棉花陸海漸滲系BC4F3:5 群體棉籽營養品質及大小相關性狀遺傳分析

欒玉娟，劉小芳，白冰楠，喬 丹，盧全偉2,， 郭金英

（1.河北工程大學，河北 邯鄲 056000；2.安陽工學院，河南 安陽 455000；3.中國農業科學院棉花研究所，河南 安陽 455000）

0 引言

棉花（Gossypium spp.）是重要的纖維和油料經濟作物[1-3]。棉仁中油分及蛋白質等營養物質含量較高，在動物飼料加工及生物能源等方面都非常有用[4]。在棉花育種中，關注較高的皮棉百分比無意中導致種子大小或質量關注較少，從而影響棉籽品質，進而降低棉花的發芽率、出苗率及生長發育過程中的抗性，最終影響棉花的纖維產量和品質[5-6]。因此，在研究棉花纖維產量和纖維品質的同時，需要改良和培育優質棉籽性狀以獲得高棉花產量并增加經濟效益，從而實現二者同步遺傳改良。

棉籽成分含量的相關研究為棉籽性狀的同步改良提供了基礎[7]。棉籽榨油后的棉仁粉中，蛋白質含量為45%～50%，此外棉仁中含油量約為30%～40%，棉籽中含有豐富的脂肪酸組分，主要包括57%的亞油酸（C18:2）、26%的棕櫚酸（C16:0）、1%的肉豆蔻酸（C14:0）以及其他微量脂肪酸，如亞麻酸（C18:3）和棕櫚油酸（C16:1）等[8]。這些脂肪酸以其潛在的健康益處而聞名，包括降低患心臟病等疾病的風險和改善胰島素敏感性[9]。除此之外，棉籽油中高水平的飽和脂肪酸，使其具有較高的氧化穩定性和高熔點，成為加工休閑食品和各種糖果應用中的“隱形油”[10]。因此，隨著市場需求的快速增長和消費者對油品質需求的不斷提高，提高棉籽油含量和改良脂肪酸組成已成為棉花育種的重要任務之一。有研究表明，油分含量與蛋白質含量顯著負相關[10]。Down等研究發現，油酸、棕櫚酸含量與亞油酸含量呈現顯著的負相關性，且其中各種脂肪酸含量的變異主要來自基因型與環境的互作效應[11]。這些結果證明棉籽脂肪酸受多種因素影響[3]。

一般來說，體積和質量越大的棉籽貯藏物質含量越高，活力越強[3]。種子大小是重要的農藝性狀之一，受內部和外部信號復雜發育過程的調控，與小種子相比，大種子的關鍵優勢是對非生物脅迫的耐受性，極大地影響作物的產量[12-13]。王笑穎等通過對種子大小對棉花幼苗生長影響的研究表明，種子大的植株比種子小的植株表現出更好的性狀，大種子比小種子具有更多的養分積累，這可能會影響種子的萌發，甚至影響植物的生長發育[14]。影響種子大小的因素有很多，包括遺傳因素、環境及基因型和環境的相互作用[15]。

陸地棉是世界上栽培最為廣泛的棉種之一，具有纖維長、韌度強等特點，棉仁中含油量約為30%～40%[16]；海島棉主要在全國熱帶地區廣泛栽培，其棉纖維屬于長絨棉之一；除此之外，二者在棉籽大小方面和棉籽營養品質方面也有差異，海島棉的棉籽油分通常高于陸地棉。近年來，染色體片段代換系(Chromosome Segment Substitution Lines，CSSLs)在棉花纖維品質性狀相關研究中的應用愈加廣泛[17]，但利用CSSLs 對棉籽大小及棉籽油分相關指標的研究少有報道。

課題組前期以纖維優質且抗黃萎病的海島棉“Hai1”作為供體親本，以高產的陸地棉中晚熟品種“中棉所45”為輪回親本，經過雜交以及高代回交，構建了一套具有陸地棉背景并漸滲有海島棉基因的染色體片段代換系（BC4F3:5），群體大小為332[18]。本研究以這套陸海染色體片段代換系為材料，研究在5 個不同生態環境下其棉籽大小、油分及蛋白質等營養品質含量的變化，分析環境對棉籽種子品質的影響，篩選5 個環境下種子品質優異的單株，以期為棉籽營養品質的改良與利用提供參考，為推進棉籽形狀大小和品質遺傳的分子調控機理研究，進一步進行數量性狀粒點（QTL）定位和培育品質優異的棉花奠定基礎[19-20]。

