西北内陆早熟陆地棉品种的综合评价及育种演化

2023-02-01王彩香袁文敏刘娟娟谢晓宇马麒巨吉生陈炟王宁冯克云宿俊吉

中国农业科学 2023年1期

王彩香，袁文敏，刘娟娟，谢晓宇，马麒，巨吉生，陈炟，王宁，冯克云，宿俊吉

王彩香1，袁文敏1，刘娟娟1，谢晓宇1，马麒2，巨吉生1，陈炟1，王宁3，冯克云3，宿俊吉1*

1甘肃农业大学生命科学技术学院/省部共建干旱生境作物学国家重点实验室，兰州 730070；2新疆农垦科学院棉花研究所，新疆石河子 832000；3甘肃省农业科学院作物研究所，兰州 730070

【】综合评价近30年西北内陆棉区审定的早熟陆地棉品种，阐述该区域育成品种主要性状的育种演变规律，为西北内陆棉花新品种选育和主栽品种推荐提供参考依据。【】2020年和2021年分别在甘肃敦煌和新疆石河子对110个1988—2021年西北内陆棉区审定的早熟陆地棉品种与早熟、产量、纤维品质和株型相关的12个主要性状的表型进行鉴定；利用聚类分析、相关性分析和主成分分析等方法，对品种表型特征进行综合评分，筛选优良品种，并对其主要性状进行育种演化分析。【】110个早熟陆地棉参试品种的12个主要性状表型值分布范围较大，变异系数由大到小依次为：果枝长度＞单株结铃数＞吐絮率＞单铃重＞马克隆值＞纤维强度＞衣分＞纤维长度＞开花时间＞果枝夹角＞伸长率＞整齐度。通过聚类分析将110个早熟陆地棉品种分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ 4个类群，它们分别为优良纤维品质、早熟、松散株型和高产的品种类群。相关性分析表明，早熟性与产量和纤维品质相关性状均呈负相关，产量构成性状与纤维品质性状呈正相关，且多数性状之间达显著或极显著水平。利用主成分分析将12个主要性状简化为4个主成分，其累积贡献率达66.92%；并对110份早熟陆地棉品种进行综合评分，评分排名第一的品种为中棉113（0.67），该品种具有早熟、高产、纤维品质优良和株型相对松散等特征。进一步分析发现，甘肃审定品种的早熟性显著优于西北内陆和新疆审定品种，产量和纤维品质相关性状显著低于西北内陆和新疆审定品种。西北内陆早熟陆地棉品种在30多年的演化过程中，多数产量和纤维品质相关性状呈显著上升的变化趋势，株型向更为紧凑的趋势演变；早期育成品种的单株结铃数与单铃重、衣分、纤维长度和强度呈负相关，而近期育成品种单株结铃数与单铃重、衣分、纤维长度和强度呈正相关。【】西北内陆早熟陆地棉品种在育种改良过程中，与产量和纤维品质相关的主要性状指标分布广泛，逐年呈显著提升的演变趋势；近期育成品种已实现了单株结铃数与纤维长度和强度的协同提高。

