棉花陆海渐渗系BC4F3:5 群体棉籽营养品质及大小相关性状遗传分析

栾玉娟，刘小芳，白冰楠，乔 丹，卢全伟2,， 郭金英

（1.河北工程大学，河北 邯郸 056000；2.安阳工学院，河南 安阳 455000；3.中国农业科学院棉花研究所，河南 安阳 455000）

0 引言

棉花（Gossypium spp.）是重要的纤维和油料经济作物[1-3]。棉仁中油分及蛋白质等营养物质含量较高，在动物饲料加工及生物能源等方面都非常有用[4]。在棉花育种中，关注较高的皮棉百分比无意中导致种子大小或质量关注较少，从而影响棉籽品质，进而降低棉花的发芽率、出苗率及生长发育过程中的抗性，最终影响棉花的纤维产量和品质[5-6]。因此，在研究棉花纤维产量和纤维品质的同时，需要改良和培育优质棉籽性状以获得高棉花产量并增加经济效益，从而实现二者同步遗传改良。

棉籽成分含量的相关研究为棉籽性状的同步改良提供了基础[7]。棉籽榨油后的棉仁粉中，蛋白质含量为45%～50%，此外棉仁中含油量约为30%～40%，棉籽中含有丰富的脂肪酸组分，主要包括57%的亚油酸（C18:2）、26%的棕榈酸（C16:0）、1%的肉豆蔻酸（C14:0）以及其他微量脂肪酸，如亚麻酸（C18:3）和棕榈油酸（C16:1）等[8]。这些脂肪酸以其潜在的健康益处而闻名，包括降低患心脏病等疾病的风险和改善胰岛素敏感性[9]。除此之外，棉籽油中高水平的饱和脂肪酸，使其具有较高的氧化稳定性和高熔点，成为加工休闲食品和各种糖果应用中的“隐形油”[10]。因此，随着市场需求的快速增长和消费者对油品质需求的不断提高，提高棉籽油含量和改良脂肪酸组成已成为棉花育种的重要任务之一。有研究表明，油分含量与蛋白质含量显著负相关[10]。Down等研究发现，油酸、棕榈酸含量与亚油酸含量呈现显著的负相关性，且其中各种脂肪酸含量的变异主要来自基因型与环境的互作效应[11]。这些结果证明棉籽脂肪酸受多种因素影响[3]。

一般来说，体积和质量越大的棉籽贮藏物质含量越高，活力越强[3]。种子大小是重要的农艺性状之一，受内部和外部信号复杂发育过程的调控，与小种子相比，大种子的关键优势是对非生物胁迫的耐受性，极大地影响作物的产量[12-13]。王笑颖等通过对种子大小对棉花幼苗生长影响的研究表明，种子大的植株比种子小的植株表现出更好的性状，大种子比小种子具有更多的养分积累，这可能会影响种子的萌发，甚至影响植物的生长发育[14]。影响种子大小的因素有很多，包括遗传因素、环境及基因型和环境的相互作用[15]。

陆地棉是世界上栽培最为广泛的棉种之一，具有纤维长、韧度强等特点，棉仁中含油量约为30%～40%[16]；海岛棉主要在全国热带地区广泛栽培，其棉纤维属于长绒棉之一；除此之外，二者在棉籽大小方面和棉籽营养品质方面也有差异，海岛棉的棉籽油分通常高于陆地棉。近年来，染色体片段代换系(Chromosome Segment Substitution Lines，CSSLs)在棉花纤维品质性状相关研究中的应用愈加广泛[17]，但利用CSSLs 对棉籽大小及棉籽油分相关指标的研究少有报道。

课题组前期以纤维优质且抗黄萎病的海岛棉“Hai1”作为供体亲本，以高产的陆地棉中晚熟品种“中棉所45”为轮回亲本，经过杂交以及高代回交，构建了一套具有陆地棉背景并渐渗有海岛棉基因的染色体片段代换系（BC4F3:5），群体大小为332[18]。本研究以这套陆海染色体片段代换系为材料，研究在5 个不同生态环境下其棉籽大小、油分及蛋白质等营养品质含量的变化，分析环境对棉籽种子品质的影响，筛选5 个环境下种子品质优异的单株，以期为棉籽营养品质的改良与利用提供参考，为推进棉籽形状大小和品质遗传的分子调控机理研究，进一步进行数量性状粒点（QTL）定位和培育品质优异的棉花奠定基础[19-20]。

