42个早熟陆地棉产量与品质性状的多样性分析

2022-02-15李娟周小凤刘文豪孔宪辉王旭文赵福相吴珂宁新柱余渝

江苏农业科学 2022年2期

李娟周小凤刘文豪孔宪辉王旭文赵福相吴珂宁新柱余渝

摘要：棉花是重要的经济作物之一。为科学研究和创制棉花种质资源，进一步培育出棉花新品种，统计了2018、2019年42个新疆早熟陆地棉品种的4个产量性状和5个纤维品质性状数据，采用主成分分析、聚类分析和相关性分析的方法进行多元化綜合评价。结果表明，比强度、衣指和籽指的变异系数大;整齐度和伸长率的变异系数小。当欧式距离值为6.781时，42个棉花品种可分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ类，分别包含7、10、24、1个棉花品种。单铃质量与衣指呈极显著正相关;衣分与衣指呈极显著正相关，与籽指呈极显著负相关。伸长率与绒长、比强度呈极显著正相关，与整齐度呈显著正相关。主成分分析结果，前3个主成分的累计贡献率为73.886%;第1主成分主要反映棉花纤维品质的性状特征;第2主成分、第3主成分主要反映棉花产量的性状特征。本研究结果可为拓宽新疆早熟陆地棉种质基因库和筛选杂交的优质亲本种质资源提供参考依据。

关键词：陆地棉;产量性状;纤维品质性状;多样性分析

中图分类号：S562.037 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2022）02-0073-05

收稿日期：2021-09-10

基金项目：新疆生产建设兵团重点领域创新团队建设计划（编号：2017CB011）;新疆生产建设兵团科技攻关项目（编号：2019DB010）。

作者简介：李娟（1995—），女，云南广南人，硕士研究生，主要从事棉花遗传育种研究，E-mail：15750017784@163.com;共同第一作者：周小凤（1975—），女，安徽庐江人，硕士，研究员，主要从事棉花遗传育种研究，E-mail：xjzhxf@sohu.com。

通信作者：余渝，博士，研究员，主要从事棉花遗传育种研究。E-mail：xjyuyu021@sohu.com。

新疆不仅是我国主要的优质棉花种植基地，还是重要的纺织生产基地。新疆的棉花产业在我国有着举足轻重的地位[1]。棉花各产量性状与纤维品质性状之间存在着正相关或负相关关系，通过科学地界定棉花产量性状与纤维品质性状之间的相关性，可为优质棉花育种提供理论参考。目前，我国棉花新品种培育仍以杂交育种为主，研究棉花资源的特性及遗传多样性是选配杂交亲本的基础[2]，但利用聚类分析、主成分分析和相关性分析3种方法相结合综合评价棉花种质资源的报道较少。通过对植株形态特征进行数字化分析，可以将不同的棉花种质资源进行分类，以明确其亲缘关系[3]。聚类分析是一种用于生物资源分类和亲缘关系研究的分类方法[4]，它将一批样品或变量按照它们在性质上的亲疏程度进行分类;相关性分析是人们常用的一种揭示不同性状间相关性密切程度的统计方法[5];主成分分析能使因子分析方法降维，将具有错综复杂关系的产量指标和品质指标归结为几个综合变量[6]，从而提高对某些性状的改良和选择效率。

本研究以42个新疆早熟陆地棉审定品种为研究材料，通过对其4个产量性状和5个纤维品质性状指标进行数量分析，从而了解供试棉花种质资源的表型变异程度。基于表型性状数据对各种质资源进行聚类分析以揭示它们的亲缘关系;采用主成分分析、相关性分析方法解析与棉花产量和纤维品质性状关系密切的主要表型特征，以期获得具有较大优势的新疆陆地棉主栽品种信息，为新疆早熟陆地棉种质资源的遗传改良和新品种选育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试的新疆早熟陆地棉种质资源材料共42份，均由新疆农垦科学院棉花研究所提供（表1）。

1.2 田间种植

所有试验材料于2018、2019年在新疆石河子市新疆农垦科学院棉花研究所试验地（86.002E，44.307N）进行种植。试验随机区组设计，重复2次，小区面积为2.3 m2，采用1膜6行（宽窄行）种植模式，行距为（66+10） cm，膜下滴灌，化学调控、水肥管理和病虫害防治均与大田相同。