陆地棉；早熟；产量；纤维品质；株型；西北内陆棉区；育种演化

0 引言

【研究意义】棉花（spp.）不仅是纺织工业重要的天然纤维来源，而且是关系国计民生的战略物资，在中国国民经济中的地位举足轻重[1]。西北内陆棉区是中国目前最重要的主产棉区，该棉区涵盖新疆维吾尔自治区吐鲁番盆地、塔里木盆地和准格尔盆地西南及甘肃省河西走廊西端的广泛区域，植棉区域主要包括新疆北疆和甘肃河西地区的西北内陆早熟棉区和分布于新疆南疆的西北内陆早中熟棉区[2-3]。西北内陆早熟棉区（新疆北疆和甘肃河西棉区）春季气温回升慢、终霜结束晚，秋季气温下降快、初霜开始早，无霜期相对较短，有效积温相对较低，更适于种植早熟棉花品种[4-5]。此外，机械采棉技术在西北地区得到了迅速发展和广泛推广，棉花机收前期需要喷施脱叶剂以促进棉铃集中吐絮，便于后期机械采棉。吐絮率等早熟性状是评价棉花品种能否适宜机收最主要的评价指标之一，对提高机采棉顶部铃产量和纤维品质极为重要[6]。因此，早熟性是西北内陆棉花育种最重要的目标性状，在植棉全程机械化进程的大背景下，早熟陆地棉在西北乃至全国棉花生产中占有重要的地位。【前人研究进展】棉花早熟性是一个综合性状，一般认为早熟陆地棉品种具有始节位较低，植株较矮，开花期和吐絮期较早等特点[7-8]。近年来，随着早熟陆地棉品种种植需求的增加，人们对早熟陆地棉品种资源的研究也愈来愈多，并取得较大的进展。董章辉等[9]利用SSR标记，对来自黄河流域棉区的83份早熟抗虫棉种质进行遗传多样性分析，发现早熟棉遗传基础比较狭窄，建议要创制新的早熟棉种质资源。徐敏等[10]对新创制的144份早熟陆地棉种质资源进行聚类分析与评价，将这些材料分为早熟、抗病、大铃、高产、高衣分及优质等类群种质，便于今后育种利用。徐濉喜等[11]利用SSR标记对219份新疆早熟陆地棉种质资源进行研究，发现其遗传多样性较低；并且基于关联分析发掘了一些与纤维品质性状相关的优异等位变异及典型材料。SU等[12-13]对160份中国早熟陆地棉种质资源进行简化测序开发SNP标记，基于全基因组关联分析发掘了早熟陆地棉中控制产量和纤维品质相关性状的优异等位变异和候选基因。综上所述，众多学者基于表型性状、SSR和SNP标记对早熟陆地棉种质资源遗传多样性进行研究，其多数研究认为中国目前早熟陆地棉种质资源遗传基础相对狭窄，有待进一步广泛收集、发掘和创新早熟陆地棉优异种质。【本研究切入点】目前，关于早熟陆地棉的研究主要集中于早熟陆地棉种质资源和早期新疆审定的一些品种。然而对近年来西北内陆早熟陆地棉品种（包含西北内陆、新疆和甘肃审定品种）的系统研究不足，缺乏对区域内甘肃审定品种的比较研究。【拟解决的关键问题】本研究以西北内陆、新疆和甘肃审定的110个早熟陆地棉的代表品种为试验材料，利用聚类分析、相关分析和主成分分析等研究方法，对其早熟、产量、纤维品质和株型的相关性状进行分析及综合评价，揭示西北内陆早熟陆地棉各个品种的优势性状，并筛选出综合性状优异的品种；分别对不同区域和不同时期审定品种的主要性状进行比较分析，以期阐明西北早熟陆地棉的育种演化趋势，为西北内陆早熟棉区棉花种质创新、新品种培育和推荐主栽品种提供参考信息。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选择110个西北早熟陆地棉代表性品种为试验材料（电子附表1）。包括西北内陆国家审定品种32个、新疆维吾尔自治区审定品种58个和甘肃省审定品种20个（国家和省级同时审定的品种，只记西北内陆国审）。按照品种审定年份，将110个品种分成5个不同育种时期的代表性品种。该5个育种时期分别为1988—2000年（11）、2001—2005年（12）、2006—2010年（27）、2011—2015年（12）和2016—2021年（48）（括号中数字为不同育种时期审定品种的数目）。西北内陆国家审定品种的种子由石河子农业科学研究院棉花研究所提供，新疆维吾尔自治区审定品种的种子由新疆农垦科学院棉花研究所提供，甘肃省审定品种的种子由甘肃农业科学院作物研究所和酒泉农业科学研究院提供。

1.2 试验方法

2020年，将试验材料种植于甘肃敦煌甘肃省农业科学院敦煌试验站试验田，采用1膜4行等行距种植模式，行距40 cm，株距15 cm，小区长为2.50 m、宽0.80 m，膜间距20 cm，采用畦灌方式。2021年将该批试验材料种植于新疆农垦科学院棉花研究所石河子试验田，采用1膜6行机采棉种植模式，行距为66 cm+10 cm，株距为10 cm，小区长2.50 m、宽0.76 m，采用膜下滴灌技术。2个试验点每个品种均种植2行，随机区组设计方法，3次重复。所有试验材料采用人工点播方式进行播种，化学调控、除草、人工打顶和化学脱叶等按照当地试验田常规管理的方法进行。

1.3 表型性状的数据采集

开花时间（flowering time，FT）、吐絮率（boll opening rate，BOR）、单株结铃数（boll number per plant，BN）、单铃重（boll weight，BW）、衣分（lint percentage，LP）、纤维长度（fibers length，FL）、纤维强度（fiber strength，FS）、纤维马克隆值（fiber micronaire，FM）、纤维整齐度（fiber uniformity，FU）、纤维伸长率（fiber elongation，FE）、果枝夹角（fruiting branch angle，FBA）和果枝长度（fruit branch length，FBL）共12个性状的表型数据来自甘肃敦煌和新疆石河子2个试验点，表型鉴定标准参照棉花行业标准NY/T2673―2015[14]。具体采集方法如下：在6月下旬—7月上旬，每个品种开花植株达到总株数50%的日期为开花期，开花时间即为播种到开花期的天数。在8月上旬，每个小区选取长势整齐、均匀一致、连续有代表性的10株，用红毛线标记，8月中旬用捷立（GeeLii）数显角度测量仪对标记棉株中部果枝（第4、5、6台）的果枝夹角和果枝长度进行测量，获得其表型值。9月上中旬（喷施化学脱叶剂前），调查上述被标记10个单株上的总棉铃数及吐絮棉铃数（只对直径大于2.0 cm的棉铃进行统计），分别利用数学公式：吐絮率=（吐絮棉铃数/总棉铃数）×100%和单株结铃数=10株总棉铃数/10，计算获得吐絮率和单株结铃数的表型值。9月下旬，在各个小区中随机收取棉株中部20个棉铃并进行考种，获得单铃重和衣分的表型值。轧花后取10—15 g皮棉，用全自动棉花纤维测试仪HFT9000（印度Premier电子有限公司生产）检测获得纤维长度、纤维强度、马克隆值、纤维整齐度和纤维伸长率5项纤维品质的表型值。