1 材料与方法

1.1 陆海渐渗系BC4F3:5 材料来源

陆海染色体片段代换系在2011 年分别种植 于 新 疆 库 尔 勒（北 纬35°33'～43°26，东 经82°38'～93°45'）和河南安阳（北纬 35°41'～36°21'，东经 113°38'～114°59'），在2014 年分别种植于新疆库尔勒和河南周口（北纬33°03'～34°20′，东经114°05'～115°39'），在2015 年种植于河南周口的中棉所试验基地。单株成行，行长3 m，行距0.8 m，株距0.4 m，按照株行在成熟期收取30 个正常吐絮的棉铃，自然条件下进行风干，然后利用皮辊轧花机对相关材料进行纤维与种子的分离，收获的种子经硫酸脱绒、洗净并自然风干至质量恒定。

1.2 供试群体棉籽相关性状的测定

选取饱满、健康的棉籽30～50 粒，利用MiraScan 6.3 快扫王种子扫描仪对棉籽进行扫描，其中图像类型选择彩色，输出尺寸为210mm*297 mm，分辨率为200 dpi，对比度为60，亮度和饱和度为0；随后通过smartgrain 软件对图像进行分析，设置如下参数 ：选取选取背景颜色 （picked color background）、样品颜色〔picked color（seed）〕、 芒 剔 除 阈 值（set threshold for awn removal）、精确度（accuracy of seed detection）以及分辨率（set scale）。分析模式选择批量分析（batch analysis）。获得粒型相关的指标数据，具体性状包括棉籽的面积(area size,AS）、周长(perimeter length,PL)、长度(length,L)、宽 度(width,W)、 圆 度(circularity,CS)、 长 宽 比(length-to-width ratio,LWR)[19-21]。选取饱满、健康的棉籽100 粒用于棉籽成分测量，使用瑞典波通公司多功能近红外谷物分析仪 DA7200 进行棉籽成分测量，具体性状包括棉籽的棕榈酸（C16:0）、亚油酸（C18:2n-6）、亚麻酸（C18:3n-3）、总油分（oil content, OC）、总蛋白（protein content,PC），选择经测试改良的产品模型Cotton2023.prj，在波长为950～1 650 nm 的近红外光谱范围内，每隔5 nm 采集反射强度（R），每样品重复测定2 次，每次装样扫描后旋转90°再扫描1 次，即每个样品共获得4 份光谱数据，取每个样品的光谱测定平均值[22]。

1.3 供试群体棉籽性状数据分析

采用Microsoft Excel 2019 软件对供试群体棉籽相关性状的平均值、变异系数、最大值、最小值、标准差、偏度、峰度等进行描述统计分析；同时采用IBM SPSS Statistics 27.0、 Origin 2022 软件进行上述性状间的相关性分析，采用Ici Mapping 进行上述性状间的方差分析。

2 结果与分析

2.1 BC4F3:5 群体棉籽性状分析

2.1.1 轮回亲本及BC4F3:5群体棉籽大小相关性状分析

利用IBM SPSS Statistics 27.0 数据分析软件对轮回亲本“中棉所45”、BC4F3:5群体的棉籽形状大小相关性状进行描述性统计分析，结果（表1）表明，5 个环境下BC4F3:5群体的变异系数大小存在不同差异，整体为3.57%～10.13%。其中籽粒面积的变异系数最大，说明存在大量的遗传变异，而籽粒周长、粒长、粒宽则相对较稳定。

棉籽粒长与面积性状值在5 个不同环境下均超过了超轮回亲本，性状表现优异。籽粒周长除了2011 年安阳环境下均低于轮回亲本，籽粒宽度除了2014 年新疆环境和2015 年周口环境下均高于轮回亲本或与轮回亲本相同，表明该群体内部之间仍存在较为丰富的遗传变异。

