棉花新品种聚类分析及其利用模式研究

张宗敏,田土星,陈荣江

（1.新乡市农牧局种子管理站,河南新乡453003；2.新乡市锦科棉花研究所,河南新乡453731；3.河南科技学院,河南新乡453003）

棉花新品种聚类分析及其利用模式研究

张宗敏1,田土星2,陈荣江3

（1.新乡市农牧局种子管理站,河南新乡453003；2.新乡市锦科棉花研究所,河南新乡453731；3.河南科技学院,河南新乡453003）

为了探讨棉花种质资源的遗传多样性,为棉花品种改良及亲本选择提供信息,运用聚类、判别、多元方差等分析方法对参加2011年黄河流域中熟常规棉区试A、B两组共20个品种的产量、早熟性、抗病性及品质指标共12个性状进行分析.结果表明：各性状的变异系数以枯萎病指最大（25.36%）,黄萎病指次之（19.45）,皮棉产量、株铃、铃质量、麦克隆值及纺纱均匀指数的变异系数均较大,衣分、纤维长度、比强度及整齐度的变异系数较小.聚类分析（minkowski距离,ward方法）将20个品种聚为4大类,基于聚类结果再进行判别分析,误判率为0,表明分类结果可靠.多元方差分析结果显示4类品种存在极显著差异：第I类属早熟、较高产优质类；第II类属中早熟、中产中质类；第III类属较早熟、高产中下质类；第IV类属中熟、中低产中上质类.针对各类品种的特征提出合理利用的价值和改良目标.百棉985、中植棉1017及锦科棉11号3个品种性状表现突出,在棉花品种的遗传改良中有较高的利用价值.

棉花；高产优质；聚类分析；判别分析；多元方差分析

在棉花育种实践中,国内外学者都侧重于对棉花的产量和品质性状两方面因素的遗传效应及遗传相关的研究[1-3],所得有关遗传效应及遗传相关信息在指导棉花育种实践中发挥了积极作用[4-6].为挖掘棉花种质资源信息,加快综合性状优良的棉花新品种选育进程,加强对棉花新品种的产量及品质优良特性的剖析与遗传多样性研究显得至关重要.目前,有关中熟常规棉的遗传多样性研究报道,多采用分子标记技术进行研究[7-10].分子标记技术从DNA水平上研究品种（系）的多态性,而品种的表现型是生态环境、基因型及其互作效应的综合结果,所以分子标记法用于研究棉花品种的多态性难以充分地揭示品种表现特征.基于表型性状对中熟常规棉进行遗传多样性的研究尽管亦有报道,但采用的研究方法不尽相同,且对近年育成的中熟常规棉花新品种优势性状剖析的报道并不多见,进行此项研究对充实棉花种质资源信息具有重要意义.本研究依据2011黄河流域中熟常规棉花新品种区试资料,采用聚类分析、多元方差分析等方法研究参试品种主要特征及其差异,旨在为高产优质棉花新品种选育实践中合理利用种质资源提供有益信息.

1 材料与方法

1.1 试验材料

以参加2011年黄河流域棉区中熟常规棉区试A、B两组的20个新品种为分析材料,包括RF05-37、鲁7619、GK99、衡棉6号、邯218、百棉985、中植棉2号、sGK18、邯8266、DM0539、冀航8号、sGK中3017、中植棉1017、冀棉229、银兴棉4号、鲁6269、锦科棉11号、冀丰1271、快育66,中植棉2号分别在A、B两组中作为对照.试验在灵璧、沧州、故城、邯郸、石家庄、商丘、西华、新乡、响水、泗阳、惠民、金乡、临清、宁津、运城、大荔、天津等18个试点进行.试验采用随机区组设计,重复3次,小区面积20m2,全区计产,按普通棉田的管理方法进行.考察性状包括：皮棉产量（x1,kg/hm2）、霜前花率（x2,%）、株铃数（x3,个/株）、单铃质量（x4,g）、衣分（x5,%）、枯萎病指（x6）、黄萎病指（x7）、纤维长度（x8,mm）、比强度（x9, cN/tex）、麦克隆值（x10）、整齐度（x11,%）、纺纱均匀指数（x12,以下简称“纺纱指数”）.采用国际通用的HVICC标准,由农业部棉花纤维品质监督检测中心900系列对各试点提供的参试品种的棉纤维样本进行检测.

