引进陆地棉种质资源表型性状遗传多样性分析

杨延龙，马 君，师维军

(新疆农业科学院经济作物研究所，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】近年来，我国西北内陆棉区发展迅速，特别是新疆，棉花种植面积占全国棉花种植总面积的比例由2015年的50.13%增加到2019年的76.08%[1]。种质资源是培育优良品种和进行相关基础研究的根本[2]。研究表型性状的遗传多样性是种质资源工作的基础，也是遗传演化规律研究和育种的理论基础，对发掘控制重要表型性状的相关基因及育种实践均具有较强的参考价值和指导意义[3-4]。20 世纪 50 年代起我国新疆广泛种植陆地棉品种[5-7]。引入国内外棉花种质资源，发掘外来棉花种质的优异资源，对于改善棉花种质资源遗传基础，拓宽棉花种质基础，提高育种水平仍有重要意义。【前人研究进展】已有研究对引进棉花种质资源的主要农艺特性及经济性状进行了鉴定及遗传多样性分析[8-14]，筛选出具有不同特性的各类优异材料。刘存敬等[8]对引进国外129份和国内的72份陆地棉种质资源的农艺性状、产量及产量因子和纤维品质等性状进行了系统的鉴定，引进材料同国内材料相比，引进材料具有株高较矮、果枝节位较低，铃重较高，强度高，细度好的特点，筛选出早熟、矮秆、高衣分、高籽指、长纤维、高强度和细度好等不同特性的优异材料44份。张香桂等[10]对引进国外的154份陆地棉种质材料进行了种植鉴定，引进材料类型较丰富，筛选出矮秆、高籽指、高强纤维、苞叶皱缩扭曲、鸡脚叶、紫秆黄花白絮、芽黄、无蜜腺、无酚等类型丰富的各类材料。尹慧慧等[14]以134 份国外棉花种质为试验材料，研究了其主要品质与农艺性状的变异情况、遗传多样性指数、品质性状间的相关性，并以主要农艺与品质性状为指标，对 134 份种质进行了聚类分析和主成分分析。通过综合 35 份纤维品质优异的种质与 58 份农艺性状优异的种质筛选出美 1870、美 1884、FM1830 等 14份品质与产量俱佳的优异种质，作为杂交亲本加以利用。【本研究切入点】我国新疆棉花在育种过程中遗传背景还存在狭窄问题。中亚国家与我国新疆气候条件相似，种质具有较强的适应性。需研究引进棉花各材料的表型性状，分析各材料的表型变异情况及多样性指数。【拟解决的关键问题】2013 年从塔吉克斯坦和吉尔吉斯斯坦收集到92份新的陆地棉种质资源为材料，于 2015年在库车陆地棉试验站种植，全面综合评价这92份陆地棉种质资源的表型多样性，并进行聚类分析，对其数量性状进行相关性分析及主成分分析，为新疆棉花育种及种质资源收集、保存和开发创新利用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试材料为92份陆地棉种质资源，于2012～2013年从塔吉克斯坦和吉尔吉斯斯坦收集而来，塔吉克斯坦收集70份，其中3份原产地分别为巴西、波兰和美国；吉尔吉斯斯坦收集22份，其中1份原产地为乌兹别克斯坦、2份原产地为塔吉克斯坦，1份原产地为土耳其。表1

表1 材料及来源Table 1 The materials and their sources

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验于 2015年在新疆农业科学院库车棉花试验站试验地进行，采用完全随机区组试验设计，1膜4行种植，行距为30 cm+45 cm+30 cm+70 cm宽窄行配置，株距为12 cm，行长 7 m，采用膜下滴灌栽培模式，人工点播。试验地肥力较好、均匀一致，土质为黏土，田间管理同大田常规方法。

