35份棉花品系对黄萎病抗性鉴定及综合分析

2024-02-23欧阳单华宋东博柳自清郭旺珍顾爱星阿扎提古丽麦麦提图尔艾力卡尔江艾麦尔

新疆农业科学 2024年1期

欧阳单华,赵康,宋东博,柳自清,郭旺珍,刘燕,顾爱星,阿扎提古丽·麦麦提图尔,艾力卡尔江·艾麦尔

(1.新疆农业大学农学院/棉花教育部工程研究中心/农林有害生物监测与安全防控重点实验室,乌鲁木齐 830052;2.南京农业大学农学院,南京 210095;3.新疆冠丰农业科技有限公司,新疆石河子 832000)

0 引言

【研究意义】棉花是我国主要的经济作物[1-2]。由大丽轮枝菌引起的棉花黄萎病是棉花生产中主要病害之一,其通过根部侵染植物,由维管组织自下而上传染,阻碍植物对水分的吸收,影响棉花果枝生长、棉铃发育、产量与品质[3],严重时可导致产量损失30%以上[4-5]。近年来,我国陆续从国外引进德字棉、岱字棉和斯字棉等,培育出了产量好、品质优和抗枯萎黄萎病等不同变异类型的棉花品种[6]。棉花产量、品质和抗逆性是棉花育种的重要目标[7-8]。种质资源是拓宽作物遗传基础的重要来源[9]。研究棉花主要性状之间的相关性对评价多种性状联合选择具有重要意义[10]。【前人研究进展】庄生仁[11]研究了黄萎病发病程度对新陆早1号、中棉所16和陇棉1号的影响,结果表明不同发病程度对棉花产量及其构成要素的影响由大到小依次为皮棉产量、籽棉产量、单株结铃数、铃重、果枝数、株高及衣分。顾爱星等[12]对棉花杂交后代抗黄萎病鉴定研究发现,随着相对病情指数增加,衣分和单铃重降低。万刚等[13]对耐病品种石惠11号、石惠12号的研究发现,随着黄萎病情的加重,纤维长度、整齐度逐渐降低,比强度则因品种而有所不同。郭宝生等[14]通过对棉花的黄萎病抗性鉴定发现达到抗病或接近抗病水平的大部分品种(系)来自于海岛棉、陆地棉、野生棉远缘杂交后代,所以远缘杂交是陆地棉黄萎病抗性改良的有效手段。主成分分析的综合评价值,可以在保持原有信息的同时,将各指标转化为可相互比较的独立因子,从而更全面评价植物耐受性[15]。有文献显示主成分分析方法在谷子[16]、小麦[17]和花生[18]等多种作物上均得到了较好的应用。李兴河[19]用主成分分析散点图和聚类分析相结合的方法,筛选出可用作棉花育种亲本的25份高产、优质资源材料。【本研究切入点】前人研究方法大多将主成分分析和聚类分析分开评价种质资源[20]。虽然前人在棉花耐黄萎病鉴定上做了较多研究,但与产量、品质相关的筛选棉花种质资源的研究较少。需鉴定及综合分析棉花品系对黄萎病的抗性强弱。【拟解决的关键问题】选取35份棉花品系为研究对象,对棉花主要性状进行描述性统计、相关性分析、主成分分析和聚类分析,为新疆棉花种质资源创制提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料

田间试验于2021年4月在新疆生产建设兵团第八师144团新疆农业大学棉花育种基地进行,该基地0～40 cm土壤养分含量分别为有机质13.84 g/kg、速效钾248.14 g/kg、碱解氮65.33 mg/kg、速效磷14.70 mg/kg。采用1膜6行的播种模式,3次重复,每个小区2行,播幅2.35 m,行长2.00 m,株距0.10 m。

供试品系为自育材料35份,由新疆农业大学农学院棉花病害研究室提供,海陆杂交后代(军海1号×辽棉18号):4株系11份(新海20号×硕丰1号):37株系12份(108夫×新海16号):10Q株系6份;陆陆杂交后代(辽棉18号×军棉1号):44株系2份,CQJ株系4份[12,21-22]。表1