1 材料與方法

1.1 陸海漸滲系BC4F3:5 材料來源

陸海染色體片段代換系在2011 年分別種植 于 新 疆 庫 爾 勒（北 緯35°33'～43°26，東 經82°38'～93°45'）和河南安陽（北緯 35°41'～36°21'，東經 113°38'～114°59'），在2014 年分別種植于新疆庫爾勒和河南周口（北緯33°03'～34°20′，東經114°05'～115°39'），在2015 年種植于河南周口的中棉所試驗基地。單株成行，行長3 m，行距0.8 m，株距0.4 m，按照株行在成熟期收取30 個正常吐絮的棉鈴，自然條件下進行風干，然后利用皮輥軋花機對相關材料進行纖維與種子的分離，收獲的種子經硫酸脫絨、洗凈并自然風干至質量恒定。

1.2 供試群體棉籽相關性狀的測定

選取飽滿、健康的棉籽30～50 粒，利用MiraScan 6.3 快掃王種子掃描儀對棉籽進行掃描，其中圖像類型選擇彩色，輸出尺寸為210mm*297 mm，分辨率為200 dpi，對比度為60，亮度和飽和度為0；隨后通過smartgrain 軟件對圖像進行分析，設置如下參數 ：選取選取背景顏色 （picked color background）、樣品顏色〔picked color（seed）〕、 芒 剔 除 閾 值（set threshold for awn removal）、精確度（accuracy of seed detection）以及分辨率（set scale）。分析模式選擇批量分析（batch analysis）。獲得粒型相關的指標數據，具體性狀包括棉籽的面積(area size,AS）、周長(perimeter length,PL)、長度(length,L)、寬 度(width,W)、 圓 度(circularity,CS)、 長 寬 比(length-to-width ratio,LWR)[19-21]。選取飽滿、健康的棉籽100 粒用于棉籽成分測量，使用瑞典波通公司多功能近紅外谷物分析儀 DA7200 進行棉籽成分測量，具體性狀包括棉籽的棕櫚酸（C16:0）、亞油酸（C18:2n-6）、亞麻酸（C18:3n-3）、總油分（oil content, OC）、總蛋白（protein content,PC），選擇經測試改良的產品模型Cotton2023.prj，在波長為950～1 650 nm 的近紅外光譜范圍內，每隔5 nm 采集反射強度（R），每樣品重復測定2 次，每次裝樣掃描后旋轉90°再掃描1 次，即每個樣品共獲得4 份光譜數據，取每個樣品的光譜測定平均值[22]。

1.3 供試群體棉籽性狀數據分析

采用Microsoft Excel 2019 軟件對供試群體棉籽相關性狀的平均值、變異系數、最大值、最小值、標準差、偏度、峰度等進行描述統計分析；同時采用IBM SPSS Statistics 27.0、 Origin 2022 軟件進行上述性狀間的相關性分析，采用Ici Mapping 進行上述性狀間的方差分析。

2 結果與分析

2.1 BC4F3:5 群體棉籽性狀分析

2.1.1 輪回親本及BC4F3:5群體棉籽大小相關性狀分析

利用IBM SPSS Statistics 27.0 數據分析軟件對輪回親本“中棉所45”、BC4F3:5群體的棉籽形狀大小相關性狀進行描述性統計分析，結果（表1）表明，5 個環境下BC4F3:5群體的變異系數大小存在不同差異，整體為3.57%～10.13%。其中籽粒面積的變異系數最大，說明存在大量的遺傳變異，而籽粒周長、粒長、粒寬則相對較穩定。

棉籽粒長與面積性狀值在5 個不同環境下均超過了超輪回親本，性狀表現優異。籽粒周長除了2011 年安陽環境下均低于輪回親本，籽粒寬度除了2014 年新疆環境和2015 年周口環境下均高于輪回親本或與輪回親本相同，表明該群體內部之間仍存在較為豐富的遺傳變異。