1.2.2 质量性状与数量性状

参照 《农作物种质资源鉴定评价技术规范棉花》[15]。从出苗到收获按时期分别测定 25个质量性状和6个数量性状，质量性状包括株型、植株色素腺体、茎色、主茎硬度、茎毛、叶片形状、叶片颜色、叶蜜腺、叶基斑、花冠色、花粉色、柱头高度、花基斑、苞叶形状、苞外蜜腺、果枝类型、铃着生方式、铃色、铃形、吐絮程度、种仁色素腺体、短绒着生情况、短绒颜色、纤维有无、纤维颜色；数量性状包括生育期、株高、第一果枝节位、单铃重、衣分、籽指。

1.3 数据处理

对所调查记载的质量性状赋值后和数量性状一起进行基本的数据统计分析，包括各性状平均值、最大值、最小值、极差、标准差、变异系数和多样性指数，各性状的计算均在 Microsoft Excel 2007中完成。

某性状的多样性指数H=﹣∑PilnPi，其中i为表型代码(i=1，2，3，…) ，Pi为该性状第i种表型代码的出现频率，即其在该性状所有表型代码中出现的比率，Pi=ni/n。

聚类分析、相关性分析及主成分分析均在软件SPSS19.0中进行。聚类分析采用离差平方和法( Ward' method)对遗传距离矩阵进行聚类，种质间的遗传距离选用 Euclidean 距离，生成聚类图。

2 结果与分析

2.1 质量形状的基本统计(表2)

2.1.1 植株及果枝性状

研究表明，株型的变异系数较大为23.31%，而多样性指数较小为0.24，植株色素腺体的变异系数和多样性指数均为0。果枝性状调查了果枝类型，变异系数和多样性指数均较大，分别为24.14%和0.68。

表2 质量性状遗传多样性Table 2 The basic statistical analysis of genetic diversity of qualitative traits

2.1.2 主茎性状

研究表明，主茎性状变异系数变化范围为0～18.44%，多样性指数变化范围为0～0.77 ，其中茎毛多少的变异系数和多样性指数均最大，茎色的变异系数和多样性指数均最小，各性状变异系数和多样性指数从大到小依次为茎毛多少>主茎硬度>茎色。

2.1.3 叶片及苞叶性状

研究表明，除叶片颜色的变异系数和多样性指数均较大(分别为17.53%和0.80)外，其他3个叶性状的变异系数和多样性指数均为0。调查的苞叶性状包括苞叶形状、苞外蜜腺2个性状。2个苞叶性状的变异系数和多样性指数均为0。

2.1.4 花性状

研究表明，4个花性状变异系数变化范围为0～24.06% ，多样性指数变化范围为0～0.49，其中柱头高度的变异系数和多样性指数均最大，花基斑的变异系数和多样性指数均最小，花性状的变异系数和多样性指数从大到小均依次为柱头高度>花粉色>花冠色>花基斑。

2.1.5 铃性状

研究表明，铃着生方式和铃色的变异系数和多样性指数均为0，铃形和吐絮程度的变异系数和多样性指数均较大，分别为19.95%、16.46%和0.55、0.69。

2.1.6 种子及纤维性状

研究表明，3个种子性状的变异系数变化范围为0～25.71% ，多样性指数变化范围为0～0.55，其中短绒颜色的变异系数和多样性指数均最大，种仁色素腺体的变异系数和多样性指数均最小。纤维性状调查了纤维有无和纤维颜色2个性状，2个性状的变异系数和多样性指数均为0。

主茎色素腺体、茎色、叶片形状、叶蜜腺、叶基斑、花基斑、苞叶形状、苞外蜜腺、铃着生方式、铃色、种仁色素腺体、纤维有无、纤维颜色共13 个性状变异系数和多样性指数均为 0，所调查的92份材料该性状完全相同。其他各性状变异系数和多样性指数差异较大，变异系数最大的是短绒颜色为25.71% ，多样性指数最大的是叶片颜色为0.80，变异系数和多样性指数最小的均为短绒着生情况，分别为2.99%和0.06 。

