陸地棉種質(zhì)資源株型相關(guān)性狀鑒定與分析評(píng)價(jià)

馬麒，徐守振，寧新柱，陳紅，謝斌，李吉蓮，林海

（新疆農(nóng)墾科學(xué)院棉花研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北內(nèi)陸區(qū)棉花生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，新疆 石河子 832000）

陸地棉（Gossypium hirsutumL.）是世界上最具經(jīng)濟(jì)價(jià)值的紡織作物之一。長(zhǎng)期以來(lái)增加纖維產(chǎn)量對(duì)現(xiàn)代棉花生產(chǎn)者和育種家來(lái)說(shuō)一直是一個(gè)重大挑戰(zhàn)[1]，與增加單株產(chǎn)量潛力相比，通過(guò)增加種植密度對(duì)提高棉花單位面積產(chǎn)量的潛力更大，而種植密度主要由單個(gè)植株的獨(dú)特株型結(jié)構(gòu)決定[2]。因此，株型結(jié)構(gòu)對(duì)于當(dāng)前棉花生產(chǎn)具有重要意義。棉花株型結(jié)構(gòu)是根據(jù)果枝和葉枝的分布情況以及果枝的長(zhǎng)短而形成的綜合性狀，在眾多的株型相關(guān)性狀中，株高、果枝夾角和果枝長(zhǎng)度是決定株型結(jié)構(gòu)最關(guān)鍵的三個(gè)因素，決定著一個(gè)棉花品種能否適宜機(jī)采及輕簡(jiǎn)化栽培[4，5]。當(dāng)前普遍認(rèn)為棉花機(jī)采需要多個(gè)株型性狀相互協(xié)調(diào)，一般要求始果節(jié)高度＞20cm，果枝夾角相對(duì)較小，株高為75～85cm為宜，株型育種已成為棉花遺傳育種的一個(gè)重要方向。因此，對(duì)株型相關(guān)性狀進(jìn)行精準(zhǔn)鑒定與評(píng)價(jià)可為株型育種提供重要理論依據(jù)和參考信息。李成奇等[6]對(duì)陸地棉百棉1號(hào)的主要株型性狀進(jìn)行表型鑒定及遺傳研究；楊萬(wàn)玉等[7]通過(guò)對(duì)棉花株型相關(guān)性狀進(jìn)行鑒定，并開(kāi)展株型與產(chǎn)量的關(guān)系研究，發(fā)現(xiàn)各果節(jié)間長(zhǎng)度與皮棉產(chǎn)量呈開(kāi)口向下的二次拋物線(xiàn)關(guān)系，果枝的粗度與皮棉產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，適宜的果節(jié)間長(zhǎng)度和較粗的果枝是獲得棉花高產(chǎn)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。Wen等[8]對(duì)121份棉花材料的株高和果枝分枝數(shù)兩個(gè)性狀進(jìn)行三個(gè)環(huán)境下的表性鑒定與分析，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)性狀在三個(gè)環(huán)境下存在較為廣泛的變異，且兩者相關(guān)系數(shù)為0.37，存在極顯著（P＜0.01）的相關(guān)性。迄今為止，人們對(duì)棉花株型相關(guān)性狀的系統(tǒng)鑒定與評(píng)價(jià)的研究還相對(duì)較少，因此在進(jìn)行株型結(jié)構(gòu)的改良育種時(shí)，一方面存在著種質(zhì)資源匱乏的問(wèn)題，而另一方面，真正可供選擇參考的理論依據(jù)也不多，這嚴(yán)重阻礙了當(dāng)前棉花株型育種的進(jìn)程。研究對(duì)象，對(duì)三個(gè)株型相關(guān)性狀進(jìn)行田間精準(zhǔn)鑒定，開(kāi)展表型變異度、相關(guān)性、方差和遺傳力，以及區(qū)域差異性分析及聚類(lèi)分析，最終對(duì)315份材料的株型相關(guān)性狀進(jìn)行綜合分析與評(píng)價(jià)，以期為機(jī)采棉株型育種提供重要的理論依據(jù)和參考信息。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究以315份陸地棉種質(zhì)資源組成的自然群體為試驗(yàn)材料，這些材料主要來(lái)源于不同的國(guó)家或地區(qū)，其中包括前蘇聯(lián)（Former Soviet Union，F(xiàn)SU）材料4份，美國(guó)（United States of America，USA）材料21份，中國(guó)自育材料290份。自育材料中有125份來(lái)自于黃河流域（Yellow River region，YRR），48份來(lái)自于長(zhǎng)江流域（Yangtze River region，YZRR），20份來(lái)自于北方特早熟區(qū)（Northern special early maturing region，NSER），97份來(lái)自西北內(nèi)陸區(qū)（Inland Northwest region，NIR）。

