棉花現(xiàn)代品種資源產(chǎn)量與纖維品質(zhì)性狀鑒定及分子標(biāo)記評(píng)價(jià)

柯會(huì)鋒 蘇紅梅 孫正文 谷淇深 楊 君 王國寧 徐東永王洪這 吳立強(qiáng) 張 艷 張桂寅 馬峙英 王省芬

1 華北作物改良與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 河北省作物種質(zhì)資源實(shí)驗(yàn)室 / 華北作物種質(zhì)資源研究與利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 / 河北農(nóng)業(yè)大學(xué), 河北保定 071001; 2 河間市國欣農(nóng)村技術(shù)服務(wù)總會(huì), 河北河間 062450

棉花是紡織工業(yè)天然原料, 是世界重要經(jīng)濟(jì)作物, 對國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義[1]。據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示, 2014—2019 年以來, 棉花價(jià)格走低,植棉效益低, 隨之導(dǎo)致植棉面積不斷減少, 棉花總產(chǎn)下降, 2020 年, 國際棉花的種植面積和生產(chǎn)總量亦有下降[2]。我國作為棉花的最大進(jìn)口國, 總產(chǎn)量不足以滿足國內(nèi)市場對棉花的消費(fèi)需求, 近幾年的進(jìn)口量占國際棉花進(jìn)口總量的占比高于 20%,2021—2022 年, 我國棉花進(jìn)口量達(dá)218 萬噸, 占比達(dá)到22%[3]。

隨著世界經(jīng)濟(jì)的增長和居民消費(fèi)水平的提升,國際棉花的消費(fèi)總量呈穩(wěn)中有增的趨勢, 國際棉花市場供需處于緊平衡狀態(tài), 且近幾年消費(fèi)量普遍高于生產(chǎn)量, 雖然我國新疆長絨棉屬世界頂級(jí), 但整體來看國內(nèi)棉花的纖維品質(zhì)參差不齊[4]。而且, 隨全球人口持續(xù)增長、地球變暖等環(huán)境因素導(dǎo)致的生物脅迫和非生物脅迫等問題引發(fā)的糧食危機(jī)對農(nóng)作物生產(chǎn)造成很大影響, 加之種植棉花效益低, 使得棉糧爭地問題日益突出[5-6]。因此, 培育產(chǎn)量高、纖維長、強(qiáng)度適中、細(xì)度好的棉花新品種, 已成為滿足市場多樣化消費(fèi)需求、確保國家棉花產(chǎn)業(yè)安全以及提高棉農(nóng)植棉效益有效手段[7]。

棉花育種工作的突破直接取決于優(yōu)異種質(zhì)資源的發(fā)掘、評(píng)價(jià)和有效利用, 而種質(zhì)資源鑒定評(píng)價(jià)也一直是基礎(chǔ)性、連續(xù)性和必要性研究工作。近些年來, 隨著棉花種植區(qū)域調(diào)整、氣候條件變化、育種目標(biāo)改變以及新資源、遺傳材料不斷產(chǎn)生, 急需對這些資源進(jìn)行系統(tǒng)、精準(zhǔn)鑒定, 實(shí)現(xiàn)種質(zhì)資源和遺傳育種的相互銜接, 推動(dòng)種質(zhì)資源高效利用, 這對于棉花育種、基礎(chǔ)研究、種業(yè)發(fā)展和棉花生產(chǎn)具有重要現(xiàn)實(shí)意義。為此, 本研究對課題組收集的來自我國三大棉區(qū)(長江流域棉區(qū)、黃河流域棉區(qū)和西北內(nèi)陸棉區(qū))的現(xiàn)代棉花品種資源進(jìn)行產(chǎn)量和纖維品質(zhì)性狀鑒定, 同時(shí)結(jié)合KASP 和SSR 標(biāo)記技術(shù)對種質(zhì)資源進(jìn)行分子水平遺傳多樣性研究, 旨在明確供試材料遺傳特征和遺傳多樣性, 篩選具有特異性狀或綜合性狀優(yōu)良的種質(zhì)資源, 研究結(jié)果將為棉花新品種培育提供優(yōu)良親本, 為挖掘優(yōu)異基因提供基礎(chǔ)材料。

