不同環(huán)境下棉花陸海漸滲系BC5F3:5群體棉籽營養(yǎng)成分及纖維品質性狀遺傳分析

吳秋雨，張海博，盧全偉*，王有武

（1.塔里木大學 農學院，新疆 阿拉爾 843300；2.安陽工學院，河南 安陽 455000）

0 引言

棉花是我國第一大經(jīng)濟農作物，是紡織業(yè)天然纖維的主要來源[1]，同時棉籽作為棉花的副產物，也是人類消費的第五大植物油來源與蛋白資源[2-5]。

長期以來，棉花育種工作中，學者一直注重纖維產量提高與品質改良，對同樣具有研究價值和經(jīng)濟價值的棉籽只作為棉花生產的副產品對待，故棉籽油分與蛋白質的改良研究工作進展緩慢。近年來，各行各業(yè)對棉籽油的需求逐漸增大[6]，我國每年能生產約82.74萬噸的棉籽油，棉籽油的加工和生產可以減輕我國食用油的供給壓力[7-8]。此外，棉籽中蛋白的營養(yǎng)價值也較為豐富，棉籽濃縮蛋白作為食品添加劑常應用于食品工業(yè)[6]。為了提高棉花生產的經(jīng)濟和社會效益，在棉花育種中除要重視纖維品質的改進外，也應注意棉籽營養(yǎng)品質的改良。

棉籽成分含量的相關研究為棉籽性狀的同步改良奠定了基礎，對提高育種效率提供了幫助與參考。棉籽營養(yǎng)性狀間的相關性在不同的報道中存在部分差異，大多數(shù)研究報道中油分含量與蛋白質含量表現(xiàn)顯著負相關[8-10]，對于棉籽成分含量性狀與棉花纖維品質之間的相關分析報道甚少。郭婷婷等[9]對101份國內外陸地棉種質資源的棉籽營養(yǎng)品質性狀、主要農藝性狀、纖維品質性狀進行了相關性分析，發(fā)現(xiàn)油分含量與纖維品質性狀間呈不同程度的負相關關系，蛋白含量與纖維品質性狀間呈不同程度的正相關關系；周有耀[10]分析了30份不同品種的陸地棉棉籽營養(yǎng)品質與纖維品質之間的關系，發(fā)現(xiàn)棉仁的蛋白質含量與各纖維性狀間呈負相關關系；陳姣等[11]分析了41個不同品種棉仁含油量及其與纖維品質性狀的相關關系，發(fā)現(xiàn)棉仁含油量和纖維品質性狀之間沒有統(tǒng)計學上的顯著相關性。

陸地棉產量高，適應性強；海島棉產量低，纖維品質好。二者在棉仁油分含量上也有一定差異[12]，海島棉的棉籽油分通常高于陸地棉。染色體片段代換系 (Chromosome Segment Substitution Lines，CSSLs) 近年來在水稻、玉米和棉花上的應用逐漸廣泛[13-15]，本研究以染色體片段代換系BC5F3:5為材料，明確群體棉籽成分含量性狀與棉花纖維品質性狀間的關系，為下一步進行QTL定位[16-17]、精細定位和克隆[18-19]、QTL互作分析[20]以及雜種優(yōu)勢機理研究[21-22]奠定基礎。

本研究以陸海漸滲系BC5F3:5為材料，研究在四個不同生態(tài)環(huán)境下其棉花纖維品質及棉籽中兩種主要營養(yǎng)物質含量的變化，分析環(huán)境、基因型對棉花纖維品質與棉籽成分含量的影響，挑選四個環(huán)境下棉籽油分、蛋白質含量與棉花纖維品質均優(yōu)異的單株，以期為棉籽營養(yǎng)品質、纖維品質的改良與利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 陸海漸滲系BC5F3:5材料來源

