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100份陸地棉種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀遺傳多樣性分析

2025-03-20 00:00:00趙雙印董潔王浥州閆雪雪火順利
中國(guó)棉花 2025年2期
關(guān)鍵詞:資源

摘要:為鑒定和篩選優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源,分析了100份陸地棉種質(zhì)資源的11個(gè)主要農(nóng)藝性狀(包括株高、單株果枝數(shù)、單株結(jié)鈴數(shù)、鈴重、衣分,以及纖維上半部平均長(zhǎng)度、長(zhǎng)度整齊度指數(shù)、馬克隆值、斷裂比強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、反射率)的變異系數(shù)、遺傳多樣性指數(shù),并進(jìn)行了相關(guān)分析、聚類分析和主成分分析。結(jié)果顯示:11個(gè)性狀變異系數(shù)范圍為1.60%~26.65%,遺傳多樣性指數(shù)范圍為1.80~2.21。聚類分析將100份陸地棉種質(zhì)資源劃分為3個(gè)類群:第Ⅰ類群包含43份材料,主要特征為株高、單株結(jié)鈴數(shù)、鈴重、上半部平均長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率較低,馬克隆值分類為B2級(jí),衣分適中;第Ⅱ類群包含33份材料,主要特征為株高、單株結(jié)鈴數(shù)、鈴重、衣分和斷裂伸長(zhǎng)率較高,馬克隆值分類為B2級(jí),上半部平均長(zhǎng)度和斷裂比強(qiáng)度適中;第Ⅲ類群包含24份材料,主要特征為鈴重、上半部平均長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率較高,株高、單株結(jié)鈴數(shù)適中,馬克隆值分類為A級(jí),衣分較低。通過(guò)主成分分析篩選出了綜合評(píng)價(jià)排名前10的陸地棉種質(zhì)資源:中9901991、sGK958、碩豐棉1號(hào)、中078、邯6203、中AR683-77、XP7、冀棉669、冀豐1982、晉棉44號(hào)。研究結(jié)果可為提高陸地棉種質(zhì)資源利用率和新品種選育提供參考。

關(guān)鍵詞:陸地棉;種質(zhì)資源;資源評(píng)價(jià);農(nóng)藝性狀;遺傳多樣性;相關(guān)分析;聚類分析;主成分分析;資源利用

棉花是我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)作物,也是多種加工業(yè)的重要生產(chǎn)資料來(lái)源[1]。優(yōu)質(zhì)品種對(duì)增加作物產(chǎn)量、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)水平具有重要作用[2-3],豐富的種質(zhì)資源是選育優(yōu)質(zhì)作物品種的基礎(chǔ)[4]。權(quán)永剛等[5]對(duì)190份棉花材料遺傳多樣性進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)8個(gè)主要產(chǎn)量和纖維品質(zhì)性狀變異較為豐富,變異系數(shù)范圍為2.06%~25.62%,遺傳多樣性指數(shù)范圍為1.47~2.06。李武等[6]分析了黃河流域102份棉花種質(zhì)資源的9個(gè)農(nóng)藝性狀,結(jié)果表明,隨株高增加,產(chǎn)量、鈴重及衣分相應(yīng)提高。劉娜等[7]對(duì)319份陸地棉材料進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)陸地棉耐鹽表型性狀遺傳多樣性豐富。龔照龍等[8]對(duì)144份陸地棉種質(zhì)材料耐高溫性的研究表明,新疆棉花種質(zhì)多為中耐高溫及敏溫材料,高耐高溫種質(zhì)材料較少。隨著育種技術(shù)的不斷發(fā)展,我國(guó)棉花種質(zhì)在抗蟲(chóng)和抗逆性等方面得到普遍提高[9-12],但出現(xiàn)了部分品種纖維品質(zhì)下降的問(wèn)題[13],開(kāi)展陸地棉種質(zhì)資源評(píng)價(jià),挖掘優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源對(duì)地區(qū)科研和生產(chǎn)具有現(xiàn)實(shí)意義。本研究通過(guò)對(duì)100份陸地棉種質(zhì)資源的11個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)分析、聚類分析及主成分分析等,鑒定和篩選優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源,為提高陸地棉種質(zhì)資源利用率和新品種選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選取巴音郭楞蒙古自治州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院種質(zhì)資源庫(kù)中的100份陸地棉種質(zhì)資源作為供試材料(表1)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2023年在新疆巴音郭楞蒙古自治州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院綜合試驗(yàn)站進(jìn)行田間試驗(yàn)。試驗(yàn)地海拔937 m,年均積溫4 200 ℃,年降水量56.3 mm,年均日照時(shí)間2 120 h,無(wú)霜期210 d,屬溫帶大陸性氣候區(qū)。試驗(yàn)地土壤類型為壤土,耕層厚度為30 cm,土壤含有機(jī)質(zhì)20.4 g·kg-1、堿解氮84.2 mg·kg-1、有效磷49.7 mg·kg-1、速效鉀183 mg·kg-1,pH=8.43。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列,設(shè)4行區(qū),3次重復(fù)。4月25日播種,株行距配置為0.15 m、0.60 m,采用人工點(diǎn)播,小區(qū)行長(zhǎng)5 m,每行定植33株,田間管理同大田生產(chǎn)。

