楊延龍，馬 君，師維軍

(新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，烏魯木齊 830091)

0 引 言

【研究意義】近年來(lái)，我國(guó)西北內(nèi)陸棉區(qū)發(fā)展迅速，特別是新疆，棉花種植面積占全國(guó)棉花種植總面積的比例由2015年的50.13%增加到2019年的76.08%[1]。種質(zhì)資源是培育優(yōu)良品種和進(jìn)行相關(guān)基礎(chǔ)研究的根本[2]。研究表型性狀的遺傳多樣性是種質(zhì)資源工作的基礎(chǔ)，也是遺傳演化規(guī)律研究和育種的理論基礎(chǔ)，對(duì)發(fā)掘控制重要表型性狀的相關(guān)基因及育種實(shí)踐均具有較強(qiáng)的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義[3-4]。20 世紀(jì) 50 年代起我國(guó)新疆廣泛種植陸地棉品種[5-7]。引入國(guó)內(nèi)外棉花種質(zhì)資源，發(fā)掘外來(lái)棉花種質(zhì)的優(yōu)異資源，對(duì)于改善棉花種質(zhì)資源遺傳基礎(chǔ)，拓寬棉花種質(zhì)基礎(chǔ)，提高育種水平仍有重要意義。【前人研究進(jìn)展】已有研究對(duì)引進(jìn)棉花種質(zhì)資源的主要農(nóng)藝特性及經(jīng)濟(jì)性狀進(jìn)行了鑒定及遺傳多樣性分析[8-14]，篩選出具有不同特性的各類(lèi)優(yōu)異材料。劉存敬等[8]對(duì)引進(jìn)國(guó)外129份和國(guó)內(nèi)的72份陸地棉種質(zhì)資源的農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量及產(chǎn)量因子和纖維品質(zhì)等性狀進(jìn)行了系統(tǒng)的鑒定，引進(jìn)材料同國(guó)內(nèi)材料相比，引進(jìn)材料具有株高較矮、果枝節(jié)位較低，鈴重較高，強(qiáng)度高，細(xì)度好的特點(diǎn)，篩選出早熟、矮稈、高衣分、高籽指、長(zhǎng)纖維、高強(qiáng)度和細(xì)度好等不同特性的優(yōu)異材料44份。張香桂等[10]對(duì)引進(jìn)國(guó)外的154份陸地棉種質(zhì)材料進(jìn)行了種植鑒定，引進(jìn)材料類(lèi)型較豐富，篩選出矮稈、高籽指、高強(qiáng)纖維、苞葉皺縮扭曲、雞腳葉、紫稈黃花白絮、芽黃、無(wú)蜜腺、無(wú)酚等類(lèi)型豐富的各類(lèi)材料。尹慧慧等[14]以134 份國(guó)外棉花種質(zhì)為試驗(yàn)材料，研究了其主要品質(zhì)與農(nóng)藝性狀的變異情況、遺傳多樣性指數(shù)、品質(zhì)性狀間的相關(guān)性，并以主要農(nóng)藝與品質(zhì)性狀為指標(biāo)，對(duì) 134 份種質(zhì)進(jìn)行了聚類(lèi)分析和主成分分析。通過(guò)綜合 35 份纖維品質(zhì)優(yōu)異的種質(zhì)與 58 份農(nóng)藝性狀優(yōu)異的種質(zhì)篩選出美 1870、美 1884、FM1830 等 14份品質(zhì)與產(chǎn)量俱佳的優(yōu)異種質(zhì)，作為雜交親本加以利用?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】我國(guó)新疆棉花在育種過(guò)程中遺傳背景還存在狹窄問(wèn)題。中亞國(guó)家與我國(guó)新疆氣候條件相似，種質(zhì)具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。需研究引進(jìn)棉花各材料的表型性狀，分析各材料的表型變異情況及多樣性指數(shù)?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】2013 年從塔吉克斯坦和吉爾吉斯斯坦收集到92份新的陸地棉種質(zhì)資源為材料，于 2015年在庫(kù)車(chē)陸地棉試驗(yàn)站種植，全面綜合評(píng)價(jià)這92份陸地棉種質(zhì)資源的表型多樣性，并進(jìn)行聚類(lèi)分析，對(duì)其數(shù)量性狀進(jìn)行相關(guān)性分析及主成分分析，為新疆棉花育種及種質(zhì)資源收集、保存和開(kāi)發(fā)創(chuàng)新利用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料為92份陸地棉種質(zhì)資源，于2012～2013年從塔吉克斯坦和吉爾吉斯斯坦收集而來(lái)，塔吉克斯坦收集70份，其中3份原產(chǎn)地分別為巴西、波蘭和美國(guó)；吉爾吉斯斯坦收集22份，其中1份原產(chǎn)地為烏茲別克斯坦、2份原產(chǎn)地為塔吉克斯坦，1份原產(chǎn)地為土耳其。表1