1 材料與方法

1.1 供試棉花材料

以課題組收集的來自我國長江流域棉區(qū)、黃河流域棉區(qū)和西北內(nèi)陸棉區(qū)主要植棉省份近10 余年育成的141 份棉花品種資源為材料, 具體包括黃河流域棉區(qū)99 份、長江流域棉區(qū)18 份、西北內(nèi)陸棉區(qū)24 份材料(表1)。

表1 供試棉花品種資源及其地理來源Table 1 The upland cotton varieties and their geographic origins in the present study

1.2 試驗(yàn)方法

供試棉花品種資源于2021—2022 年分別種植于河北保定河北農(nóng)業(yè)大學(xué)作物育種中心試驗(yàn)基地與海南三亞南濱育種試驗(yàn)基地, 完全隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),行長6 m, 行距0.76 m, 株距0.3 m, 3 次重復(fù), 管理措施與一般大田管理基本相同。

1.2.1 供試棉花品種資源產(chǎn)量性狀測定 參照杜雄明等[8]編著的《棉花種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》, 在供試材料吐絮期分別收獲20 個(gè)中部果枝吐絮肥暢的棉鈴, 晾干軋花后進(jìn)行室內(nèi)考種, 考查項(xiàng)目包括單鈴重(boll weight, BW)、子指(seed index,SI)、衣分(lint percentage, LP)和衣指(lint index, LI),其中衣指按照公式LI = (SI×LP)/(1–LP)進(jìn)行計(jì)算。

1.2.2 供試棉花品種資源纖維品質(zhì)性狀測定 每份品種資源分別取15 g 皮棉進(jìn)行纖維品質(zhì)測定, 具體包括纖維長度(fiber length, FL)、斷裂比強(qiáng)度(fiber strength, FS)、馬克隆值(fiber Micronaire value, FM)、整齊度(fiber uniformity, FU)和伸長率(fiber elongation ratio, FE)。首先將皮棉纖維樣品放在恒溫恒濕(20 ℃ ±2 ℃, RH 65%±3%)實(shí)驗(yàn)室平衡48 h, 然后利用HVI1000 纖維品質(zhì)測定儀進(jìn)行品質(zhì)測定, 具體測定交由安徽棉花品質(zhì)測試中心統(tǒng)一完成。

依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NY/T1426-2007《棉花纖維品質(zhì)評(píng)價(jià)辦法》[9]關(guān)于優(yōu)質(zhì)棉的定義, 將優(yōu)質(zhì)棉分為5 檔(1A～5A)。

1.2.3 供試棉花品種資源SSR 與KASP 標(biāo)記檢測

首先參照Paterson 等[10]報(bào)道的CTAB 方法提取棉花DNA, 紫外分光光度計(jì)檢測DNA 濃度和純度(OD260/OD280= 1.8～2.0), 去離子無菌水稀釋到15～50 ngL–1, 利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA質(zhì)量。隨后, 為提高標(biāo)記檢測效率, 本研究利用前人已報(bào)道的多態(tài)性高、穩(wěn)定性好的棉花SSR 核心引物[11]以及本課題組篩選的多態(tài)性高、穩(wěn)定性好的SSR 引物, 總共56 對, 對供試品種資源進(jìn)行標(biāo)記檢測以及遺傳多樣性分析, 這些SSR 引物位于棉花A 亞組的所有染色體以及D 亞組的3 號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào)、7 號(hào)、8 號(hào)、9 號(hào)、10 號(hào)、11 號(hào)和12 號(hào)染色體。

