早熟陸地棉纖維品質性狀與生育期的相關性分析

馬曉梅，李保成，王 新，趙素琴，董承光，周小鳳，劉永昌

（1.農業農村部西北內陸區棉花生物學與遺傳育種重點實驗室∕新疆農墾科學院棉花研究所，新疆 石河子 832000；2.新疆維吾爾自治區種子管理總站，新疆 烏魯木齊 830006；3.湖南科技學院，湖南 永州 425000）

【研究意義】新疆是我國最大的產棉區，棉花單產和調出量連續24年位居全國之首。雖然新疆植棉歷史久遠，但棉花增產和纖維品質改良仍是育種工作的主要目標。目前新疆棉花品種類型單一，遺傳背景相似，棉花生產過分追求高產、高衣分、抗病的品種，推廣品種的遺傳品質明顯不足。隨著新疆棉花種植面積的增加，機采棉技術的推廣為棉農降低了生產成本，但導致棉花在后期脫葉、收獲、軋花、清雜等一系列生產及加工過程中，棉纖維受損，使得原本就不高的纖維品質指標降低，最終影響棉纖維品級。因此，研究影響棉纖維品質指標的各項因子，有的放矢的達到改良纖維品質指標的目的，是育種工作的當務之急。棉纖維的發育要經歷發育初期、伸長期、次生壁合成期和成熟期4個階段［1］，各個時期均與棉纖維品質的形成息息相關［2-5］。提高纖維品質是棉花新品種選育和優質棉高效生產的重要目標，然而棉纖維品質性狀屬于數量性狀，受環境影響較大。【前人研究進展】近年來，關于棉纖維品質影響因子的研究很多［6-16］，研究者通過多種分析方法，分別闡明了氣象因子、棉花鈴期、施氮量、植株密度、收獲時間對棉纖維品質的影響，并闡述了棉花纖維品質發生變化的原因。這些研究結果表明，在棉纖維選擇育種中，不僅要考慮品種本身遺傳特性，同時也需要考慮外界因素的作用。【本研究切入點】本研究在綜合前人研究結果的基礎上，以2015—2017年參加新疆維吾爾自治區試驗的早熟棉花新品系為研究對象，各參試品系均為新疆各育種單位的最新育種成果，極具代表性，希望通過綜合分析各參試品系在北疆早熟棉區生長發育特點，進一步了解目前新疆早熟棉區棉花育種發展方向，同時也能從參試品系的各個性狀表現來發現新疆早熟育種工作中的問題，為調整及完善育種策略，提供有效的參考數據及理論支持。【擬解決的關鍵問題】由于北疆早熟棉區生態環境的特殊性，春季氣溫回升慢，常出現倒春寒天氣，終霜結束較晚，秋季降溫快，枯霜早，受早熟性、半干旱氣候條件、品種適應性的限制，多年實踐證明，生產用種主要走自育為主的道路。本研究旨在以新疆早熟棉區特殊氣候條件為背景，以目前北疆早熟棉區各育種單位的主要研究成果為基礎，利用相關、通徑、回歸等分析方法對棉纖維品質與品種生育期進行分析，以明確影響各纖維品質優劣的主要生育階段，為育種工作者提供有效預測依據，以制定更科學、合理的方案，為選擇更高效、可遺傳的優良性狀提供有效的科學指導，進而提高育種效率。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2015—2017年在位于石河子的新疆農墾科學院棉花研究所試驗基地進行，棉田土質為壤土，質地均勻。選擇在當地具有代表性且產量和品質性狀表現較突出的10個品種（系）作為供試材料，分別為新農早112、莊稼漢151、九棉25、新農早113、莊稼漢701、H7-143、金墾雜1508、新石雜18、金墾1565、新石H12。

1.2 試驗方法

試驗采用隨機區組設計，3次重復，小區面積20 m2，8行區，行距配置（30+50+60）cm，株距0.1 m，密度15 734株/667m2。4月中、下旬播種，7月10日左右打頂，10月初收獲。試驗田栽培管理與大田高產技術相同。

