陸地棉棉籽主要品質(zhì)性狀與農(nóng)藝性狀的遺傳變異分析

劉鵬飛， 陸小雙， 迪力木拉提·熱合曼， 唐努爾·斯拉依， 曲延英，陳全家， 鄧曉娟*

（1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，烏魯木齊 830052； 2.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)教育部棉花工程研究中心，烏魯木齊 830052）

棉花(Gossypium)是世界上主要的天然纖維作物，也是發(fā)展中國家經(jīng)濟(jì)重要的驅(qū)動力之一。除棉纖維外，棉籽不僅是食用油和優(yōu)質(zhì)蛋白質(zhì)的重要來源[1-2]，還是工業(yè)原料的重要來源[3]。但棉籽中含有對人畜有毒的棉酚及其衍生物，嚴(yán)重限制了棉籽蛋白質(zhì)和棉籽油的開發(fā)利用[4-5]。因此，棉籽品質(zhì)性狀作為影響棉花副產(chǎn)品市場價格的主要因素，越來越受到育種家的關(guān)注[6]。

只有對作物進(jìn)行全面的了解，才能進(jìn)一步優(yōu)化育種工作，提高種質(zhì)資源的篩選效率。國內(nèi)外學(xué)者對陸地棉種質(zhì)資源的纖維品質(zhì)與農(nóng)藝性狀開展了多方面的研究，但多針對單一農(nóng)藝性狀或纖維品質(zhì)[7-14]，而研究農(nóng)藝性狀、纖維性狀同棉籽品質(zhì)間關(guān)系的報道較少。油分含量、蛋白含量、棉酚含量與纖維品質(zhì)和各農(nóng)藝性狀之間存在復(fù)雜的相互作用。研究表明，油分含量與整齊度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與纖維長度、比強(qiáng)度呈顯著負(fù)相關(guān)，與馬克隆值、伸長率呈較弱的負(fù)相關(guān)；蛋白含量與纖維長度、整齊度呈極顯著正相關(guān)，與馬克隆值、伸長率、比強(qiáng)度呈較弱的正相關(guān)[15]，而油分、蛋白含量與棉酚含量的關(guān)系尚未有明確的報道。因此，本研究以27 份陸地棉為研究材料，通過相關(guān)分析、方差分析、聚類分析、主成分分析等方法，初步探究棉籽主要品質(zhì)性狀與農(nóng)藝性狀和纖維性狀的關(guān)系，以期為培育特種棉新品種提供方法參考和種質(zhì)資源。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)共選用27 份陸地棉品種，品種名稱及來源詳見表1，均由新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)2612 棉花研究團(tuán)隊(duì)提供。

表1 試驗(yàn)品種名稱及來源Table 1 Name and source of cotton variety

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計

采用隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計，于2019 和2020 年在沙灣144 團(tuán)新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花基地（84°45′—86°40′N，43°20′—45°20′E，）進(jìn)行種植，3 次重復(fù)，栽培措施依照常規(guī)大田管理。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1農(nóng)藝性狀的測定 分別于鈴期利用SPAD-502 葉綠素儀測定倒3 葉的葉綠素含量（chlorophyll content at boll phase，CCBP）；同時采集新鮮葉片，用冰袋采回室內(nèi)利用QT-LS02 植物葉分析系統(tǒng)測定倒3 葉的葉片面積（leaf area，LA）。于8 月中旬，參照《農(nóng)作物田間試驗(yàn)記載項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)》[16]，每個品種隨機(jī)選取連續(xù)5 株，測定株高（plant height，PH）、始節(jié)高（height of the first branch，BSH）、始節(jié)數(shù)（number of the first branch，NOB）、果枝數(shù)（fruit branch number，F(xiàn)BN）、有效果枝數(shù)（effective fruit branch，EFNB）、總鈴數(shù)（boll number per plant，TBN）和有效成鈴數(shù)（effective boll number per，EBN）。于收獲期進(jìn)行室內(nèi)考種，混收50 鈴測定籽棉重（seed cotton weight，SCW）、皮棉重（lint weight，LW）、單鈴重（single boll weight，SBW）和衣分（lint percentage，LP）。