表1 材料及來(lái)源Table 1 The materials and their sources

1.2 方 法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于 2015年在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院庫(kù)車(chē)棉花試驗(yàn)站試驗(yàn)地進(jìn)行，采用完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì)，1膜4行種植，行距為30 cm+45 cm+30 cm+70 cm寬窄行配置，株距為12 cm，行長(zhǎng) 7 m，采用膜下滴灌栽培模式，人工點(diǎn)播。試驗(yàn)地肥力較好、均勻一致，土質(zhì)為黏土，田間管理同大田常規(guī)方法。

1.2.2 質(zhì)量性狀與數(shù)量性狀

參照 《農(nóng)作物種質(zhì)資源鑒定評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范棉花》[15]。從出苗到收獲按時(shí)期分別測(cè)定 25個(gè)質(zhì)量性狀和6個(gè)數(shù)量性狀，質(zhì)量性狀包括株型、植株色素腺體、莖色、主莖硬度、莖毛、葉片形狀、葉片顏色、葉蜜腺、葉基斑、花冠色、花粉色、柱頭高度、花基斑、苞葉形狀、苞外蜜腺、果枝類(lèi)型、鈴著生方式、鈴色、鈴形、吐絮程度、種仁色素腺體、短絨著生情況、短絨顏色、纖維有無(wú)、纖維顏色；數(shù)量性狀包括生育期、株高、第一果枝節(jié)位、單鈴重、衣分、籽指。

1.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)所調(diào)查記載的質(zhì)量性狀賦值后和數(shù)量性狀一起進(jìn)行基本的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，包括各性狀平均值、最大值、最小值、極差、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和多樣性指數(shù)，各性狀的計(jì)算均在 Microsoft Excel 2007中完成。

某性狀的多樣性指數(shù)H=﹣∑PilnPi，其中i為表型代碼(i=1，2，3，…) ，Pi為該性狀第i種表型代碼的出現(xiàn)頻率，即其在該性狀所有表型代碼中出現(xiàn)的比率，Pi=ni/n。

聚類(lèi)分析、相關(guān)性分析及主成分分析均在軟件SPSS19.0中進(jìn)行。聚類(lèi)分析采用離差平方和法( Ward' method)對(duì)遺傳距離矩陣進(jìn)行聚類(lèi)，種質(zhì)間的遺傳距離選用 Euclidean 距離，生成聚類(lèi)圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量形狀的基本統(tǒng)計(jì)(表2)

2.1.1 植株及果枝性狀

研究表明，株型的變異系數(shù)較大為23.31%，而多樣性指數(shù)較小為0.24，植株色素腺體的變異系數(shù)和多樣性指數(shù)均為0。果枝性狀調(diào)查了果枝類(lèi)型，變異系數(shù)和多樣性指數(shù)均較大，分別為24.14%和0.68。

表2 質(zhì)量性狀遺傳多樣性Table 2 The basic statistical analysis of genetic diversity of qualitative traits

2.1.2 主莖性狀

研究表明，主莖性狀變異系數(shù)變化范圍為0～18.44%，多樣性指數(shù)變化范圍為0～0.77 ，其中莖毛多少的變異系數(shù)和多樣性指數(shù)均最大，莖色的變異系數(shù)和多樣性指數(shù)均最小，各性狀變異系數(shù)和多樣性指數(shù)從大到小依次為莖毛多少>主莖硬度>莖色。

2.1.3 葉片及苞葉性狀

研究表明，除葉片顏色的變異系數(shù)和多樣性指數(shù)均較大(分別為17.53%和0.80)外，其他3個(gè)葉性狀的變異系數(shù)和多樣性指數(shù)均為0。調(diào)查的苞葉性狀包括苞葉形狀、苞外蜜腺2個(gè)性狀。2個(gè)苞葉性狀的變異系數(shù)和多樣性指數(shù)均為0。

