歐陽(yáng)單華,趙 康,宋東博,柳自清,郭旺珍,劉 燕,顧愛(ài)星,阿扎提古麗·麥麥提圖爾,艾力卡爾江·艾麥爾

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/棉花教育部工程研究中心/農(nóng)林有害生物監(jiān)測(cè)與安全防控重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,烏魯木齊 830052;2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院,南京 210095;3.新疆冠豐農(nóng)業(yè)科技有限公司,新疆石河子 832000)

0 引 言

【研究意義】棉花是我國(guó)主要的經(jīng)濟(jì)作物[1-2]。由大麗輪枝菌引起的棉花黃萎病是棉花生產(chǎn)中主要病害之一,其通過(guò)根部侵染植物,由維管組織自下而上傳染,阻礙植物對(duì)水分的吸收,影響棉花果枝生長(zhǎng)、棉鈴發(fā)育、產(chǎn)量與品質(zhì)[3],嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致產(chǎn)量損失30%以上[4-5]。近年來(lái),我國(guó)陸續(xù)從國(guó)外引進(jìn)德字棉、岱字棉和斯字棉等,培育出了產(chǎn)量好、品質(zhì)優(yōu)和抗枯萎黃萎病等不同變異類(lèi)型的棉花品種[6]。棉花產(chǎn)量、品質(zhì)和抗逆性是棉花育種的重要目標(biāo)[7-8]。種質(zhì)資源是拓寬作物遺傳基礎(chǔ)的重要來(lái)源[9]。研究棉花主要性狀之間的相關(guān)性對(duì)評(píng)價(jià)多種性狀聯(lián)合選擇具有重要意義[10]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】莊生仁[11]研究了黃萎病發(fā)病程度對(duì)新陸早1號(hào)、中棉所16和隴棉1號(hào)的影響,結(jié)果表明不同發(fā)病程度對(duì)棉花產(chǎn)量及其構(gòu)成要素的影響由大到小依次為皮棉產(chǎn)量、籽棉產(chǎn)量、單株結(jié)鈴數(shù)、鈴重、果枝數(shù)、株高及衣分。顧愛(ài)星等[12]對(duì)棉花雜交后代抗黃萎病鑒定研究發(fā)現(xiàn),隨著相對(duì)病情指數(shù)增加,衣分和單鈴重降低。萬(wàn)剛等[13]對(duì)耐病品種石惠11號(hào)、石惠12號(hào)的研究發(fā)現(xiàn),隨著黃萎病情的加重,纖維長(zhǎng)度、整齊度逐漸降低,比強(qiáng)度則因品種而有所不同。郭寶生等[14]通過(guò)對(duì)棉花的黃萎病抗性鑒定發(fā)現(xiàn)達(dá)到抗病或接近抗病水平的大部分品種(系)來(lái)自于海島棉、陸地棉、野生棉遠(yuǎn)緣雜交后代,所以遠(yuǎn)緣雜交是陸地棉黃萎病抗性改良的有效手段。主成分分析的綜合評(píng)價(jià)值,可以在保持原有信息的同時(shí),將各指標(biāo)轉(zhuǎn)化為可相互比較的獨(dú)立因子,從而更全面評(píng)價(jià)植物耐受性[15]。有文獻(xiàn)顯示主成分分析方法在谷子[16]、小麥[17]和花生[18]等多種作物上均得到了較好的應(yīng)用。李興河[19]用主成分分析散點(diǎn)圖和聚類(lèi)分析相結(jié)合的方法,篩選出可用作棉花育種親本的25份高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)資源材料?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】前人研究方法大多將主成分分析和聚類(lèi)分析分開(kāi)評(píng)價(jià)種質(zhì)資源[20]。雖然前人在棉花耐黃萎病鑒定上做了較多研究,但與產(chǎn)量、品質(zhì)相關(guān)的篩選棉花種質(zhì)資源的研究較少。需鑒定及綜合分析棉花品系對(duì)黃萎病的抗性強(qiáng)弱。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】選取35份棉花品系為研究對(duì)象,對(duì)棉花主要性狀進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)、相關(guān)性分析、主成分分析和聚類(lèi)分析,為新疆棉花種質(zhì)資源創(chuàng)制提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

田間試驗(yàn)于2021年4月在新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)第八師144團(tuán)新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)棉花育種基地進(jìn)行,該基地0～40 cm土壤養(yǎng)分含量分別為有機(jī)質(zhì)13.84 g/kg、速效鉀248.14 g/kg、堿解氮65.33 mg/kg、速效磷14.70 mg/kg。采用1膜6行的播種模式,3次重復(fù),每個(gè)小區(qū)2行,播幅2.35 m,行長(zhǎng)2.00 m,株距0.10 m。