1.3.2纖維性狀的測定 收獲后，每個品種取10 g纖維樣品送石河子農(nóng)墾科學(xué)院棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)中心（HV11000）測定纖維品質(zhì)，包括纖維長度（fiber length，F(xiàn)L）、纖維強(qiáng)度（fiber strength，F(xiàn)S）、馬克隆值（micronaire，F(xiàn)M）、纖維整齊度（fiber uniformity，F(xiàn)U）和纖維伸長率（fiber elongation，F(xiàn)E）。

1.3.3棉籽品質(zhì)性狀的測定 室內(nèi)測定棉籽品質(zhì)性狀，包括棉籽油分含量、蛋白含量、棉酚含量。其中，參照種子脂肪檢測國家標(biāo)準(zhǔn)采用索氏抽提法（殘差法）[14]測定棉籽油分含量；采用雙縮尿法[17]測定粗蛋白含量；采用間苯三酚法[18]測定棉酚含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用Microsoft Excel 2010 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析及其圖表繪制，用SPSS 軟件進(jìn)行相關(guān)分析、主成分分析、方差分析、聚類分析和綜合評價。

2 結(jié)果與分析

2.1 表型變異分析

對18 個指標(biāo)進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析，結(jié)果（表2）表明，油分含量最高為25.030%；蛋白含量最高為28.421%；棉酚含量最低為0.749 mg·g-1。不同性狀的變異系數(shù)為1.429%～27.524%，變異幅度較大，說明27 份材料蘊(yùn)含豐富的遺傳變異。其中變異系數(shù)在10%以上的性狀分別是蛋白含量（27.524%）、葉面積（19.379%）、棉酚含量（13.077%）、始節(jié)高（12.826%）、始節(jié)數(shù)（12.229%）、油分含量（11.683%）和株高（10.382%）；纖維整齊度的變異系數(shù)最小，僅1.429%。

表2 表型的變異分析Table 2 Variation analysis of phenotypes

2.2 相關(guān)性分析

對棉籽主要品質(zhì)性狀與農(nóng)藝性狀和纖維品質(zhì)性狀進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果（表3）表明，油分含量與果枝數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與衣分呈顯著負(fù)相關(guān)；棉酚含量與葉面積呈顯著負(fù)相關(guān)。農(nóng)藝性狀和纖維品質(zhì)各自之間也具有不同程度的相關(guān)性，其中，籽棉重與皮棉重和單鈴重呈極顯著正相關(guān)；葉面積與鈴期葉綠素含量呈極顯著正相關(guān)；籽棉重與馬克隆值呈顯著正相關(guān)；纖維整齊度與株高呈顯著正相關(guān)；株高與始節(jié)高和鈴期葉綠素含量呈顯著正相關(guān)；單鈴重與馬克隆值呈顯著負(fù)相關(guān)；纖維整齊度與始節(jié)數(shù)呈極顯著正相關(guān)；纖維強(qiáng)度與纖維伸長率呈極顯著負(fù)相關(guān)；纖維長度與纖維強(qiáng)度呈顯著負(fù)相關(guān)。由此表明，棉籽品質(zhì)性狀與農(nóng)藝性狀之間存在一定相關(guān)性?？赏ㄟ^衣分、果枝數(shù)、葉面積對棉籽品質(zhì)進(jìn)行初步篩選。

表3 各性狀間的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of different traits

2.3 材料間的單因素方差分析

相關(guān)分析表明，衣分、果枝數(shù)、葉面積與棉籽品質(zhì)性狀顯著相關(guān)。為進(jìn)一步探究不同品種棉籽含油量、蛋白含量和棉酚含量的差異性，對各材料棉籽的油分、蛋白和棉酚含量及衣分、果枝數(shù)、葉面積6 個指標(biāo)分別進(jìn)行單因素方差分析，結(jié)果（表4）表明，新陸早5 棉籽的油分含量較高，顯著高于豫棉19、司6524 等；澳Siv2、遼棉9 號、新陸早10 的棉籽棉酚含量較高，顯著高于運(yùn)93 抗354；中棉所43 的衣分較高，而黑山棉1 號、司6524 的衣分較低；遼棉9 號的果枝數(shù)較多，鄂抗棉10 的果枝數(shù)較少；非洲棉E-40、科遠(yuǎn)1、新陸早5、魯棉研21、陜2812 的葉面積較大，MIScot7380-52 的葉面積較小?？傮w來看，新陸早5 棉籽的油分和蛋白含量較高，葉面積較小；遼棉9 號的棉酚含量較高、果枝數(shù)較多。

