不同環(huán)境下棉花陸海漸滲系BC5F3:5群體棉籽營養(yǎng)成分及纖維品質(zhì)性狀遺傳分析

吳秋雨，張海博，盧全偉*，王有武

（1.塔里木大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；2.安陽工學(xué)院，河南 安陽 455000）

0 引言

棉花是我國第一大經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物，是紡織業(yè)天然纖維的主要來源[1]，同時(shí)棉籽作為棉花的副產(chǎn)物，也是人類消費(fèi)的第五大植物油來源與蛋白資源[2-5]。

長期以來，棉花育種工作中，學(xué)者一直注重纖維產(chǎn)量提高與品質(zhì)改良，對同樣具有研究價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的棉籽只作為棉花生產(chǎn)的副產(chǎn)品對待，故棉籽油分與蛋白質(zhì)的改良研究工作進(jìn)展緩慢。近年來，各行各業(yè)對棉籽油的需求逐漸增大[6]，我國每年能生產(chǎn)約82.74萬噸的棉籽油，棉籽油的加工和生產(chǎn)可以減輕我國食用油的供給壓力[7-8]。此外，棉籽中蛋白的營養(yǎng)價(jià)值也較為豐富，棉籽濃縮蛋白作為食品添加劑常應(yīng)用于食品工業(yè)[6]。為了提高棉花生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，在棉花育種中除要重視纖維品質(zhì)的改進(jìn)外，也應(yīng)注意棉籽營養(yǎng)品質(zhì)的改良。

棉籽成分含量的相關(guān)研究為棉籽性狀的同步改良奠定了基礎(chǔ)，對提高育種效率提供了幫助與參考。棉籽營養(yǎng)性狀間的相關(guān)性在不同的報(bào)道中存在部分差異，大多數(shù)研究報(bào)道中油分含量與蛋白質(zhì)含量表現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)[8-10]，對于棉籽成分含量性狀與棉花纖維品質(zhì)之間的相關(guān)分析報(bào)道甚少。郭婷婷等[9]對101份國內(nèi)外陸地棉種質(zhì)資源的棉籽營養(yǎng)品質(zhì)性狀、主要農(nóng)藝性狀、纖維品質(zhì)性狀進(jìn)行了相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)油分含量與纖維品質(zhì)性狀間呈不同程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系，蛋白含量與纖維品質(zhì)性狀間呈不同程度的正相關(guān)關(guān)系；周有耀[10]分析了30份不同品種的陸地棉棉籽營養(yǎng)品質(zhì)與纖維品質(zhì)之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)棉仁的蛋白質(zhì)含量與各纖維性狀間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系；陳姣等[11]分析了41個(gè)不同品種棉仁含油量及其與纖維品質(zhì)性狀的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)棉仁含油量和纖維品質(zhì)性狀之間沒有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的顯著相關(guān)性。

陸地棉產(chǎn)量高，適應(yīng)性強(qiáng)；海島棉產(chǎn)量低，纖維品質(zhì)好。二者在棉仁油分含量上也有一定差異[12]，海島棉的棉籽油分通常高于陸地棉。染色體片段代換系 (Chromosome Segment Substitution Lines，CSSLs) 近年來在水稻、玉米和棉花上的應(yīng)用逐漸廣泛[13-15]，本研究以染色體片段代換系BC5F3:5為材料，明確群體棉籽成分含量性狀與棉花纖維品質(zhì)性狀間的關(guān)系，為下一步進(jìn)行QTL定位[16-17]、精細(xì)定位和克隆[18-19]、QTL互作分析[20]以及雜種優(yōu)勢機(jī)理研究[21-22]奠定基礎(chǔ)。

