120份棉花種質(zhì)資源品質(zhì)性狀與遺傳多樣性分析

趙雙印，王為然，閆雪雪，比買熱木·阿不都艾海提，董 潔，吐爾遜·吐爾洪，阿里甫·艾爾西

(1.新疆巴音郭楞蒙古自治州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，新疆庫爾勒 841000；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】新疆是我國棉花的主體產(chǎn)區(qū)，2019年總產(chǎn)已占全國的85%左右[1，2]。種質(zhì)資源作為驅(qū)動(dòng)品種改良的源動(dòng)力，需加強(qiáng)其多層次精準(zhǔn)鑒定和篩選突破性優(yōu)質(zhì)種質(zhì)。通過利用SRAP(Sequence-Related Amplified Polymorphism)分子標(biāo)記技術(shù)，研究新收集的120份陸地棉資源進(jìn)行纖維品質(zhì)多樣性，篩選出具有優(yōu)良表現(xiàn)的材料，對(duì)優(yōu)質(zhì)棉花新品種培育有重要意義。【前人研究進(jìn)展】劉存敬等[3]對(duì)129份前蘇聯(lián)陸地棉種質(zhì)資源進(jìn)行鑒定，篩選出44份不同特性的優(yōu)異材料。孔清泉等[4]對(duì)92份陸地棉種質(zhì)資源進(jìn)行分析，認(rèn)為纖維長(zhǎng)度集中在中絨類型(52.0%)，比強(qiáng)度集中在中強(qiáng)(47.8%)與強(qiáng)(33.7%)，多數(shù)材料的馬克隆值偏大(71.7%)，并挑選了部分材料改良纖維品質(zhì)。唐中杰等[5]對(duì)收集的206份棉花資源進(jìn)行田間的鑒定與篩選，篩選出纖維品質(zhì)優(yōu)良資源22份，并進(jìn)行了利用。馬肖等[6]對(duì)147份種質(zhì)資源的纖維品質(zhì)性狀進(jìn)行分析，篩選出洞庭3號(hào)等5份種質(zhì)作為改良棉花品質(zhì)的材料加以利用。SRAP分子標(biāo)記是一種基于不同物種甚至個(gè)體的內(nèi)含子、啟動(dòng)子與間隔區(qū)長(zhǎng)度不等而產(chǎn)生多態(tài)性的特異擴(kuò)增標(biāo)記方法[7]，具有簡(jiǎn)便、產(chǎn)量適中、共顯性高、重復(fù)性好、易于分離條帶及測(cè)序等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)作物遺傳多樣性分析。王桂峰等[8]利用SRAP技術(shù)和田間種植鑒定方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)5個(gè)棉花品種的純度鑒定。劉雅輝等[9]利用SRAP技術(shù)和群體分離分析法(BSA)分析，鑒定并篩選與棉花耐鹽相關(guān)的分子標(biāo)記。【本研究切入點(diǎn)】SRAP分子標(biāo)記作為一項(xiàng)重要技術(shù)在棉花研究方面開展了一定的研究工作，但在纖維品質(zhì)方面的研究十分有限，棉花纖維品質(zhì)鑒定手段單一、準(zhǔn)確性不夠。需在新疆高密度植棉模式下，鑒定評(píng)價(jià)120份核心資源進(jìn)行纖維品質(zhì)，利用SRAP分子標(biāo)記進(jìn)行多樣性研究。【擬解決的關(guān)鍵問題】以新引進(jìn)的120份國內(nèi)外棉花種質(zhì)資源為研究材料，采用田間種植的方法，研究其纖維品質(zhì)的品質(zhì)性狀整體狀況及形狀間的相關(guān)性，為鑒定篩選優(yōu)良種質(zhì)資源、進(jìn)而培育優(yōu)質(zhì)新材提供支持。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗(yàn)于2019～2020年在新疆庫爾勒巴州農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地(E86°81′，N41°45′)。前茬作物為棉花，土質(zhì)為壤土。土壤耕作層0～30 cm堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別為93.6、46.3、179 mg/kg，有機(jī)質(zhì)為22.27 g/kg。