1.4 表型数据的处理与分析

利用Excel 2019对2个环境下的各个性状表型的平均值进行描述统计。统计描述的基本特征数为：最大值（Max）、最小值（Min）、平均值（Mean）、标准差（SD）和变异系数（）。利用R包（ggtree）以所有性状表型值为数据基础，采用邻接法（Neighbor-Joining，NJ）绘制各个品种聚类图。利用SPSS 26.0对12个主要性状的表型数值进行相关性分析，同时对不同审定区域和不同审定年代的品种进行显著性及变化趋势分析；利用Origin 2018软件绘制箱线图。利用SPSS 26.0和Excel 2019软件，对110个早熟陆地棉品种12个性状的表型数值进行主成分分析。通过模糊隶属函数法将各个性状函数值定义在[0，1]区间内，计算公式如下：

U=（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）

式中，U表示隶属函数值，X表示品种在指标的测定值，Xmin与Xmax表示试验材料的最小值和最大值。对标准化后的各个性状进行主成分分析，将标准化的各个性状表型数值乘以相应主成分因子得分系数，计算各个主成分的得分（n）；然后结合主成分因子权重（Vn），通过公式=V11+V22+…+Vnn，计算出每个品种的综合得分（值），对各个品种进行综合评价。

2 结果

2.1 早熟陆地棉品种主要性状的表型分析

对110个早熟陆地棉品种的12个主要性状分2个环境进行统计（表1）。敦煌和石河子2个试验点各个品种开花时间的分布范围分别为64.00—84.33和64.33—81.33 d，其平均值分别为75.74和74.90 d。敦煌和石河子各个品种的吐絮率分布范围分别为43.28%—100%和32.91%—98.99%，2个环境下各品种吐絮率平均值分别为82.31%和74.18%，酒棉13号在2个环境下吐絮率均最高。敦煌和石河子各个品种单株结铃数的分布范围分别为2.10—12.60和3.40—9.50，各品种的单株结铃数平均值分别为6.81和5.90。敦煌和石河子各个品种单铃重的分布范围分别为3.72—6.99和4.19—6.60 g，2个环境下各品种单铃重平均值分别为5.73和5.37 g，单铃重最大品种为F015-5。敦煌和石河子各品种衣分的分布范围分别为29.72%—48.49%和32.99%—50.08%，各品种衣分的平均值分别为41.23%和42.60%，衣分最高品种为中棉113。敦煌和石河子各品种纤维长度分布范围分别为24.93—32.70和25.29—33.58 mm，各品种纤维长度平均值分别为29.58和29.67 mm，纤维最长品种是新陆早16号。敦煌和石河子各品种纤维强度分布范围分别为22.47—35.39和22.95—35.35 cN·tex-1，各品种纤维强度平均值分别为29.30和30.05 cN·tex-1。敦煌和石河子各品种果枝夹角分布范围分别是48.33°— 60.60°和39.16°—56.76°，各品种果枝夹角的平均值分别为53.04°和51.30°。敦煌和石河子各品种果枝长度的分布范围分别为3.94—33.70和3.27—14.99 cm，各品种果枝长度的平均值分别为10.16和7.64 cm。综上可见，在敦煌和石河子2个试验点，早熟陆地棉12个主要性状的分布范围均较大，且敦煌试验点调查的吐絮率、单株结铃数、单铃重、果枝夹角和果枝长度的平均值大于石河子试验点，衣分、纤维长度和纤维强度等性状的平均值低于石河子试验点。

变异系数由大到小依次为：果枝长度＞单株结铃数＞吐絮率＞单铃重＞马克隆值＞纤维强度＞衣分＞纤维长度＞开花期＞果枝夹角＞纤维伸长率＞纤维整齐度（表1）。2个环境变异系数均大于10%的性状有3个，分别是果枝长度、单株结铃数和吐絮率，果枝长度变异系数最大，平均值为34.22%。其余9个性状变异系数的平均值均在10%以下，其中，纤维整齐度和伸长率变异系数平均值小于2.00%。

