全 文 ：作物学报 ACTA AGRONOMICA SINICA 2011, 37(3): 389−396 http://www.chinacrops.org/zwxb/
ISSN 0496-3490; CODEN TSHPA9 E-mail: xbzw@chinajournal.net.cn

本研究由农业部转基因生物新品种培育重大专项(2008ZX08005-002), 国家棉花产业技术体系和国家科技支撑计划(2006BAD01A05-11)项目
资助。
第一作者联系方式: E-mail: haojjds@yahoo.com.cn
Received(收稿日期): 2010-06-11; Accepted(接受日期): 2010-12-06.
DOI: 10.3724/SP.J.1006.2011.00389
棉花叶片早衰的诊断及遗传效应分析
郝俊杰 1 刘焕民 1 马奇祥 1 崔小伟 1 于霁雯 2 贾新合 3 高俊山 4
1 河南省农业科学院植物保护研究所 / 河南省农作物病虫害防治重点实验室, 河南郑州 450002; 2 中国农业科学院棉花研究所, 河南
安阳 455000; 3 郑州市农林科学研究所, 河南郑州 450005; 4 开封市农林科学研究院, 河南开封 475004
摘 要: 比较了利用活体叶片快速、无损害诊断棉花叶片早衰的 SPAD 差值法和绿色叶面积分级诊断方法, 并分析
了棉花叶片早衰的数量遗传行为。选用不同叶形和早衰类型的 9个棉花品种(系), 比较开花当天倒 4叶及以后每 5 d
一次的 SPAD 值表明, 早衰棉花品种在开花 35 d 后 SPAD 值明显降低, 因此, 将开花后 35 d 和开花当天倒 4 叶的
SPAD的差值作为诊断棉花叶片早衰的指标。构建持绿亲本 33B和早衰亲本 CJ463的 6个世代(P1、F1、P2、F2、BC1
和 BC2), 用联合尺度检验法对其叶片早衰的数据进行世代均值分析, 结果表明棉花叶片早衰主要受加性遗传效应控
制, 至少是一对加性效应的主基因控制陆地棉叶片早衰遗传, 且遗传力较高, 说明对持绿材料的早代选择是有效的。
总之, 用 SPAD 差值和绿色叶面积分级两种诊断叶片早衰的方法来分析叶片早衰遗传及其与叶面积关系的结果基本
一致。
关键词: 棉花; SPAD值; 叶片早衰; 遗传效应
Genetic Effects and Diagnosis of Premature Senescence of Leaf in Upland
Cotton
HAO Jun-Jie1, LIU Huan-Min1, MA Qi-Xiang1, CUI Xiao-Wei1, YU Ji-Wen2, JIA Xin-He3, and GAO
Jun-Shan4
1 Plant Protection Institute, Henan Academy of Agricultural Sciences / Henan Key Laboratory for Control of Crop Diseases and Insect Pests, Zheng-
zhou 450002, China; 2 China Cotton Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Anyang 455000, China; 3 Zhengzhou Institute of
Agriculture and Forestry Sciences, Zhengzhou 450002, China; 4 Kaifeng Academy of Agriculture and Forestry Sciences, Kaifeng 475004, China
Abstract: Premature senescence of cotton has been occurring on an increasing scale in China, directly influencing both yield and
fiber quality. The most effective way avoiding premature senescence is to obtain stay-green variety in breeding programs. More-
over, plant breeders demand a simple and efficient diagnosis method, and farther understand the genetic basis of premature senes-
cence in cotton. The objective of this paper was to discuss the quick measurement harmless to plant, and to analyze the genetic
effects for leaf premature senescence in upland cotton. The SPAD readings of the fourth leaf from the top were measured at the
flowering day and also each five days after flowering in nine cotton varieties (lines). The SPAD readings at 35 days after flower-
ing (DAF) were decreasing in premature senescence cotton varieties (lines). Therefore, the SPAD difference between 35 DAF and
the flowering day was calculated as an indicator of the reduction in chlorophyll content; the greater the rate of reduction, the ear-
lier the senescence, and vice versa. The degree of leaf premature senescence was expressed by the reduction of SPAD or the scale
of the green-area in generations (P1, F1, P2, F2, BC1, and BC2) of the 33B×CJ463 cross. Generation mean analyses were conducted
to explain the inheritance of leaf premature senescence. The results showed the relative importance of additive effects controlling
leaf premature senescence. The estimated minimum number of genes controlling leaf premature senescence was an additive major
allele at least with relatively high heritability, suggesting the early selection for late-senescence varieties (lines) was effective in
the offspring. The relationships between premature senescence and leaf area per plant were different in the different segregating
generations. In a few words, the results of genetic analysis and the relationships between premature senescence and leaf area
measured by the reduction of SPAD and the scale of the green-area were relatively consistent.
Keywords: Cotton; SPAD reading; Leaf premature senescence; Genetic effects
390 作 物 学 报 第 37卷