從國家種質(zhì)資源庫中引進(jìn)120份棉花種質(zhì)資源。C24和C27是從前蘇聯(lián)引種回來的優(yōu)良品質(zhì)，C5從澳大利亞引種而來，C52是由我國湖北省荊州市農(nóng)科所利用雜交育種培育的品種[10]。表1

表1 棉花種質(zhì)資源信息Table 1 Information of Cotton accessions

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用完全區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，每個(gè)材料設(shè)置3次重復(fù)，行長(zhǎng)3 m，行距(15+45+15+73)cm，株距為12 cm，使用膜下滴灌1膜雙帶4行種植，機(jī)械鋪膜，人工點(diǎn)播。生育期田間管理同大田生產(chǎn)。收獲時(shí)間從9月初開始，根據(jù)不同種質(zhì)資源的成熟程度分期收獲并做好相關(guān)數(shù)據(jù)記錄。

1.2.2 測(cè)定指標(biāo)

收獲3個(gè)重復(fù)，每份材料收取第5～8臺(tái)果枝的中部鈴30個(gè)，統(tǒng)一晾曬，室內(nèi)考種。將考種后棉樣送至農(nóng)業(yè)農(nóng)村部棉花品質(zhì)監(jiān)督檢測(cè)測(cè)試中心測(cè)試?yán)w維品質(zhì)，測(cè)纖維品質(zhì)指標(biāo)(上半部平均長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度、馬克隆值等)。

1.2.3 SRAP分子標(biāo)記

設(shè)計(jì)17對(duì)SRAP標(biāo)記進(jìn)行擴(kuò)增。PCR反應(yīng)體系為10 μL：DNA模板1.0 μL，2×TaqPCR Master-Mix(含染料)5.0 μL，10 μmol/L正、反向引物各1.0 μL，ddH2O補(bǔ)足至10 μL。擴(kuò)增程序?yàn)椋?4℃ 5 min；94℃ 30 s，60℃ 30 s，72℃ 45 s，35個(gè)循環(huán)；72℃延伸10 min，4℃保存待測(cè)。擴(kuò)增產(chǎn)物用8%變性聚丙烯酰胺凝膠電泳進(jìn)行檢測(cè)，最后用銀染法顯色并拍照。表2

表2 SRAP引物信息Table 2 Information of SRAP primers

1.3 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用軟件Excel 2016統(tǒng)計(jì)擴(kuò)增的條帶數(shù)量，相同位置上有清晰可辨條帶記為“1”，無清晰可辨條帶記為“0”，構(gòu)建原始數(shù)據(jù)矩陣。分別統(tǒng)計(jì)17對(duì)SRAP引物的多態(tài)性條帶比率PPB和多態(tài)性信息指數(shù)(PIC)。應(yīng)用軟件NTSYS 2.1的非加權(quán)組平均法(UPGMA)計(jì)算遺傳相似系數(shù)并采用MEGA軟件構(gòu)建聚類圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 120份棉花種質(zhì)資源品質(zhì)性狀表現(xiàn)

研究表明，120份棉花樣品的上半部平均長(zhǎng)度(mm)均在33 mm以下，其中最大值是C40(中棉所49號(hào))為33.13 mm，最小值是C105(GL2gl3)為23.66 mm；馬克隆值最大值為C101(蘇聯(lián)棉19系91-128-2)，最小值為C93(冀91-21)共有31份樣品在B級(jí)范圍的共有64份，C級(jí)范圍的供試樣品為25份斷裂比強(qiáng)度最大值為C29(蘇聯(lián)棉30系91-601)，38.40 cN/tex，最小值為C100(GP122)，24.08 cN/tex。C5(PSP25523-1),C24(蘇聯(lián)棉5系)，C27(蘇聯(lián)棉28系)，C52(鄂抗棉7)4個(gè)材料纖維長(zhǎng)度大于30 mm馬克隆值A(chǔ)級(jí)斷裂比強(qiáng)度33 cN/tex，屬高品質(zhì)性狀的棉花品種。圖1

