早熟陆地棉纤维品质性状与生育期的相关性分析

马晓梅，李保成，王 新，赵素琴，董承光，周小凤，刘永昌

（1.农业农村部西北内陆区棉花生物学与遗传育种重点实验室∕新疆农垦科学院棉花研究所，新疆 石河子 832000；2.新疆维吾尔自治区种子管理总站，新疆 乌鲁木齐 830006；3.湖南科技学院，湖南 永州 425000）

【研究意义】新疆是我国最大的产棉区，棉花单产和调出量连续24年位居全国之首。虽然新疆植棉历史久远，但棉花增产和纤维品质改良仍是育种工作的主要目标。目前新疆棉花品种类型单一，遗传背景相似，棉花生产过分追求高产、高衣分、抗病的品种，推广品种的遗传品质明显不足。随着新疆棉花种植面积的增加，机采棉技术的推广为棉农降低了生产成本，但导致棉花在后期脱叶、收获、轧花、清杂等一系列生产及加工过程中，棉纤维受损，使得原本就不高的纤维品质指标降低，最终影响棉纤维品级。因此，研究影响棉纤维品质指标的各项因子，有的放矢的达到改良纤维品质指标的目的，是育种工作的当务之急。棉纤维的发育要经历发育初期、伸长期、次生壁合成期和成熟期4个阶段［1］，各个时期均与棉纤维品质的形成息息相关［2-5］。提高纤维品质是棉花新品种选育和优质棉高效生产的重要目标，然而棉纤维品质性状属于数量性状，受环境影响较大。【前人研究进展】近年来，关于棉纤维品质影响因子的研究很多［6-16］，研究者通过多种分析方法，分别阐明了气象因子、棉花铃期、施氮量、植株密度、收获时间对棉纤维品质的影响，并阐述了棉花纤维品质发生变化的原因。这些研究结果表明，在棉纤维选择育种中，不仅要考虑品种本身遗传特性，同时也需要考虑外界因素的作用。【本研究切入点】本研究在综合前人研究结果的基础上，以2015—2017年参加新疆维吾尔自治区试验的早熟棉花新品系为研究对象，各参试品系均为新疆各育种单位的最新育种成果，极具代表性，希望通过综合分析各参试品系在北疆早熟棉区生长发育特点，进一步了解目前新疆早熟棉区棉花育种发展方向，同时也能从参试品系的各个性状表现来发现新疆早熟育种工作中的问题，为调整及完善育种策略，提供有效的参考数据及理论支持。【拟解决的关键问题】由于北疆早熟棉区生态环境的特殊性，春季气温回升慢，常出现倒春寒天气，终霜结束较晚，秋季降温快，枯霜早，受早熟性、半干旱气候条件、品种适应性的限制，多年实践证明，生产用种主要走自育为主的道路。本研究旨在以新疆早熟棉区特殊气候条件为背景，以目前北疆早熟棉区各育种单位的主要研究成果为基础，利用相关、通径、回归等分析方法对棉纤维品质与品种生育期进行分析，以明确影响各纤维品质优劣的主要生育阶段，为育种工作者提供有效预测依据，以制定更科学、合理的方案，为选择更高效、可遗传的优良性状提供有效的科学指导，进而提高育种效率。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2015—2017年在位于石河子的新疆农垦科学院棉花研究所试验基地进行，棉田土质为壤土，质地均匀。选择在当地具有代表性且产量和品质性状表现较突出的10个品种（系）作为供试材料，分别为新农早112、庄稼汉151、九棉25、新农早113、庄稼汉701、H7-143、金垦杂1508、新石杂18、金垦1565、新石H12。

1.2 试验方法

试验采用随机区组设计，3次重复，小区面积20 m2，8行区，行距配置（30+50+60）cm，株距0.1 m，密度15 734株/667m2。4月中、下旬播种，7月10日左右打顶，10月初收获。试验田栽培管理与大田高产技术相同。

