陸地棉種子各物理性狀和油脂性狀的遺傳分析

陳 晨，曹新川，郭偉鋒，胡守林，何良榮

(塔里木大學 植物科學學院,新疆阿拉爾 843300)

棉花作為經濟作物、纖維作物，在人們的生產生活中扮演著不可或缺的角色。新疆具有得天獨厚的自然條件，是中國最主要的棉花生產基地；作為油料作物，棉籽油分含量更是高于內地棉區[1]。棉籽油不僅是理想的食品煎炸用油[2]，隨著加工業水平的不斷提高，各行各業對棉籽油的需求也在逐漸增大[3-7]。棉籽油分含量的測定需經歷考種、去殼、研磨、抽提等一系列復雜的過程，工作量大，因此，通過表型性狀或測量較簡單的數量性狀有利于棉籽油高效育種。早期的研究表明棉籽的物理性狀(籽指、仁指、種仁率、仁殼比)不僅與種子發芽[8]、播種出苗[9-10]、種子的貯藏性能[11]等有著緊密的聯系，同時還與含油率及其油脂品質密切相關且受環境的影響較大[12-13]，在西北內陸棉區利用二倍體種子數量性狀遺傳模型來預測它們之間的遺傳相關性方面還未見報道。為此，本研究通過選用7個陸地棉高代品種(系)，利用包括基因型與環境互作在內的二倍體種子數量性狀遺傳模型和統計分析方法，估算陸地棉各物理性狀、含油率、亞油酸和棕櫚酸的各項遺傳方差和遺傳相關系數，并預測各親本的利用價值，為新疆陸地棉種子油分含量的遺傳改良提供科學理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料由塔里木大學育種課題組提供，分別為‘cm3’‘a115-11’‘新陸中53’‘新陸中38’‘新陸中59’‘魯917’‘新陸早62’7個親本，按完全雙列雜交(正交)的方法配制成21個雜交組合。

1.2 試驗方法

于2018-2019年分別在阿拉爾市十二團農技推廣中心試驗田種植7個親本和21個F1雜交組合。2018-04-11播種，2019-04-15播種，設置2次重復，隨機區組排列。利用機械覆膜打孔、人工點播的方式，行長3.0 m，株行距配置為(10+66+10+66+10+66)cm×10.5 cm。田間管理同當地常規栽培。于吐絮期(2018-10-25和2019-10-27)分別摘取連續10株棉株各果枝、果節的籽棉進行室內考種。種植親本和F1雜交組合的小區收獲親本和F2代的種子。

1.3 性狀測定

棉籽物理性狀的測定：每小區取親本和雜種F2代中部節位(7、8節位)的棉籽分別測定親本和雜種的殼指(100粒棉花種子殼的質量)、仁指(100粒棉花種仁的質量)、毛籽指(100粒成熟毛籽的質量)、種仁率(種仁質量/種子質量×100%)和仁殼比(種仁質量/種殼質量×100%)。

含油率及其脂肪酸含量的測定：采用索氏抽提法測定棉仁油分含量，參照種子粗脂肪檢測國家標準進行[14]，進而計算出棉仁含油率。將提取出來的粗油脂送至塔里木大學分析測試中心，利用氣相色譜-質譜(GC-MS)聯用儀測定亞油酸和棕櫚酸的含量。

1.4 統計分析

采用包括基因型與環境互作效應在內的二倍體種子數量性狀遺傳模型和統計分析方法[15-17]，研究在不同環境條件下陸地棉種子物理性狀、含油率、亞油酸和棕櫚酸的遺傳規律。采用調整無偏預測法(AUP)預測各項遺傳效應值，包括胚加性(VAo)、胚顯性(VDo)、細胞質效應(VC)、母體加性效應(VAm)、母體顯性效應(VDm)及其相應的環境互作效應(VAoE、VDoE、VCE、VAmE、VDmE)等，并根據棉花種子各性狀的遺傳效應值對各親本的育種價值作出評價。運用MINQUE(0/1)法估算各性狀的方差分量及成對性狀的協方差分量，并進一步計算成對性狀的各項遺傳相關系數。采用Jackknife[18]重復抽樣技術估算各預測值的標準誤，并用t測驗對各參數進行顯著性測驗。數據按照朱軍[15,17,19]的方法在微機上進行分析。

