长江流域油后棉主要农艺性状的鉴定与优异种质筛选

邓艳凤，肖水平，杨绍群，刘新稳，柯兴盛，王涛，杨秀

（江西省棉花研究所/国家棉花产业技术体系鄱阳湖综合试验站，江西 九江332105）

棉花是世界上重要的经济作物，中国是种植棉花的大国，而长江流域因其土地肥沃，水资源充足，气候适宜，能满足棉花生长需求，尤其适合油棉套种的一年两熟种植方式，是我国主要棉花种植区之一。但近年来，由于棉花生产成本持续上涨，特别是长江流域棉区长期受当地气候的影响，导致棉花种植管理复杂，生产程序繁多，棉花生产人工成本较高，且随着纺织业的发展，棉纺企业对棉纤维品质的要求越来越高，使棉农种植棉花的积极性和信心大减，对棉花生产冲击很大［1］。为稳定长江流域棉花生产，育种家必须选育出早熟、高产、优质、多抗并适合机采的油后棉新品种，以应对目前棉花种植业日渐衰退的态势［2］。然而，目前棉花育种亲本材料遗传基础狭窄，育种过程中缺乏综合性的统计分析，受主观因素影响较大，导致棉花的选育工作很难取得突破性进展。为提高亲本的选择效率，育种工作者有必要加强对棉花种质资源的收集、鉴定、评价和筛选工作。

根据我国对种质资源的鉴定和评价方法，农艺性状通常是考察棉花种质资源优劣简单而有效的重要指标，分析方法一般有变异性分析［3］、相关性分析［4-6］、主成分分析［7-8］和聚类分析［9-13］等，育种家根据分析鉴定结果筛选出高产、优质、多抗的种质，作为杂交亲本，并利用新的育种技术［14-16］对棉花进行改良，从而培育出符合当前生产需要的新品种。齐海坤等［17］通过对机采棉杂交后代主要农艺性状进行相关性分析发现：棉花单株果枝数与单位面积产量呈极显著正相关，与品质性状呈负相关，棉铃质量和品质性状呈负相关，而衣分与品质性状呈正相关。梁欢欢［18］依据产量和品质性状对200份国内外陆地棉引进材料进行聚类分析发现，这些材料的产量和品质性状遗传基础较为狭窄，认为扩大高产优质种质资源库是今后育种工作中最关键的一步。李飞等［9］对172份陆地棉材料的19个主要农艺性状进行主成分分析发现，19 个性状可以简化为5 个主成分，累计贡献率达80.25%，涵盖了农艺性状的绝大部分信息，用于分析比较可靠。

本实验利用引进的72 份陆地棉材料在长江流域棉区进行种植，通过观察棉花的生育期和农艺性状及测定棉花的纤维品质，应用统计软件SAS V8等进行变异性、相关性、主成分和聚类分析，鉴定并筛选出早熟、高产、优质的棉花种质材料，为培育出适合长江流域种植的油后棉品种提供优质种质资源。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验材料为引进的72 份早熟、丰产、优质陆地棉，如表1所示。

1.2 试验方法

试验于2017 年5 月至2018 年11 月进行，试验材料种植于江西省棉花研究所试验基地。试验田为多年未耕的板地，地面平整，肥力均匀一致，前茬为油菜。采用随机区组试验设计，设3 次重复。在棉花生长时期，调查棉花从出苗到吐絮所需天数；棉花收获前，每小区连续摘取具有代表性的10株棉花，调查其株高、单株果枝数和单株结铃数，并收取中部内围完全开裂的铃花100 朵，晾干后测定单铃质量、衣分等指标；取纤维棉样寄送农业农村部棉花品质监督检验测试中心进行纤维品质检测。