利用課題組前期開發(fā)的32 個(gè)棉花纖維長度和斷裂比強(qiáng)度 KASP 標(biāo)記對棉花品種資源進(jìn)行檢測(表2), 檢測過程于LGC SNPline 384 基因分型檢測平臺(tái)進(jìn)行, 具體參考課題組報(bào)道方法[12]。其中,KASP 檢測反應(yīng)體系為3.04L, 包括1.5L 模板DNA、1.5L 的1×KASP 反應(yīng)混合液以及0.04L引物混合物。擴(kuò)增程序?yàn)? 94℃預(yù)變性15 min; 10 個(gè)循環(huán)的降落PCR (94℃變性20 s, 61 ℃, 0.6℃降落/循環(huán), 60 s); 26 個(gè)循環(huán)的擴(kuò)增(94 ℃ 20 s, 55 ℃ 60 s)。擴(kuò)增過程在Hydrocycler PCR 儀進(jìn)行, 擴(kuò)增結(jié)束后,利用StepOne Software version 11.1 進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取和分析。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理方法 利用Microsoft Excel 2010軟件計(jì)算各性狀的平均值、變幅、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)和遺傳多樣性指數(shù), 其中遺傳多樣性指數(shù)采用Shannon’s 信息多樣性指數(shù)(H')進(jìn)行計(jì)算,H'= –∑PilnPi,Pi表示不同性狀第i級(jí)別出現(xiàn)的頻率, 根據(jù)平均數(shù)(X)和標(biāo)準(zhǔn)差()將每個(gè)性狀分為10 級(jí), 第1 級(jí)≤(X–2), 第10 級(jí) > (X+2), 中間每級(jí)相差0.5[13]。利用SPSS 25.0 軟件進(jìn)行相關(guān)分析, 利用R 語言分析軟件進(jìn)行方差分析, 利用TBtools 軟件的平方和歐式距離法對性狀進(jìn)行聚類分析。

依據(jù)SSR 擴(kuò)增產(chǎn)物電泳位置統(tǒng)計(jì)條帶, 有帶記為1, 無帶記為0[14]; 所有數(shù)據(jù)均讀取并核對2 遍,確保準(zhǔn)確無誤。以141 份供試品種資源作為分類單元, 每個(gè)SSR 引物作為1 個(gè)位點(diǎn), 每一擴(kuò)增條帶作為1 個(gè)性狀, 利用NTSYSpc 2.1 軟件計(jì)算相似系數(shù),采用非加權(quán)組算術(shù)平均法(unweighted pair-group method with arithmetic means, UPGMA)對相似系數(shù)矩陣進(jìn)行聚類分析, 并計(jì)算 Simpson 多樣性指數(shù)(polymorphic information content, PIC), 其中PIC 值計(jì)算公式為

式中,k為SSR 標(biāo)記檢測的等位基因數(shù)目,Pi為第i個(gè)等位基因變異出現(xiàn)的頻率[15]。隨后, 根據(jù)KASP標(biāo)記分型結(jié)果, 以參考型(Reference)、突變型(Alternate)和雜合型(Heterozygous)為分類單元, 每一類基因型為1 個(gè)特點(diǎn), 相似系數(shù)算法同SSR 標(biāo)記;利用Origin 軟件對SSR 和KASP 結(jié)果進(jìn)行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 供試棉花產(chǎn)量與纖維品質(zhì)性狀遺傳變異及優(yōu)異種質(zhì)篩選

2.1.1 供試棉花產(chǎn)量與纖維品質(zhì)性狀遺傳變異分析

對供試棉花品種資源2 種環(huán)境條件下的4 個(gè)產(chǎn)量性狀和5 個(gè)纖維品質(zhì)性狀進(jìn)行方差分析發(fā)現(xiàn)(表3),產(chǎn)量性狀的單鈴重、衣分、子指、衣指與品質(zhì)性狀的纖維長度、斷裂比強(qiáng)度、馬克隆值、伸長率和整齊度在不同棉花品種間的差異均達(dá)到極顯著水平,說明品種間的產(chǎn)量與纖維品質(zhì)性狀存在真實(shí)差異。分析供試棉花品種資源4 個(gè)產(chǎn)量和5 個(gè)纖維品質(zhì)性狀的遺傳變異發(fā)現(xiàn)(表3), 單鈴重分布在4.78～7.16 g,平均6.03 g, 超過7 g 的大鈴材料有3 份, 占比2%;衣分分布在 33.83%～43.30%, 平均 40.18%, 超過42%的材料有24 份, 占比17%; 品種子指在8.40～13.04 g 之間, 差異較大, 平均值為10.38 g。4 個(gè)產(chǎn)量性狀中, 以衣指的變異系數(shù)最大(10.09%), 說明衣指具有較大的育種選擇潛力。

表3 供試棉花品種資源產(chǎn)量與纖維品質(zhì)性狀遺傳變異Table 3 Genetic variations on yield and fiber quality traits of cotton varieties