1.3 測定項目及方法

記載播種期、出苗期、開花期和吐絮期的時間，確定播種-出苗期天數（X1）、出苗-開花期天數（X2）、開花-吐絮期天數（X3）、生育期天數（X4）。收獲時，每個品種采收中部鈴50個，進行室內考種，并檢測纖維長度（Y1）、比強度（Y2）、馬克隆值（Y3）、整齊度（Y4）、伸長率（Y5）等纖維品質指標。

采用石河子市氣象局資料，統計3—10月（播種至吐絮期）逐日的平均溫度（℃）、降雨量（mm）、日照時數（h）。采用Excel 2003對新疆2015—2017年的月平均溫度、月降水量、月日照時數等氣象因子進行統計分析，并對各品種棉纖維品質指標數據進行初步整理；使用DPS7.05、SPSS 19.0統計分析軟件進行簡單相關性分析、通徑分析、逐步回歸分析，分別建立棉花各品質性狀與生育期的最優回歸方程，分析品質性狀與影響因素間的關系。

2 結果與分析

2.1 主要氣象因子統計與分析

2015—2017年石河子墾區主要氣象因子統計數據見表1。從表1可以看出，2015—2017年石河子地區棉花生長季節降雨特點是：降雨量年度間差別特別明顯，最少年份為2015年、121.0 mm，最多年份為2016年、198.30 mm；4—10月總降雨量平均為152.67 mm，在年度間變幅較大，且月份間降雨量分布不均勻。

2015—2017年石河子墾區棉花生長季節日照時數、平均氣溫特點是：4—10月總日照時數年度間變幅為1 936.7～2 036.2 h，平均為1 992.83 h，年度間變幅較大；4—10月平均氣溫19.41℃，年度間變幅不大、變異系數為2.084，但月份間平均氣溫變幅較大。

2.2 棉纖維品質與生育期的簡單相關分析

棉花生育期是棉花品種的生育特點、習性及各環境條件互作的指標，它不僅體現了棉花品種的熟性，也反映了不同品種的生育進程。由不同品種3年檢測的棉纖維品質性狀與各生育期相關性分析結果（表2）可知，纖維長度與出苗-開花期天數呈極顯著正相關（r=0.803），與生育期天數呈極顯著正相關（r=0.768）；斷裂比強度與出苗-開花天數呈顯著正相關（r=0.440），與生育期呈顯著正相關（r=0.420）；馬克隆值與出苗-開花期天數呈顯著負相關（r=-0.408）；伸長率與出苗-開花天數呈極顯著正相關（r=0.781），與生育期天數呈極顯著正相關（r=0.751）；其他纖維品質性狀與生育期天數相關性不顯著。因此，棉花出苗-開花期天數對纖維長度、斷裂伸長率有極顯著正相關性，對斷裂比強度、馬克隆值有顯著相關性，而對其他指標作用不顯著。

表1 2015—2017年石河子墾區主要氣象因子Table 1 Statistics of main meteorological factors in Shihezi reclamation area during 2015-2017

表2 棉纖維品質與生育期天數的相關系數Table 2 Phenotypic correlation between the cotton fiber quality and growth period days

2.3 棉纖維品質與生育期的通徑分析

為進一步探明早熟陸地棉的纖維長度、斷裂比強度、馬克隆值、整齊度、斷裂伸長率這5個品質性狀與生育期的關系，利用通徑分析方法，結果（表3）顯示：（1）纖維長度（Y1）。播種-出苗天數對纖維長度的直接作用為-0.0855，間接作用為0.0559，表明播種-出苗天數的增加對纖維長度起到負面作用，因作用較小，且來自其他要素的間接作用為正效應，因此抵消了部分負作用，但綜合作用還是為負相關，且作用較小。出苗-開花期天數對纖維長度的直接作用為0.8848，間接作用為-0.0819，說明出苗-開花期對纖維長度的綜合作用主要來自于直接效應，且作用顯著，雖然來自其他生育階段的間接作用為負效應，但作用都較小。開花-吐絮期天數對纖維長度的直接作用為-0.2383，間接作用為0.5155，說明開花-吐絮期天數對纖維長度的直接作用為負效應，間接作用為正效應，且作用較顯著，但在直接、間接作用互相消減后，綜合作用表現為正效應，且作用不顯著。生育期天數對纖維長度的直接作用為0.0559，間接作用為0.7122，說明生育期天數對纖維長度存在明顯的正相關作用，主要作用來自于不同生育階段對纖維長度的作用。由此可見，早熟陸地棉總生育期天數對纖維長度的綜合作用表現為正效應，其中，出苗-開花期天數對纖維長度的直接作用較顯著；其次，雖然開花-吐絮天數輔助其它因素對纖維長度起到較顯著的間接作用，但受到直接負效應的影響，因此作用不顯著。

