張宗敏,田土星,陳榮江

（1.新鄉(xiāng)市農(nóng)牧局種子管理站,河南新鄉(xiāng)453003；2.新鄉(xiāng)市錦科棉花研究所,河南新鄉(xiāng)453731；3.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

棉花新品種聚類(lèi)分析及其利用模式研究

張宗敏1,田土星2,陳榮江3

（1.新鄉(xiāng)市農(nóng)牧局種子管理站,河南新鄉(xiāng)453003；2.新鄉(xiāng)市錦科棉花研究所,河南新鄉(xiāng)453731；3.河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

為了探討棉花種質(zhì)資源的遺傳多樣性,為棉花品種改良及親本選擇提供信息,運(yùn)用聚類(lèi)、判別、多元方差等分析方法對(duì)參加2011年黃河流域中熟常規(guī)棉區(qū)試A、B兩組共20個(gè)品種的產(chǎn)量、早熟性、抗病性及品質(zhì)指標(biāo)共12個(gè)性狀進(jìn)行分析.結(jié)果表明：各性狀的變異系數(shù)以枯萎病指最大（25.36%）,黃萎病指次之（19.45）,皮棉產(chǎn)量、株鈴、鈴質(zhì)量、麥克隆值及紡紗均勻指數(shù)的變異系數(shù)均較大,衣分、纖維長(zhǎng)度、比強(qiáng)度及整齊度的變異系數(shù)較小.聚類(lèi)分析（minkowski距離,ward方法）將20個(gè)品種聚為4大類(lèi),基于聚類(lèi)結(jié)果再進(jìn)行判別分析,誤判率為0,表明分類(lèi)結(jié)果可靠.多元方差分析結(jié)果顯示4類(lèi)品種存在極顯著差異：第I類(lèi)屬早熟、較高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)類(lèi)；第II類(lèi)屬中早熟、中產(chǎn)中質(zhì)類(lèi)；第III類(lèi)屬較早熟、高產(chǎn)中下質(zhì)類(lèi)；第IV類(lèi)屬中熟、中低產(chǎn)中上質(zhì)類(lèi).針對(duì)各類(lèi)品種的特征提出合理利用的價(jià)值和改良目標(biāo).百棉985、中植棉1017及錦科棉11號(hào)3個(gè)品種性狀表現(xiàn)突出,在棉花品種的遺傳改良中有較高的利用價(jià)值.

