基于部分NCII交配設計的陸地棉產(chǎn)量和纖維品質(zhì)性狀遺傳分析

馮常輝 焦春海 張友昌 別 墅 秦鴻德 王瓊珊張教海 王孝剛 夏松波 藍家樣 陳全求

（1湖北省農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長江中游棉花生物學與遺傳育種重點實驗室，430064，湖北武漢；2湖北省農(nóng)業(yè)科學院，430064，湖北武漢）

我國現(xiàn)有各類棉花種質(zhì)資源有8000余份[1]，為育種提供了豐富的遺傳資源。了解和掌握陸地棉資源材料育種目標性狀的遺傳特點，對育種實踐具有重要的指導意義。皮棉產(chǎn)量和纖維品質(zhì)是棉花育種的主要目標性狀，其遺傳特點一直是育種家關注的重點。對于衣分和纖維品質(zhì)性狀的遺傳效應，已有研究結(jié)果較為一致，多數(shù)認為以加性效應為主[2-5]。但其他產(chǎn)量性狀的遺傳特點，目前仍缺少統(tǒng)一的認識。對于皮棉產(chǎn)量，不少研究[6-9]認為其遺傳效應以顯性效應為主，也有研究[3,10]認為以加性效應為主，還有研究[4-5,11-12]認為兼有加性和顯性效應。對于鈴數(shù)和鈴重，多數(shù)研究[2,6,8]表明，二者均以顯性效應為主，但王學德等[10]認為，鈴數(shù)和鈴重以加性效應為主。至于皮棉產(chǎn)量與纖維品質(zhì)性狀的相關性，一致認為二者之間存在負相關性（主要是皮棉產(chǎn)量與纖維上半部平均長度或者斷裂比強度之間），但是相關程度差異較大[5,13-15]。有研究[14]認為，皮棉產(chǎn)量與纖維品質(zhì)之間相關程度較低，二者之間的關系可以協(xié)調(diào)；也有研究[13]認為，二者之間負相關程度較高，協(xié)調(diào)二者的關系較為困難。以上結(jié)果相互矛盾的原因，一般認為是由于不同研究中所選擇的材料不同所致。

在已有的陸地棉產(chǎn)量與品質(zhì)性狀的遺傳研究中，所用交配設計主要為雙列雜交或雙因素交叉式遺傳（North Carolina II，NCII）。當使用的親本數(shù)量增加時，這2種交配設計所需雜交組合數(shù)量接近指數(shù)增長。因試驗田面積和性狀調(diào)查所耗時間等科研條件的限制，多選用不超過12個親本的交配群體進行遺傳分析[16]，因此材料選擇不同而造成的結(jié)果差異難以避免。為在資源有限的條件下評價更多的親本，Kempthorne等[17]和 Miranda等[16]分別提出了部分循環(huán)雙列雜交和群體間的部分循環(huán)雙列雜交。對于群體間的部分循環(huán)雙列雜交，因其屬于NCII設計的特殊類型，因此也被稱作部分NCII交配設計[18]。從交配方式上看，部分NCII交配設計也屬于不完全雙列雜交的一種，可用混合線性模型分析方法進行遺傳效應分析[19-21]。

為避免親本數(shù)量少而造成遺傳分析結(jié)果對材料選擇的嚴重依賴，本研究以60份不同地域來源的陸地棉材料為親本，采用部分NCII交配設計配制雜交組合，利用加性-顯性（AD）遺傳模型剖析陸地棉產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的遺傳效應，并分析各性狀之間的遺傳相關性，進一步了解陸地棉主要的產(chǎn)量和纖維品質(zhì)育種目標性狀的遺傳特點；同時對60個陸地棉親本材料進行評價，為后續(xù)育種程序的制定提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