2.1.4 花性狀

研究表明，4個(gè)花性狀變異系數(shù)變化范圍為0～24.06% ，多樣性指數(shù)變化范圍為0～0.49，其中柱頭高度的變異系數(shù)和多樣性指數(shù)均最大，花基斑的變異系數(shù)和多樣性指數(shù)均最小，花性狀的變異系數(shù)和多樣性指數(shù)從大到小均依次為柱頭高度>花粉色>花冠色>花基斑。

2.1.5 鈴性狀

研究表明，鈴著生方式和鈴色的變異系數(shù)和多樣性指數(shù)均為0，鈴形和吐絮程度的變異系數(shù)和多樣性指數(shù)均較大，分別為19.95%、16.46%和0.55、0.69。

2.1.6 種子及纖維性狀

研究表明，3個(gè)種子性狀的變異系數(shù)變化范圍為0～25.71% ，多樣性指數(shù)變化范圍為0～0.55，其中短絨顏色的變異系數(shù)和多樣性指數(shù)均最大，種仁色素腺體的變異系數(shù)和多樣性指數(shù)均最小。纖維性狀調(diào)查了纖維有無(wú)和纖維顏色2個(gè)性狀，2個(gè)性狀的變異系數(shù)和多樣性指數(shù)均為0。

主莖色素腺體、莖色、葉片形狀、葉蜜腺、葉基斑、花基斑、苞葉形狀、苞外蜜腺、鈴著生方式、鈴色、種仁色素腺體、纖維有無(wú)、纖維顏色共13 個(gè)性狀變異系數(shù)和多樣性指數(shù)均為 0，所調(diào)查的92份材料該性狀完全相同。其他各性狀變異系數(shù)和多樣性指數(shù)差異較大，變異系數(shù)最大的是短絨顏色為25.71% ，多樣性指數(shù)最大的是葉片顏色為0.80，變異系數(shù)和多樣性指數(shù)最小的均為短絨著生情況，分別為2.99%和0.06 。

2.2 數(shù)量性狀的基本統(tǒng)計(jì)

研究表明，不同性狀在不同材料之間均表現(xiàn)出很大差異，表現(xiàn)出明顯的形態(tài)多樣性。6個(gè)數(shù)量性狀分別為生育期、株高、第一果枝節(jié)位、單鈴重、衣分和籽指，這6個(gè)數(shù)量性狀變異系數(shù)的變化范圍為2.94%～10.44%，其中株高的變異系數(shù)最大為10.44%，生育期的變異系數(shù)最小為2.94%。其余4個(gè)性狀變異系數(shù)范圍為5.72%～7.78%，從大到小依次為單鈴重>第一果枝節(jié)位>籽指>衣分；數(shù)量性狀的多樣性指數(shù)均大于1，多樣性指數(shù)的變化范圍為2.58～4.52，平均為3.86，從大到小依次為單鈴重、衣分>株高>籽指>第一果枝節(jié)位>生育期。各材料的數(shù)量性狀存在較大差異，特別是產(chǎn)量構(gòu)成因素中的單鈴重變異系數(shù)和多樣性指數(shù)均較高，表現(xiàn)出了豐富的遺傳多樣性。表3

表3 數(shù)量性狀遺傳多樣性Table 3 The basic statistical analysis of genetic diversity of quantitative traits

圖1 基于棉花種質(zhì)資源表型性狀數(shù)據(jù)的聚類(lèi)Fig.1 Cluster map based on phenotypic traits data of cotton germplasm resources

2.3 基于表型性狀的聚類(lèi)分析

研究表明，在遺傳距離為2.5處，92份材料被分成6個(gè)組群。

第Ⅰ組有33份材料，塔吉克斯坦27份，吉爾吉斯斯坦5份，表現(xiàn)為莖毛最多，第一果枝節(jié)位最低的類(lèi)型；

第Ⅱ組有17份材料，均為塔吉克斯坦材料，表現(xiàn)為葉片顏色最淺，生育期較長(zhǎng)，株高最高，單鈴重較大，衣分最低，籽指最大的類(lèi)型；

第Ⅲ組有6份材料，塔吉克斯坦1份，吉爾吉斯斯坦5份，表現(xiàn)為株型僅塔吉克斯坦1份為筒型外，其余均為塔形，莖毛最少，葉片顏色最深，花柱高度最低，果枝類(lèi)型均為無(wú)限果枝，第一果枝節(jié)位最高，衣分最高，籽指最小的類(lèi)型；

