生态环境对陆地棉品种主要产量和质量性状的影响及其稳定性分析

孔德培 拜克热?斯迪克 王艳 龚举武

摘要 为了研究陆地棉品种主要性状在新疆不同生态区域的变异和产量的稳定性，选用10个陆地棉品种分别在5个试验点进行种植，分析了不同生态环境下陆地棉主要性状的变异规律，并利用GGE双图标分析了籽棉和皮棉产量的稳定性。结果表明，不同环境下各陆地棉品种的质量和产量性状变幅很大，不同环境下各性状表现有差异，变异系数最小的是纤维的整齐度指数，其次是衣分和纤维的上半部平均长度;棉花品质性状的上半部平均长度、断裂比强度和马克隆值表现为环境效应大于基因型效应和G×E互作效应;其他性状均表现为基因型效应大于环境效应和G×E互作效应;籽棉产量和纤维的断裂比强度G×E互作效应最大，籽棉产量和皮棉产量分别运用GGE-biplot可以有效地解释G和GE互作的86.54%和84.87%的变异;中棉XP5和中棉XP4是高产类型品种;中MB13017是优质品种;棉花品质性状主要受环境的影响，而基因型則决定棉花产量，单铃重、衣分和马克隆值受G×E互作共同影响，衣分、纤维的整齐度指数和上半部平均长度受基因的遗传特性所控制，可以通过优化栽培条件显著提高纤维整齐度和长度以及衣分，从而夺取棉花优质高产。

关键词 陆地棉;基因型;G×E互作;GGE双图标

中图分类号 S562文献标识码 A

文章编号 0517-6611（2020）24-0022-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.24.007

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Effects of Ecological Conditions on Major Yield and Quality Characters of Upland Cotton and Their Stability Analysis

KONG Depei1，Baikere·sidike2，WANG Yan3 et al（1.State Key Laboratory of Cotton Biology，Institute of Cotton Research of Chinese Academy of Agricultural Sciences，Anyang，Henan 455000;2.Center of Seed Industry，Department of Agriculture and Rural Affairs of Xinjiang，Urumqi，Xinjiang 830000;3.Xinjiang China Cotton Seed Industry Co.，Ltd.，Akesu ，Xinjiang 843000）

Abstract In order to study the variations of major quality traits and yield stability of upland cotton varieties in different ecological conditions of Xinjiang，10 upland cotton varieties were planted in 5 experimental sites.The variations of major characters of upland cotton under different ecological environments were analyzed，and the stability of seed cotton yield and lint yield was analyzed by using GGEbiplot.The results showed that the traits showed wide variation ranges in different environments，and different traits performed differently in different environments.Fiber uniformity had the smallest coefficient of variations，followed by lint percentage and fiber length.Fiber length，fiber strength and fiber micronaire showed greater environmental effects than genotype effects and G × E interaction effects.All other traits showed greater genotype effect than environment effect and G × E interaction effect.Seed cotton yield and fiber strength had the largest G × E interaction effect，GGE biplot could effectively explain 86.54% and 84.87% variation of G and GE interaction in seed yield and lint yield，respectively.Zhongmian XP5 and Zhongmian XP4 were highyield varieties;Zhong MB 13017 was highquality variety.Results showed that cotton quality traits were mainly affected by environment，while genotype was the determinant of cotton yield.Single boll weight，lint percentage and micronaire were affected by the interaction of G × E.fiber uniformity，lint percentage and fiber length were controlled by genetic factors.It is demonstrated that fiber uniformity and length and lint percentage could be significantly improved by optimizing cultivation conditions，and thus obtained high quality and yield of cotton.

