馬麒，徐守振，寧新柱，陳紅，謝斌，李吉蓮，林海

（新疆農(nóng)墾科學(xué)院棉花研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部西北內(nèi)陸區(qū)棉花生物學(xué)與遺傳育種重點實驗室，新疆 石河子 832000）

陸地棉（Gossypium hirsutumL.）是世界上最具經(jīng)濟價值的紡織作物之一。長期以來增加纖維產(chǎn)量對現(xiàn)代棉花生產(chǎn)者和育種家來說一直是一個重大挑戰(zhàn)[1]，與增加單株產(chǎn)量潛力相比，通過增加種植密度對提高棉花單位面積產(chǎn)量的潛力更大，而種植密度主要由單個植株的獨特株型結(jié)構(gòu)決定[2]。因此，株型結(jié)構(gòu)對于當前棉花生產(chǎn)具有重要意義。棉花株型結(jié)構(gòu)是根據(jù)果枝和葉枝的分布情況以及果枝的長短而形成的綜合性狀，在眾多的株型相關(guān)性狀中，株高、果枝夾角和果枝長度是決定株型結(jié)構(gòu)最關(guān)鍵的三個因素，決定著一個棉花品種能否適宜機采及輕簡化栽培[4，5]。當前普遍認為棉花機采需要多個株型性狀相互協(xié)調(diào)，一般要求始果節(jié)高度＞20cm，果枝夾角相對較小，株高為75～85cm為宜，株型育種已成為棉花遺傳育種的一個重要方向。因此，對株型相關(guān)性狀進行精準鑒定與評價可為株型育種提供重要理論依據(jù)和參考信息。李成奇等[6]對陸地棉百棉1號的主要株型性狀進行表型鑒定及遺傳研究；楊萬玉等[7]通過對棉花株型相關(guān)性狀進行鑒定，并開展株型與產(chǎn)量的關(guān)系研究，發(fā)現(xiàn)各果節(jié)間長度與皮棉產(chǎn)量呈開口向下的二次拋物線關(guān)系，果枝的粗度與皮棉產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)，適宜的果節(jié)間長度和較粗的果枝是獲得棉花高產(chǎn)的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。Wen等[8]對121份棉花材料的株高和果枝分枝數(shù)兩個性狀進行三個環(huán)境下的表性鑒定與分析，發(fā)現(xiàn)兩個性狀在三個環(huán)境下存在較為廣泛的變異，且兩者相關(guān)系數(shù)為0.37，存在極顯著（P＜0.01）的相關(guān)性。迄今為止，人們對棉花株型相關(guān)性狀的系統(tǒng)鑒定與評價的研究還相對較少，因此在進行株型結(jié)構(gòu)的改良育種時，一方面存在著種質(zhì)資源匱乏的問題，而另一方面，真正可供選擇參考的理論依據(jù)也不多，這嚴重阻礙了當前棉花株型育種的進程。研究對象，對三個株型相關(guān)性狀進行田間精準鑒定，開展表型變異度、相關(guān)性、方差和遺傳力，以及區(qū)域差異性分析及聚類分析，最終對315份材料的株型相關(guān)性狀進行綜合分析與評價，以期為機采棉株型育種提供重要的理論依據(jù)和參考信息。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究以315份陸地棉種質(zhì)資源組成的自然群體為試驗材料，這些材料主要來源于不同的國家或地區(qū)，其中包括前蘇聯(lián)（Former Soviet Union，F(xiàn)SU）材料4份，美國（United States of America，USA）材料21份，中國自育材料290份。自育材料中有125份來自于黃河流域（Yellow River region，YRR），48份來自于長江流域（Yangtze River region，YZRR），20份來自于北方特早熟區(qū)（Northern special early maturing region，NSER），97份來自西北內(nèi)陸區(qū)（Inland Northwest region，NIR）。

1.2 田間試驗

田間試驗分別于2014年和2015年在河南省安陽（36.13＇N，114.80＇E）和新疆石河子（44.52＇N，86.02＇E）四個不同環(huán)境下開展。在每個環(huán)境中，我們將所有的材料按照三重復(fù)隨機區(qū)組設(shè)計，在河南省安陽試驗點，所有陸地棉材料都種植在一個0.8m×4.0m的試驗小區(qū)，每個小區(qū)內(nèi)種有20株；在新疆石河子試驗點，小區(qū)大小為1.5m×2.0m，每個小區(qū)內(nèi)種有40株。田間栽培和管理措施完全參考當?shù)卮筇锏母髟耘喾椒ā?/p>