供試品系為自育材料35份,由新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院棉花病害研究室提供,海陸雜交后代(軍海1號(hào)×遼棉18號(hào)):4株系11份(新海20號(hào)×碩豐1號(hào)):37株系12份(108夫×新海16號(hào)):10Q株系6份;陸陸雜交后代(遼棉18號(hào)×軍棉1號(hào)):44株系2份,CQJ株系4份[12,21-22]。表1

1.2 方 法

8～9月待棉花黃萎病發(fā)病均勻一致時(shí)進(jìn)行抗病鑒定,每品系調(diào)查10株,根據(jù)文獻(xiàn)研究[23-24],按棉花剖稈病情分級(jí)記錄各供試品種(系)發(fā)病等級(jí),根據(jù)發(fā)病等級(jí)計(jì)算相對(duì)病情指數(shù)(relative disease index,IR)。抗性反應(yīng)型劃分為5類(lèi):免疫(I),病情指數(shù)0;高抗(HR),病情指數(shù)0～10.0;抗病(R),病情指數(shù)10.1～20.0;耐病(T),病情指數(shù)20.1～35.0;感病(S),病情指數(shù)>35.0。選取每個(gè)重復(fù)連續(xù)5株,測(cè)量棉株的株高(plant height,PH)、始節(jié)高(height of the first branch,BSH)、果枝數(shù)(fruit branch number,FBN)、有效果枝數(shù)(effective fruit branch,EFNB)和鈴數(shù)(the boll number,TBN)、有效鈴數(shù)(effective boll number,EBN)。

每個(gè)品系收獲連續(xù)10株,在室內(nèi)對(duì)其稱(chēng)重、軋花,計(jì)算其單株籽棉產(chǎn)量(seed cotton yield per plant,SCYPP)、單株皮棉產(chǎn)量(lint yield per plant,LYPP)、鈴重(bell weight,BW)和衣分(lint percentage,LP),同時(shí)稱(chēng)取10 g纖維樣品,送往農(nóng)業(yè)農(nóng)村部棉花質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心(烏魯木齊)測(cè)定纖維品質(zhì),包括上半部平均長(zhǎng)度(upper half mean length ,UHML)、整齊度(uniformity index,UI)、斷裂比強(qiáng)度(fiber strength,Str)、伸長(zhǎng)率(elongation ratio ,Elg)、短纖維指數(shù)(short fiber index,SFI)、紡紗均勻性指數(shù)(spinning consistency Index,SCI)和馬克隆值(micronaire,Mic)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2020對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì),采用origin 2021和IBM SPSS27進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析和聚類(lèi)分析。

主成分綜合評(píng)價(jià)值:

PC1=0.842PH+0.093BSH+0.779FBN+0.833EFBN+0.877TBN+0.886EBN+0.044BW+0.092LYPP+0.312SYPP-0.486LP-0.033IR-0.470UHML-0.513UI-0.431Str+0.089Elg+0.663SFI-0.534SCI+0.129Mic.

(1)

PC2=0.188PH-0.204BSH+0.451FBN+0.390EFBN+0.352TBN+0.285EBN-0.036BW-0.163LYPP-0.027SYPP-0.502LP+0.185IR-0.758UHML+0.339UI+0.621Str+0.020Elg-0.398SFI+0.806SCI-0.767Mic.

(2)

PC3=0.244PH+0.640BSH-0.087FBN-0.034EFBN+0.054TBN+0.137EBN+0.716BW+0.899LYPP+0.861YPP+0.287LP-0.083IR+0.100UHML+0.322UI+0.153Str-0.437Elg-0.282SFI+0.180SCI+0.124Mic.

(3)

PC4=0.132PH+0.239BSH+0.056FBN-0.011EFBN-0.083TBN-0.115EBN-0.038BW+0.048LYPP+0.077SYPP-0.133LP+0.489IR-0.111UHML+0.524UI-0.420Str+0.659Elg-0.171SFI-0.056SCI-0.063Mic.

(4)

PC5=0.184PH+0.420BSH+0.071FBN+0.193EFBN+0.010TBN-0.020EBN-0.393BW-0.155LYPP-0.220SYPP+0.165LP+0.435IR-0.163UHML+0.036UI+0.303Str-0.346Elg-0196SFI-0.040SCI+0.361Mic.

