摘要：利用4個(gè)四倍體棉種（陸地棉野生種系、海島棉、毛棉、達(dá)爾文氏棉）共116份材料的9個(gè)表型性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行遺傳多樣性和聚類分析發(fā)現(xiàn)：毛棉的遺傳多樣性高于其他3個(gè)四倍體棉種；氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率、細(xì)胞間隙CO2濃度，葉蜜腺到葉柄距離與葉蜜腺數(shù)、葉綠素含量、葉面積，葉蜜腺數(shù)與葉綠素含量、葉面積呈極其顯著正相關(guān)關(guān)系；主莖茸毛數(shù)與葉面積、葉蜜腺到葉柄距離、葉綠素含量、葉蜜腺數(shù)呈極其顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；通過對4個(gè)四倍體棉種表型性狀進(jìn)行主成分分析和聚類分析，得出本研究中的陸地棉野生種系材料與海島棉材料之間親緣關(guān)系最近，但與毛棉材料親緣關(guān)系最遠(yuǎn)。本研究為有效利用陸地棉野生種系和野生棉種質(zhì)資源提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞：四倍體棉種；遺傳多樣性；表型；聚類分析

Study on genetic diversity of four tetraploid species of Gossypium

Liu Ping#，Xu Yanchao#， Wang Heng， Cai Xiaoyan， Zhou Zhongli， Hou Yuqing， Wang Yuhong， Liu Ji，

Chen Quanjia， Liu Fang*， Yuan Youlu* ， Zheng Jie*

棉花在全球多個(gè)國家和地區(qū)廣泛種植，是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物。新疆是我國棉花的主要產(chǎn)區(qū)，但大量植棉區(qū)分布在鹽堿地和干旱地區(qū)[1]。陸地棉栽培品種遺傳多樣性狹窄，極大地限制了高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗棉花品種的選育和遺傳改良[2]。為此，拓展棉花選育的資源庫是培育棉花新品種，實(shí)現(xiàn)品種優(yōu)勢性狀利用及遺傳改良的重中之重。栽培棉品種的野生近緣種的利用也將極大擴(kuò)展棉花育種的基因資源。迄今為止，已發(fā)現(xiàn)的棉屬植物有50多個(gè)種，其中有40多個(gè)二倍體種（2n=2x=26）和7個(gè)異源四倍體種（2n=4x=52）[3-4]。異源四倍體棉種包括陸地棉（Gossypium hirsutum）和海島棉（G. barbadense）2個(gè)栽培棉種，毛棉（G. tomentosum）、達(dá)爾文氏棉（G. darwinii）、黃褐棉（G. mustelinum）、艾克曼棉（G. ekmanianums）和斯提芬氏棉（G. stephensii）5個(gè)野生棉種。7個(gè)異源四倍體棉種在分類學(xué)研究中可以分成3個(gè)不同分支，栽培種陸地棉與野生種艾克曼棉、斯提芬氏棉、毛棉為一個(gè)分支，栽培種海島棉與野生種達(dá)爾文氏棉為一個(gè)分支，黃褐棉獨(dú)立為一個(gè)分支，是四倍體棉種中最先分化出來的棉種[5]。