Key words Upland cotton;Genotype;Genotype×environment interactions;GGEbiplot

棉花是世界上重要的经济作物，在中国和世界经济发展中占据重要地位[1]，它不仅是重要的纤维作物，也是我国重要的经济和油料作物之一[2]，在国民经济中的地位举足轻重[3]。2019年全国棉花总产量588.9万t，其中新疆棉花产量500.2万t，因此新疆棉花产量占全国的84.9%[4-5]。

棉花的产量及纤维品质性状是复杂的数量性状，易受基因型和环境共同影响，了解棉花产量和纤维品质性状的遗传特性对棉花育种具有极其重要的指导意义，因此同时改良陆地棉产量和提高纤维品质成为育种工作者集中关注的问题。近年来，我國粮棉生产争地矛盾突出，棉花面积萎缩，生产成本较高，棉花育种的主要任务是选育在一定条件下栽培产量高、品质优良的新品种。李成奇等[6]研究表明，陆地棉产量及其构成因素都有较高的遗传主效应方差，受加性效应和显性效应共同控制。杨昶等[7]研究了纤维品质和产量等农艺性状。叶祯维等[8]研究结果表明，杂种F1纤维品质表现突出，在分离群体中，各性状均存在大量的超亲变异，衣分与纤维长度及强度呈极显著负相关，与马克隆值呈极显著正相关，说明棉花产量与品质间的同步改良仍有困难。刘艳改[9]研究表明，性状的表现均受随机误差影响，但主要由遗传主效应及其与环境互作效应控制，产量及其构成性状的显性方差占表型方差的比例为20.9%～59.2%;纤维品质性状主要由遗传主效应控制，同时受环境影响较大;其中衣分、子指、衣指、果枝数、纤维上半部平均长度、马克隆值、伸长率和比强度的狭义遗传率为10.7%～45.7%。

易先辉[10]指出，利用AMMI模型的分析结果能更有效地解释基因与环境间的互作，从而提高综合评价参试品种稳定性的能力。何叔军等[11]研究表明，各品种（系）皮棉产量的基因型、环境、G×E效应均达极显著水平。李武等[12]研究表明，中716和鲁棉2153属高产、稳产性好的品系;中804具有特殊适应性，在局部地区有推广价值。王士杰等[13]研究表明，05-1441和97G1是区分能力和代表性最好的亲本。胡国祥等[14]研究表明，马克隆值、伸长率是受环境影响最大的因素，品种间差异大，改良研究与推广应用时应注意G×E效应。许乃银等[15]分析了区域试验材料，结果表明长江流域棉区大致可划分为4个基于纤维比强度选择的品种生态区;在纤维品质的综合表现上，北疆棉区、长江下游、长江上游和南疆棉区的纤维品质综合表现最好，淮北平原、长江中游和南襄盆地次之，而华北平原和黄土高原稍差[16-24]。金石桥等[25]研究表明，长江流域棉区大致可划分为基于纤维上半部平均长度选择的3个品种生态区。唐淑荣等[26-27]研究表明，纺纱均匀性指数与纤维上半部平均长度、比强度和整齐度指数呈极显著或显著正相关;西北内陆棉区早熟组纤维品质性状可划分为3个生态区，西北内陆棉区早中熟组品质性状由优质到普通亦可划分为3个生态区，生态试点的表现可划分为3个特征明显的纤维品质生态区。在此基础上，笔者选取了10个不同陆地棉品种为试验材料，在新疆的石河子、温宿、45团、阿拉尔和125团5个环境进行种植，研究不同环境下陆地棉品种主要产量与品质性状的变异规律，以便为筛选出某一优质高产积累的特定栽培区种植区提供理论依据，从而实现优质高产棉花品种区域化生产，进一步为不同生态环境条件下互相引种和推广提供科学依据，对加快我国优质棉的发展具有重要意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验所用10个优质棉品种种子均由中国农业科学院棉花研究所和中棉种业有限公司提供，包括新陆中42、中MB13017、中MB1502、中棉15257、中棉529、中棉XP4、中棉XP5、中棉ZS11、中优163和中优1702。

1.2 试验方法

试验于2018年4月上中旬分别在新疆的石河子、温宿、45团、阿拉尔和125团5个环境进行种植，采用统一的种植技术。每个品种按照随机区组设计进行种植，每个试验点重复3次，设置1个当地品种为对照（新陆早61），每个小区面积在22 m2。8月中下旬调查棉花黄萎病发病，计算病指;2018年10月上旬收取中部花，混收50个棉铃，室内称取籽棉质量（g）、皮棉质量（g），用于分析产量及纤维品质测定产量性状，包括铃重和衣分。纤维品质统一送农业农村部棉花品质检验检测中心采用HFT90000仪器测定（HVICC校准），包括上半部平均长度、比强度、马克隆值、伸长率、整齐度指数等。10月中下旬分别收取每个品种的籽棉重量并记录。