BC5F3:5群體是以高油和纖維品質優(yōu)異的海島棉“Hai1”作為供體親本，陸地棉“中棉所36”作為輪回親本進行多代回交自交所構建的染色體片段代換系[23]。本研究使用BC5F3:5群體的300個材料與輪回親本材料陸地棉“中棉所 36”，在2015、2016兩年分別種植于河南安陽（北緯 35°41'～36°21'，東經(jīng) 113°38'～114°59'）和新疆石河子（東經(jīng)84°58'～86°2'，北緯43°26'～45°20'）的中棉所試驗基地，單株成行，行長3 m，行距0.8 m，株距0.4 m，按照株行收取正常吐絮的籽棉，軋花后稱取≥15 g的皮棉在農業(yè)農村部棉花品質監(jiān)督檢驗測試中心檢測，棉籽用于成分檢測。

1.2 棉籽成分檢測

將四個環(huán)境下各300份BC5F3:5陸海漸滲系材料與“中棉所36”親本材料的棉籽經(jīng)硫酸脫絨，干燥至恒重后人工剝除棉籽殼，得到的棉仁作為試驗材料用于各指標化學真實值的測定，棉籽成分測量儀器為瑞典波通公司多功能近紅外谷物分析儀DA7200[24]。

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

利用Microsoft Excel 2019、IBM SPSS Statistics 26.0和Origin 2019軟件，對不同環(huán)境下群體和親本的棉籽油分與蛋白質含量、纖維品質性狀進行描述性統(tǒng)計分析，分別計算各性狀數(shù)據(jù)的平均數(shù)、最小值、最大值、極差、變異系數(shù)、超輪回親本比例、偏度、峰度等。利用SPSS 24.0對試驗材料各性狀進行相關性分析、方差分析[25-26]。

2 結果分析

2.1 棉籽主要營養(yǎng)成分含量與纖維品質性狀的描述性統(tǒng)計分析

2.1.1 輪回親本及BC5F3:5棉籽油分、蛋白的描述性統(tǒng)計分析

由群體的棉籽油分與蛋白質含量性狀在四個不同環(huán)境下的頻數(shù)分布可知，兩個性狀均呈連續(xù)分布且范圍較廣，各個環(huán)境下兩性狀的偏度絕對值均小于1，表明二者沒有出現(xiàn)異常的偏分離，表明采集到的各性狀整體呈現(xiàn)正態(tài)分布，符合數(shù)量性狀的遺傳特點（圖1）。

圖1 BC5F3:5群體油分及蛋白質含量性狀表型值頻率分布

利用IBM SPSS Statistics 26.0數(shù)據(jù)分析軟件對輪回親本“中棉所36”、群體BC5F3:5的棉籽油分及蛋白質含量進行描述性統(tǒng)計分析，結果表明，四個環(huán)境下BC5F3:5群體棉籽油分含量的變異系數(shù)均大于輪回親本“中棉所36”且變異幅度相對親本較大（表1）。四個環(huán)境下油分及蛋白質含量變異系數(shù)的大小也存在不同差異，整體位于3.7%～5.26%之間，二者的變異系數(shù)最大值均出現(xiàn)在2016年安陽環(huán)境下，分別為4.92%和5.26%，表明該環(huán)境下棉籽油分與蛋白質含量性狀存在大量遺傳變異；變異系數(shù)的最小值均出現(xiàn)在2015年石河子環(huán)境下，分別為3.7%和4.48%，表明該環(huán)境下兩性狀較為穩(wěn)定。

表1 輪回親本及BC5F3:5棉籽油分、蛋白質含量描述性統(tǒng)計分析

棉籽油分與蛋白質含量性狀在四個環(huán)境下的超輪回親本比例處于35.49%～76.00%之間，性狀表現(xiàn)優(yōu)異。蛋白質含量在2016年安陽環(huán)境下超輪回親本比例最大，為45.07%，2016年石河子環(huán)境下超輪回親本比例最小，為35.49%。油分含量在四個環(huán)境下的超輪回親本比例均大于蛋白質含量，其中在2016年石河子環(huán)境下最大，為76.00%；2016年安陽環(huán)境下最小，為63.73%。

