陸地棉144份種質(zhì)材料的耐高溫性與遺傳多樣性聚類分析

龔照龍，梁亞軍，鄭巨云，王俊鐸，郭江平，譚新

（1.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，新疆 烏魯木齊 830091；2.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第一師16團(tuán)，新疆 阿拉爾 843018）

0 引言

高溫脅迫一般指在持續(xù)高溫條件下，對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育及經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)造成的影響，耐高溫性則指植物對(duì)高溫脅迫下的生長(zhǎng)能力和產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益[1-3]。棉花在生長(zhǎng)發(fā)育過程中需要有適宜的溫度。劉志，等[4]研究發(fā)現(xiàn)，隨著溫度的不斷升高，不同棉花材料的花粉萌發(fā)率先升后降，當(dāng)溫度達(dá)到40℃時(shí)耐熱性差的材料花粉停止發(fā)育。同時(shí)高溫脅迫嚴(yán)重影響花粉育性，易造成中上部蕾鈴大量脫落，同時(shí)還導(dǎo)致不孕籽增加[5-8]。而目前由于全球溫室效應(yīng)的影響，周期性的高溫干旱等極端天氣發(fā)生更加頻繁[9-11]。因而開展棉花耐高溫性機(jī)理研究對(duì)品種選育極為重要。因此，作者通過對(duì)144份陸地棉品種的農(nóng)藝性狀及SSR標(biāo)記性狀，結(jié)合耐熱性進(jìn)行遺傳多樣性聚類分析，為棉花耐熱品種選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料共有144份，來(lái)自新陸早系列品種、新陸中系列品種和其他及國(guó)內(nèi)引進(jìn)品種。新陸早系列品種分別為新陸早1號(hào)、新陸早2號(hào)、新陸早3號(hào)、新陸早4號(hào)、新陸早5號(hào)、新陸早6號(hào)、新陸早7號(hào)、新陸早8號(hào)、新陸早9號(hào)、新陸早10號(hào)、新陸早11號(hào)、新陸早12號(hào)、新陸早13號(hào)、新陸早15號(hào)、新陸早16號(hào)、新陸早17號(hào)、新陸早18號(hào)、新陸早19號(hào)、新陸早20號(hào)、新陸早21號(hào)、新陸早22號(hào)、新陸早23號(hào)、新陸早24號(hào)、新陸早25號(hào)、新陸早26號(hào)、新陸早27號(hào)、新陸早28號(hào)、新陸早29號(hào)、新陸早30號(hào)、新陸早31號(hào)、新陸早32號(hào)、新陸早33號(hào)、新陸早34號(hào)、新陸早35號(hào)、新陸早36號(hào)、新陸早37號(hào)、新陸早38號(hào)、新陸早39號(hào)、新陸早40號(hào)、新陸早41號(hào)、新陸早42號(hào)、新陸早45號(hào)、新陸早46號(hào)、新陸早47號(hào)、新陸早48號(hào)、新陸早49號(hào)、新陸早50號(hào)、新陸早51號(hào)、新陸早52號(hào)、新陸早53號(hào)、新陸早57號(hào)、新陸早58號(hào)、新陸早59號(hào)、新陸早60號(hào)、新陸早61號(hào)、新陸早62號(hào)、新陸早63號(hào)和軍棉1號(hào)，分別以NG1～58編號(hào)；新陸中系列分別為新陸中1號(hào)、新陸中2號(hào)、新陸中4號(hào)、新陸中5號(hào)、新陸中6號(hào)、新陸中7號(hào)、新陸中8號(hào)、新陸中9號(hào)、新陸中10號(hào)、新陸中11號(hào)、新陸中12號(hào)、新陸中14號(hào)、新陸中15號(hào)、新陸中16號(hào)、新陸中17號(hào)、新陸中18號(hào)、新陸中19號(hào)、新陸中20號(hào)、新陸中21號(hào)、新陸中22號(hào)、新陸中23號(hào)、新陸中26號(hào)、新陸中27號(hào)、新陸中28號(hào)、新陸中30號(hào)、新陸中32號(hào)、新陸中33號(hào)、新陸中34號(hào)、新陸中35號(hào)、新陸中36號(hào)、新陸中37號(hào)、新陸中38號(hào)、新陸中39號(hào)、新陸中40號(hào)、新陸中41號(hào)、新陸中42號(hào)、新陸中44號(hào)、新陸中45號(hào)、新陸中46號(hào)、新陸中47號(hào)、新陸中48號(hào)、新陸中50號(hào)、新陸中54號(hào)、新陸中56號(hào)、新陸中58號(hào)、新陸中59號(hào)、新陸中1號(hào)，分別以NG59～105編號(hào)；其他及國(guó)內(nèi)引進(jìn)品種分別為新陸201、新陸202、8024抗、庫(kù)車T94-4、C3174、C460、C464、C4744、C6524、COKER301、百棉1號(hào)、KK1543、108夫、塔什干2號(hào)、塔什干6號(hào)、貝爾斯諾、魯棉1號(hào)、太原4號(hào)、運(yùn)93（抗354）、鄂棉10號(hào)、冀豐169、冀668、冀棉589、石遠(yuǎn)321、邯241、魯棉9號(hào)、豫棉17號(hào)、豫棉19號(hào)、中93001、中棉所12號(hào)、中棉所16號(hào)、中棉所17號(hào)、中棉所19號(hào)、中棉所35號(hào)、中棉所41、中棉所49、中植棉372、湘棉11號(hào)和陜416，分別以NG106～144編號(hào)。 所有材料均為新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所陸地棉課題組從各育種單位引進(jìn)。分子標(biāo)記使用的Taq酶、PCR緩沖液、MgC12、dNTPs均購(gòu)自上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司。試驗(yàn)使用的SSR引物由新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所陸地棉課題提供，由上海生工生物工程技術(shù)服務(wù)有限公司合成。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料于2017在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所和新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院吐魯番農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所種植，采用膜下滴灌機(jī)采棉種植模式，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，小區(qū)行長(zhǎng)4 m，田間管理措施同當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)調(diào)查及分子數(shù)據(jù)采集

