陆地棉144份种质材料的耐高温性与遗传多样性聚类分析

龚照龙，梁亚军，郑巨云，王俊铎，郭江平，谭新

（1.新疆农业科学院经济作物研究所，新疆 乌鲁木齐 830091；2.新疆生产建设兵团第一师16团，新疆 阿拉尔 843018）

0 引言

高温胁迫一般指在持续高温条件下，对作物生长发育及经济效益指标造成的影响，耐高温性则指植物对高温胁迫下的生长能力和产生的经济效益[1-3]。棉花在生长发育过程中需要有适宜的温度。刘志，等[4]研究发现，随着温度的不断升高，不同棉花材料的花粉萌发率先升后降，当温度达到40℃时耐热性差的材料花粉停止发育。同时高温胁迫严重影响花粉育性，易造成中上部蕾铃大量脱落，同时还导致不孕籽增加[5-8]。而目前由于全球温室效应的影响，周期性的高温干旱等极端天气发生更加频繁[9-11]。因而开展棉花耐高温性机理研究对品种选育极为重要。因此，作者通过对144份陆地棉品种的农艺性状及SSR标记性状，结合耐热性进行遗传多样性聚类分析，为棉花耐热品种选育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料共有144份，来自新陆早系列品种、新陆中系列品种和其他及国内引进品种。新陆早系列品种分别为新陆早1号、新陆早2号、新陆早3号、新陆早4号、新陆早5号、新陆早6号、新陆早7号、新陆早8号、新陆早9号、新陆早10号、新陆早11号、新陆早12号、新陆早13号、新陆早15号、新陆早16号、新陆早17号、新陆早18号、新陆早19号、新陆早20号、新陆早21号、新陆早22号、新陆早23号、新陆早24号、新陆早25号、新陆早26号、新陆早27号、新陆早28号、新陆早29号、新陆早30号、新陆早31号、新陆早32号、新陆早33号、新陆早34号、新陆早35号、新陆早36号、新陆早37号、新陆早38号、新陆早39号、新陆早40号、新陆早41号、新陆早42号、新陆早45号、新陆早46号、新陆早47号、新陆早48号、新陆早49号、新陆早50号、新陆早51号、新陆早52号、新陆早53号、新陆早57号、新陆早58号、新陆早59号、新陆早60号、新陆早61号、新陆早62号、新陆早63号和军棉1号，分别以NG1～58编号；新陆中系列分别为新陆中1号、新陆中2号、新陆中4号、新陆中5号、新陆中6号、新陆中7号、新陆中8号、新陆中9号、新陆中10号、新陆中11号、新陆中12号、新陆中14号、新陆中15号、新陆中16号、新陆中17号、新陆中18号、新陆中19号、新陆中20号、新陆中21号、新陆中22号、新陆中23号、新陆中26号、新陆中27号、新陆中28号、新陆中30号、新陆中32号、新陆中33号、新陆中34号、新陆中35号、新陆中36号、新陆中37号、新陆中38号、新陆中39号、新陆中40号、新陆中41号、新陆中42号、新陆中44号、新陆中45号、新陆中46号、新陆中47号、新陆中48号、新陆中50号、新陆中54号、新陆中56号、新陆中58号、新陆中59号、新陆中1号，分别以NG59～105编号；其他及国内引进品种分别为新陆201、新陆202、8024抗、库车T94-4、C3174、C460、C464、C4744、C6524、COKER301、百棉1号、KK1543、108夫、塔什干2号、塔什干6号、贝尔斯诺、鲁棉1号、太原4号、运93（抗354）、鄂棉10号、冀丰169、冀668、冀棉589、石远321、邯241、鲁棉9号、豫棉17号、豫棉19号、中93001、中棉所12号、中棉所16号、中棉所17号、中棉所19号、中棉所35号、中棉所41、中棉所49、中植棉372、湘棉11号和陕416，分别以NG106～144编号。 所有材料均为新疆农业科学院经济作物研究所陆地棉课题组从各育种单位引进。分子标记使用的Taq酶、PCR缓冲液、MgC12、dNTPs均购自上海生工生物工程技术服务有限公司。试验使用的SSR引物由新疆农业科学院经济作物研究所陆地棉课题提供，由上海生工生物工程技术服务有限公司合成。

1.2 试验设计

试验材料于2017在新疆农业科学院经济作物研究所和新疆农业科学院吐鲁番农业科学研究所种植，采用膜下滴灌机采棉种植模式，随机区组设计，3次重复，小区行长4 m，田间管理措施同当地大田生产。

