不同环境下棉花陆海渐渗系BC5F3:5群体棉籽营养成分及纤维品质性状遗传分析

吴秋雨，张海博，卢全伟*，王有武

（1.塔里木大学 农学院，新疆 阿拉尔 843300；2.安阳工学院，河南 安阳 455000）

0 引言

棉花是我国第一大经济农作物，是纺织业天然纤维的主要来源[1]，同时棉籽作为棉花的副产物，也是人类消费的第五大植物油来源与蛋白资源[2-5]。

长期以来，棉花育种工作中，学者一直注重纤维产量提高与品质改良，对同样具有研究价值和经济价值的棉籽只作为棉花生产的副产品对待，故棉籽油分与蛋白质的改良研究工作进展缓慢。近年来，各行各业对棉籽油的需求逐渐增大[6]，我国每年能生产约82.74万吨的棉籽油，棉籽油的加工和生产可以减轻我国食用油的供给压力[7-8]。此外，棉籽中蛋白的营养价值也较为丰富，棉籽浓缩蛋白作为食品添加剂常应用于食品工业[6]。为了提高棉花生产的经济和社会效益，在棉花育种中除要重视纤维品质的改进外，也应注意棉籽营养品质的改良。

棉籽成分含量的相关研究为棉籽性状的同步改良奠定了基础，对提高育种效率提供了帮助与参考。棉籽营养性状间的相关性在不同的报道中存在部分差异，大多数研究报道中油分含量与蛋白质含量表现显著负相关[8-10]，对于棉籽成分含量性状与棉花纤维品质之间的相关分析报道甚少。郭婷婷等[9]对101份国内外陆地棉种质资源的棉籽营养品质性状、主要农艺性状、纤维品质性状进行了相关性分析，发现油分含量与纤维品质性状间呈不同程度的负相关关系，蛋白含量与纤维品质性状间呈不同程度的正相关关系；周有耀[10]分析了30份不同品种的陆地棉棉籽营养品质与纤维品质之间的关系，发现棉仁的蛋白质含量与各纤维性状间呈负相关关系；陈姣等[11]分析了41个不同品种棉仁含油量及其与纤维品质性状的相关关系，发现棉仁含油量和纤维品质性状之间没有统计学上的显著相关性。

陆地棉产量高，适应性强；海岛棉产量低，纤维品质好。二者在棉仁油分含量上也有一定差异[12]，海岛棉的棉籽油分通常高于陆地棉。染色体片段代换系 (Chromosome Segment Substitution Lines，CSSLs) 近年来在水稻、玉米和棉花上的应用逐渐广泛[13-15]，本研究以染色体片段代换系BC5F3:5为材料，明确群体棉籽成分含量性状与棉花纤维品质性状间的关系，为下一步进行QTL定位[16-17]、精细定位和克隆[18-19]、QTL互作分析[20]以及杂种优势机理研究[21-22]奠定基础。

本研究以陆海渐渗系BC5F3:5为材料，研究在四个不同生态环境下其棉花纤维品质及棉籽中两种主要营养物质含量的变化，分析环境、基因型对棉花纤维品质与棉籽成分含量的影响，挑选四个环境下棉籽油分、蛋白质含量与棉花纤维品质均优异的单株，以期为棉籽营养品质、纤维品质的改良与利用提供参考。

1 材料与方法

1.1 陆海渐渗系BC5F3:5材料来源

BC5F3:5群体是以高油和纤维品质优异的海岛棉“Hai1”作为供体亲本，陆地棉“中棉所36”作为轮回亲本进行多代回交自交所构建的染色体片段代换系[23]。本研究使用BC5F3:5群体的300个材料与轮回亲本材料陆地棉“中棉所 36”，在2015、2016两年分别种植于河南安阳（北纬 35°41'～36°21'，东经 113°38'～114°59'）和新疆石河子（东经84°58'～86°2'，北纬43°26'～45°20'）的中棉所试验基地，单株成行，行长3 m，行距0.8 m，株距0.4 m，按照株行收取正常吐絮的籽棉，轧花后称取≥15 g的皮棉在农业农村部棉花品质监督检验测试中心检测，棉籽用于成分检测。