供試品種纖維長度分布在25.63～33.92 mm, 變幅為8.29 mm, 平均值為28.18 mm, 有8 份材料纖維長度超過30 mm, 占比6%, 大多數(shù)材料纖維長度在26～30 mm, 占供試品種87% (表3), 表明供試品種纖維長度雖能滿足紡織工業(yè)需求, 但優(yōu)質(zhì)長纖維材料較少; 斷裂比強(qiáng)度變化范圍在 23.43～38.23 cN tex–1, 平均值為28.77 cN tex–1, 有34 份材料高于30 cN tex–1, 占供試品種24%; 馬克隆值平均為4.88,最小值為3.72, 最大值為5.95, 其中達(dá)到A 級(jí)水平(3.5～5.5)的品種有138 份, 占供試品種98%, 達(dá)到2A 級(jí)水平(3.5～4.9)的有77 份, 占55%, 達(dá)到3A 級(jí)水平的(3.7～4.2)有8 份, 占6%, 而達(dá)到4A 級(jí)水平的(3.5～4.2)有6 份, 占比4%。

供試棉花品種資源9 個(gè)產(chǎn)量與纖維品質(zhì)性狀的遺傳多樣性指數(shù), 分布在1.90～2.08 之間, 平均值為2.01 (表3), 表明供試材料遺傳多樣性較高?；诖?依據(jù)品種資源性狀表現(xiàn), 篩選出大鈴(> 7 g)種質(zhì)3份(冀豐1982、衡棉1670 和遼44), 纖維長度和斷裂比強(qiáng)度均達(dá)到30 的種質(zhì)6 份(新陸中80 號(hào)、魯棉312、衡無1086、K418、新陸中77 號(hào)和新陸中84 號(hào)), 高衣分( > 42%)種質(zhì)24 份(泗棉686、荊棉91、中棉9131和山農(nóng)圣棉1 號(hào)等), 以及2 份同時(shí)在多個(gè)產(chǎn)量性狀與纖維品質(zhì)性狀方面表現(xiàn)較優(yōu)的種質(zhì), 即冀豐1982和衡棉1670 (表4), 這些種質(zhì)資源可用作棉花育種改良的親本。

表4 篩選的2 份綜合性狀優(yōu)異種質(zhì)性狀表現(xiàn)Table 4 Performances of two screening germplasms with multiple superior traits

2.1.2 不同棉區(qū)品種資源產(chǎn)量與纖維品質(zhì)性狀差異分析 供試141 份棉花品種資源分別來自黃河流域棉區(qū)、長江流域棉區(qū)和西北內(nèi)陸棉區(qū), 通過分析不同棉區(qū)之間品種資源的產(chǎn)量與纖維品質(zhì)性狀, 結(jié)果發(fā)現(xiàn)(表5), 不同棉區(qū)品種性狀表現(xiàn)存在較大差異,其中黃河流域棉區(qū)的品種表現(xiàn)為單鈴重高、子指較大,長江流域棉區(qū)的品種資源具有較高的衣分和衣指,而西北內(nèi)陸棉區(qū)的品種則表現(xiàn)為纖維品質(zhì)性狀最優(yōu),其纖維長度、斷裂比強(qiáng)度、馬克隆值、整齊度和伸長率5 個(gè)品質(zhì)性狀的平均值均可達(dá)到優(yōu)質(zhì)棉AA 檔水平,但該區(qū)品種的單鈴重和衣分平均值較低。

表5 不同棉區(qū)品種資源產(chǎn)量和纖維品質(zhì)性狀的比較Table 5 Comparison on yield and fiber quality traits of cotton varieties from different geographical origins

2.1.3 供試棉花品種資源產(chǎn)量與纖維品質(zhì)性狀相關(guān)分析 對供試棉花品種資源4 個(gè)產(chǎn)量性狀和5 個(gè)纖維品質(zhì)性狀進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)(圖1), 9 個(gè)性狀之間存在復(fù)雜相關(guān)關(guān)系, 其中單鈴重與子指、馬克隆值呈極顯著正相關(guān), 與斷裂比強(qiáng)度呈極顯著負(fù)相關(guān);衣分與子指呈極顯著負(fù)相關(guān), 與斷裂比強(qiáng)度呈極顯著負(fù)相關(guān); 纖維長度與斷裂比強(qiáng)度、整齊度、伸長率呈極顯著正相關(guān), 與馬克隆值呈極顯著負(fù)相關(guān);斷裂比強(qiáng)度與整齊度和伸長率呈極顯著正相關(guān), 與馬克隆值呈極顯著負(fù)相關(guān); 整齊度與伸長率呈極顯著正相關(guān)?？梢? 棉花育種中應(yīng)根據(jù)這些性狀間的相關(guān)性, 充分利用其正相關(guān)并加強(qiáng)協(xié)調(diào)其負(fù)相關(guān),才能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量與品質(zhì)性狀同步改良。