1.3 数据统计分析

利用Excel 2013 对试验数据进行整理，利用SAS V8对材料间的性状进行遗传变异性、相关性及主成分分析，利用R3.4.1语言软件进行聚类分析。

表1 供试材料Table 1 Tested materials

2 结果与分析

2.1 主要性状的遗传多样性分析

对供试的72 份材料主要农艺性状的调查数据（附表1，http://www.zjujournals.com/agr/CN/10.3785/j.issn.1008-9209.2019.11.291）进行汇总整理，利用SAS V8对原始数据进行变异性分析，结果（表2）表明：各陆地棉材料间差异较大，各农艺性状变异系数在1.15%～30.31%之间，变化幅度较大，其中变异系数最大的是单株成铃数（30.31%），最小的是断裂伸长率（1.15%），其他性状变异系数从大到小依次为单株果枝数（12.63%）＞铃质量（10.35%）＞断裂比强度（9.16%）＞生育期（8.51%）＞衣分（8.49%）＞株高（7.85%）＞马克隆值（7.29%）＞上半部平均长度（5.96%）＞长度整齐度指数（1.37%）。变异系数超过10%意味着该性状在材料间的差异较大［19］，具有较高的改良潜力，相反，变异系数较小则表明该性状比较稳定。因此，可以根据变异系数的大小筛选出优异的棉花种质资源。本研究中，引进的72份材料品质性状中除断裂比强度变异系数较大外，其余品质性状变异系数均较小，因此，这些材料可为改善目前棉花育种中低纤维品质提供优异的种质资源。

2.2 供试材料生育期、株形性状与产量性状间的相关性分析

对72份材料的生育期、株形性状和产量性状进行相关性分析，结果（表3）表明：棉花的生育期与棉株株高、单株果枝数、单株成铃数呈极显著正相关；株高与铃质量呈极显著正相关；单株果枝数与单株成铃数呈极显著正相关，与铃质量呈显著负相关；单株成铃数与铃质量呈极显著负相关；衣分与其他性状的相关性均不显著。

2.3 供试材料产量性状与品质性状间的相关性分析

对72 份材料的产量性状和品质性状进行相关性分析，结果（表4）表明：衣分与上半部平均长度、断裂比强度呈极显著负相关，与马克隆值呈极显著正相关；铃质量与长度整齐度指数、断裂比强度、断裂伸长率呈显著负相关；单株成铃数与品质性状之间没有显著相关性。

2.4 供试材料主要性状的主成分分析

以72 份材料的11 个农艺性状为研究对象进行主成分分析，依据特征值大于1的原则选取主成分。从表5 可知：前4 个主成分构成的信息量占总信息量的73.98%，反映了全部信息中的绝大部分信息，可作为鉴定材料的综合指标。

表2 试验材料主要农艺性状和品质性状的变异情况Table 2 Variation of main agronomic and quality traits of tested materials

表3 试验材料生育期、株形性状与产量性状间的相关性分析Table 3 Correlation analysis among growth period,plant type traits and yield traits of tested materials

从表5 和表6 可知：第1 主成分的特征值为2.989 8，且该成分的贡献率为27.18%，在其特征向量中断裂比强度最大且为正值（0.493），其次是上半部平均长度（0.486）、断裂伸长率（0.448）、长度整齐度指数（0.306），此类因子均为棉花纤维品质因子，根据该主成分得分值越高、材料纤维品质越好的原则，选取的代表材料有17ZY38、17ZY35、17中J0712和17ZY37。第2主成分的特征值为2.379 2，且该成分的贡献率为21.63%，在其特征向量中生育期最大且为正值（0.571），其次是单株成铃数（0.553）、单株果枝数（0.383），此类因子可以归为生育期和产量选择因子，根据该成分得分值越高，材料生育期越长、结铃性越好、果枝层数越多的原则，选取的代表材料有浙农远3056、中521、苏远7235和鄂棉9号。第3 主成分的特征值为1.622 1，且该成分的贡献率为14.75%，在特征向量中单铃质量为最大负值（－0.482），马克隆值为最大正值（0.466），表明该成分为产量和品质选择的综合因子，根据该主成分得分值越低，材料单铃质量越高、马克隆值越小的原则，选取的代表材料有苏远7235、萃棉9 号、17ZY2和17ZY14。第4主成分的特征值为1.146 6，且该成分贡献率为10.42%，在特征向量中株高为最大正值（0.543），其次是马克隆值（0.417）、单铃质量（0.412），说明该主成分可作为株高、产量和品质选择的综合因子，且得分值越高，株高越高、马克隆值和单铃质量越大，代表材料有11 巴3、国棉5 号、G51-1和冀省09H52。

表4 试验材料产量性状与品质性状间的相关性分析Table 4 Correlation analysis between yield traits and quality traits of tested materials

表5 试验材料主成分分析的特征值及贡献率Table 5 Eigenvalue and contribution rate of principal component analysis of tested materials

