董靈艷， 張洪勇， 袁海濤， 史加亮，賈立洪，張占宇， 楊秀鳳

(德州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院/農(nóng)業(yè)部黃淮海流域棉區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站，山東德州 253015)

山東省是黃淮海流域乃至全國(guó)的產(chǎn)棉大省，而且審定的棉花品種數(shù)量也多，類型包括中早熟常規(guī)棉、中早熟雜交棉和短季常規(guī)棉。自從轉(zhuǎn)基因抗蟲棉推廣以來，無論是審定品種數(shù)量還是種植推廣面積，中早熟常規(guī)抗蟲棉都是山東省的主要品種類型[1]。棉花品種不僅作為一種重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料，也可作為珍貴的遺傳資源再次被加以利用。遺傳資源的遺傳多樣性評(píng)價(jià)指標(biāo)包括基于數(shù)量性狀表型數(shù)據(jù)(如遺傳方差、變異系數(shù)、極差、歐氏距離等)、基于遺傳標(biāo)記數(shù)據(jù)(DNA分子標(biāo)記等)和基于系譜信息數(shù)據(jù)(平均共祖度)三類評(píng)價(jià)指標(biāo)[2]。隨著生物技術(shù)手段的不斷提高，基于遺傳標(biāo)記數(shù)據(jù)的遺傳多樣性分析的報(bào)道已有很多[3-5]，如SSR分子標(biāo)記、ISSR分子標(biāo)記、TRAP分子標(biāo)記等；基于系譜信息數(shù)據(jù)的遺傳多樣性分析較少見，因?yàn)楹芏嗥贩N的系譜信息不詳細(xì)，親本來源不明確，有些親本來源未公開；利用數(shù)量性狀表型數(shù)據(jù)來分析遺傳多樣性的報(bào)道也有，但分析的材料有所不同，包括的材料范圍很廣[6-10]，有亞洲棉、北疆棉、黃河流域棉花、國(guó)外引進(jìn)棉花等，但涉及到山東省轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品種很少。所以分析山東省轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品種，尤其是轉(zhuǎn)基因中早熟類型常規(guī)品種的遺傳多樣性，有其必要性?；诖耍狙芯繉?duì)2005—2015年山東省品種審定委員會(huì)審定的棉花轉(zhuǎn)基因中早熟類型常規(guī)品種進(jìn)行表型性狀的遺傳多樣性分析，為該類型品種的進(jìn)一步利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2005—2015年山東省農(nóng)作物品種審定委員會(huì)審定的37個(gè)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉常規(guī)中早熟品種(以下品種均指該類型品種)，通過雜交育種育成27個(gè)、回交育種育成1個(gè)、引種4個(gè)、系統(tǒng)選擇育成5個(gè)(表1)。

表1 37個(gè)轉(zhuǎn)基因抗蟲棉常規(guī)中早熟品種名稱

1.2 分析方法

數(shù)據(jù)來自山東省種子管理總站的品種區(qū)域試驗(yàn)數(shù)據(jù)[11]，對(duì)棉花品種的株高、生育期、單鈴質(zhì)量等9個(gè)農(nóng)藝性狀和纖維長(zhǎng)度、斷裂比強(qiáng)度和馬克隆值3個(gè)品質(zhì)性狀進(jìn)行分析。參照胡標(biāo)林等的方法[12]，利用模糊隸屬函數(shù)計(jì)算各性狀的隸屬函數(shù)值，采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)H′進(jìn)行遺傳多樣性分析。用DPS7.05軟件進(jìn)行主成分分析和聚類分析。在聚類分析中，將數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)格化處理，聚類距離為歐氏距離，聚類方法采用離差平方和法。由于年份跨度大，纖維品質(zhì)測(cè)定所用標(biāo)準(zhǔn)不同，所以對(duì)斷裂比強(qiáng)度的單位需要統(tǒng)一，換算方法參考黃滋康的方法[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品種數(shù)量性狀的遺傳多樣性分析

從表2可以看出，變異系數(shù)較大的性狀有單株鈴數(shù)、皮棉產(chǎn)量、株高，最大值為9.12%，變幅分別為16.5～23.8個(gè)、1 285.5～1 800 kg/hm2、84.2～114 cm；其次是單鈴質(zhì)量、果枝節(jié)位、籽指、麥克隆值和斷裂比強(qiáng)度，其他性狀變異系數(shù)較小，均小于4%。遺傳多樣性指數(shù)最大的是果枝節(jié)位，為2.16，其次是麥克隆值、果枝數(shù)，均為2.14，再次是單鈴質(zhì)量、霜前衣分、纖維長(zhǎng)度、皮棉產(chǎn)量和籽指，其他性狀遺傳多樣性指數(shù)均小于2。從表2數(shù)據(jù)可看出，變異系數(shù)和遺傳多樣性指數(shù)雖然都是衡量性狀遺傳多樣性的指標(biāo)，但兩者對(duì)性狀的表現(xiàn)卻不一致。比如單株鈴數(shù)的變異系數(shù)最大，其遺傳多樣性指數(shù)卻排在后面，果枝節(jié)位的遺傳多樣性指數(shù)最大，其變異系數(shù)卻處于中間位置。這是因?yàn)檫@2個(gè)指標(biāo)的內(nèi)涵是不同的，變異系數(shù)反映的是變異范圍的大小，變異系數(shù)越大，表明性狀的變異范圍越大；遺傳多樣性指數(shù)主要反映基因型頻率的分布，遺傳多樣性指數(shù)越高，表明性狀基因型頻率分布越平衡，所以在性狀的遺傳多樣性分析時(shí)，應(yīng)把兩者綜合起來考慮[14]。在以上12個(gè)數(shù)量性狀中，變異系數(shù)均在10%以下，說明這些性狀的變異范圍較窄，多樣性不豐富；遺傳多樣性指數(shù)普便較高，說明各性狀的基因型分布較均勻。