通過分析供試群體棉籽大小相關性狀發現，群體內部各性狀的表型數據值仍然存在較大的波動，籽粒面積的極差最大值出現在2015 年周口環境下，為20.91 mm2，籽粒面積的平均值分布在28.41 mm2～34.56 mm2，其中2014 年周口環境的籽粒面積最大，顯著高于其他4 個環境，2011年安陽環境的籽粒面積最小，顯著低于其他環境，表明該群體在各環境之間存在顯著差異；籽粒周長的極差最大值出現在2014 年新疆環境下，為5.65 mm，各環境BC4F3:5群體中的平均周長為21.74 mm～23.46 mm，其中2015 年周口環境的周長最大，2011 年安陽環境的周長最小。2015 年周口環境的周長與其他環境差異較大，顯著高于大多數環境，僅與2014 年周口環境之間差異不顯著。2011 年安陽環境下的籽粒周長顯著低于其他環境；各環境BC4F3:5群體中的平均粒長為8.24 mm～8.97 mm，其中2015 年周口和2014 年周口2 個環境的粒長顯著高于其他3個環境， 2011 年安陽環境的粒長顯著低于其他4 個環境。各環境BC4F3:5群體的平均粒寬為4.68 mm～5.17 mm，其中2014 年周口環境的粒寬值最大，2011 年新疆環境的粒寬值最小，顯著低于其他4 個環境；籽粒長寬比的極差最大值出現在2011 年安陽環境下，變異系數為3.57%～3.90%，表明該性狀群體內部存在豐富的遺傳變異，其中2011 年新疆和2015 年周口環境的長寬比值顯著高于其他3 個環境，表明該性狀在各環境之間存在顯著差異。

除此之外，5 個性狀均呈連續分布且分布范圍較廣，偏度絕對值都小于1，表明采集到的各性狀整體呈現正態分布，不同年份間分布趨勢基本一致，表明棉籽性狀由多基因控制，符合數量性狀的遺傳特點。

2.1.2 BC4F3:5群體棉籽營養成分相關性狀分析

利用IBM SPSS Statistics 27.0 數據分析軟件對輪回親本“中棉所45”與BC4F3:5群體的棉籽營養成分含量進行描述性統計分析（表2），結果表明，5 個環境下BC4F3:5群體棉籽蛋白質含量和油分含量的變異系數整體位于6.94%～9.97%，表明該群體內部存在豐富的遺傳變異，此外，與棉籽營養品質相關的另外3 個性狀，其變異系數最大值均出現在2011 年安陽環境下，分別為16.7%、3.60%、13.30%，表明3 個性狀在該環境下仍存在較為豐富的變異；且5 個性狀變異系數最小值均出現在2014 年新疆環境下，分別為8.69%、6.94%、6.13%、1.90%、8.55%，表明5 個性狀在該環境下的品質表現較穩定。

表2 BC4F3:5 群體棉籽營養成分相關性狀統計分析表

BC4F3:5群體的棉籽油分含量在各環境下的均值均低于輪回親本“中棉所45”，蛋白質含量性狀的均值均高于輪回親本。但通過分析供試群體棉籽油分、蛋白質性狀發現，群體內部各性狀的表型數據值仍然存在較大的波動，油分與蛋白質含量的極差最大值均出現在2011 年安陽環境下，分別為21.86%、18.71%，顯著高于其他4 個環境，5 個環境下棉籽油分含量的平均值為29.49%～31.86%；其中2015 年周口環境的油分含量最低，2011 年安陽環境的油分含量顯著高于其他4 個環境，各環境棉籽蛋白質含量的均值為32.94%～34.78%，其中2015 年周口環境的蛋白質含量最高，2011 年安陽環境的蛋白質含量最低，且顯著低于其他4 個環境。

通過分析供試群體棉籽營養品質相關性狀發現，群體內部脂肪酸相關的表型數據值仍然存在較大的波動，棕櫚酸、亞油酸和亞麻酸含量的極差最大值均出現在2011 年安陽環境下，分別為15.43%、18.67%、0.16%，表明這3 個性狀在該環境下的變異幅度較其他環境大。其中，5 個環境下棕櫚酸含量的平均值為14.44%，亞油酸含量的平均值為62.80%，亞麻酸含量的平均值為0.14%，棕櫚酸含量在各環境下的均值均低于輪回親本“中棉所45”，亞麻酸含量的均值均高于或與輪回親本相同。各環境棕櫚酸含量為13.10%～16.63%，其中2011 年新疆環境下的亞油酸和亞麻酸的含量最低，棕櫚酸含量最高。2014年周口環境的棕櫚酸含量最低，顯著低于其他4個環境，變異系數分布在6.13%～12.06%，存在豐富的遺傳變異。

