南疆優質陸地棉材料產量與纖維品質性狀的多樣性分析

王偉 梅擁軍

(塔里木大學農學院，新疆 阿拉爾 843300)

棉花(Gossypium hirsutum L.)作為一種纖維作物，廣泛種植于全球多地區，同時棉花也是我國重要的經濟作物，是新疆最主要的經濟作物，其對新疆經濟發展具有十分重要的作用[1]。當代隨著人們生活水平的改善，對于優質棉紡品的需求也在連續增加[2]，所以在目前棉花育種過程中，如何提高棉花產量及纖維品質性狀是育種工作者最重視的問題[3-6]。因棉花主要農藝性狀中存在相互影響、相互制約的關系，故單一分析很難準確客觀地描述出棉花性狀的優劣，所以對棉花主要農藝性狀進行多樣性分析的研究也越來越多。李娟等[4]對42個新疆早熟陸地棉品種的產量和纖維品質性狀進行了多樣性分析研究，結果表明，單鈴質量與衣指呈極顯著正相關；衣分與衣指呈極顯著正相關，與籽指呈極顯著負相關。伸長率與絨長、比強度呈極顯著正相關，與整齊度呈顯著正相關，按照品種特性將其分為了4類。石建斌等[5]通過對192份雜交組合的農藝及品質性狀進行相關分析，結果表明各性狀間均存在一定的相關性，在實際育種工作中應綜合平衡各因素，達到最優組合。李飛等[6]對來自國內外不同地區的172份陸地棉材料的主要農藝性狀進行了主成分分析及聚類分析，按性狀表現將其分為了10類。

在以往的研究中多利用已審定的品種或雜交組合的F1、F2世代進行分析。本研究選用的材料經過了多年重組自交，各性狀趨于平穩，且本研究選用的材料均為長度>30.00mm、斷裂比強度>30.00cN·tex-1的優質材料，育種意義相對更佳。擬采用145份優質陸地棉材料進行研究，通過對其4個產量性狀及5個纖維品質性狀的變異分析、相關分析、主成分分析、基因型值分析及聚類分析的方法探究優質陸地棉材料各性狀間的關系，并對其進行綜合評價，以期對新疆南疆陸地棉育種提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料與田間試驗設計

試驗種植由塔里木大學農學院棉花遺傳育種課題組提供的145份優質陸地棉材料(長度>30.00mm、斷裂比強度>30.00cN·tex-1，由已審定的品種如“新陸早20”“新陸早37”“新陸早48”“新陸中37”“中棉所24”“中棉所48”“晉棉29”“山大1號”“苗寶21”等和L17品系雜交的F4、F5世代群體材料)2020年、2021年2年在新疆阿拉爾市塔里木大學農學試驗站進行，每年2次重復，隨機排列，每小區種植2行，行長3.0m，株距0.10m，兩壟間距0.60m，兩膜間距0.55m，地膜覆蓋種植，田間管理同大田。每年收集每個材料2次重復的4個產量和5個纖維品質性狀的數據。

1.2 試驗內容的測定與方法

枯霜期后1周左右(10月10—18日)，每個小區調查15株棉株的單株鈴數并算得單株鈴數(X1)。每個小區連續15株每株收獲中部吐絮正常的1朵籽棉，對籽棉稱重并算得單鈴重(X2)。將采得籽棉軋花后測得皮棉，用皮棉/籽棉×100%算得衣分(X3)。由單株鈴數×單鈴重×衣分/100算得單株皮棉產量(X4)。每個小區取中部吐絮正常棉鈴20g在HFT9000大容量纖維品質測試儀上測定上半部平均長度(Y1)、整齊度指數(Y2)、馬克隆值(Y3)、斷裂比強度(Y4)、伸長率(Y5)5項纖維品質指標。

1.3 統計與數據分析方法

將2年145份陸地棉材料2次重復測得的4項產量性狀和5項纖維品質性狀數據利用Microsoft Excel 2010統計，并計算每性狀的最大值、最小值、平均值、標準差及變異系數。利用Origin 2022軟件對各性狀數據進行主成分分析、相關分析及作圖，基因型效應值采用朱軍[6]提出的模型進行預測，運用最小范數二次無偏估計法估算方差分量，用刀切法抽樣方法計算各遺傳參數的估計值及其標準誤，t測驗法對分析結果做統計檢驗，R(4.1.0)軟件對145份材料的表型值進行聚類分析(結合Ward聚類和“euclidean”)。

2 結果與分析

2.1 各性狀基本參數差異

對所參試的145份材料的4個產量性狀及5個纖維品質的基本參數分析，結果見表1，產量性狀和纖維品質性狀的變異系數為1.63%～35.63%，其中單株皮棉產量的變異系數最大，為35.63%，單株鈴數的變異系數次之，為32.96%，兩者均達到了中等變異；整齊度指數的變異系數最小，為1.63%。其它性狀的變異系數從大到小依次為單鈴重、馬克隆值、斷裂比強度、衣分、上半部平均長度、伸長率。表明在不同的棉花材料中，與產量有關的性狀差異較大，與纖維品質有關的性狀差異較小，同時這些變異的存在為棉花產量與纖維品質性狀的相關分析提供了條件。

