0 引言
【研究意义】棉花种质资源是培育高产优质棉花新品种的物质基础[1,2,3,4],在棉花育种研究中具有举足轻重的地位[5]。新疆棉区是中国最大的棉花生产基地,气候条件、种植制度、栽培模式与黄河流域、长江流域棉区差异较大,决定了新疆棉区对品种的要求在株型、生长发育、产量结构等方面与内地也有较大差别。因此,在新疆棉区开展陆地棉种质资源的鉴定与评价工作,对新疆棉花优异种质的创造、新品种培育与遗传资源的利用效率都具有重要意义。【前人研究进展】近年来,新疆****从棉花的早熟性[6,7]、耐热性[8,9]、抗旱耐盐性[10,11,12]、遗传多样性[13]和数据库构建[14,15]等不同角度对棉花种质资源做了大量的研究,同时新疆在棉花种质资源利用与新品种培育等方面取得了重要进展[16,17,18,19,20,21]。苗培明等[13]应用TRAP分子标记方法对65份棉花种质资源进行了遗传多样性分析;艾尼江[22]以早熟棉花品种为材料,研究了早熟性、产量、品质等性状的遗传、QTL定位、早熟性相关性状的关联分析以及不同生态棉区育成的早熟棉花品种的遗传多样性,为早熟陆地棉育种提供理论依据;刘鹏鹏等[23]采用综合抗旱系数与隶属函数相结合的方法,对国内33份棉花品种进行了抗旱性分级评价;董承光等[24]对153份陆地棉种质资源的主要农艺性状进行了综合评价。【本研究切入点】李雪源等[25]在谈到新疆棉花主栽品种难以确定这一重大技术问题时,指出缺乏科学的评价标准,片面追求高产、高衣分,缺乏对新品种抗性、产量、品质综合评价的能力是主要原因之一。为了对参评种质资源做出全面、客观的评价,提出一种既综合考虑主要评价指标,又避免主观随意性的评价方法至关重要。【拟解决的关键问题】本研究尝试应用主成分分析、聚类分析和多元方差分析等多种多元分析方法,从季节性干旱胁迫方面,综合考量了棉花在季节性水分匮缺状态下的生理指标、产量指标和品质指标,对棉花种质资源进行抗旱性评价。并且为棉花抗旱种质资源的挖掘,抗旱性品种的选育和大规模、准确的棉花品种抗旱性评价提供可行的途径和方法。1 材料与方法
1.1 材料
供试的126个陆地棉品种由新疆农业科学院吐鲁番农业科学研究所棉花种质资源库提供。根据试验要求,选择不同来源、具有不同生物学特征,且在世界不同棉区具有一定代表性或主栽的126个陆地棉品种（系）为试材（电子附表1）。
1.2 方法
试验于2015—2016年在新疆农业科学院吐鲁番农业科学研究所试验基地完成。基地气候特点是典型的大陆性干旱荒漠气候,干燥少雨,年平均降水量16.4 mm,蒸发量3 000 mm以上,日照充足,昼夜温差大,年有效活动积温5 300℃以上,无霜期270 d。播种方式采用机器铺膜,膜宽0.7 m,每膜播种2行,同一膜内行距40 cm,相邻膜行距60 cm,人工点播,每穴播种3粒种子,出苗后通过定苗达到一穴一株,株距20 cm。随机区组设计,重复3次,每重复3
行,行长5 m。
2015年4月5日播种,9月1—5日收获一茬花,10月10—15日收获二茬花;2016年4月12日播种,9月6—10日收获一茬花,10月15—20日收获二茬花。
灌水处理方式,常规灌水处理应在开花初期浇头水,为了模拟新疆季节性水分匮缺的实际情况,干旱灌水处理的头水比常规灌水处理推迟15 d。之后灌水频次及灌水量与常规灌水相同。2015年原本应在6月9日浇头水,推迟15 d至6月24日浇头水;2016年原本应于13日浇头水,推迟15 d至6月28日浇头水。
土壤含水量情况：采用烘干法测量常规灌溉前、常规灌溉15 d后,及干旱处理头水较常规灌溉推迟15 d后土壤含水量（表1）。
Table 1
表1
表1田间土壤含水量
Table 1The content of soil-water (%)
| 土层深度 Depth (cm) | 2015 | 2016 | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| 常规灌水前 Before traditional irrigation | 15 d后 After 15 days | 常规灌水前 Before traditional irrigation | 15 d后 After 15 days | |||
| 常规灌水 Traditional irrigation | 干旱处理 Drought treatment | 常规灌水 Traditional irrigation | 干旱处理 Drought treatment | |||
| 20 | 10.96 | 13.07 | 5.07 | 9.89 | 13 | 4.87 |
| 40 | 12.31 | 15.12 | 6.88 | 11.73 | 15.26 | 6.53 |
| 60 | 13.64 | 16.38 | 7.2 | 12.94 | 16.1 | 6.98 |
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观测记载各品种形态指标：株高（X1,cm）、果枝数（X2,个）;生育期（X3,d）;产量指标：有效铃数（X4,个）、单铃重（X5,g）、衣分（X6,%）、籽指（X7,g）、籽棉产量（X8,kg·hm-2）、皮棉产量（X9,kg·hm-2）;纤维品质指标：纤维长度（X10,mm）、整齐度（X11,%）、比强度（X12,CN·TEX-1）、伸长率（X13,%）、马克隆值（X14）、反射率（X15,%）、黄度（X16）和纺纱均匀性指数（X17）共17项数量性状。形态指标于各品种成熟期田间观测记载,产量指标及纤维品质指标于二茬花收获后测量记载,纤维品质测试由农业部棉花质量监督检验测试中心（乌鲁木齐）完成。为使各性状均以最大值表示最优,对部分性状的田间试验结果进行如下变换：X3为88/生育期,X14为3.5/马克隆值,X16为5.8/黄度。