1.3.1 農(nóng)藝性狀調(diào)查

在打頂后一周（7月15日）調(diào)查不同品種的株高、株型、果枝數(shù)，每個(gè)材料選中行連續(xù)調(diào)查10株。在花鈴期（7月25日～8月5日）調(diào)查品種葉色、花形、花萼形狀、柱頭高低、花藥多少、花藥飽癟、鈴形、鈴大小、鈴尖突起、倒三臺(tái)果枝干蕾數(shù)和脫落率、花粉活力等15個(gè)性狀。

花粉活力測(cè)定是在田間高溫脅迫10天后，于10：00前取不同植株的未開裂的花朵，用于光學(xué)顯微鏡觀察花粉的性狀是否為飽滿的球形，每個(gè)樣品3個(gè)制片，觀察5個(gè)視野，統(tǒng)計(jì)100粒花粉，計(jì)算花粉活力百分比。花粉活力（%）=（有活力的花粉粒數(shù)/觀察總花粉粒數(shù)）×100。

1.3.2 品質(zhì)性狀測(cè)定

室內(nèi)考種測(cè)定單鈴重、衣分，纖維品質(zhì)由農(nóng)業(yè)部棉花質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心（烏魯木齊）測(cè)定。

1.3.3 SSR分子數(shù)據(jù)測(cè)定

用于SSR分子檢測(cè)的樣品于2017年7月25日進(jìn)行幼嫩葉片采樣，并在新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行SSR標(biāo)記檢測(cè)。PCR擴(kuò)增產(chǎn)物讀帶方法采用0-1系統(tǒng)記錄譜帶位置，觀察某一擴(kuò)增條帶的有無(wú)，有帶記為1，無(wú)帶記為0。

2 結(jié)果與分析

2.1 棉花種質(zhì)資源的耐高溫性表現(xiàn)

通過2017年在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所阿克蘇試驗(yàn)基地與新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院吐魯番農(nóng)科所種植，在高溫脅迫過后第5天調(diào)查柱頭高低、花藥多少、花藥飽癟、倒三臺(tái)果枝干蕾鈴數(shù)、倒三臺(tái)果枝脫落率及花粉活力等性狀。分析得出倒三臺(tái)果枝干蕾鈴數(shù)、倒三臺(tái)果枝脫落率及花粉活力是評(píng)價(jià)棉花耐高溫性的重要性狀。

