陆地棉耐盐表型数据的遗传多样性研究

(新疆农业大学农学院， 乌鲁木齐 830052)

棉花为锦葵科棉属(MalvaceaeGossypium)植物，原产地为亚热带地区。棉花是全球重要的天然纺织纤维作物，也是我国的重要经济作物，对国民经济的发展具有重要的作用。中国的棉花主产区在新疆。如今，环境的恶化制约着棉花生产发展，加上土壤盐渍化越来越严重，造成了新疆耕地逐渐退化，土地大面积的荒漠化，给当地的生态环境与农业生产造成很大影响。新疆盐渍化和次生盐渍化耕地超过新疆总耕地面积的30%[2]。棉花是一种盐碱地的先锋作物，对盐碱地具有较强的改善作用，为未来的粮食生产提供改良的耕地[3]。基于此，系统开展棉花种质资源耐盐性评价，选育抗逆品种，培育适宜盐碱地种植的耐盐、适当早熟、适于机采的棉花新品种，并大面积地对盐碱地与滩涂地进行充分而有效的利用，实施土地可利用资源的大力拓展，促进其土地利用率的整体提升。关于棉花资源的鉴定评价及遗传多样性的研究已经在我国广泛开展[4-7]，同时也有不少关于棉花耐盐性鉴定方法及评价指标的研究[8-12]。前人大多研究苗期或萌发期，室内研究环境有异于田间环境，本研究采用直接鉴定法(形态观察、产量比较法)对参试资源在盐碱作用下形成的13个品质遗传性状与农艺遗传性状进行遗传多样性的综合评价，目的是筛选出耐盐资源。

本研究利用收集的陆地棉种质资源，以聚类分析和主成分分析2种方法，综合评价分析陆地棉种质资源在盐碱胁迫下主要农艺性状和产量性状的遗传多样性，对于鉴定特异种质，依据新疆各地区不同生产需求筛选优异种质资源，提高新疆棉花的产量、品质、耐盐性，并给新疆陆地棉种质资源的收集、使用以及评价等工作提供重要的参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为319份陆地棉品种。

1.2 试验设计

试验于2016—2017年在石河子144团农大试验田进行。随机区组方式，重复2次；每膜种植6行，宽度在20～25 cm之间，长度在50～60 cm之间，对每份材料的点播方式采取的是“1米1行”方式，每膜上种植6份材料，株距约等于10 cm，在一个膜的2个不同份的材料之间隔离走道宽度为50 cm。灌溉、施肥方法采用膜下滴灌-施肥技术。

1.3 性状调查

选取5株长势均匀的待测棉花，测量株高、统计第一果枝节位、有效果枝数、有效铃数等参数；每个品种各摘取20铃，使用电子天平分别测重，得到每一铃的重量；使用型号为MJS 10-110的棉花衣分试轧机分离棉絮与棉籽，并对棉絮重量进行称重。

衣分=皮棉/籽棉；

单株产量=单铃重×有效铃数。

1.4 数据处理及统计分析

选择Microsoft Excel 2013软件来对相关的数据进行整理，并用SPSS 19.0软件来处理得到性状的变异系数CV，标准差s，以及平均值X等。利用得到的计算结果，把所有的材料的各个性状进行划分，分成10个等级，从第1级[Xi<(X-2s)] 到第10级[Xi>(X+2s)]，至于对多样性指数的计算，0.5s为每一级，且各级的相对频率用Pi来表示。遗传多样性指数即Shannon-Wiener index(H′)信息指数[13]，计算公式为：

H′=-∑PilnPi

式中，Pi代表的是本性状的第i级材料分数的总占比。在SPSS 19.0软件中进行主要成分分析与聚类分析处理，在进行聚类分析时，为了能够让统计分析与数量化更加容易，需要首先对数据进行标准化处理(即转换成z分数)，并对质量性状实施赋值处理。不同品种间的遗传距离选择的是欧氏距离，用平均联结(组间)法实现聚类。

2 结果与分析

2.1 13个性状的频率分布图

表1中展现的是各个等级区间上分布的陆地棉品种的具体数量情况。由表1可见，材料不同，差异较为明显，且性状不同时，不同材料所展现出来的多样性程度也会有差异。通过分析不同级别的品种拥有量情况，可以得出个性状的分布情况都很广泛且集中落于5级，其次，皮棉、衣分主要分布在6级。