叶片衰老是一年生植物生长发育过程中自然
的生理生化现象 , 其过程体现新陈代谢和体内养
分的再循环[1]。叶片衰老表现叶绿素降低、叶片变
黄, 进而影响光合和养分的吸收及积累, 可由外在
(水分、病害、伤害、养分等)和内在(基因、激素、
酶类等)两种因素导致。但是, 在正常的环境下, 有
些植物的叶片表现提前衰老, 即未老先衰, 又称早
衰。早衰不是自然衰老, 而是在有效的生育期内过
早停止了光合作用 , 从而影响植物的正常生长发
育。
棉花是我国重要的经济作物。近几年棉花早衰
的问题越来越普遍, 不仅影响棉花的产量, 而且导
致棉花纤维品质下降, 尽管一些农业措施在一定程
度上可以缓解棉花的早衰, 但其根本解决途径在于
改良棉花育种材料, 培育持绿的品种。对育种家来
说, 建立一套简单、直接、准确地诊断棉花早衰的
标准或方法, 且进一步理解早衰的遗传机制, 才能
更加有效地进行遗传操作和品种选育。目前, 测量
叶绿素含量、可溶性蛋白含量、相关酶活性或绿色
叶面积等方法已用于玉米、向日葵、大豆、水稻等
作物衰老、早衰的遗传分析、QTL定位等[2-6]研究。
关于作物育种, Thomas 和 Howarth[7]提出了作物持
绿性的概念, 即作物在后期发育阶段, 叶片延缓变
黄, 且仍保持较高的光合作用。但在棉花品种的选
育中, 早熟性是一个重要农艺性状, 而早熟往往伴
随着早衰, 表现遗传正相关[8-9]。喻树迅等[8]提出了
早熟不早衰的育种目标, 并研究了短季棉早衰和不
早衰品种相关酶的活性及其遗传, 提出了短季棉早
熟不早衰生化辅助育种技术。本研究参考 Jiang等[4]
和 Abdelkhalik 等[5]关于衡量水稻叶片衰老的方法,
探讨利用活体叶片来快速、无损害地诊断棉花叶片
早衰的方法, 并通过选用持绿和早衰的棉花材料作
亲本, 构建其 6个世代群体 , 来分析棉花叶片早衰
的数量遗传行为。
1 材料与方法
1.1 试验材料
选用不同叶形和早衰程度不同的 9 个棉花品种
(系)来确定棉花叶片早衰的诊断标准, 其中 8 个陆
地棉是新棉 33B(33B), 常规叶 ; CJ463, 超鸡脚叶 ;
33B×CJ463的 F1, 鸡脚叶; 邯郸 109(H109), 常规叶;
J98, 鸡脚叶; H109×J98, 亚鸡脚叶; 中棉所 45(Z45),
常规叶; C44, 超鸡脚叶 ; 一个海岛棉是海 7124
(H7124), 常规叶。
根据衰老程度及叶形选用叶片早衰遗传分析试
验材料, 母本新棉 33B, 常规叶、中熟棉品种, 叶片
不早衰; 父本 CJ463, 超鸡脚叶, 早熟、早衰品系。
人工去雄授粉组配 33B×GJ463 杂交种, 根据叶形来
判别杂交种 F1的真伪, F1自交后获得 F2, 同时组配 2
个回交世代 BC1(F1×母本)和 BC2(F1×父本)。
1.2 田间试验和数据收集
2006年, 将 9个棉花品种(系)种植在河南省农
业科学院试验地, 前茬作物为玉米。按照完全随机
区组设计, 2次重复, 单行区, 4月 26日直播。在每
个区组中, 每个品种(系)各选择 6 株, 在开花期(超
过 50%的单株开花)分别用叶绿素仪 SPAD-502 (Mi-
nolta Camera Company, Japan)测定开花当天倒 4叶
的叶绿素相对含量(SPAD), 并系红线作为记号, 随
后, 每 5 d测定一次开花当天倒 4叶(系红线的叶片)
的 SPAD值, 直到叶片开始变黄或枯死(约开花后 40
d), 确定叶片的叶龄和衰老时间。测量每个叶片的
SPAD 值时, 分别选主叶裂及其两侧的次叶裂共 3
个叶裂, 在其中部各测一次, 当叶片只有一个叶裂
时, 在其上、中、下各测一次, 取其平均值作为该叶
片的相对叶绿素含量。
2007年, 将 33B×CJ463的 6个世代(P1、F1、P2、
F2、BC1 和 BC2)种植在河南农业科学院试验地, 前
茬作物为玉米。按照完全随机区组设计, 3 次重复,
在每个区组中 P1、F1、P2各种植 12 株, BC1和 BC2
各 36株, F2 84株。4月 9日营养钵育苗, 5月初移栽,
行距 85 cm, 株距 34 cm。选 P1、F1、P2世代各约 36
株, BC1和 BC2世代各 80~96株, F2世代约 240株用
于调查。对选定的单株, 在开花当天确定主茎上的
倒 4 叶作为诊断叶片早衰的叶片, 并系红线作为记
号。6 个世代(P1、F1、P2、F2、BC1 和 BC2)中单株
的开花期以该株出现第一朵花为准。根据 2006年的
试验结果, 确定开花后 35 d为比较叶片衰老合适的
时间。因此 , 按上述方法用叶绿素计 SPAD-502
(Minolta Camera Company, Japan)分别测定开花当天
倒 4叶(系红线)和 35 d后同一叶片的 SPAD值。然
后计算其差值, 用来衡量叶片早衰的程度。
另一种衡量叶片早衰的调查方法为, 在开花后
35 d, 利用视觉估计开花当天的倒 4 叶(上述系红线
的叶片)中保持的绿色面积占总叶面积的比例, 分为
1~5级, 1级叶片全部变黄或完全死亡, 2级为叶片约
有 25%的绿色, 依次类推, 5级为全绿。
第 3期 郝俊杰等: 棉花叶片早衰的诊断及遗传效应分析 391