1.2 方法

8～9月待棉花黄萎病发病均匀一致时进行抗病鉴定,每品系调查10株,根据文献研究[23-24],按棉花剖秆病情分级记录各供试品种(系)发病等级,根据发病等级计算相对病情指数(relative disease index,IR)。抗性反应型划分为5类:免疫(I),病情指数0;高抗(HR),病情指数0～10.0;抗病(R),病情指数10.1～20.0;耐病(T),病情指数20.1～35.0;感病(S),病情指数>35.0。选取每个重复连续5株,测量棉株的株高(plant height,PH)、始节高(height of the first branch,BSH)、果枝数(fruit branch number,FBN)、有效果枝数(effective fruit branch,EFNB)和铃数(the boll number,TBN)、有效铃数(effective boll number,EBN)。

每个品系收获连续10株,在室内对其称重、轧花,计算其单株籽棉产量(seed cotton yield per plant,SCYPP)、单株皮棉产量(lint yield per plant,LYPP)、铃重(bell weight,BW)和衣分(lint percentage,LP),同时称取10 g纤维样品,送往农业农村部棉花质量监督检验测试中心(乌鲁木齐)测定纤维品质,包括上半部平均长度(upper half mean length ,UHML)、整齐度(uniformity index,UI)、断裂比强度(fiber strength,Str)、伸长率(elongation ratio ,Elg)、短纤维指数(short fiber index,SFI)、纺纱均匀性指数(spinning consistency Index,SCI)和马克隆值(micronaire,Mic)。

1.3 数据处理

采用Excel 2020对数据进行整理统计,采用origin 2021和IBM SPSS27进行相关性分析、主成分分析和聚类分析。

主成分综合评价值:

PC1=0.842PH+0.093BSH+0.779FBN+0.833EFBN+0.877TBN+0.886EBN+0.044BW+0.092LYPP+0.312SYPP-0.486LP-0.033IR-0.470UHML-0.513UI-0.431Str+0.089Elg+0.663SFI-0.534SCI+0.129Mic.

(1)

PC2=0.188PH-0.204BSH+0.451FBN+0.390EFBN+0.352TBN+0.285EBN-0.036BW-0.163LYPP-0.027SYPP-0.502LP+0.185IR-0.758UHML+0.339UI+0.621Str+0.020Elg-0.398SFI+0.806SCI-0.767Mic.

(2)

PC3=0.244PH+0.640BSH-0.087FBN-0.034EFBN+0.054TBN+0.137EBN+0.716BW+0.899LYPP+0.861YPP+0.287LP-0.083IR+0.100UHML+0.322UI+0.153Str-0.437Elg-0.282SFI+0.180SCI+0.124Mic.

(3)

PC4=0.132PH+0.239BSH+0.056FBN-0.011EFBN-0.083TBN-0.115EBN-0.038BW+0.048LYPP+0.077SYPP-0.133LP+0.489IR-0.111UHML+0.524UI-0.420Str+0.659Elg-0.171SFI-0.056SCI-0.063Mic.

(4)

PC5=0.184PH+0.420BSH+0.071FBN+0.193EFBN+0.010TBN-0.020EBN-0.393BW-0.155LYPP-0.220SYPP+0.165LP+0.435IR-0.163UHML+0.036UI+0.303Str-0.346Elg-0196SFI-0.040SCI+0.361Mic.

(5)

F=(29.636%PC1+19.019%PC2+17.249%PC3+7.214%PC4+6.141%PC5)/79.259%.