2.2 陆地棉资源材料13个性状的遗传多样性分析

利用Excel 软件，可以将各种性状的多样性信息指数实施计算，并计算出变异系数、标准差、以及极差等参数。标准差在不同种质材料间存在较大差异，说明各种陆地棉品种在籽棉重方面存在较大的差异，同样的方法进行类推发现，衣分其平均值较小。蕾铃脱落率变异系数最大(63.2%)，衣分最小(7.7%)，说明不同陆地棉材料之间，在蕾铃脱落率性状方面具有最高的离散程度，材料不同时，存在很大的差异；而衣分具有最小的离散程度与较小的变化幅度，表型表现较为聚集。对13种不同性状的遗传多样性进行分析后可知，多样性指数值约等于2，单铃重(2.09)具有最大的多样性指数，最小的是始节高(1.95)。由此可知，衣分的丰富度和变异度均较小。另外，产量构成因素中的单株产量、单铃重、籽棉多样性指数较高, 表现出了丰富的遗传类型。说明在盐碱胁迫下，所有参与试验的陆地棉种之间具有较为明显的性状差异，而不同性状在种质不同时，其体现出的遗传多样性也很丰富，通过统计分析数量与性状的结果得到，参与试验的材料具有较为丰富的遗传多样性，具有较大的改良潜力，这为选育新的新疆陆地棉品种提供了重要基础，同时对于不断探索实际生产中的耐盐、衣分以及高产等需求带来了重要的参考价值。

表3 13个性状间的相关性

性状株高始节高始节数果枝数有效果枝数总铃数有效铃数蕾铃脱落率籽棉皮棉单铃重衣分单株产量株高1始节高0.464**1始节数-0.0570.136*1果枝数0.605**0.137*-0.159**1有效果枝数0.653**0.200**-0.0920.808**1总铃数0.625**0.131*-0.0420.681**0.851**1有效铃数0.645**0.180**-0.0850.744**0.920**0.944**1蕾铃脱落率-0.105-0.151**0.076-0.238**-0.271**0.076-0.232**1籽棉0.132*0.0300.180**-0.0220.0460.0650.0470.0561皮棉0.143*0.0180.183**0.0060.0690.0650.0580.0340.876**1单铃重0.132*0.0300.180**-0.0220.0460.0650.0470.0561.000**0.876**1衣分0.053-0.0130.0610.0390.0580.0130.032-0.0300.0970.558**0.0971单株产量0.570**0.167**0.0330.576**0.759**0.786**0.823**-0.171**0.576**0.521**0.576**0.0861

注：**表示在0.01水平(双侧)上显著相关；*表示在0.05水平(双侧)上显著相关。

表1 陆地棉种质资源13个性状的频率分布

性状频率分布分级12345678910株高3133654537238231611始节高46294991614019812始节数592757716840191310果枝数47395267653920917有效果枝数4153350685154211211总铃数418216559564333137有效铃数3143653566444251311蕾铃脱落率084361606243201210籽棉615334663525232146皮棉615225762604529203单铃重615334664515231156衣分121122455474682175单株产量3133947695637301312

2.3 各性状间的相关性分析

由表2可知，株高与多个性状之间具有较为明显的正向相关性，而与蕾铃脱落率之间的负向相关性比较明显。始节数主要同单铃重、皮棉、以及籽棉之间的正向相关性比较明显，而同果枝数的负向相关性比较明显。果枝数主要同有效铃数、有效果枝数、单株产量、以及总铃数之间的正向相关性比较明显，而同蕾铃脱落率之间的负向相关性较为显著。总铃数主要同单株产量与有效铃数之间呈现的正向相关性比较明显。有效铃数同单株产量之间的正向相关性比较明显。籽棉同单株产量、皮棉以及单铃重之间的正向相关性比较明显。皮棉同单株产量、衣分以及单铃重之间呈现的正向相关性比较明显。单铃重同单株产量之间呈现的正向相关性比较明显。始节数同农艺性状之间呈现的正向相关性比较明显，而同产量性状之间的负向相关性比较明显。

表2 参试材料13个性状的描述性统计

性状极小值极大值均值标准差变异系数多样性指数株高34.95073.35053.6077.0530.1322.065始节高6.00018.6259.9511.5550.1561.954始节数2.5757.1504.1230.5610.1362.014果枝数3.8008.9506.0820.8770.1442.031有效果枝数3.0757.3754.9270.7630.1552.066总铃数3.35010.0005.9531.0510.1772.057有效铃数2.9758.6255.4161.0010.1852.073蕾铃脱落率0.0000.3840.0840.0530.6321.987籽棉73.629168.990119.15815.5580.1312.087皮棉25.70672.24346.7457.2320.1552.055单铃重3.6818.4505.9580.7780.1312.089衣分0.2860.5390.3930.0300.0771.997单株产量16.04157.88732.5167.5380.2322.076

2.4 主成分分析

采用主成分分析法(PCA)进行分析，能够简化问题，减少分析的变量数量，进一步简化对多变量问题的分析。采用适当的变换后，得到几个具有代表性的综合指标，以此来对对象的基本特征展开客观的描述，即耐盐综合指标。

使用主成分分析法，对319份陆地棉种质资源的13个农艺与产量性状展开分析，将特征值超过1的主成分提取出来，共有5个主成分，它们的特征值贡献率一共达到了87.64%，可以认为覆盖了产量性状与农艺性状的主要信息。可以将其缩减成3个类型，其中的产量因子为第1主成分，而反映产量等经济性状的因子为第2、4主成分，反映植株的生长情况因子为第3、5主成分。

