80份棉花種質資源的育種應用價值評價

李興河，王海濤，劉存敬，唐麗媛，張素君，蔡 肖，熊永斌，張香云

（1河北省農林科學院棉花研究所/農業農村部黃淮海半干旱區棉花生物學與遺傳育種重點實驗室/國家棉花改良中心河北分中心，石家莊 050051；2河北省農林科學院，石家莊 050051）

0 引言

中國是世界上的產棉和紡織大國，棉花產業發展影響國民經濟和外匯儲備[1]，主要植棉區農業人口達5 億，勞動力人口2 億，植棉收入是一些地區的主要經濟來源[2]。廣泛收集優異種質資源并進行生物學鑒定及遺傳分析是棉花分子育種的任務之一[3]，而且，種質資源的引進、評價與利用是遺傳改良和不斷培育新品種的重要基礎，種質資源的遺傳多樣性對現有資源的改良[4]、維護物種穩定[5]以及親本選配[6]非常重要。在中國棉花育種的歷史進程中，一直注重種質資源的引進，最初引自美國等國家的幾個重要品種如‘金字棉’、‘斯字棉’、‘岱字棉15’和‘烏干達棉’等，經育種家加以利用和改造，逐步發展成中國主栽陸地棉品種[7]。

了解和掌握棉花種質資源特征特性是選擇親本的重要前提[8]，前人對國內外棉花種質資源做了大量遺傳評價。王沛政等[9]從生產上選取20個陸地棉品種進行主成分分析和聚類分析，受樣本數量和來源的局限，并未說明親緣關系和地域之間的聯系，故而不能在陸地棉中引伸；董承光等[10]基于表型性狀對429 份陸地棉種質資源進行綜合評價，通過聚類分析發現類群間差異明顯，但并未發現聚類結果與地理來源的關系；董靈艷等[11]對山東省審定的37 個中早熟棉花品種的12個數量性狀進行遺傳多樣性分析、主成分分析與聚類分析，發現供試品種親緣關系密切，遺傳基礎狹窄，不適合同時作為育種親本；徐敏等[12]分析了144 份種質資源的產量、品質和抗病性情況，指出產量性狀、纖維品質和抗病性相關性不密切；戴茂華等[13]對黃河流域棉區的30份棉花品種的12個代表性狀進行變異性、相關性和聚類分析，發現冀中南地區影響棉花皮棉產量的主要因素為單株鈴數和衣分，并且指出產量與纖維品質間的負相關性在逐漸減弱。董承光等[14]對153份陸地棉種質資源的主要農藝性狀進行綜合評價，并通過聚類分析篩選出33份可作為育種親本的種質資源；陳光等[15]分析了43 份陸地棉基礎種質資源的遺傳多樣性，發現基礎種質間在產量、品質、農藝性狀上差異顯著或極顯著，提出環境適應、自然選擇和人工選育造成了較為豐富的表型多樣性的可能。目前，將分子標記應用于種質資源遺傳評價的報道屢見不鮮，徐秋華等[16]利用RAPD 標記從分子水平上對51 個抗枯萎病陸地棉品種進行了遺傳多樣性分析，相似系數小于0.500 的僅占16%，總體相似性較高；劉文欣等[17]將建國以來中國代表性的166個棉花主栽品種進行分子標記分析，表明不同時期、不同種植區域和不同來源的棉花品種遺傳差異明顯，但整體遺傳基礎狹窄；溫小杰等[18]利用分子標記對中國不同年代培育的54 個棉花品種進行遺傳差異分析，指出中國抗枯、黃萎病品種主要來源于岱字棉和斯字棉血統，闡明了國內不同棉花品種來源的局限性；衛澤等[19]通過表型聚類和SSR 分子標記聚類研究了國內外57份棉花種質，指出同一國家遺傳差異小、國家間遺傳差異大的地域差異。宋憲亮等[20]從系譜分析、形態特征、生化及DNA 分子水平等方面分析了棉花遺傳多樣性研究進展，闡述了陸地棉品種間遺傳多態性水平低并指出加強現有品種的研究利用和種質資源的交流是提高育成品種多樣性的重要途徑。