棉花；高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)；聚類(lèi)分析；判別分析；多元方差分析

在棉花育種實(shí)踐中,國(guó)內(nèi)外學(xué)者都側(cè)重于對(duì)棉花的產(chǎn)量和品質(zhì)性狀兩方面因素的遺傳效應(yīng)及遺傳相關(guān)的研究[1-3],所得有關(guān)遺傳效應(yīng)及遺傳相關(guān)信息在指導(dǎo)棉花育種實(shí)踐中發(fā)揮了積極作用[4-6].為挖掘棉花種質(zhì)資源信息,加快綜合性狀優(yōu)良的棉花新品種選育進(jìn)程,加強(qiáng)對(duì)棉花新品種的產(chǎn)量及品質(zhì)優(yōu)良特性的剖析與遺傳多樣性研究顯得至關(guān)重要.目前,有關(guān)中熟常規(guī)棉的遺傳多樣性研究報(bào)道,多采用分子標(biāo)記技術(shù)進(jìn)行研究[7-10].分子標(biāo)記技術(shù)從DNA水平上研究品種（系）的多態(tài)性,而品種的表現(xiàn)型是生態(tài)環(huán)境、基因型及其互作效應(yīng)的綜合結(jié)果,所以分子標(biāo)記法用于研究棉花品種的多態(tài)性難以充分地揭示品種表現(xiàn)特征.基于表型性狀對(duì)中熟常規(guī)棉進(jìn)行遺傳多樣性的研究盡管亦有報(bào)道,但采用的研究方法不盡相同,且對(duì)近年育成的中熟常規(guī)棉花新品種優(yōu)勢(shì)性狀剖析的報(bào)道并不多見(jiàn),進(jìn)行此項(xiàng)研究對(duì)充實(shí)棉花種質(zhì)資源信息具有重要意義.本研究依據(jù)2011黃河流域中熟常規(guī)棉花新品種區(qū)試資料,采用聚類(lèi)分析、多元方差分析等方法研究參試品種主要特征及其差異,旨在為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)棉花新品種選育實(shí)踐中合理利用種質(zhì)資源提供有益信息.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以參加2011年黃河流域棉區(qū)中熟常規(guī)棉區(qū)試A、B兩組的20個(gè)新品種為分析材料,包括RF05-37、魯7619、GK99、衡棉6號(hào)、邯218、百棉985、中植棉2號(hào)、sGK18、邯8266、DM0539、冀航8號(hào)、sGK中3017、中植棉1017、冀棉229、銀興棉4號(hào)、魯6269、錦科棉11號(hào)、冀豐1271、快育66,中植棉2號(hào)分別在A、B兩組中作為對(duì)照.試驗(yàn)在靈璧、滄州、故城、邯鄲、石家莊、商丘、西華、新鄉(xiāng)、響水、泗陽(yáng)、惠民、金鄉(xiāng)、臨清、寧津、運(yùn)城、大荔、天津等18個(gè)試點(diǎn)進(jìn)行.試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),重復(fù)3次,小區(qū)面積20m2,全區(qū)計(jì)產(chǎn),按普通棉田的管理方法進(jìn)行.考察性狀包括：皮棉產(chǎn)量（x1,kg/hm2）、霜前花率（x2,%）、株鈴數(shù)（x3,個(gè)/株）、單鈴質(zhì)量（x4,g）、衣分（x5,%）、枯萎病指（x6）、黃萎病指（x7）、纖維長(zhǎng)度（x8,mm）、比強(qiáng)度（x9, cN/tex）、麥克隆值（x10）、整齊度（x11,%）、紡紗均勻指數(shù)（x12,以下簡(jiǎn)稱(chēng)“紡紗指數(shù)”）.采用國(guó)際通用的HVICC標(biāo)準(zhǔn),由農(nóng)業(yè)部棉花纖維品質(zhì)監(jiān)督檢測(cè)中心900系列對(duì)各試點(diǎn)提供的參試品種的棉纖維樣本進(jìn)行檢測(cè).

1.2 分析方法

對(duì)考察性狀進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì),采用聚類(lèi)和判別分析[11]對(duì)參試品種進(jìn)行研究,利用多元方差分析及多重比較剖析各品種的特征和差異.數(shù)據(jù)在SAS 9.2[12]和MATLAB 7.0[13]環(huán)境下完成統(tǒng)計(jì)處理.

2 結(jié)果與分析

2.1 參試棉花品種考察性狀的總體表現(xiàn)

平均值及變異性是度量作物性狀受環(huán)境條件影響的一般表現(xiàn)和變異的指標(biāo),它反映作物相關(guān)性狀的特征和基本動(dòng)態(tài).參試棉花品種所考察性狀的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1.

由表1可知,參試棉花品種的平均皮棉產(chǎn)量為1 348.83 kg/hm2,變異系數(shù)中等偏大（6.68%）,極差350.77 kg/hm2；霜前花率90.75%,變異系數(shù)較?。?.60%）,極差11.03%；株鈴19.22個(gè),變異系數(shù)中等（6.35%）,極差4.76個(gè)；鈴質(zhì)量5.85 g,變異系數(shù)5.43%,極差1.01 g；衣分39.87%,變異系數(shù)3.60%,極差5.04%；枯萎病指、黃萎病指分別為4.14、20.34,變異系數(shù)分別為25.36%、19.45%,居所考察性狀的第一、第二位,極差分別為3.50、17.60；纖維長(zhǎng)度、比強(qiáng)度、麥克隆值、整齊度的均值分別為29.12 mm、29.02 cN/tex、4.93和85.26%,變異系數(shù)除麥克隆值（5.17%）外均較?。患徏喼笖?shù)均值140.95,變異系數(shù)4.02,極差24.24.從變異系數(shù)的大小可見(jiàn),枯萎病指、黃萎病指、皮棉產(chǎn)量、株鈴、鈴質(zhì)量及麥克隆值具有較大變異性,表明這些性狀除受遺傳基因影響外,還較易受環(huán)境因素的影響,具有較大的改良空間,育種實(shí)踐中應(yīng)注重利用優(yōu)勢(shì)材料有針對(duì)性地進(jìn)行改良；衣分、纖維長(zhǎng)度、比強(qiáng)度、整齊度的變異系數(shù)較小,表明它們主要受遺傳基因控制,短期選擇難以奏效,應(yīng)于早代加強(qiáng)選擇.