圖1 供試棉花品種資源產(chǎn)量與纖維品質(zhì)性狀相關(guān)分析Fig.1 Correlation analysis of yield and fiber quality traits in cotton varieties

2.2 供試品種資源基于表型性狀聚類分析

基于9 個(gè)產(chǎn)量和纖維品質(zhì)性狀對供試141 份品種資源進(jìn)行聚類分析發(fā)現(xiàn)(表6 和圖2), 可將品種劃分為2 個(gè)類群, 即第I 類和第II 類, 其中第II 類又可分為3 個(gè)亞類, 即II-1、II-2 和II-3。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn), 每一類群各有特點(diǎn), 其產(chǎn)量與纖維品質(zhì)性狀存在較大差別, 其中第I 類包含15 個(gè)品種, 大多來源西北內(nèi)陸棉區(qū), 其纖維長度和斷裂比強(qiáng)度比較優(yōu)異, 馬克隆值較低, 整齊度和伸長率較高, 單鈴重和衣分較低, 屬于鈴重低、品質(zhì)較優(yōu)的材料, 其產(chǎn)量有較大遺傳改良潛力。

圖2 供試棉花品種資源基于產(chǎn)量與纖維品質(zhì)性狀的聚類圖Fig.2 Cluster diagram of cotton varieties based on yield and fiber quality traits

表6 供試棉花品種資源基于表型性狀聚類分析Table 6 Cluster result of cotton varieties based on phenotypic differences

第II 類包含126 份品種資源, 其中II-1 包含45個(gè)品種, 該亞類品種的單鈴重處于中等水平, 衣分較高, 平均值為40.43%, 纖維長度、斷裂比強(qiáng)度低于第II 類; II-2 包含22 個(gè)品種, 該亞類品種的鈴重高, 衣分較高, 平均值為 40.80%, 子指相對較高,但其品質(zhì)性狀較差, 馬克隆值高, 可見由于產(chǎn)量與纖維品質(zhì)性狀之間的負(fù)相關(guān), 實(shí)現(xiàn)協(xié)同改良較難;II-3 包含59 個(gè)品種, 該類品種整體表現(xiàn)優(yōu)良, 屬于大鈴品種, 鈴重可達(dá)6.18 g, 纖維品質(zhì)表現(xiàn)較好, 馬克隆值也在優(yōu)質(zhì)棉范圍。

2.3 供試品種資源基于SSR 和KASP 標(biāo)記遺傳多樣性分析

2.3.1 基于SSR 標(biāo)記遺傳多樣性分析 首先利用岡棉9 號(hào)、魯棉1141、新陸早58 號(hào)、冀石265、徐棉608 等8 份地理來源不同且親緣關(guān)系較遠(yuǎn)的品種資源對56 對SSR 引物進(jìn)行篩選, 結(jié)果獲得30 對多態(tài)性高、條帶清晰、擴(kuò)增結(jié)果穩(wěn)定且信號(hào)強(qiáng)的引物;利用這30 對引物進(jìn)一步擴(kuò)增供試141 份品種共擴(kuò)增出74 個(gè)多態(tài)性條帶(表7), 平均每個(gè)引物擴(kuò)增出2.5個(gè), 以引物H003 多態(tài)性最好(6 個(gè)多態(tài)性條帶), 以引物MGH5-6、H098 和H042 多態(tài)性條帶最少; 引物H010 在源棉41 號(hào)和聊棉6 號(hào)擴(kuò)增出特異條帶,引物H036、H068、H057 和H010 等在中棉所9001擴(kuò)增出特異條帶; 各引物的PIC 值平均為0.32, 其中PIC 值最高的引物是H057 (0.50), 表明供試棉花品種資源遺傳多樣性水平較高。