陸地棉植株較高大，葉片多為卵形，纖維較細(xì)長一般呈白色。陸地棉野生種系被稱為半野生棉，一般都沒有被栽培馴化，其抗病性和抗逆性較好，是重要的種質(zhì)資源[6]。按照其形態(tài)和地理特征，將其分為7個(gè)不同種系[7]，分別為：闊葉棉（G. hirsutum race latifolium）、帕默爾棉（G. hirsutum race palmeri）、尖斑棉（G. hirsutum race punctatum）、尤卡坦棉（G. hirsutum race yucatanense）、雷奇蒙地棉（G. hirsutum race richmondi）、瑪麗加郎特棉（G. hirsutum race marie-galante）、莫利爾棉（G. hirsutum race morrilli）。此外還有1種在我國南方的多個(gè)海島生長了數(shù)百年的陸地棉多年生半野生棉——蓬蓬棉（G. hirsutum race purpurascens）[8]。毛棉是1種僅存在于夏威夷群島的棉種，研究表明，毛棉與陸地棉之間遺傳關(guān)系較近[9-10]。毛棉的很多優(yōu)良性狀在棉花育種中被應(yīng)用，如抗旱、耐鹽、抗蟲（葉片多毛、無蜜腺）、纖維細(xì)且斷裂比強(qiáng)度高。海島棉是繼陸地棉之后種植最為廣泛的栽培棉種。其植株高大健壯，葉片較大，棉鈴較小，籽棉產(chǎn)量和衣分都較低，生育期比較長，其最顯著的特點(diǎn)是纖維品質(zhì)優(yōu)良，還具有優(yōu)異的抗寒性、耐旱性和抗病蟲性[11]。達(dá)爾文氏棉起源于厄瓜多爾加拉帕戈斯群島，因其外觀形態(tài)與早期的海島棉極為相似，長期以來一直被認(rèn)為是海島棉的1個(gè)變種[12]。經(jīng)過深入的研究和廣泛的基因組分析，證明達(dá)爾文氏棉是1個(gè)完全獨(dú)立的棉種[5]，但達(dá)爾文氏棉、海島棉和陸地棉種間雜交分析表明，達(dá)爾文氏棉和海島棉的遺傳相似系數(shù)高達(dá)0.958[13]。

本研究擬通過對4個(gè)四倍體棉自然群體的表型進(jìn)行分析，比較其遺傳多樣性，探討四倍體棉種表型分化，以期為棉花新品種選育提供參考。

1" " 材料與方法

1.1" "試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為4個(gè)四倍體棉種的116份材料，包括陸地棉野生種系29份、海島棉25份、毛棉38份、達(dá)爾文氏棉24份。所有試驗(yàn)材料均由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所野生棉課題組提供，材料保存于海南三亞的國家野生棉種質(zhì)資源圃。

1.2" "試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在海南省三亞市中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所國家野生棉種質(zhì)資源圃進(jìn)行。于2020年9月種植116份四倍體棉種材料，采用育苗移栽的方式，每份材料種植5穴，每穴2株，行距0.8 m、株距0.8 m，單行區(qū)順序排列，試驗(yàn)地土壤肥力良好，灌排通暢且地力均勻一致，采用的管理方法與大田相同。

1.3" "表型性狀測定方法及標(biāo)準(zhǔn)

試驗(yàn)對116份材料的主莖茸毛數(shù)、葉面積和葉綠素含量（SPAD）、腺體數(shù)量、葉蜜腺數(shù)和葉蜜腺到葉柄距離、蒸騰速率進(jìn)行調(diào)查測定。每一材料隨機(jī)取5株進(jìn)行性狀觀察及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，各性狀描述方法參照《棉花種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[14]。

1.4" "數(shù)據(jù)處理

表型數(shù)據(jù)經(jīng)過統(tǒng)計(jì)整理后，使用Microsoft Excel 2007和SPSS 25.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。使用R語言vegan包計(jì)算香農(nóng)-維納指數(shù)（Shannon Wiener diversity index），使用R語言cor函數(shù)計(jì)算皮爾遜相關(guān)系數(shù)（Pearson product-moment correlation coefficient）；使用R語言hclust函數(shù)進(jìn)行層次聚類（hierarchical clustering），通過計(jì)算Gower距離，用類平均法進(jìn)行聚類分析；使用R語言prcomp函數(shù)進(jìn)行主成分分析。