1.2 棉籽成分检测

将四个环境下各300份BC5F3:5陆海渐渗系材料与“中棉所36”亲本材料的棉籽经硫酸脱绒，干燥至恒重后人工剥除棉籽壳，得到的棉仁作为试验材料用于各指标化学真实值的测定，棉籽成分测量仪器为瑞典波通公司多功能近红外谷物分析仪DA7200[24]。

1.3 数据分析与处理

利用Microsoft Excel 2019、IBM SPSS Statistics 26.0和Origin 2019软件，对不同环境下群体和亲本的棉籽油分与蛋白质含量、纤维品质性状进行描述性统计分析，分别计算各性状数据的平均数、最小值、最大值、极差、变异系数、超轮回亲本比例、偏度、峰度等。利用SPSS 24.0对试验材料各性状进行相关性分析、方差分析[25-26]。

2 结果分析

2.1 棉籽主要营养成分含量与纤维品质性状的描述性统计分析

2.1.1 轮回亲本及BC5F3:5棉籽油分、蛋白的描述性统计分析

由群体的棉籽油分与蛋白质含量性状在四个不同环境下的频数分布可知，两个性状均呈连续分布且范围较广，各个环境下两性状的偏度绝对值均小于1，表明二者没有出现异常的偏分离，表明采集到的各性状整体呈现正态分布，符合数量性状的遗传特点（图1）。

图1 BC5F3:5群体油分及蛋白质含量性状表型值频率分布

利用IBM SPSS Statistics 26.0数据分析软件对轮回亲本“中棉所36”、群体BC5F3:5的棉籽油分及蛋白质含量进行描述性统计分析，结果表明，四个环境下BC5F3:5群体棉籽油分含量的变异系数均大于轮回亲本“中棉所36”且变异幅度相对亲本较大（表1）。四个环境下油分及蛋白质含量变异系数的大小也存在不同差异，整体位于3.7%～5.26%之间，二者的变异系数最大值均出现在2016年安阳环境下，分别为4.92%和5.26%，表明该环境下棉籽油分与蛋白质含量性状存在大量遗传变异；变异系数的最小值均出现在2015年石河子环境下，分别为3.7%和4.48%，表明该环境下两性状较为稳定。

表1 轮回亲本及BC5F3:5棉籽油分、蛋白质含量描述性统计分析

棉籽油分与蛋白质含量性状在四个环境下的超轮回亲本比例处于35.49%～76.00%之间，性状表现优异。蛋白质含量在2016年安阳环境下超轮回亲本比例最大，为45.07%，2016年石河子环境下超轮回亲本比例最小，为35.49%。油分含量在四个环境下的超轮回亲本比例均大于蛋白质含量，其中在2016年石河子环境下最大，为76.00%；2016年安阳环境下最小，为63.73%。

BC5F3:5群体的棉籽油分在各环境下的均值均高于轮回亲本“中棉所36”，蛋白质含量性状的均值除2016年安阳环境外均低于轮回亲本。群体平均表现与轮回亲本“中棉所36” 虽有差异但十分相近，说明群体已基本恢复至“中棉所36”的遗传背景，但群体内部各性状的表型数据值仍存在较大波动。棉籽油分含量的极差最大值出现在2016年石河子环境下，为9.25%；棉籽蛋白含量的极差最大值出现在2016年安阳环境下，为15.39%。四个环境中棉籽油分平均含量为30.89 %～ 32.09%，其中2015年石河子环境的油分含量最高，2015年安阳环境的油分含量最低且均显著低于其他三个环境；各环境棉籽蛋白质平均含量为40.24% ～ 40.98%，其中2015年石河子环境的蛋白质含量最高，2015年安阳环境的蛋白质含量最低，2015年石河子、2016年安阳环境的蛋白质含量均显著高于另外两个环境。

以上结果表明，棉籽的油分、蛋白含量性状遗传背景基本恢复至亲本“中棉所36”，并且存在较为丰富的遗传变异。其中棉籽油分的超亲优势明显，可以为后续的棉花育种工作提供参考。