1.3 叶面积的估算
在每个区组的各个世代中, 分别对调查了叶绿
素相对含量和绿色叶面积分级的单株, 测定其主茎
单叶的叶面积。为了保证调查的叶片在相似的发育
阶段, 且具有可比性, 从主茎上第 11到第 14节位间
选取 2个成熟的叶片, 用 Canon AF相机对它们进行
图像采集, 用 NIH Image软件(http://rsb.info.nih.gov/
nih-image/)测量其叶面积的大小 , 用每一单株上所
选取的 2 个成熟叶片叶面积的平均值衡量该单株单
叶面积的大小。以上方法主要参考 Perez-Perez等[10]、
Waghmare等[11]和 Hao等[12]的研究方法。
1.4 统计和遗传分析
方差分析由 SAS 软件中的 PROC MIXED(SAS
Institute 1999)完成。用联合尺度检验法对 33B×
CJ463 的 6 个世代(P1、F1、P2、F2、BC1和 BC2)叶
片早衰的数据进行世代均值分析[13-14], 来分析棉花
叶片早衰的数量遗传, 其方差组分、遗传效应及其
标准误、遗传获得量(GN)、最小基因数的估计均由
Gusmini等[15]编写的 SAS程序 SASQuant完成(http://
cuke.hort.ncsu.edu/cucurbit/wehner/software.html)。最
小基因数的估计方法及假设参考 Gusmini 等 [15]、
Wright[16]、Lande[17]、Mather和 Jinks[14]的描述。采
用 Microsoft Excel软件进行回归分析和作图。
2 结果与分析
2.1 叶片早衰指标的确定
2006 年测量结果表明, 在开花后 5~30 d 之间,
大多数品种的 SPAD值高于开花当天, 在 30 d以后,
所有品种的 SPAD值均开始降低(图 1), 但降低的幅
度不同, 如 33B降低不到 1个单位, CJ463降低约 9
个单位, 说明叶片已开始衰老, 但衰老的程度不同。
在 35 d 以后, 所有品种(系)的叶绿素含量均明显的
降低 , 但降低的程度不同 , 如 33B 降低较小 , 而
CJ463 降低约 9~15 个单位。部分品种(系)间, 特别
是不同叶形的品种(系)SPAD 值有差别(图 1), 如超
鸡脚叶 CJ463和 C44较高, 而 H109和 H109×J98较
低, 杂交种的 SPAD 值在两个亲本之间。表 1 表明
33B开花后 40 d SPAD值仍高于开花当天, 进一步
说明 33B 是一个持绿品种, 因此在分析品种间的差
别时, 均和 33B相比。在开花后 5 d和 10 d, 大多品
种(系)间的差值不显著, 即使早衰的 CJ463 和持绿
的 33B差别也不显著。在 15 d, 和 33B品种相比, 差
别显著的品种(系)有 CJ463 和 H7124。在 20 d, 和
33B 差别显著的品种(系)有 CJ463、J98、H7124 和
C44。在 25 d和 30 d时, 除了 C44的 SPAD值降低
以外, 其他 8 个材料均比开花当天的高, 和 33B 差
别显著的品种(系)有 CJ463、J98和 C44。在 35 d, 和
常规叶相比, 所有鸡脚叶棉花的 SPAD 值均显著降
低 , 已显现出早衰的特征 , 而常规叶形材料的
SPAD 值均比开花当天的高, 与 33B 差别显著的品