表1 參試棉花品種所考察性狀的平均值及變異性Tab.1 Mean and variability of the characteristics of the tested cotton varieties

2.2 參試棉花品種的聚類(lèi)分析

以皮棉產(chǎn)量、霜前花率、單株鈴數(shù)、單鈴質(zhì)量、衣分、枯萎病指、黃萎病指、纖維長(zhǎng)度、比強(qiáng)度、麥克隆值、整齊度及紡紗指數(shù)12個(gè)產(chǎn)量品質(zhì)性狀為聚類(lèi)變量,對(duì)參試品種進(jìn)行聚類(lèi)分析.樣品間取minkowski距離,參數(shù)p=3,采用ward聚類(lèi)方法,在類(lèi)間歐氏距離為95時(shí)將20個(gè)參試品種聚為4類(lèi).結(jié)果見(jiàn)圖1.

圖1 參試棉花品種聚類(lèi)圖Fig.1 Clustering chart of the tested cotton varieties

由圖1可知：第I類(lèi)含7個(gè)品種,包括魯7619、邯8266、冀豐1271、錦科棉11號(hào)、冀棉229、銀興棉4號(hào)、欣試71143；第II類(lèi)有6個(gè)品種,包括RF05-37、衡棉6號(hào)、冀航8號(hào)、sGK中3017、快育66、中植棉2號(hào)；第III類(lèi)含3個(gè)品種,包括百棉985、中植棉1017、魯6269；第IV類(lèi)含4個(gè)品種,分別是GK99、邯218、sGK18和DM0539.

2.3 四大類(lèi)棉花品種的多元方差分析

將各類(lèi)品種所考察的產(chǎn)量、產(chǎn)量因素及品質(zhì)指標(biāo)共12個(gè)性狀分別看作一個(gè)多元正態(tài)總體,進(jìn)行多元方差分析.統(tǒng)計(jì)量及檢驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 各類(lèi)棉花品種的多元方差分析Tab.2 Multivariate analysis of variance ofall kinds of varieties

由表2可知,采用Wilks'Lambda檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量的結(jié)果,統(tǒng)計(jì)量F=5.67,相應(yīng)的顯著性水平為0.000 3,達(dá)極顯著水平,表明聚得的4類(lèi)棉花品種間存在極顯著差異.

為了證實(shí)這個(gè)分類(lèi)結(jié)果的合理性,基于各品種的分類(lèi)結(jié)果,依所考察的12個(gè)性狀為判別變量,對(duì)參試棉花品種重新進(jìn)行判別分析,經(jīng)SAS系統(tǒng)DISCRIM過(guò)程編程進(jìn)行統(tǒng)計(jì)運(yùn)算,得到判別函數(shù).根據(jù)這些判別函數(shù)對(duì)參試品種進(jìn)行判別,結(jié)果得出誤判率為0,進(jìn)一步肯定了上述分類(lèi)結(jié)果的可靠性,能夠在此基礎(chǔ)上做進(jìn)一步分析（見(jiàn)表3）.

表3 各類(lèi)棉花品種的判別函數(shù)Tab.3 Discriminant function of all kinds of cotton varieties

4類(lèi)品種間雖然存在極顯著差異,但并非類(lèi)間所有的性狀都存在顯著差異.為明確究竟哪些性狀存在顯著差異,從而獲得優(yōu)勢(shì)性狀信息,進(jìn)一步對(duì)各性狀進(jìn)行方差分析和多重比較,結(jié)果分別見(jiàn)表4、表5.

表4 各類(lèi)棉花品種所考察性狀的方差分析Tab.4 Analysis of variance of the characteristics of all kinds of cotton varieties

表5 各類(lèi)棉花品種諸性狀的平均值及變幅Tab.5 Average and variation range of the characteristics of all kinds of cotton varieties

由表4可知,皮棉產(chǎn)量和衣分存在極顯著差異（P=0.002 6）,株鈴達(dá)顯著差異（P=0.023 4）,其他性狀在類(lèi)間差異不顯著.

