314份陸地棉種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀與品質(zhì)性狀的遺傳多樣性分析

王海濤，李興河，蔡肖，唐麗媛，張素君，劉存敬，張香云，張建宏

（河北省農(nóng)林科學(xué)院棉花研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部黃淮海半干旱區(qū)棉花生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/國(guó)家棉花改良中心河北分中心，河北 石家莊 050051）

棉花是重要的纖維和油料作物，全球約95%的紡織纖維來(lái)源于棉花［1］。陸地棉（Gossypium hirsutum L．）年產(chǎn)量超過(guò)棉花總產(chǎn)量的90%，是種植面積最大的棉花栽培種［2］。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，社會(huì)對(duì)棉花產(chǎn)量和品質(zhì)的要求也越來(lái)越高，尤其是對(duì)纖維品質(zhì)的要求更高，以滿(mǎn)足人們更好品質(zhì)生活的需求。因此高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)仍然是棉花育種的首要目標(biāo)，合理選擇利用棉花種質(zhì)資源則對(duì)棉花品質(zhì)育種起著至關(guān)重要的作用。

豐富的種質(zhì)資源是培育優(yōu)勢(shì)棉花新品種的物質(zhì)基礎(chǔ)。挖掘具有遺傳多樣性的棉花種質(zhì)，為育種者提供遺傳多樣性的親本材料，仍是種質(zhì)資源研究的首要目標(biāo)。研究種質(zhì)資源的遺傳多樣性具有極為關(guān)鍵的價(jià)值。棉花農(nóng)藝性狀多數(shù)為數(shù)量性狀遺傳，且表型易受環(huán)境的影響［3］。有關(guān)棉花農(nóng)藝性狀與纖維品質(zhì)的研究分析國(guó)內(nèi)已有很多報(bào)道，采用的主要方法為變異分析、相關(guān)性分析、主成分分析和聚類(lèi)分析［4-13］。李慧琴等［4］對(duì)270份陸地棉種質(zhì)資源進(jìn)行分析，篩選出不同優(yōu)良性狀的種質(zhì)資源材料79份并加以利用?？浊迦龋?］對(duì)92份陸地棉種質(zhì)資源主要性狀的分析表明，纖維上半部平均長(zhǎng)度與斷裂比強(qiáng)度呈極顯著正相關(guān)，篩選獲得5種不同類(lèi)型的種質(zhì)資源材料。尹會(huì)會(huì)等［7］對(duì)134份國(guó)外種質(zhì)的分析表明，整齊度指數(shù)與上半部平均長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度均呈極顯著正相關(guān)，斷裂比強(qiáng)度與上半部平均長(zhǎng)度間也呈極顯著正相關(guān)，并篩選出美1870、美1884、FM1830等14份品質(zhì)與產(chǎn)量俱佳的優(yōu)異種質(zhì)。石建斌等［8］研究表明，株高和果枝數(shù)均能對(duì)棉花品質(zhì)指標(biāo)產(chǎn)生影響，兩者增加條件下纖維上半部平均長(zhǎng)度和纖維斷裂比強(qiáng)度均增加。李飛等［9］圍繞172份陸地棉開(kāi)展相應(yīng)的主成分與聚類(lèi)分析，19個(gè)性狀能夠簡(jiǎn)化為非關(guān)聯(lián)的5個(gè)主成分，其累計(jì)貢獻(xiàn)率為80．25%。李武等［10］對(duì)黃河流域102份棉花資源進(jìn)行的分析表明，株高越高、第一果枝著生節(jié)位越高，單鈴重越高，衣分也會(huì)上升；子指越大，相應(yīng)的衣分就會(huì)降低。

本研究選取314份陸地棉種質(zhì)資源，以棉花農(nóng)藝性狀及纖維品質(zhì)性狀為切入點(diǎn)，進(jìn)行群體的變異分析、相關(guān)性分析、主成分分析和聚類(lèi)分析，并通過(guò)這4項(xiàng)指標(biāo)綜合評(píng)價(jià)棉花種質(zhì)資源，篩選優(yōu)質(zhì)棉花種質(zhì)材料，創(chuàng)新棉花種質(zhì)資源，以期為新品種選育及其親本選配提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1．1 試驗(yàn)材料