雖然前人在棉花種質資源評價方面做了大量工作，但大多以本土尤其是當地棉花品種（系）為主，造成陸地棉品種間遺傳多樣性不夠豐富，遺傳基礎狹窄；同時，對種質資源的優缺點分析不夠，難以真正篩選出優異的種質資源。針對以上問題，本研究選取80份來源廣泛的棉花種質資源，針對4 個產量性狀（單株鈴數、鈴重、衣分、子棉產量）、5 個纖維品質性狀（上半部平均長度、斷裂比強度、馬克隆值、伸長率、整齊度）、1個抗病性狀（黃萎病病指）進行遺傳多樣性分析、相關性分析、主成分分析以及系統聚類分析，分析種質資源的優勢和不足，篩選適于棉花育種工作的優異資源，以期擴充育種資源圃，為種質資源創新、品種遺傳改良提供資源基礎。

1 材料與方法

1.1 材料來源

供試的80 份棉花種質資源均引自山東棉花研究中心資源庫。資源名稱及來源見表1。

表1 供試種質資源編號及來源

1.2 試驗方法

1.2.1 種植方式2019年，供試材料種植于河北省農林科學院棉花研究所石家莊市小安舍試驗站黃萎病病圃。試驗采取隨機區組設計，3次重復，每個小區種植3 行，行長7.5 m，行距0.8 m，株距0.3 m，常規試驗管理。

1.2.2 性狀調查 針對目前棉花生產中較為關注的10個性狀進行考查：8—9 月份，調查株高、果枝數、單株鈴數和黃萎病發病情況，并采用相對病情指數(relative disease index，RDI)表示各個材料的抗病性強弱[21]；10月份，每個小區選擇正常吐絮單株收取中部棉鈴30 個，用于考查衣分、鈴重，纖維上半部平均長度、斷裂比強度、馬克隆值、伸長率和整齊度委托國家棉花纖維檢驗重點實驗室（河南安陽）進行檢測；11月份全部收獲后測產。

以上所有性狀全部采用3個重復的平均值。

1.2.3 數據整理及軟件分析 通過Microsoft Excel 2007整理試驗數據，采用李晶等[22]的計算方式計算遺傳多樣性指數，利用DPS 15.10進行性狀相關分析、性狀主成分分析和系統聚類分析。

2 結果與分析

2.1 資源材料的遺傳多樣性分析

表2 為80 份資源材料的遺傳多樣性分析結果，可以看出，不同性狀的變異系數范圍為2.59%～30.97%。其中，子棉產量變異系數最大，為30.97%，變異幅度為401.60～6185.00 kg/hm2，整齊度變異系數最小，為2.59%。性狀變異系數由大到小順序為子棉產量＞黃萎病病指＞單株鈴數＞鈴重＞斷裂比強度＞馬克隆值＞衣分＞上半部平均長度＞伸長率＞整齊度。從遺傳多樣性指數來看，單株鈴數的遺傳多樣性指數最高，為2.05，整齊度的遺傳多樣性指數最低，為1.68，遺傳多樣性指數由大到小順序為單株鈴數＞伸長率＞衣分＞斷裂比強度＞子棉產量＞黃萎病病指＞馬克隆值＞鈴重＞上半部平均長度＞整齊度。

表2 供試種質資源性狀遺傳多樣性分析結果

2.2 性狀之間的相關性分析

表3 為80 份資源材料10 個表型性狀的相關性分析結果，可以看出，各性狀之間存在不同程度的相關性，部分為顯著或極顯著相關。相關性達到顯著水平的性狀組合：單株鈴數與衣分、子棉產量呈極顯著正相關；衣分與上半部平均長度呈顯著正相關，與子棉產量、整齊度呈極顯著正相關；鈴重與斷裂比強度呈顯著正相關，與子棉產量、上半部平均長度、整齊度呈極顯著正相關，與馬克隆值呈顯著負相關；子棉產量與黃萎病病指呈顯著正相關，與上半部平均長度、整齊度呈極顯著正相關，與馬克隆值呈顯著負相關；上半部平均長度與整齊度、斷裂比強度呈極顯著正相關，與馬克隆值呈極顯著負相關；整齊度與斷裂比強度呈極顯著正相關，與馬克隆值呈極顯著負相關；斷裂比強度與馬克隆值呈極顯著負相關；馬克隆值與黃萎病病指呈極顯著負相關。相關性分析體現了性狀之間的復雜相互影響，在育種利用價值評價時應綜合分析。

