海岛棉种质资源表型性状的遗传多样性分析及综合评价

2021-08-12杨涛黄雅婕李生梅任丹崔进鑫庞博于爽高文伟

中国农业科学 2021年12期

杨涛，黄雅婕，李生梅，任丹，崔进鑫，庞博，于爽，高文伟

新疆农业大学农学院/棉花教育部工程研究中心，乌鲁木齐 830052

0 引言

【研究意义】海岛棉（Gossypiumbarbadense）作为主要的经济作物及重要的战略储备物资[1-2]，因其纤维长、细、强等特点[3]，被誉为“纤维上的宝石”。目前，海岛棉产量约占世界棉花产量的 2%[4]，新疆是中国海岛棉唯一产区，海岛棉种植面积约为10万hm2[5]，产量约为世界海岛棉产量的25%[6]。【前人研究进展】遗传资源材料是育种家选育新品种的基础[7]，而遗传材料的遗传基础是育种的关键。目前，种质资源的遗传多样性和评价研究主要集中于表型及分子水平[8-10]，表型及分子研究是育种家获得海岛棉遗传差异的重要手段。表型研究是最直接、最有效的研究方法，可更直观地表现某一品种特异性，不同于分子研究。目前，水稻[11]、小麦[12]、玉米[13]、绿豆[14-15]应用表型进行多样性分析及综合评价已有报道，开展资源多样性分析及鉴定，不仅有利于有利基因的发掘，而且对抗逆性品种的选育更有重要意义。海岛棉作为常异花授粉作物，育种过程中，主要以种间杂交为主，利用分子标记辅助育种及转基因育种单位较少，新品种选育中，亲本数量有限且遗传基础较窄，严重影响了新品种的选育；为进一步选育优质、高产和稳产的海岛棉品种，筛选优异亲本成为目前主要目标。【本研究切入点】目前，海岛棉表型性状在自然群体的分布规律仍不明确，适宜于筛选海岛棉优异资源综合评价的文章仍鲜见报道。【拟解决的关键问题】本研究利用175份海岛棉资源的12个表型性状进行海岛棉种质资源遗传多样性分析及综合评价，为海岛棉种质创新利用、品种改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

175份海岛棉资源材料包含国外材料72份（涵盖亚洲、美洲等，分别来自美国16份、前苏联44份、埃及12份）和国内材料103份（新疆47份、疆外56份）。基于株高（plant height，PH）、衣分（lint percent，LP）、铃数（boll number，BN）、始节数（first node of fruit branch，FNB）、果枝数（fruit branch number，FBN）、有效果枝数（effective fruit branch number，EFBN）、有效铃数（effective boll number，EBN）、蕾铃脱落数（number of boll drop，NOBD）、单铃籽棉重（yield of single boll seed cotton，YOSBSC）、单铃皮棉重（yield of single boll lint yield，YOSBLY）、单株籽棉重（seed cotton yield per plant，SCYPP）、单株皮棉重（lint yield per plant，LYPP）12个表型性状，利用主成分分析和隶属函数产生综合评价值D进行海岛棉种质资源综合评价。

1.2 试验设计

试验于2018—2019年（4—11月）种植于阿拉尔市12团阿拉尔国家科技园及2019年4—11月种植于石河子市144团（新疆农业大学实验基地）。采用完全随机区组设计，一膜6行，每个小区2行，行长2.00 m，2—3粒点播，行距0.40 m，株距0.10 m，2次重复，田间管理方式同常规管理一致。严格按照《棉花种质资源描述规范和数据标准》进行农艺性状的鉴定[16]，于10月初，各重复连续选取5株测定各表型性状，收获20铃测定单铃重，连续收获10株测得籽棉重，扎花后测定相应皮棉重。

1.3 数据处理

采用Origin 2018统计各性状变异系数、均值及标准差等描述性指标，利用R 3.6.0进行Person相关性分析、聚类分析；利用Excel 2010计算Shannon-Weaver遗传多样性指数，具体分级采用前人研究方法[17-19]，之后主成分分析，利用隶属函数产生综合评价值D评价海岛棉种质[20-22]。

式中，Xi为第i个综合指标，Xmin为第i个综合指标的最小值，Xmax为第i个综合指标的最大值。

式中，Wi为第i个综合指标在所有综合指标中的权重，Pi为各品种第i个综合指标的贡献率。

式中，D值为综合指标评价值。

2 结果

2.1 海岛棉主要农艺性状的描述性分析

175份海岛棉材料表型性状 PH、FNB、FBN、EFBN、BN、EBN、NOBD、YOSBSC、YOSBLY、LP、SCYPP、LYPP变异范围为6.40%—28.10%，其中LYPP最大，为28.10%，LP最小，为6.40%，基本排序为：LP＜YOSBSC＜FNB＜YOSBLY＜NOBD＜FBN＜PH＜EBN＜BN＜EFBN＜SCYPP＜LYPP，其中 LP、YOSBSC变异系数均小于 10.00%，EFBN、BN、EBN、SCYPP、LYPP变异系数均大于20.00%。偏度与峰度绝对值部分小于1，多数大于1，表明海岛棉资源各性状基本服从偏态分布。