120份陸地棉種質(zhì)資源材料品質(zhì)性狀間的變異范圍為3.90%～13.03%。其中伸長(zhǎng)率的變異系數(shù)最大，為13.03%，變幅為4.90%～9.00%；馬克隆值次之，變異系數(shù)為12.38%；纖維長(zhǎng)度、比強(qiáng)度變異系數(shù)較低，分別為6.55%和6.48%；整齊度指數(shù)的變異系數(shù)最小，為3.90%，變異幅度為81.40%～96.62%。馬克隆值與伸長(zhǎng)率這2個(gè)性狀存在較大變異，有助于篩到表現(xiàn)較好的親本；而纖維長(zhǎng)度，斷裂比強(qiáng)度和整齊度指數(shù)變異幅度較小，類型不夠豐富，但其中的纖維斷裂比強(qiáng)度平均值達(dá)到30.34 cN/tex，有利于高比強(qiáng)親本的篩選。表3

2.2 棉花種植資源基于SRAP標(biāo)記遺傳多樣性

研究表明，利用17對(duì)SRAP引物，共擴(kuò)增得到95條多態(tài)性條帶，每對(duì)引物擴(kuò)增條帶數(shù)從4條到9條不等，平均擴(kuò)增條帶數(shù)為5.58。多態(tài)性條帶比率PPB(%)為100%，每對(duì)引物擴(kuò)增的條帶都具有多態(tài)性。多態(tài)性信息指數(shù)(PIC)為0.89，使用的SRAP擴(kuò)增引物組合能夠較好地反映120份棉花種質(zhì)資源的遺傳多樣性。表4

注:圖A紅色柱子代表SRAP聚類分析結(jié)果第一大類；藍(lán)色柱子代表SRAP聚類分析結(jié)果第二大類。圖B紅色柱子代表馬克隆值屬于A級(jí)；黃色柱子代表馬克隆值屬于B級(jí)；藍(lán)色柱子代表馬克隆值屬于C級(jí)。圖C圖A紅色柱子代表SRAP聚類分析結(jié)果第一大類；藍(lán)色柱子代表SRAP聚類分析結(jié)果第二大類

表3 棉花性狀指標(biāo)的多樣性Table 3 Diversity analysis of quality traits in cotton

表4 棉花SRAP標(biāo)記的多態(tài)性Table 4 Polymorphism analysis of SRAP markers in cotton

2.3 120份種質(zhì)資源聚類

研究表明，每份種質(zhì)之間的相似系數(shù)較低，變幅較大，其中存在較大的遺傳差異，其遺傳多樣性相對(duì)比較豐富。120份棉花種質(zhì)資源可以分作2大類群。第一大類包含了43個(gè)棉花品種，其中28個(gè)是國內(nèi)品種，國內(nèi)品種占有率約為65%。第二大類包含了77個(gè)品種，只有39個(gè)為國內(nèi)棉花品種，其國內(nèi)品種占有率約為51%。第一大類的棉花種質(zhì)資源再基因型更傾向于本地品種間的基因交流，而第二大類的種質(zhì)資源包含的引進(jìn)品種基因更多，具有更高的遺傳多樣性。120份國內(nèi)外棉花種質(zhì)資源之間親緣關(guān)系較近。圖2

圖2 利用非加權(quán)組平均法(UPGMA)聚類參試材料Fig.2 Unweighted Pair-group Method with Arithmetic Mean (UPGMA) was used to cluster the tested materials

第一大類的樣品多在28 mm以下，只有少數(shù)樣品的上半部平均長(zhǎng)度較優(yōu)質(zhì)。第一大類棉花樣品的斷裂比強(qiáng)度超過30 cN/tex，比第二大類的樣品品質(zhì)更好。120份棉花資源的品質(zhì)性狀多樣性與其SRAP分子標(biāo)記結(jié)果相一致。C5(PSP25523-1)，C24(蘇聯(lián)棉5系)，C27(蘇聯(lián)棉28系)，C52(鄂抗棉7)4個(gè)樣品整體的品質(zhì)指標(biāo)比較好，在SRAP分子標(biāo)記中聚在第一大類中，具有相似或者相同的優(yōu)良基因。C6、C29、C30、C31和C725個(gè)品種的整體品質(zhì)指標(biāo)處在120份樣品的中間段。C111、C113和C1173個(gè)品種整體品質(zhì)指標(biāo)較差，其遺傳距離比較近，為一個(gè)小的類群。C40、C41、C43品質(zhì)性狀中等，但是C114品質(zhì)性狀較差，4個(gè)樣品聚在一個(gè)小類群中，以上4個(gè)品種可能存在一定的親緣性。圖1，圖2