1.3 数据处理 采用Excel 2007和R软件包GGEBiplot GUI中的GGE模型双图标分析不同品种的基因型与环境互作效应。

2 结果与分析

2.1 不同环境下各陆地棉品种主要性状的比较 由表1可知，不同环境下各陆地棉品种主要性状的变幅很广，最大值和最小值均呈倍数关系。棉花主要性状在基因型间存在极显著差异。4个不同环境中，黄萎相对病情指数在基因型间的变异系数最大，均超过35.00%，最大变异系数为49.43%，出现在温宿试验点;而纤维的整齐度指数的变异系数最小，都不足2.00%，最小变异系数为0.89%，也出现在温宿试验点。其中，纤维品质性状的上半部平均长度、断裂比强度和马克隆值均在125团环境，棉花抗病性状黄萎病相对病情指数、产量性状的衣分、籽棉和皮棉产量均在温宿环境，产量性状的单铃重和纤维性状的纤维整齐度指数在阿拉尔环境，表明在不同环境下各性状有差异。

从表2可以看出，中棉XP5和中棉XP4的籽棉和皮棉产量最高，纤维的上半部平均长度大于30.0 mm，断裂比强度大于28.0 cN/tex，马克隆值在II级，是高产类型品种;中MB13017品种的纤维品质最好，上半部平均长度达34 mm，断裂比强度大于36.2 cN/tex，马克隆值为I级， 产量为中等水平，可以用做优质专用棉。

2.2 不同环境下各陆地棉品种主要产量和品质性状的方差分析

由表3可知，5个环境的棉花品种的基因型、环境以及基因型与环境互作均在0.01水平达到显著差异。从F值大小可以得出，棉花品质性状的上半部平均长度、断裂比强度和马克隆值表现为环境效应大于基因型效应和基因型×环境

互作效应;其他性状均表现为基因型效应大于环境效应和基因型×环境互作效应;籽棉产量和纤维的断裂比强度受基因型×环境互作效应最大，说明棉花品质性状主要受环境的影响，而基因型则决定棉花产量，其次是单铃重、衣分和马克隆值受基因型×环境互作共同影响。

2.3 各陆地棉品种适宜种植区域的划分

采用品种与环境的互作来说明各环境产量最高的品种（图1）。通过中心对5条边做5条垂线，将双标图分为5个扇区，品种在5个扇区均有分布，籽棉和皮棉产量环境均分为3个扇区，45团、阿拉尔和石河子为1组，温宿和125团各为1组。分析得出，中棉XP5的籽棉和皮棉产量在45团、阿拉尔和石河子环境下产量最高。

2.4 各陆地棉品种的产量稳定性分析品种与环境互作的GGE 模型分析得出，以环境的第一主成分为X 轴，以第二主成分为Y 轴，品种点和平均环境轴做1条垂线，绘制出品种适应性曲线图（图2）。籽棉产量和皮棉产量分别运用GGE-biplot可以有效地解释G和GE互作的86.54%和84.87%的变异。环境平均轴所指的方向是品种在所有环境下的近似平均产量的走向，可以看出中棉XP5的籽棉和皮棉产量最高，其次是中优1702，中优163接近试验品种的平均值。

通过中心（原点）与平均轴垂直的线代表各品种与各环境相互作用的倾向性，品种与平均环境轴之间的垂线越长，表示品种越不稳定。由此可知，中棉15257籽棉产量和新陆中42（线段最长）的皮棉产量最不稳定，而较稳产的是中MB1502、中优163、中棉XP4和中MB13017，他们与平均环境轴的垂线较短。综合品种产量和稳定的指标可以看出，中棉XP4、中棉XP5是较高产、稳产的品种;而中棉15257虽然高产，但是不稳产;中MB1502虽然稳产，但是产量不很高。

3 结论与讨论

2019年新疆棉花产量继续保持全国最高，虽较2018年下降2.1%，但占全国总产量比重同比增加1.1百分点，达84.9%[4-5]。新疆棉区是我国优质棉的优势产区，棉花的单产潜力很大，品质优势显著，棉花是该区农民收入的重要来源。