供試陸地棉種質(zhì)資源材料共314份（圖1），是本課題組引進(jìn)及培育的資源材料，2018—2019年在河北省農(nóng)林科學(xué)院棉花研究所威縣試驗(yàn)站種植鑒定。

1．2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，2行區(qū)，重復(fù)3次。等行距種植，行長(zhǎng)3．5m，行距76 cm，株距16 cm，密度83 000株/hm2。小區(qū)面積5．32 m2。每年4月下旬播種，雙行地膜種植，其它配套栽培管理措施和一般大田一致。

1．3 數(shù)據(jù)采集

每小區(qū)選取中間有代表性棉花20株，于9月5日主要調(diào)查株高、第一果枝節(jié)位、第一果枝節(jié)位高度、首果節(jié)長(zhǎng)度。收花前分別在兩個(gè)重復(fù)的取樣行隨機(jī)采摘中上部吐絮正常的50個(gè)鈴，曬干稱(chēng)重，分析單鈴重［14］；測(cè)定單鈴重的子棉樣品分品種軋花考種后，計(jì)算衣分和子指；收花后各小區(qū)取棉樣30 g送農(nóng)業(yè)農(nóng)村部棉花纖維檢測(cè)中心（安陽(yáng)）采用HVI900系統(tǒng)進(jìn)行棉花纖維品質(zhì)測(cè)定。

1．4 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化及統(tǒng)計(jì)分析

用Microsoft Excel 2007整理數(shù)據(jù)并作圖，運(yùn)用SPSS 21．0軟件進(jìn)行遺傳變異和相關(guān)性分析，運(yùn)用DPS 15．10軟件進(jìn)行主成分和聚類(lèi)分析。

2 結(jié)果與分析

2．1 主要性狀的遺傳多樣性分析

314份陸地棉種質(zhì)材料主要性狀的變異分析結(jié)果（表1）表明，各種質(zhì)間的變異區(qū)間為1．0%～21．6%，變幅較大。其中，首果節(jié)長(zhǎng)度變異系數(shù)最大為21．6%，變異區(qū)間為4．7～32．2 cm；伸長(zhǎng)率變異系數(shù)最小為1．0%，變異區(qū)間為6．5% ～6．9%；其它性狀變異系數(shù)依次為第一果枝節(jié)位高度（18．8%）＞第一果枝節(jié)位（13．8%）＞斷裂比強(qiáng)度（11．9%）＞株高（10．7%）＞單鈴重（10．2%）＞子指（10．1%）＞馬克隆值（9．1%）＞衣分（8．1%）＞上半部平均長(zhǎng)度（6．3%）＞整齊度指數(shù)（2．4%）。通常情況下變異系數(shù)超過(guò)10%代表樣本間有較為顯著的差異［15］。本研究中，7個(gè)性狀的變異系數(shù)超過(guò)10%，說(shuō)明這314份材料主要性狀間差異較大，類(lèi)別較豐富，有益于優(yōu)異種質(zhì)資源的對(duì)比與篩選。