2.2 早熟陆地棉品种聚类分析

基于12个主要性状的表型数值，利用邻接法对110个早熟陆地棉品种进行聚类分析，通过系统进化树节点可将其分为4个类群（图1）。第Ⅰ类群包含31个品种，该类群品种的纤维长度平均为30.47 mm、纤维强度平均为30.46 cN·tex-1、马克隆值平均为4.38、纤维整齐度平均85.28%和伸长率平均为6.93%，属于纤维品质优良的品种类群，其代表性品种为新陆早41号、H219-6和金垦1565。第Ⅱ类群包含29个品种，该群的品种具有吐絮率高（平均为91.35%）和开花时间短（平均为72.18 d）等特点，属于早熟性突出的类群，代表性品种为中棉113、酒棉13号和酒棉9号。第Ⅲ类群包含27个品种，该类群品种具有果枝长（平均为10.00 cm）、果枝夹角大（平均为52.48°）和其他性状指标居中等特点，属于株型较为松散的品种类群，代表性品种为新陆早49号、酒棉19号和中7700。第Ⅳ类群包含31个品种，该类群品种具有衣分高（平均为42.30%）和单株结铃数多（平均为6.33个）等特点，属于具有高产潜力的类群，其代表性品种为庄稼汉701、子鼎6和新陆早40号。进一步分析发现，除了第Ⅰ类群无甘肃审定的品种外，其他3个类群均有西北内陆、新疆和甘肃3个区域审定的品种。早熟性突出的第Ⅱ类群中，29个品种有14个来自于甘肃审定的品种，即说明甘肃品种的早熟性优良。

表1 早熟陆地棉品种12个主要性状的统计

FT：开花时间；BOR：吐絮率；BN：单株结铃数；BW：单铃重；LP：衣分；FL：纤维长度；FS：纤维强度；FM：纤维马克隆值；FU：纤维整齐度；FE：纤维伸长率；FBA：果枝夹角；FBL：果枝长度。下同

FT: flowering time; BOR: boll opening rate; BN: boll number per plant; BW: boll weight; LP: lint percentage; FL: fibers length; FS: fiber strength; FM: fiber micronaire; FU: fiber uniformity; FE: fiber elongation; FBA: fruiting branch angle; FBL: fruit branch length. The same as below

图1 基于表型性状的早熟陆地棉品种聚类图

2.3 早熟陆地棉品种主要性状表型的相关性分析

为了研究早熟陆地棉主要性状之间的关系，对12个主要性状的表型数据进行相关性分析。结果表明，各个性状之间均有着不同程度的显著性差异，并且多数性状之间存在极显著差异（图2）。对于2个早熟相关性状，开花时间与单铃重、纤维长度和整齐度呈极显著正相关，与马克隆值和伸长率呈极显著负相关；吐絮率与果枝长度、开花时间、单铃重、纤维长度、整齐度和伸长率呈极显著负相关。对于3个产量相关性状，单铃重与纤维长度、纤维强度和伸长率呈极显著正相关；衣分与整齐度和马克隆值呈显著正相关；单株结铃数与伸长率和果枝长度呈现显著正相关。对于5个纤维品质性状，纤维长度与单铃重、开花时间、整齐度、纤维强度和伸长率呈极显著正相关，与吐絮率和马克隆值呈极显著负相关；纤维强度与纤维长度、单铃重和伸长率呈极显著正相关，与马克隆值呈极显著负相关。对于2个株型相关性状，果枝夹角除了与果枝长度显著正相关外，与其他10个性状均呈负相关；果枝长度与果枝夹角、开花时间和单株结铃数呈极显著或显著正相关，与吐絮率呈极显著负相关。综合上述结果可知，陆地棉品种早熟性（较短开花时间和较大吐絮率）与果枝长度、单铃重、纤维长度、整齐度和伸长率极显著负相关，说明品种越早熟，单铃重越小、纤维品质越差、果枝长度越短。此外，还发现产量构成性状与纤维品质性状呈现正相关的关系，且部分性状之间达到了显著或极显著的水平。

*和**分别表示在0.05和0.01水平差异显著和极显著 * and ** indicate the significance level of 0.05 and 0.01, respectively