1.3 表型性狀鑒定方法

在不同的環(huán)境條件下，對自然群體的三個與株型相關(guān)性狀株高（PH）、果枝夾角（FBA）、果枝長度（FBL）進行測定。株高的測定是從植株頂部到子葉節(jié)的高度，果枝長度的測定是從果枝（著生主莖部位）至果枝頂端的長度，果枝夾角的測定是植株主莖與果枝的夾角，果枝長度和果枝夾角的測量取植株中部果枝（6～8臺果枝）測定。具體測定調(diào)查方法參照SU[9]等人研究中的詳細描述。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用Excel進行表型數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析；利用IBM SPSS 26.0軟件進行基本統(tǒng)計分析，包括差異顯著性分析、廣義遺傳力（Broad-sense heritability，hB2）的計算，以及表型方差顯著性分析等；利用Origin9.0和R語言軟件進行不同區(qū)域株型相關(guān)性狀的差異圖和聚類圖的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 陸地棉株型相關(guān)性狀的表型變異分析

在4個不同的田間環(huán)境（E1～E4）下，對自然群體的3個株型相關(guān)性狀，包括株高、果枝夾角和果枝長度進行鑒定和變異度評價。由表1可以看出，315份陸地棉種質(zhì)的三個株型相關(guān)性狀存在不同程度的變異性，其中PH的變異范圍較廣，在E1～E4四個環(huán)境下PH的平均值為（63.26±8.79）cm，表型變異范 圍 在36.09～88.76cm之 間；FBA的 平 均 值 為（61.84±3.85）°，變異范圍在48.72°～72.50°之間；FBL的平均值為（12.60±2.90）cm，變異范圍為5.16～24.99cm。在四個不同的環(huán)境下，PH、FBA和FBL三個性狀的變異系數(shù)分別在11.02%～15.92%、4.67%～7.51%和17.42%～28.54%之間，其中PH的平均變異系數(shù)為13.90%，在四個環(huán)境下的變化相對較為一致，F(xiàn)BA的平均變異系數(shù)為6.22%，F(xiàn)BL的平均變異系數(shù)為23.01%。上述結(jié)果說明，在陸地棉的三個株型相關(guān)性狀中FBL的變異度最大，PH變異度居中，而FBA的變異度最小。

表1 陸地棉株型相關(guān)性狀的表型變異分析Table 1 Phenotypic variation of plant architecture related traits

2.2 陸地棉株型性狀的相關(guān)性分析

表2相關(guān)性分析表明，陸地棉三個株型相關(guān)性狀之間存在著極顯著（P＜0.01）相關(guān)性。PH分別與FBA、FBL極顯著（P＜0.01）相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.236和0.324，F(xiàn)BA與FBL之間也存在極顯著（P＜0.01）的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)為0.461。上述結(jié)果表明，F(xiàn)BL與FBA的相關(guān)性大于FBL與PH的相關(guān)性，F(xiàn)BA與FBL的相關(guān)性大于FBA與PH的相關(guān)性。這說明在棉花生長過程中通過調(diào)控株高同步控制果枝長度，而果枝夾角次之；但果枝長度與果枝夾角同步調(diào)控的可能性大于果枝長度與株高，而果枝夾角與果枝長度同步調(diào)控的可能性大于果枝夾角與株高。

表2 陸地棉株型相關(guān)性狀的相關(guān)性分析Table 2 The correlation analysis among three plant architecture-related traits

2.3 陸地棉株型相關(guān)性狀的方差及遺傳力分析

表3方差分析結(jié)果表明，陸地棉三個株型相關(guān)性狀在基因、環(huán)境和基因×環(huán)境互作中存在顯著（P＜0.01）差異性。通過計算三個性狀在四個環(huán)境下的廣義遺傳力（hB2）可知，PH、FBA和FBL的hB2分別為72.51%、25.12%和53.40%，這一結(jié)果表明PH和FBL的廣義遺傳力相對較大，可以相對穩(wěn)定地遺傳給后代，而FBA的廣義遺傳力相對較小，難以穩(wěn)定地遺傳，且易受田間環(huán)境因素（年份和地點）的影響。

表3 陸地棉三個株型相關(guān)性狀的方差分析Table 3 Analysis of variance of three plant architecture-related traits in four planting environments

2.4 陸地棉種質(zhì)資源基于株型性狀的聚類分析

聚類分析表明，315份陸地棉種質(zhì)資源具有明顯的類群關(guān)系。由圖1A可知，當歐氏距離為30時，315份陸地棉種質(zhì)資源被聚為Ⅰ（66份材料）、Ⅱ（25份材料）、Ⅲ（224份材料）三個大類群。由圖1B可看出，當歐氏距離為15時，Ⅰ類群被劃分為A（1份材料）和B（65份材料）兩個亞群，Ⅱ類群被劃分為C（18份材料）和D（7份材料）兩個亞群；Ⅲ類群進一步劃分為E（92份材料）和F（132份材料）兩個亞群（圖1B）。

圖1 陸地棉種質(zhì)資源基于株型性狀的聚類圖Figure 1 Cluster diagram of upland cotton germplasm based on plant architecture related traits