(5)

F=(29.636%PC1+19.019%PC2+17.249%PC3+7.214%PC4+6.141%PC5)/79.259%.

(6)

2 結(jié)果與分析

2.1 不同棉花品系的抗病性鑒定

研究表明,35份棉花品系的相對(duì)病情指數(shù)有21份材料小于35,占總材料的46.67%,其中1號(hào)(4-13)、2號(hào)(4-22)、10號(hào)(4-2-7-3)和16號(hào)(10Q-67-3)品系,表現(xiàn)最好,抗病指數(shù)小于20,為抗病性品種。表1

2.2 不同棉花品系的變異系數(shù)

研究表明,變異系數(shù)范圍為1.67%(整齊度UI)～43.69%(相對(duì)病情指數(shù)IR),基本排序?yàn)檎R度<上半部平均長(zhǎng)度<衣分<斷裂比強(qiáng)度<紡紗均勻性指數(shù)<伸長(zhǎng)率<馬克隆值<始節(jié)高<鈴重<短纖維指數(shù)<株高 <果枝數(shù)<有效果枝數(shù)<單株籽棉產(chǎn)量<單株皮棉產(chǎn)量<有效鈴數(shù)<鈴數(shù)<相對(duì)病情指數(shù)。35份棉花品系的各性狀指標(biāo)整齊度和上半部平均長(zhǎng)度的變異系數(shù)小于10%,受遺傳因素影響較大,具有穩(wěn)定性。其余16個(gè)性狀變異系數(shù)均大于10%,與環(huán)境互作明顯,存在豐富的變異,具有極大的性狀改良潛力。表2

表2 不同棉花品系描述性統(tǒng)計(jì)

2.3 35份棉花品系的主要性狀相關(guān)性

研究表明,株高與果枝數(shù)、有效果枝數(shù)、鈴數(shù)和有效鈴數(shù)之間呈顯著正相關(guān);始節(jié)高與單株皮棉產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān);鈴重與單株皮棉產(chǎn)量和單株籽棉產(chǎn)量之間呈極顯著正相關(guān);株高與始節(jié)高、單株籽棉產(chǎn)量和短纖維指數(shù),單株籽棉產(chǎn)量與始節(jié)高、有效鈴數(shù),衣分與單株皮棉產(chǎn)量、整齊度與上半部平均長(zhǎng)度,兩兩之間呈顯著正相關(guān);衣分與株高、果枝數(shù)、有效果枝數(shù)、鈴數(shù)、有效鈴數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān);整齊度與鈴數(shù)、有效鈴數(shù)之間呈顯著負(fù)相關(guān);上半部平均長(zhǎng)度與斷裂比強(qiáng)度、紡紗均勻性指數(shù),鈴數(shù)、有效鈴數(shù)與短纖維指數(shù),紡紗均勻性指數(shù)與整齊度、斷裂比強(qiáng)度之間呈極顯著正相關(guān);上半部平均長(zhǎng)度與短纖維指數(shù)、整齊度、斷裂比強(qiáng)度和馬克隆值,紡紗均勻性指數(shù)與短纖維指數(shù)、馬克隆值之間呈極顯著負(fù)相關(guān)。單株皮棉產(chǎn)量與各性狀之間相關(guān)性不一,與品質(zhì)性狀之間也存在制約。圖1

注：* 和**分別表示在 0.05和0.01 水平上差異顯著

2.4 35份棉花品系的主成分變化

研究表明,篩選前5個(gè)特征根值大于1的主成分。特征根值分別為5.334、3.423、3.105、1.298和1.105,貢獻(xiàn)率分別為29.636%、19.019%、17.249%、7.214%和6.141%,累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到79.259%,涵蓋了35份棉花品系的大多數(shù)遺傳信息。