2.4 早熟陆地棉品种的主成分分析及优良品种筛选

从上述相关性分析的结果中发现，12个性状之间存在较为复杂相关关系。为了消除性状间相关性对品种评价产生的影响，对110份早熟陆地棉品种12个主要性状的表型数值进行主成分分析，以特征值大于1为标准，共确定了4个主成分，累积贡献率为66.92%（表2）。第1主成分的特征值为3.805，贡献率为31.71%，对应的特征向量中以纤维长度表型值最大（0.902），其次是纤维整齐度（0.802）、纤维强度（0.799）和纤维伸长率（0.797），说明第1主成分主要涉及与纤维品质相关的一些性状。其特征向量间的关系表明，纤维品质优良的品种，一般开花期较晚（开花时间较长）、单铃重较大。第2主成分的特征值为1.664，贡献率为13.86%，对应的特征向量中以吐絮率最大（0.544），说明第2主成分主要是与早熟性状相关，其特征向量间的关系表明，早熟性好的品种，一般果枝较短、果枝夹角较小。第3主成分的特征值为1.424，贡献率为11.87%，对应特征向量中的衣分（0.492）和单株结铃数（0.468）较高，说明第3主成分主要与产量构成性状相关；其特征向量间的关系表明，高产品种，一般马克隆值较大、果枝较长。第4主成分的特征值为1.137，贡献率为9.48%，对应的特征向量中果枝夹角的表型值最大（0.649），果枝长度也较大（0.184），说明第4主成分主要与株型性状相关；其特征向量间的关系表明，株型相对松散的品种，一般纤维品质较好。

表2 早熟陆地棉品种12个主要性状的主成分分析

根据各主成分Fn值及贡献率权重（0.474、0.207、0.178和0.142），计算出每个品种综合得分（值，电子附表1）。为了筛选优良品种，根据值大小，将110个早熟陆地棉主要性状综合得分进行排名。排在前10位的品种依次为中棉113、金垦1565、Y21、金科20、Z11-46、H216、庄稼汉902、Z1112、新陆早40号和新陆早53号（表3）。中棉113的综合得分（值）最高（0.67），新陆早7号的综合得分最低（0.05）。此外，对排名前十早熟陆地棉品种的9个关键性状（马克隆值、整齐度和伸长率除外）进行方差分析，结果显示，9个关键性状在10个优良品种之间均存在显著差异（表3），在早熟相关性状方面，开花时间最短的品种是中棉113（68 d），显著早于综合得分第二的金垦1565（75 d）；吐絮率最高的是新陆早53号（92.84%），与综合得分第一的中棉113（88.01%）无显著差异。在产量相关性状方面，中棉113的衣分最高（48.95%），显著高于其他品种；单株结铃数目最高的金科20（8.35），与综合得分第一的中棉113（7.39）无显著差异；单铃重最高的是H216（6.40）。在纤维品质方面，除Y21和新陆早53号外，其他综合得分前十的品种纤维长度和纤维强度均超过双30，属于纤维品质较好的品种。在株型方面，综合得分前十的品种中Y21、金科20、H216和新陆早40号均是果枝角度较小、果枝长度较短的株型紧凑型品种。

表3 排名前十位早熟陆地棉品种9个关键性状的比较分析

不同小写字母表示在0.05水平差异显著 Different lowercase letters indicate the significance level of 0.05

2.5 不同审定区域早熟陆地棉品种主要性状的表型比较

对3个不同区域审定品种的12个主要性状进行比较分析（图3）。对于2个早熟相关性状，甘肃审定的品种开花时间显著早于西北内陆和新疆审定的品种，吐絮率显著大于西北内陆和新疆审定的品种。从单株结铃数、单铃重和衣分3个产量构成性状来看，甘肃审定的品种要低于西北内陆和新疆审定的品种。特别是衣分性状，甘肃审定的品种显著低于西北内陆和新疆审定的品种。对于纤维品质性状，甘肃审定的品种纤维品质低于新疆审定的品种，新疆审定的品种低于西北内陆审定的品种。主要体现在甘肃审定品种的纤维长度、整齐度和伸长率显著低于西北内陆和新疆审定的品种，新疆和甘肃审定品种的纤维强度显著于低于西北内陆区审定品种。对于株型相关性状，甘肃审定品种的果枝夹角显著大于西北内陆和新疆审定的品种；果枝长度小于西北内陆和新疆审定的品种，但是未达到显著水平。结果表明，甘肃审定的品种早熟性要显著优于西北内陆和新疆审定的品种，产量和纤维品质相关性状要显著低于西北内陆和新疆审定的品种，株型较西北内陆和新疆审定的品种更紧凑。

不同小写字母表示在0.05水平差异显著。下同 Different lowercase letters indicate the significance level of 0.05. The same as below