表1 314份陸地棉種質(zhì)資源主要性狀的變異情況

2．2 主要性狀的相關(guān)性分析

對(duì)314份陸地棉種質(zhì)資源的12個(gè)主要性狀進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果（表2）表明，第一果枝節(jié)位與第一果枝節(jié)位高度、株高、單鈴重、衣分呈極顯著正相關(guān)，與子指呈極顯著負(fù)相關(guān)，與上半部平均長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度、整齊度指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)；第一果枝節(jié)位高度與株高、單鈴重、衣分呈極顯著正相關(guān)。首果節(jié)長(zhǎng)度與株高、單鈴重、馬克隆值呈極顯著正相關(guān)；株高與單鈴重、衣分呈極顯著正相關(guān)，與馬克隆值呈顯著正相關(guān)；單鈴重與子指、馬克隆值呈極顯著正相關(guān)，與斷裂比強(qiáng)度呈極顯著負(fù)相關(guān)；衣分與子指、上半部平均長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率呈極顯著負(fù)相關(guān)，與馬克隆值呈極顯著正相關(guān)；子指與上半部平均長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度、整齊度指數(shù)、伸長(zhǎng)率呈極顯著正相關(guān)，與馬克隆值呈極顯著負(fù)相關(guān)；上半部平均長(zhǎng)度與斷裂比強(qiáng)度、整齊度指數(shù)、伸長(zhǎng)率呈極顯著正相關(guān)，與馬克隆值呈極顯著負(fù)相關(guān)；整齊度指數(shù)與斷裂比強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率呈極顯著正相關(guān)；斷裂比強(qiáng)度與伸長(zhǎng)率呈極顯著正相關(guān)，與馬克隆值呈極顯著負(fù)相關(guān)；馬克隆值與伸長(zhǎng)率呈顯著負(fù)相關(guān)。由上分析得出，這些性狀大多相互間有密切的影響與制約機(jī)制，所以種質(zhì)創(chuàng)新運(yùn)用中應(yīng)進(jìn)行整合研究。

表2 314份陸地棉種質(zhì)資源主要性狀的相關(guān)性

2．3 主要性狀的主成分分析

對(duì)314份陸地棉種質(zhì)資源的7個(gè)農(nóng)藝性狀和5個(gè)纖維品質(zhì)性狀進(jìn)行主成分分析，提取特征值大于1的主成分，共有4個(gè)，累計(jì)貢獻(xiàn)率為68．39%，能呈現(xiàn)農(nóng)藝性狀和纖維品質(zhì)性狀的多數(shù)信息（表3）。第1主成分的特征值為3．3884，相應(yīng)的貢獻(xiàn)率為28．24%，其中上半部平均長(zhǎng)度特征向量值正值最大（0．8474），對(duì)第1主成分影響最大，其次是斷裂比強(qiáng)度（0．8455）、伸長(zhǎng)率（0．5940）、子指（0．5685）、整齊度指數(shù)（0．3362），因此第1主成分為棉花纖維品質(zhì)因子。第2主成分的特征值為2．1657，相應(yīng)的貢獻(xiàn)率為18．05%，其中第一果枝節(jié)位高度特征向量值正值最大（0．8335），其次是第一果枝節(jié)位（0．7203）、株高（0．6635），因此第二主成分因子為植株性狀。第3主成分的特征值為1．4710，相應(yīng)的貢獻(xiàn)率為12．26%，其中單鈴重特征向量值為正值最大（0．6726），其次為首果節(jié)長(zhǎng)度（0．5770）、子指（0．5114），因此第3主成分為棉花產(chǎn)量因子。第4主成分的特征值為1．1803，相應(yīng)的貢獻(xiàn)率為9．84%，其中伸長(zhǎng)率特征向量值為正值最大（0．5242），其次為衣分（0．4427）和馬克隆值（0．4161）。