通过分析供试群体棉籽大小相关性状发现，群体内部各性状的表型数据值仍然存在较大的波动，籽粒面积的极差最大值出现在2015 年周口环境下，为20.91 mm2，籽粒面积的平均值分布在28.41 mm2～34.56 mm2，其中2014 年周口环境的籽粒面积最大，显著高于其他4 个环境，2011年安阳环境的籽粒面积最小，显著低于其他环境，表明该群体在各环境之间存在显著差异；籽粒周长的极差最大值出现在2014 年新疆环境下，为5.65 mm，各环境BC4F3:5群体中的平均周长为21.74 mm～23.46 mm，其中2015 年周口环境的周长最大，2011 年安阳环境的周长最小。2015 年周口环境的周长与其他环境差异较大，显著高于大多数环境，仅与2014 年周口环境之间差异不显著。2011 年安阳环境下的籽粒周长显著低于其他环境；各环境BC4F3:5群体中的平均粒长为8.24 mm～8.97 mm，其中2015 年周口和2014 年周口2 个环境的粒长显著高于其他3个环境， 2011 年安阳环境的粒长显著低于其他4 个环境。各环境BC4F3:5群体的平均粒宽为4.68 mm～5.17 mm，其中2014 年周口环境的粒宽值最大，2011 年新疆环境的粒宽值最小，显著低于其他4 个环境；籽粒长宽比的极差最大值出现在2011 年安阳环境下，变异系数为3.57%～3.90%，表明该性状群体内部存在丰富的遗传变异，其中2011 年新疆和2015 年周口环境的长宽比值显著高于其他3 个环境，表明该性状在各环境之间存在显著差异。

除此之外，5 个性状均呈连续分布且分布范围较广，偏度绝对值都小于1，表明采集到的各性状整体呈现正态分布，不同年份间分布趋势基本一致，表明棉籽性状由多基因控制，符合数量性状的遗传特点。

2.1.2 BC4F3:5群体棉籽营养成分相关性状分析

利用IBM SPSS Statistics 27.0 数据分析软件对轮回亲本“中棉所45”与BC4F3:5群体的棉籽营养成分含量进行描述性统计分析（表2），结果表明，5 个环境下BC4F3:5群体棉籽蛋白质含量和油分含量的变异系数整体位于6.94%～9.97%，表明该群体内部存在丰富的遗传变异，此外，与棉籽营养品质相关的另外3 个性状，其变异系数最大值均出现在2011 年安阳环境下，分别为16.7%、3.60%、13.30%，表明3 个性状在该环境下仍存在较为丰富的变异；且5 个性状变异系数最小值均出现在2014 年新疆环境下，分别为8.69%、6.94%、6.13%、1.90%、8.55%，表明5 个性状在该环境下的品质表现较稳定。

表2 BC4F3:5 群体棉籽营养成分相关性状统计分析表

BC4F3:5群体的棉籽油分含量在各环境下的均值均低于轮回亲本“中棉所45”，蛋白质含量性状的均值均高于轮回亲本。但通过分析供试群体棉籽油分、蛋白质性状发现，群体内部各性状的表型数据值仍然存在较大的波动，油分与蛋白质含量的极差最大值均出现在2011 年安阳环境下，分别为21.86%、18.71%，显著高于其他4 个环境，5 个环境下棉籽油分含量的平均值为29.49%～31.86%；其中2015 年周口环境的油分含量最低，2011 年安阳环境的油分含量显著高于其他4 个环境，各环境棉籽蛋白质含量的均值为32.94%～34.78%，其中2015 年周口环境的蛋白质含量最高，2011 年安阳环境的蛋白质含量最低，且显著低于其他4 个环境。

通过分析供试群体棉籽营养品质相关性状发现，群体内部脂肪酸相关的表型数据值仍然存在较大的波动，棕榈酸、亚油酸和亚麻酸含量的极差最大值均出现在2011 年安阳环境下，分别为15.43%、18.67%、0.16%，表明这3 个性状在该环境下的变异幅度较其他环境大。其中，5 个环境下棕榈酸含量的平均值为14.44%，亚油酸含量的平均值为62.80%，亚麻酸含量的平均值为0.14%，棕榈酸含量在各环境下的均值均低于轮回亲本“中棉所45”，亚麻酸含量的均值均高于或与轮回亲本相同。各环境棕榈酸含量为13.10%～16.63%，其中2011 年新疆环境下的亚油酸和亚麻酸的含量最低，棕榈酸含量最高。2014年周口环境的棕榈酸含量最低，显著低于其他4个环境，变异系数分布在6.13%～12.06%，存在丰富的遗传变异。