图 1 9个棉花品种(系)开花后每 5 d SPAD值的变化
Fig. 1 Changes of SPAD at each five days after flowering in
nine cotton varieties (lines)

表 1 不同棉花品种(系)在开花后每 5 d与开花当天 SPAD差值的多重比较
Table 1 Comparison of SPAD difference between each five days after flowering and the flowering day in different varieties (lines)
开花后天数 Days after flowering 品种(系)
Variety (line) 5 d 10 d 15 d 20 d 25 d 30 d 35 d 40 d
33B 4.10 ab 4.01 ab 5.10 a 5.76 a 6.10 a 6.84 a 5.94 a 2.57 a
CJ463 5.29 a 2.86 abc 3.00 bc 2.96 bcd 2.56 cd 1.57 c −7.08 cd −22.29 f
33B×CJ463 5.20 a 4.28 a 5.24 a 5.40 ab 5.88 a 5.23 ab −3.88 bcd −14.98 e
H109 3.86 ab 3.71 ab 5.16 a 5.20 ab 5.49 a 5.50 a 1.60 ab −6.10 bcd
J98 3.04 b 2.23 bc 3.41 abc 2.92 bcd 2.67 bcd 2.22 bc −3.89 bcd −8.20 cde
H109×J98 4.49 ab 2.81 abc 4.19 abc 3.78 abcd 4.13 abc 4.92 ab −0.69 abc −5.76 bcd
Z45 4.24 ab 2.69 abc 4.40 ab 4.95 abc 5.29 ab 6.69 a 3.35 a −0.36 ab
H7124 2.85 b 1.74 c 2.28 c 2.12 d 3.36 abcd 5.17 ab 0.79 ab −4.93 bc
C44 3.63 ab 2.91 abc 3.68 abc 2.42 cd 1.02 d −1.48 d −7.88 d −12.62 de
标以不同小写字母的值在 0.05水平上差异显著。
Values followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level.

