192 份陸地棉雜交種的遺傳多樣性分析

摘要：為篩選高產優質的棉花雜交組合，以15個陸地棉推廣品種為親本配置的192個F1雜交種為試驗材料，通過相關性分析、主成分分析和回歸分析探討主要農藝性狀、產量和纖維品質之間的關系。結果表明，單鈴重、籽棉產量和皮棉產量等產量指標都與始節數呈負相關，棉花纖維品質中上半部平均長度和整齊度這2個指標與主要農藝性狀間的相互作用是正向的，馬克隆值和纖維成熟度與主要農藝性狀間具有反向相互作用。對16個指標降維后提取出5個主成分，分別命名為成鈴因子、產量因子、品質因子、生長因子和衣分因子，共解釋群體81.63%的變異。分別以產量性狀和品質性狀為因變量，以主要農藝性狀為自變量構建了8個最佳回歸模型，為適應不同需求的快速準確選擇群體材料提供依據。研究結果為棉花品種選育提供了理論依據及材料支持。

關鍵詞：棉花；產量；品質；農藝性狀；雜交組合

doi：10.13304/j.nykjdb.2023.0063

中圖分類號：S562 文獻標志碼：A 文章編號：1008‐0864（2024）08‐0034‐17

棉花是世界上重要的天然纖維作物，也是我國重要的經濟作物和紡織工業原料[1]，隨著社會經濟和人民生活水平的提高，對棉花產量和纖維品質的要求也越來越高。產量和品質同為數量性狀，其表現型不僅是基因選擇的結果，還包括基因與環境互作[2‐3]，是多個性狀共同作用的結果，從形態學或表型性狀來檢測遺傳變異是最直接也是最簡便易行的方法。李有忠等[4]對收集的630份陸地棉種質資源的表型性狀進行遺傳多樣性、相關性、主成分和聚類分析，篩選出10份纖維品質較好的材料。王海濤等[5]對314 份陸地棉種質資源的7個農藝性狀和5個纖維品質性狀進行遺傳多樣性分析，篩選出不同類型的優異棉花種質資源，為棉花新品種選育及其親本選配提供了理論參考。

由于雜交后代在生長勢和生物量等方面的表現優于親本，所以利用雜種優勢培育高產優質作物品種成為育種家的主攻方向[6]，當前雜交育種廣泛應用于農業生產中，在玉米[7]、小麥[8]、馬鈴薯[9]和水稻[10]等多種作物上取得一系列重要研究成果，雜交棉在提高產量和改善品質方面也具有突出表現[11‐12]，在棉花生產中有一定的優勢[13]。張華崇等[14]以46份棉花雜交組合為材料，對14個主要性狀進行主成分聚類分析，篩選出了高產組合、優質組合和高產優質組合。本研究基于表型對192份棉花F1雜交種的遺傳多樣性進行分析并探討各性狀間的關系，以期提高種質資源的利用和基因挖掘的效率。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用15個陸地棉推廣品種配置的192個棉花雜交種為材料，F1雜交種組合編號及親本組合名稱詳見表1。

1.2 試驗設計

本研究于2021年在新疆塔城地區沙灣市144團新疆農業大學棉花育種基地（43°29'—45°20'N，84°57'—86°09'E）進行，試驗采用隨機區組設計，1 膜6 行，每2 行為同一材料，同一材料行間距0.1 m，不同材料行間距0.7 m，株距0.1 m，行長2.0. m，播幅2.35 m。田間管理同大田常規管理。2021年10月測定農藝性狀，包括株高（plantheight，PH， cm）、始節高（first branch height，FBH，cm）、始節數（number of the first branch，NOB）、果枝數（fruit branch number，FBN）、有效果枝數（effective fruit branch number，EFBN）、鈴數（bollnumber ，BN）和有效鈴數（effective boll number ，EBN）。收取20鈴后進行扎花考種處理，測定的產量指標包括單鈴重（single boll weight，SBW， g）、籽棉產量（seed cotton yield，SCY， g）、皮棉產量（lint cotton yield，LCY， g）和衣分（lint percentage，LP）。稱取皮棉10 g送往石河子農墾科學院棉花品質監督檢驗中心（HV11000）測定纖維品質，包括上半部平均長度（fibre upper half mean length，FL， mm）、比強度（fiber strength，FS， cN·tex-1）、馬克隆值（fiber micronaire value，FMV）、整齊度（fiber uniformity，FU，%）和成熟度（fibre maturity，FM）。