選用60個陸地棉親本材料（父、母本各30份）為試驗對象（表1）。父本編號范圍為1～30，母本編號范圍為31～60。所選親本來源于不同地區(qū)，育成時間有較大差別，在熟性、產(chǎn)量和纖維品質(zhì)等性狀上具有不同特點，其中有11個為生產(chǎn)推廣應用優(yōu)良雜交品種的親本。

表1 親本名稱及其來源Table 1 The name and origin of parents

1.2 交配設計

采用部分NCII交配設計[18]，按每個父本分別與6個母本雜交，每個母本分別與6個父本雜交的循環(huán)方式產(chǎn)生180個F1組合（表2）。

表2 部分NCII交配設計的交配方式Table 2 Mating patterns in partial NCII mating design

1.3 田間試驗

2017年在海南配制雜交組合。60個親本和180個F1雜交組合，將240個材料種植于3個環(huán)境：2018年種植于湖北省農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所武漢試驗基地，2019年種植于湖北省農(nóng)業(yè)科學院經(jīng)濟作物研究所武漢試驗基地和鄂州試驗基地。3個環(huán)境的田間試驗均采用隨機區(qū)組設計，單行區(qū)，行長4.40m，行距0.76m，3次重復。其中，武漢試驗點在2018和2019年均于4月17日左右進行營養(yǎng)缽育苗，5月11日前后移栽，種植密度3.30萬株/hm2；鄂州試驗點于4月25日直播，種植密度3.90萬株/hm2。栽培管理同一般大田。

1.4 性狀調(diào)查

在9月20日前后，調(diào)查每小區(qū)總鈴數(shù)。每行采收棉株中部正常吐絮的棉鈴50個，考察鈴重（50個鈴重的平均值）、衣分（%，50個棉鈴去掉棉籽后的皮棉/50個棉鈴重量×100）以及纖維品質(zhì)。小區(qū)皮棉產(chǎn)量按“（鈴重×小區(qū)總鈴數(shù)×衣分）/小區(qū)面積”計算。采用HFT 9000大容量纖維檢測儀測定纖維上半部平均長度、斷裂比強度和馬克隆值。

1.5 數(shù)據(jù)處理

運用AD遺傳模型對240個試驗材料在3個環(huán)境下的表型數(shù)據(jù)進行聯(lián)合分析，參照文獻[21-24]，利用QGAStation 2.0軟件進行遺傳方差分量估算、遺傳效應及基因型相關性分析。運用MINQUE（1）法估算各性狀各項遺傳效應的方差分量，運用Jackknife抽樣方法計算各遺傳參數(shù)的估計值及其標準誤，采用t檢驗法對遺傳參數(shù)做統(tǒng)計檢驗。采用SPSS 17.0完成描述性統(tǒng)計分析、方差分析和簡單相關系數(shù)計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本和雜交組合的產(chǎn)量與纖維品質(zhì)表現(xiàn)

對180個F1和60個親本的皮棉產(chǎn)量及其構(gòu)成性狀、纖維品質(zhì)表現(xiàn)進行描述性統(tǒng)計分析（表3）。7個性狀的所有偏度絕對值介于0和1之間，接近正態(tài)分布；從峰度上看，皮棉產(chǎn)量、鈴重和鈴數(shù)的分布峰較陡峭，數(shù)據(jù)值較為集中。皮棉產(chǎn)量（164.21～3051.49kg/hm2）、鈴數(shù)（18.66×104～118.78×104/hm2）、衣分（24.48%～48.72%）、鈴重（2.94～7.58g）、上半部平均長度（24.00～33.60mm）、斷裂比強度（23.10～38.70cN/tex）和馬克隆值（3.50～6.60）等性狀的變化范圍較大。

表3 部分NCII群體的產(chǎn)量和纖維品質(zhì)性狀描述性統(tǒng)計分析Table 3 Descriptive statistic characteristics of the yield and fiber quality traits in the partial NCII mating design population