392 作 物 学 报 第 37卷

种(系)有 CJ463、33B×CJ463、J98和 C44。在 40 d,
除了 33B以外, 其他 8个材料的 SPAD值均降低, 特
别是 CJ463, 除 Z45外, 其他品种(系)均和 33B差别
显著。因此, 可根据开花后 35 d和开花当天叶片的
SPAD值的差值, 来诊断棉花叶片早衰的程度。
2.2 田间试验分析
对开花期的倒 4 叶, 用 SPAD 差值和叶片绿色
面积分级两种方法调查了 6 个世代的单株。亲本平
均数的结果表明母本 33B在开花后 35 d的叶绿素含
量比开花当天要高, 这与 2006 年的结果一致, 说明
母本是一个持绿品种, 而超鸡脚叶父本 CJ463 在开
花后 35 d基本变黄或死亡, 说明父本是一个早衰的
亲本, 因此它们的杂交组合及其分离世代适合进行
叶片早衰的遗传分析(表 2)。结合 F1代的 SPAD 差
值和叶片绿色面积分级的平均值, 可以发现杂交种
的早衰程度介于 2 个亲本之间, 说明 F1代也表现一
定程度的早衰。在分离世代中, BC2比 BC1世代明显
早衰, F2世代的平均也表现早衰。两种衡量早衰方法
的方差分析结果表明, 纯合世代的方差均小于分离
的 F2世代, 但 BC1世代的方差相对较小, 这可能是
由于其大多单株不早衰, 其变异相对较小, 而早衰
的世代, 单株间的调查值差别相对较大, 导致变异
变大。
2.3 基因效应
对 33B × CJ463组合 6个世代(P1、P2、F1、F2、
BC1和 BC2)的 SPAD 差值和叶片绿色面积分级的数
据, 利用联合尺度检验法进行世代均值的分析。两
种诊断方法的结果均表明中亲值(m)和加性效应(a)
达极显著水平, 而显性(d)、加×加互作(i)、加×显互
作(j)、显×显互作(l)效应均不显著(表 3)。说明陆地棉
叶片的早衰主要由加性效应控制, 不存在显性、上位
性互作效应。这两种方法的分析结果一致, 进一步说
明这两种方法均适合用来诊断棉花叶片早衰。
2.4 遗传力、最小基因数和遗传获得量
SPAD 差值和叶片绿色面积分级两种方法的分
析结果表明其显性方差均为负值 (表 4), 根据
Robinson 等[18]的结论, 负的方差被认为是 0, 因此,
广义和狭义遗传力相等, 以 SPAD 差值统计的遗传
力为 0.66, 以叶片绿色面积分级数据统计的遗传力
为 0.57, 均大于 50%, 说明叶片早衰在早代选择是

表 2 P1、F1、P2、F2、BC1和 BC2 6个世代叶片早衰的单株调查数、平均数和方差
Table 2 Number of individuals, means and variances of leaf premature senescence for the P1, P2, F1, F2, and backcross populations
BC1 and BC2 from cross of 33B × CJ463
SPAD差值 Reduction of SPAD 绿色面积分级 Scale of the green-area 世代
Generation
单株数
Number of individuals 平均数 Mean 方差 Variance 平均数 Mean 方差 Variance
P1 36 3.4 93.45 4.1 0.90
F1 35 −5.8 145.38 3.0 0.88
P2 35 −20.0 121.93 1.9 0.88
BC1 92 2.7 89.49 3.9 0.99
BC2 91 −12.0 156.03 2.4 1.38
F2 233 −8.1 183.74 2.9 1.66