采用相关分析、主成分分析、聚类分析、判别分析和多元方差分析,以期找出具有生物学及专业意义的统计参数,为棉花种质资源综合评价及制定性状改良决策提供有益的信息。数据的统计处理应用IBM SPSS Statistics 19.0和Data Processing System 15.10分析完成。
2 结果
2.1 不同品种数量性状间的相关分析
通过对17个数量性状进行相关性分析（表2）,结果表明,17个性状间,存在着正负、强弱相关错综复杂的关系,分别为56对数量性状相关性达到极显著水平（P<0.01）,22对数量性状间相关性达到显著水平（P<0.05）。其中,单铃重与籽指、籽棉产量、皮棉产量、纤维长度、整齐度、比强度、伸长率、马克隆值、反射率、黄度和纺纱均匀性指数,籽指与籽棉产量、皮棉产量、纤维长度、整齐度、比强度、伸长率、马克隆值、反射率、黄度和纺纱均匀性指数,纤维长度与整齐度、比强度、伸长率、马克隆值、反射率、黄度和纺纱均匀性指数相关系数达极显著水平。同时,纺纱均匀性指数与单铃重、籽指、籽棉产量、皮棉产量、纤维长度、整齐度、比强度、马克隆值和反射率有极显著的正相关关系,而与伸长率和黄度有不同程度的制约关系,均为极显著的负相关。说明不同性状间反应的信息重叠赘余,需要经主成分分析进行数据降维,以便找出变化的简明规律。Table 2
表2
表2相关分析结果
Table 2The correlation analysis data
| 性状 Trait | X1 | X 2 | X 3 | X 4 | X 5 | X 6 | X 7 | X 8 | X 9 | X 10 | X 11 | X 12 | X 13 | X 14 | X 15 | X 16 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| X 1 | 0 | |||||||||||||||
| X 2 | 0.671** | |||||||||||||||
| X 3 | 0.015 | 0.104 | ||||||||||||||
| X 4 | 0.23** | 0.273** | 0.268** | |||||||||||||
| X 5 | -0.088 | -.206* | -0.12 | -0.241** | ||||||||||||
| X 6 | -0.186* | -0.154* | 0.183* | 0.182* | 0.032 | |||||||||||
| X 7 | 0.037 | -0.167* | -0.138 | -0.241** | 0.661** | -0.278** | ||||||||||
| X 8 | 0.171* | 0.13 | 0.169* | 0.742** | 0.455** | 0.193* | 0.216** | |||||||||
| X 9 | 0.097 | 0.07 | 0.218** | 0.71** | 0.357** | 0.564** | 0.029 | 0.91** | ||||||||
| X 10 | 0.004 | -0.119 | -0.023 | -0.033 | 0.492** | 0.129 | 0.445** | 0.311** | 0.274** | |||||||
| X 11 | 0.021 | -0.04 | 0.122 | -0.003 | 0.39** | 0.341** | 0.292** | 0.266** | 0.329** | 0.646** | ||||||
| X 12 | 0.019 | -0.071 | -0.001 | -0.08 | 0.376** | 0.122 | 0.31** | 0.178* | 0.187* | 0.633** | 0.52** | |||||
| X 13 | -0.11 | -0.043 | 0.132 | 0.065 | -0.239** | 0.193* | -0.340** | -0.11 | 0.008 | -0.320** | -0.118 | -0.219** | ||||
| X 14 | -0.023 | -0.011 | -0.166* | -0.084 | 0.207** | -0.352** | 0.317** | 0.069 | -0.098 | 0.439** | 0.162* | 0.119 | -0.175* | |||
| X 15 | 0.023 | -0.006 | -0.109 | 0.013 | 0.234** | -0.01 | 0.153* | 0.166* | 0.112 | 0.267** | 0.156* | 0.131 | -0.009 | 0.315** | ||
| X 16 | -0.114 | -0.089 | 0.012 | 0.004 | -0.076 | 0.071 | -0.170* | -0.066 | -0.032 | -0.32** | -0.31** | -0.231** | 0.22** | -0.158* | -0.187* | |
