基于系統(tǒng)聚類方法篩選中長絨陸地棉優(yōu)質(zhì)新品系

彭小峰，張選,2，彭延，黃順禮，劉素華，艾尼玩爾·黑里力，黎蓉

(1.新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第三師農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，新疆圖木舒克 843900；2.塔里木大學(xué)農(nóng)學(xué)院，新疆 阿拉爾 843300；3.西南大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，重慶 北碚 400715)

由于棉花市場的需求，棉農(nóng)過于追求產(chǎn)量，棉花纖維品質(zhì)長時間被忽視，棉紡織企業(yè)需求高品質(zhì)的原棉，隨著棉紡織企業(yè)改造升級和人們生活水平的提高，對棉花纖維品質(zhì)要求越來越高，生產(chǎn)出的棉花纖維不能滿足現(xiàn)代紡織產(chǎn)業(yè)的需求。在棉花的種質(zhì)創(chuàng)新和選育過程中，由多親本連續(xù)雜交育種系統(tǒng)(DMPC，Dynamic continuous cross breeding systems of many parents)技術(shù)產(chǎn)生的群體其遺傳背景復(fù)雜，出現(xiàn)遺傳變異的頻率高、頻譜寬，如果其中有符合育種需要的基因型，加以選擇鑒定，從中可以育成許多新材料新品種。由于遺傳變異和非遺傳變異區(qū)分困難，遺傳穩(wěn)定性也是極大的挑戰(zhàn)，加之新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第三師的棉花為多年連作，品種的抗病性也是重要攻克難題。

選擇好的株系是育種工作中重要的環(huán)節(jié)之一，通過選擇同一品種或品系得到的不同株系，其不同性狀差異性小，相似度高，通過直觀觀察和數(shù)據(jù)的相似度比較，需要大量的人力和物力，且準確度和選擇標準也對結(jié)果有很大影響。聚類分析方法在作物選擇中應(yīng)用比較廣泛，通過對麥類、大豆、水稻、花生、玉米、李子、辣椒等作物不同性狀的聚類分析，把存在相似性狀的資源歸為一類，進行更加準確的評價；或為產(chǎn)品應(yīng)用和選育提供材料。孫振綱，等通過聚類分析，把27個陸地棉新種質(zhì)材料分為兩個類群，其中一類群是以優(yōu)質(zhì)品種為主；另一類群以高稈、高產(chǎn)品種為主。龔照龍，等對144份材料的農(nóng)藝性狀和SSR標記進行聚類分析，把不同耐高溫性的棉花種質(zhì)材料進行較合理的分類，從而區(qū)別于其它種質(zhì)。宿俊吉，等對陸地棉主要農(nóng)藝性狀進行聚類分析，表明衣分和畝株數(shù)是影響皮棉產(chǎn)量的主要因素。董承光，等通過聚類分析發(fā)現(xiàn)，新陸早系列和新陸中系列在類群中相互雜交。

為提高品種選擇的科學(xué)性和可靠性，應(yīng)用Excel 2003軟件和DPS 7.05軟件的系統(tǒng)聚類方法進行數(shù)據(jù)處理，將陸地棉3D801各株系在常規(guī)栽培狀態(tài)下觀測的原始數(shù)據(jù)標準化成無量綱化的數(shù)據(jù)后，計算性狀相關(guān)矩陣及對應(yīng)的特征值和特征向量，進行性狀間的相關(guān)性分析，并根據(jù)特征值和特征向量，計算卡方距離，進而對入選優(yōu)異株系聚類進行比較，探索系統(tǒng)聚類方法對中長絨陸地棉株系選擇的一致性和穩(wěn)定性是否有提升。對株系進行相關(guān)性分析和系統(tǒng)聚類方法，為株系選擇和劃分類群提供參考，提高棉花育種工作的選擇效率。

1 材料與方法

1.1 材料

品系3D801為采用DMPC技術(shù)選擇的品系，其遺傳背景復(fù)雜，后代存在一定的分離。2017年10月從品系3D801中選擇大量單株，經(jīng)過南繁篩選后，2018年獲得了220個株系，再通過田間與室內(nèi)考種綜合決選獲得90個株系。