3 討 論

徐海江等[2]報(bào)道，近年來，新疆棉花品種主栽品種不突出，種植品種相對(duì)比較單一。利用分子標(biāo)記技術(shù)可以更好地為選育優(yōu)良品質(zhì)性狀的棉花品種打下研究基礎(chǔ)[11-12]。采用不同分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)棉花種質(zhì)資源的遺傳多樣性研究的報(bào)道不斷發(fā)表[13-16]，Kusuma等[17]利用SSR分子標(biāo)記，以22份棉花種質(zhì)資源為親本，利用與高產(chǎn)、高含油率相關(guān)的SSR標(biāo)記，培育出具有兩用性狀的棉花品種。馬麒等[18]以178份海島棉核心種質(zhì)資源為試驗(yàn)材料，利用120對(duì)SSR引物進(jìn)行多態(tài)性分析，并開展群體結(jié)構(gòu)分析及基因型聚類分析，依據(jù)聚類結(jié)果對(duì)初選海島棉優(yōu)異種質(zhì)進(jìn)一步篩選，鑒定出最終的海島棉優(yōu)異種質(zhì)資源。但是采用SRAP分子標(biāo)記進(jìn)行新疆地區(qū)的棉花種質(zhì)資源遺傳分析的報(bào)道并不多。研究通過對(duì)新疆地區(qū)的120份棉花種質(zhì)資源的SRAP分子標(biāo)記結(jié)合其品質(zhì)性狀指標(biāo)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)供試的120份棉花種質(zhì)資源的聚類結(jié)果與其品質(zhì)性狀相關(guān)性較高，品質(zhì)較好的品質(zhì)在遺傳距離上更接近，而品質(zhì)性狀較差的品種也更傾向于聚集。

研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，選育的新陸中41號(hào)(C58)，新陸早46號(hào)(C82)，新陸早41號(hào)(C116)和新陸早48號(hào)(C117)這4個(gè)品種的品質(zhì)性狀總體表現(xiàn)較差，而農(nóng)藝性狀表現(xiàn)不俗。新陸早48號(hào)(C117)屬于早熟陸地棉類型，生育期120 d，株型緊湊，抗枯萎病、耐黃萎病[19]。新陸中41號(hào)(C58)豐產(chǎn)、抗病性好[20]，新陸早41號(hào)(C116)早熟、結(jié)鈴性強(qiáng)[21]是新疆種植面積較大的品種，主要是因?yàn)樵撓盗忻藁ㄆ贩N具有早熟高產(chǎn)，且抗病性較好的特性。而新陸中系列，屬中熟陸地棉品種，抗病性、豐產(chǎn)性普遍強(qiáng)于新陸早系列。近年來，新培育的高品質(zhì)品種棉花也具有較好的品質(zhì)性狀，如Z1112(C18)以陜5051為母本，97-185為父本進(jìn)行雜交選育而成，早熟、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)，但是抗病性不及新陸早系列和新陸中系列[22]。今后應(yīng)在早熟、豐產(chǎn)、抗病性好的基礎(chǔ)上，通過引種，改良品質(zhì)，選育出具有優(yōu)良品質(zhì)性狀及綜合表現(xiàn)優(yōu)良的棉花品種。

4 結(jié) 論

120份種質(zhì)資源的品質(zhì)性狀遺傳多樣性比較豐富。棉纖維上半部平均長(zhǎng)度均在33 mm以下，其中31份棉花樣品馬克隆值屬于A級(jí)范圍，斷裂比強(qiáng)度最小為24.08，最大為38。共檢測(cè)到95個(gè)多態(tài)性位點(diǎn)，平均每對(duì)引物檢測(cè)到5.58個(gè)多態(tài)性位點(diǎn)。供試材料可分為2個(gè)類群，第一大類的棉花種質(zhì)資源再基因型更傾向于本地品種間的基因交流，而第二大類的種質(zhì)資源包含的引進(jìn)品種基因更多，具有更高的遺傳多樣性。PSP25523-1、蘇聯(lián)棉5系、蘇聯(lián)棉28系和鄂抗棉7共4份材料纖維品質(zhì)優(yōu)良，可以作為優(yōu)質(zhì)親本改良新疆棉花纖維品質(zhì)。