表1 主要农艺性状描述性指标Table 1 Descriptive indicators of main agronomic traits

2.2 表型数量性状的遗传多样性

通过对海岛棉资源遗传多样性指数的统计（图1-A）可知海岛棉遗传多样性指数为1.97—2.05，其中，FBN、SCYPP分别为1.97和1.98，其余各性状遗传多样性指数为2.00—2.06。

2.3 国内外种质资源遗传多样性分析

分别计算国外（72份）和国内（103份）海岛棉遗传多样性指数（图 1-B）。国外海岛棉遗传多样性指数为1.89—2.05，中国海岛棉遗传多样性指数为1.96—2.05，均值为 2.00。在中国，新疆海岛棉遗传多样性指数为 1.90—2.02，均值为 1.98；疆外海岛棉遗传多样性指数为 1.87—2.00，均值为 1.93。利用海岛棉12个数量性状遗传多样性指数进行差异性分析表明，国内外海岛棉育成品种多样性无显著差异，新疆与疆外海岛棉育成品种多样性存在显著差异（P＜0.01）。

2.4 海岛棉表型性状相关性分析

相关性分析发现PH、FNB、FBN、EFBN、BN、EBN之间呈极显著正相关；LYPP与 SCYPP、YOSBSC、EFBN、FBN、EBN、LP、YOSBLY、PH、FNB、BN呈极显著正相关；SCYPP与YOSBSC、FNB、YOSBLY、FBN、PH、EBN、BN、EFBN呈极显著正相关，与LP呈显著正相关；LP与YOSBLY呈极显著正相关，与 EBN呈显著正相关；YOSBLY与YOSBSC呈极显著正相关，与EBN、PH呈显著正相关；YOSBSC与PH呈极显著正相关，与FNB呈显著正相关；NOBD与EFBN和BN呈极显著负相关；其余各指标间存在不同程度的弱相关。由于各指标间存在不同程度的相关性，会使所包含的信息进行重叠，各指标所代表的信息不同，发挥的作用也不一致，故而进行多指标简化是有必要的。

2.5 主成分分析

基于表型性状进行主成分分析，KMO（0.76）和Bartlett（P＜0.01）检验合格，根据特征根及累计贡献率提取前3个主成分，贡献率分别为49.34%、18.03%和10.63%，解释总方差为78.00%，表示这3个成分能反映12个表型性状的绝大多数信息。第一主成分荷载较大为PH、FNB、FBN、EFBN、BN、EBN、SCYPP和 LYPP，代表单株生长及有效产量因子；第二主成分荷载较大为LP、YOSBSC和YOSBLY，代表单铃产量因子；第三主成分荷载较大为NOBD，代表蕾铃脱落因子。

表2 前4个主成分的特征值及特征向量描述Table 2 The eigenvalues and eigenvectors of the first 4 principal components

2.6 聚类分析

基于海岛棉资源材料 12个表型性状聚类（图3），分为4个类群，进行统计分析。Ⅰ类群70份材料，占所有种质资源40.00%，包括国外24份、国内46份（新疆14份和疆外32份），主要特征矮秆（63.4）、低产（6.31）的较差种质；Ⅱ类群35份材料，占所有种质资源20.00%，包括国外15份，国内20份（新疆12份和疆外8份），主要特征衣分较高（0.33%）、单株皮棉重较高（8.83）的潜在增产种质；Ⅲ类群 19份材料，占所有种质资源的10.86%，包括国外8份、国内11份（新疆9份和疆外2份），主要特征高秆（99.56），其余性状较好的优异种质；Ⅳ类群 51份材料，占所有种质资源29.14%，包括国外25份、国内26份（新疆12份和疆外14份），主要特征低重心、衣分较高（0.33）的极端特殊种质。

表3 海岛棉4个类群表型特征Table 3 Phenotypic characteristics of 4 group in Sea-island cotton resources

2.7 海岛棉种质综合评价

利用3个主成分因子（1—3）及公式（1）分别算出μ（Xi），利用贡献率结合公式（2）求得权重分别为49.34%、18.03%和10.63%，利用权重及μ（X1）—μ（X3）结合公式（3）求得综合评价值D，D值大小决定某一种质资源的综合性状优劣程度，D越大越优，反之亦然；根据综合性状优劣程度将国内外种质分为3类，分别为劣（D≤0.35）、中等（0.35＜D≤0.59）和优（D＞0.59）。海岛棉资源统计分析发现国内外极端种质差异不大；表现中等的资源材料国内较多；在国内，疆外极端种质所占比例较高，新疆与疆外中间种质差异不大。根据D值筛选出排名较高的10个品种为 T07-152、JZ1、TH-901、K222、65-3028-5、BZ-3761、Y51、5172F、XH30和270；较低的10个品种为774-11、H3549、KNK、YJ1H、HNDFM、2515、JZHDM、Y51-2、Y51-4和DJ-1。