表1 群體材料各性狀的基本參數

2.2 供試材料產量及纖維品質性狀的相關分析

145份陸地棉材料的產量與纖維品質性狀的相關分析結果見圖1，各性狀中存在相互影響的關系，其中單株鈴數與單鈴重、單株皮棉產量、整齊度指數呈正相關，且達到極顯著水平(P<0.01)，與馬克隆值呈正相關，且達到顯著水平(P>0.05)，與伸長率呈負相關，并且達到極顯著水平(P<0.01)；單鈴重與單株皮棉產量、上半部平均長度、整齊度指數呈正相關，且達到極顯著水平(P<0.01)，與衣分呈負相關，并且達到顯著水平(P>0.05)；衣分與單株皮棉產量、馬克隆值呈正相關，與上半部平均長度、伸長率呈負相關，且都達到極顯著水平(P<0.01)；單株皮棉產量與整齊度指數、馬克隆值呈正相關，與伸長率呈負相關，且都達到極顯著水平(P<0.01)；上半部平均長度與整齊度指數、斷裂比強度、伸長率呈正相關，與馬克隆值呈負相關，且都達到極顯著水平(P<0.01)；整齊度指數與馬克隆值呈相關，且達到極顯著水平(P<0.01)；馬克隆值與斷裂比強度呈負相關，且達到極顯著水平(P<0.01)；斷裂比強度與伸長率呈正相關，且都達到極顯著水平(P<0.01)。因此在實際育種工作中，如果要提高產量可從整齊度、馬克隆值、伸長率等因素考慮。

圖1 產量性狀與纖維品質性狀的相關系數

2.3 供試材料各性狀的主成分分析

采用主成分分析方法對145份陸地棉的4個產量性狀和5個纖維品質性狀進行了分析。各主成份的特征值和方差貢獻率見表2，各性狀的特征值和特征向量見表3。為減少數據冗余，以特征值大于1.0提取了前3個主成分，其累計貢獻率為66.103%，基本能反映出原變量中的大多數信息，可以用來對棉花性狀進行綜合評估。其中第1主成分的方差貢獻率為26.806%，特征值為2.417，其特征向量值最大的性狀為上半部平均長度(0.456)，其次為伸長率(0.394)、斷裂比強度(0.392)；第3主成分的特征值為1.455，方差貢獻率為16.170%，其中特征向量值最大的性狀為整齊度指數(0.564)，其次為伸長率(0.508)、馬克隆值(0.474)，因此，第1和第3主成分為棉纖維質量因子。第2主成分的方差貢獻率為23.074%，特征值為2.077，其中特征向量值最大的性狀為單株皮棉產量(0.583)，其次為單株鈴數(0.518)，表明該主成分主要與棉花產量品質性狀相關，因此第2主成分為棉花產量因子。第1、第3主成分大時，棉花纖維品質越好。第2主成分越大時，棉花產量越高。

表2 主成分的特征值及方差貢獻率

表3 各性狀的主成分入選特征根和特征向量

計算各材料前3主成分的得分及綜合得分，由圖2可以看出，103號材料的第1主成分得分最高，結合主成分1的特點，說明103號材料的上半部平均長度、伸長率、斷裂比強度表現最好；146號材料的第2主成分得分最高，說明146號材料的單株皮棉產量、單株鈴數最高；137號材料的第3主成分得分最高，說明103號材料的整齊度指數、伸長率、馬克隆值表現最好；103號材料綜合得分最高，說明在145份材料中其綜合表現最好。

圖2 各主成分及綜合得分圖

2.4 供試材料的基因型值分析

對145份材料產量性狀及纖維品質性狀基因型值進行分析，以確定各材料產量性狀及品質性狀的應用價值。表4為隨機選取的10份材料的2年產量性狀的基因型值，從表4可以看出，部分材料的產量品質性狀之間存在大于0.1顯著水平的差異，說明供試材料的產量性狀基因型之間存在差異。由表4可知，6號材料除衣分外其它產量性狀均優于對照組塔河2號，整體產量性狀表現較好。部分材料擁有潛在提升某個產量性狀的優勢，如1號材料的單株鈴數；7號材料的單鈴重、單株皮棉產量；5號材料的衣分等。且由表4可知，在陸地棉產量性狀中，單株皮棉產量基因型值差異幅度相對較大，具有豐富的遺傳多樣性；單鈴重基因型值差異幅度相對較小，遺傳多樣性較弱。表5為隨機選取的10份材料的2年纖維品質性狀的基因型值，從表5可以看出，部分材料的纖維品質性狀之間存在大于0.1顯著水平的差異，說明供試材料的纖維品質性狀基因型之間存在差異。由表5可知，4號材料除馬克隆值外，其它纖維品質性狀均優于對照，表現較好。10份材料的上半部平均長度及整齊度指數均高于對照，斷裂比強度2020年均優于對照，2021年部分弱于對照，表現較不穩定。且由表5可知，在陸地棉纖維品質性狀中，斷裂比強度基因型值差異幅度相對較大，具有豐富的遺傳多樣性；伸長率基因型值差異幅度相對較小，遺傳多樣性較弱。