(6)

2 结果与分析

2.1 不同棉花品系的抗病性鉴定

研究表明,35份棉花品系的相对病情指数有21份材料小于35,占总材料的46.67%,其中1号(4-13)、2号(4-22)、10号(4-2-7-3)和16号(10Q-67-3)品系,表现最好,抗病指数小于20,为抗病性品种。表1

2.2 不同棉花品系的变异系数

研究表明,变异系数范围为1.67%(整齐度UI)～43.69%(相对病情指数IR),基本排序为整齐度<上半部平均长度<衣分<断裂比强度<纺纱均匀性指数<伸长率<马克隆值<始节高<铃重<短纤维指数<株高 <果枝数<有效果枝数<单株籽棉产量<单株皮棉产量<有效铃数<铃数<相对病情指数。35份棉花品系的各性状指标整齐度和上半部平均长度的变异系数小于10%,受遗传因素影响较大,具有稳定性。其余16个性状变异系数均大于10%,与环境互作明显,存在丰富的变异,具有极大的性状改良潜力。表2

表2 不同棉花品系描述性统计

2.3 35份棉花品系的主要性状相关性

研究表明,株高与果枝数、有效果枝数、铃数和有效铃数之间呈显著正相关;始节高与单株皮棉产量呈极显著正相关;铃重与单株皮棉产量和单株籽棉产量之间呈极显著正相关;株高与始节高、单株籽棉产量和短纤维指数,单株籽棉产量与始节高、有效铃数,衣分与单株皮棉产量、整齐度与上半部平均长度,两两之间呈显著正相关;衣分与株高、果枝数、有效果枝数、铃数、有效铃数呈极显著负相关;整齐度与铃数、有效铃数之间呈显著负相关;上半部平均长度与断裂比强度、纺纱均匀性指数,铃数、有效铃数与短纤维指数,纺纱均匀性指数与整齐度、断裂比强度之间呈极显著正相关;上半部平均长度与短纤维指数、整齐度、断裂比强度和马克隆值,纺纱均匀性指数与短纤维指数、马克隆值之间呈极显著负相关。单株皮棉产量与各性状之间相关性不一,与品质性状之间也存在制约。图1

注：* 和**分别表示在 0.05和0.01 水平上差异显著

2.4 35份棉花品系的主成分变化

研究表明,筛选前5个特征根值大于1的主成分。特征根值分别为5.334、3.423、3.105、1.298和1.105,贡献率分别为29.636%、19.019%、17.249%、7.214%和6.141%,累计贡献率达到79.259%,涵盖了35份棉花品系的大多数遗传信息。

其中与PC1相关性最高的性状为株高(0.842)、有效果枝数(0.833)、铃数(0.877)和有效铃数(0.886),将其命名为植株性状因子,果枝数、成铃数多的棉花,则棉花相应的株高也较高;PC2特征向量值最大的分别为上半部平均长度(0.758)、断裂比强度(0.621)和纺纱均匀性指数(0.806),主要反映棉花相关品质性状,将其命名为品质选择因子。上半部平均长度比较好的棉花,其断裂比强度和纺纱均匀性指数也比较好;PC3载荷最高的是铃重(0.716)、单株皮棉产量(0.899)和单株籽棉产量(0.861),将其命名为产量因子;与PC4相关性最高的性状是整齐度(0.524)和伸长率(0.659),将其命名为伸长率和整齐度选择的综合因子。伸长率高的棉花,整齐度较好;PC5与单株产量及产量构成因素的特征向量相关性较低或为负值,可将其命名为低产量构成因子。单铃重和有效铃数较低的棉花,产量也相应较低。表3

表3 35份棉花品系的主成分

2.5 35份棉花品系综合评价

研究表明,35份棉花品系的综合评价,排名前10的材料依次为17号(10Q-69)、18号(37-101-5)、21号(37-129-3)、19号(37-101-3)、3号(4-8-2-1)、30号(44-17-8)、8号(4-18)、29号(37-94-5)、34号(CQJ-5Z6)和14号(10Q-44)。表4

表4 35份棉花品系综合得分及排名

2.6 聚类分析

研究表明,将35份棉花品系材料种质资源,用 SPSS 19.0系统聚类的组内联接法,依照欧式距离>10的标准,分为4大类。图2

图2 35份棉花品系种质聚类

第I类和第Ⅱ类有4个材料分别为17号(10Q-69)、1号(4-13)、2(4-22)和19号(37-101-3),该类品质优异,抗病性强类群,但产量低。株高矮,果枝数铃数少,单铃重高,单株皮棉产量低,病情指数较低,上半部平均长度长,断裂比强度高,纺织参数高。