2" " 結(jié)果與分析

2.1" 不同四倍體棉種性狀多樣性分析和比較

對4個(gè)四倍體棉種的116份材料的性狀調(diào)查統(tǒng)計(jì)分析，比較表型性狀特征分布（圖1）發(fā)現(xiàn)：除個(gè)別材料外陸地棉野生種系材料均只有1個(gè)葉蜜腺；達(dá)爾文氏棉葉蜜腺數(shù)的中位數(shù)為0；海島棉均有葉蜜腺，其個(gè)數(shù)的中位數(shù)為1；毛棉材料均沒有葉蜜腺。達(dá)爾文氏棉樣本葉蜜腺到葉柄距離的中位數(shù)為0 cm，陸地棉野生種系和海島棉樣本的葉蜜腺到葉柄距離的中位數(shù)分別為1.2 cm和1.4 cm；毛棉沒有葉蜜腺，其到葉柄距離都計(jì)為0 cm。陸地棉野生種系除了少數(shù)幾個(gè)樣本的主莖含有較多茸毛外，大部分樣本都為0級（只有很少的茸毛）；毛棉均有較多茸毛，所有樣本都為5級；大部分達(dá)爾文氏棉材料的主莖茸毛數(shù)分布在3～4級；海島棉主莖有少量茸毛，主要分布在0～1級。毛棉的氣孔導(dǎo)度整體稍高于其他3個(gè)四倍體棉種，有利于其植株與外界進(jìn)行氣體交換。陸地棉野生種系細(xì)胞間隙CO2濃度的中位數(shù)略高于其他3個(gè)四倍體棉種。陸地棉野生種系和毛棉材料的蒸騰速率的中位數(shù)高于達(dá)爾文氏棉和海島棉。在4個(gè)四倍體棉種中，毛棉材料的葉片腺體數(shù)的中位數(shù)低于其他3個(gè)四倍體棉種。達(dá)爾文氏棉的葉綠素含量的中位數(shù)低于其他3個(gè)四倍體棉種。海島棉材料的葉面積中位數(shù)大于其他3個(gè)四倍體棉種。

經(jīng)多樣性分析發(fā)現(xiàn)，毛棉除葉蜜腺數(shù)、葉蜜腺到葉柄距離和主莖茸毛香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)為0外，其細(xì)胞間隙CO2濃度、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、葉面積、腺體數(shù)、葉綠素含量（SPAD）的多樣性指數(shù)均高于其他棉種，表明毛棉的這些表型在4個(gè)四倍體棉種中最豐富（表1）。

2.2" "四倍體棉種性狀相關(guān)分析

4個(gè)棉種材料表型性狀的相關(guān)分析結(jié)果顯示（表2），部分性狀間具有顯著（P＜0.05）、極顯著（P＜0.01）或極其顯著（P＜0.001）的相關(guān)關(guān)系。氣孔導(dǎo)度與蒸騰速率、細(xì)胞間隙CO2濃度，葉蜜腺到葉柄距離與葉蜜腺數(shù)、葉綠素含量、葉面積，葉蜜腺數(shù)與葉綠素含量、葉面積之間呈極其顯著正相關(guān)關(guān)系，主莖茸毛數(shù)與葉面積、葉蜜腺到葉柄距離、葉蜜腺數(shù)、葉綠素含量呈極其顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；葉面積與葉綠素含量、主莖茸毛數(shù)與蒸騰速率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。

2.3" "四倍體棉種性狀聚類分析

從4個(gè)四倍體棉種的9個(gè)性狀的聚類分析結(jié)果（圖2）可以看出，試驗(yàn)材料聚為4大類。其中陸地棉野生種系（GH04）單獨(dú)聚為一類（Class Ⅰ）；陸地棉野生種系（GH19）與達(dá)爾文氏棉（GD09、GD23）聚為一類（Class Ⅱ）；除GH04、GH19外的其他陸地棉野生種系與所有海島棉、少部分達(dá)爾文氏棉（GD19、GD20、GD21、GD22）聚集為一類（Class Ⅲ），其中達(dá)爾文氏棉（GD03）與陸地棉野生種系（GH09）聚為一亞類，達(dá)爾文氏棉（GD19、GD20、GD21、GD22）與陸地棉野生種系（GH05、GH24）、海島棉（GB02、GB16）聚為一亞類；其余的達(dá)爾文氏棉和毛棉聚為一類（Class Ⅳ）。因此，從聚類結(jié)果可以看出陸地棉與海島棉親緣關(guān)系較近，陸地棉與毛棉親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。