表4 部分品種的產量性狀的基因型值

表5 部分品種的纖維品質性狀的基因型值

2.5 供試材料聚類與判別分析

除采用以上分析外，對多份材料的表型值進行聚類也可以一定程度上反映其育種價值。將供試材料2年產量及纖維品質性狀的表現進行數據標準化后，利用碎石圖確定聚類數目，見圖3，可將145份材料分為6類，見圖4、表6。第1類包含11份材料，其單株鈴數、單株皮棉產量、整齊度指數為6類最高；第2類包含20份材料，其單株鈴數為6類最高，其它性狀表現優良；第3份材料包含23份，其衣分、馬克隆值為6類最高，上半部平均長度、斷裂比強度為6類最低；第4類包含32份材料，總體表現最差；第5類包含28份材料，單株鈴數、單株皮棉產量為6類最低，其它性狀為中等；第6類包含31份材料，其上半部平均長度、斷裂比強度、伸長率為6類最高，衣分為6類最低。在后續實際育種工作中可根據實際需求進行綜合評價及篩選。

表6 145份材料聚類后均值

圖3 145份材料聚類數的碎石圖

圖4 145份材料表型值聚類數圖

3 討論與結論

棉花產量與纖維品質為復雜的性狀，其受基因型效應、環境效應、基因型與環境互作效應等效應的相互影響，因此通過單一條件進行分析很難準確評價其優劣。因此多樣性分析被廣泛應用在多種作物的評價中[8-12]。

本試驗中對145份優質陸地棉材料4份產量性狀及5份纖維品質性狀進行多樣化分析，變異分析結果表明，在變異分析中單株皮棉產量的變異系數最大，為35.63%，單株鈴數的變異系數次之，為32.96%，兩者均達到了中等變異；整齊度指數的變異系數最小，為1.63%。其它性狀的變異系數從大到小依次為單鈴重、馬克隆值、斷裂比強度、衣分、上半部平均長度、伸長率。這與前人[13-15]的研究結果基本一致，在變異排序方面個別性狀略有不同，可能是由試驗材料、栽培管理、試驗環境的差異造成的。

相關分析結果表明，產量與纖維品質性狀間存在復雜的相關性，單株鈴數與整齊度指數呈極顯著正相關，與伸長率呈極顯著負相關，與李慧琴[16]、李有忠[17]的研究結果不同，猜測可能是由于材料及環境不同所帶來的差異。單鈴重與上半部平均長度和整齊度指數之間存在著極顯著的正相關；衣分與馬克隆值呈極顯著的正相關，與上半部平均長度、伸長率呈極顯著負相關，與石建斌[5]研究結果基本相同；單株皮棉產量與整齊度指數和馬克隆值之間存在著極顯著的正相關，與伸長率存在著極顯著的負相關。因此在實際育種工作中要充分考慮性狀之間的相關性，以求均衡發展。

主成分分析的結果顯示，在特征值超過1.0的情況下，前3個主要成分的累積貢獻率達到66.103%?；究梢源碓甲兞康拇蟛糠中畔ⅲ行蕹徊糠秩哂嘈畔?。上半部平均長度、單株皮棉產量的特征值在前3主成分表現最大，這也與當下育種主要目的即提高產量與品質相同。同時根據各材料前3主成分的得分及綜合得分可知，145份材料中，具有單性狀優勢的材料較多，均衡發展的材料較少。

基因型值分析結果表明，145份材料具有豐富的遺傳多樣性，且在產量性狀中的單株皮棉產量及在纖維品質性狀中的斷裂比強度的基因型值差異幅度相對較大，具有豐富的遺傳多樣性；在產量性狀中的單鈴重及在纖維品質性狀中的伸長率的基因型值差異幅度相對較小，遺傳多樣性較弱，這基本與變異分析結果相同。在基因型值分析中出現了同材料2年基因型值個別性狀相差較大問題，初步考慮是由環境及栽培方式原因導致。

聚類分析結果表明，將145份材料分為6類。第1類包含11份材料，單株鈴數、單株皮棉產量、整齊度指數為6類最高，可作為提高產量的材料；第2類包含20份材料，單株鈴數為6類最高，其它性狀表現優良；第3類包含23份材料，衣分、馬克隆值為6類最高，上半部平均長度、斷裂比強度為6類最低；第4類包含32份材料，總體表現最差；第5類包含28份材料，單株鈴數、單株皮棉產量為6類最低，其它性狀為中等；第6類包含31份材料，上半部平均長度、斷裂比強度、伸長率為6類最高，衣分為6類最低，可作為提高纖維品質性狀的材料?？傮w結果與主成分分析結果相同，145份材料中具有單性狀優勢的材料較多，均衡發展的材料較少。

綜上所述，雖然本研究對多份陸地棉材料進行了綜合分析，但棉花產量性狀與纖維品質性狀屬于復雜的數量性狀，且受多種條件互相作用[18-20]。因此在實際應用中還要結合具體的環境、栽培技術等進行更加全面的綜合分析，從而更加有效地提高優勢資源利用率、實現品種綜合性狀最優化。