表 3 棉花叶片早衰的中亲值、加性、显性、上位性及其各自标准误(SE)的估计
Table 3 Estimates of additive, dominance, epistatic effects and the standard errors (SE) from the joint scaling test for leaf senes-
cence in upland cotton cross of 33B × CJ463
SPAD 差值 Reduction of SPAD 绿色面积分级 Scale of the green-area 遗传效应
Genetic effects 估计值 Estimate 标准误 SE P 估计值 Estimate 标准误 SE P
m –8.15 0.89 0.000 2.88 0.08 0.000
a 14.57 2.30 0.000 1.45 0.23 0.000
d 16.31 11.92 0.173 1.01 1.11 0.363
i 14.11 8.14 0.085 1.04 0.79 0.192
j 3.10 4.03 0.445 0.37 0.39 0.342
l –23.39 20.29 0.251 –1.56 1.88 0.409
m: 中亲值; a: 加性效应; d: 显性效应; i: 加×加互作效应; j: 加×显互作效应; l: 显×显互作效应。
m: mid-parent effect; a: additive effect; d: dominance effect; i: additive × additive effect; j: additive × dominance effect; l: dominance ×
dominance effect.

第 3期 郝俊杰等: 棉花叶片早衰的诊断及遗传效应分析 393


表 4 叶片早衰的环境方差(VE)、表型方差(VP)、遗传方差(VG)、加性方差(VA)、显性方差(VD)、广义遗传力(H)和狭义遗传力(h)、最
小基因数(N)以及遗传获得量(GS)的估值
Table 4 Estimates of additive (VA), dominance (VD), phenotypic (VP), genetic (VG), and environmental variances (VE); broad-sense (H)
and narrow-sense (h) heritabilities; minimum number of genes (N); and genetic gain for leaf premature senescence in upland cotton
cross 33B × CJ463
参数
Parameter
SPAD差值
Reduction of SPAD
绿色面积分级
Scale of the green-area
VE 126.53 0.89
VP 183.74 1.66
VG 57.21 0.78
VA 121.97 0.95
方差组分
Variance components
VD −64.76 −0.18

H 0.66 0.57 遗传力
Heritability h 0.66 0.57

N1 1.20 0.80
N2 2.20 2.50
N3 1.20 0.80
N4 0.50 0.60
最小基因数
Minimum number of genes
N5 −8.70 1.00

GS05 18.50 1.50
GS10 15.80 1.30
遗传获得量
Genetic gain from selection
GS20 12.60 1.00
GS05、GS10和 GS20分别为 5%、10%和 20%选择强度下的遗传获得量。
GS05, GS10, and GS20 were the predicted genetic gain from selection under selection intensity of 5%, 10%, and 20%, respectively.