其中與PC1相關(guān)性最高的性狀為株高(0.842)、有效果枝數(shù)(0.833)、鈴數(shù)(0.877)和有效鈴數(shù)(0.886),將其命名為植株性狀因子,果枝數(shù)、成鈴數(shù)多的棉花,則棉花相應(yīng)的株高也較高;PC2特征向量值最大的分別為上半部平均長(zhǎng)度(0.758)、斷裂比強(qiáng)度(0.621)和紡紗均勻性指數(shù)(0.806),主要反映棉花相關(guān)品質(zhì)性狀,將其命名為品質(zhì)選擇因子。上半部平均長(zhǎng)度比較好的棉花,其斷裂比強(qiáng)度和紡紗均勻性指數(shù)也比較好;PC3載荷最高的是鈴重(0.716)、單株皮棉產(chǎn)量(0.899)和單株籽棉產(chǎn)量(0.861),將其命名為產(chǎn)量因子;與PC4相關(guān)性最高的性狀是整齊度(0.524)和伸長(zhǎng)率(0.659),將其命名為伸長(zhǎng)率和整齊度選擇的綜合因子。伸長(zhǎng)率高的棉花,整齊度較好;PC5與單株產(chǎn)量及產(chǎn)量構(gòu)成因素的特征向量相關(guān)性較低或?yàn)樨?fù)值,可將其命名為低產(chǎn)量構(gòu)成因子。單鈴重和有效鈴數(shù)較低的棉花,產(chǎn)量也相應(yīng)較低。表3

表3 35份棉花品系的主成分

2.5 35份棉花品系綜合評(píng)價(jià)

研究表明,35份棉花品系的綜合評(píng)價(jià),排名前10的材料依次為17號(hào)(10Q-69)、18號(hào)(37-101-5)、21號(hào)(37-129-3)、19號(hào)(37-101-3)、3號(hào)(4-8-2-1)、30號(hào)(44-17-8)、8號(hào)(4-18)、29號(hào)(37-94-5)、34號(hào)(CQJ-5Z6)和14號(hào)(10Q-44)。表4

表4 35份棉花品系綜合得分及排名

2.6 聚類(lèi)分析

研究表明,將35份棉花品系材料種質(zhì)資源,用 SPSS 19.0系統(tǒng)聚類(lèi)的組內(nèi)聯(lián)接法,依照歐式距離>10的標(biāo)準(zhǔn),分為4大類(lèi)。圖2

圖2 35份棉花品系種質(zhì)聚類(lèi)

第I類(lèi)和第Ⅱ類(lèi)有4個(gè)材料分別為17號(hào)(10Q-69)、1號(hào)(4-13)、2(4-22)和19號(hào)(37-101-3),該類(lèi)品質(zhì)優(yōu)異,抗病性強(qiáng)類(lèi)群,但產(chǎn)量低。株高矮,果枝數(shù)鈴數(shù)少,單鈴重高,單株皮棉產(chǎn)量低,病情指數(shù)較低,上半部平均長(zhǎng)度長(zhǎng),斷裂比強(qiáng)度高,紡織參數(shù)高。

第Ⅲ類(lèi)有9個(gè)材料,包括29號(hào)(37-94-5)、18號(hào)(37-101-5)和8號(hào)(4-18)等。該類(lèi)為高產(chǎn)類(lèi)群,但品質(zhì)差,抗病性弱。株高、始節(jié)高較高,果枝數(shù)、鈴數(shù)較多,單鈴重較高,衣分較高,單株產(chǎn)量較高,病情指數(shù)高上半部平均長(zhǎng)度較短,整齊度較差,斷裂比強(qiáng)度較高,伸長(zhǎng)率較差,短纖維指數(shù)較高,紡織參數(shù)較小,馬克隆值較大。

第Ⅳ類(lèi)有22個(gè)材料,包括9號(hào)(4-20-2)、23號(hào)(37-172-7)和30號(hào)(44-17-8)等。該類(lèi)為耐病性類(lèi)群,但產(chǎn)量略低,品質(zhì)略差。株高、始節(jié)高較高,果枝數(shù)、鈴數(shù)多,單鈴重較低,衣分較低,單株產(chǎn)量較低,病情指數(shù)較低,上半部平均長(zhǎng)度較短,整齊度較差,斷裂比強(qiáng)度較低,伸長(zhǎng)率較好,短纖維指數(shù)較高,紡織參數(shù)較小,馬克隆值較高。圖2

3 討 論

3.1 不同棉花品系的抗病性鑒定與變異

黃萎病是影響棉花高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的主要病害之一[23]。近年來(lái)我國(guó)棉花抗黃萎病研究不斷深入,豐富了各類(lèi)抗性種質(zhì)遺傳基礎(chǔ)[9]。研究中35份棉花品系有21個(gè)品系相對(duì)病情指數(shù)小于35,占總材料的46.67%,其中1號(hào)(4-13)、2號(hào)(4-22)、10號(hào)(4-2-7-3)和16號(hào)(10Q-67-3),表現(xiàn)最好,抗病指數(shù)小于20,為抗病性品種。但與前人研究一樣,未發(fā)現(xiàn)免疫材料[24-25]。