1.3 數據處理

試驗數據利用Excel 收集整理，使用DPS 數據處理系統對數據進行描述性統計，使用SV26對數據進行相關性分析、降維主成分（principalcomponents，PC）提取和多元逐步回歸分析[2]。

2 結果與分析

2.1 棉花雜交種主要農藝性狀、產量和品質遺傳多樣性分析

由表2可知，陸地棉雜交種16個指標變異系數間存在明顯差別，表現為有效鈴數gt;鈴數gt;株高gt;有效果枝數gt;始節高gt;果枝數gt;籽棉產量gt;皮棉產量gt;單鈴重gt;始節數gt;比強度gt;馬克隆值gt;上半部平均長度gt; 衣分gt; 成熟度gt; 整齊度。其中，鈴數（36.91%）和株高（26.15%）變異系數較大；產量指標中有效鈴數（36.97%）和籽棉產量（14.38%）變異系數較大，單鈴重、皮棉產量和衣分變異系數相對較小，分別為13.93%、14.31% 和5.63%；反映纖維品質的5 個性狀中，上半部平均長度、比強度、馬克隆值、整齊度和成熟度均表現出較小程度的變異，其中比強度變異系數最大，為12.76%。整體來看，主要農藝性狀的遺傳多樣性優于產量性狀，纖維品質性狀遺傳多樣性相對穩定。

2.2 棉花雜交種各性狀間相關性分析

由表3可知，F1雜交種的有效鈴數與株高、始節高、果枝數、有效果枝數和鈴數都呈極顯著相關，相關系數分別為0.63、0.19、0.74、0.88和0.97；單鈴重與株高呈極顯著正相關，與果枝數、有效果枝數、鈴數和有效鈴數呈顯著正相關，相關系數分別為0.21、0.18、0.18、0.16、0.16；籽棉產量與單鈴重呈極顯著正相關（0.84），皮棉產量與單鈴重（0.75）和籽棉產量（0.92）呈極顯著正相關，衣分與單鈴重和籽棉產量呈極顯著負相關，相關系數分別為0.22和0.21。此外，始節數與有效鈴數、單鈴重、籽棉產量、皮棉產量和衣分這5個產量指標都呈負相關，表明棉花的始節數越多，棉花產量越低，因此可以通過干預棉花生長發育降低該項指標來提高棉花產量。

棉花纖維品質性狀中，上半部平均長度與株高（0.21）和果枝數（0.20）呈極顯著正相關，與始節高、有效果枝數、鈴數和有效鈴數呈顯著正相關，相關系數分別為0.15、0.17、0.19和0.17；纖維比強度僅與上半部平均長度呈極顯著正相關（0.75），馬克隆值與株高、果枝數、有效果枝數、鈴數、有效鈴數、上半部平均長度和比強度均呈極顯著負相關，相關系數分別為0.27、0.22、0.24、0.24、0.23、0.70和0.41；纖維整齊度與株高、鈴數、有效鈴數、單鈴重、上半部平均長度和比強度都呈極顯著正相關，相關系數分別為0.25、0.23、0.25、0.19、0.65和0.56，此外，纖維整齊度與馬克隆值呈極顯著負相關，相關系數為0.39；纖維成熟度與皮棉產量和衣分呈極顯著正相關，相關系數分別為0.20 和0.25，與株高、果枝數、有效果枝數、鈴數、有效鈴數、上半部平均長度和整齊度均呈極顯著負相關，負相關系數分別為0.26、0.23、0.27、0.27、0.28、0.41和0.23。由此可以看出，主要農藝性狀對棉花纖維品質中上半部平均長度和整齊度這2個指標具有正向選擇作用，與馬克隆值和纖維成熟度間具有反向牽制關系，綜合來看，反映纖維品質的5個指標間相互制約，并且5個品質性狀與5個產量性狀間存在錯綜復雜的相互作用關系。