1.3 测定项目

每小区选取分布均匀且有代表性的棉花植株，从中随机采收不同棉株上部、中部、下部位吐絮棉铃共计20个，晒干后测定产量性状：单铃质量、衣指和籽指并计算衣分。随后每处理取15 g棉样在新疆农垦科学院棉花研究所检测棉花纤维品质性状，纤检仪型号为Premier HFT9000，检测指标为纤维上半部平均长度、断裂比强度、整齐度指数、伸长率和马克隆值。

1.4 数据分析

试验数据经Microsoft Excel 2016整理后，进行变异分析。随后利用DPS 7.05软件进行主成分分析和聚类分析，聚类分析采用系统聚类、标准化转换、欧式距离和最长距离法。此外使用仙桃学术生信工具（https：//www.xiantao.love/products）绘制相关性图谱。

2 结果与分析

2.1 新疆早熟陆地棉品种产量与纤维品质性状比较

从表2可以看出，42个新疆早熟陆地棉的绒长在20.91～30.74 mm，平均绒长27.83 mm;断裂比强度在20.7～36.4 g/tex，平均比强度30.15 g/tex;马克隆值在3.69～5.01，平均马克隆值4.38;整齐度在80.3%～86.3%，平均整齐度84.7%;伸长率在6.5%～7.0%，平均伸长率6.81%;衣指在5.45～8.85 g，平均衣指7.41 g;籽指在8.08～12.53 g，平均籽指10.50 g;衣分在35.1%～46.3%，平均衣分41.61%;单铃质量在4.4～6.4 g，平均单铃质量5.39 g。

2.2 新疆早熟陆地棉4个产量性状和5个纤维品质性状的变异分析

对42个新疆早熟陆地棉品种的4个产量性状和5个纤维品质性状进行变异分析（表3）可知，产量性状和纤维品质性状的变异系数为1.307%～9.943%，其中籽指的变异系数最大，为9.943%;衣指的变异系数次之，为9.933%;整齐度的变异系数最小，为1.307%。表明在不同棉花品种中，与产量相关的性状变异丰富，有较大差异;与品质相关的性状变异较小，差异不明显。

2.3 不同早熟陆地棉产量与纤维品质性状的主成分分析

对42份新疆早熟陆地棉品种的4个产量性状和5个品质性状进行主成分分析，其规格化特征向量、特征值、贡献率和累计贡献率见表4。前3个主成分的特征值≥1.0，累计贡献率为73.886%，具有较强的信息代表性，表明前3个主成分能够代表42份陆地棉品种的产量性状和纤维品质性状73.886%的信息，可以用前3个主成分对产量性状和纤维品质性状进行评价。第1主成分的贡献率为36.461%，其中绒长、比强度、整齐度的特征向量值较大，分别为0.468、0.434、0.438，表明该主成分主要反映棉花纤维品质的性状特征。第2主成分的贡献率为21.171%，籽指的特征向量值较大，为0.572，表明该主成分主要反映棉花产量的性状特征。第3主成分的贡献率为16.254%，单铃质量的特征向量值最大，为0.601，表明该主成分主要反映产量的性状特征。

2.4 不同早熟陆地棉产量与纤维品质性状的聚类分析

基于42个品种的4个产量性状和5个纤维品质性状对供试品种进行聚类分析。当欧式距离值为6.781时，可分为4类。第Ⅰ类包括新陆早2号、新陆早36号、新陆早22号、新陆早24号、新陆早27号、新陆早45号和新陆早31号，共7个品种;第Ⅱ类包括新陆早5号、新陆早10号、新陆早16号、新陆早6号、新陆早46号、新陆早19号、新陆早37号、新陆早39号、新陆早30号和新陆早38号，共10个品种;第Ⅲ类包括新陆早3号、新陆早12号、新陆早9号、新陆早35号、新陆早40号、新陆早32号、新陆早42号、新陆早49号、新陆早11号、新陆早15号、新陆早29号、新陆早47号、新陆早18号、新陆早20号、新陆早23号、新陆早28号、新陆早17号、新陆早34号、新陆早33号、新陆早21号、新陆早25号、新陆早26号、新陆早50号和新陆早48號，共24个品种;第Ⅳ类仅含有1个品种，为新陆早13号。该聚类划分结果表明，不同品种之间的系谱亲缘关系存在差异性，分类较为明显且集中。选育适合新疆棉区种植的早熟陆地棉品种时，应根据育种目标选择适宜亲本配制组合。