1.3 数据调查及分子数据采集

1.3.1 农艺性状调查

在打顶后一周（7月15日）调查不同品种的株高、株型、果枝数，每个材料选中行连续调查10株。在花铃期（7月25日～8月5日）调查品种叶色、花形、花萼形状、柱头高低、花药多少、花药饱瘪、铃形、铃大小、铃尖突起、倒三台果枝干蕾数和脱落率、花粉活力等15个性状。

花粉活力测定是在田间高温胁迫10天后，于10：00前取不同植株的未开裂的花朵，用于光学显微镜观察花粉的性状是否为饱满的球形，每个样品3个制片，观察5个视野，统计100粒花粉，计算花粉活力百分比。花粉活力（%）=（有活力的花粉粒数/观察总花粉粒数）×100。

1.3.2 品质性状测定

室内考种测定单铃重、衣分，纤维品质由农业部棉花质量监督检验测试中心（乌鲁木齐）测定。

1.3.3 SSR分子数据测定

用于SSR分子检测的样品于2017年7月25日进行幼嫩叶片采样，并在新疆农业大学农学院农业生物技术重点实验室进行SSR标记检测。PCR扩增产物读带方法采用0-1系统记录谱带位置，观察某一扩增条带的有无，有带记为1，无带记为0。

2 结果与分析

2.1 棉花种质资源的耐高温性表现

通过2017年在新疆农业科学院经济作物研究所阿克苏试验基地与新疆农业科学院吐鲁番农科所种植，在高温胁迫过后第5天调查柱头高低、花药多少、花药饱瘪、倒三台果枝干蕾铃数、倒三台果枝脱落率及花粉活力等性状。分析得出倒三台果枝干蕾铃数、倒三台果枝脱落率及花粉活力是评价棉花耐高温性的重要性状。

通过对144份棉花种质材料农艺性状及耐高温性综合分析，筛选出农垦5号、新陆201、贝尔斯诺、晋棉12、新陆早1号、新陆早12号、新陆早20号、新陆早41号、新陆早45号、新陆早46号、新陆早49号、新陆早50号、新陆早59号、新陆早60号、新陆早61号、新陆早62号、新陆中2号、新陆中12号、新陆中21号共19份品种耐高温性为高耐；新陆早10号、新陆早11号、新陆早15号、新陆早16号、新陆早18号、新陆早2号、新陆早22号、新陆早25号、新陆早26号、新陆早27号、新陆早28号、新陆早29号、新陆早30号、新陆早31号、新陆早33号、新陆早34号、新陆早35号、新陆早36号、新陆早37号、新陆早38号、新陆早4号、新陆早40号、新陆早42号、新陆早47号、新陆早48号、新陆早51号、新陆早52号、新陆早57号、新陆早58号、新陆早63号、新陆早7号、新陆早9号、新陆中1号、新陆中10号、新陆中11号、新陆中14号、新陆中15号、新陆中19号、新陆中20号、新陆中23号、新陆中26号、新陆中27号、新陆中28号、新陆中34号、新陆中37号、新陆中38号、新陆中39号、新陆中41号、新陆中45号、新陆中46号、新陆中54号、新陆中56号、新陆中6号、新陆中8号、新陆中9号、豫棉17号、运93（抗354）、中棉所16号(中375)、中棉所19号、中棉所35号、中棉所49、8024抗、C460、C464、KK1543、邯241、鄂棉10号、鲁棉9号、湘棉11号、陕416、石远321、塔什干2号、塔什干6号、太原4号、新陆202共75份材料为中等耐高温性；其他50份材料表现对高温敏感。耐高温、中耐高温及敏温材料的占比分别为13.19%、52.08%及34.72%(见图1)。

图1 材料耐高性不同级别占比

其中，北疆早熟棉花新陆早系列品种耐高温性较好，57份新陆早系列棉花品种耐高温、中耐高温、敏温材料分别为12个、32个、13个，占比分别为21.05%、38.60%、22.81%；47份南疆早中熟新陆中系列棉花品种耐高温、中耐高温、敏温材料分别为3个、23个、21个，占比分别为6.38%、48.94%、44.68%。40份引进材料耐高温、中耐高温、敏温材料分别为4个、20个、16个，占比分别为10.0%、50.0%、40.0%。