表3 10個性狀之間的相關性分析結果

2.3 資源材料的主成分分析

對80份資源材料進行主成分分析，提取特征值大于1 的4 個主成分，累積貢獻率為76.893%，包含了調查性狀的絕大部分信息（表4）。從表中可以看出，第1主成分特征值為3.369，貢獻率為33.693%，其中上半部平均長度特征向量值正值最大(0.488)，說明上半部平均長度對第1主成分影響最大，整齊度(0.465)、子棉產量(0.341)、斷裂比強度(0.333)和鈴重(0.297)的特征向量也相對較高，馬克隆值特征向量為負值最大(-0.376)。因此，第1主成分主要與纖維品質有關，產量因素也起到較大作用。第2主成分特征值為1.932，貢獻率為19.317%，其中單株鈴數特征向量值正值最大(0.604)，說明單株鈴數對第2主成分影響最大，其次是子棉產量(0.508)，因此，第2主成分主要與產量性狀有關。第1主成分和第2主成分可合并作為纖維品質和產量因子。第3 主成分特征值為1.344，貢獻率為13.444%，其中黃萎病病指特征向量值負值最大(-0.703)，說明黃萎病病指對第3主成分影響最大，第3主成分可作為棉花抗病性因子。第4主成分的特征值為1.044，貢獻率10.439%，其中伸長率特征向量值為正值最大(0.928)，第4主成分可作為伸長率因子。

表4 供試材料主成分分析前4個主成分的因子載荷矩陣及特征值描述

參照周紹松[23]的分類方法，將供試棉花資源材料分為4類（圖1）：第Ⅰ類，以‘484-19’為代表，位于散點圖的右上角，第1主成分和第2主成分得分均較高，表明產量性狀和纖維品質性狀表現協調且相對優異；第Ⅱ類，以‘FJA’為代表，位于散點圖的右下角，第1主成分得分高且第2 主成分得分低，主要表現為纖維品質相對優異，產量性狀有待改良；第Ⅲ類，以‘遺引479’為代表，位于散點圖的左上角，第1主成分得分低且第2主成分得分高，普遍表現為產量性狀良好，纖維品質性狀有待改良；第Ⅳ類，以‘亞洲棉雞腳中棉’（紅莖）為代表，位于散點圖的左下角，第1主成分和第2主成分得分均低，纖維產量和品質性狀均表現較差。

圖1 供試材料主成分分析散點圖

2.4 資源材料的系統聚類分析

本研究采用卡方距離-可變類平均法進行系統聚類分析。依據10個表型性狀在卡方距離D=2.15時，各性狀p值均小于0.05，將80 份種質資源劃分為6 個類群。聚類情況見圖2，各類群的性狀均值見表5。

表5 不同類群10個性狀的平均值

圖2 80份種質資源的聚類結果

各類群具體分析如下。第Ⅰ類群：包括22份種質資源，包括‘土庫曼陸地棉’、‘尼泊爾棉’、‘陜2059’、‘原4401’、‘省試8784’、‘484-19’、‘省區-23’、‘省區-7’、‘省 區-11’、‘97 系’、‘魯 棉研28 號’、‘冀棉958’、‘BM995’、‘邯棉3006’、‘邯棉3007’、‘晉棉38’、‘中棉所12’、‘冀棉17’、‘庫車T-22’、‘陜2021’、‘中棉所27’、‘冀邯171’。該類群產量性狀優異，單株鈴數17.3，衣分41.24%，子棉產量5316.53 kg/hm2。其中，‘97 系’、‘484-19’、‘省區-23’、‘冀棉958’、‘晉棉38’的子棉產量均超過5825.09 kg/hm2，其他性狀沒有明顯缺陷，可以直接用于改良現有品種的產量性狀。

第Ⅱ類群：包括30 份種質資源，包括‘ISAGL7’、‘遺引112’、‘SA1064B1’、‘ASJ-5’、‘蘇丹棉’、‘Vered171’、‘Acala1517BR’、‘GP295’、‘望江長絨棉’、‘中1138E24’、‘FJA’、‘A93-11’、‘DPL90’、‘山農大86-4’、‘H144(735 選)’、‘PD0113’、‘定陶96-1’、‘冀252’、‘魯棉9號’、‘SD252YH37’、‘魯9554’、‘新陸早25’、‘新陸早50’、‘邯8901’、‘蘇遠’‘04-114’、‘軍棉1號’、‘晉91-1154’、‘O8’、‘遺引474’、‘遺引476’。該類群產量、纖維品質性狀優異，子棉產量超過整體平均值17.87%，斷裂比強度為各類群最高(32.43 cN/tex)。其中，‘山農大86-4’、‘邯8901’、‘蘇遠04-114’的子棉產量均超過5103.69 kg/hm2，超平均值45.88%以上，纖維品質均達到“Ⅱ型”，可以直接用于改良現有品種的產量和品質。