2.5 不同早熟陆地棉产量与纤维品质性状的相关性分析

通过测定42个新疆早熟陆地棉品种的产量指标和品质指标，计算相关指标的平均数值进行相关性分析。从图2可以看出，在4个产量和5个纤维品质构成因素的相关关系中，28个呈正相关关系，8个呈负相关关系;达到显著以上相关的有11个，其中10个为正相关，1个为负相关。单铃质量与衣指呈极显著正相关。衣分与衣指呈极显著正相关，与籽指呈极显著负相关。衣指与单铃质量呈极显著正相关，与绒长与马克隆值呈显著正相关。伸长率与绒长和比强度呈极显著正相关，与整齐度呈显著正相关。整齐度与绒长和比强度呈极显著正相关，与伸长率呈显著的正相关。比强度与绒长和整齐度呈极显著正相关。

3 讨论与结论

棉花种质资源作为新疆早熟陆地棉生物学研究和遗传育种的重要基础，主要由优质的地方品种和外引品种构成，对当地环境或栽培条件具有良好的适应性[7]。棉花产量性状和纤维品质性状是受遗传因子和环境因子相互影响的复合性状，利用单一指标很难准确和客观地评价棉花产量性状和品质性状的好坏。近年来，多样性分析已在玉米[8]、小麦[9]、大豆[10]花生[11]、水稻[12]等作物中应用。本研究以变异系数分析、主成分分析、聚类分析和相关性分析方法相结合对产量性状和纤维品质性状进行多元化综合评价。变异系数是评价作物遗传多样性和多变环境下遗传稳定性的重要指标[13]。本研究结果表明，42份新疆早熟陆地棉供试材料9个性状的变异系数为1.307%～9.943%，其中变异系数较大的是籽指，为9.943%、衣指为9.933%、比强度为9.211%。在产量因子的变异系数中，从大到小的排序为籽指>衣指>单铃质量>衣分;在品质性状变异系数中，从大小排序为比强度>马克隆值>绒长>伸长率>整齐度指数。本研究结果与前人部分研究结果[14-15]是一致，可能是由于试验材料、栽培管理、生态环境因子的差异造成的。

主成分分析被广泛应用于多种作物种质资源多样性分析[16]。本研究对42份材料的9个性状进行主成分分析，结果表明，主成分中的前3个特征值的累计贡献率达73.886%，包含了所有性状的绝大部分信息，有效地剔除了一些非必要影响因子，从而真实地反映产量性状和品质性状分析结果。

在主成分分析的基础上对参试品种进行聚类分析，发现当欧式距离值为6.781时，42份材料可分为4类，第Ⅰ类衣分高，包括7个品种，占总数的16.7%;第Ⅱ类马克隆值小，均值为4.09，属于A类分级，包括10个品种，占总数的23.8%;第Ⅲ类绒长、比强度、整齐度、衣指和单铃质量高于其他3类，包括24个品种，占总数的57.1%;第Ⅳ类伸长率和籽指高，仅有1个品种，占总数的2.4%。以上结果表明，具有相似特征的品种被划分为一类，该分类结果可为选择综合农艺性状优良的新疆早熟陆地棉品种提供参考和选择依据。

相关性的正负及具体的数值准确地反映了产量性状和纤维品质性状间的微妙关系，对提高棉花产量及纤维质量有重要意义。本研究结果，单铃质量与衣指呈极显著正相关。衣分与衣指呈极显著正相关，与籽指呈极显著负相关。衣指与绒长、绒长马克隆值呈显著正相关。伸长率与绒长和比强度呈极显著正相关性，与整齐度呈显著正相关。整齐度与绒长和比强度呈极显著正相关性。比强度与绒长和整齐度呈极显著正相关。分析结果表明，产量性状与品质性状之间存在错综复杂的关系，若要提高棉花纤维品质，需要从比强度、绒长、整齐度和伸长率这几个因素考虑。若要提高衣分，需要从衣指的增加相关方面考虑。

在解析种质资源的遗传多样性中，表型性状具有不可替代的地位。若要提高棉花纤维品质，仅仅依靠品种间杂交将很难有大的突破，未来优质育种的重点应放在利用远缘杂交创造新种质和优质基因的研发和应用上。实现纤维产量与品质的同步改良，仍是今后研究需要解决的问题。

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