1.3 测定项目及方法

记载播种期、出苗期、开花期和吐絮期的时间，确定播种-出苗期天数（X1）、出苗-开花期天数（X2）、开花-吐絮期天数（X3）、生育期天数（X4）。收获时，每个品种采收中部铃50个，进行室内考种，并检测纤维长度（Y1）、比强度（Y2）、马克隆值（Y3）、整齐度（Y4）、伸长率（Y5）等纤维品质指标。

采用石河子市气象局资料，统计3—10月（播种至吐絮期）逐日的平均温度（℃）、降雨量（mm）、日照时数（h）。采用Excel 2003对新疆2015—2017年的月平均温度、月降水量、月日照时数等气象因子进行统计分析，并对各品种棉纤维品质指标数据进行初步整理；使用DPS7.05、SPSS 19.0统计分析软件进行简单相关性分析、通径分析、逐步回归分析，分别建立棉花各品质性状与生育期的最优回归方程，分析品质性状与影响因素间的关系。

2 结果与分析

2.1 主要气象因子统计与分析

2015—2017年石河子垦区主要气象因子统计数据见表1。从表1可以看出，2015—2017年石河子地区棉花生长季节降雨特点是：降雨量年度间差别特别明显，最少年份为2015年、121.0 mm，最多年份为2016年、198.30 mm；4—10月总降雨量平均为152.67 mm，在年度间变幅较大，且月份间降雨量分布不均匀。

2015—2017年石河子垦区棉花生长季节日照时数、平均气温特点是：4—10月总日照时数年度间变幅为1 936.7～2 036.2 h，平均为1 992.83 h，年度间变幅较大；4—10月平均气温19.41℃，年度间变幅不大、变异系数为2.084，但月份间平均气温变幅较大。

2.2 棉纤维品质与生育期的简单相关分析

棉花生育期是棉花品种的生育特点、习性及各环境条件互作的指标，它不仅体现了棉花品种的熟性，也反映了不同品种的生育进程。由不同品种3年检测的棉纤维品质性状与各生育期相关性分析结果（表2）可知，纤维长度与出苗-开花期天数呈极显著正相关（r=0.803），与生育期天数呈极显著正相关（r=0.768）；断裂比强度与出苗-开花天数呈显著正相关（r=0.440），与生育期呈显著正相关（r=0.420）；马克隆值与出苗-开花期天数呈显著负相关（r=-0.408）；伸长率与出苗-开花天数呈极显著正相关（r=0.781），与生育期天数呈极显著正相关（r=0.751）；其他纤维品质性状与生育期天数相关性不显著。因此，棉花出苗-开花期天数对纤维长度、断裂伸长率有极显著正相关性，对断裂比强度、马克隆值有显著相关性，而对其他指标作用不显著。

表1 2015—2017年石河子垦区主要气象因子Table 1 Statistics of main meteorological factors in Shihezi reclamation area during 2015-2017

表2 棉纤维品质与生育期天数的相关系数Table 2 Phenotypic correlation between the cotton fiber quality and growth period days

2.3 棉纤维品质与生育期的通径分析

为进一步探明早熟陆地棉的纤维长度、断裂比强度、马克隆值、整齐度、断裂伸长率这5个品质性状与生育期的关系，利用通径分析方法，结果（表3）显示：（1）纤维长度（Y1）。播种-出苗天数对纤维长度的直接作用为-0.0855，间接作用为0.0559，表明播种-出苗天数的增加对纤维长度起到负面作用，因作用较小，且来自其他要素的间接作用为正效应，因此抵消了部分负作用，但综合作用还是为负相关，且作用较小。出苗-开花期天数对纤维长度的直接作用为0.8848，间接作用为-0.0819，说明出苗-开花期对纤维长度的综合作用主要来自于直接效应，且作用显著，虽然来自其他生育阶段的间接作用为负效应，但作用都较小。开花-吐絮期天数对纤维长度的直接作用为-0.2383，间接作用为0.5155，说明开花-吐絮期天数对纤维长度的直接作用为负效应，间接作用为正效应，且作用较显著，但在直接、间接作用互相消减后，综合作用表现为正效应，且作用不显著。生育期天数对纤维长度的直接作用为0.0559，间接作用为0.7122，说明生育期天数对纤维长度存在明显的正相关作用，主要作用来自于不同生育阶段对纤维长度的作用。由此可见，早熟陆地棉总生育期天数对纤维长度的综合作用表现为正效应，其中，出苗-开花期天数对纤维长度的直接作用较显著；其次，虽然开花-吐絮天数辅助其它因素对纤维长度起到较显著的间接作用，但受到直接负效应的影响，因此作用不显著。

