陆地棉品质和产量性状配合力及杂种优势分析

吴 珂, 余 渝, 何良荣, 刘文豪, 王旭文, 李 航, 赵福相

(1.塔里木大学植物科学学院,新疆阿拉尔 843300;(2.新疆农垦科学院棉花研究所/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,新疆石河子 832000)

棉花作为我国的重要经济作物之一,在全国都具有十分重要的经济地位[1]。陆地棉(GossypiumhirsutumL.)作为棉花4个栽培种之一,其产量超过世界棉花总产量的90%[2]。陆地棉由欧洲传入我国开始,便凭借自身高产和优质的优势快速取代了亚洲棉,占领了我国棉花产业大部分的种植面积。一直以来,培育出高产、品质优异的棉花都是育种专家们共同的心愿,对提升农户棉花种植的积极性也显得尤为重要。杂交育种作为棉花育种的主导方法[3],可以使不同个体上的多个优良性状集中于一个个体上,具有选育周期短,增产效果大部分来源于杂交一代的杂种优势[4]。杂种优势现象已经被应用到了许多作物育种实践中,不同类群(系)的杂交第一代常常显现出杂种优势,这也是生物界的一个普遍现象[5],杂种优势最重要的特征是可以选出质量高优的组合,配合力也是确定最佳组合的有力工具之一[6],而亲本配合力的好坏也是选择亲本的主要根据[7],为了使父本、母本优秀的品质遗传下去,设计杂交组合按照育种家的经验来进行,设计组合的好坏直接关系杂交后代的质量[8-9]。近年来,不完全双列杂交法因其研究简便,难度小,深受育种家的青睐[10],在作物的杂交育种研究中被广泛使用。遗传本身就具有复杂性和随机性,因此并不是所有的组合都可以遗传到父母本的优秀品质,需要结合组合本身的遗传力和配合力来挑选出综合表现较好的组合。本试验选用NCII不完全双列杂交设计了50个杂交群体,估计早熟陆地棉基因型之间的配合力、遗传力和杂种优势,并在产量和纤维品质方面鉴定出优秀的组合,为棉花产量及品质的提升提供可靠依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料选用新疆农垦科学院棉花研究所多年收集的新疆优良早熟品种(系)作为父本和母本,其中母本材料为塔2、133、石H14、五15-2、新丰186、新石H21、新陆棉3号、五师1759、科金棉2号、石研1号(分别用A1、A2、A3、A4、A5、A6、A7、A8、A9、A10表示),其中父本材料为金垦1645、147-3、25-19、澳棉F1、惠远720(分别用B1、B2、B3、B4、B5表示)。本试验对照材料选用新陆早61号(CK)。

1.2 试验设计

该试验于2020—2021年在新疆维吾尔自治区石河子市新疆农垦科学院棉花研究所试验地种植。2020年选用10×5 NCII设计50个不完全双列杂交组合。2021年于4月10日播种,采用随机区组试验,1膜6行,行长5 m,重复3次,膜下滴灌,化肥调控和病虫害预防等均与大田相同。

1.3 性状测定

采收时,每个组合选取10株生长发育较均匀且具有代表性的植株,每株收取1个棉铃,共选取10个棉铃,晾干后室内考种测量其籽棉质量(g)、皮棉质量(g)、单铃质量(g)、百粒质量(g)、衣指(g)、籽指(g)、衣分(%)等指标。扎花后取15 g左右的皮棉测定纤维品质,由新疆农垦科学院棉花研究所检测,采用Premier HFT9000,检测指标包括纤维长度(纤维2.5%跨度距离,mm)、整齐度(%)、马克隆值(μg/Inch)、比强度(cN/tex)、伸长率(%)。

杂种优势以F1和CK分别代表杂种一代组合各个性状和对照性状的平均值,竞争优势=(F-CK)/CK×100%[5]。

1.4 数据分析

数据使用Microsoft Excel 2016整理后,用Genstat 21st Edition(64 bit)数据处理软件进行配合力和遗传力分析。

2 结果与分析

2.1 相关性状的配合力方差分析

本试验总共10个母本,5个父本,得到50个组合,12个性状的配合力方差分析都具有极显著性差异。由表1可见,籽棉产量、单铃质量、马克隆值、比强度、伸长率这5个性状的一般配合力方差和特殊配合力方差都具有极显著差异,这5个性状既受到了加性效应的影响,又受到了非加性效应(包括显性效应和上位性效应)的影响。百粒质量、衣指、籽指、衣分这4个性状的一般配合力方差均存在显著差异,特殊配合力无显著差异。纤维长度母本的一般配合力方差呈极显著差异,父本的一般配合力方差和特殊配合力方差均无显著差异。整齐度父本的一般配合力方差呈显著差异,母本的一般配合力方差和特殊配合力方差均无显著差异。由试验结果可得,亲本的一般配合力高,组合的特殊配合力不必然会高;亲本的一般配合力低,组合的特殊配合力也不必然低。