有效的。用 Wright[16]、Lande[17]和 Mather等[14]描述
的 5 种方法(N1~N5)来估计控制叶片早衰的最小基
因数, 结果表明由 SPAD 差值估计的最小基因数的
变幅为–8.7~2.2, 其中方法 5 结果为负值, 方法 1 和
方法 3 的结果相同; 由衰老分级数据统计的最小基
因数的变幅为 0.6~2.5, 方法 1和方法 3的结果也相
同。由于不同的估计最小基因数的方法中包括的世
代方差组分不一样, 且假设条件也不同, 结果就可
能不同, 比如, 在方法 2和方法 4中, 利用了回交世
代的方差, 且回交世代的遗传组成较复杂; 而方法
1和方法 3则没有利用回交世代的数据, 且这两种方
法假设分离基因均位于一个亲本、不连锁、有相等
的效应、没有上位性和显性效应、不存在与环境的
互作[16]。本文的研究表明叶片早衰的遗传没有上位
性和显性效应 , 此外 , 对最小基因数的估计 , 常用
的是方法 3, 即 N = (P1–P2)2/8(VF2–VE)[17], 因此可以
初步认为至少有 1 对加性效应的主基因控制陆地棉
叶片的早衰遗传。此外, 关于衰老的遗传获得量的
结果表明, 在 20%、10%和 5%的选择强度下, 由
SPAD 差值数据估计的遗传获得量为 12.6~18.5, 衰
老分级的遗传获得量为 1.0~1.5。
2.5 叶面积与叶片早衰的关系
利用线性回归分析了分离世代中单株单叶面积
与叶片早衰的关系(表 5)。在分离世代 BC1中, 叶面
积对 SPAD 差值和衰老分级这两种早衰指标的线性
回归的决定系数(R2)分别为 0.0082 和 0.0378, 均不

表 5 在 BC1、BC2和 F2分离世代中叶面积与叶片早衰(SPAD差值和衰老分级)的关系
Table 5 Regression of leaf area with leaf senescence (reduction of SPAD and scale of the green-area, respectively) in segregating
generations BC1, BC2, and F2
SPAD 差值 Reduction of SPAD 绿色面积分级 Scale of the green-area 分离世代
Segregating generation 回归方程 Regression R2 回归方程 Regression R2
BC1 y=0.0184x−2.6994 0.0082 y=0.0042x+2.6540 0.0378
BC2 y=0.0592x−24.0870 0.2450** y=0.0040x+1.5934 0.1268**
F2 y=0.0861x−27.3010 0.2722** y=0.0068x+1.3773 0.1861**
** 表示 t检验 0.01水平显著。** Significant difference of t-test at 0.01 probability level.
394 作 物 学 报 第 37卷