| X 17 | 0.002 | -0.095 | -0.012 | -0.044 | 0.496** | 0.166* | 0.444** | 0.297** | 0.283** | 0.894** | 0.804** | 0.82** | -0.28** | 0.414** | 0.259** | -0.327** |
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2.2 主成分分析
对17个性状变量进行主成分分析,前8个综合评价指标的贡献率分别为27.45%、17.18%、11.61%、8.42%、6.66%、5.33%、5.08%和4.63%（表3）,累积贡献率达86.34%,前8个综合评价指标对17个指标变量的贡献范围为0.71—0.99。这样就将原来17个单项性状变量转换为8个新的相互独立的综合指标,并代表了原始指标携带的绝大部分信息。Table 3
表3
表3主成分分析
Table 3The principal component analysis
| 性状 Trait | F1 | F2 | F3 | F4 | F5 | F6 | F7 | F8 | 共同度 Communalities (%) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 株高Plant height | 0.017 | 0.091 | 0.044 | 0.917 | 0.005 | 0.045 | -0.033 | -0.018 | 0.854 |
| 果枝数Number of fruit branch | -0.050 | 0.103 | -0.156 | 0.885 | 0.046 | 0.028 | 0.058 | 0.008 | 0.827 |
| 生育期Growth period | 0.035 | 0.174 | -0.076 | 0.024 | -0.074 | 0.034 | 0.933 | -0.070 | 0.919 |
| 有效铃数Effective boll number per plant | -0.094 | 0.882 | -0.303 | 0.180 | 0.057 | 0.027 | 0.133 | -0.042 | 0.934 |
| 单铃重Boll weight | 0.344 | 0.165 | 0.845 | -0.130 | -0.037 | -0.037 | -0.104 | 0.122 | 0.904 |
| 衣分Lint percentage | 0.319 | 0.321 | -0.241 | -0.245 | -0.688 | -0.119 | 0.026 | 0.148 | 0.833 |
| 籽指Seed index | 0.255 | -0.045 | 0.832 | -0.017 | 0.248 | 0.092 | -0.024 | -0.054 | 0.833 |
| 籽棉产量Seed cotton yield | 0.151 | 0.925 | 0.292 | 0.095 | 0.022 | 0.012 | 0.053 | 0.043 | 0.978 |
| 皮棉产量Lint yield | 0.230 | 0.910 | 0.115 | 0.007 | -0.272 | -0.035 | 0.056 | 0.091 | 0.980 |
| 纤维长度Fiber length | 0.837 | 0.144 | 0.208 | -0.073 | 0.229 | 0.138 | -0.056 | 0.040 | 0.846 |
| 整齐度Fiber uniformity | 0.818 | 0.096 | 0.127 | 0.005 | -0.141 | 0.110 | 0.142 | 0.114 | 0.760 |
| 比强度Fiber strength | 0.823 | -0.012 | 0.135 | 0.029 | -0.036 | 0.039 | -0.044 | -0.089 | 0.709 |
| 伸长率Fiber elongation | -0.194 | -0.078 | -0.266 | -0.060 | -0.217 | -0.418 | 0.318 | 0.554 | 0.748 |
| 马克隆值Micronaire | 0.296 | 0.009 | 0.061 | -0.065 | 0.845 | 0.014 | -0.094 | 0.214 | 0.864 |
| 反射率Fiber reflectance | 0.131 | 0.107 | 0.137 | 0.014 | 0.200 | 0.226 | -0.175 | 0.791 | 0.795 |
| 黄度Yellow degree | 0.218 | -0.019 | 0.011 | 0.065 | 0.040 | 0.910 | 0.055 | 0.117 | 0.899 |
| 纺纱均匀性指数SCI | 0.952 | 0.099 | 0.185 | -0.034 | 0.151 | 0.100 | -0.027 | 0.049 | 0.988 |
| 特征值Eigenvalue | 4.662 | 2.921 | 1.971 | 1.419 | 1.139 | 0.921 | 0.852 | 0.787 | |