表3 314份陸地棉種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的主成分分析

2．4 314份陸地棉種質(zhì)資源的聚類(lèi)分析

圖1 陸地棉種質(zhì)資源聚類(lèi)圖

表4 不同類(lèi)群12個(gè)性狀的平均值

利用DPS 15．10軟件進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi)，根據(jù)遺傳距離3．5將314份陸地棉種質(zhì)資源劃分為6大類(lèi)群（圖1），同時(shí)計(jì)算各類(lèi)群的性狀平均值（表4）。其中，第Ⅰ類(lèi)群包含62份，屬于第一果枝節(jié)位高度較矮、株高較矮、衣分較高的資源材料；第Ⅱ類(lèi)群包含79份，屬于株高中等、首果節(jié)長(zhǎng)度較長(zhǎng)、斷裂比強(qiáng)度較好（31．05 cN/tex）的資源材料，該類(lèi)群材料纖維品質(zhì)級(jí)別主要為Ⅱ型；第Ⅲ類(lèi)群包含104份，屬于株高中等、衣分較高、品質(zhì)一般的資源材料；第Ⅳ類(lèi)群體包含31份，屬于株高中等、衣分高、品質(zhì)較差的資源材料；第Ⅴ類(lèi)群包含6份，分別為SJB095系、V4007系、華惠17、荊3092、荊3180和中棉所79，屬于株高較高（126．32 cm）、首果節(jié)長(zhǎng)度較短（9．00 cm）、莖稈硬、較緊湊、衣分高（43．00%）的資源材料；第Ⅵ類(lèi)群包含32份，屬于株高矮（98．83 cm）、衣分低（35．42%）、單鈴重低（4．96 g）、纖維品質(zhì)優(yōu)（上半部平均長(zhǎng)度30．57 mm，斷裂比強(qiáng)度35．49 cN/tex，馬克隆值4．43）的資源材料。育種中，可以根據(jù)不同育種目標(biāo)對(duì)資源材料進(jìn)行篩選和分析利用。

3 討論與結(jié)論

棉花種質(zhì)資源的遺傳多樣性分析，對(duì)于種質(zhì)資源利用和品種選育具有重要價(jià)值和作用。本研究選取314份陸地棉資源進(jìn)行變異分析、相關(guān)性分析、主成分分析和聚類(lèi)分析，材料量較多且分析性狀涵蓋面廣，有利于在棉花育種中提取相應(yīng)性狀進(jìn)行優(yōu)化和改良。李慧琴等［4］對(duì)270份陸地棉種質(zhì)資源的12個(gè)農(nóng)藝性狀與5個(gè)纖維品質(zhì)性狀的變異分析表明，7個(gè)性狀的變異系數(shù)大于10%，大部分的變異系數(shù)都在5%以上。本研究中，首果節(jié)長(zhǎng)度、第一果枝節(jié)位高度、第一果枝節(jié)位、斷裂比強(qiáng)度、株高、單鈴重、子指的變異系數(shù)均大于10%，其中斷裂比強(qiáng)度的變異系數(shù)達(dá)到11．9%，首果節(jié)長(zhǎng)度達(dá)到21．6%，這與李慧琴等［4］的結(jié)論相同。

本研究表明，棉花上半部平均長(zhǎng)度與整齊度指數(shù)、斷裂比強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率呈極顯著正相關(guān)，與馬克隆值呈極顯著負(fù)相關(guān)，表明棉花纖維長(zhǎng)度、纖維強(qiáng)度和纖維細(xì)度可以同步改良，這與李慧琴［4］、劉劍光［11］、錢(qián)玉源［16］等的研究結(jié)果一致。衣分與上半部平均長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與馬克隆值呈極顯著正相關(guān)，表明棉花產(chǎn)量與纖維品質(zhì)之間存在矛盾性，主要特征為纖維品質(zhì)指標(biāo)與衣分呈顯著負(fù)相關(guān)，這與李慧琴［4］、尹會(huì)會(huì)［7］、錢(qián)思穎［17］、戴茂華［18］等的研究結(jié)果基本一致。因此在選育高衣分品種時(shí)一定要注意協(xié)調(diào)纖維品質(zhì)，不能一味地提高衣分，同時(shí)也不可過(guò)分追求優(yōu)質(zhì)而影響到產(chǎn)量。衣分與子指呈極顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明同一品種的子指越大，相應(yīng)的衣分就會(huì)降低，導(dǎo)致皮棉產(chǎn)量下降，這與李武等［10］的研究結(jié)果一致。株高與第一果枝節(jié)位高度、第一果枝節(jié)位、單鈴重、衣分呈極顯著正相關(guān)，與馬克隆值呈顯著正相關(guān)，表明棉花植株越高，棉鈴越大，單鈴重越重，衣分越高，馬克隆值越高，纖維較粗，和李武等［10］的結(jié)論相同。第一果枝節(jié)位與第一果枝節(jié)位高度、株高、單鈴重、衣分呈極顯著正相關(guān)，與上半部平均長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度、整齊度指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，表明第一果枝節(jié)位越高，植株越高，單鈴重越重，上半部平均長(zhǎng)度越短，斷裂比強(qiáng)度越低。這與李慧琴［4］、尹會(huì)會(huì)［7］等的研究結(jié)果較一致。