為了明確三大類群陸地棉種質(zhì)株型相關(guān)性狀的差異性，對三個類群材料的株型相關(guān)性狀進行類群之間的差異顯著性分析，見表4。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，類群Ⅰ、類群Ⅱ和類群Ⅲ材料的平均PH分別為（73.19±9.00）cm、（47.99±8.07）cm和（62.08±9.45）cm，三個類群之間的差異達到極顯著水平（P＜0.01）。類群Ⅰ、類群Ⅱ和類群Ⅲ材料的平均FBA分別為（62.34±8.39）、（59.50±8.09）和（61.95±8.21），且類群Ⅰ與類群Ⅲ之間的差異性不顯著（P＞0.05），但類群Ⅱ與類群類群Ⅰ、類群Ⅲ之間的差異均達到極顯著水平（P＜0.01）。類群Ⅰ、類群Ⅱ和類群Ⅲ材料的平均FBL分別為（13.34±6.21）cm、（9.30±4.69）cm和（12.72±6.11）cm，三個類群之間的差異達到顯著水平（P＜0.05），而且類群Ⅱ與類群類群Ⅰ、類群Ⅲ之間的差異均達到極顯著水平（P＜0.01）。變異度分析表明，PH在類群Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的變異系數(shù)分別為12.31%、16.82%和15.22%，F(xiàn)BA在類群Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的變異系數(shù)分別為13.46%、13.09%和13.26%，F(xiàn)BL在類群Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的變異系數(shù)分別為46.15%、50.38%和48.07%，整體從性狀來講，F(xiàn)BL的變異度較大，從聚類群來說，類群Ⅱ三個株型性狀的變異度最大。

表4 陸地棉三個類群的株型相關(guān)性狀的差異性分析Table 4 Significance analysis of plant architecture related traitss of upland cotton among three groups

2.5 陸地棉株型性狀的區(qū)域聚類及差異性分析

不同區(qū)域來源的陸地棉種質(zhì)聚類分析發(fā)現(xiàn)（圖2），當歐氏距離為20時，來自USA的材料被單獨劃分為一個類群，其余區(qū)域的材料被劃分為一個類群；當歐氏距離為15時，來自USA和NIR的材料分別聚為一個單獨類群，來自YZR、YRR、FSU和NSER區(qū)域的材料合計被聚為一個類群。上述結(jié)果表明，根據(jù)株型性狀來劃分的話，來自美國的棉花材料其遺傳背景較為獨特，并且與西北內(nèi)陸棉區(qū)的材料遺傳背景有較大差異，親緣關(guān)系較遠；而西內(nèi)陸棉區(qū)材料與長江流域、黃河流域、前蘇聯(lián)及北方特早熟棉區(qū)的遺傳背景差異較大，親緣關(guān)系較遠。這說明在今后我國棉花的株型改良育種中，首先要重點利用美國材料做親本，以改良本土品種的株型結(jié)構(gòu)，西北內(nèi)陸棉區(qū)棉花在株型育種中要重點關(guān)注長江流域、黃河流域、前蘇聯(lián)及北方特早熟棉區(qū)的材料并加以利用。

圖2 陸地棉種質(zhì)基于株型性狀的區(qū)域聚類圖Figure 2 Regional clustering diagram of upland cotton germplasm based on plant architecture related traits

對陸地棉種質(zhì)的株型性狀進行不同區(qū)域間的差異性分析發(fā)現(xiàn)，PH在六個不同環(huán)境材料間呈現(xiàn)出顯著性（P＜0.05）差異，且NIR環(huán)境的材料的PH大于其他五個環(huán)境的材料，差異達到了極顯著性水平（P＜0.01），來自USA和YRR的材料的PH大于NSER的材料，差異也達到了極顯著水平（P＜0.01）；FBA在六個環(huán)境的表現(xiàn)是：USA＞NSER＞YZR＞NIR＞FSU＞YRR，但差異未達到顯著水平；FBL在六個環(huán)境的表現(xiàn)是：USA＞NSER＞YZR＞NIR＞YRR＞FSU，差異同樣未達到顯著水平（見表5，圖3）。

表5 陸地棉不同區(qū)域材料的株型相關(guān)性狀的差異性分析Table 5 Significance analysis of plant architecture related traitss of upland cotton from different regions

圖3 陸地棉種質(zhì)株型性狀的區(qū)域差異性比較圖Figure 3 Comparison of regional differences in plant architecture related traits of upland cotton germplasm

3 討論與結(jié)論

3.1 豐富的種質(zhì)資源是棉花遺傳育種的基礎(chǔ)