綜上所述，棉籽營養成分相關性狀在5 個不同環境下的偏度絕對值都小于1，均呈連續分布且范圍較廣，表明采集到的各性狀整體呈現正態分布，符合數量性狀的遺傳特點。群體中仍存在較為豐富的變異，可為后續的棉花育種工作提供參考。

2.2 不同環境下棉籽營養成分含量與棉籽大小各性狀的相關分析

利用IBM SPSS Statistic 26.0 分析軟件對棉籽5 個不同環境下的10 個性狀的相關性進行分析（表3）。由表3 可以看出，棉籽大小相關性狀之間及油分、蛋白、棕櫚酸、亞油酸、亞麻酸含量之間存在顯著相關性。2011 年新疆、2011 年 安 陽、2014 年新疆、2014年周口、2015 年周口5 個環境下BC4F3:5群體棉籽油分與蛋白質含量均呈極顯著負相關，相關系數分別為-0.974、-0.953、-0.972、-0.917、-0.905，說明同時提高棉籽中油分與蛋白質含量難度較大，與前人研究結果[10]一致。其他與大小相關的5 個性狀間存在極顯著正相關性，可為棉籽品質育種及改良提供重要的參考價值。

表3 BC4F3:5 群體棉籽大小與營養品質相關性狀的相關性

表3（續）

通過分析棉籽油分、蛋白質等營養品質相關性狀與棉籽大小相關性狀的遺傳相關性，發現在2011 年安陽、2011 年新疆、2014 年新疆、2014年周口、2015 年周口5 個環境下，營養品質與粒寬之間的相關系數未達到顯著水平。棉籽棕櫚酸與油分含量呈顯著正相關。相關系數分別為0.504、0.280、0.443、0.267、0.380；與蛋白呈顯著負相關，相關系數分別為-0.534、-0.412、-0.504、-0.507、-0.611，表明油分含量的提高與棕櫚酸含量增加有關，而亞油酸與油分呈顯著負相關，相關系數分別為-0.741、-0.545、-0.609、-0.489、-0.440，說明減少亞油酸的含量，有利于提高油分的含量；亞麻酸與棕櫚酸呈極顯著負相關，相關系數分別為-0.610、-0.702、-0.553、-0.736、-0.816，亞麻酸與亞油酸呈極顯著正相關，相關系數分別為0.765、0.767、0.765、0.833、0.857，說明增加亞麻酸的含量，可促進棕櫚酸含量的提高，同時增加亞油酸的含量。且同一性狀在不同環境間的相關性較顯著，表明可以獲得不同環境下共同關聯的QTL 位點，明確這些性狀之間的本質關系，為后期棉籽大小及營養品質含量相關性狀的QTL 研究奠定基礎。

2.3 不同環境下棉籽營養成分含量與棉籽大小各性狀的方差分析

棉籽中5 種營養成分及2 個大小相關性狀的基因型、環境效應的方差分析結果（表4）表明，不同性狀基因型與環境的P 值均小于0.001，說明基因型、環境對棉花種子的的粒長、粒寬、油分、蛋白質、棕櫚酸、亞油酸、亞麻酸均有極顯著的影響。

基因型間、環境間的F 值均達到極顯著水平。基因型對棕櫚酸含量影響達極顯著水平，環境對棕櫚酸含量影響也達極顯著水平，但基因型和環境互作卻對棕櫚酸含量影響不顯著；基因型對亞油酸、亞麻酸含量有極顯著影響，環境對亞油酸、亞麻酸含量也有極顯著影響，而基因型和環境互作沒有達到顯著水平。從各變異來源的平方和占總變異平方和的百分比來看，粒長主要由基因型決定，粒寬受環境影響較大，說明籽粒大小受基因型和環境共同作用影響。基因型、環境、基因型×環境三者棉籽含油量產生的平方和分別占總平方和的55.70%、6.68%、21.32%，表明該群體中油分含量主要由基因型決定，環境影響較小；同樣，蛋白質含量在三者產生的平方和分別占總平方和的54.87%、6.39%、20.42%，故該群體中蛋白質含量也主要由基因型決定，環境影響較小。