主成分分析即關(guān)鍵的統(tǒng)計(jì)法，運(yùn)用較少指標(biāo)取代原本的多指標(biāo)方案［19］。本研究提取的4個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)68．39%。其中，第1主成分的特征值為3．3884，相應(yīng)的貢獻(xiàn)率為28．24%，為棉花纖維品質(zhì)因子。這說(shuō)明隨著上半部平均長(zhǎng)度增加，斷裂比強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率、整齊度指數(shù)也相應(yīng)增加，而衣分、馬克隆值、第一果枝節(jié)位高度、株高等降低，也說(shuō)明棉花纖維品質(zhì)和衣分等與產(chǎn)量性狀存在著一定矛盾。第2主成分為植株性狀因子，其中第一果枝節(jié)位高度特征向量值正值最大（0．8335），其次是第一果枝節(jié)位（0．7203）、株高（0．6635）。這說(shuō)明植株越高，第一果枝節(jié)位越高，第一果枝節(jié)位高度越高，單鈴重越重。第3主成分為棉花產(chǎn)量因子，其中單鈴重特征向量值為正值最大，其次為首果節(jié)長(zhǎng)度、子指。這說(shuō)明隨著單鈴重增加，棉纖維上半部平均長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率降低，馬克隆值增加，也說(shuō)明產(chǎn)量和纖維品質(zhì)之間同步改良難度大。第4主成分中伸長(zhǎng)率特征向量值為正值最大，其次為衣分和馬克隆值，子指特征向量值為負(fù)值最大，說(shuō)明同一品種的衣分越大，相應(yīng)的子指就會(huì)降低，導(dǎo)致皮棉產(chǎn)量下降。

