314份陆地棉种质资源农艺性状与品质性状的遗传多样性分析

王海涛，李兴河，蔡肖，唐丽媛，张素君，刘存敬，张香云，张建宏

（河北省农林科学院棉花研究所/农业农村部黄淮海半干旱区棉花生物学与遗传育种重点实验室/国家棉花改良中心河北分中心，河北 石家庄 050051）

棉花是重要的纤维和油料作物，全球约95%的纺织纤维来源于棉花［1］。陆地棉（Gossypium hirsutum L．）年产量超过棉花总产量的90%，是种植面积最大的棉花栽培种［2］。随着国民经济飞速发展，社会对棉花产量和品质的要求也越来越高，尤其是对纤维品质的要求更高，以满足人们更好品质生活的需求。因此高产优质仍然是棉花育种的首要目标，合理选择利用棉花种质资源则对棉花品质育种起着至关重要的作用。

丰富的种质资源是培育优势棉花新品种的物质基础。挖掘具有遗传多样性的棉花种质，为育种者提供遗传多样性的亲本材料，仍是种质资源研究的首要目标。研究种质资源的遗传多样性具有极为关键的价值。棉花农艺性状多数为数量性状遗传，且表型易受环境的影响［3］。有关棉花农艺性状与纤维品质的研究分析国内已有很多报道，采用的主要方法为变异分析、相关性分析、主成分分析和聚类分析［4-13］。李慧琴等［4］对270份陆地棉种质资源进行分析，筛选出不同优良性状的种质资源材料79份并加以利用。孔清泉等［5］对92份陆地棉种质资源主要性状的分析表明，纤维上半部平均长度与断裂比强度呈极显著正相关，筛选获得5种不同类型的种质资源材料。尹会会等［7］对134份国外种质的分析表明，整齐度指数与上半部平均长度、断裂比强度均呈极显著正相关，断裂比强度与上半部平均长度间也呈极显著正相关，并筛选出美1870、美1884、FM1830等14份品质与产量俱佳的优异种质。石建斌等［8］研究表明，株高和果枝数均能对棉花品质指标产生影响，两者增加条件下纤维上半部平均长度和纤维断裂比强度均增加。李飞等［9］围绕172份陆地棉开展相应的主成分与聚类分析，19个性状能够简化为非关联的5个主成分，其累计贡献率为80．25%。李武等［10］对黄河流域102份棉花资源进行的分析表明，株高越高、第一果枝着生节位越高，单铃重越高，衣分也会上升；子指越大，相应的衣分就会降低。

本研究选取314份陆地棉种质资源，以棉花农艺性状及纤维品质性状为切入点，进行群体的变异分析、相关性分析、主成分分析和聚类分析，并通过这4项指标综合评价棉花种质资源，筛选优质棉花种质材料，创新棉花种质资源，以期为新品种选育及其亲本选配提供一定的理论参考。

1 材料与方法

1．1 试验材料

供试陆地棉种质资源材料共314份（图1），是本课题组引进及培育的资源材料，2018—2019年在河北省农林科学院棉花研究所威县试验站种植鉴定。

1．2 试验方法

试验采用随机区组设计，2行区，重复3次。等行距种植，行长3．5m，行距76 cm，株距16 cm，密度83 000株/hm2。小区面积5．32 m2。每年4月下旬播种，双行地膜种植，其它配套栽培管理措施和一般大田一致。

1．3 数据采集

每小区选取中间有代表性棉花20株，于9月5日主要调查株高、第一果枝节位、第一果枝节位高度、首果节长度。收花前分别在两个重复的取样行随机采摘中上部吐絮正常的50个铃，晒干称重，分析单铃重［14］；测定单铃重的子棉样品分品种轧花考种后，计算衣分和子指；收花后各小区取棉样30 g送农业农村部棉花纤维检测中心（安阳）采用HVI900系统进行棉花纤维品质测定。

