引進陸地棉種質資源表型性狀遺傳多樣性分析

楊延龍，馬 君，師維軍

(新疆農業科學院經濟作物研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】近年來，我國西北內陸棉區發展迅速，特別是新疆，棉花種植面積占全國棉花種植總面積的比例由2015年的50.13%增加到2019年的76.08%[1]。種質資源是培育優良品種和進行相關基礎研究的根本[2]。研究表型性狀的遺傳多樣性是種質資源工作的基礎，也是遺傳演化規律研究和育種的理論基礎，對發掘控制重要表型性狀的相關基因及育種實踐均具有較強的參考價值和指導意義[3-4]。20 世紀 50 年代起我國新疆廣泛種植陸地棉品種[5-7]。引入國內外棉花種質資源，發掘外來棉花種質的優異資源，對于改善棉花種質資源遺傳基礎，拓寬棉花種質基礎，提高育種水平仍有重要意義。【前人研究進展】已有研究對引進棉花種質資源的主要農藝特性及經濟性狀進行了鑒定及遺傳多樣性分析[8-14]，篩選出具有不同特性的各類優異材料。劉存敬等[8]對引進國外129份和國內的72份陸地棉種質資源的農藝性狀、產量及產量因子和纖維品質等性狀進行了系統的鑒定，引進材料同國內材料相比，引進材料具有株高較矮、果枝節位較低，鈴重較高，強度高，細度好的特點，篩選出早熟、矮稈、高衣分、高籽指、長纖維、高強度和細度好等不同特性的優異材料44份。張香桂等[10]對引進國外的154份陸地棉種質材料進行了種植鑒定，引進材料類型較豐富，篩選出矮稈、高籽指、高強纖維、苞葉皺縮扭曲、雞腳葉、紫稈黃花白絮、芽黃、無蜜腺、無酚等類型豐富的各類材料。尹慧慧等[14]以134 份國外棉花種質為試驗材料，研究了其主要品質與農藝性狀的變異情況、遺傳多樣性指數、品質性狀間的相關性，并以主要農藝與品質性狀為指標，對 134 份種質進行了聚類分析和主成分分析。通過綜合 35 份纖維品質優異的種質與 58 份農藝性狀優異的種質篩選出美 1870、美 1884、FM1830 等 14份品質與產量俱佳的優異種質，作為雜交親本加以利用。【本研究切入點】我國新疆棉花在育種過程中遺傳背景還存在狹窄問題。中亞國家與我國新疆氣候條件相似，種質具有較強的適應性。需研究引進棉花各材料的表型性狀，分析各材料的表型變異情況及多樣性指數。【擬解決的關鍵問題】2013 年從塔吉克斯坦和吉爾吉斯斯坦收集到92份新的陸地棉種質資源為材料，于 2015年在庫車陸地棉試驗站種植，全面綜合評價這92份陸地棉種質資源的表型多樣性，并進行聚類分析，對其數量性狀進行相關性分析及主成分分析，為新疆棉花育種及種質資源收集、保存和開發創新利用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料為92份陸地棉種質資源，于2012～2013年從塔吉克斯坦和吉爾吉斯斯坦收集而來，塔吉克斯坦收集70份，其中3份原產地分別為巴西、波蘭和美國；吉爾吉斯斯坦收集22份，其中1份原產地為烏茲別克斯坦、2份原產地為塔吉克斯坦，1份原產地為土耳其。表1

表1 材料及來源Table 1 The materials and their sources

1.2 方 法

1.2.1 試驗設計

試驗于 2015年在新疆農業科學院庫車棉花試驗站試驗地進行，采用完全隨機區組試驗設計，1膜4行種植，行距為30 cm+45 cm+30 cm+70 cm寬窄行配置，株距為12 cm，行長 7 m，采用膜下滴灌栽培模式，人工點播。試驗地肥力較好、均勻一致，土質為黏土，田間管理同大田常規方法。