表7 供試棉花品種資源30 對SSR 引物多態(tài)性位點(diǎn)及PIC 值Table 7 Polymorphic sites and PIC values of 30 SSR primers in cotton varieties

2.3.2 供試棉花品種資源KASP 標(biāo)記檢測 利用課題組前期開發(fā)的32 個(gè)棉花纖維長度和斷裂比強(qiáng)度KASP 標(biāo)記, 分別檢測供試141 份棉花品種資源(圖3), 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 32 個(gè)標(biāo)記分型成功, 其缺失率平均值為0.03%, 雜合率均小于9%, 具有較好的重復(fù)性和穩(wěn)定性; KASP 標(biāo)記的多態(tài)性信息含量PIC 值均大于0.30, 變幅為0.34～0.80 (表8), 與SSR 標(biāo)記的PIC 值接近。

圖3 供試141 份棉花品種資源基于KASP 標(biāo)記的熒光檢測結(jié)果Fig.3 Fluorescence detection results of 141 cotton varieties based on KASP markers

表8 供試棉花品種資源32 個(gè)KASP 標(biāo)記PIC 值Table 8 PIC values of 32 KASP markers in cotton varieties

2.3.3 供試品種資源基于SSR 與KASP 標(biāo)記聚類分析 基于30 對SSR 標(biāo)記和32 對KASP 標(biāo)記檢測結(jié)果, 計(jì)算供試棉花品種資源間的遺傳相似系數(shù)并進(jìn)行聚類, 品種間的相似系數(shù)分布在0.20～0.98 之間,平均值為0.62。聚類分析發(fā)現(xiàn)(圖4), 141 份棉花品種資源可分為2 類, 其中第I 類包含28 個(gè)品種, 第II類包含113 個(gè)品種, 并且第II 類又可分為3 個(gè)亞類即II-1、II-2 和II-3, 分別含38 份、36 份和39 份品種。進(jìn)一步分析不同類別棉花品種資源的產(chǎn)量與纖維品質(zhì)性狀發(fā)現(xiàn), 第I 類屬于綜合性狀表現(xiàn)最優(yōu)的一類, 其鈴重高、衣分高、纖維品質(zhì)優(yōu), 多數(shù)來自遼寧和新疆地區(qū), 與前述表型性狀聚類分析的第I 類相比, 這一類表現(xiàn)都較優(yōu), 且遼棉27 號(hào)、新陸中73號(hào)、新陸中80 號(hào)、新陸中83 號(hào)、源棉11 號(hào)被聚到相同類群, 說明其親緣關(guān)系較近。同時(shí)發(fā)現(xiàn), 第II-1類包括岡棉9 號(hào)、冀棉616、金農(nóng)16、冀石33 和衡無1086 等38 份品種, 其中有19 份與表型聚類結(jié)果一致; 第II-2 類包含岡棉10 號(hào)、岡棉11 號(hào)、魯棉1141 和山農(nóng)棉14 號(hào)等36 份品種, 其中17 份材料與表型聚類結(jié)果一致; 第 II-3 類包括荊棉 91、湘XH50、創(chuàng)棉11 號(hào)和湘FZ031 等39 份品種, 該類品種來源較廣, 在第II 類中表現(xiàn)最優(yōu), 其表型基本達(dá)到第I 類的優(yōu)異水平。

圖4 供試141 份棉花品種資源基于SSR 與KASP 標(biāo)記的聚類圖Fig.4 Dendrogram of the 141 cotton varieties based on SSR and KASP markers

綜合分析表型聚類和分子標(biāo)記聚類結(jié)果, 品種岡棉9 號(hào)、中棉所117 和冀豐1271 等材料在表型性狀聚類和分子標(biāo)記聚類結(jié)果一致, 部分西北棉區(qū)的材料也被聚為一類, 如新陸中80 號(hào)、新陸中73 號(hào)和源棉11 等聚類結(jié)果一致; 但也有一部分材料在2種聚類結(jié)果中的差別較大, 如新陸中54 號(hào)、遼棉31、遼棉34 和新陸中76 號(hào)等在分子標(biāo)記聚類中屬于相同類別, 而在表型聚類中屬于不同類群。