1．4 数据标准化及统计分析

用Microsoft Excel 2007整理数据并作图，运用SPSS 21．0软件进行遗传变异和相关性分析，运用DPS 15．10软件进行主成分和聚类分析。

2 结果与分析

2．1 主要性状的遗传多样性分析

314份陆地棉种质材料主要性状的变异分析结果（表1）表明，各种质间的变异区间为1．0%～21．6%，变幅较大。其中，首果节长度变异系数最大为21．6%，变异区间为4．7～32．2 cm；伸长率变异系数最小为1．0%，变异区间为6．5% ～6．9%；其它性状变异系数依次为第一果枝节位高度（18．8%）＞第一果枝节位（13．8%）＞断裂比强度（11．9%）＞株高（10．7%）＞单铃重（10．2%）＞子指（10．1%）＞马克隆值（9．1%）＞衣分（8．1%）＞上半部平均长度（6．3%）＞整齐度指数（2．4%）。通常情况下变异系数超过10%代表样本间有较为显著的差异［15］。本研究中，7个性状的变异系数超过10%，说明这314份材料主要性状间差异较大，类别较丰富，有益于优异种质资源的对比与筛选。

表1 314份陆地棉种质资源主要性状的变异情况

2．2 主要性状的相关性分析

对314份陆地棉种质资源的12个主要性状进行相关性分析，结果（表2）表明，第一果枝节位与第一果枝节位高度、株高、单铃重、衣分呈极显著正相关，与子指呈极显著负相关，与上半部平均长度、断裂比强度、整齐度指数呈显著负相关；第一果枝节位高度与株高、单铃重、衣分呈极显著正相关。首果节长度与株高、单铃重、马克隆值呈极显著正相关；株高与单铃重、衣分呈极显著正相关，与马克隆值呈显著正相关；单铃重与子指、马克隆值呈极显著正相关，与断裂比强度呈极显著负相关；衣分与子指、上半部平均长度、断裂比强度、伸长率呈极显著负相关，与马克隆值呈极显著正相关；子指与上半部平均长度、断裂比强度、整齐度指数、伸长率呈极显著正相关，与马克隆值呈极显著负相关；上半部平均长度与断裂比强度、整齐度指数、伸长率呈极显著正相关，与马克隆值呈极显著负相关；整齐度指数与断裂比强度、伸长率呈极显著正相关；断裂比强度与伸长率呈极显著正相关，与马克隆值呈极显著负相关；马克隆值与伸长率呈显著负相关。由上分析得出，这些性状大多相互间有密切的影响与制约机制，所以种质创新运用中应进行整合研究。

表2 314份陆地棉种质资源主要性状的相关性

2．3 主要性状的主成分分析

对314份陆地棉种质资源的7个农艺性状和5个纤维品质性状进行主成分分析，提取特征值大于1的主成分，共有4个，累计贡献率为68．39%，能呈现农艺性状和纤维品质性状的多数信息（表3）。第1主成分的特征值为3．3884，相应的贡献率为28．24%，其中上半部平均长度特征向量值正值最大（0．8474），对第1主成分影响最大，其次是断裂比强度（0．8455）、伸长率（0．5940）、子指（0．5685）、整齐度指数（0．3362），因此第1主成分为棉花纤维品质因子。第2主成分的特征值为2．1657，相应的贡献率为18．05%，其中第一果枝节位高度特征向量值正值最大（0．8335），其次是第一果枝节位（0．7203）、株高（0．6635），因此第二主成分因子为植株性状。第3主成分的特征值为1．4710，相应的贡献率为12．26%，其中单铃重特征向量值为正值最大（0．6726），其次为首果节长度（0．5770）、子指（0．5114），因此第3主成分为棉花产量因子。第4主成分的特征值为1．1803，相应的贡献率为9．84%，其中伸长率特征向量值为正值最大（0．5242），其次为衣分（0．4427）和马克隆值（0．4161）。