1.2 田間試驗(yàn)

田間試驗(yàn)分別于2014年和2015年在河南省安陽(yáng)（36.13＇N，114.80＇E）和新疆石河子（44.52＇N，86.02＇E）四個(gè)不同環(huán)境下開(kāi)展。在每個(gè)環(huán)境中，我們將所有的材料按照三重復(fù)隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，在河南省安陽(yáng)試驗(yàn)點(diǎn)，所有陸地棉材料都種植在一個(gè)0.8m×4.0m的試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)內(nèi)種有20株；在新疆石河子試驗(yàn)點(diǎn)，小區(qū)大小為1.5m×2.0m，每個(gè)小區(qū)內(nèi)種有40株。田間栽培和管理措施完全參考當(dāng)?shù)卮筇锏母髟耘喾椒ā?/p>

1.3 表型性狀鑒定方法

在不同的環(huán)境條件下，對(duì)自然群體的三個(gè)與株型相關(guān)性狀株高（PH）、果枝夾角（FBA）、果枝長(zhǎng)度（FBL）進(jìn)行測(cè)定。株高的測(cè)定是從植株頂部到子葉節(jié)的高度，果枝長(zhǎng)度的測(cè)定是從果枝（著生主莖部位）至果枝頂端的長(zhǎng)度，果枝夾角的測(cè)定是植株主莖與果枝的夾角，果枝長(zhǎng)度和果枝夾角的測(cè)量取植株中部果枝（6～8臺(tái)果枝）測(cè)定。具體測(cè)定調(diào)查方法參照SU[9]等人研究中的詳細(xì)描述。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel進(jìn)行表型數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析；利用IBM SPSS 26.0軟件進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)分析，包括差異顯著性分析、廣義遺傳力（Broad-sense heritability，hB2）的計(jì)算，以及表型方差顯著性分析等；利用Origin9.0和R語(yǔ)言軟件進(jìn)行不同區(qū)域株型相關(guān)性狀的差異圖和聚類(lèi)圖的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 陸地棉株型相關(guān)性狀的表型變異分析

在4個(gè)不同的田間環(huán)境（E1～E4）下，對(duì)自然群體的3個(gè)株型相關(guān)性狀，包括株高、果枝夾角和果枝長(zhǎng)度進(jìn)行鑒定和變異度評(píng)價(jià)。由表1可以看出，315份陸地棉種質(zhì)的三個(gè)株型相關(guān)性狀存在不同程度的變異性，其中PH的變異范圍較廣，在E1～E4四個(gè)環(huán)境下PH的平均值為（63.26±8.79）cm，表型變異范 圍 在36.09～88.76cm之 間；FBA的 平 均 值 為（61.84±3.85）°，變異范圍在48.72°～72.50°之間；FBL的平均值為（12.60±2.90）cm，變異范圍為5.16～24.99cm。在四個(gè)不同的環(huán)境下，PH、FBA和FBL三個(gè)性狀的變異系數(shù)分別在11.02%～15.92%、4.67%～7.51%和17.42%～28.54%之間，其中PH的平均變異系數(shù)為13.90%，在四個(gè)環(huán)境下的變化相對(duì)較為一致，F(xiàn)BA的平均變異系數(shù)為6.22%，F(xiàn)BL的平均變異系數(shù)為23.01%。上述結(jié)果說(shuō)明，在陸地棉的三個(gè)株型相關(guān)性狀中FBL的變異度最大，PH變異度居中，而FBA的變異度最小。