本研究以陸海漸滲系BC5F3:5為材料，研究在四個(gè)不同生態(tài)環(huán)境下其棉花纖維品質(zhì)及棉籽中兩種主要營養(yǎng)物質(zhì)含量的變化，分析環(huán)境、基因型對棉花纖維品質(zhì)與棉籽成分含量的影響，挑選四個(gè)環(huán)境下棉籽油分、蛋白質(zhì)含量與棉花纖維品質(zhì)均優(yōu)異的單株，以期為棉籽營養(yǎng)品質(zhì)、纖維品質(zhì)的改良與利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 陸海漸滲系BC5F3:5材料來源

BC5F3:5群體是以高油和纖維品質(zhì)優(yōu)異的海島棉“Hai1”作為供體親本，陸地棉“中棉所36”作為輪回親本進(jìn)行多代回交自交所構(gòu)建的染色體片段代換系[23]。本研究使用BC5F3:5群體的300個(gè)材料與輪回親本材料陸地棉“中棉所 36”，在2015、2016兩年分別種植于河南安陽（北緯 35°41'～36°21'，東經(jīng) 113°38'～114°59'）和新疆石河子（東經(jīng)84°58'～86°2'，北緯43°26'～45°20'）的中棉所試驗(yàn)基地，單株成行，行長3 m，行距0.8 m，株距0.4 m，按照株行收取正常吐絮的籽棉，軋花后稱取≥15 g的皮棉在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部棉花品質(zhì)監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心檢測，棉籽用于成分檢測。

1.2 棉籽成分檢測

將四個(gè)環(huán)境下各300份BC5F3:5陸海漸滲系材料與“中棉所36”親本材料的棉籽經(jīng)硫酸脫絨，干燥至恒重后人工剝除棉籽殼，得到的棉仁作為試驗(yàn)材料用于各指標(biāo)化學(xué)真實(shí)值的測定，棉籽成分測量儀器為瑞典波通公司多功能近紅外谷物分析儀DA7200[24]。

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

利用Microsoft Excel 2019、IBM SPSS Statistics 26.0和Origin 2019軟件，對不同環(huán)境下群體和親本的棉籽油分與蛋白質(zhì)含量、纖維品質(zhì)性狀進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，分別計(jì)算各性狀數(shù)據(jù)的平均數(shù)、最小值、最大值、極差、變異系數(shù)、超輪回親本比例、偏度、峰度等。利用SPSS 24.0對試驗(yàn)材料各性狀進(jìn)行相關(guān)性分析、方差分析[25-26]。

2 結(jié)果分析

2.1 棉籽主要營養(yǎng)成分含量與纖維品質(zhì)性狀的描述性統(tǒng)計(jì)分析

2.1.1 輪回親本及BC5F3:5棉籽油分、蛋白的描述性統(tǒng)計(jì)分析

由群體的棉籽油分與蛋白質(zhì)含量性狀在四個(gè)不同環(huán)境下的頻數(shù)分布可知，兩個(gè)性狀均呈連續(xù)分布且范圍較廣，各個(gè)環(huán)境下兩性狀的偏度絕對值均小于1，表明二者沒有出現(xiàn)異常的偏分離，表明采集到的各性狀整體呈現(xiàn)正態(tài)分布，符合數(shù)量性狀的遺傳特點(diǎn)（圖1）。

圖1 BC5F3:5群體油分及蛋白質(zhì)含量性狀表型值頻率分布

利用IBM SPSS Statistics 26.0數(shù)據(jù)分析軟件對輪回親本“中棉所36”、群體BC5F3:5的棉籽油分及蛋白質(zhì)含量進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明，四個(gè)環(huán)境下BC5F3:5群體棉籽油分含量的變異系數(shù)均大于輪回親本“中棉所36”且變異幅度相對親本較大（表1）。四個(gè)環(huán)境下油分及蛋白質(zhì)含量變異系數(shù)的大小也存在不同差異，整體位于3.7%～5.26%之間，二者的變異系數(shù)最大值均出現(xiàn)在2016年安陽環(huán)境下，分別為4.92%和5.26%，表明該環(huán)境下棉籽油分與蛋白質(zhì)含量性狀存在大量遺傳變異；變異系數(shù)的最小值均出現(xiàn)在2015年石河子環(huán)境下，分別為3.7%和4.48%，表明該環(huán)境下兩性狀較為穩(wěn)定。