2.3 棉花雜交種各性狀主成分分析

對16個性狀進行降維處理，根據特征值gt;1的原則提取出5個主成分（PC）。由表4可知，5個主成分的貢獻率分別為30.76.%、18.15%、15.41%、9.53%和7.11%，累積貢獻率達80.96%。第1主成分下有效果枝數和有效鈴數特征向量值最高，將其命名為成鈴因子，該主成分下馬克隆值和纖維成熟度為負向量值，說明鈴數較多的材料馬克隆值較低，纖維成熟度較差。第2主成分下單鈴重、皮棉產量和籽棉產量特征向量值較高，將其命名為產量因子，該主成分下上半部平均長度和比強度負向量值較高，說明產量因子對這2個纖維品質相關性狀具有抑制作用，皮棉產量和籽棉產量高的雜交種纖維上半部平均長度和比強度較低。第3主成分下上半部平均長度和比強度特征向量值較高，將其命名為品質因子，該主成分下有效果枝數、衣分和有效鈴數具有較大的負向量值，說明有效果枝數和有效鈴數少、衣分值低的材料可能有較好的纖維品質。第4主成分下始節高和始節數特征向量值最大，將其命名為生長因子，該主成分下果枝數、有效果枝數、鈴數和有效鈴數均表現為較大的負向量值，說明棉花早熟可能造成后期長勢不足進而影響棉花產量，因此要通過節水、間苗等手段干預棉花生育期。第5主成分下衣分為主要特征向量，將其命名為衣分因子，該主成分下始節數表現為較大的負向量值，說明始節數若減少，衣分可能隨之上升，并且在該主成分下5個纖維品質指標向量值均為正值，說明始節數越少的材料纖維品質越好。

由表5可知，第1主成分下因子（FAC1）綜合得分排名靠前的組合有187、159、79、139、94、160、171、162、175和20，這10個雜交種成鈴率較高，但馬克隆值和成熟度較低。第2主成分下因子（FAC2）綜合得分排名靠前的組合有25、187、186、178、119、180、120、172、116和80，這10個雜交種鈴重、皮棉產量和籽棉產量均較高，但纖維上半部平均長度和比強度較差。第3主成分下因子（FAC3）綜合得分排名靠前的組合有25、85、111、59、180、179、129、103、50和1，這10個雜交種纖維上半部平均長度和比強度表現突出，但皮棉產量和籽棉產量較低。第4主成分下因子（FAC4）綜合得分排名靠前的組合有174、150、95、139、153、107、60、127、69和152，這10個雜交種生長狀態良好但棉花產量較低。第5主成分下因子（FAC5）綜合得分排名靠前的組合有192、179、80、85、101、78、190、147和111，這10個雜交種衣分值較高，并且纖維品質綜合表現優異。因此，高產材料可以在第1、第2主成分下篩選，優質材料可以在第3、第5主成分下篩選，根據不同的主成分因子選擇不同材料來滿足育種需求。