表1 陸地棉株型相關(guān)性狀的表型變異分析Table 1 Phenotypic variation of plant architecture related traits

2.2 陸地棉株型性狀的相關(guān)性分析

表2相關(guān)性分析表明，陸地棉三個(gè)株型相關(guān)性狀之間存在著極顯著（P＜0.01）相關(guān)性。PH分別與FBA、FBL極顯著（P＜0.01）相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.236和0.324，F(xiàn)BA與FBL之間也存在極顯著（P＜0.01）的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.461。上述結(jié)果表明，F(xiàn)BL與FBA的相關(guān)性大于FBL與PH的相關(guān)性，F(xiàn)BA與FBL的相關(guān)性大于FBA與PH的相關(guān)性。這說(shuō)明在棉花生長(zhǎng)過(guò)程中通過(guò)調(diào)控株高同步控制果枝長(zhǎng)度，而果枝夾角次之；但果枝長(zhǎng)度與果枝夾角同步調(diào)控的可能性大于果枝長(zhǎng)度與株高，而果枝夾角與果枝長(zhǎng)度同步調(diào)控的可能性大于果枝夾角與株高。

表2 陸地棉株型相關(guān)性狀的相關(guān)性分析Table 2 The correlation analysis among three plant architecture-related traits

2.3 陸地棉株型相關(guān)性狀的方差及遺傳力分析

表3方差分析結(jié)果表明，陸地棉三個(gè)株型相關(guān)性狀在基因、環(huán)境和基因×環(huán)境互作中存在顯著（P＜0.01）差異性。通過(guò)計(jì)算三個(gè)性狀在四個(gè)環(huán)境下的廣義遺傳力（hB2）可知，PH、FBA和FBL的hB2分別為72.51%、25.12%和53.40%，這一結(jié)果表明PH和FBL的廣義遺傳力相對(duì)較大，可以相對(duì)穩(wěn)定地遺傳給后代，而FBA的廣義遺傳力相對(duì)較小，難以穩(wěn)定地遺傳，且易受田間環(huán)境因素（年份和地點(diǎn)）的影響。

表3 陸地棉三個(gè)株型相關(guān)性狀的方差分析Table 3 Analysis of variance of three plant architecture-related traits in four planting environments

2.4 陸地棉種質(zhì)資源基于株型性狀的聚類(lèi)分析

聚類(lèi)分析表明，315份陸地棉種質(zhì)資源具有明顯的類(lèi)群關(guān)系。由圖1A可知，當(dāng)歐氏距離為30時(shí)，315份陸地棉種質(zhì)資源被聚為Ⅰ（66份材料）、Ⅱ（25份材料）、Ⅲ（224份材料）三個(gè)大類(lèi)群。由圖1B可看出，當(dāng)歐氏距離為15時(shí)，Ⅰ類(lèi)群被劃分為A（1份材料）和B（65份材料）兩個(gè)亞群，Ⅱ類(lèi)群被劃分為C（18份材料）和D（7份材料）兩個(gè)亞群；Ⅲ類(lèi)群進(jìn)一步劃分為E（92份材料）和F（132份材料）兩個(gè)亞群（圖1B）。

圖1 陸地棉種質(zhì)資源基于株型性狀的聚類(lèi)圖Figure 1 Cluster diagram of upland cotton germplasm based on plant architecture related traits