2.2 数量性状的基本统计

研究表明，不同性状在不同材料之间均表现出很大差异，表现出明显的形态多样性。6个数量性状分别为生育期、株高、第一果枝节位、单铃重、衣分和籽指，这6个数量性状变异系数的变化范围为2.94%～10.44%，其中株高的变异系数最大为10.44%，生育期的变异系数最小为2.94%。其余4个性状变异系数范围为5.72%～7.78%，从大到小依次为单铃重>第一果枝节位>籽指>衣分；数量性状的多样性指数均大于1，多样性指数的变化范围为2.58～4.52，平均为3.86，从大到小依次为单铃重、衣分>株高>籽指>第一果枝节位>生育期。各材料的数量性状存在较大差异，特别是产量构成因素中的单铃重变异系数和多样性指数均较高，表现出了丰富的遗传多样性。表3

表3 数量性状遗传多样性Table 3 The basic statistical analysis of genetic diversity of quantitative traits

图1 基于棉花种质资源表型性状数据的聚类Fig.1 Cluster map based on phenotypic traits data of cotton germplasm resources

2.3 基于表型性状的聚类分析

研究表明，在遗传距离为2.5处，92份材料被分成6个组群。

第Ⅰ组有33份材料，塔吉克斯坦27份，吉尔吉斯斯坦5份，表现为茎毛最多，第一果枝节位最低的类型；

第Ⅱ组有17份材料，均为塔吉克斯坦材料，表现为叶片颜色最浅，生育期较长，株高最高，单铃重较大，衣分最低，籽指最大的类型；

第Ⅲ组有6份材料，塔吉克斯坦1份，吉尔吉斯斯坦5份，表现为株型仅塔吉克斯坦1份为筒型外，其余均为塔形，茎毛最少，叶片颜色最深，花柱高度最低，果枝类型均为无限果枝，第一果枝节位最高，衣分最高，籽指最小的类型；

第Ⅳ组有16份材料，塔吉克斯坦10份，吉尔吉斯斯坦6份，表现为吐絮程度最畅，生育期最短，单铃重最小的类型；

第Ⅴ组有6份材料，塔吉克斯坦4份，吉尔吉斯斯坦2份，表现为花柱高度最高，生育期最长，单铃重最大的类型；

第Ⅵ组有14份材料，塔吉克斯坦10份，吉尔吉斯斯坦4份，表现为株高最矮类型。

种质资源的表型性状与种质的来源地及原产地没有必然的联系。图1，表4

表4 不同类群表型性状的平均表现Table 4 The average performance of phenotypic traits to each group

2.4 数量性状的相关性

研究表明，生育期与株高和单铃重表现出极显著的正相关，与单铃重的相关系数为0.626；株高与各性状相关性不显著；第一果枝节位与衣分表现出极显著的正相关；铃重与籽指表现出极显著的正相关，与衣分表现出极显著的负相关；同样，衣分与籽指也表现出极显著的负相关。表5

表5 数量性状的相关性Table 5 Correlation analysis of quantitative traits

2.5 数量性状的主成分

研究表明，第1主成分的特征值为2.24，贡献率为 37.37% 。在其特征向量中，载荷为正值的性状有生育期(0.53)、单铃重(0.51) 、籽指(0.42)和株高(0.31)，这4个性状的增加会降低棉花衣分(-0.41)和第一果枝节位(-0.14)。

第2 主成分特征值为1.14，贡献率为18.97% 。在其特征向量中， 6个性状的载荷均为正值，从大到小依次为第一果枝节位(0.81)>衣分(0.46)>单铃重(0.30)>生育期(0.18)>株高(0.11)>籽指(0.04)。

第3主成分的特征值为0.95，贡献率为15.86% ，载荷为正值的性状有株高(0.75)、衣分(0.29)和生育期(0.26)，这3个性状为生物学特性不同类型性状，株高的增加导致棉花单铃重(-0.20)和籽指(-0.43)的下降。