表1 輪回親本及BC5F3:5棉籽油分、蛋白質(zhì)含量描述性統(tǒng)計(jì)分析

棉籽油分與蛋白質(zhì)含量性狀在四個(gè)環(huán)境下的超輪回親本比例處于35.49%～76.00%之間，性狀表現(xiàn)優(yōu)異。蛋白質(zhì)含量在2016年安陽環(huán)境下超輪回親本比例最大，為45.07%，2016年石河子環(huán)境下超輪回親本比例最小，為35.49%。油分含量在四個(gè)環(huán)境下的超輪回親本比例均大于蛋白質(zhì)含量，其中在2016年石河子環(huán)境下最大，為76.00%；2016年安陽環(huán)境下最小，為63.73%。

BC5F3:5群體的棉籽油分在各環(huán)境下的均值均高于輪回親本“中棉所36”，蛋白質(zhì)含量性狀的均值除2016年安陽環(huán)境外均低于輪回親本。群體平均表現(xiàn)與輪回親本“中棉所36” 雖有差異但十分相近，說明群體已基本恢復(fù)至“中棉所36”的遺傳背景，但群體內(nèi)部各性狀的表型數(shù)據(jù)值仍存在較大波動(dòng)。棉籽油分含量的極差最大值出現(xiàn)在2016年石河子環(huán)境下，為9.25%；棉籽蛋白含量的極差最大值出現(xiàn)在2016年安陽環(huán)境下，為15.39%。四個(gè)環(huán)境中棉籽油分平均含量為30.89 %～ 32.09%，其中2015年石河子環(huán)境的油分含量最高，2015年安陽環(huán)境的油分含量最低且均顯著低于其他三個(gè)環(huán)境；各環(huán)境棉籽蛋白質(zhì)平均含量為40.24% ～ 40.98%，其中2015年石河子環(huán)境的蛋白質(zhì)含量最高，2015年安陽環(huán)境的蛋白質(zhì)含量最低，2015年石河子、2016年安陽環(huán)境的蛋白質(zhì)含量均顯著高于另外兩個(gè)環(huán)境。

以上結(jié)果表明，棉籽的油分、蛋白含量性狀遺傳背景基本恢復(fù)至親本“中棉所36”，并且存在較為豐富的遺傳變異。其中棉籽油分的超親優(yōu)勢明顯，可以為后續(xù)的棉花育種工作提供參考。

2.1.2 輪回親本及BC5F3:5纖維品質(zhì)性狀的描述性統(tǒng)計(jì)分析

利用IBM SPSS Statistics 26.0數(shù)據(jù)分析軟件對BC5F3:5的300份樣本進(jìn)行纖維品質(zhì)性狀的初步統(tǒng)計(jì)和分析（表2、圖2），四個(gè)不同環(huán)境下上半部平均長度、馬克隆值、整齊度指數(shù)和伸長率的平均值變化較小，斷裂比強(qiáng)度的平均值變化較大，所有性狀的平均值在不同環(huán)境之間均達(dá)到差異顯著水平。各環(huán)境下品質(zhì)性狀的偏度絕對值均小于1，數(shù)據(jù)呈連續(xù)正態(tài)分布，符合數(shù)量性狀的遺傳特點(diǎn)。五個(gè)性狀的變異系數(shù)范圍在1.01% ～ 9.34%之間，說明群體性狀表現(xiàn)已較為穩(wěn)定，其中馬克隆值、斷裂比強(qiáng)度的變異系數(shù)明顯大于其它性狀的變異系數(shù)，極差最大值分別為2.90和12.10 cN/tex，說明群體內(nèi)部個(gè)體間馬克隆值和斷裂比強(qiáng)度的變化幅度較大，含有豐富的遺傳變異。2015年安陽環(huán)境中同時(shí)出現(xiàn)了上半部平均長度、馬克隆值、伸長率、斷裂比強(qiáng)度的最小值，但該環(huán)境并未出現(xiàn)任何纖維品質(zhì)性狀的最大值。上半部平均長度、伸長率的最大值均出現(xiàn)在2016年石河子環(huán)境下，分別為32.85 mm和7.10%；馬克隆值、整齊度指數(shù)的最大值均出現(xiàn)在2015年石河子環(huán)境下，分別為5.8和85.7%。