1.2 分析方法

对考察性状进行描述性统计,采用聚类和判别分析[11]对参试品种进行研究,利用多元方差分析及多重比较剖析各品种的特征和差异.数据在SAS 9.2[12]和MATLAB 7.0[13]环境下完成统计处理.

2 结果与分析

2.1 参试棉花品种考察性状的总体表现

平均值及变异性是度量作物性状受环境条件影响的一般表现和变异的指标,它反映作物相关性状的特征和基本动态.参试棉花品种所考察性状的统计结果见表1.

由表1可知,参试棉花品种的平均皮棉产量为1 348.83 kg/hm2,变异系数中等偏大（6.68%）,极差350.77 kg/hm2；霜前花率90.75%,变异系数较小（2.60%）,极差11.03%；株铃19.22个,变异系数中等（6.35%）,极差4.76个；铃质量5.85 g,变异系数5.43%,极差1.01 g；衣分39.87%,变异系数3.60%,极差5.04%；枯萎病指、黄萎病指分别为4.14、20.34,变异系数分别为25.36%、19.45%,居所考察性状的第一、第二位,极差分别为3.50、17.60；纤维长度、比强度、麦克隆值、整齐度的均值分别为29.12 mm、29.02 cN/tex、4.93和85.26%,变异系数除麦克隆值（5.17%）外均较小；纺纱指数均值140.95,变异系数4.02,极差24.24.从变异系数的大小可见,枯萎病指、黄萎病指、皮棉产量、株铃、铃质量及麦克隆值具有较大变异性,表明这些性状除受遗传基因影响外,还较易受环境因素的影响,具有较大的改良空间,育种实践中应注重利用优势材料有针对性地进行改良；衣分、纤维长度、比强度、整齐度的变异系数较小,表明它们主要受遗传基因控制,短期选择难以奏效,应于早代加强选择.

表1 参试棉花品种所考察性状的平均值及变异性Tab.1 Mean and variability of the characteristics of the tested cotton varieties

2.2 参试棉花品种的聚类分析

以皮棉产量、霜前花率、单株铃数、单铃质量、衣分、枯萎病指、黄萎病指、纤维长度、比强度、麦克隆值、整齐度及纺纱指数12个产量品质性状为聚类变量,对参试品种进行聚类分析.样品间取minkowski距离,参数p=3,采用ward聚类方法,在类间欧氏距离为95时将20个参试品种聚为4类.结果见图1.

图1 参试棉花品种聚类图Fig.1 Clustering chart of the tested cotton varieties

由图1可知：第I类含7个品种,包括鲁7619、邯8266、冀丰1271、锦科棉11号、冀棉229、银兴棉4号、欣试71143；第II类有6个品种,包括RF05-37、衡棉6号、冀航8号、sGK中3017、快育66、中植棉2号；第III类含3个品种,包括百棉985、中植棉1017、鲁6269；第IV类含4个品种,分别是GK99、邯218、sGK18和DM0539.

2.3 四大类棉花品种的多元方差分析

将各类品种所考察的产量、产量因素及品质指标共12个性状分别看作一个多元正态总体,进行多元方差分析.统计量及检验结果见表2.

表2 各类棉花品种的多元方差分析Tab.2 Multivariate analysis of variance ofall kinds of varieties

由表2可知,采用Wilks'Lambda检验统计量的结果,统计量F=5.67,相应的显著性水平为0.000 3,达极显著水平,表明聚得的4类棉花品种间存在极显著差异.

为了证实这个分类结果的合理性,基于各品种的分类结果,依所考察的12个性状为判别变量,对参试棉花品种重新进行判别分析,经SAS系统DISCRIM过程编程进行统计运算,得到判别函数.根据这些判别函数对参试品种进行判别,结果得出误判率为0,进一步肯定了上述分类结果的可靠性,能够在此基础上做进一步分析（见表3）.