2.6 不同时期育成早熟陆地棉品种主要性状的演变

为了分析西北内陆早熟陆地棉品种主要性状的演变趋势，将110个品种按照审定年份分成5个不同的育成时期（2000年前、2001—2005年、2006—2010年、2011—2015年和2016—2021年），对12个主要性状的演变情况进行分析（图4）。在早熟性方面，开花时间在早期4个时期呈现逐步缩短的趋势，而最近一个育成时期（2016—2021年）品种的开花时间有所延长；5个不同时期育成品种，随着年代的变化吐絮率演变趋势与开花时间相反。在3个产量构成性状上，单株结铃数、单铃重和衣分随着年代的变化，均呈现出递增的趋势，且最近育成品种（2016—2021年）的衣分显著高于2000年前育成的品种、单株结铃数显著多于2010年前育成的品种。在纤维品质方面，纤维长度、强度、整齐度和伸长率随着年代的增加，呈现显著上升的变化趋势；马克隆值未见明显的上升或下降的变化趋势。在株型相关性状方面，果枝长度和果枝夹角随着年代增加整体呈现一个下降的趋势。综上所述，西北内陆早熟陆地棉品种在不同时期的演化过程中，多数品种的纤维品质及产量相关性状呈现一个显著上升的变化趋势；早熟性呈现先升高后降低演变的趋势、株型有向更为紧凑演变的趋势，但均未达到显著水平。

图4 不同年代早熟陆地棉品种主要性状的演化趋势

以品种审定年份2010年为界，可将110个早熟陆地棉品种分为早期育成品种（1988—2010年，50个）和近期育成品种（2011—2021年，60个）两大类。为了进一步研究棉花主要性状育种演化规律，分别对早期和近期育成品种的12个主要性状进行相关性分析。结果发现，部分性状间相关系数在早期和近期育成品种间存在明显差异（表4）。早期品种开花时间与单株结铃数和衣分呈负相关，而近期品种开花时间与单株结铃数和衣分呈正相关；早期品种吐絮率与纤维强度呈负相关，晚期品种吐絮与纤维强度呈极显著负相关；早期品种单株结铃数与单铃重、衣分、纤维长度和强度呈负相关，而近期品种单株结铃数与单铃重、衣分、纤维长度和强度呈正相关；早期品种果枝长度与单铃重、衣分、纤维长度、纤维强度、整齐度和伸长率呈负相关，而近期品种果枝长度与单铃重、衣分、纤维长度、纤维强度、整齐度和伸长率呈正相关。结果表明，西北内陆早熟陆地棉品种在育种演化过程中，近期育成品种已实现了产量关键构成性状单株结铃数与品质关键性状纤维长度和强度的协同提高，而未能实现早熟性与产量和纤维品质相关性状的协同提高。近期育成品种中，熟性偏晚、果枝较长品种的产量和纤维品质相关性状指标具有较高表型值。

表4 早期和近期育成品种12个主要性状间相关性分析

*和**分别表示在0.05和0.01水平差异显著和极显著* and ** indicate the significance level of 0.05 and 0.01, respectively

3 讨论

3.1 早熟陆地棉品种在西北内陆棉区的重要性

西北内陆棉区是中国目前种植面积最大、产量最高、最具国际竞争优势的棉花产区[15]。但该区域的新疆北疆和甘肃河西棉区，无霜期相对较短，有效积温相对较低、热量资源相对较差，属于西北内陆早熟棉区。因此，西北内陆早熟棉区不得不采取早播、密植、地膜覆盖和种植早熟品种等一系列农艺措施，以促进喜温作物棉花早熟，并获得高产[16-17]。在这些农艺措施中，种植早熟品种是提高棉花早熟性最有效的途径之一。因此，培育优良的早熟陆地棉品种在西北内陆棉区具有十分重要的意义。在过去手工采棉生产模式下，一般认为，生育期小于125 d的早熟陆地棉品种适宜在北疆和甘肃河西地区种植，而生育期在130—135 d的早中熟品种陆地棉品种适合在南疆早中熟棉区种植[18]。近十年来，西北内陆棉区机械化采棉技术发展迅速，已成为该地区棉花采摘的主要方式。为了便于机械化采收和保证顶部棉铃能够成熟，在施用脱叶剂进行化学脱叶催熟前，要求棉花品种应具有吐絮早而集中的特点[6]。目前生产上对品种吐絮率，特别是喷施脱叶剂时的品种吐絮率的要求越来越重视。一般来讲，喷施脱叶剂时的品种吐絮率要达到50%以上，这样才能保证顶部棉铃的产量和纤维品质[19-20]。因此，西北内陆早熟棉区，不仅要求陆地棉品种早开花和早吐絮，而且要求品种要吐絮集中，便于棉花机械收获。本研究在9月上中旬，喷施化学脱叶剂之前，调查并研究110个早熟陆地棉品种的吐絮率分布情况，发现该群体的吐絮率分布范围为43.13%—98.85%，平均值为78.25%。喷施化学脱叶剂前的吐絮率，在目前审定品种间存在广泛的差异。该结果说明大多数品种达到了喷施脱叶剂时吐絮率50%以上的要求，但是还有必要结合多个经济性状，综合评价选择更适宜机采的品种，为今后西北内陆棉区选育适宜机采早熟陆地棉品种提供了参考依据。