若育種進(jìn)程中忽略了部分遺傳信息,會(huì)導(dǎo)致遺傳變異水平逐漸降低[26]。變異系數(shù)是體現(xiàn)表型性狀多樣性程度的指標(biāo),性狀變異系數(shù)大于10%,樣本材料間有較大的差異[27-28]。研究中18個(gè)性狀的變異系數(shù),除整齊度和上半部分長(zhǎng)度外,其余性狀變異系數(shù)均大于10%,其中不同材料間有效鈴數(shù)、鈴數(shù)、單株皮棉產(chǎn)量和單株籽棉產(chǎn)量有較大的差異,和李慧琴[28]、劉劍光[29]研究結(jié)果基本一致。

3.2 35份棉花品系的主要性狀相關(guān)性

李興河[19]對(duì)80份棉花種質(zhì)資源研究表明,單株鈴數(shù)與衣分、籽棉產(chǎn)量存在呈極顯著相關(guān),即棉花單株鈴數(shù)越多,衣分越高,籽棉產(chǎn)量越高,與試驗(yàn)研究一致。研究結(jié)果顯示陸地棉株高與始節(jié)高、單株鈴數(shù)和果枝數(shù)密切相關(guān),與馬肖[30]和李慧琴[28]研究結(jié)果基本一致。棉花上半部分長(zhǎng)度與斷裂比強(qiáng)度、紡紗指數(shù)呈極顯著正相關(guān),與整齊度呈顯著性相關(guān),與馬克隆值呈極顯著負(fù)相關(guān),棉花纖維的長(zhǎng)度、強(qiáng)度和生產(chǎn)品質(zhì)可以同步改良,與王海濤[31]研究結(jié)果一致。

3.3 35份棉花品系的主成分

劉娜[32]用主成分分析將鹽堿脅迫下的319份陸地棉主要性狀,分為三類(lèi)因子,一是對(duì)纖維品質(zhì)與性狀進(jìn)行客觀反映,二是對(duì)產(chǎn)量等經(jīng)濟(jì)性狀進(jìn)行反映,三是對(duì)植株的長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行反映。與試驗(yàn)研究基本一致,但未對(duì)棉花品質(zhì)性狀做進(jìn)一步研究。研究涵蓋了35份棉花品系產(chǎn)量品質(zhì)和抗病性等多個(gè)指標(biāo),主成分分析將18個(gè)主要性狀簡(jiǎn)化為5個(gè)主成分,其累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)79.259%,有效鈴數(shù)、紡紗均勻性指數(shù)、皮面產(chǎn)量、伸長(zhǎng)率和整齊度、低產(chǎn)量因子能基本反映全部特征。貢獻(xiàn)率由大到小依次是:植株性狀因子>品質(zhì)選擇因子>產(chǎn)量因子>伸長(zhǎng)率和整齊度選擇的綜合因子>低產(chǎn)量構(gòu)成因子,貢獻(xiàn)率分別為29.636%、19.019%、17.249%、7.214%和6.141%。

3.4 聚類(lèi)分析

聚類(lèi)分析是種質(zhì)資源研究的常用手段之一。楊濤[33]利用主成分分析產(chǎn)生的綜合評(píng)價(jià)值D,將175份海島棉分成3個(gè)類(lèi)群。但綜合評(píng)價(jià)值只反映數(shù)量變異的大小,無(wú)法直觀衡量各品系的實(shí)際情況,研究將35份棉花品系18個(gè)主要性狀經(jīng)過(guò)系統(tǒng)聚類(lèi)分析,分為四個(gè)類(lèi)群,棉花黃萎病抗性與產(chǎn)量性狀、品質(zhì)性狀有著極其密切的關(guān)系,不能只注重單一性狀改良,需要協(xié)調(diào)棉花產(chǎn)量纖維品質(zhì)及抗逆性。表型結(jié)果受環(huán)境影響較大,為提高棉花種質(zhì)資源研究結(jié)果的準(zhǔn)確性,仍需結(jié)合多年多點(diǎn)試驗(yàn)深入探究。

4 結(jié) 論

系統(tǒng)聚類(lèi)結(jié)果與主成分綜合得分值排名結(jié)果較一致,但仍有不同,所選用的35份棉花品系18個(gè)性狀差異較大,變異豐富,性狀優(yōu)異,將各類(lèi)群與主成分綜合得分F值排名前10取交集,篩選出優(yōu)異品系21號(hào)(37-129-3)和30號(hào)(44-17-8)。