1.3 田間調(diào)查與品質(zhì)檢測(cè)

收獲期調(diào)查:以小區(qū)為單位,選取中間2行長(zhǎng)勢(shì)均勻植株,連續(xù)調(diào)查10株棉花株高、單株果枝數(shù)、單株結(jié)鈴數(shù);每小區(qū)選取30個(gè)正常吐絮棉鈴進(jìn)行室內(nèi)考種,測(cè)定鈴重和衣分。

各樣本取30 g棉樣送農(nóng)業(yè)農(nóng)村部棉花品質(zhì)檢驗(yàn)測(cè)試中心檢測(cè)上半部平均長(zhǎng)度、長(zhǎng)度整齊度指數(shù)、馬克隆值、斷裂比強(qiáng)度、斷裂伸長(zhǎng)率、反射率6項(xiàng)纖維品質(zhì)指標(biāo)(HVI校準(zhǔn)棉花標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn))。

1.4 遺傳多樣性指數(shù)計(jì)算

通過(guò)隸屬函數(shù)將各測(cè)定性狀數(shù)值映射到實(shí)數(shù)區(qū)間[0,1]得到對(duì)應(yīng)隸屬函數(shù)值,R(Xi)= (Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)。式中,R(Xi)為各陸地棉種質(zhì)資源中第i個(gè)性狀的隸屬函數(shù)值,Xi為各供試陸地棉種質(zhì)資源中第i個(gè)性狀的測(cè)定值,Xmin為此性狀最小測(cè)定值,Xmax為此性狀最大測(cè)定值。

以0.1為間隔將各陸地棉種質(zhì)資源性狀隸屬函數(shù)值劃分為10個(gè)級(jí)別,統(tǒng)計(jì)各級(jí)別內(nèi)材料份數(shù),計(jì)算各級(jí)別內(nèi)材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比。采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(Shannon-Wiener diversity index, H′)計(jì)算各性狀遺傳多樣性指數(shù)。計(jì)算公式為H′=-Σpilnpi(i=1,2,3,…,n)。式中,pi表示某性狀第i級(jí)別內(nèi)材料份數(shù)占總材料份數(shù)的百分比。

1.5 主成分分析

對(duì)100份種質(zhì)資源的11個(gè)性狀進(jìn)行主成分分析,獲得各主成分的因子系數(shù)(λnm)、特征值(Rn)及貢獻(xiàn)率(Vn),將各種質(zhì)性狀的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)(Zym)與相應(yīng)主成分因子系數(shù)相乘后累加獲得各主成分得分(Fn)。Fn =λn1Zy1+λn2Zy2+…+λnmZym(n=1,2,