1.2.2 質量性狀與數量性狀

參照 《農作物種質資源鑒定評價技術規范棉花》[15]。從出苗到收獲按時期分別測定 25個質量性狀和6個數量性狀，質量性狀包括株型、植株色素腺體、莖色、主莖硬度、莖毛、葉片形狀、葉片顏色、葉蜜腺、葉基斑、花冠色、花粉色、柱頭高度、花基斑、苞葉形狀、苞外蜜腺、果枝類型、鈴著生方式、鈴色、鈴形、吐絮程度、種仁色素腺體、短絨著生情況、短絨顏色、纖維有無、纖維顏色；數量性狀包括生育期、株高、第一果枝節位、單鈴重、衣分、籽指。

1.3 數據處理

對所調查記載的質量性狀賦值后和數量性狀一起進行基本的數據統計分析，包括各性狀平均值、最大值、最小值、極差、標準差、變異系數和多樣性指數，各性狀的計算均在 Microsoft Excel 2007中完成。

某性狀的多樣性指數H=﹣∑PilnPi，其中i為表型代碼(i=1，2，3，…) ，Pi為該性狀第i種表型代碼的出現頻率，即其在該性狀所有表型代碼中出現的比率，Pi=ni/n。

聚類分析、相關性分析及主成分分析均在軟件SPSS19.0中進行。聚類分析采用離差平方和法( Ward' method)對遺傳距離矩陣進行聚類，種質間的遺傳距離選用 Euclidean 距離，生成聚類圖。

2 結果與分析

2.1 質量形狀的基本統計(表2)

2.1.1 植株及果枝性狀

研究表明，株型的變異系數較大為23.31%，而多樣性指數較小為0.24，植株色素腺體的變異系數和多樣性指數均為0。果枝性狀調查了果枝類型，變異系數和多樣性指數均較大，分別為24.14%和0.68。

表2 質量性狀遺傳多樣性Table 2 The basic statistical analysis of genetic diversity of qualitative traits

2.1.2 主莖性狀

研究表明，主莖性狀變異系數變化范圍為0～18.44%，多樣性指數變化范圍為0～0.77 ，其中莖毛多少的變異系數和多樣性指數均最大，莖色的變異系數和多樣性指數均最小，各性狀變異系數和多樣性指數從大到小依次為莖毛多少>主莖硬度>莖色。

2.1.3 葉片及苞葉性狀

研究表明，除葉片顏色的變異系數和多樣性指數均較大(分別為17.53%和0.80)外，其他3個葉性狀的變異系數和多樣性指數均為0。調查的苞葉性狀包括苞葉形狀、苞外蜜腺2個性狀。2個苞葉性狀的變異系數和多樣性指數均為0。

2.1.4 花性狀

研究表明，4個花性狀變異系數變化范圍為0～24.06% ，多樣性指數變化范圍為0～0.49，其中柱頭高度的變異系數和多樣性指數均最大，花基斑的變異系數和多樣性指數均最小，花性狀的變異系數和多樣性指數從大到小均依次為柱頭高度>花粉色>花冠色>花基斑。

2.1.5 鈴性狀

研究表明，鈴著生方式和鈴色的變異系數和多樣性指數均為0，鈴形和吐絮程度的變異系數和多樣性指數均較大，分別為19.95%、16.46%和0.55、0.69。

2.1.6 種子及纖維性狀

研究表明，3個種子性狀的變異系數變化范圍為0～25.71% ，多樣性指數變化范圍為0～0.55，其中短絨顏色的變異系數和多樣性指數均最大，種仁色素腺體的變異系數和多樣性指數均最小。纖維性狀調查了纖維有無和纖維顏色2個性狀，2個性狀的變異系數和多樣性指數均為0。

主莖色素腺體、莖色、葉片形狀、葉蜜腺、葉基斑、花基斑、苞葉形狀、苞外蜜腺、鈴著生方式、鈴色、種仁色素腺體、纖維有無、纖維顏色共13 個性狀變異系數和多樣性指數均為 0，所調查的92份材料該性狀完全相同。其他各性狀變異系數和多樣性指數差異較大，變異系數最大的是短絨顏色為25.71% ，多樣性指數最大的是葉片顏色為0.80，變異系數和多樣性指數最小的均為短絨著生情況，分別為2.99%和0.06 。