3.2 西北内陆早熟陆地棉品种主要性状的综合评价

种质资源综合评价是品种选择的关键，也是种质创新和新品种选育的基础。只有育种家和棉农对现有品种信息有全面的了解，才能更好地选择利用这些品种。早熟陆地棉品种对西北内陆早熟棉区的棉花生产具有举足轻重的作用。目前，关于西北内陆早熟陆地棉种质资源主要性状的研究，前人已取得了一些研究结果。如，聂新辉等[21]以51个“新陆早”系列品种为试验材料，15个性状表型鉴定结果表明，叶枝数变异系数最大（15.38%），其次为果枝始节高（12.50%）和有效铃数（10.98%），纤维整齐度的变异系数最小（0.85%）；徐濉喜等[11]以219份新疆早熟陆地棉种质资源为材料，对该批种质的15个主要性状进行鉴定，结果发现变异系数排在前三位性状分别为：始节位高（12.69%）、单株铃数（8.76）和株高（7.27%），排在后三位的性状分别是纤维整齐度（0.64%）、伸长率（1.70%）和单株果枝数（3.79%）。本研究对110个西北内陆早熟陆地棉品种进行12个性状表型鉴定，结果表明，果枝长度、单株结铃数和吐絮率等性状变异比较丰富，变异系数大于10%；纤维整齐度、纤维伸长率、果枝夹角、开花时间和纤维长度5个性状的变异系数小于5%。这与前人研究基本结果一致，纤维品质相关性状的变异系数小于产量和株型相关性状的变异系数。前人的多项研究结果表明，棉花早熟、产量和纤维品质相关性状两两之间存在负相关关系[22-25]。本研究试验材料包括众多近期育成的品种，相关性分析结果显示，早熟性与产量和纤维品质性状呈负相关，且多数相关性状达到了极显著或显著水平，这跟前人的研究结果相一致；而产量和纤维品质性状存在正相关，这个结果与前人的研究结果不同。主要性状间的相关系数的比较发现，早期品种单株结铃数与纤维长度和强度呈负相关，而近期品种单株结铃数与纤维长度和强度呈正相关；说明近期育成品种可能已经打破产量与纤维品质负相关的遗传累赘，实现了单株结铃数等产量构成产量和纤维品质关键性状纤维长度和强度的协同提升。

根据主成分值与其对应特征值的贡献率，人们计算粳稻[26]、大豆[27-28]、苎麻[29]、春兰[30]等植物各个品种的主成分综合得分，结合主要经济性状指标，筛选综合得分靠前的优异种质资源。本研究也通过主成分分析，对110个早熟陆地棉品种进行综合评分，筛选出了排名前十名的品种，并对这些品种的9个关键性状进行多重比较，发现评分靠前品种的综合性状优良，单个经济性状也排名靠前，这些经济性状间均存在显著差异。以排名第一的中棉113为例，该品种是110个早熟陆地棉品种中开花最早、衣分最高的品种，吐絮率与其最高值的新陆早53号无显著差异，单株结铃数目与结铃最多的金科20无显著差异，纤维长度和强度均超过双30标准，说明该品种实现了早熟、产量和纤维品质相关性状的协同提高。前期研究也报道中棉113是一个集早熟、高产、优质为一身，已成为确保西北早熟棉区高品质棉花稳定供应、超越“澳棉”品质标准的主栽品种[31-32]。本研究也发现早熟陆地棉品种中棉113具有早熟、高产、纤维品质优良和株型相对松散等特征。

3.3 西北内陆早熟陆地棉主要性状在育种过程中的演变趋势

开展早熟陆地棉主要性状表型的演变趋势研究，探寻主要性状在不同区域和不同时期审定品种的变化规律，可为主栽品种推荐及新品种选育提供参考依据。相吉山等[33]利用“新陆早”系列早期育成的41个品种，研究发现单铃重、衣分和皮棉产量逐年呈现显著递增的趋势；纤维长度逐年表现出显著的增长趋势，而纤维强度和马克隆值无显著变化趋势。陈民志等[34]以4个不同年代（1980s、1990s、2000s和2010s）的4个早熟陆地棉主栽品种为材料，研究发现株型呈现出紧凑型向较松散型转变的趋势，株高、果枝始节及其高度均呈现逐渐增加，上部果枝与主茎的夹角逐渐降低；与早期品种相比，后期品种的吐絮相对集中，对脱叶剂敏感，吐絮率、单株结铃数和衣分均明显增加，纤维长度、强度、伸长率和纺纱一致性明显改善。本研究利用1988— 2021年育成的110个早熟陆地棉品种，研究发现西北内陆早熟陆地棉在育种进程中，早熟性呈现出先增加后有略微减少的趋势，产量和纤维品质相关性状呈现出显著递增的趋势，株型呈现出由松散型向紧凑型演变的趋势。综上研究结果表明，西北内陆早熟陆地棉的育种改良过程中，多数与产量和纤维品质相关的经济性状得到了显著提升。此外，前期研究的试验材料均为新疆育成的早熟陆地棉品种，未对西北内陆早熟陆地棉品种（包括甘肃审定品种）的演变规律进行研究。本研究结果还发现甘肃审定品种的早熟性要优于西北内陆和新疆审定的品种，甘肃审定品种的产量和纤维品质相关性状要低于西北内陆和新疆审定的品种，该研究结果可为新疆和甘肃两地间的引种提供参考信息。