2 結果與分析

2.1 陸地棉各性狀的各項方差分量及遺傳效應大小

由表1可知，含油率、殼指、仁指和毛籽指都檢測到極顯著的胚顯性和細胞質效應，亞油酸的胚顯性效應，種仁率和仁殼比的胚顯性、細胞質和母體顯性效應也都達到極顯著的水平。在與環境互作效應中，含油率、亞油酸、殼指、仁指和毛籽指都檢測到顯著或極顯著的胚加性互作和母體互作效應，種仁率和仁殼比的胚加性互作、細胞質互作和母體互作也都達到了極顯著的水平。而棕櫚酸的各項遺傳方差都未達到顯著水平。

表1 3個油脂性狀和5個物理性狀的各項遺傳方差估計值Table 1 Estimate of genetic variances for 3 oil traits and 5 physical traits

進一步分析表明，含油率、亞油酸、棕櫚酸、殼指、仁指和毛籽指的環境互作方差比率(VGE/(VG+VGE))分別為79.22%、85.31%、84.70%、75.47%、73.46%和76.44%，說明這些性狀的遺傳表現受基因型與環境互作效應的控制較大；而種仁率與仁殼比的遺傳總效應方差比率 (VG/(VG+VGE))和環境互作方差比率 (VGE/(VG+VGE))分別為58.18%與41.82%和 58.32%與 41.68%，說明其主要受遺傳主效 應的控制，同時基因型與環境互作效應也不可 忽視。

在胚、細胞質和母體三套遺傳體系中，各性狀來自胚的遺傳效應方差(VAo+VDo+VAoE+VDoE)分別占遺傳總方差(VG+VGE)的34.77%、21.83%、30.85%、22.05%、29.93%、25.79%、32.81%和30.19%，細胞質遺傳效應(VC+VCE)分別占遺傳總方差的3.13%、25.00%、22.99%、12.39%、10.86%、10.10%、35.19%和35.47%，母體的遺傳效應方差(VAm+VDm+VAmE+VDmE)分別占遺傳總方差的62.11%、53.52%、46.17%、65.56%、59.20%、64.18%、32.00%和34.34%，說明這些性狀的基因表達同時受控于胚、細胞質和母體這三套遺傳體系，其中含油率、亞油酸、棕櫚酸、殼指、仁指和毛籽指以母體遺傳效應為主，而種仁率與仁殼比的胚、細胞質、母體效應占比相差不大。

由于各種加性效應部分(包括胚加性和母體加性效應)在選擇過程中可以累加，細胞質效應也可以通過母本得以傳遞，因此這兩種效應的大小將會直接影響到選擇效果的好壞。結果表明，各性狀的加性效應和細胞質效應方差(VA+VC+VAm+VAE+VCE+VAmE)占到遺傳總方差(VG+VGE)的37.11%、38.95%、84.68%、32.33%、39.25%、34.72%、56.78%和56.60%。顯性效應方差(VDo+VDoE+VDm+VDmE)占遺傳總方差(VG+VGE)的62.89%、61.05%、15.32%、67.67%、60.75%、65.28%、43.22%和43.40%。說明含油率、亞油酸、殼指、仁指、毛籽指的基因表達主要受基因的顯性效應控制，可能存在著較大的雜種優勢；棕櫚酸、種仁率和仁殼比則主要受可累加的遺傳效應控制。