| 贡献率Contribution rate(%) | 27.421 | 17.185 | 11.594 | 8.350 | 6.700 | 5.416 | 5.012 | 4.630 | |
| 累积贡献率 The cumulative contribution (%) | 27.421 | 44.607 | 56.201 | 64.550 | 71.251 | 76.666 | 81.678 | 86.308 |
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从表3可知,纤维长度、整齐度、比强度和纺纱均匀性性状,在第一主成分上载荷较高,说明第1主成分基本反映了这4个指标的信息,这几个指标均属于纺纱工艺性指标,因此,可把第一主成分称为“可纺性因子”。构成可纺性因子的第一主成分相当于4.662个原始指标的作用,它可反映原始数据信息量的27.454%。
有效铃数、衣分、籽棉产量和皮棉产量这4个指标在第二主成分上载荷较高,单铃重和籽指在第三主成分上载荷较高,说明第二、三主成分基本反映了这6个指标的信息,这6个指标均属于产量指标,因此,可把第二、三主成分称为“丰产性因子”。构成丰产性因子的第二、三主成分合起来相当于4.892个原始指标的作用,它可反映原始数据信息量的28.779%。
株高和果枝数在第四主成分上载荷较高,这2个指标均属于植株形态指标,因此,可把第四主成分称为“繁茂性因子”。构成繁茂性因子的第四主成分相当于1.419个原始指标的作用,它可反映原始数据信息量的8.35%。
马克隆值在第五主成分上载荷较高,黄度在第六主成分上载荷较高,生育期在第七主成分上载荷较高,伸长率和反射率在第八主成分上载荷较高,说明第五、六、七、八主成分基本反映了这5个指标的信息,这5个指标从纤维细度、纤维色泽和生育天数等不同侧面表征了棉花的成熟度,因此,可把第五、六、七、八主成分称为“成熟度因子”。构成成熟度因子的第五、六、七、八主成分合起来相当于3.688个原始指标的作用,它可反映原始数据信息量的21.691%。
综上所述,将126份陆地棉资源的17个原始性状指标,提取综合成互不相关的8个主成分,进一步命名为可纺性因子、丰产性因子、繁茂性因子和成熟度因子。
2.3 聚类分析与判别分析
将126个品种的主成分值采用离差平方和方法进行系统聚类（图1）。当类间距离取12.5时,可将126个品种聚为7大类。第Ⅰ类有22个品种,分别是Arcot436、Arcot-1和RNX188等,以欧美材料和辐射诱变材料为主;
第Ⅱ类有17个品种,分别是中远911、中远9114、冀A-1-7、莘棉5号和upland等,以黄河流域及其他材料为主;
第Ⅲ类有19个品种,分别是中远9115、常抗棉、Arcot402bne、Arcot438和宿08B2-177等,以黄河流域和亚洲棉材料为主;
第Ⅳ类有28个品种,分别是中远9116、中远HAS-1、中资04184、豫17-202和中棉所35等,以黄河流域为主、欧美材料和新疆材料为主;
第V类有19个品种,分别是秦荔514、秦远4
号、廊黄F10、德保巴头大棉和平果那沙大棉等;以长江流域和亚洲棉为主;
第Ⅵ类有13个品种,分别是中31-204、TM1-IPR、中资9103、中2201和库车96518等,以亚洲材料和新疆材料为主;
第Ⅶ类有8个品种,分别是MM-2、RNX189、RNX190、樊庄洋棉和三江八江大花等,以欧美材料和长江流域为主。
显示原图|下载原图ZIP|生成PPT图1参试品种聚类图
-->Fig. 1Cluster diagram of the tested varieties
-->
为了检验聚类分析的结果是否可靠,采用多类逐步判别分析进行验证。依据聚类分析得到的分类信息,以8个主成分作为判别变量,建立判别函数（表5）,根据判别函数,对126个品种重新判别归类。结果表明,判对概率90.48%,12个品种被误判,误判率为9.52%,聚类分析的结果是准确可靠的。
Y1=-1.6726-0.1084X1+0.0042X2-0.9226X3+0.7405X4+0.089X5+0.4908X6+2.3149X7-0.1711X8
Y2=-2.8071+0.3145X1-1.5392X2+0.0526X3+0.1583X4+1.7509X5-0.3115X6+0.8808X7-0.2355X8
Y3=-2.8359+0.4775X1+1.0976X2+1.9091X3+0.3697X4-1.3903X5-1.2023X6-0.2335X7-0.3322X8
Y4=-1.8591-0.1025X1-0.0955X2-1.4846X3-0.5379X4 +1.1768X5+1.5493X6-0.51X7+0.8992X8
Y5=-3.6809+0.4263X1+0.1528X2+0.7496X3+0.2422X4-2.4032X5+0.6079X6-3.2604X7-1.1447X8
Y6=-2.704+0.0956X1+0.5084X2-0.9942X3-0.8324X4+1.2108X5-2.0542X6+0.4434X7+0.3182X8
Y7=-9.6824-2.2832X1-0.2135X2+2.9634X3-0.2646X4 -1.0906X5-1.3317X6+1.1851X7+0.7578X8
2.4 不同类型品种产量及主要纤维品质性状多元方差分析