（2）斷裂比強度（Y2）。播種-出苗天數的直接通徑系數為-0.0865，間接通徑系數為-0.0551，說明播種-出苗天數主要以直接的方式對斷裂比強度產生負面效應，同時通過其他要素產生的也是負面影響，因此綜合作用為疊加后的負面效應，但作用較小，因此不顯著。出苗-開花天數的直接通徑系數為0.4531，間接通徑系數為0.4399，說明出苗-開花天數主要以直接的方式對斷裂比強度產生促進作用，其次通過其他要素引起的正效應也較強，因此所表現出的綜合作用是直接、間接作用相互疊加的正效應。開花-吐絮期天數的直接通徑系數為-0.1377，間接通徑系數為0.1499，其主要作用表現為負效應，間接作用表現為正效應，因作用均較小，且互相抵消。從整個生育期與斷裂比強度的通徑關系來看，其直接作用為0.0697，間接作用為0.4204，綜合作用為疊加后的正相關，但作用較小，因此表現不顯著。這說明品種的各生長發育階段對斷裂比強度存在直接或間接的正效應或負效應，但因負效應均被正效應所抵消，導致生育期表現出來的綜合作用均是正效應占主導，但因作用較小，因此綜合作用影響較低。

（3）馬克隆值（Y3）。播種-出苗天數的直接通徑系數為0.2385，間接通徑系數為0.002，說明播種-出苗天數主要以直接的方式對馬克隆值產生正面效應，同時通過其他要素產生間接正面影響，因此綜合作用為疊加后的正效應，但作用較小。出苗-開花天數的直接通徑系數為-2.3166，間接通徑系數為1.9084，說明出苗-開花天數對馬克隆值產生很強的直接負效應，但其他要素引起的間接正效應也較大，抵消了部分直接負效應，因此表現出的綜合作用是直接負效應，且作用較小。開花-吐絮期天數的直接通徑系數為0.0616，間接通徑系數為-0.0442，說明開花-吐絮期天數對馬克隆值直接作用為正效應，間接作用表現為負效應，因作用均較小，且互相抵消，綜合作用更微弱。從整個生育期與馬克隆值的通徑關系來看，其直接作用為1.8811，間接作用為-2.2249，綜合作用表現為抵消后的間接負效應，但作用較小。可見，在生育期階段，只有出苗-開花期天數對馬克隆值的直接作用和間接作用很強，但因作用相反，綜合作用有所消弱，但仍作用顯著。因此生育期對馬克隆值表現出的綜合負效應，出苗-開花期天數的作用占主導。

（4）整齊度（Y4）。播種-出苗天數的直接通徑系數為-0.0992，間接通徑系數為-0.0043，說明播種-出苗天數對整齊度的直接作用為負效應，同時通過其他要素產生的間接作用也為負效應，因此表現出綜合作用為疊加后的負效應，但作用較小。出苗-開花天數的直接通徑系數為1.6492，間接通徑系數為-1.4379，說明出苗-開花天數對整齊度產生很強的直接正效應，但其他要素引起的間接負效應也較大，抵消了部分的直接正效應，因此表現出的綜合作用是直接正效應，且作用較小。開花-吐絮期天數的直接通徑系數為0.2820，間接通徑系數為-0.1356，說明開花-吐絮期天數對整齊度直接作用為正效應，間接作用表現為負效應，因作用均較小，且互相抵消，綜合作用更微弱。從整個生育期與整齊度的通徑關系來看，其直接作用為-1.6061，間接作用為1.8002，綜合作用表現為抵消后的間接正效應，但作用較小，說明在生育期階段，只有出苗-開花期天數對整齊度的直接作用和間接綜合作用很強，但因作用相反，綜合作用有所消弱，作用不顯著。因此生育期對整齊度表現出的綜合正效應均較弱。