從表5中各類(lèi)品種諸指標(biāo)的平均值可以看出,第I類(lèi)7個(gè)品種的平均皮棉產(chǎn)量、株鈴、衣分、纖維長(zhǎng)度、麥克隆值均在4類(lèi)中居第二位,霜前花率、枯萎病指、比強(qiáng)度、紡紗指數(shù)均居4類(lèi)之首,屬早熟、較高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)類(lèi).此類(lèi)品種的改良除注重提高產(chǎn)量外,還應(yīng)注重提高纖維長(zhǎng)度,同時(shí)降低麥克隆值和枯萎病指.其特征是早熟性好、比強(qiáng)度高,可作為改良這些性狀的親本.第II類(lèi)6個(gè)品種的皮棉產(chǎn)量、株鈴、衣分、纖維長(zhǎng)度、比強(qiáng)度、紡紗指數(shù)均排第三位,霜前花率、鈴質(zhì)量、黃萎病指居第二位,而麥克隆值和枯萎病指最低,屬較早熟、中產(chǎn)中質(zhì)類(lèi).對(duì)此類(lèi)品種的改良,既注重增加株鈴和衣分、降低黃萎病指,還應(yīng)著重提高纖維長(zhǎng)度和比強(qiáng)度以提升品質(zhì).因其具有低麥克隆值和枯萎病指的特征,可作為對(duì)這些性狀改良的親本.第III類(lèi)3個(gè)品種的皮棉產(chǎn)量、株鈴、衣分、麥克隆值、黃萎病指、整齊度最高,枯萎病指較高,霜前花率居第三位,鈴質(zhì)量、纖維長(zhǎng)度、比強(qiáng)度、紡紗指數(shù)最低,屬高產(chǎn)、中下質(zhì)類(lèi)型.對(duì)此類(lèi)品種的改良,除注重提高鈴質(zhì)量以求產(chǎn)量穩(wěn)中有增外,應(yīng)特別注重纖維長(zhǎng)度、細(xì)度、強(qiáng)度的全面提高,同時(shí)還需注意降低枯萎病指和黃萎病指,提高抗病性.因其在株鈴、衣分性狀上的優(yōu)勢(shì),可作為對(duì)這些性狀改良的親本.第IV類(lèi)4個(gè)品種的皮棉產(chǎn)量、霜前花率、株鈴、衣分、黃萎病指最低,鈴質(zhì)量、纖維長(zhǎng)度最高,比強(qiáng)度、紡紗指數(shù)較高,麥克隆值和枯萎病指較低,屬中低產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)高抗病類(lèi).改良此類(lèi)品種,除注重提高株鈴和衣分增加產(chǎn)量外,還應(yīng)適當(dāng)提高早熟性.其特征是抗病性強(qiáng)、纖維長(zhǎng)好,可作為對(duì)品質(zhì)和抗病性狀改良的親本.

3 結(jié)論與討論

根據(jù)各參試棉花品種在產(chǎn)量、早熟、抗病及纖維品質(zhì)12個(gè)性狀的相似度,將20個(gè)參試品種聚為4大類(lèi)：第I類(lèi)有7個(gè)品種,其突出表現(xiàn)為早熟性好、比強(qiáng)度高、綜合品質(zhì)優(yōu),屬早熟、較高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)類(lèi)；第II類(lèi)含6個(gè)品種,主要特征是纖維細(xì)度較好、枯萎病指低,屬較早熟、中產(chǎn)中質(zhì)類(lèi)；第III類(lèi)包括3個(gè)品種,典型特征為高產(chǎn)、麥克隆值和黃萎病指高,纖維長(zhǎng)度和比強(qiáng)度偏低,屬較早熟、高產(chǎn)中下質(zhì)類(lèi)；第IV類(lèi)含4個(gè)品種,主要特征為產(chǎn)量偏低,霜前花率、黃萎病指最低,屬中熟、中低產(chǎn)優(yōu)質(zhì)高抗病類(lèi).4類(lèi)品種差異極顯著,在聚類(lèi)分析的基礎(chǔ)上通過(guò)判別分析驗(yàn)證,結(jié)果完全一致,進(jìn)一步證實(shí)了分類(lèi)結(jié)果的正確性與可靠性.