2.1.2 轮回亲本及BC5F3:5纤维品质性状的描述性统计分析

利用IBM SPSS Statistics 26.0数据分析软件对BC5F3:5的300份样本进行纤维品质性状的初步统计和分析（表2、图2），四个不同环境下上半部平均长度、马克隆值、整齐度指数和伸长率的平均值变化较小，断裂比强度的平均值变化较大，所有性状的平均值在不同环境之间均达到差异显著水平。各环境下品质性状的偏度绝对值均小于1，数据呈连续正态分布，符合数量性状的遗传特点。五个性状的变异系数范围在1.01% ～ 9.34%之间，说明群体性状表现已较为稳定，其中马克隆值、断裂比强度的变异系数明显大于其它性状的变异系数，极差最大值分别为2.90和12.10 cN/tex，说明群体内部个体间马克隆值和断裂比强度的变化幅度较大，含有丰富的遗传变异。2015年安阳环境中同时出现了上半部平均长度、马克隆值、伸长率、断裂比强度的最小值，但该环境并未出现任何纤维品质性状的最大值。上半部平均长度、伸长率的最大值均出现在2016年石河子环境下，分别为32.85 mm和7.10%；马克隆值、整齐度指数的最大值均出现在2015年石河子环境下，分别为5.8和85.7%。

表2 BC5F3:5纤维品质性状的描述性统计分析

图2 BC5F3:5群体纤维品质性状表型值频率分布图

2.2 不同环境下棉籽营养成分含量与纤维品质性状的相关分析

棉籽中主要营养成分含量与棉花纤维品质性状的基因型的方差分析结果（表3）表明，不同性状基因型与环境的P值均小于0.001，说明基因型与环境对棉花陆海渐渗系BC5F3:5群体的棉籽主要营养成分含量及棉花纤维品质性状有极显著的影响。基因型之间、环境试点间的F值均大于在相应显著水平下的临界值F crit，即差异达到极显著水平。棉籽主要营养成分含量、纤维品质性状的表现是基因型和生态环境共同作用的结果，性状遗传相对稳定，影响基本表现为环境大于基因型，故群体表型变异受环境影响较大。

表3 BC5F3:5群体各性状方差分析

2.3 BC5F3:5群体各性状方差分析

利用IBM SPSS Statistics 26.0分析软件对棉籽2种营养成分含量与纤维品质性状的相关性进行分析，结果列于表4。由表4可以看出，2015年安阳、2016年安阳、2015年石河子、2016年石河子四个环境下棉籽油分与蛋白质含量均呈极显著负相关，与前人研究一致[9-11]。分析棉籽油分、蛋白质等营养品质性状与棉花纤维品质性状的遗传相关性，对指导棉籽品质育种和棉花纤维品质的改良具有重要参考价值。四个环境下棉籽油分与其它所有性状均呈显著负相关或负相关，故同时提高棉籽油分与其他品质性状来说难度较大。纤维品质性状之间，断裂比强度与上半部平均长度、长度整齐度指数均呈极显著正相关，马克隆值与上半部平均长度、断裂比强度均呈极显著负相关或显著负相关，其余棉花纤维品质各性状之间均呈显著正相关或极显著正相关，与陈娇等研究结果一致[11]。明确这些性状间的本质关系，可对后期棉籽油分含量等性状的QTL研究奠定基础。

表4 各环境下BC5F3:5群体棉籽营养成分含量与纤维品质性状的相关分析

图3 BC5F3:5群体部分性状优异单株统计图

表5 BC5F3:5群体部分棉籽主要营养成分含量性状和纤维品质性状表现优异的单株

2.4 优质单株棉籽主要营养成分含量及棉花纤维品质性状表现

通过对BC5F3:5群体进行评价分析，筛选出20个在四个环境下油分含量大于等于30%、蛋白含量大于等于40%、断裂比强度大于等于30cN/tex的性状表现优异的陆海渐渗系单株，通过与亲本“中棉所36”对比发现，挑选出的单株棉籽油分在2015年石河子、2016年石河子、2015年安阳、2016年安阳四个环境下的各个性状均优于亲本。后续试验将利用上述选择的20个优质材料，结合常规选择育种与分子标记辅助选择育种，以期对棉花纤维品质与棉籽品质有所改良。

3 结论

本研究结果表明，BC5F3:5群体内遗传变异较为丰富，遗传背景基本恢复至轮回亲本“中棉所36”。群体棉籽油分与蛋白质含量的超轮回亲本比例在35.49%～76.00%之间。简单相关分析结果表明，四个环境下棉籽油分含量与各纤维品质性状均呈负相关，棉籽蛋白质含量与各纤维品质性状均呈负相关，马克隆值与上半部平均长度、断裂比强度均呈极显著负相关或显著负相关，其余棉花纤维品质各性状之间均呈显著正相关或极显著正相关。不同环境对棉籽中蛋白和油分含量、棉花纤维品质性状的影响均达到极显著水平，环境是影响表型变异的主要因素。