本試驗還發現毛籽指和殼指的機誤方差也達到10%或顯著水平，說明環境機誤或抽樣誤差對毛籽指和殼指具有明顯的影響。

2.2 陸地棉親本各性狀的加性和細胞質遺傳效應值預測

為改良陸地棉含油率、亞油酸、棕櫚酸含量和各物理性狀，育種工作者可以通過在不同年份對親本的遺傳效應值進行預測，進而評判育種材料的潛在價值。不同年份陸地棉各性狀的遺傳效應預測值如圖1，陸地棉各性狀主要受細胞質(C)及其互作效應(CE)、胚加性互作效應(AE)和母體加性互作效應(AmE)的影響，且這7個親本雜交后代的遺傳效應受環境互作影響要比遺傳主效應的影響大，這對各性狀的選育有一定的阻礙。分析兩年含油率的親本遺傳效應總和(GtⅠ=A+AEI+C+CEI+Am+AmE1和GtⅡ=A+AE2+C+CE2+Am+AmE2)發現親本P2會明顯減少雜種后代含油率(GtⅠ和GtⅡ分別為-0.3618和-0.1286)；親本P2和P7可以明顯減少雜種后代殼指(Gt1分別為-0.179和-0.620，Gt2分別為-0.125和-0.126)，而且在仁指方面，P3和P7會有明顯的減效作用(Gt1分別為-0.047和-0.407，Gt2分別為-0.541和-0.251)，而P2則會明顯增加效應(GtⅠ和GtⅡ分別為0.005和0.546)，而且僅有P7會明顯地減小雜種后代的毛籽指，就種仁率和仁殼比而言，P1、P2和P7總體上對其雜種后代都有明顯的增效(GtⅠ分別為 0.930和0.418、1.156和0.510、1.273和 0.551，GtⅡ分別為0.667和0.265、2.715和 1.191、0.159和0.016)，這在陸地棉高種仁率和高仁殼比育種中可以加以利用，而P4和P5則對其雜種后代有明顯的減效作用(GtⅠ分別為 -1.925和-0.838、-0.469和-0.213，GtⅡ分別為 -0.781和-0.323、-0.588和-0.273)。其余大部分親本各性狀的遺傳效應總和在兩年中表現不一致，說明這些親本的雜交后代的各性狀在不同環境條件下表現也不同，因此在不同環境條件下改良各性狀的難度相對較大。

分析兩年來親本各性狀的基因型與環境互作效應預測值還發現，多數親本在2018年(AEl+CEI+AmEI)和2019年(AE2+CEll+AmE2)的基因型與環境互作效應預測值有所不同，表明這部分遺傳效應會隨著環境的變化而發生相應的改變。多數親本兩年的基因型與環境互作效應預測值不一致，這在育種工作中需加以注意。

2.3 陸地棉各性狀之間的遺傳相關性分析

為了更好地進行育種選擇，并使一些重要的性狀能夠得到同步改良，有必要就陸地棉種子油分含量、脂肪酸含量和各物理性狀這三者之間進行相關性研究，當育種的目標性狀遺傳率較低時，選擇與其有著較高相關性的其他性狀，可達到間接改良目標性狀的目的。

2.3.1 各物理性狀間及含油率、亞油酸和棕櫚酸之間的遺傳相關性 由表2可知，殼指與仁指的表現型和基因型都達到了顯著和極顯著水平的正相關，這主要歸因于較大的種子胚顯性、胚加性互作、母體加性互作和母體顯性互作正相關。仁指與毛籽指的表現型和基因型都達到極顯著水平，相關分量的分析結果表明，其正相關主要是受種子的胚顯性和母體顯性互作正相關，且胚加性互作和母體加性互作也達到10%的顯著正相關的影響。說明在一定的環境條件下，殼指大的雜交組合其仁指和毛籽指往往也較大。

殼指與毛籽指間存在顯著的胚顯性、胚加性互作和母體互作正相關；種仁率和仁殼比之間存在較大的胚顯性，胚加性互作和母體加性互作正相關，同時殼指與種仁率、仁殼比之間還存在一定程度上的細胞質和母體顯性互作負相關，由于關系復雜且作用可能相互抵消，造成遺傳相關和表現相關不顯著，因而早代選擇效果較好。

含油率與亞油酸的遺傳關系不密切，遺傳相關系數未達到顯著水平，但存在較大的胚加性互作和母體加性互作負相關，說明在一定的環境條件下，可以通過在早代對其進行定向選擇，但對高油分含量和高品質的同步改良難度較大。含油率與棕櫚酸，亞油酸與棕櫚酸之間沒有明顯相關性，說明在含油率或亞油酸進行改良時，對棕櫚酸的含量不會產生影響。