本研究通過(guò)對(duì)農(nóng)藝與品質(zhì)性狀的聚類(lèi)分析，將314份資源材料分成6大類(lèi)群。第Ⅵ類(lèi)群包含32份資源，為優(yōu)質(zhì)材料，其中新陸中35、新路早66號(hào)、金陸長(zhǎng)1號(hào)、J02-508、鄂棉9號(hào)（五三長(zhǎng)絨）、冀長(zhǎng)絨、sealand（特長(zhǎng)絨）、魯原343、豫389、Q1087、75119纖維品質(zhì)長(zhǎng)強(qiáng)細(xì)配套，都達(dá)到Ⅰ型，但是普遍衣分較低，可用作改良棉花纖維品質(zhì)的雜交親本，與高衣分材料進(jìn)行雜交；新陸中10號(hào)（馬克隆值3．5）、金陸長(zhǎng)1號(hào)（馬克隆值3．9）、JA064（馬克隆值3．9）、JA401-2（馬克隆值3．2）、鄂棉9號(hào)（馬克隆值3．9）、Q1087（馬克隆值3．8）馬克隆值較優(yōu)，可與高馬克隆值材料雜交，改良棉花的馬克隆值。第Ⅴ類(lèi)群包括SJB095系、V4007系、華惠17、荊3092、荊3180和中棉所79，其第一果枝節(jié)位較高、第一果枝節(jié)位高度高、首果節(jié)短、莖稈硬、衣分高，如果于合適時(shí)間節(jié)點(diǎn)使用適宜濃度縮節(jié)胺控高，可實(shí)現(xiàn)機(jī)械化采收。第Ⅳ類(lèi)群屬于衣分高、品質(zhì)較差的資源材料，其中SJB094（衣分46．3%）、ZH2015（衣分46．9%）、楚優(yōu)8號(hào)（衣分46．1%）、荊早棉1號(hào)（衣分45．1%）、晶華115（衣分46．7%）、湘雜棉親本（衣分45．1%）、冀466-468（衣分45．9%）、潤(rùn)棉1號(hào)（衣分46．1%）的衣分都超過(guò)45%，但纖維品質(zhì)不佳，可根據(jù)實(shí)際情況，與優(yōu)質(zhì)材料雜交，實(shí)現(xiàn)品質(zhì)和衣分的同步改良。第Ⅱ類(lèi)群為斷裂比強(qiáng)度較好的棉花資源材料，JA501、601長(zhǎng)絨棉、V4076、湘212、ZXJDL F6、冀1498系、冀N71、冀豐4號(hào)、冀資優(yōu)、R039108、蘇研65010、科棉5號(hào)、銀興棉4號(hào)、德棉7號(hào)、魯735、錦科2號(hào)、百棉1號(hào)、欣抗4號(hào)、鄭農(nóng)棉4號(hào)、7015系、MBC11181、MBC27683、H1BC-3的斷裂比強(qiáng)度均大于32．0 cN/tex，尤其是ZXJDL F6（斷裂比強(qiáng)度37．9 cN/tex）、冀1498系（斷裂比強(qiáng)度37．5 cN/tex）、冀N71（斷裂比強(qiáng)度35．2 cN/tex）、蘇研65010（斷裂比強(qiáng)度35．2 cN/tex）、魯735（斷裂比強(qiáng)度35．2 cN/tex）、鄭農(nóng)棉4號(hào)（斷裂比強(qiáng)度35．8 cN/tex）、7015系（斷裂比強(qiáng)度36．0 cN/tex）、MBC27683（斷裂比強(qiáng)度35．9 cN/tex）斷裂比強(qiáng)度超過(guò)了35．0 cN/tex，可用于改良棉花的強(qiáng)度。第Ⅰ類(lèi)群為株高較矮、首果節(jié)較長(zhǎng)的資源材料，可與植株高、株型緊湊的資源材料（第Ⅴ類(lèi)群體）進(jìn)行雜交，改良棉花株型。第Ⅲ類(lèi)群包含104份，屬于株高中等、衣分較高、品質(zhì)一般的資源材料。

棉花纖維品質(zhì)、產(chǎn)量與農(nóng)藝性狀有著非常密切的關(guān)聯(lián)，單鈴重、衣分為影響產(chǎn)量的核心因素，上半部平均長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度、馬克隆值為纖維品質(zhì)構(gòu)成的重要指標(biāo)，而株高、第一果枝節(jié)位、第一果枝節(jié)位高度、首果節(jié)長(zhǎng)度等農(nóng)藝性狀又影響著棉花產(chǎn)量和纖維品質(zhì)。棉花產(chǎn)量和品質(zhì)同步改良一直是棉花育種者共同的目標(biāo)，切不可一味追求產(chǎn)量而忽視品質(zhì)，或過(guò)多追求優(yōu)質(zhì)而忽視產(chǎn)量。棉花馬克隆值和斷裂比強(qiáng)度是影響河北棉花品質(zhì)提檔升級(jí)的主要原因［20］，通過(guò)聚類(lèi)分析，本研究篩選出一批改良馬克隆值和斷裂比強(qiáng)度的資源材料。近年來(lái)，隨著我國(guó)勞動(dòng)力成本的快速上升，棉花生產(chǎn)全程機(jī)械化是提高植棉效益、降低生產(chǎn)成本從而實(shí)現(xiàn)快樂(lè)植棉的重要保障［21］。2018年以來(lái)，河北省棉花區(qū)域試驗(yàn)增加了機(jī)采棉組，冀1518［20］、冀棉2016［22］等一批適合機(jī)采的棉花品種通過(guò)河北省農(nóng)作物品種審定委員會(huì)審定，為河北省乃至黃河流域棉區(qū)棉花生產(chǎn)和品種選育提供了方向性借鑒。