表4 27份品種的棉籽品質(zhì)及衣分、果枝數(shù)和葉面積Table 4 Cottonseed quality， lint， fruit branches and leaf area of 27 varieties

2.4 主成分分析

對18 個指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化值進(jìn)行主成分分析，共提取出6個主成分因子，其貢獻(xiàn)率分別為21.908%、19.309%、13.616%、10.903%、6.854%、6.165%，累積貢獻(xiàn)率為78.755%（表5）。其中，第1 主成分的特征值為3.943，方差貢獻(xiàn)率為21.908%，主要包含纖維長度、比強(qiáng)度、整齊度和始節(jié)高4 個性狀，為棉花纖維相關(guān)因子；第2 主成分的特征值為3.476，方差貢獻(xiàn)率為19.309%，主要包含籽棉重、單鈴重、皮棉重，為棉花產(chǎn)量相關(guān)因子；第3 主成分的特征值為2.451，方差貢獻(xiàn)率為13.616%，主要包含始節(jié)數(shù)、蛋白含量、衣分、葉面積和馬克隆值，為棉籽品質(zhì)選擇因子；第4 主成分的特征值為1.234，方差貢獻(xiàn)率為6.854%，主要包含鈴期葉綠素含量和伸長率，為鈴期葉綠素含量和伸長率的選擇綜合因子；第5 主成分的特征值為1.234，方差貢獻(xiàn)率為6.854%，主要包含棉酚、油分含量，為棉籽品質(zhì)高控制選擇因子；第6 主成分的特征值為1.110，方差貢獻(xiàn)率為6.165%，主要包含株高、果枝數(shù)，為棉籽低品質(zhì)相關(guān)因子。其中第3 主成分特征向量值最高的為始節(jié)數(shù)，其次分別為棉籽蛋白含量、衣分、葉面積、馬克隆值，說明始節(jié)數(shù)同棉籽蛋白含量及衣分關(guān)聯(lián)密切。

表5 各因子載荷矩陣、特征值、貢獻(xiàn)率與累計貢獻(xiàn)率Table 5 Load matrix， eigenvalues， contribution rate and cumulative contribution rate of each factor

2.5 綜合評價

根據(jù)各因子的貢獻(xiàn)率及標(biāo)準(zhǔn)化后的性狀數(shù)據(jù)求得6個主成分的得分。

式中，X1～X18分別代表油分含量、蛋白含量、棉酚含量、籽棉重、皮棉重、衣分、纖維長度、纖維整齊度、纖維比強(qiáng)度、馬克隆值、纖維伸長率、株高、始節(jié)高、始節(jié)數(shù)、果枝數(shù)、葉面積、鈴期葉綠素含量;Y1～Y6分別代表第1～6個主效因子的得分。

從表6（Y代表綜合得分）可知，蘇棉9 的綜合得分最高，表現(xiàn)為棉酚含量、衣分、始節(jié)數(shù)、葉面積、鈴期葉綠素含量均較高，但油分與蛋白含量較低；MIScot7380-52 的綜合得分最低，表現(xiàn)為油分含量較高，蛋白與棉酚含量較低，衣分、始節(jié)數(shù)較低，果枝數(shù)較多，葉面積和鈴期葉綠素含量較低。