表4 因子载荷矩阵及方差贡献率

性状因子载荷F1F2F3F4F5株高/cm0.153-0.0520.2330.0610.089始节高/cm0.057-0.0240.7050.0940.042始节数/个-0.0050.1010.3840.2340.404果枝数/个0.155-0.116-0.074-0.101-0.030有效果枝数/个0.181-0.101-0.046-0.0530.001总铃数/个0.174-0.085-0.1760.1740.224有效铃数/个0.183-0.100-0.0830.0090.028蕾铃脱落率/%-0.0410.055-0.2990.4820.608籽棉/g0.0730.290-0.0280.135-0.209皮棉/g0.0740.290-0.024-0.2100.084单铃重/g0.0730.290-0.0280.135-0.209衣分/%0.0260.102-0.004-0.6760.530单株产量/g0.1870.078-0.0760.070-0.099特征值(λ1)4.9833.0701.1891.1301.021贡献率/%38.32723.6199.1498.6897.855累计贡献率/%38.32761.94671.09579.78387.639

表5 分类及其描述统计

性状种质类群ⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦ株高55.4047.9338.5273.3554.0349.0350.68始节高10.099.118.6611.6810.0512.719.70始节数4.053.993.804.184.274.574.83果枝数6.305.744.458.055.985.595.88有效果枝数5.104.503.656.254.934.423.95总铃数6.185.394.147.035.965.194.40有效铃数5.664.863.846.735.404.634.23蕾铃脱落率0.080.090.130.040.090.090.03籽棉114.7098.73116.7197.81135.4979.18168.99皮棉45.0538.1247.9941.2253.3228.0972.24单铃重5.744.945.844.896.783.968.45衣分0.390.390.420.420.400.350.43单株产量32.6224.2122.1932.9136.7518.6536.05N(占总数的百分比)152(47.6%)48(15%)3(0.9%)1(0.3%)110(34.5%)4(1.3%)1(0.3%)

2.5 陆地棉13个性状的聚类分析

采用欧氏距离法根据表型数据对陆地棉种质资源进行聚类分析(图1)，利用组内联接法将319个陆地棉材料的13个性状选用聚类分析法来展开分析，将全部的参试材料划分成七大类型。其中的第Ⅰ类共有152份材料，它们的农艺性状都在平均值以上，但产量性状比平均值小。第Ⅱ类包括48份材料，农艺性状均略低于均值，产量性状低于均值许多。第Ⅲ类共3份，农艺性状均低于均值许多；产量性状中除了皮棉略高于均值，其他均低于均值。第Ⅳ类为1个材料，农艺性状均大于均值，但产量性状除了单株产量其余都低于均值。第Ⅴ类共110个材料，农艺性状近似于均值，并且产量性状都大于均值，尤其是籽棉，大于均值许多。第Ⅵ类包括共4个材料，农艺性状中株高与始节高大于均值，其余略低于均值；产量性状均低于均值许多。第Ⅶ类有1个材料，农艺性状均低于均值，但是产量性状大于均值许多。

3 讨论与结论

新疆是我国棉花的重要生产地，但是由于土地盐碱化，适于种植棉花的土地越来越少。因此，对耐盐碱棉花资源的收集、鉴定与筛选是解决当前问题的捷径。本研究对319份陆地棉种质资源在2年相同环境(盐碱地)下，展开对参试材料的遗传多样性分析，分析最后的综合评价结果为所选13个性状的遗传多样性指数平均值等于2.04，证明陆地棉遗传多样性非常丰富的；李慧琴等[14]研究了270份陆地棉种质的12个农艺性状，遗传变异系大多大于10%；本研究除了衣分的变异系数与之不一致外，其余性状的变异系数都大于10%，其中蕾铃脱落率的变异系数最大为63.2%。说明该批材料在盐胁迫下衣分依然能稳定遗传，而不同材料间蕾铃脱落率的差异较大，说明该批材料在盐碱胁迫下蕾铃脱落率产生了大程度变异。

本研究发现，表现较为突出的正向相关性是农艺性状与产量性状之间，这也基本符合之前学者的相关研究结论[15-18]，各性状间表现为较复杂的相关关系，其中始节数与果枝数呈负相关，与籽棉、皮棉、单株产量呈正相关，而果枝数又与单株产量成正相关。说明各性状间关系复杂、相互影响显著。

前5个主成分总共的贡献率为87.64%，按照不同主成分的具体载荷值来看，第1因子主要可以对纤维的品质性状进行充分反映；而第2因子对产量相关的经济性状进行反映；第3因子对植株的生长情况进行反映。

聚类分析结果(图1)表明，第Ⅴ类材料可作为盐胁迫下棉花产量性状中籽棉产量的资源材料，第Ⅵ类材料可作为盐胁迫下棉花株型改良的资源材料，第Ⅶ类材料作为盐胁迫下棉花产量性状的资源材料。

图1 基于盐胁迫下农艺性状与产量性状的聚类分析图

本研究是基于在盐碱胁迫下319份陆地棉种质资源的表型性状进行分析，供试材料的性状涵盖面较广，有利于在耐盐育种工作中提取相应的性状进行改良，进而为棉花耐盐育种和遗传改良奠定基础。