表1 陆地棉12个性状的配合力方差分析

2.2 亲本一般配合力效应值分析

由表2、表3可见,同一性状不同亲本间的一般配合力效应值和相同亲本不同性状间的一般配合力效应值也各不相同。籽棉产量中一般配合力效应值最高的亲本是A5、B3,皮棉产量中一般配合力效应值最高的是A7、B3,百粒质量和衣指一般配合力效应值最高的是A9、B3,籽指一般配合力效应值最高的是A6、B3,单铃质量一般配合力效应值最高的是A5、B3,衣分一般配合力效应值最高的是A7、B5,纤维长度一般配合力效应值最高的是A8、B3,整齐度一般配合力效应值最高的是A3、B3,马克隆值一般配合力效应值最高的是A7、B3,比强度一般配合力效应值最高的是A6、A8、B3,伸长率一般配合力效应值最高的是A3、B1。由以上性状的一般配合力效应值综合来看,母本中一般配合力效应值较好的有A5、A6、A7、A8,父本中一般配合力效应值较好的有B3、B10。

表2 母本的一般配合力效应值

表3 父本的一般配合力效应值

2.3 特殊配合力效应值分析

由表4可见,籽棉产量和皮棉产量特殊配合力效应值均为正的组合有23个,籽棉产量和皮棉产量特殊效应值最高的组合是A5B3,籽棉产量效应值为11.982,皮棉产量效应值为10.996,第2位、第3位的组合是A5B1、A2B4;百粒质量、籽指和衣指特殊配合力效应值均为正值的组合有19个,百粒质量、籽指和衣指特殊配合力效应值最高的组合是A1B2;单铃质量特殊配合力效应值为正值的组合有25个,其中特殊配合力效应值较高的组合有A5B3、A5B1、A8B5,特殊配合力效应值最高的是A5B3;衣分特殊配合力效应值为正值的组合有25个,其中特殊配合力效应值较高的组合有A8B4、A2B2、A10B5,特殊配合力效应值最高的是A8B4;纤维长度特殊配合力为正值的组合有31个,其中特殊配合力效应值较高的组合有A5B5、A5B4、A6B1,特殊配合力效应值最高的组合是A5B5;整齐度特殊配合力效力值为正值的组合有23个,特殊配合力效应值最高的组合是A2B4;马克隆值特殊配合力效应值最高的组合是A1B2;比强度特殊配合力效应值最高的组合是A4B3;伸长率特殊配合力效应值最高的是A10B5。从以上性状的特殊配合力效应值综合来看,A5B3、A1B2、A8B4、A5B5、A2B4、A1B2、A4B3、A10B5、A5B1这些组合具有较大的利用价值。

表4 不同陆地棉组合12个性状特殊配合力效应值

2.4 遗传力和杂种优势分析

由表5可见,以新陆早61号为对照,对NCII不完全双列杂交设计的50个组合的12个性状平均杂种优势进行分析。12个性状中籽棉产量、皮棉产量、百粒质量、衣指、籽指、单铃质量、衣分、纤维长度、马克隆值、伸长率这10个性状的竞争优势均为正值,其中以衣指的竞争优势最大,达9.47%,其次是皮棉产量和百粒质量。12个性状中籽棉产量、皮棉产量、衣指、单铃质量、衣分、纤维长度、马克隆值、比强度和伸长率这9个性状的中亲优势为正值,其中又以皮棉产量的中亲优势最高,达5.94%,其次是衣分、马克隆值,分别为3.74%、3.65%。12个性状中超亲优势只有衣分是正值,达0.99%,其余均为负值。就每个组合的性状平均表现来看,各性状指标与对照相比都优于对照。这12个性状的一般配合力方差都高于特殊配合力方差,由此说明,这些性状的遗传力主要根据加性效应来决定。广义遗传力中百粒质量、衣指、籽指、衣分、马克隆值和比强度都超过40%,其中衣分的广义遗传力最高,为63.04%,其次是马克隆值、衣指,分别为51.43%、48.32%。狭义遗传力中百粒质量、衣指、衣分、马克隆值均大于40%,其中衣分的狭义遗传力最高,为63.04%,其次是衣指,为48.32%。综上所述,在遗传力上衣分的影响最大。