表6 各品種主成分得分Table 6 Score of principal components of various varieties

2.6 聚類分析

由于第5 主成分因子為棉籽品質(zhì)高控制選擇因子，主要包括油分和棉酚含量，且其與衣分、果枝數(shù)、葉面積有較強(qiáng)的相關(guān)性，因此根據(jù)各個材料第5 主成分因子的得分進(jìn)行聚類分析。結(jié)果（圖1）表明，在相似系數(shù)為3 處將27 份材料分為4個類群。第Ⅰ類群僅1個品種司6524，綜合得分為2.46，品種特性表現(xiàn)為棉酚含量較高，油分和蛋白含量較低，果枝數(shù)較少，衣分較低，葉面積較大；第Ⅱ類群包括魯棉研21、灑棉2 號、中棉所41 等共14個品種，綜合得分為0.01～1.17，品種特性表現(xiàn)為油分含量略低于第Ⅳ類群，蛋白和棉酚含量較低，果枝數(shù)較多，葉面積較小，衣分較高；第Ⅲ類群包括中棉所43、澳Siv2、冀棉8共3個品種，綜合得分為-2.03～-1.49，表現(xiàn)為蛋白和棉酚含量較高，衣分較高，果枝數(shù)較多，葉面積較大；第Ⅳ類群包括中棉所60、新陸早5、黑山棉1號，綜合得分為-0.25～-1.13，表現(xiàn)為油分和棉酚含量較高，衣分較低，果枝數(shù)較多，葉面積較大。

圖1 主效因子5聚類分析結(jié)果Fig. 1 Cluster analysis result based on main effect factor 5

3 討論

棉籽品質(zhì)性狀是由多基因型控制的數(shù)量性狀，因此，對其性狀的操控能力是決定棉花育種效率的關(guān)鍵[19]。本研究以27 份材料為研究對象，對其棉籽品質(zhì)與纖維品質(zhì)和農(nóng)藝性狀的關(guān)系進(jìn)行多重分析，結(jié)果表明，18 個性狀中有7 個性狀的變異系數(shù)大于10%；在棉籽品質(zhì)性狀中，蛋白含量的變異系數(shù)最大，油分含量的變異系數(shù)最??；說明27 份材料的棉籽品質(zhì)具有豐富的變異。研究棉籽品質(zhì)性狀與農(nóng)藝性狀和纖維品質(zhì)性狀的關(guān)系對棉花遺傳育種具有重要的理論和實(shí)踐意義。

通過主成分分析，提取出6 個主效因子，累計貢獻(xiàn)率達(dá)到78.755%，其中第3 和第5 主成分主要包括棉籽油分含量、蛋白含量、棉酚含量及衣分、始節(jié)數(shù)、葉面積。大多數(shù)性狀均具有豐富的遺傳變異和較大的選擇潛力，特別是種子品質(zhì)性狀、纖維產(chǎn)量指標(biāo)[20-21]。

對種質(zhì)資源的準(zhǔn)確鑒定評價將有助于育種選擇、遺傳多樣性評價、關(guān)聯(lián)作圖及基因組選擇研究。本研究在2年中評估了27份材料的10個農(nóng)藝性狀、3 個種子品質(zhì)性狀及5 個纖維品質(zhì)性狀，相關(guān)分析表明，衣分、果枝數(shù)、葉面積與棉籽油分、蛋白、棉酚含量顯著相關(guān)；主成分分析中得出始節(jié)數(shù)、衣分、葉面積與棉籽品質(zhì)性狀關(guān)系密切。因此，通過衣分、始節(jié)數(shù)、葉面積可初步篩選高油低酚和高蛋白低酚的品種。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中棉籽油分和蛋白中含有人體必需氨基酸，但棉籽中還存在對人體有害的棉酚。為了提高棉籽副產(chǎn)品的利用效率，對27 份材料進(jìn)行了高油低酚、高蛋白低酚的測定，發(fā)現(xiàn)油分含量和蛋白含量呈負(fù)相關(guān)，但油分和蛋白含量與棉酚含量的關(guān)系仍未明確。了解不同品種纖維品質(zhì)、農(nóng)藝性狀及棉籽副產(chǎn)品品質(zhì)性狀的差異和相似性有助于育種家選擇高油低酚、高蛋白低酚的種質(zhì)資源或雙用途種質(zhì)資源。本研究初步篩選出高油低酚品種新陸早5 和MIScot7380-52，及高蛋白低酚品種魯棉研21，為培育特種棉新品種提供方法參考和種質(zhì)資源。