分析[16]。本研究對42份材料的9個性狀進(jìn)行主成分分析，結(jié)果表明，主成分中的前3個特征值的累計貢獻(xiàn)率達(dá)73.886%，包含了所有性狀的絕大部分信息，有效地剔除了一些非必要影響因子，從而真實地反映產(chǎn)量性狀和品質(zhì)性狀分析結(jié)果。

在主成分分析的基礎(chǔ)上對參試品種進(jìn)行聚類分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)歐式距離值為6.781時，42份材料可分為4類，第Ⅰ類衣分高，包括7個品種，占總數(shù)的16.7%;第Ⅱ類馬克隆值小，均值為4.09，屬于A類分級，包括10個品種，占總數(shù)的23.8%;第Ⅲ類絨長、比強(qiáng)度、整齊度、衣指和單鈴質(zhì)量高于其他3類，包括24個品種，占總數(shù)的57.1%;第Ⅳ類伸長率和籽指高，僅有1個品種，占總數(shù)的2.4%。以上結(jié)果表明，具有相似特征的品種被劃分為一類，該分類結(jié)果可為選擇綜合農(nóng)藝性狀優(yōu)良的新疆早熟陸地棉品種提供參考和選擇依據(jù)。

相關(guān)性的正負(fù)及具體的數(shù)值準(zhǔn)確地反映了產(chǎn)量性狀和纖維品質(zhì)性狀間的微妙關(guān)系，對提高棉花產(chǎn)量及纖維質(zhì)量有重要意義。本研究結(jié)果，單鈴質(zhì)量與衣指呈極顯著正相關(guān)。衣分與衣指呈極顯著正相關(guān)，與籽指呈極顯著負(fù)相關(guān)。衣指與絨長、絨長馬克隆值呈顯著正相關(guān)。伸長率與絨長和比強(qiáng)度呈極顯著正相關(guān)性，與整齊度呈顯著正相關(guān)。整齊度與絨長和比強(qiáng)度呈極顯著正相關(guān)性。比強(qiáng)度與絨長和整齊度呈極顯著正相關(guān)。分析結(jié)果表明，產(chǎn)量性狀與品質(zhì)性狀之間存在錯綜復(fù)雜的關(guān)系，若要提高棉花纖維品質(zhì)，需要從比強(qiáng)度、絨長、整齊度和伸長率這幾個因素考慮。若要提高衣分，需要從衣指的增加相關(guān)方面考慮。

在解析種質(zhì)資源的遺傳多樣性中，表型性狀具有不可替代的地位。若要提高棉花纖維品質(zhì)，僅僅依靠品種間雜交將很難有大的突破，未來優(yōu)質(zhì)育種的重點應(yīng)放在利用遠(yuǎn)緣雜交創(chuàng)造新種質(zhì)和優(yōu)質(zhì)基因的研發(fā)和應(yīng)用上。實現(xiàn)纖維產(chǎn)量與品質(zhì)的同步改良，仍是今后研究需要解決的問題。

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