综上所述，从参试的144份陆地棉种质材料耐高温性可以看出，新疆棉花种质耐高温性多为中耐高温及敏温材料，耐高温种质材料较少。其中，早熟系列材料的耐性水平要高于早中熟系列材料，而南疆植棉区的高温发生频次远远高于北疆植棉区，因此在今后早中熟育种过程中要多关注品种耐高温性的改良。

2.2 农艺性状聚类分析

对144份棉花种质资源农艺性状用最长距离法进行聚类（见图2）。从图中可以看出，144份棉花种质材料被分为两大类。第一大类有7个材料，其余137份被分为第二大类。第二大类又分为2个亚类，材料数分别为38和99，占比分别为26.39%和68.75%。第2-Ⅱ亚类又明显分为2个小类，包含材料数分别为37和62，占总材料数的25.69%和43.06%。第一大类高耐、中耐和敏感的材料数分别为0、3、4，分别占相应耐高温性材料的0%、4%、8%；第2-Ⅰ亚类高耐、中耐和敏感的材料数分别为12、19、7，分别占相应耐高温性材料的63.16%、25.33%、14%；第2-Ⅱ-（1）类高耐、中耐和敏感的材料数分别为0、15、22，分别占相应耐高温性材料的0%、20%、44%；第2-Ⅱ-（2）类高耐、中耐和敏感的材料数分别为7、38、17，分别占相应耐高温性材料的36.84%、50.67%、34%。

图2 144份种质资源的农艺性状聚类图

分析发现，高耐高温性材料分别被聚在第2-Ⅰ亚类和第2-Ⅱ-（2）类，占比分别为63.16%和36.84%；中耐高温性材料主要聚在第2-Ⅱ-（2），占比为50.67%，其次为第2-Ⅰ亚类和第2-Ⅱ-（1）类，占比分别为25.33%和20.00%；其他类为4%；敏温材料则集中在第2-Ⅱ-（2）类和第2-Ⅱ-（1）类，占比分别为44%和34%，其次为第2-Ⅰ亚类，占比为14%，第一大类最少，仅为4个材料，占比为8%。

2.3 SSR分子标记的聚类分析

通过SSR标记的聚类图（见图3），144份陆地棉资源材料的遗传相似系数为0.49～1.00，说明在分子水平上种质资源的遗传多样性较为丰富。在遗传相似系数为4.9时，所有种质材料可分为2大类。

第一大类有13个材料，包括耐高温材料3份，中耐高温材料及敏温材料各5份，分别占总数的2.08%、3.47%、3.47%。

第二大类共131份材料，在遗传相似系数为0.52时，第二大类又分为2个亚类，包含的材料数分别为87份、44份，分别占总数的60.42%、39.58%。其中，第Ⅰ亚类共87份材料，高耐、中耐及敏温材料的份数分别为13、48、26，占比分别为9.02%、33.33%和18.06%；第Ⅱ亚类共44份材料，高耐、中耐及敏温材料的份数分别为3、22、19，占比分别为2.08%、15.28%和 13.19%。

高耐材料的62.42%被聚类到第2-Ⅰ亚类中，中耐材料的60.76%聚类到第2-Ⅰ亚类、32.92%聚类在第2-Ⅱ亚类，敏温材料在第一大类、第2-Ⅰ亚类、2-Ⅱ亚类的占比分别为10.87%、47.83%、41.30%。

图3 144个种质资源的SSR聚类树状图

3 讨论与结论

本研究利用SSR标记聚类得到144份材料的遗传多样性相似系数为0.49～1.00，说明所选用的棉花品种的遗传多样性较为丰富。从参试的144份陆地棉种质材料耐高温性可以看出，新疆棉花种质耐高温性多为中耐高温及敏温材料，高耐高温种质材料较少。新陆早系列材料的耐性水平要高于新陆中系列材料，而在南疆植棉区的高温发生频次远远高于北疆植棉区，因此应在今后早中熟育种过程中要多关注品种耐高温性的改良。

从农艺性状聚类分析来看，与棉花耐高温性相关的株高、株型、果枝数、叶色、花形、花萼形状、柱头高低、花药多少、花药饱瘪、铃形、铃大小、铃尖突起、倒三台果枝干蕾铃数、倒三台果枝脱落率、花粉活力等15个性状能够较好的将不同耐高温性的棉花种质材料进行较合理的聚类。本研究只用部分农艺性状进行了分析，对不孕籽率、叶片萎蔫系数等性状及生理生化性状未做相关分析。

本研究所用的SSR标记数据能够较好的将144份陆地棉种质资源进行较为科学的分类，聚类结果对耐高温性改良亲本基因型的选择具有较好的借鉴作用。