3 討論

高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)一直是棉花育種改良的重要目標(biāo)性狀, 系統(tǒng)了解種質(zhì)資源的產(chǎn)量和纖維品質(zhì)性狀對于棉花育種尤為重要。劉文欣[16]分析我國不同棉區(qū)品種改良效果發(fā)現(xiàn), 與早期品種相比, 黃河流域棉區(qū)近期育成品種的產(chǎn)量、單株鈴數(shù)和衣分分別提高28.6%、27.0%和 7.4%, 長江流域棉區(qū)分別提高24.3%、19.1%和7.5%, 新疆棉區(qū)分別提高39.4%、27.0%和12.6%, 育種改良效果顯著。本研究以來自我國三大棉區(qū)的141 份近期育成品種為材料, 通過鑒定其4 個(gè)產(chǎn)量和5 個(gè)纖維品質(zhì)性狀, 結(jié)果發(fā)現(xiàn), 三大棉區(qū)新近育成品種存在一定差別, 其中黃河流域棉區(qū)品種的單鈴重高于長江流域和西北內(nèi)陸棉區(qū)品種, 而西北內(nèi)陸棉區(qū)品種的纖維品質(zhì)性狀最優(yōu), 但其衣分卻低于長江流域和黃河流域棉區(qū)品種, 說明其進(jìn)一步改良的空間較大, 這一結(jié)果與劉文欣[16]和代攀虹等[17]的結(jié)果較吻合。然而, 在西北內(nèi)陸棉區(qū),棉花品種的鈴重進(jìn)一步提高存在一定困難, 原因在于棉鈴過大通常會(huì)影響纖維成熟度, 不利于提高纖維品質(zhì)。因此, 西北內(nèi)陸棉區(qū)品種產(chǎn)量的提高應(yīng)以增加單株鈴數(shù)和衣分為主, 同時(shí)重視纖維品質(zhì)各主要指標(biāo)之間的協(xié)調(diào), 綜合考慮品質(zhì)與產(chǎn)量以及早熟性間的關(guān)系。

并且, 本研究通過分析供試棉花2 類性狀(產(chǎn)量性狀與纖維品質(zhì)性狀)間的相關(guān)性發(fā)現(xiàn), 2 類性狀間存在復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系, 比如單鈴重與比強(qiáng)度之間、衣分與纖維長度之間、衣指與比強(qiáng)度之間均存在顯著負(fù)相關(guān), 而單鈴重與馬克隆值之間、衣指與馬克隆值之間則存在顯著正相關(guān)。同時(shí)發(fā)現(xiàn), 每類性狀內(nèi)亦存在復(fù)雜的相關(guān)性, 比如產(chǎn)量性狀的單鈴重與子指之間、單鈴重與衣指之間、衣分與衣指之間均存在顯著正相關(guān), 而衣分與子指之間則存在顯著負(fù)相關(guān); 品質(zhì)性狀的纖維長度與比強(qiáng)度之間、比強(qiáng)度與整齊度之間、整齊度與伸長率之間存在顯著正相關(guān), 而比強(qiáng)度與馬克隆值之間、纖維長度與馬克隆值之間則存在顯著負(fù)相關(guān)。由此可見, 若想選育出既高產(chǎn)又優(yōu)質(zhì)的棉花新品種, 必須充分考慮上述性狀間的復(fù)雜關(guān)系, 并且僅僅依靠表型鑒定與選擇很難實(shí)現(xiàn), 需要依賴分子標(biāo)記以及分子育種手段, 尋找產(chǎn)量與品質(zhì)性狀“雙贏QTL”, 進(jìn)而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)量與品質(zhì)性狀協(xié)同改良。