第Ⅲ類群：包括9份種質資源，包括‘陜1155’、‘冀3早熟系’、‘UK-55’、‘克利夫蘭抗毒4’、‘土耳其棉’、‘帝國棉’、‘甘肅洋花12’、‘脫字棉’、‘新陸中8 號’。該類群優點是鈴大、纖維伸長率高；缺點是抗黃萎病能力差，可用于棉花鈴重、纖維伸長率等方面的改良。

第Ⅳ類群：包括12 份種質資源，包括‘遺引479’、‘Acala1517SR2’、‘Deltapine SR383’、‘SP21 松’、‘遺引61’、‘219（烏3×岱16）F10’、‘高密86121’、‘太原02-21’、‘NC-150 COMPATIBLE’、‘朝陽棉1 號’、‘遼棉9號(6496)’、‘百棉2 號’。該類群齡大、衣分高。其中，‘Acala1517SR2’鈴重達到8.0 g，是典型的大鈴材料，可以用于改良棉花品種的鈴重，間接提高棉花產量；‘遺引61’衣分達到45.88%，可以用于棉花高衣分品種培育。

第V 類群：包括2 份種質資源，包括‘未奴非70’、‘鴨棚棉’。其中，‘未奴非70’的纖維品種優異（上半部平均長度34.24 mm，斷裂比強度34.70 cN/tex，馬克隆值4.81），黃萎病病指為0，但是子棉產量僅為1875.2 kg/hm2，難以直接利用，可通過構建回交群體、RIL 群體等方式進行資源創新、優異性狀QTL 定位等研究。

第Ⅵ類群：包括5 份種質資源，包括‘浙江白籽’、‘雞腳中棉（綠莖）’、‘南通中棉’、‘雞腳中棉（紅莖）’、‘紹興綠樹’，全部為亞洲棉，產量性狀和纖維品質性狀均最差，難以直接應用于棉花育種。

3 討論與結論

本研究考查了80份種質資源的10個性狀，包含產量、纖維品質、抗病性3 個方面。遺傳多樣性分析顯示，4 個產量性狀變異系數均大于10%，其中單株鈴數、鈴重、子棉產量的變異系數均大于20%，而5 個纖維品質性狀變異系數最大僅為10.83%，其中上半部平均長度、整齊度、伸長率變異系數均小于10%，變異程度小，說明纖維品質性狀的變異程度低于產量性狀，這與代攀虹等[24]研究結果一致，不同來源的種質資源具有相同的性狀變異規律，說明纖維品質性狀相對穩定，產量性狀可能更易受環境、氣候等因素的影響。

性狀相關性分析中，單株鈴數與衣分、子棉產量，衣分與整齊度，鈴重與子棉產量、上半部平均長度、整齊度，上半部平均長度與斷裂比強度，整齊度與斷裂比強度均呈極顯著正相關，表明單株鈴數越多，衣分越高，子棉產量越高；衣分越高，整齊度越高；鈴重越重，子棉產量越高，上半部平均長度越高，整齊度越高；上半部平均長度越長，斷裂比強度越大；整齊度越高，斷裂比強度越大。上半部平均長度與馬克隆值，整齊度與馬克隆值，斷裂比強度與馬克隆值；馬克隆值與黃萎病病指均呈極顯著負相關，表明上半部平均長度越長，馬克隆值越??；整齊度越高，馬克隆值越??；斷裂比強度越大，馬克隆值越??；馬克隆值越大，黃萎病病指越低。以上結果與李武等[8]、董承光等[10,14]、徐敏等[12]、戴茂華等[13]、代攀虹等[24]、李慧琴等[25]的部分研究結果一致。分析表明，4個產量性狀間、4個纖維品質性狀（除伸長率）間以及部分產量性狀與部分纖維品質性狀間均表現為極顯著的相互促進關系，說明產量和纖維品質存在同步改良的可能；馬克隆值與黃萎病病指的相關關系表明，纖維品質與黃萎病抗性的改良存在相互制約的可能。