第Ⅳ組有16份材料，塔吉克斯坦10份，吉爾吉斯斯坦6份，表現(xiàn)為吐絮程度最暢，生育期最短，單鈴重最小的類(lèi)型；

第Ⅴ組有6份材料，塔吉克斯坦4份，吉爾吉斯斯坦2份，表現(xiàn)為花柱高度最高，生育期最長(zhǎng)，單鈴重最大的類(lèi)型；

第Ⅵ組有14份材料，塔吉克斯坦10份，吉爾吉斯斯坦4份，表現(xiàn)為株高最矮類(lèi)型。

種質(zhì)資源的表型性狀與種質(zhì)的來(lái)源地及原產(chǎn)地沒(méi)有必然的聯(lián)系。圖1，表4

表4 不同類(lèi)群表型性狀的平均表現(xiàn)Table 4 The average performance of phenotypic traits to each group

2.4 數(shù)量性狀的相關(guān)性

研究表明，生育期與株高和單鈴重表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)，與單鈴重的相關(guān)系數(shù)為0.626；株高與各性狀相關(guān)性不顯著；第一果枝節(jié)位與衣分表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)；鈴重與籽指表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)，與衣分表現(xiàn)出極顯著的負(fù)相關(guān)；同樣，衣分與籽指也表現(xiàn)出極顯著的負(fù)相關(guān)。表5

表5 數(shù)量性狀的相關(guān)性Table 5 Correlation analysis of quantitative traits

2.5 數(shù)量性狀的主成分

研究表明，第1主成分的特征值為2.24，貢獻(xiàn)率為 37.37% 。在其特征向量中，載荷為正值的性狀有生育期(0.53)、單鈴重(0.51) 、籽指(0.42)和株高(0.31)，這4個(gè)性狀的增加會(huì)降低棉花衣分(-0.41)和第一果枝節(jié)位(-0.14)。

第2 主成分特征值為1.14，貢獻(xiàn)率為18.97% 。在其特征向量中， 6個(gè)性狀的載荷均為正值，從大到小依次為第一果枝節(jié)位(0.81)>衣分(0.46)>單鈴重(0.30)>生育期(0.18)>株高(0.11)>籽指(0.04)。

第3主成分的特征值為0.95，貢獻(xiàn)率為15.86% ，載荷為正值的性狀有株高(0.75)、衣分(0.29)和生育期(0.26)，這3個(gè)性狀為生物學(xué)特性不同類(lèi)型性狀，株高的增加導(dǎo)致棉花單鈴重(-0.20)和籽指(-0.43)的下降。

第4主成分的特征值為0.82，貢獻(xiàn)率為13.59%，載荷為正值的性狀有籽指(0.55)、株高(0.5)和第一果枝節(jié)位(0.26)，籽指過(guò)大會(huì)降低單鈴重(-0.42)和衣分(-0.19)，株高過(guò)高會(huì)延長(zhǎng)棉花生育期(-0.40)。表6

表6 數(shù)量性狀的主成分Table 6 Principal component analysis of quantitative traits

3 討 論

3.1 表型性狀的遺傳多樣性

表型性狀的差異是表型遺傳多樣性研究最直觀、最簡(jiǎn)單迅速的方法[16-17]。種質(zhì)資源遺傳多樣性作為現(xiàn)代育種工作的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[18]。研究表明，陸地棉不同性狀多樣性指數(shù)差異較大，利用表型性狀對(duì)陸地棉遺傳變異進(jìn)行分析應(yīng)該有所選擇。調(diào)查的25個(gè)質(zhì)量性狀中，主莖色素腺體、葉片形狀、苞葉形狀等共13 個(gè)性狀變異系數(shù)和多樣性指數(shù)均為 0，表示這些性狀在 92份陸地棉中沒(méi)有表現(xiàn)出多樣性，其余12個(gè)質(zhì)量性狀的平均變異系數(shù)為18.28%，平均遺傳多樣性指數(shù)為0.45；6個(gè)數(shù)量性狀的平均變異系數(shù)為6.80%，平均遺傳多樣性指數(shù)為3.86。質(zhì)量性狀的多樣性指數(shù)均小于 1，而數(shù)量性狀的多樣性指數(shù)均大于 1，數(shù)量性狀的多樣性明顯高于質(zhì)量性狀。多樣性指數(shù)較高，該批材料表型性狀具有較高的多樣性和豐富性。變異系數(shù)和多樣性指數(shù)在不同表型性狀上的表現(xiàn)并不一致，如株型的變異系數(shù)(23.31%)較大，但其多樣性指數(shù)(0.24)卻較低，莖毛多少的變異系數(shù)( 17.53% )相對(duì)較小，而其多樣性指數(shù)(0.80 )卻相對(duì)較高，這與前人的研究結(jié)果相似[19]。