通過對(duì)144份棉花種質(zhì)材料農(nóng)藝性狀及耐高溫性綜合分析，篩選出農(nóng)墾5號(hào)、新陸201、貝爾斯諾、晉棉12、新陸早1號(hào)、新陸早12號(hào)、新陸早20號(hào)、新陸早41號(hào)、新陸早45號(hào)、新陸早46號(hào)、新陸早49號(hào)、新陸早50號(hào)、新陸早59號(hào)、新陸早60號(hào)、新陸早61號(hào)、新陸早62號(hào)、新陸中2號(hào)、新陸中12號(hào)、新陸中21號(hào)共19份品種耐高溫性為高耐；新陸早10號(hào)、新陸早11號(hào)、新陸早15號(hào)、新陸早16號(hào)、新陸早18號(hào)、新陸早2號(hào)、新陸早22號(hào)、新陸早25號(hào)、新陸早26號(hào)、新陸早27號(hào)、新陸早28號(hào)、新陸早29號(hào)、新陸早30號(hào)、新陸早31號(hào)、新陸早33號(hào)、新陸早34號(hào)、新陸早35號(hào)、新陸早36號(hào)、新陸早37號(hào)、新陸早38號(hào)、新陸早4號(hào)、新陸早40號(hào)、新陸早42號(hào)、新陸早47號(hào)、新陸早48號(hào)、新陸早51號(hào)、新陸早52號(hào)、新陸早57號(hào)、新陸早58號(hào)、新陸早63號(hào)、新陸早7號(hào)、新陸早9號(hào)、新陸中1號(hào)、新陸中10號(hào)、新陸中11號(hào)、新陸中14號(hào)、新陸中15號(hào)、新陸中19號(hào)、新陸中20號(hào)、新陸中23號(hào)、新陸中26號(hào)、新陸中27號(hào)、新陸中28號(hào)、新陸中34號(hào)、新陸中37號(hào)、新陸中38號(hào)、新陸中39號(hào)、新陸中41號(hào)、新陸中45號(hào)、新陸中46號(hào)、新陸中54號(hào)、新陸中56號(hào)、新陸中6號(hào)、新陸中8號(hào)、新陸中9號(hào)、豫棉17號(hào)、運(yùn)93（抗354）、中棉所16號(hào)(中375)、中棉所19號(hào)、中棉所35號(hào)、中棉所49、8024抗、C460、C464、KK1543、邯241、鄂棉10號(hào)、魯棉9號(hào)、湘棉11號(hào)、陜416、石遠(yuǎn)321、塔什干2號(hào)、塔什干6號(hào)、太原4號(hào)、新陸202共75份材料為中等耐高溫性；其他50份材料表現(xiàn)對(duì)高溫敏感。耐高溫、中耐高溫及敏溫材料的占比分別為13.19%、52.08%及34.72%(見圖1)。

圖1 材料耐高性不同級(jí)別占比

其中，北疆早熟棉花新陸早系列品種耐高溫性較好，57份新陸早系列棉花品種耐高溫、中耐高溫、敏溫材料分別為12個(gè)、32個(gè)、13個(gè)，占比分別為21.05%、38.60%、22.81%；47份南疆早中熟新陸中系列棉花品種耐高溫、中耐高溫、敏溫材料分別為3個(gè)、23個(gè)、21個(gè)，占比分別為6.38%、48.94%、44.68%。40份引進(jìn)材料耐高溫、中耐高溫、敏溫材料分別為4個(gè)、20個(gè)、16個(gè)，占比分別為10.0%、50.0%、40.0%。

綜上所述，從參試的144份陸地棉種質(zhì)材料耐高溫性可以看出，新疆棉花種質(zhì)耐高溫性多為中耐高溫及敏溫材料，耐高溫種質(zhì)材料較少。其中，早熟系列材料的耐性水平要高于早中熟系列材料，而南疆植棉區(qū)的高溫發(fā)生頻次遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于北疆植棉區(qū)，因此在今后早中熟育種過程中要多關(guān)注品種耐高溫性的改良。

2.2 農(nóng)藝性狀聚類分析

對(duì)144份棉花種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀用最長(zhǎng)距離法進(jìn)行聚類（見圖2）。從圖中可以看出，144份棉花種質(zhì)材料被分為兩大類。第一大類有7個(gè)材料，其余137份被分為第二大類。第二大類又分為2個(gè)亞類，材料數(shù)分別為38和99，占比分別為26.39%和68.75%。第2-Ⅱ亞類又明顯分為2個(gè)小類，包含材料數(shù)分別為37和62，占總材料數(shù)的25.69%和43.06%。第一大類高耐、中耐和敏感的材料數(shù)分別為0、3、4，分別占相應(yīng)耐高溫性材料的0%、4%、8%；第2-Ⅰ亞類高耐、中耐和敏感的材料數(shù)分別為12、19、7，分別占相應(yīng)耐高溫性材料的63.16%、25.33%、14%；第2-Ⅱ-（1）類高耐、中耐和敏感的材料數(shù)分別為0、15、22，分別占相應(yīng)耐高溫性材料的0%、20%、44%；第2-Ⅱ-（2）類高耐、中耐和敏感的材料數(shù)分別為7、38、17，分別占相應(yīng)耐高溫性材料的36.84%、50.67%、34%。