表2 BC5F3:5纖維品質(zhì)性狀的描述性統(tǒng)計(jì)分析

圖2 BC5F3:5群體纖維品質(zhì)性狀表型值頻率分布圖

2.2 不同環(huán)境下棉籽營養(yǎng)成分含量與纖維品質(zhì)性狀的相關(guān)分析

棉籽中主要營養(yǎng)成分含量與棉花纖維品質(zhì)性狀的基因型的方差分析結(jié)果（表3）表明，不同性狀基因型與環(huán)境的P值均小于0.001，說明基因型與環(huán)境對棉花陸海漸滲系BC5F3:5群體的棉籽主要營養(yǎng)成分含量及棉花纖維品質(zhì)性狀有極顯著的影響?；蛐椭g、環(huán)境試點(diǎn)間的F值均大于在相應(yīng)顯著水平下的臨界值F crit，即差異達(dá)到極顯著水平。棉籽主要營養(yǎng)成分含量、纖維品質(zhì)性狀的表現(xiàn)是基因型和生態(tài)環(huán)境共同作用的結(jié)果，性狀遺傳相對穩(wěn)定，影響基本表現(xiàn)為環(huán)境大于基因型，故群體表型變異受環(huán)境影響較大。

表3 BC5F3:5群體各性狀方差分析

2.3 BC5F3:5群體各性狀方差分析

利用IBM SPSS Statistics 26.0分析軟件對棉籽2種營養(yǎng)成分含量與纖維品質(zhì)性狀的相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果列于表4。由表4可以看出，2015年安陽、2016年安陽、2015年石河子、2016年石河子四個(gè)環(huán)境下棉籽油分與蛋白質(zhì)含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)，與前人研究一致[9-11]。分析棉籽油分、蛋白質(zhì)等營養(yǎng)品質(zhì)性狀與棉花纖維品質(zhì)性狀的遺傳相關(guān)性，對指導(dǎo)棉籽品質(zhì)育種和棉花纖維品質(zhì)的改良具有重要參考價(jià)值。四個(gè)環(huán)境下棉籽油分與其它所有性狀均呈顯著負(fù)相關(guān)或負(fù)相關(guān)，故同時(shí)提高棉籽油分與其他品質(zhì)性狀來說難度較大。纖維品質(zhì)性狀之間，斷裂比強(qiáng)度與上半部平均長度、長度整齊度指數(shù)均呈極顯著正相關(guān)，馬克隆值與上半部平均長度、斷裂比強(qiáng)度均呈極顯著負(fù)相關(guān)或顯著負(fù)相關(guān)，其余棉花纖維品質(zhì)各性狀之間均呈顯著正相關(guān)或極顯著正相關(guān)，與陳嬌等研究結(jié)果一致[11]。明確這些性狀間的本質(zhì)關(guān)系，可對后期棉籽油分含量等性狀的QTL研究奠定基礎(chǔ)。

表4 各環(huán)境下BC5F3:5群體棉籽營養(yǎng)成分含量與纖維品質(zhì)性狀的相關(guān)分析

圖3 BC5F3:5群體部分性狀優(yōu)異單株統(tǒng)計(jì)圖

表5 BC5F3:5群體部分棉籽主要營養(yǎng)成分含量性狀和纖維品質(zhì)性狀表現(xiàn)優(yōu)異的單株

2.4 優(yōu)質(zhì)單株棉籽主要營養(yǎng)成分含量及棉花纖維品質(zhì)性狀表現(xiàn)