2.5 供试材料的聚类分析

利用R3.4.1 语言软件将11 个性状参数标准化后，采用离差平方和法进行聚类分析。从图1可知，72 份供试材料可以分为6 个类群，各类群的统计参数见表7。

第Ⅰ类群包含2 份材料，分别是中521 和浙农远3056。该类群的生育期（113.50 d）、株高（131.00 cm）、单株果枝数（19.80）、单株成铃数（48.20）和断裂比强度指数（34.75 cN/tex）的平均数在6个类群中均为最大，且植株上半部平均长度（29.30 mm）仅次于第6 类群，而衣分（35.43%）和马克隆值（4.80）的平均值为最低，说明该类群属于生育期最长，株高、果枝层数、单株成铃数最大，而衣分最少、纤维品质最好的棉花材料。

表6 试验材料主成分分析的得分值Table 6 Score for principal component analysis of tested materials

图1 72份材料的聚类分析图Fig.1 Clustering analysis map of the 72 materials

第Ⅱ类群包含6 份材料，分别是17ZX1701、国 棉5 号、冀 省09H52、11 巴3、冀 省 优851 和LiheFCHY3307。该类群铃质量和马克隆值的平均值在6 个类群中最大，分别为4.90 g 和5.48，衣分（36.85%）仅次于第Ⅴ类群，而上半部平均长度（纤维长度）和断裂比强度的平均值明显低于其他5 个类群，分别为28.20 mm、31.00 cN/tex，说明该类群属于铃大、衣分较高、棉纤维品质最差的棉花材料。

第Ⅲ类群包含19 份材料，该类群平均铃质量（4.51 g）偏高，断裂伸长率（6.76%）和长度整齐度指数（84.85%）的平均值最低，上半部平均长度（28.57 mm）和断裂比强度（31.23 cN/tex）平均值偏低，说明该类群属于铃质量偏大、纤维品质较差的棉花材料。

第Ⅳ类群包含8 份材料，分别是17JXZM1601、中棉所58、芽黄9101、中棉所64、冀A-6-7（33 系）、中棉所42、中远9117和鄂棉9号。该类群单株成铃数（40.36）和长度整齐度指数（85.83%）的平均数偏高，植株上半部平均长度（28.43 mm）和断裂比强度（31.81 cN/tex）的平均值偏低，说明该类群属于单株成铃数较多，棉纤维品质较差的棉花材料。

表7 各类群的性状表现Table 7 Phenotypic performance of different groups

表7（续） Continuation of Table 7

第Ⅴ类群包含23 份材料，该类群生育期较短，平均值为95.83 d，单株果枝数（16.40）最低，单株成铃数（20.00）最少，衣分（37.77%）最高，上半部平均长度和断裂比强度较高，平均值为29.19 mm 和32.50 cN/tex，说明该类群属于生育期较短、结铃性最差，但衣分最高、纤维品质较好的棉花材料。

第Ⅵ类群包含14 份材料，该类群生育期（95.21 d）最短，株高（100.71 cm）最低，铃质量（3.94 g）最小，植株上半部平均长度（29.64 mm）最长，断裂比强度（33.31 cN/tex）仅次于第Ⅰ类群，因此该类群属于生育期最短、株高最低、铃质量最小、棉纤维品质较好的棉花材料。

3 讨论

3.1 供试材料各主要性状间的变异情况

植物表型参数与育种息息相关，通过对表型性状的调查研究，以进行种质资源收集、鉴定和保存是目前最常用的育种方法。李飞等［9］通过对172份陆地棉品种（系）的19 个主要农艺性状进行调查研究发现，大部分性状变异系数都在5%以上。尹会会等［20］通过对134 份陆地棉的15 个农艺性状进行遗传变异分析发现，大部分性状的变异系数都大于5%，且其中变异系数超过10%的性状有7个。本实验对72份供试材料的11个农艺性状进行遗传变异分析，结果发现变异系数大于5%的性状有9 个，表明这些材料的遗传多样性较为丰富。供试材料的11个性状中株形性状变异系数均较大，其中单株果枝数的变异系数（12.63%）最大，株高的变异系数为7.85%；产量性状中单株成铃数变异系数（30.31%）最大，其次为铃质量的变异系数（10.35%），衣分的变异系数（8.49%）最低；品质性状中断裂比强度的变异系数（9.16%）最大，其次是马克隆值的变异系数（7.29%），而断裂伸长率的变异系数（1.15%）最低。以上结果说明：本研究所引进的材料具有很大的改良潜力，尤其是在产量性状上，其次为株形性状，而品质性状的变异系数相对较小，具有一定的稳定性，因此可用作筛选优质棉花的材料。