第Ⅲ类有9个材料,包括29号(37-94-5)、18号(37-101-5)和8号(4-18)等。该类为高产类群,但品质差,抗病性弱。株高、始节高较高,果枝数、铃数较多,单铃重较高,衣分较高,单株产量较高,病情指数高上半部平均长度较短,整齐度较差,断裂比强度较高,伸长率较差,短纤维指数较高,纺织参数较小,马克隆值较大。

第Ⅳ类有22个材料,包括9号(4-20-2)、23号(37-172-7)和30号(44-17-8)等。该类为耐病性类群,但产量略低,品质略差。株高、始节高较高,果枝数、铃数多,单铃重较低,衣分较低,单株产量较低,病情指数较低,上半部平均长度较短,整齐度较差,断裂比强度较低,伸长率较好,短纤维指数较高,纺织参数较小,马克隆值较高。图2

3 讨论

3.1 不同棉花品系的抗病性鉴定与变异

黄萎病是影响棉花高产、稳产、优质的主要病害之一[23]。近年来我国棉花抗黄萎病研究不断深入,丰富了各类抗性种质遗传基础[9]。研究中35份棉花品系有21个品系相对病情指数小于35,占总材料的46.67%,其中1号(4-13)、2号(4-22)、10号(4-2-7-3)和16号(10Q-67-3),表现最好,抗病指数小于20,为抗病性品种。但与前人研究一样,未发现免疫材料[24-25]。

若育种进程中忽略了部分遗传信息,会导致遗传变异水平逐渐降低[26]。变异系数是体现表型性状多样性程度的指标,性状变异系数大于10%,样本材料间有较大的差异[27-28]。研究中18个性状的变异系数,除整齐度和上半部分长度外,其余性状变异系数均大于10%,其中不同材料间有效铃数、铃数、单株皮棉产量和单株籽棉产量有较大的差异,和李慧琴[28]、刘剑光[29]研究结果基本一致。

3.2 35份棉花品系的主要性状相关性

李兴河[19]对80份棉花种质资源研究表明,单株铃数与衣分、籽棉产量存在呈极显著相关,即棉花单株铃数越多,衣分越高,籽棉产量越高,与试验研究一致。研究结果显示陆地棉株高与始节高、单株铃数和果枝数密切相关,与马肖[30]和李慧琴[28]研究结果基本一致。棉花上半部分长度与断裂比强度、纺纱指数呈极显著正相关,与整齐度呈显著性相关,与马克隆值呈极显著负相关,棉花纤维的长度、强度和生产品质可以同步改良,与王海涛[31]研究结果一致。

3.3 35份棉花品系的主成分

刘娜[32]用主成分分析将盐碱胁迫下的319份陆地棉主要性状,分为三类因子,一是对纤维品质与性状进行客观反映,二是对产量等经济性状进行反映,三是对植株的长势进行反映。与试验研究基本一致,但未对棉花品质性状做进一步研究。研究涵盖了35份棉花品系产量品质和抗病性等多个指标,主成分分析将18个主要性状简化为5个主成分,其累计贡献率达79.259%,有效铃数、纺纱均匀性指数、皮面产量、伸长率和整齐度、低产量因子能基本反映全部特征。贡献率由大到小依次是:植株性状因子>品质选择因子>产量因子>伸长率和整齐度选择的综合因子>低产量构成因子,贡献率分别为29.636%、19.019%、17.249%、7.214%和6.141%。

3.4 聚类分析

聚类分析是种质资源研究的常用手段之一。杨涛[33]利用主成分分析产生的综合评价值D,将175份海岛棉分成3个类群。但综合评价值只反映数量变异的大小,无法直观衡量各品系的实际情况,研究将35份棉花品系18个主要性状经过系统聚类分析,分为四个类群,棉花黄萎病抗性与产量性状、品质性状有着极其密切的关系,不能只注重单一性状改良,需要协调棉花产量纤维品质及抗逆性。表型结果受环境影响较大,为提高棉花种质资源研究结果的准确性,仍需结合多年多点试验深入探究。