從方差分析結(jié)果（表4）可知，基因型、環(huán)境以及基因型×環(huán)境互作均對性狀產(chǎn)生顯著或極顯著影響。

表4 部分NCII群體中目標性狀方差分析Table 4 Variance analysis on the breeding target traits in the partial NCII mating design population

2.2 產(chǎn)量和纖維品質(zhì)目標性狀的遺傳方差構(gòu)成

對180個F1和60個親本的皮棉產(chǎn)量及其構(gòu)成因素和纖維品質(zhì)性狀的方差分量進行估計（表5）。7個性狀中，所有加性方差比例均達極顯著水平；除斷裂比強度外，其余性狀的顯性方差比率均達顯著或極顯著水平。說明既可在常規(guī)育種上通過世代選擇，使加性效應穩(wěn)定遺傳，也可以在雜種優(yōu)勢利用中發(fā)揮部分性狀的顯性效應。

表5 目標性狀的方差分量比例Table 5 Estimated proportions of variance components for the breeding target traits

皮棉產(chǎn)量的4種遺傳方差分量中，加性方差分量（VA/VP）占比最大（0.25），其次為顯性方差分量（VD/VP，0.17）和顯性×環(huán)境互作方差分量（VDE/VP，0.15），加性×環(huán)境互作方差分量比例（VAE/VP，0.05）最小。鈴數(shù)的遺傳方差分量中，VA/VP（0.20）也占主要地位，約為VD/VP（0.07）的3倍，但VDE/VP（0.14）卻顯著高于VAE/VP（0.08），約為后者的1.7倍。鈴重的遺傳方差分量中，VD/VP（0.21）占主要比例，其次為VDE/VP（0.17）和 VA/VP（0.14），VAE/VP（0.05）所占比例較小。衣分的VA/VP（0.62）在所有方差中最大，約為VD/VP（0.13）的4.8倍。

對于3個纖維品質(zhì)性狀，纖維上半部平均長度、斷裂比強度和馬克隆值的VA/VP在4類遺傳方差中均為最大，分別為0.48、0.60和0.48，而VD/VP均接近零，VDE/VP均較?。?.08～0.22）。

所有育種目標性狀的VAE/VP在總遺傳方差中均占比最低（0.03～0.08），而VDE/VP均不低于VAE/VP，表現(xiàn)為斷裂比強度（0.22）＞上半部平均長度（0.18）＞鈴重（0.17）＞皮棉產(chǎn)量（0.15）＞鈴數(shù)（0.14）＞馬克隆值（0.08）＞衣分（0.07）。

2.3 親本的加性遺傳效應

對60個親本的產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的加性遺傳效應進行估計（表6）。皮棉產(chǎn)量性狀上，親本的加性效應負向最?。?37.19），正向最大（23.65）。在加性效應值排序前10的親本中，58（JA501）和56（荊3372）的衣分和鈴重加性效應較大，60（魯棉398）和8（宜棉3號）的鈴數(shù)和鈴重加性效應較強，38（D5M）的衣分和鈴數(shù)加性效應較強，而親本29（華惠15）的鈴數(shù)加性效應較強（25.28）。親本33（蘇棉12號）的衣分加性效應突出（2.58）。

表6 親本產(chǎn)量及構(gòu)成性狀的加性效應估算值Table 6 Estimated additive effects of yield and its components for parents

皮棉產(chǎn)量加性效應較高的親本多為優(yōu)良雜交品種，如 30（泗抗 1 號）、33（蘇棉 12 號）、38（D5M）和56（荊3372）等親本加性效應居于前10位，4（D5F）居11位，這5個親本同時也是新創(chuàng)12號、蘇雜26、南抗3號、鄂雜棉10號和鄂雜棉17號等優(yōu)良雜交品種的親本之一[25-28]，親本4和38是鄂雜棉10號的2個親本，親本33是蘇雜26和南抗3號的共同親本。皮棉產(chǎn)量加性效應較低的親本中，多為來自于生態(tài)環(huán)境差異較大的品種，如4個國外種質(zhì)資源（9/美G-82、21/美棉2、27/SD1和49/SD2）、3個新疆來源的親本（13/新陸早15、24/新陸中10號和34/JA532）以及適于新疆種植的品種（19/中36），其皮棉產(chǎn)量加性效應均在-13.0以下。