表3 314份陆地棉种质资源农艺性状的主成分分析

2．4 314份陆地棉种质资源的聚类分析

图1 陆地棉种质资源聚类图

表4 不同类群12个性状的平均值

利用DPS 15．10软件进行系统聚类，根据遗传距离3．5将314份陆地棉种质资源划分为6大类群（图1），同时计算各类群的性状平均值（表4）。其中，第Ⅰ类群包含62份，属于第一果枝节位高度较矮、株高较矮、衣分较高的资源材料；第Ⅱ类群包含79份，属于株高中等、首果节长度较长、断裂比强度较好（31．05 cN/tex）的资源材料，该类群材料纤维品质级别主要为Ⅱ型；第Ⅲ类群包含104份，属于株高中等、衣分较高、品质一般的资源材料；第Ⅳ类群体包含31份，属于株高中等、衣分高、品质较差的资源材料；第Ⅴ类群包含6份，分别为SJB095系、V4007系、华惠17、荆3092、荆3180和中棉所79，属于株高较高（126．32 cm）、首果节长度较短（9．00 cm）、茎秆硬、较紧凑、衣分高（43．00%）的资源材料；第Ⅵ类群包含32份，属于株高矮（98．83 cm）、衣分低（35．42%）、单铃重低（4．96 g）、纤维品质优（上半部平均长度30．57 mm，断裂比强度35．49 cN/tex，马克隆值4．43）的资源材料。育种中，可以根据不同育种目标对资源材料进行筛选和分析利用。

3 讨论与结论

棉花种质资源的遗传多样性分析，对于种质资源利用和品种选育具有重要价值和作用。本研究选取314份陆地棉资源进行变异分析、相关性分析、主成分分析和聚类分析，材料量较多且分析性状涵盖面广，有利于在棉花育种中提取相应性状进行优化和改良。李慧琴等［4］对270份陆地棉种质资源的12个农艺性状与5个纤维品质性状的变异分析表明，7个性状的变异系数大于10%，大部分的变异系数都在5%以上。本研究中，首果节长度、第一果枝节位高度、第一果枝节位、断裂比强度、株高、单铃重、子指的变异系数均大于10%，其中断裂比强度的变异系数达到11．9%，首果节长度达到21．6%，这与李慧琴等［4］的结论相同。

本研究表明，棉花上半部平均长度与整齐度指数、断裂比强度、伸长率呈极显著正相关，与马克隆值呈极显著负相关，表明棉花纤维长度、纤维强度和纤维细度可以同步改良，这与李慧琴［4］、刘剑光［11］、钱玉源［16］等的研究结果一致。衣分与上半部平均长度、断裂比强度呈极显著负相关，与马克隆值呈极显著正相关，表明棉花产量与纤维品质之间存在矛盾性，主要特征为纤维品质指标与衣分呈显著负相关，这与李慧琴［4］、尹会会［7］、钱思颖［17］、戴茂华［18］等的研究结果基本一致。因此在选育高衣分品种时一定要注意协调纤维品质，不能一味地提高衣分，同时也不可过分追求优质而影响到产量。衣分与子指呈极显著负相关，说明同一品种的子指越大，相应的衣分就会降低，导致皮棉产量下降，这与李武等［10］的研究结果一致。株高与第一果枝节位高度、第一果枝节位、单铃重、衣分呈极显著正相关，与马克隆值呈显著正相关，表明棉花植株越高，棉铃越大，单铃重越重，衣分越高，马克隆值越高，纤维较粗，和李武等［10］的结论相同。第一果枝节位与第一果枝节位高度、株高、单铃重、衣分呈极显著正相关，与上半部平均长度、断裂比强度、整齐度指数呈显著负相关，表明第一果枝节位越高，植株越高，单铃重越重，上半部平均长度越短，断裂比强度越低。这与李慧琴［4］、尹会会［7］等的研究结果较一致。

主成分分析即关键的统计法，运用较少指标取代原本的多指标方案［19］。本研究提取的4个主成分累计贡献率达68．39%。其中，第1主成分的特征值为3．3884，相应的贡献率为28．24%，为棉花纤维品质因子。这说明随着上半部平均长度增加，断裂比强度、伸长率、整齐度指数也相应增加，而衣分、马克隆值、第一果枝节位高度、株高等降低，也说明棉花纤维品质和衣分等与产量性状存在着一定矛盾。第2主成分为植株性状因子，其中第一果枝节位高度特征向量值正值最大（0．8335），其次是第一果枝节位（0．7203）、株高（0．6635）。这说明植株越高，第一果枝节位越高，第一果枝节位高度越高，单铃重越重。第3主成分为棉花产量因子，其中单铃重特征向量值为正值最大，其次为首果节长度、子指。这说明随着单铃重增加，棉纤维上半部平均长度、断裂比强度、伸长率降低，马克隆值增加，也说明产量和纤维品质之间同步改良难度大。第4主成分中伸长率特征向量值为正值最大，其次为衣分和马克隆值，子指特征向量值为负值最大，说明同一品种的衣分越大，相应的子指就会降低，导致皮棉产量下降。