（2）断裂比强度（Y2）。播种-出苗天数的直接通径系数为-0.0865，间接通径系数为-0.0551，说明播种-出苗天数主要以直接的方式对断裂比强度产生负面效应，同时通过其他要素产生的也是负面影响，因此综合作用为叠加后的负面效应，但作用较小，因此不显著。出苗-开花天数的直接通径系数为0.4531，间接通径系数为0.4399，说明出苗-开花天数主要以直接的方式对断裂比强度产生促进作用，其次通过其他要素引起的正效应也较强，因此所表现出的综合作用是直接、间接作用相互叠加的正效应。开花-吐絮期天数的直接通径系数为-0.1377，间接通径系数为0.1499，其主要作用表现为负效应，间接作用表现为正效应，因作用均较小，且互相抵消。从整个生育期与断裂比强度的通径关系来看，其直接作用为0.0697，间接作用为0.4204，综合作用为叠加后的正相关，但作用较小，因此表现不显著。这说明品种的各生长发育阶段对断裂比强度存在直接或间接的正效应或负效应，但因负效应均被正效应所抵消，导致生育期表现出来的综合作用均是正效应占主导，但因作用较小，因此综合作用影响较低。

（3）马克隆值（Y3）。播种-出苗天数的直接通径系数为0.2385，间接通径系数为0.002，说明播种-出苗天数主要以直接的方式对马克隆值产生正面效应，同时通过其他要素产生间接正面影响，因此综合作用为叠加后的正效应，但作用较小。出苗-开花天数的直接通径系数为-2.3166，间接通径系数为1.9084，说明出苗-开花天数对马克隆值产生很强的直接负效应，但其他要素引起的间接正效应也较大，抵消了部分直接负效应，因此表现出的综合作用是直接负效应，且作用较小。开花-吐絮期天数的直接通径系数为0.0616，间接通径系数为-0.0442，说明开花-吐絮期天数对马克隆值直接作用为正效应，间接作用表现为负效应，因作用均较小，且互相抵消，综合作用更微弱。从整个生育期与马克隆值的通径关系来看，其直接作用为1.8811，间接作用为-2.2249，综合作用表现为抵消后的间接负效应，但作用较小。可见，在生育期阶段，只有出苗-开花期天数对马克隆值的直接作用和间接作用很强，但因作用相反，综合作用有所消弱，但仍作用显著。因此生育期对马克隆值表现出的综合负效应，出苗-开花期天数的作用占主导。

（4）整齐度（Y4）。播种-出苗天数的直接通径系数为-0.0992，间接通径系数为-0.0043，说明播种-出苗天数对整齐度的直接作用为负效应，同时通过其他要素产生的间接作用也为负效应，因此表现出综合作用为叠加后的负效应，但作用较小。出苗-开花天数的直接通径系数为1.6492，间接通径系数为-1.4379，说明出苗-开花天数对整齐度产生很强的直接正效应，但其他要素引起的间接负效应也较大，抵消了部分的直接正效应，因此表现出的综合作用是直接正效应，且作用较小。开花-吐絮期天数的直接通径系数为0.2820，间接通径系数为-0.1356，说明开花-吐絮期天数对整齐度直接作用为正效应，间接作用表现为负效应，因作用均较小，且互相抵消，综合作用更微弱。从整个生育期与整齐度的通径关系来看，其直接作用为-1.6061，间接作用为1.8002，综合作用表现为抵消后的间接正效应，但作用较小，说明在生育期阶段，只有出苗-开花期天数对整齐度的直接作用和间接综合作用很强，但因作用相反，综合作用有所消弱，作用不显著。因此生育期对整齐度表现出的综合正效应均较弱。