棉花产量与纤维品质受遗传和环境因素双重影响，同时受环境与基因互作效应影响，是生物学特性和自然规律的互作，对选育能抵抗不良环境的广泛适应性或特殊适应性品种具有重要意义[28]。不同生态环境条件下，黄萎病的相对病情指数的变异系数最大，均超过35.00%，最大变异系数为49.43%，平均变异系数为42.04%，纤维的整齐度指数的变异系数最小，都不足2.00%，最小变异系数为0.89%，平均为1.18%。各性状的变异系数从大到小依次为黄萎病相对病情指数>皮棉产量>籽棉产量>马克隆值>單铃重>断裂比强度>纤维上半部平均长度>衣分>整齐度指数，表明纤维的整齐度指数、衣分和纤维上半部平均长度被基因的遗传特性所控制，而受不同生态环境条件及栽培条件的影响较小，人为促变的难度较大。通过优化栽培条件，各生态点可显著提高纤维整齐度和长度以及衣分，达到棉花优质高产，这与陈荣江等[29]研究结果衣分与铃重为品种固有的遗传特性所控制基本一致。此外，得出中棉XP5和中棉XP4是高产类型品种;而中MB13017为优质品种。

目前，研究人员多侧重于对陆地棉区域试验的产量与品质性状的基因型与环境互作效应和生态区划分[14-27]，而对新疆维吾尔自治区陆地棉品种产量和品质性状的研究较少。随着我国棉花产业的战略布局的推进，新疆棉花产量占全国的84.9%[4-5]，2019年通过对喀什地区主推品种调研发现，喀什地区主推棉花品种衣分多在45.0%以上，纤维长度平均为28.5 mm，断裂比强度为26.2 cN/tex，难以满足现代纺纱工业的需求。该研究发现，棉花品质性状的上半部平均长度、断裂比强度和马克隆值表现为环境效应大于基因型效应和基因型×环境互作效应;其他性状均表现为基因型效应大于环境效应和基因型×环境互作效应;籽棉产量和纤维的断裂比强度基因型×环境互作效应最大，这表明棉花品质性状主要受环境的影响，而基因型则决定棉花产量，单铃重、衣分和马克隆值受基因型×环境互作共同影响。因此，陆地棉纤维品质性状受气候条件和管理水平的影响较大，这对优质高产棉花品种的区域化生产及优质高产的棉花品种选育有一定的指导意义。

目前，我国农业面临着人口不断增加和耕地资源不断减少的双重压力，随着生物技术的发展，通过现代育种技术大幅度提高棉花单产成为缓解以上压力的重要手段。提高棉花纤维产量和品质以满足棉花生产者和纺织业的要求是棉花育种工作者面临的一个长期挑战。高产优质稳产是品种推广和选育的首要目标。品种的稳定性评价一直采用 Eberhart 和 Russell 的回归系数法[30]，此外也有其他多种估算方法，但各具不同的评估侧重点[31]。用高稳系数法[32]分析了国家抗虫棉联试的11个参试品种（系）的高产稳产性，结果表明采用高稳系数分析棉花新品种（系）高产稳产比较准确简便。任爱民等[33]评价了邯6203的高产稳产性，同时验证了高稳系数法可以兼顾参试品种的高产性和稳产性，是进行棉花品种高产稳产性评价的一种较准确、简便和实用的方法。科学评价品种的高产稳产和适应性有助于提高新品种的选育和应用效率[34]。GGE双图标模型在区域试验广泛应用，它能综合考虑主效应和互作效应，其图形能直观简洁地表达分析结果。该研究利用GGE双图标分析了棉花品种在新疆的适宜种植区域划分，并开展了不同品种的产量稳定性分析，结果表明籽棉和皮棉产量环境均分为3个扇区，45团、阿拉尔和石河子为1组，温宿和125团各为1组，中棉XP5的籽棉和皮棉产量在45团、阿拉尔和石河子环境下产量最高;籽棉产量和皮棉产量分别运用GGE-biplot可以有效地解释G和GE互作的86.54%和84.87%的变异。综合品种产量和稳定的指标，可以得出中棉XP4、中棉XP5是较高产、稳产的品种。

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