為了明確三大類(lèi)群陸地棉種質(zhì)株型相關(guān)性狀的差異性，對(duì)三個(gè)類(lèi)群材料的株型相關(guān)性狀進(jìn)行類(lèi)群之間的差異顯著性分析，見(jiàn)表4。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，類(lèi)群Ⅰ、類(lèi)群Ⅱ和類(lèi)群Ⅲ材料的平均PH分別為（73.19±9.00）cm、（47.99±8.07）cm和（62.08±9.45）cm，三個(gè)類(lèi)群之間的差異達(dá)到極顯著水平（P＜0.01）。類(lèi)群Ⅰ、類(lèi)群Ⅱ和類(lèi)群Ⅲ材料的平均FBA分別為（62.34±8.39）、（59.50±8.09）和（61.95±8.21），且類(lèi)群Ⅰ與類(lèi)群Ⅲ之間的差異性不顯著（P＞0.05），但類(lèi)群Ⅱ與類(lèi)群類(lèi)群Ⅰ、類(lèi)群Ⅲ之間的差異均達(dá)到極顯著水平（P＜0.01）。類(lèi)群Ⅰ、類(lèi)群Ⅱ和類(lèi)群Ⅲ材料的平均FBL分別為（13.34±6.21）cm、（9.30±4.69）cm和（12.72±6.11）cm，三個(gè)類(lèi)群之間的差異達(dá)到顯著水平（P＜0.05），而且類(lèi)群Ⅱ與類(lèi)群類(lèi)群Ⅰ、類(lèi)群Ⅲ之間的差異均達(dá)到極顯著水平（P＜0.01）。變異度分析表明，PH在類(lèi)群Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的變異系數(shù)分別為12.31%、16.82%和15.22%，F(xiàn)BA在類(lèi)群Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的變異系數(shù)分別為13.46%、13.09%和13.26%，F(xiàn)BL在類(lèi)群Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的變異系數(shù)分別為46.15%、50.38%和48.07%，整體從性狀來(lái)講，F(xiàn)BL的變異度較大，從聚類(lèi)群來(lái)說(shuō)，類(lèi)群Ⅱ三個(gè)株型性狀的變異度最大。

表4 陸地棉三個(gè)類(lèi)群的株型相關(guān)性狀的差異性分析Table 4 Significance analysis of plant architecture related traitss of upland cotton among three groups

2.5 陸地棉株型性狀的區(qū)域聚類(lèi)及差異性分析

不同區(qū)域來(lái)源的陸地棉種質(zhì)聚類(lèi)分析發(fā)現(xiàn)（圖2），當(dāng)歐氏距離為20時(shí)，來(lái)自USA的材料被單獨(dú)劃分為一個(gè)類(lèi)群，其余區(qū)域的材料被劃分為一個(gè)類(lèi)群；當(dāng)歐氏距離為15時(shí)，來(lái)自USA和NIR的材料分別聚為一個(gè)單獨(dú)類(lèi)群，來(lái)自YZR、YRR、FSU和NSER區(qū)域的材料合計(jì)被聚為一個(gè)類(lèi)群。上述結(jié)果表明，根據(jù)株型性狀來(lái)劃分的話(huà)，來(lái)自美國(guó)的棉花材料其遺傳背景較為獨(dú)特，并且與西北內(nèi)陸棉區(qū)的材料遺傳背景有較大差異，親緣關(guān)系較遠(yuǎn)；而西內(nèi)陸棉區(qū)材料與長(zhǎng)江流域、黃河流域、前蘇聯(lián)及北方特早熟棉區(qū)的遺傳背景差異較大，親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。這說(shuō)明在今后我國(guó)棉花的株型改良育種中，首先要重點(diǎn)利用美國(guó)材料做親本，以改良本土品種的株型結(jié)構(gòu)，西北內(nèi)陸棉區(qū)棉花在株型育種中要重點(diǎn)關(guān)注長(zhǎng)江流域、黃河流域、前蘇聯(lián)及北方特早熟棉區(qū)的材料并加以利用。