特色優(yōu)異種質(zhì)資源是育種工作的基礎(chǔ)。江西省棉花研究所[18]將抗草甘膦基因轉(zhuǎn)入優(yōu)異種質(zhì), 通過雜交回交等育種手段培育出一批抗草甘膦、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)棉花新品種。王國寧等[19]利用轉(zhuǎn)iaaM株系為父本與綜合性狀優(yōu)良棉花品系進(jìn)行雜交、回交, 獲得6份衣分高于43%、馬克隆值在優(yōu)質(zhì)棉中處于AAA 級(jí),早熟性好、鈴大且抗性好的優(yōu)良品系。張安紅等[20]將抗蟲基因Vip3A轉(zhuǎn)化優(yōu)異種質(zhì)冀合713, 創(chuàng)制出抗蟲轉(zhuǎn)基因棉花新材料。近些年來, 我國棉花育種工作者育成了一系列早熟、抗病、優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)新品種,這些新品種在生產(chǎn)中發(fā)揮了重要作用。因此, 將這些品種在相同環(huán)境下進(jìn)行精準(zhǔn)鑒定, 并通過分子標(biāo)記技術(shù)分析其遺傳多樣性, 對于發(fā)揮品種育種價(jià)值具有重要意義。為此, 本研究對141 份近期選育棉花品種資源, 在2 種環(huán)境下鑒定其4 個(gè)產(chǎn)量性狀和5個(gè)纖維品質(zhì)性狀, 并結(jié)合SSR 和KASP 標(biāo)記遺傳多樣性分析, 明確了品種資源的特征和多樣性水平,為其進(jìn)一步利用提供了依據(jù); 本研究基于各品種資源性狀表現(xiàn)篩選出大鈴種質(zhì)3 份, 高衣分種質(zhì)24 份,纖維長度和斷裂比強(qiáng)度均達(dá)到30 的種質(zhì)6 份, 綜合性狀表現(xiàn)優(yōu)異的種質(zhì)2 份, 這些種質(zhì)資源在今后育種工作中可作為親本加以利用。

此外, 表型鑒定和分子標(biāo)記相結(jié)合用于種質(zhì)資源遺傳多樣性分析對于資源利用非常重要。表型鑒定的優(yōu)勢在于能夠直觀反映種質(zhì)資源性狀表現(xiàn), 但其鑒定過程耗時(shí)長、成本高、耗費(fèi)人力且易受環(huán)境因素影響, 比如本研究通過比較2 種環(huán)境下的供試棉花品種資源產(chǎn)量與品質(zhì)性狀差異發(fā)現(xiàn), 與保定環(huán)境條件下種植的品種相比, 海南環(huán)境條件下種植的品種的單鈴重、子指、馬克隆值、纖維長度和強(qiáng)度均呈現(xiàn)下降趨勢, 而衣分呈現(xiàn)升高趨勢, 可能與兩地氣候條件差異有關(guān)。與表型鑒定不同, 分子標(biāo)記鑒定不受環(huán)境條件的影響, 可實(shí)現(xiàn)種質(zhì)資源快速鑒定, 但其鑒定結(jié)果無法反映品種真實(shí)表現(xiàn)[21]。因此,結(jié)合使用2 種方法就可以達(dá)到優(yōu)勢互補(bǔ), 實(shí)現(xiàn)資源高效準(zhǔn)確利用。為此, 本研究結(jié)合利用表型鑒定和分子標(biāo)記鑒定2 種方法對來自我國三大棉區(qū)的141份近期選育棉花品種資源進(jìn)行鑒定, 既明確了這些品種資源的主要產(chǎn)量和纖維品質(zhì)性狀遺傳變異, 又掌握了這些品種資源DNA 水平的遺傳多樣性, 對進(jìn)一步利用品種資源開展常規(guī)育種和分子育種具有重要意義。另外, 通過比較表型鑒定和分子標(biāo)記鑒定獲得的聚類結(jié)果發(fā)現(xiàn), 有些品種的聚類結(jié)果一致,但也有一些材料在2 種聚類中的結(jié)果存在較大差別,分析原因一方面與2 種聚類分析所反映的性狀或位點(diǎn)不同, 另一方面也可能與標(biāo)記聚類所用KASP 標(biāo)記均為纖維長度和斷裂比強(qiáng)度關(guān)聯(lián)分子標(biāo)記有關(guān)。

4 結(jié)論

本研究明確了141 份現(xiàn)代棉花品種資源的產(chǎn)量和纖維品質(zhì)性狀遺傳變異, 發(fā)現(xiàn)供試品種資源在表型性狀和分子水平均存在較豐富的遺傳多樣性, 篩選出3 份大鈴品種、24 份高衣分(>42%)品種, 6 份纖維長度、斷裂比強(qiáng)度均大于30 的品種和2 份綜合性狀表現(xiàn)優(yōu)異的品種, 為棉花新品種培育提供了優(yōu)異親本, 為深入利用這些品種資源提供了依據(jù)。