BC5F3:5群體的棉籽油分在各環(huán)境下的均值均高于輪回親本“中棉所36”，蛋白質含量性狀的均值除2016年安陽環(huán)境外均低于輪回親本。群體平均表現(xiàn)與輪回親本“中棉所36” 雖有差異但十分相近，說明群體已基本恢復至“中棉所36”的遺傳背景，但群體內部各性狀的表型數(shù)據(jù)值仍存在較大波動。棉籽油分含量的極差最大值出現(xiàn)在2016年石河子環(huán)境下，為9.25%；棉籽蛋白含量的極差最大值出現(xiàn)在2016年安陽環(huán)境下，為15.39%。四個環(huán)境中棉籽油分平均含量為30.89 %～ 32.09%，其中2015年石河子環(huán)境的油分含量最高，2015年安陽環(huán)境的油分含量最低且均顯著低于其他三個環(huán)境；各環(huán)境棉籽蛋白質平均含量為40.24% ～ 40.98%，其中2015年石河子環(huán)境的蛋白質含量最高，2015年安陽環(huán)境的蛋白質含量最低，2015年石河子、2016年安陽環(huán)境的蛋白質含量均顯著高于另外兩個環(huán)境。

以上結果表明，棉籽的油分、蛋白含量性狀遺傳背景基本恢復至親本“中棉所36”，并且存在較為豐富的遺傳變異。其中棉籽油分的超親優(yōu)勢明顯，可以為后續(xù)的棉花育種工作提供參考。

2.1.2 輪回親本及BC5F3:5纖維品質性狀的描述性統(tǒng)計分析

利用IBM SPSS Statistics 26.0數(shù)據(jù)分析軟件對BC5F3:5的300份樣本進行纖維品質性狀的初步統(tǒng)計和分析（表2、圖2），四個不同環(huán)境下上半部平均長度、馬克隆值、整齊度指數(shù)和伸長率的平均值變化較小，斷裂比強度的平均值變化較大，所有性狀的平均值在不同環(huán)境之間均達到差異顯著水平。各環(huán)境下品質性狀的偏度絕對值均小于1，數(shù)據(jù)呈連續(xù)正態(tài)分布，符合數(shù)量性狀的遺傳特點。五個性狀的變異系數(shù)范圍在1.01% ～ 9.34%之間，說明群體性狀表現(xiàn)已較為穩(wěn)定，其中馬克隆值、斷裂比強度的變異系數(shù)明顯大于其它性狀的變異系數(shù)，極差最大值分別為2.90和12.10 cN/tex，說明群體內部個體間馬克隆值和斷裂比強度的變化幅度較大，含有豐富的遺傳變異。2015年安陽環(huán)境中同時出現(xiàn)了上半部平均長度、馬克隆值、伸長率、斷裂比強度的最小值，但該環(huán)境并未出現(xiàn)任何纖維品質性狀的最大值。上半部平均長度、伸長率的最大值均出現(xiàn)在2016年石河子環(huán)境下，分別為32.85 mm和7.10%；馬克隆值、整齊度指數(shù)的最大值均出現(xiàn)在2015年石河子環(huán)境下，分別為5.8和85.7%。

表2 BC5F3:5纖維品質性狀的描述性統(tǒng)計分析

圖2 BC5F3:5群體纖維品質性狀表型值頻率分布圖

2.2 不同環(huán)境下棉籽營養(yǎng)成分含量與纖維品質性狀的相關分析

棉籽中主要營養(yǎng)成分含量與棉花纖維品質性狀的基因型的方差分析結果（表3）表明，不同性狀基因型與環(huán)境的P值均小于0.001，說明基因型與環(huán)境對棉花陸海漸滲系BC5F3:5群體的棉籽主要營養(yǎng)成分含量及棉花纖維品質性狀有極顯著的影響。基因型之間、環(huán)境試點間的F值均大于在相應顯著水平下的臨界值F crit，即差異達到極顯著水平。棉籽主要營養(yǎng)成分含量、纖維品質性狀的表現(xiàn)是基因型和生態(tài)環(huán)境共同作用的結果，性狀遺傳相對穩(wěn)定，影響基本表現(xiàn)為環(huán)境大于基因型，故群體表型變異受環(huán)境影響較大。