（5）斷裂伸長率（Y5）。播種-出苗天數的直接通徑系數為-0.2081，間接通徑系數為0.0617，說明播種-出苗天數對斷裂伸長率的直接作用為負效應，同時通過其他要素產生間接作用也為正效應，因此表現出綜合作用為疊加后的負效應，但作用較小。出苗-開花天數的直接通徑系數為0.4424，間接通徑系數為0.3386，說明出苗-開花天數對斷裂伸長率產生較強的直接正效應，通過其他要素引起的間接正效應也較大，因此表現出的綜合作用是直接、間接作用疊加后的綜合正效應，且作用顯著。開花-吐絮期天數的直接通徑系數為-0.2939，間接通徑系數為0.5649，說明開花-吐絮期天數對斷裂伸長率直接作用為負效應，作用較小；間接作用表現為正效應，作用較顯著，但因作用互相抵消，綜合作用為削弱后的間接正效應。從整個生育期與斷裂伸長率的通徑關系可以看出，直接作用為0.5223，間接作用為0.2284，綜合作用表現為直接、間接作用疊加后綜合正效應，作用顯著。由此可知，在生育期階段，出苗-開花期天數對斷裂比強度的綜合作用為直接、間接作用疊加后的綜合正效應，作用表現最強；開花-吐絮天數對斷裂比強度的間接作用較強，但與直接作用相反，綜合作用有所消弱。因此生育期對斷裂伸長率表現出的綜合正效應中，出苗-開花期天數的作用占主導。

表3 生育期天數（Xi）與棉纖維品質性狀（Yi）的通徑分析Table 3 Path analysis of growth period days (Xi) and cotton fiber quality traits (Yi)

2.4 棉纖維品質與生育期的逐步回歸分析

在自變量很多時，其中有的因素可能對因變量的影響不是很大，而且自變量之間可能不完全相互獨立，有互作關系。采用逐步回歸分析方法，進行X因子的篩選，不僅可以建立有效的多元回歸模型進行預測，同時可以篩選出有顯著影響的因子作為自變量，建立最優線性回歸方程（表4），得到纖維長度（X1）與出苗-開花天數（X2）的最優回歸方程Y1=19.878+0.158 X2（R2=0.645，P＜0.01），斷裂比強度（Y2）與出苗-開花天數（X2）的最優回歸方程Y2=26.516+0.087 X2（R2=0.193，P＜0.05），馬克隆值（Y3）與出苗-開花（X2）、生育期天數（X4）的最優回歸方程Y3=0.551-0.130X2+0.099X4（R2=0.302，P＜0.01），伸長率（Y5）與出苗-開花天數（X2）的最優回歸方程Y5=5.822+0.017X2（R2=0.610，P＜0.01），其他影響不顯著因素則在逐步回歸中被剔除。

表4 棉纖維品質性狀與生育期逐步回歸模型Table 4 Stepwise regression analysis model between the cotton fiber quality traits and growth periods

3 討論

棉纖維品質除了受品種的遺傳基因控制外，在很大程度上受種植地生態條件的影響［17］，環境和基因型共同決定了纖維長度和纖維強度的變異［18］。由環境因素影響而造成的馬克隆值和成熟度變異高達11%～34%，長度和強度變異也達10%～24%［19］，環境因素對品質的貢獻為1/3，品種對品質的貢獻為2/3，外在的生態環境因素影響棉花品質遺傳潛力的發揮［20］。由此可見，在改良品種的基礎上，研究和利用環境因素的影響效應，發揮氣候資源優勢，不僅是改善纖維品質的一項重要手段，也為纖維品質的區域化發展提供了理論依據。

相關系數是衡量兩個隨機變量間的表現相關程度的指標，由于沒有消除其他變量對這兩個變量的影響，因此表型相關系數不能真實地反映自變量、因變量的相關關系［21］，只能反映該自變量對因變量的綜合作用程度。