圖2 陸地棉種質(zhì)基于株型性狀的區(qū)域聚類(lèi)圖Figure 2 Regional clustering diagram of upland cotton germplasm based on plant architecture related traits

對(duì)陸地棉種質(zhì)的株型性狀進(jìn)行不同區(qū)域間的差異性分析發(fā)現(xiàn)，PH在六個(gè)不同環(huán)境材料間呈現(xiàn)出顯著性（P＜0.05）差異，且NIR環(huán)境的材料的PH大于其他五個(gè)環(huán)境的材料，差異達(dá)到了極顯著性水平（P＜0.01），來(lái)自USA和YRR的材料的PH大于NSER的材料，差異也達(dá)到了極顯著水平（P＜0.01）；FBA在六個(gè)環(huán)境的表現(xiàn)是：USA＞NSER＞YZR＞NIR＞FSU＞YRR，但差異未達(dá)到顯著水平；FBL在六個(gè)環(huán)境的表現(xiàn)是：USA＞NSER＞YZR＞NIR＞YRR＞FSU，差異同樣未達(dá)到顯著水平（見(jiàn)表5，圖3）。

表5 陸地棉不同區(qū)域材料的株型相關(guān)性狀的差異性分析Table 5 Significance analysis of plant architecture related traitss of upland cotton from different regions

圖3 陸地棉種質(zhì)株型性狀的區(qū)域差異性比較圖Figure 3 Comparison of regional differences in plant architecture related traits of upland cotton germplasm

3 討論與結(jié)論

3.1 豐富的種質(zhì)資源是棉花遺傳育種的基礎(chǔ)

種質(zhì)資源是棉花遺傳育種的基礎(chǔ)[10]。本研究中所利用的315份陸地棉種質(zhì)是收集的不同區(qū)域來(lái)源的陸地棉品種/系，既有前蘇聯(lián)、美國(guó)等國(guó)外來(lái)源的材料又有我國(guó)四大棉區(qū)，即西北內(nèi)陸棉區(qū)、長(zhǎng)江流域棉區(qū)、黃河流域棉區(qū)以及北方特早熟棉區(qū)的材料，這些材料具有廣泛的株型變異、豐富的遺傳背景，為研究陸地棉株型相關(guān)性狀提供了材料基礎(chǔ)。在田間目標(biāo)性狀鑒定時(shí)，試驗(yàn)又設(shè)置了多點(diǎn)多環(huán)境三重復(fù)的種植與數(shù)據(jù)采集，為株型相關(guān)性狀的精準(zhǔn)鑒定提供了重要保障。

3.2 株型相關(guān)性狀的鑒定與分析評(píng)價(jià)是棉花株型遺傳育種的關(guān)鍵

表型性狀的鑒定分析與評(píng)價(jià)是作物種質(zhì)資源高效利用的基礎(chǔ)[11]。本研究中發(fā)現(xiàn)，在陸地棉的三個(gè)株型相關(guān)性狀中果枝長(zhǎng)度的變異度最大，而果枝夾角的變異度最小，表明果枝長(zhǎng)度性狀的以均數(shù)為準(zhǔn)變異程度大，離散趨勢(shì)強(qiáng)；相反，果枝夾角性狀則以均數(shù)為準(zhǔn)變異程度小，離散趨勢(shì)弱，這說(shuō)明果枝長(zhǎng)度性狀中更容易挖掘具有極端差異性狀的材料。通過(guò)計(jì)算三個(gè)性狀的廣義遺傳力得知，株高和果枝長(zhǎng)度的廣義遺傳力相對(duì)較大，而果枝夾角的廣義遺傳力相對(duì)較小，這說(shuō)明株高和果枝長(zhǎng)度性狀可以相對(duì)穩(wěn)定地遺傳給后代，相反果枝夾角則難以穩(wěn)定地遺傳，且易受田間環(huán)境因素的影響，這一研究結(jié)果與SU等[9]對(duì)陸地棉株型性狀的研究結(jié)果基本一致。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，三個(gè)株型相關(guān)性狀之間存著在極顯著的相關(guān)性，這說(shuō)明在棉花生產(chǎn)中控制棉花株高時(shí)很容易引起果枝長(zhǎng)度和果枝夾角的同步調(diào)控，因此可借助于化學(xué)調(diào)控的方法實(shí)現(xiàn)株高、果枝夾角和果枝長(zhǎng)度性狀的變化來(lái)同步塑造棉花株型結(jié)構(gòu)的目的。