從本試驗(yàn)結(jié)果看,目前在棉花高產(chǎn)選育上成就喜人：中植棉1017的皮棉產(chǎn)量最高,達(dá)1 540.94 kg/hm2,另有4個(gè)品種的皮棉產(chǎn)量超過(guò)1 400 kg/hm2,絕大多數(shù)品種皮棉產(chǎn)量接近或超過(guò)1 350 kg/hm2；早熟性好,參試品種霜前花率達(dá)90%的占70%.但在纖維品質(zhì)方面與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求尚存差距,主要表現(xiàn)為比強(qiáng)度偏低,麥克隆值偏高.參照國(guó)家棉花新品種審定標(biāo)準(zhǔn)NY/T 1297—2007[14],所有參試品種的纖維長(zhǎng)度大于28 mm,達(dá)到II型標(biāo)準(zhǔn)（≥28 mm）,但沒(méi)有達(dá)到I型標(biāo)準(zhǔn)（≥31 mm）要求的；比強(qiáng)度偏低,參試品種達(dá)到II型標(biāo)準(zhǔn)（≥30 cN/tex）的僅10%,80%的品種只能達(dá)到III型標(biāo)準(zhǔn)（28～30 cN/tex）；麥克隆值中度偏高,纖維偏粗,達(dá)到II型標(biāo)準(zhǔn)（3.4～5.1）的占65%,其余35%僅滿足III型標(biāo)準(zhǔn)（5.1～5.5）；參試品種的紡紗均勻指數(shù)變幅為133.35～157.59,屬B級(jí)或C級(jí),適紡32～40支紗[15].從4類(lèi)品種的皮棉產(chǎn)量與纖維品質(zhì)看,第Ⅲ類(lèi)產(chǎn)量最高,但綜合品質(zhì)相對(duì)較低,抗病性在耐級(jí)以上[16],其中百棉985、中植棉1017可以作為改良產(chǎn)量性狀的親本；第Ⅳ類(lèi)產(chǎn)量最低,但各品質(zhì)指標(biāo)表現(xiàn)較好,值得提及的是錦科棉11號(hào)在本分析資料所涉品種中綜合品質(zhì)最好,纖維長(zhǎng)度30.79 mm,比強(qiáng)度31.96 cN/tex,麥克隆值4.59,整齊度85.38,紡紗均勻指數(shù)157.59,皮棉產(chǎn)量1 420 kg/hm2,可作為改良棉纖維品質(zhì)性狀的親本.本研究結(jié)果表明,棉花的高產(chǎn)與優(yōu)質(zhì)存在一定的制約關(guān)系,這與梅擁軍等[17]的研究結(jié)論基本一致.黃萎病指偏高可能是第Ⅲ類(lèi)品種品質(zhì)低下的原因.許多理論研究表明,棉花產(chǎn)量性狀與品質(zhì)性狀存在遺傳負(fù)相關(guān).為了有效緩解在性狀選擇上的矛盾,提高選擇效率,應(yīng)利用分子遺傳學(xué)、轉(zhuǎn)基因等現(xiàn)代生物育種技術(shù),加強(qiáng)纖維品質(zhì)的選育力度,爭(zhēng)取在纖維的長(zhǎng)度、細(xì)度、強(qiáng)度及抗病性上得到較大的提升,最終育成既高產(chǎn)又符合紡織業(yè)高標(biāo)準(zhǔn)要求、綜合性狀優(yōu)良的棉花新品種.

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[17]梅擁軍,張改生,葉子弘,等.海島棉零式果枝與長(zhǎng)果枝品種間雜交F1和F2代產(chǎn)量和纖維品質(zhì)性狀的雜種優(yōu)勢(shì)分析[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2005,38（6）：1106-1112.

（責(zé)任編輯：鄧天福）

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

河南省重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目（112102110089）

張宗敏（1964―）,男,河南新鄉(xiāng)人,高級(jí)農(nóng)藝師.主要從事作物品種選育及種子管理工作.