表4 不同地域海岛棉种质资源评价结果Table 4 Evaluation results of Sea-island cotton germplasm resources in different regions

表5 表型性状与综合得分（D值）间的相关性Table 5 Correlation between phenotypic traits and D-value

2.8 回归模型的建立及指标筛选

以综合评价值D和12个表型性状为基础，D作为因变量，12个数量性状作为自变量建立最优回归方程。X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11和X12分别代表PH、FNB、FBN、EFBN、BN、EBN、NOBD、YOSBSC、YOSBLY、LP、SCYPP和LYPP，建立逐步回归方程：

Y=0.002X1+0.018X2+0.060X3+0.384X9+0.010X11-0.598，相关系数r=0.995，校正R2=0.990，这5个指标解释了D值99.00%的变异，F=3284.53。相关分析表明，上述5个性状与D值均呈极显著正相关，该回归方程可用于海岛棉种质综合评价，上述5个指标可作为筛选海岛棉优异种质的关键性指标。

3 讨论

3.1 不同来源海岛棉遗传多样性

种质资源是品种遗传改良、创新利用的研究基础，而分析种质资源遗传基础对于育种工作显得尤为关键，利用175份海岛棉种质资源进行遗传多样性分析及变异分析，所选性状较广泛，对海岛棉遗传改良有重要意义。

研究表明，群体样本变异系数均大于10.00%，说明群体样本差异较明显[23]。本研究表明单株籽棉重、衣分变异系数较低，这与马麒等[24]研究结果一致，其余性状变异大于 10.00%，说明所选海岛棉资源较丰富[1]，这有利于海岛棉优异种质的筛选，对于拓宽海岛棉遗传基础有积极意义。遗传多样性是生物遗传信息的总和，代表群体性状的多样性，往往能够决定物种的进化潜力和抵御不良环境的能力[25-26]。因此，深入研究种质资源的遗传多样性，不仅有利于构建核心种质资源库，而且对于了解种质的遗传背景有重要意义。本研究遗传多样性表明，国内外育成海岛棉品种无显著差异，新疆较疆外育成海岛棉品种有显著差异，各性状间遗传多样性指数差异较小，遗传多样性指数相对较低，选择程度较高。这与李金荣等[27]和谢元元等[26]的研究结果较一致，但与潘兆娥等[28]的研究结果不一致；这可能是海岛棉种质来源和数量不同有关，此外，表型是受环境型和基因型等共同作用，所以表型性状的最终表现形式是由多因素综合反映的结果[29-30]。

主成分分析在尽量减少原有信息的基础上进行降维，简化原有信息工作量[25]。主成分分析前3个因子包含了大部分信息量，且各性状间具有一定的相关关系，表明材料及性状对于主成分结果均有一定的影响。聚类分析是按照相似程度应运统计学软件的分析方法之一[31-33]；本研究利用175份海岛棉资源进行聚类分为4个类群，个数分别为70、35、19和51，说明这些种质有不同的育种目标，遗传背景差异相对较大，这与马麟等[24]新疆海岛棉育种目标单一、目标性状相似的结论不一致；对不同来源海岛棉资源类群进行聚类表明，国外和中国新疆海岛棉种质与疆外海岛棉种质遗传背景较远，国外和中国新疆海岛棉资源背景较一致，这与中国新疆海岛棉及疆外海岛棉育种历程不同相符合，也可能与所选材料中有较多的苏棉有关，具体原因待进一步验证。因此，在育种过程中应加强国外、中国新疆和疆外海岛棉资源的利用，对于拓宽海岛棉遗传背景及提高产量有重要意义。

3.2 海岛棉资源基于表型综合评价

棉花遗传多样性的研究相对较多，但海岛棉种质资源综合评价的文章鲜有报道，吕伟等[34]利用 246份中国不同来源芝麻种质资源综合评价筛选到10份表型变异丰富、遗传多样性指数较好、综合指标较高的材料；胡标林等[35]对六大洲的1 579份水稻种质进行综合评价，筛选到6个种质资源表型评价的关键指标。本研究利用175份不同来源海岛棉种质进行综合评价，更直观的D值作为指标将海岛棉种质分为 3类，筛选单株皮棉重等5个指标作为海岛棉种质鉴定指标。此外表型性状研究存在一定的局限性，为提高海岛棉研究的宽度及深度仍需结合分子水平进行评价鉴定[36-37]，本研究后续将结合 SNP标记进行群体结构及亲缘关系分析，扩宽海岛棉研究的宽度及深度。