第4主成分的特征值为0.82，贡献率为13.59%，载荷为正值的性状有籽指(0.55)、株高(0.5)和第一果枝节位(0.26)，籽指过大会降低单铃重(-0.42)和衣分(-0.19)，株高过高会延长棉花生育期(-0.40)。表6

表6 数量性状的主成分Table 6 Principal component analysis of quantitative traits

3 讨 论

3.1 表型性状的遗传多样性

表型性状的差异是表型遗传多样性研究最直观、最简单迅速的方法[16-17]。种质资源遗传多样性作为现代育种工作的重要物质基础[18]。研究表明，陆地棉不同性状多样性指数差异较大，利用表型性状对陆地棉遗传变异进行分析应该有所选择。调查的25个质量性状中，主茎色素腺体、叶片形状、苞叶形状等共13 个性状变异系数和多样性指数均为 0，表示这些性状在 92份陆地棉中没有表现出多样性，其余12个质量性状的平均变异系数为18.28%，平均遗传多样性指数为0.45；6个数量性状的平均变异系数为6.80%，平均遗传多样性指数为3.86。质量性状的多样性指数均小于 1，而数量性状的多样性指数均大于 1，数量性状的多样性明显高于质量性状。多样性指数较高，该批材料表型性状具有较高的多样性和丰富性。变异系数和多样性指数在不同表型性状上的表现并不一致，如株型的变异系数(23.31%)较大，但其多样性指数(0.24)却较低，茎毛多少的变异系数( 17.53% )相对较小，而其多样性指数(0.80 )却相对较高，这与前人的研究结果相似[19]。

研究利用表型性状数据的聚类分析将所有材料分为6个类群，其中第 I 类群33份材料，占试验材料总数的35.87% ，各类群的聚类结果与材料的来源地和原产地没有直接关系。主要是因为数量性状大都由多对微效多基因控制，受环境因子影响较大，导致同一来源地的种质资源，在不同的生态环境条件下表现形式多样，导致聚类结果与材料的来源地和原产地无对应关系[20-23]。聚类结果中2个来源地的材料在各类群中都有聚类分析还显示，如果进行阈值的改动，聚类结果就会发生明显变化，与前人研究结果的一致[24,19]。表型性状聚类分析所用的田间试验数据受环境因素和人为因素影响较大，若要取得理想的聚类结果，应严格控制试验条件，最大限度的减小人为误差，并结合分子标记等相关技术，对材料进行更加深入的研究，以进一步明确种质资源间的亲缘关系及验证聚类结果的可靠性[25-28]。

3.2 数量性状的相关性及主成分

数量性状指个体间表现的差异只能用数量来区别，变异呈连续性的性状，且易受环境条件影响[29]。数量性状的相关性分析结果表明，各性状间表现为较复杂的相关关系，生育期与株高、单铃重表现出极显著的正相关；第一果枝节位与衣分表现出极显著的正相关；单铃重与籽指表现出极显著的正相关，与衣分表现出极显著的负相关，这与前人的部分研究结果一致[30,16]，反映了同步改良棉花关键性状指标的难度。研究对 92 份种质资源材料的 6个数量性状进行了主成分分析，将 6个性状简化为4个主成分，累计贡献率高达85.79% ，包含了性状的绝大多数信息。根据各主成分的载荷值大小，将第 1、第3和第4主成分合并作为第 1 因子，反映生育期、株高等生物学特征与单铃重、衣分等产量相关的经济性状的相互关系；第 2 主成分作为第 2 因子，反映各性状协同配合可有利于各性状的同步提高。

4 结 论

92份陆地棉种质资源材料遗传多样性丰富，而且数量性状的多样性大于质量性状，6个数量性状的多样性指数平均为3.86，25个质量性状的遗传多样性指数平均为0.22。种质资源的表型性状与其来源地及原产地没有必然的联系。各数量性状间表现出较为复杂的相关关系，反映了同步改良棉花关键性状指标的难度，但平衡各性状之间的矛盾，使其协同配合可有利于各性状的同步提高。