1.2 田間種植與性狀調(diào)查

2019年在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團第三師農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗地進行試驗，4月13日人工滾筒播種。采用隨機區(qū)組設(shè)計，重復(fù)3次，小區(qū)長20.0 m。采用機采棉播種機(2.27 m地膜)一膜六行三帶種植，寬窄行配置，行距為 10 cm和66 cm。結(jié)合整地基施二銨300 kg/hm、尿素150 kg/hm、硫酸鉀75 kg/hm。

每小區(qū)標記中間行20個單株，10月份分別調(diào)查株高、始果枝位節(jié)數(shù)、果枝數(shù)、單株結(jié)鈴數(shù)。吐絮后，取中上部100個正常吐絮鈴，測定單鈴重，鋸齒機軋花測定衣分，在國家棉花纖維檢測中心(烏魯木齊)測定纖維品質(zhì)性狀。

1.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)分析采用DPS7.05和Excel處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 品系不同性狀統(tǒng)計分析

不同性狀表型統(tǒng)計分析(表1)。研究表明，單株鈴數(shù)、株高、果枝數(shù)的變異系數(shù)較大，分別為21.62%、18.84%、18.11%和12.26%，說明這些性狀的株系間的變異程度較大，可供選擇的范圍較寬。纖維品質(zhì)構(gòu)成性狀的變異系數(shù)相對較小，其中最大的為馬克隆值，為6.01%；而整齊度和反射率的變異系數(shù)均為1.00%，其變異程度較小，對株系的選擇沒有較大影響。各性狀變異系數(shù)表現(xiàn)為單株鈴數(shù)>株高>果枝數(shù)>始果枝位節(jié)數(shù)>馬克隆值>比強度>單鈴重>黃度>衣分>纖維長度>反射率和整齊度。同一品系選擇的單株也存在一定的差異，且在部分性狀差異顯著。從圖1可以得出，除株高和始果枝位節(jié)數(shù)以外其他性狀均呈正態(tài)分布。

表1 品系3D801的90個株系各性狀統(tǒng)計性描述

2.2 性狀間相關(guān)性分析

棉花具有無限生長習(xí)性，各性狀之間具有復(fù)雜的相關(guān)性。通過相關(guān)性分析(圖1)發(fā)現(xiàn)，株高與果枝數(shù)、單株鈴數(shù)，單鈴重與纖維長度、整齊度，黃度與馬克隆值，纖維長度與整齊度、比強度，整齊度與比強度均表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)；始果枝位節(jié)數(shù)與果枝數(shù)，單株鈴數(shù)與黃度，衣分與單鈴重、纖維長度，纖維反射率與黃度、整齊度，馬克隆值與纖維長度均表現(xiàn)為極顯著負相關(guān)；農(nóng)藝性狀和纖維品質(zhì)性狀間均表現(xiàn)為極顯著的相關(guān)性。由此可知，株系各性狀間有較復(fù)雜的相關(guān)性，棉花纖維產(chǎn)量同步提高最大的問題是衣分與纖維的長度極顯著負相關(guān)問題，后期在育種過程我們可以加大選種力度，協(xié)調(diào)衣分與纖維長度的關(guān)系，從而實現(xiàn)棉花纖維產(chǎn)量和質(zhì)量同步提高。

注：***、**和*分別表示在0.001、0.01和0.05水平達到極顯著相關(guān)和顯著相關(guān)。

2.3 系統(tǒng)聚類分析

利用統(tǒng)計軟件DPS V7.05和Excel對90個株系的12個性狀數(shù)據(jù)進行規(guī)格化轉(zhuǎn)換，以分辨能力較強的卡方距離及離差平方和法進行聚類分析。

株系間的不同性狀基因型值構(gòu)成的多維空間幾何距離稱為品種間的遺傳距離，遺傳距離是衡量品種間性狀綜合遺傳差異的指標。試驗采用卡方距離-離差平方和法對同一品種的90個株系的12個性狀作系統(tǒng)聚類分析，聚類結(jié)果如圖2所示，在卡方距離D=1.08的水平上，把90份株系分為6大類群。