3.1 生育期與棉纖維品質性狀的相關性分析

通過對棉花各生育期與5項棉纖維品質指標之間的簡單相關分析，可以看出各生育期中，因出苗-開花期天數對纖維品質影響比重較大，播種-出苗期天數、開花-吐絮天數對纖維品質影響比重較小，導致生育期的長短對纖維品質存在顯著相關。纖維長度、伸長率與出苗-開花期天數呈極顯著正相關，因此與生育期天數也呈極顯著正相關；斷裂比強度與出苗-開花期天數呈顯著正相關性，因此與生育期天數也呈顯著正相關；馬克隆值與出苗-開花天數呈顯著負相關，因播種-出苗期天數、開花-吐絮期天數對馬克隆值均起到正效應但不顯著，該效應與之相抵，因此，馬克隆值與生育期天數相關性不顯著。

3.2 生育期與纖維品質性狀的通徑分析

通徑系數表示自變量對因變量的直接作用大小，真實地反映了兩個變量間的直接相關程度，是標準化的偏回歸系數［22］。通過對生育期、纖維品質性狀間的通徑分析，得出各生育期對纖維品質影響的作用大小，其中對纖維上半部平均長度的直接作用由大到小依次為出苗-開花期天數、開花-吐絮期天數、播種-出苗期天數、生育期天數，對斷裂比強度的直接作用由大到小依次為出苗-開花期天數、開花-吐絮期天數、播種-出苗期天數、生育期天數，對馬克隆值的直接作用由大到小依次為出苗-開花期天數、生育期天數、播種-出苗期天數、開花-吐絮期天數，對整齊度的直接作用由大到小依次為出苗-開花期天數、生育期天數、開花-吐絮期天數、播種-出苗期天數，對斷裂伸長率的直接作用由大到小依次為生育期天數、出苗-開花期天數、開花-吐絮期天數、播種-出苗期天數。可見，播種-出苗期對纖維品質性狀存在直接作用及間接作用，但因作用較小而不顯著；開花-吐絮期天數通過輔助其他性狀，對纖維品質中纖維長度、斷裂伸長率存在較強的間接作用，但直接作用較弱；出苗-開花期天數對纖維品質性狀有顯著的直接作用，同時輔助其他性狀對纖維品質存在較強的間接作用，因此，表現出生育期對部分纖維品質存在相關作用，其中出苗-開花期天數對纖維品質存在顯著相關，此結果與簡單相關分析的結果一致。

3.3 生育期對纖維品質指標的逐步回歸分析

通過逐步回歸分析，剔除作用不顯著因子，篩選作用顯著因子作為自變量，纖維長度、斷裂比強度、伸長率均將生育期因子剔除后與出苗-開花期天數建立了最優回歸方程，馬克隆值則與出苗-開花期天數、生育期建立了最優回歸方程，說明棉花生長發育過程中，出苗-開花天數對纖維品質作用較大，其他生長發育階段也存在效應，除了削弱了出苗-開花期對馬克隆值產生的負效應外，對其他品質指標綜合作用不顯著。

王榮棟等［23］提出，陸地棉在開花后20～30 d，棉纖維伸長接近最大長度，次生壁加厚也是在開花后5～10 d開始，說明纖維發育的各關鍵時期均發生在開花后，這與本研究結果不相符，可考慮以此為切入點，進一步研究和探明苗期、蕾期對棉纖維發育的影響，為改良纖維品質指標提供參考依據。其次，在相同基因型條件下，是否可以考慮采用人為干預的方法，調控棉花不同生長發育階段的時長，以期達到改變纖維品質指標，最終達到優化纖維品質的目的。

4 結論

本研究通過簡單相關分析表明，出苗-開花天數對早熟陸地棉纖維品質中纖維長度、斷裂伸長率存在極顯著正相關作用，對斷裂比強度呈顯著正相關，對馬克隆值呈顯著負相關作用；通過通徑分析表明，出苗-開花期天數對5項纖維品種指標的直接作用均比其他生育階段強，其中對馬克隆值、整齊度的直接相關作用均較強，因為通過輔助其他性狀對纖維品質也產生了較強的間接作用，因此對纖維長度的綜合作用最強，對整齊度的綜合作用不顯著，而開花-吐絮期天數通過輔助其他因子的作用，對纖維長度、斷裂伸長率存在顯著間接正向作用；通過逐步回歸分析表明，剔除其他不顯著因素，明確出苗-開花期天數與存在顯著相關的纖維品質間的關系，并可構建最優回歸模型，且t檢驗顯著。