通过对聚类分析划分出的7个类型品种的产量及主要纤维品质性状进行多元方差分析（表4）,总体方差采用wilk’s lambda方法进行检验,F=330127.672达显著水平。产量和主要品质性状的方差分析（表5）表明,有效铃数、单铃重、衣分、皮棉产量、纤维长度、整齐度、断裂比长、马克隆值和纺纱均匀性指数9项指标的F检验均达0.000的极显著水平。各性状的平均值及变异幅度（表6）表明如下：Table 4
表4
表4各类品种的多元方差分析
Table 4Multivariate variance analysis of each variety
| 统计量 Statistic | 观测值 Observed value | F值 F value | 假设df Hypothetical df | 误差 df Error df | Pr>F |
|---|---|---|---|---|---|
| Pillai's Trace | 1.000 | 330127.672 | 9 | 111 | .000 |
| Wilksi's Trace | 0.000 | 330127.672 | 9 | 111 | .000 |
| Hotelling Trace | 26767.109 | 330127.672 | 9 | 111 | .000 |
| Roy's Greatest Root | 26767.109 | 330127.672 | 9 | 111 | .000 |
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Table 5
表5
表5皮棉产量及主要品质指标的方差分析
Table 5Variance analysis of lint yield and main fiber quality characters
| 性状 Traits | 平方和 Sum of squares | 自由度 df | 均方 Mean square | F值 F value | Pr>F |
|---|---|---|---|---|---|
| 有效铃数Effective boll number per plant | 233.848 | 6 | 38.975 | 9.001 | .000 |
| 单铃重Boll weight | 14.161 | 6 | 2.360 | 3.835 | .002 |
| 衣分Lint percentage | 979.373 | 6 | 163.229 | 16.543 | .000 |
| 皮棉产量Lint yield | 60139.150 | 6 | 10023.192 | 17.301 | .000 |
| 纤维长度Fiber length | 352.808 | 6 | 58.801 | 17.399 | .000 |
| 整齐度Fiber uniformity | 103.044 | 6 | 17.174 | 10.778 | .000 |
| 比强度Fiber strength | 339.887 | 6 | 56.648 | 7.463 | .000 |
| 马克隆值Micronaire | 10.510 | 6 | 1.752 | 9.446 | .000 |
| 纺纱均匀性指数SCI | 24848.744 | 6 | 4141.457 | 17.586 | .000 |
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Table 6
表6
表6各类品种皮棉产量及主要纤维品质指标平均值及变异幅度
Table 6Average and variation range of lint yield and major fiber quality of each class’s varieties
| 类别 Class | 有效铃数 EBN | 单铃重 BW (g) | 衣分 LP (%) | 皮棉产量 LY (t·hm-2) | 纤维长度 FL (mm) | 整齐度 FU (%) | 比强度 FS (CN·TEX-1) | 马克隆值 Mi | 纺纱均匀性指数 SCI |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Ⅰ | 11.79 | 5.18 | 38.99 | 1.88 | 29.95 | 85.79 | 31.35 | 5.05 | 148.82 |
| 7.3-18.3 | 4.08-6.25 | 34.21-43.72 | 1.24-2.41 | 27.9-32.1 | 83.1-87.9 | 26.8-37.2 | 4.5-5.4 | 133-176 | |
| Ⅱ | 10.56 | 5.4 | 33.8 | 1.5 | 31.13 | 85.32 | 32.02 | 4.29 | 158.88 |
| 6-15 | 3.64-8.7 | 27.96-37.75 | 0.67-1.92 | 26.9-33.6 | 83.3-88.2 | 27-38.6 | 3.4-4.8 | 127-189 | |
| Ⅲ | 14.85 | 5.43 | 37.7 | 2.42 | 30.53 | 85.54 | 30.89 | 4.79 | 150.11 |