表3 各类棉花品种的判别函数Tab.3 Discriminant function of all kinds of cotton varieties

4类品种间虽然存在极显著差异,但并非类间所有的性状都存在显著差异.为明确究竟哪些性状存在显著差异,从而获得优势性状信息,进一步对各性状进行方差分析和多重比较,结果分别见表4、表5.

表4 各类棉花品种所考察性状的方差分析Tab.4 Analysis of variance of the characteristics of all kinds of cotton varieties

表5 各类棉花品种诸性状的平均值及变幅Tab.5 Average and variation range of the characteristics of all kinds of cotton varieties

由表4可知,皮棉产量和衣分存在极显著差异（P=0.002 6）,株铃达显著差异（P=0.023 4）,其他性状在类间差异不显著.

从表5中各类品种诸指标的平均值可以看出,第I类7个品种的平均皮棉产量、株铃、衣分、纤维长度、麦克隆值均在4类中居第二位,霜前花率、枯萎病指、比强度、纺纱指数均居4类之首,属早熟、较高产优质类.此类品种的改良除注重提高产量外,还应注重提高纤维长度,同时降低麦克隆值和枯萎病指.其特征是早熟性好、比强度高,可作为改良这些性状的亲本.第II类6个品种的皮棉产量、株铃、衣分、纤维长度、比强度、纺纱指数均排第三位,霜前花率、铃质量、黄萎病指居第二位,而麦克隆值和枯萎病指最低,属较早熟、中产中质类.对此类品种的改良,既注重增加株铃和衣分、降低黄萎病指,还应着重提高纤维长度和比强度以提升品质.因其具有低麦克隆值和枯萎病指的特征,可作为对这些性状改良的亲本.第III类3个品种的皮棉产量、株铃、衣分、麦克隆值、黄萎病指、整齐度最高,枯萎病指较高,霜前花率居第三位,铃质量、纤维长度、比强度、纺纱指数最低,属高产、中下质类型.对此类品种的改良,除注重提高铃质量以求产量稳中有增外,应特别注重纤维长度、细度、强度的全面提高,同时还需注意降低枯萎病指和黄萎病指,提高抗病性.因其在株铃、衣分性状上的优势,可作为对这些性状改良的亲本.第IV类4个品种的皮棉产量、霜前花率、株铃、衣分、黄萎病指最低,铃质量、纤维长度最高,比强度、纺纱指数较高,麦克隆值和枯萎病指较低,属中低产、优质高抗病类.改良此类品种,除注重提高株铃和衣分增加产量外,还应适当提高早熟性.其特征是抗病性强、纤维长好,可作为对品质和抗病性状改良的亲本.

3 结论与讨论

根据各参试棉花品种在产量、早熟、抗病及纤维品质12个性状的相似度,将20个参试品种聚为4大类：第I类有7个品种,其突出表现为早熟性好、比强度高、综合品质优,属早熟、较高产优质类；第II类含6个品种,主要特征是纤维细度较好、枯萎病指低,属较早熟、中产中质类；第III类包括3个品种,典型特征为高产、麦克隆值和黄萎病指高,纤维长度和比强度偏低,属较早熟、高产中下质类；第IV类含4个品种,主要特征为产量偏低,霜前花率、黄萎病指最低,属中熟、中低产优质高抗病类.4类品种差异极显著,在聚类分析的基础上通过判别分析验证,结果完全一致,进一步证实了分类结果的正确性与可靠性.