3,…,11;m=1,2,3,…,11;y=1,2,3,…,100)。式中,F(xiàn)n為第y份種質(zhì)資源第n個(gè)主成分得分,λnm為第n個(gè)主成分中第m個(gè)性狀因子系數(shù),Zym為第y份種質(zhì)資源第m個(gè)性狀標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)。

各Fn與相應(yīng)主成分因子貢獻(xiàn)率權(quán)重(Vn)乘積之和記為每份種質(zhì)的綜合得分(F綜合),即F綜合=V1F1+V2F2+…+VnFn

1.6 聚類分析

采用Origin 2022進(jìn)行Ward分層聚類,使用歐氏距離來(lái)度量每對(duì)簇之間的相似度。

1.7 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2021計(jì)算變異系數(shù)及H′,使用隸屬函數(shù)值對(duì)表型數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,采用IBM SPSS Statistics 29.0的皮爾遜相關(guān)系數(shù)法進(jìn)行相關(guān)分析,采用Origin 2022進(jìn)行主成分分析和Ward分層聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 陸地棉種質(zhì)資源遺傳多樣性分析

對(duì)100份陸地棉種質(zhì)資源11個(gè)性狀的描述性統(tǒng)計(jì)分析與多樣性分析結(jié)果(表2)顯示,各性狀變異系數(shù)范圍為1.60%~26.65%。單株結(jié)鈴數(shù)變異系數(shù)最大(26.65%),最小值較最大值的變化幅度為64.81%;長(zhǎng)度整齊度指數(shù)變異系數(shù)最小(1.60%),最小值較最大值的變化幅度為8.08%;單株結(jié)鈴數(shù)、單株果枝數(shù)、株高和馬克隆值變異系數(shù)大于10%,說(shuō)明供試材料的這4個(gè)性狀表型變異豐富[14-15]。11個(gè)性狀的遺傳多樣性指數(shù)(H′)范圍為1.80~2.21,表現(xiàn)為單株結(jié)鈴數(shù)>株高>鈴重>單株果枝數(shù)=衣分>馬克隆值=反射率>長(zhǎng)度整齊度指數(shù)>上半部平均長(zhǎng)度=斷裂伸長(zhǎng)率>斷裂比強(qiáng)度。

2.2 陸地棉種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀相關(guān)分析

100份陸地棉種質(zhì)資源相關(guān)分析結(jié)果(表3)表明,株高與單株結(jié)鈴數(shù)、鈴重、長(zhǎng)度整齊度指數(shù)及斷裂伸長(zhǎng)率呈極顯著(P<0.01,下同)正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.483、0.316、0.268和0.299;單株結(jié)鈴數(shù)與鈴重和馬克隆值呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.258和0.301;鈴重與上半部平均長(zhǎng)度和斷裂伸長(zhǎng)率呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.323和0.428;衣分與長(zhǎng)度整齊度指數(shù)和馬克隆值呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.259和0.531;上半部平均長(zhǎng)度與斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率呈極顯著正相關(guān),與馬克隆值呈極顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.629和0.496,與-0.402;長(zhǎng)度整齊度指數(shù)與斷裂伸長(zhǎng)率呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.491;馬克隆值與斷裂比強(qiáng)度呈極顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.539;斷裂比強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.405;單株果枝數(shù)和反射率與調(diào)查的其他性狀的相關(guān)性均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。