综上所述，棉籽营养成分相关性状在5 个不同环境下的偏度绝对值都小于1，均呈连续分布且范围较广，表明采集到的各性状整体呈现正态分布，符合数量性状的遗传特点。群体中仍存在较为丰富的变异，可为后续的棉花育种工作提供参考。

2.2 不同环境下棉籽营养成分含量与棉籽大小各性状的相关分析

利用IBM SPSS Statistic 26.0 分析软件对棉籽5 个不同环境下的10 个性状的相关性进行分析（表3）。由表3 可以看出，棉籽大小相关性状之间及油分、蛋白、棕榈酸、亚油酸、亚麻酸含量之间存在显著相关性。2011 年新疆、2011 年 安 阳、2014 年新疆、2014年周口、2015 年周口5 个环境下BC4F3:5群体棉籽油分与蛋白质含量均呈极显著负相关，相关系数分别为-0.974、-0.953、-0.972、-0.917、-0.905，说明同时提高棉籽中油分与蛋白质含量难度较大，与前人研究结果[10]一致。其他与大小相关的5 个性状间存在极显著正相关性，可为棉籽品质育种及改良提供重要的参考价值。

表3 BC4F3:5 群体棉籽大小与营养品质相关性状的相关性

表3（续）

通过分析棉籽油分、蛋白质等营养品质相关性状与棉籽大小相关性状的遗传相关性，发现在2011 年安阳、2011 年新疆、2014 年新疆、2014年周口、2015 年周口5 个环境下，营养品质与粒宽之间的相关系数未达到显著水平。棉籽棕榈酸与油分含量呈显著正相关。相关系数分别为0.504、0.280、0.443、0.267、0.380；与蛋白呈显著负相关，相关系数分别为-0.534、-0.412、-0.504、-0.507、-0.611，表明油分含量的提高与棕榈酸含量增加有关，而亚油酸与油分呈显著负相关，相关系数分别为-0.741、-0.545、-0.609、-0.489、-0.440，说明减少亚油酸的含量，有利于提高油分的含量；亚麻酸与棕榈酸呈极显著负相关，相关系数分别为-0.610、-0.702、-0.553、-0.736、-0.816，亚麻酸与亚油酸呈极显著正相关，相关系数分别为0.765、0.767、0.765、0.833、0.857，说明增加亚麻酸的含量，可促进棕榈酸含量的提高，同时增加亚油酸的含量。且同一性状在不同环境间的相关性较显著，表明可以获得不同环境下共同关联的QTL 位点，明确这些性状之间的本质关系，为后期棉籽大小及营养品质含量相关性状的QTL 研究奠定基础。

2.3 不同环境下棉籽营养成分含量与棉籽大小各性状的方差分析

棉籽中5 种营养成分及2 个大小相关性状的基因型、环境效应的方差分析结果（表4）表明，不同性状基因型与环境的P 值均小于0.001，说明基因型、环境对棉花种子的的粒长、粒宽、油分、蛋白质、棕榈酸、亚油酸、亚麻酸均有极显著的影响。

基因型间、环境间的F 值均达到极显著水平。基因型对棕榈酸含量影响达极显著水平，环境对棕榈酸含量影响也达极显著水平，但基因型和环境互作却对棕榈酸含量影响不显著；基因型对亚油酸、亚麻酸含量有极显著影响，环境对亚油酸、亚麻酸含量也有极显著影响，而基因型和环境互作没有达到显著水平。从各变异来源的平方和占总变异平方和的百分比来看，粒长主要由基因型决定，粒宽受环境影响较大，说明籽粒大小受基因型和环境共同作用影响。基因型、环境、基因型×环境三者棉籽含油量产生的平方和分别占总平方和的55.70%、6.68%、21.32%，表明该群体中油分含量主要由基因型决定，环境影响较小；同样，蛋白质含量在三者产生的平方和分别占总平方和的54.87%、6.39%、20.42%，故该群体中蛋白质含量也主要由基因型决定，环境影响较小。

