生態環境對陸地棉品種主要產量和質量性狀的影響及其穩定性分析

孔德培 拜克熱?斯迪克 王艷 龔舉武

摘要 為了研究陸地棉品種主要性狀在新疆不同生態區域的變異和產量的穩定性，選用10個陸地棉品種分別在5個試驗點進行種植，分析了不同生態環境下陸地棉主要性狀的變異規律，并利用GGE雙圖標分析了籽棉和皮棉產量的穩定性。結果表明，不同環境下各陸地棉品種的質量和產量性狀變幅很大，不同環境下各性狀表現有差異，變異系數最小的是纖維的整齊度指數，其次是衣分和纖維的上半部平均長度;棉花品質性狀的上半部平均長度、斷裂比強度和馬克隆值表現為環境效應大于基因型效應和G×E互作效應;其他性狀均表現為基因型效應大于環境效應和G×E互作效應;籽棉產量和纖維的斷裂比強度G×E互作效應最大，籽棉產量和皮棉產量分別運用GGE-biplot可以有效地解釋G和GE互作的86.54%和84.87%的變異;中棉XP5和中棉XP4是高產類型品種;中MB13017是優質品種;棉花品質性狀主要受環境的影響，而基因型則決定棉花產量，單鈴重、衣分和馬克隆值受G×E互作共同影響，衣分、纖維的整齊度指數和上半部平均長度受基因的遺傳特性所控制，可以通過優化栽培條件顯著提高纖維整齊度和長度以及衣分，從而奪取棉花優質高產。

關鍵詞 陸地棉;基因型;G×E互作;GGE雙圖標

中圖分類號 S562文獻標識碼 A

文章編號 0517-6611（2020）24-0022-05

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2020.24.007

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Effects of Ecological Conditions on Major Yield and Quality Characters of Upland Cotton and Their Stability Analysis

KONG Depei1，Baikere·sidike2，WANG Yan3 et al（1.State Key Laboratory of Cotton Biology，Institute of Cotton Research of Chinese Academy of Agricultural Sciences，Anyang，Henan 455000;2.Center of Seed Industry，Department of Agriculture and Rural Affairs of Xinjiang，Urumqi，Xinjiang 830000;3.Xinjiang China Cotton Seed Industry Co.，Ltd.，Akesu ，Xinjiang 843000）

Abstract In order to study the variations of major quality traits and yield stability of upland cotton varieties in different ecological conditions of Xinjiang，10 upland cotton varieties were planted in 5 experimental sites.The variations of major characters of upland cotton under different ecological environments were analyzed，and the stability of seed cotton yield and lint yield was analyzed by using GGEbiplot.The results showed that the traits showed wide variation ranges in different environments，and different traits performed differently in different environments.Fiber uniformity had the smallest coefficient of variations，followed by lint percentage and fiber length.Fiber length，fiber strength and fiber micronaire showed greater environmental effects than genotype effects and G × E interaction effects.All other traits showed greater genotype effect than environment effect and G × E interaction effect.Seed cotton yield and fiber strength had the largest G × E interaction effect，GGE biplot could effectively explain 86.54% and 84.87% variation of G and GE interaction in seed yield and lint yield，respectively.Zhongmian XP5 and Zhongmian XP4 were highyield varieties;Zhong MB 13017 was highquality variety.Results showed that cotton quality traits were mainly affected by environment，while genotype was the determinant of cotton yield.Single boll weight，lint percentage and micronaire were affected by the interaction of G × E.fiber uniformity，lint percentage and fiber length were controlled by genetic factors.It is demonstrated that fiber uniformity and length and lint percentage could be significantly improved by optimizing cultivation conditions，and thus obtained high quality and yield of cotton.