為選育出強優(yōu)勢組合，利用皮棉產(chǎn)量加性效應較高的材料作親本是重要途徑之一。皮棉產(chǎn)量的加性效應是其相關性狀加性效應的綜合反映，發(fā)揮各皮棉產(chǎn)量構(gòu)成性狀的正向加性效應也可間接提高雜交組合的產(chǎn)量。

纖維上半部平均長度、斷裂比強度和馬克隆值的加性效應估計值正向最大分別達1.42、3.93和0.36；負向最大分別達-1.19、-2.14和-0.47（表7）。其中，親本6（鄂棉9號）、9（美G-82）、14（U37-8）、34（JA532）、36（SJB006-2）、46（S6043）、49（SD2）和52（MBC31776）等8個親本的纖維上半部平均長度和斷裂比強度加性效應分別達到0.46和0.13以上，且馬克隆值具有負向加性效應。馬克隆值是纖維細度和成熟度的綜合反映，一般認為馬克隆值在3.70以上時，數(shù)值越低纖維品質(zhì)越好。本研究中親本和組合的馬克隆值在3.50～6.60。因此，優(yōu)質(zhì)育種中可以利用這些親本提高纖維上半部平均長度和斷裂比強度，并適度利用馬克隆值的負向加性效應將其控制在優(yōu)質(zhì)范圍內(nèi)。

表7 親本纖維品質(zhì)性狀的加性效應估計值Table 7 Estimated additive effects of fiber quality traits for parents

2.4 性狀之間的基因型相關性

性狀之間的基因型相關剔除了環(huán)境的影響，代表相關性中可遺傳的部分[5]。因此，本研究采用基因型相關系數(shù)比較成對性狀間的相關性。由表8可知，皮棉產(chǎn)量與鈴數(shù)、衣分和鈴重之間呈較強的正相關，相關系數(shù)分別為0.83、0.73和0.49。衣分與鈴數(shù)存在較高相關性，相關系數(shù)達0.45，而衣分與鈴重、鈴重與鈴數(shù)之間相關性較弱，分別為0.22和0.10。

表8 目標性狀間的基因型相關系數(shù)（r）估計Table 8 Estimated genotypic correlation coefficient(r)among the breeding target traits

纖維上半部平均長度與斷裂比強度之間呈極顯著正相關（0.81），但它們與馬克隆值之間均呈極顯著負相關（-0.46和-0.45）。纖維上半部平均長度與斷裂比強度同馬克隆值之間的負相關實際上有利于纖維上半部平均長度、斷裂比強度和馬克隆值的同步改良。

產(chǎn)量構(gòu)成因素與纖維品質(zhì)性狀間，衣分性狀與纖維上半部平均長度和斷裂比強度間的負相關程度最高，鈴數(shù)與上半部平均長度和斷裂比強度之間的負相關次之，鈴重與纖維上半部平均長度和斷裂比強度則有一定程度的正相關。但衣分、鈴數(shù)和鈴重均與馬克隆值呈正相關，且以衣分的相關性最強。皮棉產(chǎn)量與纖維上半部平均長度和斷裂比強度存在較小負相關性（-0.21和-0.30），而與馬克隆值呈中等程度正相關（0.40）。