研究利用表型性狀數(shù)據(jù)的聚類(lèi)分析將所有材料分為6個(gè)類(lèi)群，其中第 I 類(lèi)群33份材料，占試驗(yàn)材料總數(shù)的35.87% ，各類(lèi)群的聚類(lèi)結(jié)果與材料的來(lái)源地和原產(chǎn)地沒(méi)有直接關(guān)系。主要是因?yàn)閿?shù)量性狀大都由多對(duì)微效多基因控制，受環(huán)境因子影響較大，導(dǎo)致同一來(lái)源地的種質(zhì)資源，在不同的生態(tài)環(huán)境條件下表現(xiàn)形式多樣，導(dǎo)致聚類(lèi)結(jié)果與材料的來(lái)源地和原產(chǎn)地?zé)o對(duì)應(yīng)關(guān)系[20-23]。聚類(lèi)結(jié)果中2個(gè)來(lái)源地的材料在各類(lèi)群中都有聚類(lèi)分析還顯示，如果進(jìn)行閾值的改動(dòng)，聚類(lèi)結(jié)果就會(huì)發(fā)生明顯變化，與前人研究結(jié)果的一致[24,19]。表型性狀聚類(lèi)分析所用的田間試驗(yàn)數(shù)據(jù)受環(huán)境因素和人為因素影響較大，若要取得理想的聚類(lèi)結(jié)果，應(yīng)嚴(yán)格控制試驗(yàn)條件，最大限度的減小人為誤差，并結(jié)合分子標(biāo)記等相關(guān)技術(shù)，對(duì)材料進(jìn)行更加深入的研究，以進(jìn)一步明確種質(zhì)資源間的親緣關(guān)系及驗(yàn)證聚類(lèi)結(jié)果的可靠性[25-28]。

3.2 數(shù)量性狀的相關(guān)性及主成分

數(shù)量性狀指?jìng)€(gè)體間表現(xiàn)的差異只能用數(shù)量來(lái)區(qū)別，變異呈連續(xù)性的性狀，且易受環(huán)境條件影響[29]。數(shù)量性狀的相關(guān)性分析結(jié)果表明，各性狀間表現(xiàn)為較復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系，生育期與株高、單鈴重表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)；第一果枝節(jié)位與衣分表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)；單鈴重與籽指表現(xiàn)出極顯著的正相關(guān)，與衣分表現(xiàn)出極顯著的負(fù)相關(guān)，這與前人的部分研究結(jié)果一致[30,16]，反映了同步改良棉花關(guān)鍵性狀指標(biāo)的難度。研究對(duì) 92 份種質(zhì)資源材料的 6個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行了主成分分析，將 6個(gè)性狀簡(jiǎn)化為4個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率高達(dá)85.79% ，包含了性狀的絕大多數(shù)信息。根據(jù)各主成分的載荷值大小，將第 1、第3和第4主成分合并作為第 1 因子，反映生育期、株高等生物學(xué)特征與單鈴重、衣分等產(chǎn)量相關(guān)的經(jīng)濟(jì)性狀的相互關(guān)系；第 2 主成分作為第 2 因子，反映各性狀協(xié)同配合可有利于各性狀的同步提高。

4 結(jié) 論

92份陸地棉種質(zhì)資源材料遺傳多樣性豐富，而且數(shù)量性狀的多樣性大于質(zhì)量性狀，6個(gè)數(shù)量性狀的多樣性指數(shù)平均為3.86，25個(gè)質(zhì)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)平均為0.22。種質(zhì)資源的表型性狀與其來(lái)源地及原產(chǎn)地沒(méi)有必然的聯(lián)系。各數(shù)量性狀間表現(xiàn)出較為復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系，反映了同步改良棉花關(guān)鍵性狀指標(biāo)的難度，但平衡各性狀之間的矛盾，使其協(xié)同配合可有利于各性狀的同步提高。