3.2 供试材料生育期、株形、产量和品质性状间的相关性

作物株形影响着光能利用率，进而影响着作物的产量和品质［21-23］，因此，研究棉花株形与产量和品质之间的相关性具有重要意义。田琴等［24］以新疆审定的60 份新陆早系列品种为研究对象，发现衣分、单株铃数、衣指和株高是皮棉产量的决定因素，适度增加株高可提高皮棉产量、上半部平均长度、比强度及整齐度，而增加皮棉的衣分可引起品质性状的下降。齐海坤等［17］通过对陆地棉Z571 与中棉所49杂交后代F2∶3群体进行研究，发现随着株高、单株果枝数的增加，单位面积产量也随之增加；随着单株营养枝数量的增多，棉花纤维品质也随之提高。说明可以通过改良棉花株形来选育高产优质的棉花新品种。本实验以72份陆地棉为研究对象，发现棉花的生育期与株形各性状间均存在极显著正相关关系；单株果枝数与单株成铃数呈极显著正相关，与铃质量呈显著负相关；株高与铃质量呈极显著正相关；衣分与上半部平均长度、断裂比强度呈极显著负相关，与马克隆值呈极显著正相关；铃质量与长度整齐度指数、断裂比强度、断裂伸长率呈显著负相关。可见，试验材料的生育期越长，株高越高，产量越高，纤维品质越差，这与董承光等［10］和田琴等［24］的部分研究结果一致。同时，这些研究均表明棉花产量和品质很难同步增长，彼此之间存在着一定的负相关性［25-26］。目前，育种家为了解决这一问题，将分子生物学技术应用于育种中［27-29］，目的是通过分子标记和遗传修饰聚合优良基因进行辅助育种，以期培育出高产优质的棉花新品种。

3.3 供试材料的主成分分析

主成分分析是将多个复杂的原始指标转化为少数几个具有代表性且互不相关的综合性指标（主成分），每个主成分都是原始指标的线性组合，既保留了原始指标的大部分信息，又避免了原始指标分析的复杂性，用于分析比较可靠［30］。本实验对调查的72 份材料的11 个农艺性状进行主成分分析，提取的前4个主成分累计达了73.98%的总变异，包含了11个性状的绝大部分信息。其中，第1主成分为纤维品质因子，因此，在进行棉花优质育种时，可考虑将第1主成分特征值较高的材料作为棉花优质亲本，如17ZY38、17ZY35和17中J0712。主成分分析结果表明，棉花的各产量相关性状和品质各相关性状间均存在或多或少的联系，或是抑制，或是促进，因此育种家在改良株形的过程中要同时关注产量和品质的要求，提高育种效率，以期培育出高产优质的棉花新品种。

3.4 供试材料的聚类分析结果

聚类分析是根据遗传距离进行分类和研究品种间近似程度和亲缘关系远近的一种统计方法［31］，为育种家选择优良亲本提供方便。本实验根据材料的生育期、株形性状和品质性状进行聚类分析，发现6 个类群中第Ⅰ类群的2 份材料中521 和浙农远3056纤维品质表现最优，可作为改良棉纤维品质的杂交亲本，这也与主成分分析结果相一致；第Ⅱ类群的6 份材料的铃质量和衣分都较高，可作为改良棉花产量的杂交亲本；第Ⅴ类群的23份材料属于高产优质型，育种中应加以重点应用。虽然育种家可以根据聚类分析的结果选择优势亲本进行品种改良，但其准确性和可靠性很大程度上依赖于聚类性状的选择，本实验中聚类分析所依据的田间表型性状受环境和人为因素影响很大［32-33］，因此，育种家应结合分子标记等先进技术对材料进行聚类分析，并研究各种质资源间的亲缘关系［34-37］，以更好地为优势亲本选择提供理论依据。

4 结论

本研究通过对72 份陆地棉材料的主要农艺性状进行调查研究和综合评价，共筛选出优质材料2份，分别为中521和浙农远3056，可作为改良品质性状的优良亲本；高产材料6份，分别为17ZX1701、国棉5 号、冀 省09H52、11 巴3、冀 省 优851 和LiheFCHY3307，可作为改良产量性状的优良亲本。

本试验引进的72份陆地棉种质资源遗传多样性丰富，变异系数从大到小为产量性状＞株形性状＞品质性状；产量性状和品质性状间存在着负相关关系，两者之间很难同步增长，因此，育种家根据育种目标改良育种亲本时应同时兼顾对产量和棉纤维品质的要求。