通過對BC5F3:5群體進(jìn)行評價(jià)分析，篩選出20個(gè)在四個(gè)環(huán)境下油分含量大于等于30%、蛋白含量大于等于40%、斷裂比強(qiáng)度大于等于30cN/tex的性狀表現(xiàn)優(yōu)異的陸海漸滲系單株，通過與親本“中棉所36”對比發(fā)現(xiàn)，挑選出的單株棉籽油分在2015年石河子、2016年石河子、2015年安陽、2016年安陽四個(gè)環(huán)境下的各個(gè)性狀均優(yōu)于親本。后續(xù)試驗(yàn)將利用上述選擇的20個(gè)優(yōu)質(zhì)材料，結(jié)合常規(guī)選擇育種與分子標(biāo)記輔助選擇育種，以期對棉花纖維品質(zhì)與棉籽品質(zhì)有所改良。

3 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，BC5F3:5群體內(nèi)遺傳變異較為豐富，遺傳背景基本恢復(fù)至輪回親本“中棉所36”。群體棉籽油分與蛋白質(zhì)含量的超輪回親本比例在35.49%～76.00%之間。簡單相關(guān)分析結(jié)果表明，四個(gè)環(huán)境下棉籽油分含量與各纖維品質(zhì)性狀均呈負(fù)相關(guān)，棉籽蛋白質(zhì)含量與各纖維品質(zhì)性狀均呈負(fù)相關(guān)，馬克隆值與上半部平均長度、斷裂比強(qiáng)度均呈極顯著負(fù)相關(guān)或顯著負(fù)相關(guān)，其余棉花纖維品質(zhì)各性狀之間均呈顯著正相關(guān)或極顯著正相關(guān)。不同環(huán)境對棉籽中蛋白和油分含量、棉花纖維品質(zhì)性狀的影響均達(dá)到極顯著水平，環(huán)境是影響表型變異的主要因素。

結(jié)合上述分析結(jié)果，從群體中挑選綜合性狀優(yōu)良，棉籽油分含量、蛋白質(zhì)含量與棉花纖維品質(zhì)均表現(xiàn)突出的20個(gè)單株用于進(jìn)一步研究。研究結(jié)果為棉花種子品質(zhì)改良提供了理論基礎(chǔ)，并可為棉籽的綜合利用和棉花生產(chǎn)提供了有益的借鑒。

4 討論

棉籽是全球主要的天然初級食用植物油的原料，棉籽中油分含量可達(dá)35%～45%，棉籽油中含有大量人體所必需的脂肪酸，可作為生活食用油或生產(chǎn)生物柴油。蛋白質(zhì)是棉仁中重要的營養(yǎng)成分，陸地棉中蛋白質(zhì)含量約占棉籽重的20%，占棉仁重的30%～35%，棉籽食用蛋白質(zhì)中的總含硫氨基酸比大豆高68%[9]。棉花的育種主要目標(biāo)是高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)[28]，隨著棉籽油分等在國民經(jīng)濟(jì)地位中的日漸提高，同步改良棉籽質(zhì)量、棉花產(chǎn)量與纖維品質(zhì)成為育種工作者的重要研究方向。含有優(yōu)異基因的染色體片段代換系可用于作物聚合育種和分子設(shè)計(jì)育種[29-30]。本研究使用的棉花染色體片段代換系BC5F3:5以陸地棉“中棉所 36”為受體親本，高油海島棉“Hai 1”為供體親本進(jìn)行多代回交自交所得。以陸地棉為遺傳背景構(gòu)建海島棉染色體片段代換系，能克服陸海種間育種的遺傳累贅和雜交不育等系列問題[31]，實(shí)現(xiàn)海島棉優(yōu)異性狀基因向陸地棉漸滲，為棉花聚合育種和分子設(shè)計(jì)育種創(chuàng)制豐富的材料[25]。