表5 陆地棉各性状的遗传力、杂种优势分析结果

2.5 产量最佳组合与对照之间性状比较

从表6可以看出,与CK组合相比较籽棉产量高于对照组合共有14个,其中籽棉产量最大的组合是A5B3,其次为A5B1、A8B3,与对照相比较增产率分别为19.61%、11.46%、9.85%,同时A5B3的单铃质量也是最高的。籽棉产量、单铃质量中特殊配合力较高的组合也是A5B3,而亲本中籽棉产量一般配合力最高的也是A5B3,与此结果一致,但是A5B3组合的衣分、整齐度、比强度、伸长率的特殊配合力都是负值,一般配合力中的衣分和伸长率也为负值,由此可见A5B3组合在产量提升上具有潜在利用价值。A5B1组合籽棉产量的特殊配合力虽然为正值,但是B1的一般配合力为负值,由此可知,亲本一般配合力低的,得到的组合特殊配合力不一定低。因此在选取组合时,应结合综合性状的结果来进行筛选,以此选取出最优秀的组合。

表6 陆地棉产量最佳组合的主要性状与对照均值比较

3 讨论与结论

杂种优势现象是普遍存在于大自然界中的生物特征之一[11-13],在作物研究中已经被得到广泛应用。本试验中提出的竞争杂种优势则是有着更直接经济意义的衡量标准“有用杂种优势”[4]。调查表明,竞争杂种优势的衣分和皮棉产量的竞争优势比例最大,分别达9.47%、8.45%,说明这些优良的早熟陆地棉亲本设计的杂交组合,F1代对产量提升具有极强的优势。不同棉花品种间具有一般配合力和特殊配合力的差别,采用优选亲本可以得到具有竞争优势的新组合[14]。通常一般配合力指一个亲本品种和其他很多品种的一系列杂交组合子代特性平均数,一般配合力主要受到加性效应的影响,主要体现在亲本品种把特性传递给下一代群体的能力,可在品种之间加以对比,以选取最好的杂交亲本,是评价亲本潜在育种能力的重要指标[15]。特殊配合力指某特定杂交群体的某特性实际测定数值和依据双亲一般配合力算得的理论精度之间的离差,特殊配合力主要受亲本种类间基因的非加性效应(包括显性效应和上位性效应)影响,特殊配合力体现了特定亲本组合产生杂种优势的潜在能力,据此可以选配最佳的组合。本试验优良组合中的A5B1,籽棉产量的特殊配合力为正值且排在第2位,亲本A5的一般配合力为正值,而亲本B1的一般配合力为负数;组合A8B4籽棉产量的特殊配合力为负值,但亲本A8、B4的一般配合力均为正值,其余几个组合与此结果大体一致。本试验结果表明,一般配合高的亲本,得到的组合特殊配合力不一定高;一般配合力低的亲本,得到的组合特殊配合力也不一定低;因此一般特殊配合力和特殊配合力效应值相对独立。本试验研究结果与前人部分研究结果[16-20]一致,对优良组合的选育具有潜在意义。所以,在选配杂交棉组合时,除了加强亲本一般配合力选取外,还应注意特殊配合力的选择,以及考虑综合性的表现[21]。

本试验总共选取了15个陆地棉品种(系),杂种竞争优势中优势高的是衣分、皮棉产量,达9.47%、8.45%。在配合力分析中,在母本中一般配合力效应值较好的有A5、A6、A7、A8,而父本中一般配合力效应值较好的有B1、B3。其中特殊配合力综合较好的组合是A5B3、A8B4、A4B3、A5B5、A2B4、A1B2、A10B5,籽棉产量与对照产量相比产量较高的组合有A5B3、A5B1、A8B3,增产率达19.61%、11.46%、9.85%。综合比较,对增产有利的组合有A5B3、A5B1、A8B3;对品质提升有利的组合有A8B4、A4B3、A5B5、A2B4、A1B1、A10B5。这些组合在生产和提升品质方面都具有较大的潜在利用价值。