2.3 陸地棉種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀聚類分析

對(duì)100份陸地棉種質(zhì)資源11個(gè)主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行聚類分析,在歐氏距離為5時(shí),可將供試材料分為3個(gè)類群(圖1)。第Ⅰ類群包含43份材料,群體特征表現(xiàn)為株高(平均為56.40 cm)、單株結(jié)鈴數(shù)(平均為5.91)、鈴重(平均為5.04 g)、上半部平均長(zhǎng)度(平均為28.61 mm)、斷裂比強(qiáng)度(平均為29.99 cN·tex-1)和斷裂伸長(zhǎng)率(平均為6.64%)較低,馬克隆值(平均為4.71)分類為B2級(jí),衣分(平均為43.40%)適中;第Ⅱ類群包含33份材料,群體特征表現(xiàn)為株高(平均為65.83 cm)、單株結(jié)鈴數(shù)(平均為8.71)、鈴重(平均為5.57 g)、衣分(平均為44.37%)和斷裂伸長(zhǎng)率(平均為6.80%)較高,馬克隆值(平均為4.88)分類為B2級(jí),上半部平均長(zhǎng)度(平均為29.46 mm)和斷裂比強(qiáng)度(平均為30.37 cN·tex-1)適中;第Ⅲ類群包含24份材料,群體特征表現(xiàn)為鈴重(平均為5.60 g)、上半部平均長(zhǎng)度(平均為31.30 mm)、斷裂比強(qiáng)度(平均為34.34 cN·tex-1)和斷裂伸長(zhǎng)率(平均為6.84%)較高,株高(平均為61.41 cm)、單株結(jié)鈴數(shù)(平均為6.65)適中,馬克隆值(平均為4.10)分類為A級(jí),衣分較低(平均為40.72%)。對(duì)3個(gè)類群的性狀平均值進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),類群間株高、單株結(jié)鈴數(shù)、鈴重、衣分、上半部平均長(zhǎng)度、馬克隆值、斷裂比強(qiáng)度、長(zhǎng)度整齊度指數(shù)和斷裂伸長(zhǎng)率的差異達(dá)極顯著水平,反射率的差異達(dá)顯著水平,單株果枝數(shù)的差異不顯著(表4)。

2.4 陸地棉種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀主成分分析

對(duì)11個(gè)性狀進(jìn)行主成分分析,前5個(gè)主成分對(duì)11個(gè)性狀的累積貢獻(xiàn)率為75.38%(表5)。第1主成分特征值為2.805,貢獻(xiàn)率為25.50%,最大特征向量為斷裂伸長(zhǎng)率(0.467)。第2主成分特征值為2.336,貢獻(xiàn)率為21.24%,最大特征向量為馬克隆值(0.552)。第3主成分特征值為1.297,貢獻(xiàn)率為11.79%,最大特征向量為單株果枝數(shù)(0.634)。第4主成分特征值為0.964,貢獻(xiàn)率為8.76%,最大特征向量為反射率(0.940)。第5主成分特征值為0.890,貢獻(xiàn)率為8.09%,最大特征向量為長(zhǎng)度整齊度指數(shù)(0.651)。計(jì)算得到的所有種質(zhì)資源綜合得分F值的范圍在-1.51~1.20,綜合得分前10的種質(zhì)資源分別為中9901991、sGK958、碩豐棉1號(hào)、中078、邯6203、中AR683-77、XP7、冀棉669、冀豐1982、晉棉44號(hào)(表6)。

3 討論與結(jié)論

3.1 陸地棉遺傳性狀變異性

遺傳多樣性分析是作物種質(zhì)資源評(píng)價(jià)的重要方面,系統(tǒng)研究作物種質(zhì)資源的遺傳多樣性對(duì)作物遺傳育種具有十分重要的意義[5]。本研究對(duì)100份陸地棉的11個(gè)性狀研究發(fā)現(xiàn),單株結(jié)鈴數(shù)、單株果枝數(shù)、株高和馬克隆值變異系數(shù)大于10%,其中單株結(jié)鈴數(shù)變異系數(shù)最大(26.65%),長(zhǎng)度整齊度指數(shù)最小(1.60%),這與李雪瑞等[16]對(duì)60份中亞地區(qū)引進(jìn)的棉花種質(zhì)資源性狀分析所得的變異情況一致。本研究中測(cè)定的11個(gè)性狀中有10個(gè)性狀的遺傳多樣性指數(shù)大于2.00,說(shuō)明供試材料整體遺傳多樣性較為豐富。