3 討論

棉籽中的蛋白質、油分等營養物質都是人類及牲畜所必需的，蛋白質不足會導致各種健康問題，且與棉籽大小有關[18]。有學者研究表明，種子較大的植物會含有更多的營養物質，且對種子的發芽及植物的生長發育有所影響[23]。有研究表明，種子大小是一個至關重要的性狀，與產量和萌發有關[13]。柯會鋒等利用419 份具有代表性的自然群體，通過鑒定棉籽大小和形狀相關性狀發現，粒長、粒寬、長寬比、面積和周長5 個性狀在供試群體內存在較大的遺傳變異，同時發現，同一性狀在不同年度間的相關系數較高，表明可獲得不同年度間共同關聯的分子標記[4]。Wang 等研究發現百粒重、十粒長、十粒寬、油含量等6個性狀在3 個環境下的偏度絕對值均小于1.0，除籽粒長度外，各性狀與籽粒產量呈正相關，其余性狀均呈極顯著相關，且蛋白質含量與其他指標呈顯著負相關[6]。本研究結果也證明棉籽大小相關性狀在5 個環境下呈正態分布，符合數量性狀的特點，且蛋白含量與籽粒大小相關性狀呈負相關，這與前人研究結果[6]一致。隨著棉籽油分等營養品質相關性狀在國民經濟中地位逐漸提高，同步改良棉籽品質、棉花產量是育種工作者的重要研究方向[24]。

本研究BC4F3:5群體中棉籽成分含量等性狀變異幅度相對較大，變異系數為1.90%～16.7%。其中，蛋白質和油分含量在該群體中存在較大的遺傳變異，其變異系數位于6.94%～9.97%，且二者之間呈負相關。3 種脂肪酸含量在該群體中也存在較大的遺傳變異，變異系數為1.90%～16.7%，5個環境下棉籽油分含量與棕櫚酸呈正相關，與亞麻酸、亞油酸及長寬比之間呈負相關；棉籽蛋白質含量與油分、籽粒面積、籽粒寬度呈負相關，其余棉籽大小各性狀間呈顯著正相關。群體內部存在豐富的遺傳變異，且存在品質性狀優異的單株。相關分析和方差分析結果表明，棉籽大小相關性狀及油分含量等營養品質性狀受基因型和環境共同影響，為調控棉籽油分和蛋白質含量、棉籽大小相關性狀提供了參考依據，這些結果代表了棉花大多數種子物理性狀遺傳基礎的研究，后續應與棉花衣分、產量及油分方面結合起來，將有助于為培育優質高油高產的棉花奠定基礎。

本研究結合5 個環境下棉籽成分及大小相關性狀的表型數據，利用相關分析得知棉籽油分等性狀與籽粒寬度性狀呈正相關，故為了提高棉花的生產利用價值，在棉花育種中應該把棉籽油分含量、蛋白質含量等營養品質性狀改良作為目標。利用方差分析結果得知棉籽油分及蛋白質含量受基因型影響較大，受環境影響較小，后續試驗將利用該表型數據，結合簡單序列重復（SSR）分子標記的基因型數據，進行QTL 定位，篩選穩定QTL，以期望棉籽大小與棉籽營養品質含量均得到提升，達到二者同步改良的目的。

4 結論

本研究結果表明，BC4F3:5群體內遺傳變異較為豐富，相關分析結果顯示，5 個環境下的棉籽油分含量與蛋白含量、亞麻酸、亞油酸呈顯著負相關，說明同時提高油分與蛋白含量難度較大；油分含量與棕櫚酸呈顯著正相關，亞麻酸與亞油酸之間呈顯著正相關，說明亞麻酸含量的改良可同時提高亞油酸的含量；棉籽蛋白質含量與籽粒寬度呈負相關；5 個環境下棉籽面積、周長、粒長、粒寬性狀間呈顯著正相關，說明籽粒大小之間可同步改良。方差分析結果表明，基因型和環境對3 種脂肪酸的影響達極顯著水平，但二者互作的對脂肪酸影響卻未達到顯著水平，基因型、環境及兩者互作對棉籽中蛋白和油分含量的影響均達到極顯著水平，對粒長和粒寬的影響也達到極顯著水平。由此可見，棉籽主要營養成分含量的表現是基因型和生態環境共同作用的結果，研究結果可為棉花種子品質改良提供理論基礎，為棉籽的綜合利用提供借鑒。