| 10.7-19.6 | 4.7-6.63 | 29.13-41.14 | 1.61-3.60 | 25.8-36.6 | 83.9-87.7 | 25.9-39.1 | 3.7-5.8 | 119-182 | |
| Ⅳ | 11.93 | 5.39 | 40.68 | 2.08 | 29.08 | 84.89 | 29.93 | 5.06 | 139.5 |
| 7.9-15.6 | 4.12-6.71 | 29.12-45.4 | 1.36-2.75 | 26-31.7 | 82.9-86.9 | 25.9-36.8 | 4.6-5.5 | 114-164 | |
| Ⅴ | 12.54 | 5.37 | 38 | 2.02 | 30.21 | 85.42 | 32.16 | 5.22 | 151.11 |
| 10-16 | 3.9-6.9 | 32.4-43.9 | 1.6-2.64 | 27.5-33.7 | 82.7-87 | 27.5-39.8 | 4.1-6.4 | 126-176 | |
| Ⅵ | 14.36 | 5.14 | 38.75 | 2.28 | 29.88 | 84.72 | 30.12 | 4.86 | 142.08 |
| 12.3-17.3 | 4.68-5.9 | 33.9-43.9 | 1.84-2.72 | 27.5-32.6 | 82.5-86.9 | 27.8-33.1 | 4.1-5.5 | 127-163 | |
| Ⅶ | 12.28 | 4.02 | 30.45 | 1.25 | 23.7 | 81.88 | 25.24 | 5.23 | 96.13 |
| 8.6-16.6 | 2.54-5.06 | 23.5-35.8 | 0.41-1.89 | 20-22.2 | 77.6-84.4 | 22.6-27.3 | 4.5-6.1 | 64-127 |
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第Ⅰ类属中产中等品质品种,22个品种的平均皮棉产量（1.88 t·hm-2）中等偏低,衣分排名第二,绒长中等偏长,马克隆值偏高,铃重较低,有效铃数偏少,比强度高,纺纱均匀性指数>155,适纺高强力优质棉。对这类品种,除加强植株结铃性状选择,继续提高皮棉产量外,应注意提高绒长和降低马克隆值,主要以纤维长度和细度为改良目标。
第Ⅱ类属低产优质类品种。17个品种皮棉产量（1.5 t·hm-2）偏低,衣分最低,绒长、马克隆值和纺纱均匀性指数均居第一位,比强度和整齐度分列第二和第三位,铃重最高,有效铃数较低。对此类品种,应着力提高品种的结铃性和衣分等皮棉产量指标。适合作为基础育种材料,利用其优良的品质性状,同时改良产量指标。
第Ⅲ类（表7）属高产优质类品种。19个品种平均皮棉产量（2.42 t·hm-2）最高,有效铃数和单铃重均居第一位,衣分中等,绒长和马克隆值均排名第二,纺纱指数排名第三,比强度中等偏高。对这类品种,应保持对纤维长度和细度稳中有增的改良,力争达到纺高支纱的要求,同时提高衣分。
Table 7
表7
表7第三类品种皮棉产量及主要纤维品质指标平均值及变异幅度
Table 7Average and variation range of lint yield and major fiber quality of No. Ⅲ
| 编号 No. | 品种名称 Variety | 有效铃数 EBN | 单铃重 BW(g) | 衣分 LP(%) | 皮棉产量 LY (t·hm-2) | 纤维长度 FL(mm) | 整齐度 FU(%) | 比强度 FS (CN·TEX-1) | 马克隆值 Mi | 纺纱均匀性指数 SCI |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 4 | 中远9115 Zhongyuan 9115 | 14.6 | 5.12 | 34.9 | 2.09 | 32.2 | 87.7 | 33.4 | 4.6 | 172 |
| 7 | 常抗棉 Chang shu cotton | 14.9 | 5.4 | 40.12 | 2.58 | 29.6 | 85.7 | 31.3 | 4.8 | 149 |
| 9 | Arcot402bne | 18.6 | 5 | 36.3 | 2.7 | 25.8 | 85.9 | 27.2 | 5.2 | 129 |
| 11 | Arcot438 | 15.6 | 4.7 | 36 | 2.11 | 27.4 | 85.6 | 26.3 | 5 | 128 |
| 16 | 宿08B2-177 Suqian 08B2-177 | 12.3 | 5.81 | 38.5 | 2.2 | 30.5 | 86 | 37.2 | 5.1 | 167 |
| 23 | 苏远7235 Suyuan 7235 | 14.6 | 5.26 | 34.92 | 2.15 | 29.2 | 84 | 29.2 | 3.8 | 144 |
| 31 | 中9708-221 Zhong 9708-221 | 14.9 | 4.74 | 41.14 | 2.33 | 27.6 | 83.9 | 25.9 | 5.2 | 119 |
| 44 | 苏棉2号 Su cotton2 | 13.6 | 5.44 | 40.23 | 2.38 | 31.1 | 84.8 | 30.8 | 5.3 | 143 |