Key words Upland cotton;Genotype;Genotype×environment interactions;GGEbiplot

棉花是世界上重要的經濟作物，在中國和世界經濟發展中占據重要地位[1]，它不僅是重要的纖維作物，也是我國重要的經濟和油料作物之一[2]，在國民經濟中的地位舉足輕重[3]。2019年全國棉花總產量588.9萬t，其中新疆棉花產量500.2萬t，因此新疆棉花產量占全國的84.9%[4-5]。

棉花的產量及纖維品質性狀是復雜的數量性狀，易受基因型和環境共同影響，了解棉花產量和纖維品質性狀的遺傳特性對棉花育種具有極其重要的指導意義，因此同時改良陸地棉產量和提高纖維品質成為育種工作者集中關注的問題。近年來，我國糧棉生產爭地矛盾突出，棉花面積萎縮，生產成本較高，棉花育種的主要任務是選育在一定條件下栽培產量高、品質優良的新品種。李成奇等[6]研究表明，陸地棉產量及其構成因素都有較高的遺傳主效應方差，受加性效應和顯性效應共同控制。楊昶等[7]研究了纖維品質和產量等農藝性狀。葉禎維等[8]研究結果表明，雜種F1纖維品質表現突出，在分離群體中，各性狀均存在大量的超親變異，衣分與纖維長度及強度呈極顯著負相關，與馬克隆值呈極顯著正相關，說明棉花產量與品質間的同步改良仍有困難。劉艷改[9]研究表明，性狀的表現均受隨機誤差影響，但主要由遺傳主效應及其與環境互作效應控制，產量及其構成性狀的顯性方差占表型方差的比例為20.9%～59.2%;纖維品質性狀主要由遺傳主效應控制，同時受環境影響較大;其中衣分、子指、衣指、果枝數、纖維上半部平均長度、馬克隆值、伸長率和比強度的狹義遺傳率為10.7%～45.7%。

易先輝[10]指出，利用AMMI模型的分析結果能更有效地解釋基因與環境間的互作，從而提高綜合評價參試品種穩定性的能力。何叔軍等[11]研究表明，各品種（系）皮棉產量的基因型、環境、G×E效應均達極顯著水平。李武等[12]研究表明，中716和魯棉2153屬高產、穩產性好的品系;中804具有特殊適應性，在局部地區有推廣價值。王士杰等[13]研究表明，05-1441和97G1是區分能力和代表性最好的親本。胡國祥等[14]研究表明，馬克隆值、伸長率是受環境影響最大的因素，品種間差異大，改良研究與推廣應用時應注意G×E效應。許乃銀等[15]分析了區域試驗材料，結果表明長江流域棉區大致可劃分為4個基于纖維比強度選擇的品種生態區;在纖維品質的綜合表現上，北疆棉區、長江下游、長江上游和南疆棉區的纖維品質綜合表現最好，淮北平原、長江中游和南襄盆地次之，而華北平原和黃土高原稍差[16-24]。金石橋等[25]研究表明，長江流域棉區大致可劃分為基于纖維上半部平均長度選擇的3個品種生態區。唐淑榮等[26-27]研究表明，紡紗均勻性指數與纖維上半部平均長度、比強度和整齊度指數呈極顯著或顯著正相關;西北內陸棉區早熟組纖維品質性狀可劃分為3個生態區，西北內陸棉區早中熟組品質性狀由優質到普通亦可劃分為3個生態區，生態試點的表現可劃分為3個特征明顯的纖維品質生態區。在此基礎上，筆者選取了10個不同陸地棉品種為試驗材料，在新疆的石河子、溫宿、45團、阿拉爾和125團5個環境進行種植，研究不同環境下陸地棉品種主要產量與品質性狀的變異規律，以便為篩選出某一優質高產積累的特定栽培區種植區提供理論依據，從而實現優質高產棉花品種區域化生產，進一步為不同生態環境條件下互相引種和推廣提供科學依據，對加快我國優質棉的發展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗所用10個優質棉品種種子均由中國農業科學院棉花研究所和中棉種業有限公司提供，包括新陸中42、中MB13017、中MB1502、中棉15257、中棉529、中棉XP4、中棉XP5、中棉ZS11、中優163和中優1702。

1.2 試驗方法

試驗于2018年4月上中旬分別在新疆的石河子、溫宿、45團、阿拉爾和125團5個環境進行種植，采用統一的種植技術。每個品種按照隨機區組設計進行種植，每個試驗點重復3次，設置1個當地品種為對照（新陸早61），每個小區面積在22 m2。8月中下旬調查棉花黃萎病發病，計算病指;2018年10月上旬收取中部花，混收50個棉鈴，室內稱取籽棉質量（g）、皮棉質量（g），用于分析產量及纖維品質測定產量性狀，包括鈴重和衣分。纖維品質統一送農業農村部棉花品質檢驗檢測中心采用HFT90000儀器測定（HVICC校準），包括上半部平均長度、比強度、馬克隆值、伸長率、整齊度指數等。10月中下旬分別收取每個品種的籽棉重量并記錄。