（5）断裂伸长率（Y5）。播种-出苗天数的直接通径系数为-0.2081，间接通径系数为0.0617，说明播种-出苗天数对断裂伸长率的直接作用为负效应，同时通过其他要素产生间接作用也为正效应，因此表现出综合作用为叠加后的负效应，但作用较小。出苗-开花天数的直接通径系数为0.4424，间接通径系数为0.3386，说明出苗-开花天数对断裂伸长率产生较强的直接正效应，通过其他要素引起的间接正效应也较大，因此表现出的综合作用是直接、间接作用叠加后的综合正效应，且作用显著。开花-吐絮期天数的直接通径系数为-0.2939，间接通径系数为0.5649，说明开花-吐絮期天数对断裂伸长率直接作用为负效应，作用较小；间接作用表现为正效应，作用较显著，但因作用互相抵消，综合作用为削弱后的间接正效应。从整个生育期与断裂伸长率的通径关系可以看出，直接作用为0.5223，间接作用为0.2284，综合作用表现为直接、间接作用叠加后综合正效应，作用显著。由此可知，在生育期阶段，出苗-开花期天数对断裂比强度的综合作用为直接、间接作用叠加后的综合正效应，作用表现最强；开花-吐絮天数对断裂比强度的间接作用较强，但与直接作用相反，综合作用有所消弱。因此生育期对断裂伸长率表现出的综合正效应中，出苗-开花期天数的作用占主导。

表3 生育期天数（Xi）与棉纤维品质性状（Yi）的通径分析Table 3 Path analysis of growth period days (Xi) and cotton fiber quality traits (Yi)

2.4 棉纤维品质与生育期的逐步回归分析

在自变量很多时，其中有的因素可能对因变量的影响不是很大，而且自变量之间可能不完全相互独立，有互作关系。采用逐步回归分析方法，进行X因子的筛选，不仅可以建立有效的多元回归模型进行预测，同时可以筛选出有显著影响的因子作为自变量，建立最优线性回归方程（表4），得到纤维长度（X1）与出苗-开花天数（X2）的最优回归方程Y1=19.878+0.158 X2（R2=0.645，P＜0.01），断裂比强度（Y2）与出苗-开花天数（X2）的最优回归方程Y2=26.516+0.087 X2（R2=0.193，P＜0.05），马克隆值（Y3）与出苗-开花（X2）、生育期天数（X4）的最优回归方程Y3=0.551-0.130X2+0.099X4（R2=0.302，P＜0.01），伸长率（Y5）与出苗-开花天数（X2）的最优回归方程Y5=5.822+0.017X2（R2=0.610，P＜0.01），其他影响不显著因素则在逐步回归中被剔除。

表4 棉纤维品质性状与生育期逐步回归模型Table 4 Stepwise regression analysis model between the cotton fiber quality traits and growth periods

3 讨论

棉纤维品质除了受品种的遗传基因控制外，在很大程度上受种植地生态条件的影响［17］，环境和基因型共同决定了纤维长度和纤维强度的变异［18］。由环境因素影响而造成的马克隆值和成熟度变异高达11%～34%，长度和强度变异也达10%～24%［19］，环境因素对品质的贡献为1/3，品种对品质的贡献为2/3，外在的生态环境因素影响棉花品质遗传潜力的发挥［20］。由此可见，在改良品种的基础上，研究和利用环境因素的影响效应，发挥气候资源优势，不仅是改善纤维品质的一项重要手段，也为纤维品质的区域化发展提供了理论依据。

相关系数是衡量两个随机变量间的表现相关程度的指标，由于没有消除其他变量对这两个变量的影响，因此表型相关系数不能真实地反映自变量、因变量的相关关系［21］，只能反映该自变量对因变量的综合作用程度。