4 结论

甘肃审定品种的早熟性要优于西北内陆和新疆审定的品种，产量和纤维品质相关性状要低于西北内陆和新疆审定的品种。西北内陆早熟陆地棉品种在育种改良过程中，产量和纤维品质相关主要性状表型的分布广泛，且逐年呈现出显著提升的演变趋势。早期育成品种单株结铃数与单铃重、衣分、纤维长度和强度呈负相关，而近期育成品种单株结铃数与单铃重、衣分、纤维长度和强度呈正相关，说明近期育成品种已实现了单株结铃数与纤维长度和强度性状的协同提高。

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Comprehensive evaluation and breeding evolution of earlymaturing upland cotton varieties in the northwest inland of China

Wang CaiXiang1, yuan wenMin1, LIU JuanJuan1, Xie XiaoYu1, Ma Qi2, JU JiSheng1, CHEN Da1, wang ning3, feng KeYun3,Su JunJi1*

1College of Life Science and Technology, Gansu Agricultural University/State Key Laboratory of Aridland Crop Science, Lanzhou 730070;2Cotton Research Institute, Xinjiang Academy of Agricultural and Reclamation Science, Shihezi 832000, Xinjiang;3Crop Research Institute, Gansu Academy of Agricultural Sciences, Lanzhou 730070

【】This paper evaluated comprehensively early maturity upland cotton varieties in northwest inland cotton-growing region of China, and uncovered the evolution rules of the main traits from the breeding cultivars in the region. It provides a useful reference for recommendation and breeding of main cotton varieties in northwest inland region. 【】A total of 110 early-maturing upland cotton varieties which were approved in northwest inland cotton-growing region from 1988 to 2021 were applied, and phenotypic identification of 12 main traits related to early maturity, yield, fiber quality and plant architecture was carried out in Dunhuang, Gansu province and Shihezi, Xinjiang Production and Construction Corps in 2020 and 2021, respectively. Clustering analysis, correlation analysis and principal component analysis were respectively used to evaluate the phenotypic characteristics of the cultivars, and carry out the breeding evolution analysis of their main traits. 【】The phenotype value of 12 main traits had large distribution range from 110 early-maturing upland cotton varieties in northwest inland cotton-growing region of China. The variation coefficient in descending order is: fruit branch length (FBL), boll number per plant (BN), boll opening rate (BOR), boll weight (BW), fiber micronaire (FM), fiber strength (FS), lint percentage (LP), fiber length (FL), flowering time (FT), fruit branch angle (FBA), fiber elongation (FE), and fiber uniformity (FU). By cluster analysis, these cultivars were divided into four groups: Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ and Ⅳ, which were the population of high fiber quality, early maturity, loose plant type and high yield, respectively.Correlation analysis showed that early maturity was negatively correlated with yield and fiber quality related to traits, while the yield related to traits were positively correlated with the fiber quality traits, and most of them reached significant or extremely significant level. The 12 main traits were simplified into four principal components which had cumulative contribution rate of 66.92%. Based on the comprehensive evaluation results of these varieties by principal components, an excellent cultivar Zhongmian 113 ranked the first in the 110 early-maturing upland cotton varieties with a score of 0.67, which was characterized by early maturity, high yield and excellent fiber quality, and relatively loose plant type. Additionally, it was found that the early maturity character of cotton varieties approved in Gansu province was significantly better than that of varieties approved in northwest inland region and Xinjiang province, and the traits related to yield and fiber quality of cotton varieties approved in Gansu province were significantly lower than those of varieties approved in northwest inland region and Xinjiang province. During the breeding evolution of early maturing upland cotton varieties in northwest of China for more than 30 years, most of the traits related to yield and fiber quality showed significant upward trends, and the plant type was becoming more compact. BN was negatively correlated with BW, LP, FL and FS in early cultivars, while BN was positively correlated with BW, LP, FL and FS in recent cultivars.【】In the process of breeding and improvement of early maturing upland cotton varieties in northwest of China, the main traits related to yield and fiber quality had wide distribution, and they had significant improvement trends year by year. In the recently developed varieties, BN, FL and FS had been improved cooperatively.

upland cotton; early maturity; yield; fiber quality; plant architecture; northwest inland cotton-growing region of China; breeding evolution