1.3 數據處理 采用Excel 2007和R軟件包GGEBiplot GUI中的GGE模型雙圖標分析不同品種的基因型與環境互作效應。

2 結果與分析

2.1 不同環境下各陸地棉品種主要性狀的比較 由表1可知，不同環境下各陸地棉品種主要性狀的變幅很廣，最大值和最小值均呈倍數關系。棉花主要性狀在基因型間存在極顯著差異。4個不同環境中，黃萎相對病情指數在基因型間的變異系數最大，均超過35.00%，最大變異系數為49.43%，出現在溫宿試驗點;而纖維的整齊度指數的變異系數最小，都不足2.00%，最小變異系數為0.89%，也出現在溫宿試驗點。其中，纖維品質性狀的上半部平均長度、斷裂比強度和馬克隆值均在125團環境，棉花抗病性狀黃萎病相對病情指數、產量性狀的衣分、籽棉和皮棉產量均在溫宿環境，產量性狀的單鈴重和纖維性狀的纖維整齊度指數在阿拉爾環境，表明在不同環境下各性狀有差異。

從表2可以看出，中棉XP5和中棉XP4的籽棉和皮棉產量最高，纖維的上半部平均長度大于30.0 mm，斷裂比強度大于28.0 cN/tex，馬克隆值在II級，是高產類型品種;中MB13017品種的纖維品質最好，上半部平均長度達34 mm，斷裂比強度大于36.2 cN/tex，馬克隆值為I級， 產量為中等水平，可以用做優質專用棉。

2.2 不同環境下各陸地棉品種主要產量和品質性狀的方差分析

由表3可知，5個環境的棉花品種的基因型、環境以及基因型與環境互作均在0.01水平達到顯著差異。從F值大小可以得出，棉花品質性狀的上半部平均長度、斷裂比強度和馬克隆值表現為環境效應大于基因型效應和基因型×環境

互作效應;其他性狀均表現為基因型效應大于環境效應和基因型×環境互作效應;籽棉產量和纖維的斷裂比強度受基因型×環境互作效應最大，說明棉花品質性狀主要受環境的影響，而基因型則決定棉花產量，其次是單鈴重、衣分和馬克隆值受基因型×環境互作共同影響。

2.3 各陸地棉品種適宜種植區域的劃分

采用品種與環境的互作來說明各環境產量最高的品種（圖1）。通過中心對5條邊做5條垂線，將雙標圖分為5個扇區，品種在5個扇區均有分布，籽棉和皮棉產量環境均分為3個扇區，45團、阿拉爾和石河子為1組，溫宿和125團各為1組。分析得出，中棉XP5的籽棉和皮棉產量在45團、阿拉爾和石河子環境下產量最高。

2.4 各陸地棉品種的產量穩定性分析品種與環境互作的GGE 模型分析得出，以環境的第一主成分為X 軸，以第二主成分為Y 軸，品種點和平均環境軸做1條垂線，繪制出品種適應性曲線圖（圖2）。籽棉產量和皮棉產量分別運用GGE-biplot可以有效地解釋G和GE互作的86.54%和84.87%的變異。環境平均軸所指的方向是品種在所有環境下的近似平均產量的走向，可以看出中棉XP5的籽棉和皮棉產量最高，其次是中優1702，中優163接近試驗品種的平均值。

通過中心（原點）與平均軸垂直的線代表各品種與各環境相互作用的傾向性，品種與平均環境軸之間的垂線越長，表示品種越不穩定。由此可知，中棉15257籽棉產量和新陸中42（線段最長）的皮棉產量最不穩定，而較穩產的是中MB1502、中優163、中棉XP4和中MB13017，他們與平均環境軸的垂線較短。綜合品種產量和穩定的指標可以看出，中棉XP4、中棉XP5是較高產、穩產的品種;而中棉15257雖然高產，但是不穩產;中MB1502雖然穩產，但是產量不很高。

3 結論與討論

2019年新疆棉花產量繼續保持全國最高，雖較2018年下降2.1%，但占全國總產量比重同比增加1.1百分點，達84.9%[4-5]。新疆棉區是我國優質棉的優勢產區，棉花的單產潛力很大，品質優勢顯著，棉花是該區農民收入的重要來源。