结合上述分析结果，从群体中挑选综合性状优良，棉籽油分含量、蛋白质含量与棉花纤维品质均表现突出的20个单株用于进一步研究。研究结果为棉花种子品质改良提供了理论基础，并可为棉籽的综合利用和棉花生产提供了有益的借鉴。

4 讨论

棉籽是全球主要的天然初级食用植物油的原料，棉籽中油分含量可达35%～45%，棉籽油中含有大量人体所必需的脂肪酸，可作为生活食用油或生产生物柴油。蛋白质是棉仁中重要的营养成分，陆地棉中蛋白质含量约占棉籽重的20%，占棉仁重的30%～35%，棉籽食用蛋白质中的总含硫氨基酸比大豆高68%[9]。棉花的育种主要目标是高产和优质[28]，随着棉籽油分等在国民经济地位中的日渐提高，同步改良棉籽质量、棉花产量与纤维品质成为育种工作者的重要研究方向。含有优异基因的染色体片段代换系可用于作物聚合育种和分子设计育种[29-30]。本研究使用的棉花染色体片段代换系BC5F3:5以陆地棉“中棉所 36”为受体亲本，高油海岛棉“Hai 1”为供体亲本进行多代回交自交所得。以陆地棉为遗传背景构建海岛棉染色体片段代换系，能克服陆海种间育种的遗传累赘和杂交不育等系列问题[31]，实现海岛棉优异性状基因向陆地棉渐渗，为棉花聚合育种和分子设计育种创制丰富的材料[25]。

BC5F3:5群体各性状平均值和轮回亲本“中棉所36”接近，初步说明该代换系群体遗传背景与“中棉所36”基本一致。“中棉所36”性状表现相对稳定，而BC5F3:5群体棉籽成分含量等性状变异幅度相对较大，变异系数位于1.6%～5.95%之间。蛋白质和油分含量在该群体中存在较大的遗传变异，且二者之间呈负相关关系。四个环境下棉籽油分与各纤维品质性状均呈负相关，在2015、2016两个不同年份河南安阳环境下，棉籽油分含量与上半部平均长度、整齐度指数、断裂比强度均呈极显著负相关。在2015年安阳、2015年石河子、2016年安阳环境下，棉籽蛋白含量均与整齐度指数、马克隆值呈极显著正相关。四个环境下，马克隆值与上半部平均长度、断裂比强度均呈极显著负相关或显著负相关，其余棉花纤维品质各性状之间均呈显著正相关或极显著正相关。群体内部存在丰富的遗传变异，并且存在品质性状表现优异的单株。方差分析结果也为调控棉籽油分和蛋白成分含量、棉花纤维品质性状提供了参考依据，我们可以通过调控环境因素来提高或降低棉籽及棉花其他性状的表现，以达到精准育种的目标。

由于气候条件、土壤环境、土壤养分等因素的差别，不同地区、不同年份下棉籽主要营养成分含量、棉花纤维品质等性状差别较大且相关性不一，品质表现及性状的稳定性也存在差异。进行棉籽各品质性状间及棉籽品质性状与棉纤维品质性状的相关性研究，可明确各性状间遗传相关关系，可根据相关关系选择改良其它性状而间接改良目标性状，进而提高育种选择效率，对开展目标材料的筛选和棉花分子育种利用具有重要意义。

本研究结合四个环境下不同的棉籽成分含量表型数据，筛选出了在四个环境下棉籽油分均表现良好的20个优质材料，由于相关性分析得知棉籽油分等含量性状与纤维品质性状呈负相关，故运用常规育种方法对棉籽油分含量性状与纤维品质性状的同步改良是有限的。为了提高棉花的生产利用价值，在棉花育种中既要改善提高纤维品质，也应把棉籽油分含量、蛋白质含量等性状改良作为棉花育种的目标。后续试验将利用上述选择的20个优质材料，进行分子标记辅助选择育种，以期望棉籽营养品质含量与棉花纤维品质均得到提升，达到二者同步改良的目的。