从本试验结果看,目前在棉花高产选育上成就喜人：中植棉1017的皮棉产量最高,达1 540.94 kg/hm2,另有4个品种的皮棉产量超过1 400 kg/hm2,绝大多数品种皮棉产量接近或超过1 350 kg/hm2；早熟性好,参试品种霜前花率达90%的占70%.但在纤维品质方面与国家标准要求尚存差距,主要表现为比强度偏低,麦克隆值偏高.参照国家棉花新品种审定标准NY/T 1297—2007[14],所有参试品种的纤维长度大于28 mm,达到II型标准（≥28 mm）,但没有达到I型标准（≥31 mm）要求的；比强度偏低,参试品种达到II型标准（≥30 cN/tex）的仅10%,80%的品种只能达到III型标准（28～30 cN/tex）；麦克隆值中度偏高,纤维偏粗,达到II型标准（3.4～5.1）的占65%,其余35%仅满足III型标准（5.1～5.5）；参试品种的纺纱均匀指数变幅为133.35～157.59,属B级或C级,适纺32～40支纱[15].从4类品种的皮棉产量与纤维品质看,第Ⅲ类产量最高,但综合品质相对较低,抗病性在耐级以上[16],其中百棉985、中植棉1017可以作为改良产量性状的亲本；第Ⅳ类产量最低,但各品质指标表现较好,值得提及的是锦科棉11号在本分析资料所涉品种中综合品质最好,纤维长度30.79 mm,比强度31.96 cN/tex,麦克隆值4.59,整齐度85.38,纺纱均匀指数157.59,皮棉产量1 420 kg/hm2,可作为改良棉纤维品质性状的亲本.本研究结果表明,棉花的高产与优质存在一定的制约关系,这与梅拥军等[17]的研究结论基本一致.黄萎病指偏高可能是第Ⅲ类品种品质低下的原因.许多理论研究表明,棉花产量性状与品质性状存在遗传负相关.为了有效缓解在性状选择上的矛盾,提高选择效率,应利用分子遗传学、转基因等现代生物育种技术,加强纤维品质的选育力度,争取在纤维的长度、细度、强度及抗病性上得到较大的提升,最终育成既高产又符合纺织业高标准要求、综合性状优良的棉花新品种.

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（责任编辑：邓天福）

Cluster analysis and use pattern research on new cotton varieties

ZHANG Zongmin1,TIAN Tuxing2,CHEN Rongjiang3
（1.Seed Management Station,Agriculture Bureau of Xinxiang City,Xinxiang 453003,China；2.Xinxiang Jinke Cotton Research Institute,Xinxiang 453731,China；3.Henan Institute of Science and Technology, Xinxiang 453003,China）

To study the genetic diversity of cotton germplasm resources and to provide information for the improvement of cotton varieties and the selection of parents,the methods of cluster analysis,discrimination analysis, multivariate analysis of variance and so on,were applied to analyze 20 middle maturing conventional cotton varieties, which participated in the Yellow River Basin conventional cotton test A,B two groups in 2011,involving yield, earliness,disease resistance and quality index in a total of 12 traits.The results showed that among the coefficient of variation for each trait,Fusarium index（25.36%）primarily and Verticillium index（19.45%）secondly,lint yield,per plant bolls,boll weight,micronaire and spinning consistence index were larger,lint percentage,fiber length,fiber strength and uniformity coefficient were smaller.Cluster analysis（minkowski distance,ward method）20 varieties were clustered into four categories.Based on the clustering results,discriminant analysis was carried out again and the error rate of was 0,which indicated reliable classification results.Multivariate analysis of variance showed that there were significant differences（P＜0.01）in 4 varieties.Class I was a precocious,higher yield and good-quality.Class II was middle early maturing,mid-yield and mid-quality.Class III was earlier maturing,high yield and mediocre quality.Class IV was mid-maturing,mid-low yield mid-upper quality.Aim at the characteristics of all kinds of varieties,and put forward the reasonable use of the value and improvement objectives.Baimian 985,Zhongzhimian 1017 and Jinke cotton 11 had prominent traits,having a higher utility value in genetic improvement of cotton varieties.

cotton；high-yield and good-quality；cluster analysis；discriminant analysis；multivariate analysis of variance

S562

A

1008-7516（2016）04-0001-07

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.04.001

2016-06-05

河南省重点科技攻关项目（112102110089）

张宗敏（1964―）,男,河南新乡人,高级农艺师.主要从事作物品种选育及种子管理工作.