棉花產量與纖維品質受遺傳和環境因素雙重影響，同時受環境與基因互作效應影響，是生物學特性和自然規律的互作，對選育能抵抗不良環境的廣泛適應性或特殊適應性品種具有重要意義[28]。不同生態環境條件下，黃萎病的相對病情指數的變異系數最大，均超過35.00%，最大變異系數為49.43%，平均變異系數為42.04%，纖維的整齊度指數的變異系數最小，都不足2.00%，最小變異系數為0.89%，平均為1.18%。各性狀的變異系數從大到小依次為黃萎病相對病情指數>皮棉產量>籽棉產量>馬克隆值>單鈴重>斷裂比強度>纖維上半部平均長度>衣分>整齊度指數，表明纖維的整齊度指數、衣分和纖維上半部平均長度被基因的遺傳特性所控制，而受不同生態環境條件及栽培條件的影響較小，人為促變的難度較大。通過優化栽培條件，各生態點可顯著提高纖維整齊度和長度以及衣分，達到棉花優質高產，這與陳榮江等[29]研究結果衣分與鈴重為品種固有的遺傳特性所控制基本一致。此外，得出中棉XP5和中棉XP4是高產類型品種;而中MB13017為優質品種。

目前，研究人員多側重于對陸地棉區域試驗的產量與品質性狀的基因型與環境互作效應和生態區劃分[14-27]，而對新疆維吾爾自治區陸地棉品種產量和品質性狀的研究較少。隨著我國棉花產業的戰略布局的推進，新疆棉花產量占全國的84.9%[4-5]，2019年通過對喀什地區主推品種調研發現，喀什地區主推棉花品種衣分多在45.0%以上，纖維長度平均為28.5 mm，斷裂比強度為26.2 cN/tex，難以滿足現代紡紗工業的需求。該研究發現，棉花品質性狀的上半部平均長度、斷裂比強度和馬克隆值表現為環境效應大于基因型效應和基因型×環境互作效應;其他性狀均表現為基因型效應大于環境效應和基因型×環境互作效應;籽棉產量和纖維的斷裂比強度基因型×環境互作效應最大，這表明棉花品質性狀主要受環境的影響，而基因型則決定棉花產量，單鈴重、衣分和馬克隆值受基因型×環境互作共同影響。因此，陸地棉纖維品質性狀受氣候條件和管理水平的影響較大，這對優質高產棉花品種的區域化生產及優質高產的棉花品種選育有一定的指導意義。

目前，我國農業面臨著人口不斷增加和耕地資源不斷減少的雙重壓力，隨著生物技術的發展，通過現代育種技術大幅度提高棉花單產成為緩解以上壓力的重要手段。提高棉花纖維產量和品質以滿足棉花生產者和紡織業的要求是棉花育種工作者面臨的一個長期挑戰。高產優質穩產是品種推廣和選育的首要目標。品種的穩定性評價一直采用 Eberhart 和 Russell 的回歸系數法[30]，此外也有其他多種估算方法，但各具不同的評估側重點[31]。用高穩系數法[32]分析了國家抗蟲棉聯試的11個參試品種（系）的高產穩產性，結果表明采用高穩系數分析棉花新品種（系）高產穩產比較準確簡便。任愛民等[33]評價了邯6203的高產穩產性，同時驗證了高穩系數法可以兼顧參試品種的高產性和穩產性，是進行棉花品種高產穩產性評價的一種較準確、簡便和實用的方法?？茖W評價品種的高產穩產和適應性有助于提高新品種的選育和應用效率[34]。GGE雙圖標模型在區域試驗廣泛應用，它能綜合考慮主效應和互作效應，其圖形能直觀簡潔地表達分析結果。該研究利用GGE雙圖標分析了棉花品種在新疆的適宜種植區域劃分，并開展了不同品種的產量穩定性分析，結果表明籽棉和皮棉產量環境均分為3個扇區，45團、阿拉爾和石河子為1組，溫宿和125團各為1組，中棉XP5的籽棉和皮棉產量在45團、阿拉爾和石河子環境下產量最高;籽棉產量和皮棉產量分別運用GGE-biplot可以有效地解釋G和GE互作的86.54%和84.87%的變異。綜合品種產量和穩定的指標，可以得出中棉XP4、中棉XP5是較高產、穩產的品種。

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