3.3 不同區(qū)域材料的聚類(lèi)及差異性分析為棉花株型遺傳育種提供重要參考依據(jù)

對(duì)不同區(qū)域材料基于株型性狀進(jìn)行聚類(lèi)分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)歐氏距離為20時(shí)，來(lái)自美國(guó)的材料被單獨(dú)從315份材料中劃分出來(lái)而作為一個(gè)單獨(dú)類(lèi)群，其余區(qū)域的材料被劃分為一個(gè)類(lèi)群；但當(dāng)歐氏距離為15時(shí)，來(lái)自美國(guó)和西北內(nèi)陸棉區(qū)的材料分別各自聚為一個(gè)單獨(dú)類(lèi)群，而來(lái)自我國(guó)長(zhǎng)江流域、黃河流域、北方特早熟棉區(qū)以及前蘇聯(lián)的材料被聚為一個(gè)類(lèi)群，這說(shuō)明根據(jù)株型結(jié)構(gòu)來(lái)劃分的話(huà)，美國(guó)棉花遺傳背景較為獨(dú)特，相較與西北內(nèi)陸棉區(qū)的材料其遺傳背景差異較大，親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，這可能由于美國(guó)較好的光熱條件和相對(duì)松散稀疏的栽培模式，造成在長(zhǎng)期的人工選擇馴化中材料的株型結(jié)構(gòu)較為高大松散。西內(nèi)陸棉區(qū)材料與長(zhǎng)江流域、黃河流域、前蘇聯(lián)及北方特早熟棉區(qū)的遺傳背景差異較大，親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，這說(shuō)明西北內(nèi)陸棉區(qū)長(zhǎng)期以來(lái)采用“矮”“密”“早”“膜”的栽培技術(shù)導(dǎo)致材料的株型結(jié)構(gòu)更加趨向于緊湊型，與我國(guó)其他幾大棉區(qū)的材料在株型結(jié)構(gòu)方面發(fā)生了根本性的差異。通過(guò)對(duì)不同區(qū)域材料的株型相關(guān)性狀進(jìn)行差異性分析時(shí)發(fā)現(xiàn)，西北內(nèi)陸棉區(qū)的材料株高大于其他五個(gè)區(qū)域的材料，且差異達(dá)到了極顯著性水平（P＜0.01）；而相比其他區(qū)域的材料，美國(guó)材料的果枝夾角相對(duì)較大，果枝相對(duì)較長(zhǎng)，但未達(dá)到差異顯著性水平。上述研究結(jié)果說(shuō)明，今后我國(guó)棉花的株型改良育種過(guò)程中首先要重點(diǎn)利用美國(guó)材料做親本，以改良本土品種的株型結(jié)構(gòu)；而在本土種質(zhì)資源的利用中要綜合考慮六個(gè)棉區(qū)材料的株型結(jié)構(gòu)，相互引進(jìn)，相互開(kāi)發(fā)利用，有效促進(jìn)我國(guó)棉花株型育種取得重要進(jìn)展，選育出高產(chǎn)、適宜輕簡(jiǎn)化栽培和機(jī)械采收的棉花新品種。綜上所述，對(duì)棉花表型性狀的鑒定分析與評(píng)價(jià)可有效實(shí)現(xiàn)棉花種質(zhì)資源高效利用，對(duì)促進(jìn)棉花株型遺傳育種具有重要意義。