表3 BC5F3:5群體各性狀方差分析

2.3 BC5F3:5群體各性狀方差分析

利用IBM SPSS Statistics 26.0分析軟件對棉籽2種營養(yǎng)成分含量與纖維品質性狀的相關性進行分析，結果列于表4。由表4可以看出，2015年安陽、2016年安陽、2015年石河子、2016年石河子四個環(huán)境下棉籽油分與蛋白質含量均呈極顯著負相關，與前人研究一致[9-11]。分析棉籽油分、蛋白質等營養(yǎng)品質性狀與棉花纖維品質性狀的遺傳相關性，對指導棉籽品質育種和棉花纖維品質的改良具有重要參考價值。四個環(huán)境下棉籽油分與其它所有性狀均呈顯著負相關或負相關，故同時提高棉籽油分與其他品質性狀來說難度較大。纖維品質性狀之間，斷裂比強度與上半部平均長度、長度整齊度指數(shù)均呈極顯著正相關，馬克隆值與上半部平均長度、斷裂比強度均呈極顯著負相關或顯著負相關，其余棉花纖維品質各性狀之間均呈顯著正相關或極顯著正相關，與陳嬌等研究結果一致[11]。明確這些性狀間的本質關系，可對后期棉籽油分含量等性狀的QTL研究奠定基礎。

表4 各環(huán)境下BC5F3:5群體棉籽營養(yǎng)成分含量與纖維品質性狀的相關分析

圖3 BC5F3:5群體部分性狀優(yōu)異單株統(tǒng)計圖

表5 BC5F3:5群體部分棉籽主要營養(yǎng)成分含量性狀和纖維品質性狀表現(xiàn)優(yōu)異的單株

2.4 優(yōu)質單株棉籽主要營養(yǎng)成分含量及棉花纖維品質性狀表現(xiàn)

通過對BC5F3:5群體進行評價分析，篩選出20個在四個環(huán)境下油分含量大于等于30%、蛋白含量大于等于40%、斷裂比強度大于等于30cN/tex的性狀表現(xiàn)優(yōu)異的陸海漸滲系單株，通過與親本“中棉所36”對比發(fā)現(xiàn)，挑選出的單株棉籽油分在2015年石河子、2016年石河子、2015年安陽、2016年安陽四個環(huán)境下的各個性狀均優(yōu)于親本。后續(xù)試驗將利用上述選擇的20個優(yōu)質材料，結合常規(guī)選擇育種與分子標記輔助選擇育種，以期對棉花纖維品質與棉籽品質有所改良。

3 結論

本研究結果表明，BC5F3:5群體內遺傳變異較為豐富，遺傳背景基本恢復至輪回親本“中棉所36”。群體棉籽油分與蛋白質含量的超輪回親本比例在35.49%～76.00%之間。簡單相關分析結果表明，四個環(huán)境下棉籽油分含量與各纖維品質性狀均呈負相關，棉籽蛋白質含量與各纖維品質性狀均呈負相關，馬克隆值與上半部平均長度、斷裂比強度均呈極顯著負相關或顯著負相關，其余棉花纖維品質各性狀之間均呈顯著正相關或極顯著正相關。不同環(huán)境對棉籽中蛋白和油分含量、棉花纖維品質性狀的影響均達到極顯著水平，環(huán)境是影響表型變異的主要因素。

結合上述分析結果，從群體中挑選綜合性狀優(yōu)良，棉籽油分含量、蛋白質含量與棉花纖維品質均表現(xiàn)突出的20個單株用于進一步研究。研究結果為棉花種子品質改良提供了理論基礎，并可為棉籽的綜合利用和棉花生產提供了有益的借鑒。