| 46 | MSCO-12 | 10.7 | 6.44 | 29.13 | 1.61 | 36.6 | 85.1 | 31.9 | 3.7 | 172 |
| 50 | 中2220 Zhong 2220 | 14.3 | 5.25 | 40 | 2.4 | 32.2 | 86.9 | 39.1 | 5 | 182 |
| 56 | 中AR-RNX313 Zhong AR-RNX313 | 15.2 | 4.86 | 37.76 | 2.23 | 31.1 | 85.6 | 30 | 4.8 | 148 |
| 57 | 中R773-314 Zhong R773-314 | 18 | 6.1 | 41 | 3.6 | 32.1 | 86.8 | 35.7 | 4.3 | 178 |
| 60 | 99633 | 12.3 | 5.85 | 38.5 | 2.22 | 31 | 84.2 | 29.5 | 4.9 | 140 |
| 68 | Ari-327 | 12.9 | 4.8 | 41.03 | 2.03 | 27.8 | 84.2 | 28.9 | 5.8 | 123 |
| 76 | 中2101 Zhong 2101 | 19.6 | 5.26 | 38.5 | 3.18 | 31 | 85.4 | 31.1 | 5.2 | 147 |
| 85 | 中0099 Zhong 0099 | 13.3 | 5.4 | 41 | 2.36 | 29.1 | 85.5 | 29.5 | 5.3 | 140 |
| 86 | 中三都4121 Middle sandu river 4121 | 14.2 | 6.63 | 35.02 | 2.64 | 34.4 | 87.5 | 31 | 4.4 | 172 |
| 101 | 爱字棉927 Acala 927 | 15.9 | 5.89 | 38.86 | 2.91 | 31 | 86.3 | 28.5 | 4 | 156 |
| 112 | ST474 | 16.6 | 5.31 | 33.3 | 2.35 | 30.3 | 84.1 | 30.5 | 4.7 | 143 |
| 平均 Average | 14.85 | 5.43 | 37.7 | 2.42 | 30.53 | 85.54 | 30.89 | 4.79 | 150.11 | |
| 变异幅度 Variation range | 10.7-19.6 | 4.7-6.63 | 29.13-41.14 | 1.61-3.6 | 25.8-36.6 | 83.9-87.7 | 25.9-39.1 | 3.7-5.8 | 119-182 | |
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第Ⅳ类属中高产中等品质类品种。28个品种平均皮棉产量（2.08 t·hm-2）属中等偏高,衣分位居7类品种的首位,纤维长度、马克隆值中等偏高,纺纱指数、比强度居均中等水平,绒长最长,马克隆值中等偏高,有效铃数中等偏低,单铃重中等偏高,对这类品种,除着重提高有效铃数外,应注重选育提高纤维强度和细度。
第Ⅴ类属中高产中上等品质类品种。19个品种的的平均皮棉产量（2.02 t·hm-2）中等偏高、衣分中等偏高,比强度位居7类品种的首位,纺纱均匀性指数排名第二,纤维长度、强度和整齐度都是中等偏高,马克隆值过高。对这类品种,应着重提高皮棉产量、衣分,降低马克隆值。
第Ⅵ类属高产中等品质类品种。13个品种的平均皮棉产量（2.28 t·hm-2）在7类品种中排名第二,有效铃数排名第二,单铃重中等,纤维长度和强度中等偏高,马克隆值中等偏好,纺纱均匀性指数中等,整齐度较差,对这类品种,主要应以纺纱均匀性指数、纤维细度和长度为改良目标,同时注重衣分的提高。
第Ⅶ类属低产劣质类品种。8个品种平均皮棉产量（1.25 t·hm-2）,在7类品种中排名倒数第一,有效铃数和单铃重均低于7类品种的平均水平,纺纱均匀性指数、纤维长度和强度在7类品种中最低,马克隆值最高,所有性状指标均垫底,说明不适合干旱区种植,应淘汰。
各品种的皮棉产量处于1.5—2.42 t·hm-2,均值1.9 t·hm-2,个别品种乃至突破2.72 t·hm-2,表明目前西北旱区棉花育种在产量上进展明显。从品种主要纤维品质性状的表现可以看出,前六类的纤维长度处于29.08—31.13 mm,为中长绒纤维,符合纺中支纱的要求;比强度处于29.93—32.16 cN·tex-1,适纺低支纱或中支纱,离纺高支纱（≥ 35 cN·tex-1）的要求差距较大;马克隆值处于4.29—5.22区间内,大多属于中等偏高的B级（4.3—4.9）水平,符合中支纱的要求;纺纱指数处于139.5—158.88,第Ⅱ类的纺纱指数158.88,达到了适纺60支高强力优质棉（纺纱指数≥155）的要求,第Ⅴ类的纺纱指数151.11和第Ⅲ类的纺纱指数150.11,2个类别的纺纱指数均接近适纺60支高强力优质棉（纺纱指数≥155）的要求。
3 讨论
3.1 陆地棉种质资源评价方法的确定