本研究通过对农艺与品质性状的聚类分析，将314份资源材料分成6大类群。第Ⅵ类群包含32份资源，为优质材料，其中新陆中35、新路早66号、金陆长1号、J02-508、鄂棉9号（五三长绒）、冀长绒、sealand（特长绒）、鲁原343、豫389、Q1087、75119纤维品质长强细配套，都达到Ⅰ型，但是普遍衣分较低，可用作改良棉花纤维品质的杂交亲本，与高衣分材料进行杂交；新陆中10号（马克隆值3．5）、金陆长1号（马克隆值3．9）、JA064（马克隆值3．9）、JA401-2（马克隆值3．2）、鄂棉9号（马克隆值3．9）、Q1087（马克隆值3．8）马克隆值较优，可与高马克隆值材料杂交，改良棉花的马克隆值。第Ⅴ类群包括SJB095系、V4007系、华惠17、荆3092、荆3180和中棉所79，其第一果枝节位较高、第一果枝节位高度高、首果节短、茎秆硬、衣分高，如果于合适时间节点使用适宜浓度缩节胺控高，可实现机械化采收。第Ⅳ类群属于衣分高、品质较差的资源材料，其中SJB094（衣分46．3%）、ZH2015（衣分46．9%）、楚优8号（衣分46．1%）、荆早棉1号（衣分45．1%）、晶华115（衣分46．7%）、湘杂棉亲本（衣分45．1%）、冀466-468（衣分45．9%）、润棉1号（衣分46．1%）的衣分都超过45%，但纤维品质不佳，可根据实际情况，与优质材料杂交，实现品质和衣分的同步改良。第Ⅱ类群为断裂比强度较好的棉花资源材料，JA501、601长绒棉、V4076、湘212、ZXJDL F6、冀1498系、冀N71、冀丰4号、冀资优、R039108、苏研65010、科棉5号、银兴棉4号、德棉7号、鲁735、锦科2号、百棉1号、欣抗4号、郑农棉4号、7015系、MBC11181、MBC27683、H1BC-3的断裂比强度均大于32．0 cN/tex，尤其是ZXJDL F6（断裂比强度37．9 cN/tex）、冀1498系（断裂比强度37．5 cN/tex）、冀N71（断裂比强度35．2 cN/tex）、苏研65010（断裂比强度35．2 cN/tex）、鲁735（断裂比强度35．2 cN/tex）、郑农棉4号（断裂比强度35．8 cN/tex）、7015系（断裂比强度36．0 cN/tex）、MBC27683（断裂比强度35．9 cN/tex）断裂比强度超过了35．0 cN/tex，可用于改良棉花的强度。第Ⅰ类群为株高较矮、首果节较长的资源材料，可与植株高、株型紧凑的资源材料（第Ⅴ类群体）进行杂交，改良棉花株型。第Ⅲ类群包含104份，属于株高中等、衣分较高、品质一般的资源材料。

棉花纤维品质、产量与农艺性状有着非常密切的关联，单铃重、衣分为影响产量的核心因素，上半部平均长度、断裂比强度、马克隆值为纤维品质构成的重要指标，而株高、第一果枝节位、第一果枝节位高度、首果节长度等农艺性状又影响着棉花产量和纤维品质。棉花产量和品质同步改良一直是棉花育种者共同的目标，切不可一味追求产量而忽视品质，或过多追求优质而忽视产量。棉花马克隆值和断裂比强度是影响河北棉花品质提档升级的主要原因［20］，通过聚类分析，本研究筛选出一批改良马克隆值和断裂比强度的资源材料。近年来，随着我国劳动力成本的快速上升，棉花生产全程机械化是提高植棉效益、降低生产成本从而实现快乐植棉的重要保障［21］。2018年以来，河北省棉花区域试验增加了机采棉组，冀1518［20］、冀棉2016［22］等一批适合机采的棉花品种通过河北省农作物品种审定委员会审定，为河北省乃至黄河流域棉区棉花生产和品种选育提供了方向性借鉴。