4 討論

棉籽是全球主要的天然初級食用植物油的原料，棉籽中油分含量可達35%～45%，棉籽油中含有大量人體所必需的脂肪酸，可作為生活食用油或生產生物柴油。蛋白質是棉仁中重要的營養(yǎng)成分，陸地棉中蛋白質含量約占棉籽重的20%，占棉仁重的30%～35%，棉籽食用蛋白質中的總含硫氨基酸比大豆高68%[9]。棉花的育種主要目標是高產和優(yōu)質[28]，隨著棉籽油分等在國民經(jīng)濟地位中的日漸提高，同步改良棉籽質量、棉花產量與纖維品質成為育種工作者的重要研究方向。含有優(yōu)異基因的染色體片段代換系可用于作物聚合育種和分子設計育種[29-30]。本研究使用的棉花染色體片段代換系BC5F3:5以陸地棉“中棉所 36”為受體親本，高油海島棉“Hai 1”為供體親本進行多代回交自交所得。以陸地棉為遺傳背景構建海島棉染色體片段代換系，能克服陸海種間育種的遺傳累贅和雜交不育等系列問題[31]，實現(xiàn)海島棉優(yōu)異性狀基因向陸地棉漸滲，為棉花聚合育種和分子設計育種創(chuàng)制豐富的材料[25]。

BC5F3:5群體各性狀平均值和輪回親本“中棉所36”接近，初步說明該代換系群體遺傳背景與“中棉所36”基本一致?！爸忻匏?6”性狀表現(xiàn)相對穩(wěn)定，而BC5F3:5群體棉籽成分含量等性狀變異幅度相對較大，變異系數(shù)位于1.6%～5.95%之間。蛋白質和油分含量在該群體中存在較大的遺傳變異，且二者之間呈負相關關系。四個環(huán)境下棉籽油分與各纖維品質性狀均呈負相關，在2015、2016兩個不同年份河南安陽環(huán)境下，棉籽油分含量與上半部平均長度、整齊度指數(shù)、斷裂比強度均呈極顯著負相關。在2015年安陽、2015年石河子、2016年安陽環(huán)境下，棉籽蛋白含量均與整齊度指數(shù)、馬克隆值呈極顯著正相關。四個環(huán)境下，馬克隆值與上半部平均長度、斷裂比強度均呈極顯著負相關或顯著負相關，其余棉花纖維品質各性狀之間均呈顯著正相關或極顯著正相關。群體內部存在豐富的遺傳變異，并且存在品質性狀表現(xiàn)優(yōu)異的單株。方差分析結果也為調控棉籽油分和蛋白成分含量、棉花纖維品質性狀提供了參考依據(jù)，我們可以通過調控環(huán)境因素來提高或降低棉籽及棉花其他性狀的表現(xiàn)，以達到精準育種的目標。

由于氣候條件、土壤環(huán)境、土壤養(yǎng)分等因素的差別，不同地區(qū)、不同年份下棉籽主要營養(yǎng)成分含量、棉花纖維品質等性狀差別較大且相關性不一，品質表現(xiàn)及性狀的穩(wěn)定性也存在差異。進行棉籽各品質性狀間及棉籽品質性狀與棉纖維品質性狀的相關性研究，可明確各性狀間遺傳相關關系，可根據(jù)相關關系選擇改良其它性狀而間接改良目標性狀，進而提高育種選擇效率，對開展目標材料的篩選和棉花分子育種利用具有重要意義。

本研究結合四個環(huán)境下不同的棉籽成分含量表型數(shù)據(jù)，篩選出了在四個環(huán)境下棉籽油分均表現(xiàn)良好的20個優(yōu)質材料，由于相關性分析得知棉籽油分等含量性狀與纖維品質性狀呈負相關，故運用常規(guī)育種方法對棉籽油分含量性狀與纖維品質性狀的同步改良是有限的。為了提高棉花的生產利用價值，在棉花育種中既要改善提高纖維品質，也應把棉籽油分含量、蛋白質含量等性狀改良作為棉花育種的目標。后續(xù)試驗將利用上述選擇的20個優(yōu)質材料，進行分子標記輔助選擇育種，以期望棉籽營養(yǎng)品質含量與棉花纖維品質均得到提升，達到二者同步改良的目的。