2.2 數量性狀的基本統計

研究表明，不同性狀在不同材料之間均表現出很大差異，表現出明顯的形態多樣性。6個數量性狀分別為生育期、株高、第一果枝節位、單鈴重、衣分和籽指，這6個數量性狀變異系數的變化范圍為2.94%～10.44%，其中株高的變異系數最大為10.44%，生育期的變異系數最小為2.94%。其余4個性狀變異系數范圍為5.72%～7.78%，從大到小依次為單鈴重>第一果枝節位>籽指>衣分；數量性狀的多樣性指數均大于1，多樣性指數的變化范圍為2.58～4.52，平均為3.86，從大到小依次為單鈴重、衣分>株高>籽指>第一果枝節位>生育期。各材料的數量性狀存在較大差異，特別是產量構成因素中的單鈴重變異系數和多樣性指數均較高，表現出了豐富的遺傳多樣性。表3

表3 數量性狀遺傳多樣性Table 3 The basic statistical analysis of genetic diversity of quantitative traits

圖1 基于棉花種質資源表型性狀數據的聚類Fig.1 Cluster map based on phenotypic traits data of cotton germplasm resources

2.3 基于表型性狀的聚類分析

研究表明，在遺傳距離為2.5處，92份材料被分成6個組群。

第Ⅰ組有33份材料，塔吉克斯坦27份，吉爾吉斯斯坦5份，表現為莖毛最多，第一果枝節位最低的類型；

第Ⅱ組有17份材料，均為塔吉克斯坦材料，表現為葉片顏色最淺，生育期較長，株高最高，單鈴重較大，衣分最低，籽指最大的類型；

第Ⅲ組有6份材料，塔吉克斯坦1份，吉爾吉斯斯坦5份，表現為株型僅塔吉克斯坦1份為筒型外，其余均為塔形，莖毛最少，葉片顏色最深，花柱高度最低，果枝類型均為無限果枝，第一果枝節位最高，衣分最高，籽指最小的類型；

第Ⅳ組有16份材料，塔吉克斯坦10份，吉爾吉斯斯坦6份，表現為吐絮程度最暢，生育期最短，單鈴重最小的類型；

第Ⅴ組有6份材料，塔吉克斯坦4份，吉爾吉斯斯坦2份，表現為花柱高度最高，生育期最長，單鈴重最大的類型；

第Ⅵ組有14份材料，塔吉克斯坦10份，吉爾吉斯斯坦4份，表現為株高最矮類型。

種質資源的表型性狀與種質的來源地及原產地沒有必然的聯系。圖1，表4

表4 不同類群表型性狀的平均表現Table 4 The average performance of phenotypic traits to each group

2.4 數量性狀的相關性

研究表明，生育期與株高和單鈴重表現出極顯著的正相關，與單鈴重的相關系數為0.626；株高與各性狀相關性不顯著；第一果枝節位與衣分表現出極顯著的正相關；鈴重與籽指表現出極顯著的正相關，與衣分表現出極顯著的負相關；同樣，衣分與籽指也表現出極顯著的負相關。表5

表5 數量性狀的相關性Table 5 Correlation analysis of quantitative traits

2.5 數量性狀的主成分

研究表明，第1主成分的特征值為2.24，貢獻率為 37.37% 。在其特征向量中，載荷為正值的性狀有生育期(0.53)、單鈴重(0.51) 、籽指(0.42)和株高(0.31)，這4個性狀的增加會降低棉花衣分(-0.41)和第一果枝節位(-0.14)。

第2 主成分特征值為1.14，貢獻率為18.97% 。在其特征向量中， 6個性狀的載荷均為正值，從大到小依次為第一果枝節位(0.81)>衣分(0.46)>單鈴重(0.30)>生育期(0.18)>株高(0.11)>籽指(0.04)。

第3主成分的特征值為0.95，貢獻率為15.86% ，載荷為正值的性狀有株高(0.75)、衣分(0.29)和生育期(0.26)，這3個性狀為生物學特性不同類型性狀，株高的增加導致棉花單鈴重(-0.20)和籽指(-0.43)的下降。