3 讨论

棉籽中的蛋白质、油分等营养物质都是人类及牲畜所必需的，蛋白质不足会导致各种健康问题，且与棉籽大小有关[18]。有学者研究表明，种子较大的植物会含有更多的营养物质，且对种子的发芽及植物的生长发育有所影响[23]。有研究表明，种子大小是一个至关重要的性状，与产量和萌发有关[13]。柯会锋等利用419 份具有代表性的自然群体，通过鉴定棉籽大小和形状相关性状发现，粒长、粒宽、长宽比、面积和周长5 个性状在供试群体内存在较大的遗传变异，同时发现，同一性状在不同年度间的相关系数较高，表明可获得不同年度间共同关联的分子标记[4]。Wang 等研究发现百粒重、十粒长、十粒宽、油含量等6个性状在3 个环境下的偏度绝对值均小于1.0，除籽粒长度外，各性状与籽粒产量呈正相关，其余性状均呈极显著相关，且蛋白质含量与其他指标呈显著负相关[6]。本研究结果也证明棉籽大小相关性状在5 个环境下呈正态分布，符合数量性状的特点，且蛋白含量与籽粒大小相关性状呈负相关，这与前人研究结果[6]一致。随着棉籽油分等营养品质相关性状在国民经济中地位逐渐提高，同步改良棉籽品质、棉花产量是育种工作者的重要研究方向[24]。

本研究BC4F3:5群体中棉籽成分含量等性状变异幅度相对较大，变异系数为1.90%～16.7%。其中，蛋白质和油分含量在该群体中存在较大的遗传变异，其变异系数位于6.94%～9.97%，且二者之间呈负相关。3 种脂肪酸含量在该群体中也存在较大的遗传变异，变异系数为1.90%～16.7%，5个环境下棉籽油分含量与棕榈酸呈正相关，与亚麻酸、亚油酸及长宽比之间呈负相关；棉籽蛋白质含量与油分、籽粒面积、籽粒宽度呈负相关，其余棉籽大小各性状间呈显著正相关。群体内部存在丰富的遗传变异，且存在品质性状优异的单株。相关分析和方差分析结果表明，棉籽大小相关性状及油分含量等营养品质性状受基因型和环境共同影响，为调控棉籽油分和蛋白质含量、棉籽大小相关性状提供了参考依据，这些结果代表了棉花大多数种子物理性状遗传基础的研究，后续应与棉花衣分、产量及油分方面结合起来，将有助于为培育优质高油高产的棉花奠定基础。

本研究结合5 个环境下棉籽成分及大小相关性状的表型数据，利用相关分析得知棉籽油分等性状与籽粒宽度性状呈正相关，故为了提高棉花的生产利用价值，在棉花育种中应该把棉籽油分含量、蛋白质含量等营养品质性状改良作为目标。利用方差分析结果得知棉籽油分及蛋白质含量受基因型影响较大，受环境影响较小，后续试验将利用该表型数据，结合简单序列重复（SSR）分子标记的基因型数据，进行QTL 定位，筛选稳定QTL，以期望棉籽大小与棉籽营养品质含量均得到提升，达到二者同步改良的目的。

4 结论

本研究结果表明，BC4F3:5群体内遗传变异较为丰富，相关分析结果显示，5 个环境下的棉籽油分含量与蛋白含量、亚麻酸、亚油酸呈显著负相关，说明同时提高油分与蛋白含量难度较大；油分含量与棕榈酸呈显著正相关，亚麻酸与亚油酸之间呈显著正相关，说明亚麻酸含量的改良可同时提高亚油酸的含量；棉籽蛋白质含量与籽粒宽度呈负相关；5 个环境下棉籽面积、周长、粒长、粒宽性状间呈显著正相关，说明籽粒大小之间可同步改良。方差分析结果表明，基因型和环境对3 种脂肪酸的影响达极显著水平，但二者互作的对脂肪酸影响却未达到显著水平，基因型、环境及两者互作对棉籽中蛋白和油分含量的影响均达到极显著水平，对粒长和粒宽的影响也达到极显著水平。由此可见，棉籽主要营养成分含量的表现是基因型和生态环境共同作用的结果，研究结果可为棉花种子品质改良提供理论基础，为棉籽的综合利用提供借鉴。