種質(zhì)資源是棉花遺傳育種的基礎(chǔ)[10]。本研究中所利用的315份陸地棉種質(zhì)是收集的不同區(qū)域來源的陸地棉品種/系，既有前蘇聯(lián)、美國等國外來源的材料又有我國四大棉區(qū)，即西北內(nèi)陸棉區(qū)、長江流域棉區(qū)、黃河流域棉區(qū)以及北方特早熟棉區(qū)的材料，這些材料具有廣泛的株型變異、豐富的遺傳背景，為研究陸地棉株型相關(guān)性狀提供了材料基礎(chǔ)。在田間目標性狀鑒定時，試驗又設(shè)置了多點多環(huán)境三重復(fù)的種植與數(shù)據(jù)采集，為株型相關(guān)性狀的精準鑒定提供了重要保障。

3.2 株型相關(guān)性狀的鑒定與分析評價是棉花株型遺傳育種的關(guān)鍵

表型性狀的鑒定分析與評價是作物種質(zhì)資源高效利用的基礎(chǔ)[11]。本研究中發(fā)現(xiàn)，在陸地棉的三個株型相關(guān)性狀中果枝長度的變異度最大，而果枝夾角的變異度最小，表明果枝長度性狀的以均數(shù)為準變異程度大，離散趨勢強；相反，果枝夾角性狀則以均數(shù)為準變異程度小，離散趨勢弱，這說明果枝長度性狀中更容易挖掘具有極端差異性狀的材料。通過計算三個性狀的廣義遺傳力得知，株高和果枝長度的廣義遺傳力相對較大，而果枝夾角的廣義遺傳力相對較小，這說明株高和果枝長度性狀可以相對穩(wěn)定地遺傳給后代，相反果枝夾角則難以穩(wěn)定地遺傳，且易受田間環(huán)境因素的影響，這一研究結(jié)果與SU等[9]對陸地棉株型性狀的研究結(jié)果基本一致。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，三個株型相關(guān)性狀之間存著在極顯著的相關(guān)性，這說明在棉花生產(chǎn)中控制棉花株高時很容易引起果枝長度和果枝夾角的同步調(diào)控，因此可借助于化學(xué)調(diào)控的方法實現(xiàn)株高、果枝夾角和果枝長度性狀的變化來同步塑造棉花株型結(jié)構(gòu)的目的。

3.3 不同區(qū)域材料的聚類及差異性分析為棉花株型遺傳育種提供重要參考依據(jù)

對不同區(qū)域材料基于株型性狀進行聚類分析發(fā)現(xiàn)，當歐氏距離為20時，來自美國的材料被單獨從315份材料中劃分出來而作為一個單獨類群，其余區(qū)域的材料被劃分為一個類群；但當歐氏距離為15時，來自美國和西北內(nèi)陸棉區(qū)的材料分別各自聚為一個單獨類群，而來自我國長江流域、黃河流域、北方特早熟棉區(qū)以及前蘇聯(lián)的材料被聚為一個類群，這說明根據(jù)株型結(jié)構(gòu)來劃分的話，美國棉花遺傳背景較為獨特，相較與西北內(nèi)陸棉區(qū)的材料其遺傳背景差異較大，親緣關(guān)系較遠，這可能由于美國較好的光熱條件和相對松散稀疏的栽培模式，造成在長期的人工選擇馴化中材料的株型結(jié)構(gòu)較為高大松散。西內(nèi)陸棉區(qū)材料與長江流域、黃河流域、前蘇聯(lián)及北方特早熟棉區(qū)的遺傳背景差異較大，親緣關(guān)系較遠，這說明西北內(nèi)陸棉區(qū)長期以來采用“矮”“密”“早”“膜”的栽培技術(shù)導(dǎo)致材料的株型結(jié)構(gòu)更加趨向于緊湊型，與我國其他幾大棉區(qū)的材料在株型結(jié)構(gòu)方面發(fā)生了根本性的差異。通過對不同區(qū)域材料的株型相關(guān)性狀進行差異性分析時發(fā)現(xiàn)，西北內(nèi)陸棉區(qū)的材料株高大于其他五個區(qū)域的材料，且差異達到了極顯著性水平（P＜0.01）；而相比其他區(qū)域的材料，美國材料的果枝夾角相對較大，果枝相對較長，但未達到差異顯著性水平。上述研究結(jié)果說明，今后我國棉花的株型改良育種過程中首先要重點利用美國材料做親本，以改良本土品種的株型結(jié)構(gòu)；而在本土種質(zhì)資源的利用中要綜合考慮六個棉區(qū)材料的株型結(jié)構(gòu)，相互引進，相互開發(fā)利用，有效促進我國棉花株型育種取得重要進展，選育出高產(chǎn)、適宜輕簡化栽培和機械采收的棉花新品種。綜上所述，對棉花表型性狀的鑒定分析與評價可有效實現(xiàn)棉花種質(zhì)資源高效利用，對促進棉花株型遺傳育種具有重要意義。