3 討論

3.1 部分NCII交配設計

部分NCII交配方式屬于NCII交配設計的一種抽樣[17]，在一定程度上可以代表NCII交配設計，其主要優(yōu)點為能夠?qū)^大容量的親本進行遺傳分析和評價，但其結(jié)果與NCII的一致性如何取決于抽樣的代表性[29-30]。為平衡部分NCII設計容納樣本的數(shù)量和抽樣的代表性，本研究將親本以接近隨機的方式進行位置排序，而且以代表性較好的平衡交配方式配制雜交組合[30]，使每個親本能與不同來源或類型的親本進行雜交。本研究利用部分NCII群體和AD遺傳模型對遺傳方差比例和親本遺傳效應進行分析，在衣分和纖維品質(zhì)性狀上得到的結(jié)果與此前的相關研究呈現(xiàn)較高的一致性。目前已有研究[2-5]結(jié)果認為，衣分和纖維品質(zhì)性狀的遺傳以加性效應為主，本研究的結(jié)果也顯示，衣分和纖維品質(zhì)性狀的加性效應方差比例為0.48～0.62，在遺傳方差中占絕對優(yōu)勢。在鈴重性狀上，本研究與較多的研究[7,9,31-32]一致認為其主要受顯性遺傳效應控制。

本研究使用的親本數(shù)量較以往相關研究有較大幅度的增加，在產(chǎn)量性狀的遺傳特點上也得到了與以往研究存在一定差異的結(jié)果。已有的陸地棉產(chǎn)量性狀遺傳分析結(jié)果[2,4,12,31]認為，產(chǎn)量性狀除衣分外，均以非加性效應為主，加性效應的方差比例低于顯性效應或環(huán)境互作效應。而本研究結(jié)果顯示，皮棉產(chǎn)量和鈴數(shù)的加性效應在各類遺傳效應中占比最高，顯性及其環(huán)境互作效應的比例低于加性效應。出現(xiàn)這種差異的原因除與不同研究材料的選擇有關外，還可能與樣本容量有關。因為樣本容量對遺傳參數(shù)估計有一定的影響，交配親本或組合較多時估計值更可靠[33]。在已有相關研究[2,5-9]中，使用的親本數(shù)量多在12個以下。但在王學德等[10]和Jenkins等[3]的研究中，其親本數(shù)量分別為15和20個，結(jié)果也顯示皮棉產(chǎn)量的加性效應比例超過顯性效應。

3.2 環(huán)境對陸地棉產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的影響

棉花植株個體較大，具有無限生長習性，產(chǎn)量和品質(zhì)性狀，尤其是除衣分外的產(chǎn)量性狀易受環(huán)境影響。設置重復和增加環(huán)境因素可有效降低環(huán)境對分析結(jié)果的影響。在本研究中，3個環(huán)境因素對產(chǎn)量和纖維品質(zhì)性狀產(chǎn)生顯著或極顯著影響。Wu等[32]通過分析12個親本及其37個雜交組合的遺傳方差，表明皮棉產(chǎn)量、衣分和鈴重的顯性與環(huán)境互作效應顯著，高于加性與環(huán)境互作效應。Campbell等[34]在育種群體中估算遺傳方差，表明皮棉產(chǎn)量、衣分和纖維品質(zhì)性狀的顯性與環(huán)境互作效應顯著，高于加性與環(huán)境互作效應。本研究表明，3個纖維品質(zhì)性狀與產(chǎn)量性狀一樣，具有較高的環(huán)境互作方差，其加性×環(huán)境和顯性×環(huán)境方差分量之和分別達到0.23、0.25和0.16（表5），產(chǎn)量性狀和纖維品質(zhì)育種7個育種目標性狀的遺傳與環(huán)境互作效應主要通過顯性×環(huán)境體現(xiàn)。