主成分分析是多元統計分析的重要統計方法。主成分因子之間相關性不顯著且容易直觀分析[26]。提取貢獻率達到76.893%的4個主成分因子，貢獻率由大到小依次是：棉花纖維品質因子＞棉花產量因子＞棉花抗病性因子＞伸長率因子。圖1中，‘484-19’、‘冀棉958’、‘中1138E24’、‘省區-11’、‘山農大86-4’等右上角的資源材料，棉花纖維品質和產量因子得分都比較高，可作為首選種質資源進行改良；同時，前三個因子貢獻率累積達到66.454%，該結果體現了引種時的主要關注點：首先是纖維品質（貢獻率33.693%），其次是產量（貢獻率19.317%）和抗病性（貢獻率13.444%），這與目前棉花育種的主要關注點[3]是一致的。

系統聚類分析是目前應用最廣泛的聚類分析方法，具有數值特征的變量和樣品即可進行系統聚類分析[27]。結合圖2、表4 和表5，6 個類群主要從主成分分析中的第1主成分和第2主成分的差異性方面進行劃分，同時也體現出了棉花種質資源的地域因素。第Ⅰ類群包含22 份材料，占供試材料的27.5%，其中19 份為黃河流域的已審定品種和參加黃河流域省區試優質材料，地域普遍較近；第Ⅱ類群包含30份材料，在地域上分布廣泛；第Ⅰ、第Ⅱ類群都有突出的優點，沒有明顯的缺點，可以直接改良棉花品種。第Ⅲ、第Ⅳ、第V類群優缺點明顯，難以直接改良棉花品種，可以通過雜交，輪回選擇等育種方法，結合分子輔助選擇技術，聚合優異性狀進行新品種培育。第Ⅵ類群中，‘雞腳中棉（紅莖）’和‘雞腳中棉（綠莖）’親緣關系相近，但從田間表現來看，2個材料在莖稈顏色上存在明顯差異（紅與綠），可作為研究莖桿顏色的材料加以利用。

前人在種質資源評價中，普遍將主成分分析[23]和聚類分析[13-14]單獨分析討論，進而篩選出符合要求的親本材料。董靈艷等[11]提出了主成分分析和聚類分析相結合的觀點，但未見具體報道。本研究將主成分分析散點圖中的第I 類群和聚類分析的第Ⅰ、第Ⅱ類群取交集，獲得25份資源材料：‘陜2059’、‘原4401’、‘484-19’、‘省區-23’、‘省區-7’、‘省區-11’、‘97 系’、‘冀棉958’、‘BM995’、‘邯棉3006’、‘邯棉3007’、‘晉棉38’、‘中棉所12’、‘陜2021’、‘冀邯171’、‘中1138E24’、‘DPL90’、‘山農大86-4’、‘PD0113’、‘定陶96-1’、‘冀252’、‘魯棉9號’、‘SD252YH37’、‘新陸早50’、‘軍棉1號’，以上材料在2種分析方法中均被劃分到高產、優質類群，同時結合遺傳多樣性分析和性狀相關性分析，結果更加客觀、準確。

主成分分析散點圖和聚類分析相結合的分析方法并非在任何情況下都適用。首先，主成分因子與育種目標性狀不一致時不可用；其次，聚類分析未將含有育種目標性狀的種質資源劃分在同一類群時不可用；第三，主成分分析散點圖劃分的優勢類群和聚類分析的優勢類群沒有交集時不可用。此外，僅僅基于表型的資源評價容易受環境等外在因素的影響，難以做到精準評價。今后可將分子標記等現代生物技術手段與常規方法結合進行資源評價[28-30]，可更加精準的評價種質資源的育種利用價值，為種質資源利用提供有益信息。

綜上所述，本研究中80份資源具有豐富的遺傳多樣性，尤其在單株鈴數、鈴重、子棉產量等產量性狀尤為突出，為棉花產量改良提供了豐富的資源；產量性狀和纖維品質性狀有望同步改良，纖維品質性狀與黃萎病抗性的改良存在相互制約的可能；篩選出可用作棉花育種親本的25份高產、優質資源材料。