本研究還發現含油率與亞油酸間、亞油酸與棕櫚酸間、殼指與毛籽指間和仁指與種仁率之間還存在著10%顯著或顯著水平的機誤相關，這說明較大的環境或測定誤差等隨機因素可能會對其相關性產生影響。

2.3.2 陸地棉種子含油率、亞油酸、棕櫚酸與各物理性狀之間的遺傳相關系數估計值 從表3可以看出，含油率與上述5個物理性狀間的基因型和表現型都存在著極顯著的負相關，說明可以通過這5個物理性狀來間接選擇含油率高的種質資源。進一步分析表明，含油率與殼指主要歸因于胚加性互作和母體互作存在著顯著或極顯著的負相關，但胚顯性極顯著的正相關對其有一定的干擾；與仁指間則主要體現在胚顯性、細胞質、胚加性互作和母體互作負相關；與毛籽指間體現在胚加性互作和母體互作負相關，說明在一定條件下，仁指和毛籽指越輕的材料其含油率就越高；與種仁率和仁殼比之間則主要歸因于胚顯性負相關，但母體顯性互作則表現為顯著的正相關，這同樣在一定程度上干擾了含油率與種仁率和仁殼比之間的逆向選擇。

表3 陸地棉種子含油率、亞油酸、棕櫚酸與各物理性狀之間的遺傳相關系數估計值Table 3 Estimateof correlation components between oil content and fatty acids of upland cotton seeds and physical traits

亞油酸與殼指間的表現型和基因型都達到10%或極顯著的負相關，但其并沒有顯著的各項遺傳相關；與仁指的遺傳關系不密切，但其存在著較大的胚顯性正相關和微弱的母體顯性負相關；與毛籽指間只有10%顯著的表現型正相關；與種仁率之間存在著顯著或極顯著的基因型和表現型正相關，其主要體現在胚顯性正相關，但母體顯性互作負相關對其有一定的干擾。與仁殼比之間存在著顯著或極顯著的基因型和表現型正相關，這主要歸因于胚顯性和母體顯性達到了顯著或極顯著的正相關，說明在一定的環境條件下，在高世代的材料中選擇仁殼比越大的其亞油酸的含量就 越高。

棕櫚酸與殼指、仁指和毛籽指的各項遺傳相關分量中，僅僅只有基因型和表現型達到顯著或極顯著水平，但兩者的相關性質相反?；蛐蜑檎担递^小，說明棕櫚酸與殼指、仁指和毛籽指表現較弱的正相關，在提高殼指或仁指或毛籽指的同時，對棕櫚酸含量的增加幅度不會太大。與種仁率的遺傳關系不密切，但它們之間存在著顯著或極顯著的母體顯性、胚加性互作和母體加性互作正相關。與仁殼比間只存在10%顯著的表現型正相關，但其母體顯性、胚加性互作和母體加性互作都達到顯著或極顯著水平。

3 討 論

3.1 陸地棉種子物理性狀、含油率、亞油酸和棕櫚酸的遺傳機制

陸地棉種子物理性狀、含油率及油脂品質性狀的表現是基因和生態環境共同作用的結果。陸地棉種子含油率、仁指、種仁率和仁殼比等性狀的遺傳機制，前人研究結果不盡相同；在本研究中，南疆陸地棉種子含油率和仁指主要受基因型與環境互作效應的影響，而種仁率和仁殼比則主要受遺傳主效應的影響。李金榮[13]、劉海英[20]、秦利[21]的研究指出陸地棉種子同時受到胚、細胞質和母體植株三套遺傳體系的共同控制，本研究也進一步驗證了這一觀點，但各效應作用大小的結論不盡相同。含油率、仁指和毛籽指以母體遺傳效應(VAm+VDm+VAmE+VDmE)為主，其中又以母體互作效應為主(占環境互作效應的78.52%、80.66%、83.89%)；這與李金榮[13]的研究結果相似，而與劉海英[20]和秦利[21]的部分結果則有些不同，其原因可能與試驗的材料或環境的不同有關。亞油酸和棕櫚酸主要受基因型與環境互作效應的影響，其中以母體遺傳效應為主，它們分別占遺傳總方差(VG+VGE)的53.52%、46.17%。這與李金榮[13]的研究結果相似。