3.3 陸地棉產(chǎn)量和纖維品質(zhì)性狀遺傳特性與育種策略

育種目標性狀的遺傳特性決定了育種策略的選擇。已有研究[32]認為，皮棉產(chǎn)量和鈴數(shù)的加性效應比例偏低，因此，在利用雜交育種方式進行常規(guī)品種選育時，皮棉產(chǎn)量和鈴數(shù)等性狀選擇一般在高世代進行。而本研究結(jié)果顯示，盡管皮棉產(chǎn)量和鈴數(shù)的誤差方差比例較高，但其加性效應比例在4類遺傳效應中仍然最高。這表明在不同親本材料組成的群體中，皮棉產(chǎn)量和鈴數(shù)可能存在不同的遺傳特點。利用以加性效應為主的親本群體進行雜交育種時，在后代選擇過程中，在控制好試驗誤差的情況下，對皮棉產(chǎn)量和鈴數(shù)性狀在低世代選擇也可以取得較好的收益。

常規(guī)棉品種選育過程中，皮棉產(chǎn)量與纖維品質(zhì)存在較高程度的負相關，同步改良難度較大。本研究結(jié)果顯示，纖維上半部平均長度和斷裂比強度性狀與皮棉產(chǎn)量的負相關程度（-0.21和-0.30）低于楊六六等[5]和Campbell等[13]的研究結(jié)果，表明利用不同來源的親本材料進行雜交，降低負相關程度具一定的可能性。最近研究[35]也顯示，控制衣分與纖維強度的染色體片段之間存在緊密連鎖的證據(jù)，但同時發(fā)現(xiàn)大量控制纖維品質(zhì)性狀與控制產(chǎn)量性狀的染色體片段之間存在不連鎖的現(xiàn)象，為打破產(chǎn)量與纖維品質(zhì)的負相關提供了依據(jù)。

本研究中多數(shù)目標性狀的遺傳效應以加性為主的結(jié)果也提示，在雜交棉育種中，重視親本選配的同時需要重視親本的性狀改良，尤其是打破產(chǎn)量性狀與品質(zhì)性狀間的不利相關，選育產(chǎn)量性狀和品質(zhì)性狀協(xié)調(diào)的親本，使不同親本的組合聚集更多有利基因，從而培育優(yōu)良雜交種。

3.4 親本材料的遺傳評價

了解親本的遺傳效應，對于育種實踐中基礎材料的選擇利用具有重要的意義。因為在育種實踐中，常有親本本身產(chǎn)量表現(xiàn)較好而加性效應不高的現(xiàn)象，因此難以利用它們配制出強優(yōu)勢雜交組合；而有些親本本身表現(xiàn)一般，但加性效應較大，則可作為常規(guī)育種和雜種優(yōu)勢育種中的優(yōu)良親本。本研究篩選出的一批具有較高產(chǎn)量加性效應的親本，同時也是優(yōu)良雜交品種的親本[25-28]，表明部分NCII交配對親本的評價具有較好的效果。

此外，鑒定出親本8（宜棉3號）等多個親本在產(chǎn)量性狀上具有較強的正向加性效應，親本6（鄂棉9號）等多個親本具有較高纖維上半部平均長度和斷裂比強度的加性效應。為進一步的常規(guī)品種選育和優(yōu)勢雜交組合的測配提供了較好的基礎。

4 結(jié)論

部分NCII交配設計可用于對育種目標性狀的遺傳特點進行分析，并可同時對多個親本進行有效評價。通過對陸地棉產(chǎn)量和纖維品質(zhì)育種目標性狀加性效應、顯性效應以及其與環(huán)境的互作效應進行剖析，表明陸地棉的皮棉產(chǎn)量、衣分和鈴數(shù)性狀的遺傳呈現(xiàn)出以加性效應為主的特點，而鈴重具有較大的顯性效應；纖維上半部平均長度、斷裂比強度和馬克隆值3個品質(zhì)性狀的遺傳以加性效應為主?；蛐团c環(huán)境相互作用主要通過顯性效應與環(huán)境的互作來體現(xiàn)。相關性分析結(jié)果表明，產(chǎn)量性狀中，衣分與纖維上半部平均長度、斷裂比強度和馬克隆值的相關性均最大。