2.4" "四倍體棉種性狀主成分分析

將4個(gè)四倍體棉種的9個(gè)性狀數(shù)據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)行主成分分析（圖3，參見封二彩版）。其中第一主成分（PC1）的貢獻(xiàn)率為31.59%，第二主成分（PC2）貢獻(xiàn)率為16.11%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為47.70%。陸地棉野生種系、達(dá)爾文氏棉、海島棉3個(gè)四倍體棉種兩兩之間相互聚集，說明陸地棉野生種系、達(dá)爾文氏棉和海島棉兩兩之間具有一定的遺傳相似性，親緣關(guān)系較為接近。陸地棉野生種系、海島棉與毛棉均無重疊，說明它們之間的表型相似性較低，親緣關(guān)系較遠(yuǎn)。毛棉只與達(dá)爾文氏棉有重疊，說明這2個(gè)四倍體棉種的表型間具有較高的相似性。

3" " 討論與結(jié)論

本研究對收集的116份陸地棉野生種系、海島棉、達(dá)爾文氏棉、毛棉4個(gè)四倍體棉種性狀進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析和相關(guān)分析，并根據(jù)相關(guān)性狀對材料進(jìn)行了聚類分析和主成分分析，發(fā)現(xiàn)116份材料具有較豐富的表型遺傳多樣性。主成分分析結(jié)果顯示，陸地棉野生種系、達(dá)爾文氏棉、海島棉3個(gè)四倍體棉種材料間相互聚集，表型具有一定遺傳相似性，親緣關(guān)系較為接近；陸地棉野生種系和海島棉與毛棉沒有重疊，表型相似性較低，親緣關(guān)系較遠(yuǎn)；毛棉只與達(dá)爾文氏棉有重疊，表型間具有較高的相似性。聚類分析結(jié)果顯示，4個(gè)四倍體棉種的116份材料聚為4類，陸地棉野生種系GH04單獨(dú)聚為一類；陸地棉野生種系GH19與達(dá)爾文氏棉GD09、GD23聚為一類；除GH04、GH19外的其他陸地棉野生種系與所有海島棉和5份達(dá)爾文氏棉GD03、GD19～GD22材料聚集為一類；除GD03、GD19～GD22外的所有達(dá)爾文氏棉材料與全部毛棉材料聚為一大類。與前人分析1 383對同源基因在陸地棉、海島棉、毛棉、達(dá)爾文氏棉和黃褐棉花瓣組織轉(zhuǎn)錄組數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)的毛棉和陸地棉的親緣關(guān)系較近[15]的結(jié)果不一致。造成本研究4個(gè)四倍體棉種與棉種分類[3]不完全相符的原因包括：試驗(yàn)中主要采用的是表型性狀的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，并且調(diào)查的性狀不全面；試驗(yàn)使用的樣本材料與前人研究所用材料存在差異；試驗(yàn)材料從各地收集時(shí)就已經(jīng)發(fā)生了變異。

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（責(zé)任編輯：付毓 責(zé)任校對：秦凡）

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中國棉花 · 4個(gè)異源四倍體棉種自然群體遺傳多樣性解析 · 2024， 51（7）：12－17

https：//doi.org/10.11963/cc20230097

收稿日期：2023-06-14" " " " "第一作者簡介：劉平，碩士，助理研究員，研究方向?yàn)槊藁ㄔ耘?，liuping42@163.com；許艷超，博士，研究方向?yàn)樽魑镞z傳育種，xuyanchao2016@163.com；#同等貢獻(xiàn)。*通信作者：劉方，博士，研究員，研究方向?yàn)樽魑锓N質(zhì)資源創(chuàng)新與利用，liufcri@163.com；袁有祿，博士，研究員，研究方向?yàn)槊藁ǚ肿佑N，youluyuan@hotmail.com；鄭杰，博士，助理研究員，研究方向?yàn)槊藁ㄆ贩N改良與雜種優(yōu)勢利用，zhengjieself@163.com

基金項(xiàng)目：三亞中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院國家南繁研究院“南繁專項(xiàng)”（YBXM2309，YBXM2324）；國家自然科學(xué)基金（32171994，32272090）