2.4 棉花雜交種農藝性狀與產量和纖維品質多元逐步回歸分析

分別以產量性狀單鈴重、籽棉產量、皮棉產量和品質性狀上半部平均長度、比強度、馬克隆值、整齊度和成熟度為因變量，以7個主要農藝性狀為自變量構建多元逐步回歸方程，篩選8個擬合程度較高的方程作為最佳回歸模型，由表6可知，所有回歸模型均具有顯著統計學意義（Plt;0.05）。其中，果枝數作為產量性狀單鈴重和纖維品質性狀馬克隆值的自變量時的系數均為0，因此在研究農藝性狀與產量和纖維品質間的關系時可將該指標剔除。籽棉產量和皮棉產量與始節數和果枝數間的系數均為負值，因此在篩選高產雜交種時可將這2個指標作為反向篩選依據。纖維上半部平均長度與株高、始節高、始節數、果枝數和鈴數都有正相關關系，比強度與始節高、始節數、果枝數和鈴數有較強的正相關關系，馬克隆值與始節高、有效果枝數和有效鈴數存在正相關關系，纖維整齊度與株高、始節數和有效鈴數存在正相關關系，纖維成熟度僅與始節高和果枝數呈正相關。由此可見，農藝性狀與纖維品質間的關系更加錯綜復雜，可根據實際生產需求選擇具體品質指標代入回歸模型，快速準確地篩選出滿足條件的棉花材料。

3 討論

棉花作為全球重要的經濟作物和油料作物，其高產優質的育種目標一直是育種家追求的主題。產量與品質同為數量性狀，可以通過主要農藝性狀來評判棉花高產優質與否[15-18]，大大提高育種效率。本研究以15個陸地棉推廣品種為親本配置的192個雜交種為試驗材料，通過對16個指標的分析發現，主要農藝性狀在雜交種中變異程度高于產量和纖維品質的變異程度，說明這192 個雜交種農藝指標具有更豐富的遺傳多樣性，有利于開展特異種質資源的比較和利用。

相關性分析發現，16項指標間呈錯綜復雜的關系，主要農藝性狀和產量性狀間、農藝性狀和纖維品質間、產量性狀和纖維品質間、纖維品質相關指標間都存在或多或少的相關性。籽棉產量與單鈴重呈極顯著正相關，皮棉產量與單鈴重和籽棉產量呈極顯著正相關，棉花纖維品質性狀上半部平均長度與株高和果枝數呈極顯著正相關，纖維比強度僅與上半部平均長度呈極顯著正相關，馬克隆值與上半部平均長度和比強度呈極顯著負相關，纖維整齊度與馬克隆值呈極顯著負相關，這一結果與劉林杰等[16]研究結果部分類似，試驗結果產生的差異可能與參試品種特異性和環境作用有關。楊芳芳[19]對396份陸地棉種質資源調查結果表明，皮棉產量與斷裂比強度呈極顯著負相關，與上半部平均長度、伸長率呈顯著負相關；衣分與斷裂比強度呈顯著負相關。本試驗中，皮棉產量與上半部平均長度呈負相關但并不顯著，或與雜交取得的雜種優勢有關。以上結果說明，纖維品質性狀與產量性狀相比具有更復雜的相互作用機制，幾個相關指標相互制約，共同調節棉花纖維品質發育[20‐21]。

主成分分析發現，與產量因子相關的主成分下主要農藝指標表現較好，表明在農藝性狀方面表現優異的材料可能在產量方面同樣具有突出表現，然而與纖維品質因子相關的主成分下產量指標多表現為負相關，表明棉花產量與纖維品質之間存在相互制約關系，二者難以達成平衡[22]，產量構成因素單株結鈴數、衣分及鈴重的增加利于提高產量，但會降低纖維品質，再次證明了產量性狀與品質性狀之間存在相關關系。因此在育種工作中，忽視纖維品質一味地追求高產或摒棄棉花產量專注于提升纖維品質均不可取，應兼顧品種產量性狀和纖維品質性狀的同步改良[23]。選育既高產又優質的棉花新品種，必需充分考慮上述性狀間的復雜關系，僅依靠表型鑒定與選擇很難實現，需要依賴分子標記以及分子育種手段，尋找產量與品質性狀“雙贏QTL”，進而實現產量與品質性狀協同改良[24]。

通過多元逐步回歸分析篩選出8個利用主要農藝性狀對棉花產量和纖維品質高度擬合的回歸模型，其中始節數、果枝數和有效鈴數與產量性狀的系數均為負值，因此在篩選高產雜交組合時可將這3個指標作為反向篩選依據，5個纖維品質性狀間表現出較大的差異，可根據實際生產需要代入相關回歸模型進行特異選擇。

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