近年来,作物品种评价方法逐步由定性和单一指标发展到多指标定量综合评价,由此构建起来的综合评价体系较为客观、全面、科学。统计数学、灰色系统理论、系统科学等学科的发展为这种综合评价体系的构建奠定了基础。作物品种评价主要有：层次分析法、百分制记分法、模糊数学法、灰色系统分析法、主成分分析、因子分析和聚类分析等[26,27,28,29],不同方法的数学原理不同,且各具特点。主成分分析是在损失较少信息的前提下,把多个具有相关性的指标转化为几个相互独立的综合指标的多元统计方法[30,31,32]。聚类分析法是一种用于生物资源分类和亲缘关系研究的多元统计方法[33,34]。近年来,同时利用主成分分析和聚类分析研究小麦[35]、水稻[36]、大豆[37]等作物种植资源的报道较多,在棉花上也有报道。BROWN[38]对美国区域试验棉花品种的农艺和纤维品质性状进行了主成分和聚类分析,结果表明,来自密西西比河三角洲、中部和德克萨斯高平原地区品种的遗传基础高于来自东部、墨西哥和圣华金河地区的品种。孙长发等[39]调查了河南省春棉区域棉花品种的17个数量性状,用主成分分析法提取了累计贡献率达90.1%的前4个主成分,聚类分析法将所有材料分为5类。许乃银等[40]利用长江流域棉花区域试验品种的纤维品质数据进行了主成分和聚类分析,从8个纤维品质性状中提取了4个主成分,并将20个试点划分为4个纤维品质相似亚区。李飞等[41]对黄河流域、长江流域、西北内陆和北部特早熟4大棉区以及国外引进的172份陆地棉骨干品种（系）的19个农艺性状进行了主成分分析和聚类分析。主成分分析结果表明,19个性状可以简化为彼此互不相关的5个主成分,其累计贡献率达80.25%;聚类分析结果显示,在遗传距离5.62处,172份材料划分为10个类群。本研究先对区试棉花新品种的植株形态指标、产量指标与纤维品质指标共17个数量性状进行主成分分析,经过主成分分析归属于8个主成分,其累积方差贡献率达86.31%（注意有效位数）,基本反映了17个性状的主要信息,从而剔除了指标间相关性,并对错综复杂的呈网络状相关的性状施行了有效的降维。在主成分分析基础上,利用主成分值对参试品种进行的聚类分析,有效地剔除了一些无关大局的因子,使结果更加精确,增加了聚类分析结果的真实可靠性。并用判别分析法对聚类结果进行验证。最后根据聚类结果对品种进行多元统计分析,具有一定的科学性。
3.2 陆地棉种质资源评价指标的选择
本研究在确定评价指标的过程中,鉴于陆地棉资源的特点,本着既能很好地体现品种的产量,又能准确描述其品质的原则确定了17个评价指标[24,42-45]。既将有效铃数、单铃重、衣分、籽指、籽棉产量、皮棉产量等反映产量的指标纳入评价体系中,也将纤维长度、整齐度、比强度、伸长率、马克隆值、反射率、黄度和纺纱均匀性指数等反映纤维质量的指标纳入评价体系中,还融合了反映植株形态的株高、果枝数等指标。棉花品级是棉花外观和内在质量的综合反映。反射率和黄度是棉花的颜色级和棉花品级的必要条件,棉花反射率（明亮程度）高,棉花品级就高。所以反射率和黄度也被纳入到评价体系的指标中。抗病性也是品种优劣的评判指标之一,但本次试验研究过程中各品种发病差异较小,影响甚微,且致病源较多,达不到人工全部接种后再评价的条件,所以未予考虑。待条件成熟时,可开展专题抗病性试验,并将结果纳入综合评价体系中。
通过主成分分析,剔除指标的相关性后,根据17个指标在不同主成分上的载荷量大小,可将其归类命名为可纺性因子、丰产性因子、繁茂性因子和成熟度因子,复杂的指标简单化。
3.3 陆地棉种质资源聚类结果的多元方差分析
为对126个参试品种从产量和纤维品质性状进行综合评价,利用各品种在主成分上的得分值进行聚类分析,将126个品种聚为7大类。第Ⅰ类中产中等品质品种应以纤维长度和细度为改良目标。第Ⅱ类低产高等品质类品种应以提高皮棉产量为改良目标。第Ⅲ类高产高等品质类品种,主栽品种应在此类别中选取。第Ⅳ类中高产中等品质类品种应注意选育提高纤维强度和细度。第Ⅴ类中高产中上质类品种应着重提高皮棉产量、衣分,降低马克隆值。第Ⅵ类属高产中等品质类品种对这类品种,主要应以纺纱均匀性指数、纤维细度和长度为改良目标,同时注重衣分的提高。第Ⅶ类属低产低质类品种,不适合旱区种植,应淘汰。棉花种质的遗传多样性是培育优良棉花品种的必要条件,通过对126份陆地棉种质的鉴定,部分材料的单一性状表现较为突出,为深入评价陆地棉品种间（系）的遗传多样性和合理选配亲本组合提供理论依据。在纤维品质方面,有13份材料比强度在35cN·tex-1,分别是,中Arc-315、中2220、中资9196、Acala(1)、宿08B2-177、MSCO-11、中AR681-316、中ARR40682、中R773-314、Acala1517-2、中ARR40681、upland和FJA;有1份材料纤维长度大于35 mm,是 MSCO-12;有51份材料纺纱均匀性指数在150以上,分别是中资9196、upland和中2220等。在产量方面,有10份材料单铃重在6.5 g以上,分别是松滋大铃、中资9196和中资9102等;有2份材料衣分在45以上,分别是豫棉2067和豫17-202。
值得说明的是,本研究的聚类分析是基于表型数据,由于表型性状容易受环境因素的影响,只有严格控制环境因素,才能得到准确的聚类结果[35]。结合表型数据与分子标记数据评价种质资源[46],将更有助于探明种质间的亲缘关系,提高亲本选配的预见性。
4 结论
今后育种工作中,要革新育种手段,除利用杂交育种的基因外渗效应外,还可采用现代生物技术,导入外缘基因,着重强化纤维品质指标的选育。生产中,一方面,要在第Ⅲ类高产高等品质类品种中确定主栽品种,一方面注重标准化栽培,注重及时收花,以免过熟对比强度和马克隆值产生不利的影响。使棉花产量和品质指标趋向最优化。The authors have declared that no competing interests exist.