3.2 陸地棉種子各性狀間的遺傳相關性分析

3.2.1 種子物理性狀 王國建等[12]運用二倍體種子遺傳模型分析出仁指與仁殼比之間有著極顯著的表現型和基因型正相關，在本研究中雖然未能表明它們之間的顯著水平；但檢測到了胚顯性、胚加性互作和母體加性互作的正相關，這與秦利[21]的研究結果基本一致。說明仁指與仁殼比之間的相關效果受環境的影響較大，同時它們之間還存在一定程度上的細胞質和母體顯性互作顯著負相關，這在很大程度上干擾了仁指與仁殼比的正向選擇效果。

在本研究中，仁指與毛籽指的表現型和基因型存在著極顯著正相關，與王國建等[12]的研究結果相同，但與李金榮[13]的結果不同。其正相關主要是受種子的胚顯性和母體顯性互作正相關，且胚加性互作和母體加性互作也達到了10%的顯著正相關的影響，又與秦利[21]的研究結果相類似。說明在一定的環境條件下，仁指大的材料其毛籽指可進行同步改良。因此，在選育高種子生活力棉花新品種時，應注重選擇毛籽指或殼指或仁指較大的材料，這有助于提高棉花種子的播種質量等。

3.2.2 含油率與各物理性狀關系 王延琴等[22]通過對中國三大主產棉區的142份棉花主栽品種棉籽的油分、籽指和仁指的相關性分析，表明油分與籽指和仁指存在顯著的正相關；但王國建等[12]、秦利[21]認為含油率與籽指、仁指的各項遺傳相關系數均為負值，本研究與他們的觀點基本相同，但其各項相關分量又有所差異，含油率與仁指主要歸因于胚顯性、細胞質、胚加性與環境以及母體效應與環境的影響，與毛籽指之間則主要受到胚加性與環境、母體效應與環境互作影響，這與李金榮[13]和吳吉祥等[23]的結果基本一致。說明籽指或仁指較高的品種其含油率往往較小，反之亦然。

3.2.3 含油率、亞油酸和棕櫚酸 本研究發現含油率與亞油酸的遺傳關系不密切，遺傳相關系數未達到顯著水平，但存在較大的胚加性互作和母體加性互作負相關。這與李金榮[13]的研究結果基本相同，說明在一定的環境條件下，可以通過在早代對其進行定向選擇，但對高油分含量和高品質的同步改良難度較大。含油率與棕櫚酸、亞油酸與棕櫚酸之間沒有明顯相關性，與李金榮[13]、王美霞等[24]的研究結果不符，這可能與選用的材料或環境的不同有關。

4 結 論

本研究通過對南疆7個陸地棉品種或材料進行遺傳效應和相關性分析發現，各性狀同時受控于胚、細胞質和母體效應三套遺傳體系，油分、亞油酸、棕櫚酸、殼指、仁指和毛籽指的基因表達受基因型與環境互作效應的控制較大且以母體遺傳效應為主，種仁率與仁殼比主要受遺傳主效應的控制且三套遺傳體系占比相差不大；在后代可累加的遺傳效應部分(包括胚加性、母體加性和細胞質效應)中只有棕櫚酸、種仁率和仁殼比受可累加遺傳的效應的控制。

在遺傳相關性上，含油率與5個物理性狀之間都存在著負相關，它們之間的基因型和表現型達到極顯著水平，亞油酸與種仁率和仁殼比之間存在著顯著或極顯著的基因型和表現型正相關，棕櫚酸與種仁率和仁殼比之間的遺傳關系雖然不密切，但它們之間存在著顯著或極顯著的母體顯性、胚加性互作和母體加性互作正相關或胚加性和母體加性互作正相關。本研究篩選出了以‘新陸早62’為親本，選擇高含油率的后代材料，能增加雜種后代的種仁率和仁殼比，同時可以減少其殼指、仁指和毛籽指，但不會降低油脂品質性狀，也就是說在一定的環境條件下，可以通過‘新陸早62’來同步提高其后代油分含量和脂肪酸的品質。