第4主成分的特征值為0.82，貢獻率為13.59%，載荷為正值的性狀有籽指(0.55)、株高(0.5)和第一果枝節位(0.26)，籽指過大會降低單鈴重(-0.42)和衣分(-0.19)，株高過高會延長棉花生育期(-0.40)。表6

表6 數量性狀的主成分Table 6 Principal component analysis of quantitative traits

3 討 論

3.1 表型性狀的遺傳多樣性

表型性狀的差異是表型遺傳多樣性研究最直觀、最簡單迅速的方法[16-17]。種質資源遺傳多樣性作為現代育種工作的重要物質基礎[18]。研究表明，陸地棉不同性狀多樣性指數差異較大，利用表型性狀對陸地棉遺傳變異進行分析應該有所選擇。調查的25個質量性狀中，主莖色素腺體、葉片形狀、苞葉形狀等共13 個性狀變異系數和多樣性指數均為 0，表示這些性狀在 92份陸地棉中沒有表現出多樣性，其余12個質量性狀的平均變異系數為18.28%，平均遺傳多樣性指數為0.45；6個數量性狀的平均變異系數為6.80%，平均遺傳多樣性指數為3.86。質量性狀的多樣性指數均小于 1，而數量性狀的多樣性指數均大于 1，數量性狀的多樣性明顯高于質量性狀。多樣性指數較高，該批材料表型性狀具有較高的多樣性和豐富性。變異系數和多樣性指數在不同表型性狀上的表現并不一致，如株型的變異系數(23.31%)較大，但其多樣性指數(0.24)卻較低，莖毛多少的變異系數( 17.53% )相對較小，而其多樣性指數(0.80 )卻相對較高，這與前人的研究結果相似[19]。

研究利用表型性狀數據的聚類分析將所有材料分為6個類群，其中第 I 類群33份材料，占試驗材料總數的35.87% ，各類群的聚類結果與材料的來源地和原產地沒有直接關系。主要是因為數量性狀大都由多對微效多基因控制，受環境因子影響較大，導致同一來源地的種質資源，在不同的生態環境條件下表現形式多樣，導致聚類結果與材料的來源地和原產地無對應關系[20-23]。聚類結果中2個來源地的材料在各類群中都有聚類分析還顯示，如果進行閾值的改動，聚類結果就會發生明顯變化，與前人研究結果的一致[24,19]。表型性狀聚類分析所用的田間試驗數據受環境因素和人為因素影響較大，若要取得理想的聚類結果，應嚴格控制試驗條件，最大限度的減小人為誤差，并結合分子標記等相關技術，對材料進行更加深入的研究，以進一步明確種質資源間的親緣關系及驗證聚類結果的可靠性[25-28]。

3.2 數量性狀的相關性及主成分

數量性狀指個體間表現的差異只能用數量來區別，變異呈連續性的性狀，且易受環境條件影響[29]。數量性狀的相關性分析結果表明，各性狀間表現為較復雜的相關關系，生育期與株高、單鈴重表現出極顯著的正相關；第一果枝節位與衣分表現出極顯著的正相關；單鈴重與籽指表現出極顯著的正相關，與衣分表現出極顯著的負相關，這與前人的部分研究結果一致[30,16]，反映了同步改良棉花關鍵性狀指標的難度。研究對 92 份種質資源材料的 6個數量性狀進行了主成分分析，將 6個性狀簡化為4個主成分，累計貢獻率高達85.79% ，包含了性狀的絕大多數信息。根據各主成分的載荷值大小，將第 1、第3和第4主成分合并作為第 1 因子，反映生育期、株高等生物學特征與單鈴重、衣分等產量相關的經濟性狀的相互關系；第 2 主成分作為第 2 因子，反映各性狀協同配合可有利于各性狀的同步提高。

4 結 論

92份陸地棉種質資源材料遺傳多樣性豐富，而且數量性狀的多樣性大于質量性狀，6個數量性狀的多樣性指數平均為3.86，25個質量性狀的遺傳多樣性指數平均為0.22。種質資源的表型性狀與其來源地及原產地沒有必然的聯系。各數量性狀間表現出較為復雜的相關關系，反映了同步改良棉花關鍵性狀指標的難度，但平衡各性狀之間的矛盾，使其協同配合可有利于各性狀的同步提高。