BC5F3:5群體各性狀平均值和輪回親本“中棉所36”接近，初步說明該代換系群體遺傳背景與“中棉所36”基本一致?！爸忻匏?6”性狀表現(xiàn)相對穩(wěn)定，而BC5F3:5群體棉籽成分含量等性狀變異幅度相對較大，變異系數(shù)位于1.6%～5.95%之間。蛋白質(zhì)和油分含量在該群體中存在較大的遺傳變異，且二者之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。四個(gè)環(huán)境下棉籽油分與各纖維品質(zhì)性狀均呈負(fù)相關(guān)，在2015、2016兩個(gè)不同年份河南安陽環(huán)境下，棉籽油分含量與上半部平均長度、整齊度指數(shù)、斷裂比強(qiáng)度均呈極顯著負(fù)相關(guān)。在2015年安陽、2015年石河子、2016年安陽環(huán)境下，棉籽蛋白含量均與整齊度指數(shù)、馬克隆值呈極顯著正相關(guān)。四個(gè)環(huán)境下，馬克隆值與上半部平均長度、斷裂比強(qiáng)度均呈極顯著負(fù)相關(guān)或顯著負(fù)相關(guān)，其余棉花纖維品質(zhì)各性狀之間均呈顯著正相關(guān)或極顯著正相關(guān)。群體內(nèi)部存在豐富的遺傳變異，并且存在品質(zhì)性狀表現(xiàn)優(yōu)異的單株。方差分析結(jié)果也為調(diào)控棉籽油分和蛋白成分含量、棉花纖維品質(zhì)性狀提供了參考依據(jù)，我們可以通過調(diào)控環(huán)境因素來提高或降低棉籽及棉花其他性狀的表現(xiàn)，以達(dá)到精準(zhǔn)育種的目標(biāo)。

由于氣候條件、土壤環(huán)境、土壤養(yǎng)分等因素的差別，不同地區(qū)、不同年份下棉籽主要營養(yǎng)成分含量、棉花纖維品質(zhì)等性狀差別較大且相關(guān)性不一，品質(zhì)表現(xiàn)及性狀的穩(wěn)定性也存在差異。進(jìn)行棉籽各品質(zhì)性狀間及棉籽品質(zhì)性狀與棉纖維品質(zhì)性狀的相關(guān)性研究，可明確各性狀間遺傳相關(guān)關(guān)系，可根據(jù)相關(guān)關(guān)系選擇改良其它性狀而間接改良目標(biāo)性狀，進(jìn)而提高育種選擇效率，對開展目標(biāo)材料的篩選和棉花分子育種利用具有重要意義。

本研究結(jié)合四個(gè)環(huán)境下不同的棉籽成分含量表型數(shù)據(jù)，篩選出了在四個(gè)環(huán)境下棉籽油分均表現(xiàn)良好的20個(gè)優(yōu)質(zhì)材料，由于相關(guān)性分析得知棉籽油分等含量性狀與纖維品質(zhì)性狀呈負(fù)相關(guān)，故運(yùn)用常規(guī)育種方法對棉籽油分含量性狀與纖維品質(zhì)性狀的同步改良是有限的。為了提高棉花的生產(chǎn)利用價(jià)值，在棉花育種中既要改善提高纖維品質(zhì)，也應(yīng)把棉籽油分含量、蛋白質(zhì)含量等性狀改良作為棉花育種的目標(biāo)。后續(xù)試驗(yàn)將利用上述選擇的20個(gè)優(yōu)質(zhì)材料，進(jìn)行分子標(biāo)記輔助選擇育種，以期望棉籽營養(yǎng)品質(zhì)含量與棉花纖維品質(zhì)均得到提升，達(dá)到二者同步改良的目的。