3.2 陸地棉種質(zhì)資源相關(guān)分析和聚類分析

相關(guān)分析表明,11個(gè)測(cè)定性狀間具有較為緊密的相關(guān)性,株高與單株結(jié)鈴數(shù)、鈴重、長(zhǎng)度整齊度指數(shù)及斷裂伸長(zhǎng)率,單株結(jié)鈴數(shù)與鈴重和馬克隆值,鈴重與上半部平均長(zhǎng)度和斷裂伸長(zhǎng)率,衣分與長(zhǎng)度整齊度指數(shù)和馬克隆值,上半部平均長(zhǎng)度與斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率,長(zhǎng)度整齊度指數(shù)與斷裂伸長(zhǎng)率,斷裂比強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系,以上結(jié)果與董承光等[17]、李慧琴等[18]部分研究結(jié)果一致;馬克隆值與上半部平均長(zhǎng)度和斷裂比強(qiáng)度呈極顯著負(fù)相關(guān),此結(jié)果與李興河等[19]對(duì)原山東棉花研究中心資源庫(kù)中80份棉花種質(zhì)資源的研究結(jié)果一致。

聚類分析常用于研究種質(zhì)資源的親緣關(guān)系[20-21]。本研究基于陸地棉11個(gè)主要農(nóng)藝性狀的表型進(jìn)行聚類分析,將100份資源劃分為3個(gè)類群,第Ⅰ類群包含43份材料,主要特征為株高、單株結(jié)鈴數(shù)、鈴重、上半部平均長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率較低,馬克隆值分類為B2級(jí),衣分適中;第Ⅱ類群包含33份材料,主要特征為株高、單株結(jié)鈴數(shù)、鈴重、衣分和斷裂伸長(zhǎng)率較高,馬克隆值分類為B2級(jí),上半部平均長(zhǎng)度和斷裂比強(qiáng)度適中,可用作高產(chǎn)親本材料;第Ⅲ類群包含24份材料,主要特征為鈴重、上半部平均長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度和斷裂伸長(zhǎng)率較高,株高、單株結(jié)鈴數(shù)適中,馬克隆值分類為A級(jí),衣分較低,可用作高纖維品質(zhì)親本材料。

3.3 陸地棉種質(zhì)資源主成分分析和綜合評(píng)價(jià)

基于主成分分析對(duì)原始株型性狀加權(quán)所構(gòu)建的模型具有較高的精確性[22],被廣泛用于種質(zhì)資源遺傳多樣性評(píng)價(jià)[23-24]。本研究采用主成分分析對(duì)11個(gè)性狀進(jìn)行數(shù)據(jù)降維和特征提取,其中前5個(gè)主成分對(duì)原有性狀累積貢獻(xiàn)率為75.38%,其中第1主成分的主要變量為斷裂伸長(zhǎng)率,第2主成分的主要變量為馬克隆值,第3主成分的主要變量為單株果枝數(shù),第4主成分的主要變量為反射率,第5主成分的主要變量為長(zhǎng)度整齊度指數(shù)。根據(jù)不同主成分中的權(quán)重系數(shù)計(jì)算不同品種綜合得分F,綜合評(píng)價(jià)篩選出排名前10的種質(zhì)為:中9901991、sGK958、碩豐棉1號(hào)、中078、邯6203、中AR683-77、XP7、冀棉669、冀豐1982、晉棉44號(hào)。其中,sGK958株高較高、單株果枝數(shù)較多可作為陸地棉形態(tài)改良材料,中9901991、sGK958、中078、中AR683-77、冀豐1982和晉棉44號(hào)纖維長(zhǎng)度≥29 mm,斷裂比強(qiáng)度≥29 cN·tex-1,馬克隆值A(chǔ)級(jí)或B2級(jí),長(zhǎng)度整齊度指數(shù)≥82%,符合《新疆棉花目標(biāo)價(jià)格補(bǔ)貼與質(zhì)量掛鉤政策實(shí)施方案(2024―2025年)》[25]質(zhì)量補(bǔ)貼標(biāo)準(zhǔn),可作為大田生產(chǎn)參考品種。

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(責(zé)任編輯:付毓 責(zé)任校對(duì):秦凡)

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