3.1 生育期与棉纤维品质性状的相关性分析

通过对棉花各生育期与5项棉纤维品质指标之间的简单相关分析，可以看出各生育期中，因出苗-开花期天数对纤维品质影响比重较大，播种-出苗期天数、开花-吐絮天数对纤维品质影响比重较小，导致生育期的长短对纤维品质存在显著相关。纤维长度、伸长率与出苗-开花期天数呈极显著正相关，因此与生育期天数也呈极显著正相关；断裂比强度与出苗-开花期天数呈显著正相关性，因此与生育期天数也呈显著正相关；马克隆值与出苗-开花天数呈显著负相关，因播种-出苗期天数、开花-吐絮期天数对马克隆值均起到正效应但不显著，该效应与之相抵，因此，马克隆值与生育期天数相关性不显著。

3.2 生育期与纤维品质性状的通径分析

通径系数表示自变量对因变量的直接作用大小，真实地反映了两个变量间的直接相关程度，是标准化的偏回归系数［22］。通过对生育期、纤维品质性状间的通径分析，得出各生育期对纤维品质影响的作用大小，其中对纤维上半部平均长度的直接作用由大到小依次为出苗-开花期天数、开花-吐絮期天数、播种-出苗期天数、生育期天数，对断裂比强度的直接作用由大到小依次为出苗-开花期天数、开花-吐絮期天数、播种-出苗期天数、生育期天数，对马克隆值的直接作用由大到小依次为出苗-开花期天数、生育期天数、播种-出苗期天数、开花-吐絮期天数，对整齐度的直接作用由大到小依次为出苗-开花期天数、生育期天数、开花-吐絮期天数、播种-出苗期天数，对断裂伸长率的直接作用由大到小依次为生育期天数、出苗-开花期天数、开花-吐絮期天数、播种-出苗期天数。可见，播种-出苗期对纤维品质性状存在直接作用及间接作用，但因作用较小而不显著；开花-吐絮期天数通过辅助其他性状，对纤维品质中纤维长度、断裂伸长率存在较强的间接作用，但直接作用较弱；出苗-开花期天数对纤维品质性状有显著的直接作用，同时辅助其他性状对纤维品质存在较强的间接作用，因此，表现出生育期对部分纤维品质存在相关作用，其中出苗-开花期天数对纤维品质存在显著相关，此结果与简单相关分析的结果一致。

3.3 生育期对纤维品质指标的逐步回归分析

通过逐步回归分析，剔除作用不显著因子，筛选作用显著因子作为自变量，纤维长度、断裂比强度、伸长率均将生育期因子剔除后与出苗-开花期天数建立了最优回归方程，马克隆值则与出苗-开花期天数、生育期建立了最优回归方程，说明棉花生长发育过程中，出苗-开花天数对纤维品质作用较大，其他生长发育阶段也存在效应，除了削弱了出苗-开花期对马克隆值产生的负效应外，对其他品质指标综合作用不显著。

王荣栋等［23］提出，陆地棉在开花后20～30 d，棉纤维伸长接近最大长度，次生壁加厚也是在开花后5～10 d开始，说明纤维发育的各关键时期均发生在开花后，这与本研究结果不相符，可考虑以此为切入点，进一步研究和探明苗期、蕾期对棉纤维发育的影响，为改良纤维品质指标提供参考依据。其次，在相同基因型条件下，是否可以考虑采用人为干预的方法，调控棉花不同生长发育阶段的时长，以期达到改变纤维品质指标，最终达到优化纤维品质的目的。

4 结论

本研究通过简单相关分析表明，出苗-开花天数对早熟陆地棉纤维品质中纤维长度、断裂伸长率存在极显著正相关作用，对断裂比强度呈显著正相关，对马克隆值呈显著负相关作用；通过通径分析表明，出苗-开花期天数对5项纤维品种指标的直接作用均比其他生育阶段强，其中对马克隆值、整齐度的直接相关作用均较强，因为通过辅助其他性状对纤维品质也产生了较强的间接作用，因此对纤维长度的综合作用最强，对整齐度的综合作用不显著，而开花-吐絮期天数通过辅助其他因子的作用，对纤维长度、断裂伸长率存在显著间接正向作用；通过逐步回归分析表明，剔除其他不显著因素，明确出苗-开花期天数与存在显著相关的纤维品质间的关系，并可构建最优回归模型，且t检验显著。