表2 轉(zhuǎn)基因抗蟲棉常規(guī)中早熟品種遺傳多樣性分析

2.2 轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品種數(shù)量性狀的主成分分析

對(duì)棉花12個(gè)數(shù)量性狀用DPS7.05軟件進(jìn)行主成分分析，結(jié)果見表3。由表3可知，前6個(gè)主成分特征值的累計(jì)貢獻(xiàn)率為85.09%，表明這6個(gè)主成分包含了數(shù)量性狀的絕大部分信息，其中前3個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率最大，分別為 23.03%、21.78%、17.07%。在第1主成分中，皮棉產(chǎn)量、霜前衣分、果枝節(jié)位的特征向量列前3位，說明第1主成分主要與產(chǎn)量有關(guān)。第2主成分中特征向量最大且為正值的是單鈴質(zhì)量，說明第2主成分主要與產(chǎn)量性狀有關(guān)；特征向量較大且為負(fù)值的是果枝數(shù)，說明果枝數(shù)要適中，果枝數(shù)太多，就會(huì)影響單鈴質(zhì)量。第3主成分中特征向量列前2位且為負(fù)值的是籽指和麥克隆值，特征向量較大且為正值的是生育期，說明第3主成分主要與籽指、麥克隆值和生育期有關(guān)，生育期越長(zhǎng)，籽指和麥克隆值越大，種子發(fā)育就越不飽滿，且棉纖維越粗。第4主成分中特征向量列前2位的是單株鈴數(shù)和斷裂比強(qiáng)度，說明第4主成分主要由產(chǎn)量性狀和品質(zhì)性狀組成。第5主成分中特征向量最大且為負(fù)值的是纖維長(zhǎng)度，特征向量較大且為正值的是株高， 說明第5主成分主要與品質(zhì)性狀和株高有關(guān)，株高越大，纖維長(zhǎng)度則越小，株高太小，則植株搭不好豐產(chǎn)架子，會(huì)影響產(chǎn)量，所以株高要適中。第6主成分中特征向量列前2位的是果枝數(shù)和株高，說明第6主成分主要與株型有關(guān)。

表3 轉(zhuǎn)基因抗蟲棉常規(guī)中早熟品種主成分分析

2.3 轉(zhuǎn)基因抗蟲棉品種的聚類分析

聚類分析表明，兩品種間歐式距離最大值為2.000 2，最小距離為0.468 3，類與類之間的距離范圍是0.468 3～4.198 5，鑒于遺傳距離范圍較小，所以不再將這些品種分類(圖1)。

3 討論

種質(zhì)資源是作物育種的物質(zhì)基礎(chǔ)，特別是珍貴稀有資源，是一個(gè)品種選育成功的關(guān)鍵所在，而種質(zhì)資源的遺傳多樣性分析則關(guān)乎著種質(zhì)資源如何合理利用，使其與育種目標(biāo)相結(jié)合，加快育種進(jìn)程，提高育種效率[15-16]。棉花的種質(zhì)資源共分為7個(gè)類型[17]，選育品種是其中的1個(gè)類型，而且是育種者利用較多的類型，因?yàn)檫x育品種是已經(jīng)成型的品種，綜合性狀優(yōu)良、優(yōu)點(diǎn)多、缺點(diǎn)少，可作為親本被再次利用。本研究通過對(duì)37個(gè)山東省審定的轉(zhuǎn)基因棉花中早熟類型常規(guī)品種12個(gè)性狀的遺傳多樣性分析可知，這些品種各性狀的變異系數(shù)普遍較小，變異系數(shù)最大的性狀是單株鈴數(shù)，最大值為9.12%，變異系數(shù)最小的性狀是霜前衣分，為0.02%，各性狀遺傳多樣性指數(shù)在2左右，說明這些品種間有一定差別，但差別較小，而且各性狀內(nèi)基因型頻率分布較均勻，這可能與棉花的育種目標(biāo)一致有關(guān)。聚類分析表明，這37個(gè)品種之間的遺傳距離較小，最小遺傳距離是0.468 3，最大遺傳距離是 2.000 2。根據(jù)以上變異系數(shù)和遺傳距離的大小，可以看出，這些品種之間親緣關(guān)系較近，遺傳基礎(chǔ)狹窄，兩品種間雜交優(yōu)勢(shì)不強(qiáng)，不適合做雜交親本，或者說從他們中間選擇雙親，育出新品種的可能性不大。根據(jù)育種原則和育種目標(biāo)，可以選擇其中的某個(gè)品種作為親本之一，與其親緣關(guān)系較遠(yuǎn)或生態(tài)類型差異較大的材料雜交，從后代中選出優(yōu)良品種的可能性較大。李飛等也指出，需不斷擴(kuò)大不同地區(qū)不同系列品種間的交流和加強(qiáng)國(guó)外引種力度，提高中國(guó)棉花遺傳多樣性[18]。

主成分分析結(jié)果表明，前6個(gè)主成分包含了數(shù)量性狀的絕大部分信息，累計(jì)貢獻(xiàn)率為85.09%，同時(shí)還可進(jìn)一步利用主成分分析得出這些品種表型性狀的綜合得分值[12]，根據(jù)綜合得分值的大小進(jìn)行排序，評(píng)價(jià)這些種質(zhì)資源綜合性狀的優(yōu)劣。只有主成分分析和聚類分析相結(jié)合，才能合理地搭配組合。