圖2 144份種質(zhì)資源的農(nóng)藝性狀聚類圖

分析發(fā)現(xiàn)，高耐高溫性材料分別被聚在第2-Ⅰ亞類和第2-Ⅱ-（2）類，占比分別為63.16%和36.84%；中耐高溫性材料主要聚在第2-Ⅱ-（2），占比為50.67%，其次為第2-Ⅰ亞類和第2-Ⅱ-（1）類，占比分別為25.33%和20.00%；其他類為4%；敏溫材料則集中在第2-Ⅱ-（2）類和第2-Ⅱ-（1）類，占比分別為44%和34%，其次為第2-Ⅰ亞類，占比為14%，第一大類最少，僅為4個(gè)材料，占比為8%。

2.3 SSR分子標(biāo)記的聚類分析

通過SSR標(biāo)記的聚類圖（見圖3），144份陸地棉資源材料的遺傳相似系數(shù)為0.49～1.00，說(shuō)明在分子水平上種質(zhì)資源的遺傳多樣性較為豐富。在遺傳相似系數(shù)為4.9時(shí)，所有種質(zhì)材料可分為2大類。

第一大類有13個(gè)材料，包括耐高溫材料3份，中耐高溫材料及敏溫材料各5份，分別占總數(shù)的2.08%、3.47%、3.47%。

第二大類共131份材料，在遺傳相似系數(shù)為0.52時(shí)，第二大類又分為2個(gè)亞類，包含的材料數(shù)分別為87份、44份，分別占總數(shù)的60.42%、39.58%。其中，第Ⅰ亞類共87份材料，高耐、中耐及敏溫材料的份數(shù)分別為13、48、26，占比分別為9.02%、33.33%和18.06%；第Ⅱ亞類共44份材料，高耐、中耐及敏溫材料的份數(shù)分別為3、22、19，占比分別為2.08%、15.28%和 13.19%。

高耐材料的62.42%被聚類到第2-Ⅰ亞類中，中耐材料的60.76%聚類到第2-Ⅰ亞類、32.92%聚類在第2-Ⅱ亞類，敏溫材料在第一大類、第2-Ⅰ亞類、2-Ⅱ亞類的占比分別為10.87%、47.83%、41.30%。

圖3 144個(gè)種質(zhì)資源的SSR聚類樹狀圖

3 討論與結(jié)論

本研究利用SSR標(biāo)記聚類得到144份材料的遺傳多樣性相似系數(shù)為0.49～1.00，說(shuō)明所選用的棉花品種的遺傳多樣性較為豐富。從參試的144份陸地棉種質(zhì)材料耐高溫性可以看出，新疆棉花種質(zhì)耐高溫性多為中耐高溫及敏溫材料，高耐高溫種質(zhì)材料較少。新陸早系列材料的耐性水平要高于新陸中系列材料，而在南疆植棉區(qū)的高溫發(fā)生頻次遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于北疆植棉區(qū)，因此應(yīng)在今后早中熟育種過程中要多關(guān)注品種耐高溫性的改良。

從農(nóng)藝性狀聚類分析來(lái)看，與棉花耐高溫性相關(guān)的株高、株型、果枝數(shù)、葉色、花形、花萼形狀、柱頭高低、花藥多少、花藥飽癟、鈴形、鈴大小、鈴尖突起、倒三臺(tái)果枝干蕾鈴數(shù)、倒三臺(tái)果枝脫落率、花粉活力等15個(gè)性狀能夠較好的將不同耐高溫性的棉花種質(zhì)材料進(jìn)行較合理的聚類。本研究只用部分農(nóng)藝性狀進(jìn)行了分析，對(duì)不孕籽率、葉片萎蔫系數(shù)等性狀及生理生化性狀未做相關(guān)分析。

本研究所用的SSR標(biāo)記數(shù)據(jù)能夠較好的將144份陸地棉種質(zhì)資源進(jìn)行較為科學(xué)的分類，聚類結(jié)果對(duì)耐高溫性改良親本基因型的選擇具有較好的借鑒作用。