圖2 各株系聚類結(jié)果

2.4 類群特征分析

通過聚類結(jié)果，對每一類群的原始數(shù)據(jù)進行處理分析，結(jié)果列于表2。第Ⅰ類群，包含16個株系，單鈴重和比強度較大；第Ⅱ類群，包含18個株系，單株結(jié)鈴較多，衣分最高；第Ⅲ類群，包含19個株系，株高較高，始果枝位節(jié)數(shù)最少，果枝數(shù)和單株結(jié)鈴數(shù)最多，但馬克隆值最大；第Ⅳ類群，包含8個株系，株高最高，果枝數(shù)較多，但單株結(jié)鈴數(shù)較少和比強度較?。坏冖躅惾?，包含7個株系，株高68.00 cm左右，始果枝位節(jié)數(shù)最多，適宜機械采收，單鈴重最大，單株結(jié)鈴9.29個左右，纖維長度最長，比強度最大；第Ⅵ類群，包含22個株系，株高最低、單鈴重最輕、單株結(jié)鈴數(shù)最少、纖維長度最短，黃度最大。第Ⅵ類群包含一個衣分最高的株系，可作為衣分改良的親本材料。各類群在某一方面存在一定優(yōu)勢，且類群中各株系差異性相對較小，對于同一品系選育的株系，經(jīng)過聚類分析后，按照類群合并株系可擴大原種的種子量，增加擴繁速度，用于種子生產(chǎn)。

表2 品系3D801的90個株系各性狀的統(tǒng)計分析情況

3 結(jié)論與討論

變異系數(shù)是測定植株各性狀受到外界環(huán)境條件變化而發(fā)生變異程度的指標，它所反映的是植株性狀遺傳的簡單動態(tài)，變異系數(shù)越小，該性狀容易穩(wěn)定遺傳；變異系數(shù)越大，其受外界影響較大，或存在遺傳變異。本試驗中農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)都較大(12.26%～21.62%)，是因為這些性狀不僅受基因的控制，土壤和水肥因素對其生長發(fā)育也有較大的影響。本試驗馬克隆值變異系數(shù)也表現(xiàn)為最大，與高進對纖維品質(zhì)的數(shù)量性狀進行遺傳變異分析的結(jié)果較一致。

棉花各性狀之間的相關(guān)性已有許多報道，其結(jié)果不盡相同。本研究中，相關(guān)系數(shù)絕對值較大的有株高與果枝數(shù)、黃度與反射率、纖維長度與整齊度。衣分與纖維長度、鈴重呈極顯著負相關(guān)，這與前人研究結(jié)果基本一致；衣分與斷裂比強度呈負相關(guān)不顯著，這與前人略有不同。產(chǎn)量性狀與纖維品質(zhì)之間相關(guān)性較小，抗病性和纖維品質(zhì)之間不存在統(tǒng)計學(xué)意義上的相關(guān)性。從相關(guān)系數(shù)看，纖維長度越長，馬克隆值和衣分越小，比強度越大，其中衣分和皮棉產(chǎn)量又密切相關(guān)，在選擇中不能只注重某一品質(zhì)性狀的突出，更應(yīng)該注重如何兼顧各品質(zhì)性狀的關(guān)系，重點關(guān)注衣分與纖維品質(zhì)性狀的關(guān)系，是可能同步提高纖維產(chǎn)量和質(zhì)量，選擇到綜合性狀較優(yōu)的棉花品系。

表2 株系各性狀的類群平均值

遺傳距離是衡量品種間性狀綜合遺傳差異的指標，遺傳距離越大，其出現(xiàn)特異性種質(zhì)資源的可能性就越大。董承光通過聚類分析， 篩選出33份特異種質(zhì)材料。本研究采用系統(tǒng)聚類的方法對3D801的90份株系進行聚類分析和評價，結(jié)果將其分為6大類群，除第Ⅵ類群外，其余各類群內(nèi)株系所表現(xiàn)出來的性狀差異不大，可直接合并成一份種子，擴大親本的種子量，加快種子的生產(chǎn)；第Ⅴ類群是中長絨類群，其纖維上半部平均長度≥31.0 mm，斷裂比強度≥32 cN/tex，可作為中長絨陸地棉優(yōu)質(zhì)品種篩選。