显著。在 BC2和 F2世代中, 叶面积对 SPAD差值和
衰老分级这两种衰老指标的回归存在一定的线性关
系 , 其决定系数(R2)均达极显著水平 , 但决定系数
的值偏低。以上数据表明在不同的分离世代中, 叶
面积对叶片衰老的程度影响不同, 但在不同的分离
世代中, 两种衡量早衰的指标与叶面积的关系分析
的结果基本一致。
3 讨论
由于早衰对作物的产量和品质造成不利的影响,
就提出了持绿或延迟衰老的育种目标[7]。但对育种
家来说, 为了减少工作量和试验方法的繁琐性及对
精密实验仪器要求, 有必要建立一套准确、简单、
直接地诊断早衰的标准或方法。在棉铃膨胀期, 叶
片的衰老主要表现为倒 3 叶和倒 4 叶变黄, 或由绿
色变为青铜色, 逐渐地向下部叶蔓延[19]。为了数量
化地估计棉花叶片的早衰, 我们采用了 SPAD 叶绿
素计和绿色叶面积分级两种方法, 其中 SPAD 叶绿
素计携带和操作方便。其原理是叶片的叶绿素浓度
与叶片对 550~675 nm 波长的反射系数或透射系数
高度相关, 据此手持式叶绿素仪可直接在田间测定作
物叶片的 SPAD 值, 保证了数据的可靠性, 相对于室
内测定叶绿素含量的方法要简单, 且已应用在诊断作
物氮素营养状况、作物早衰等的研究中[4-5, 20-23]。在诊
断水稻叶片早衰中, Abdelkhalik等[5]用 SPAD叶绿素
计测量开花当天的倒 2叶和开花后 25 d的 SPAD值
的差值来衡量早衰的程度, Jiang 等[4]也用 SPAD 叶
绿素计测量水稻抽穗当天的旗叶和倒 2 叶和抽穗后
30 d 的 SPAD 值的差值, 以及绿色叶面积分级来衡
量其早衰的程度。作物叶片的 SPAD 值受品种、生
育期、土壤养分等因素的影响, 但鱼欢等[20]的研究
结果表明 SPAD 值随着追氮量的增加而增加, 但是
施入过多的氮素对玉米穗位叶 SPAD 值没有显著的
影响, 因为过量的氮素不会增加叶绿素含量。为了
减小叶片 SPAD 值的差异性, 利用其差值或比值可
提高 SPAD 值的稳定性, 屈卫群等[21]的研究也证明
了这一点。本文发现 30 d时, 大多棉花的 SPAD值
高于开花当天, 而早衰棉花在开花后 35 d比开花当
天倒 4叶的 SPAD值明显降低, 而开花后 40 d即使
持绿棉花, 其 SPAD 值也比开花当天的低, 如海岛
棉 H7124。因此, 将开花后 35 d 和开花当天的倒 4
叶的 SPAD 的差值, 作为诊断棉花叶片早衰程度的
指标。6 个世代的 SPAD 差值和衰老分级数据的遗
传效应、相关遗传参数及叶面积与衰老关系等结果
的一致性, 也说明叶片绿色面积分级法也可作为诊
断棉花早衰的标准。尽管两种方法均可用来诊断棉
花叶片早衰, 但绿色叶面积分级可能由于不同人员
视觉误差造成结果不一致, 而 SPAD 差值是叶绿素
计测量而来, 相比更准确, 只是工作量比前法要大。
尽管棉花的早衰受水分、肥料、微量元素、病
害、虫害等外界因素的影响, 但其内在的遗传因素
仍然起主要作用。况且培育不早衰棉花品种是解决
这一问题最经济有效的途径。本研究的结果表明棉
花早衰主要受加性遗传效应控制, 最小基因数的结
果进一步表明至少是一对加性效应的主基因控制陆
地棉叶片的衰老遗传, 且遗传力较高, 说明在后代
对不早衰材料的选择是有效的。Yu等[22]分析了与短
季棉早熟不早衰有关的生化遗传, 分析了不同时期
叶绿素含量的遗传, 发现加性、显性和上位性的不
同表现, 以及各遗传效应与环境的互作, 这与本研
究的结果不太一致, 可能是所用遗传模型或衡量早
衰指标不同所致。近几年, 多个研究利用分子标记
来分析作物叶片衰老或早衰 QTL。以水稻为例 ,
Jiang 等[4]发现 46 个 QTL 影响其叶片的早衰, 其中
检测到部分 QTL的上位性互作, 但在本研究中没有
检测到棉花早衰遗传的上位性互作效应。和其他作
物相比, 陆地棉种内分子标记多态性较低, 阻碍了
棉花早衰的 QTL定位。从生理生化的角度分析, 棉
花早衰涉及多种酶类和激素[8,22-23], Dong等[23]发现
ABA 等多种激素参与棉花衰老的调控, 大多是通过
根直接或间接地影响叶片中这些激素的水平, 说明
早衰可能是多种因素及其网络共同调控的结果。尽
管如此, 本文以利用数量遗传模型, 从遗传育种角
度探讨了常规育种手段改良棉花不早衰性状所需要
的遗传力、不同选择强度下的遗传获得量等。利用
Hallauer 和 Miranda[24]的方法估算了在不同选择强
度下的遗传获得量, 结果表明后代有效的中选单株
可能提高 12.6~18.5 个 SPAD 单位, 或 1.0~1.5 个衰
老分级比例 , 当然 , 遗传力直接影响遗传获得量 ,
本文 SPAD 差值统计的遗传力为 0.66, 叶片绿色面
积分级的遗传力为 0.57, 均大于 50%, 遗传力和遗
传获得量的结果说明要克服叶片早衰在早代选择是
有效的。这在目前缺少关于棉花早衰分子研究的情
况下, 对改良棉花早衰具有一定的借鉴意义。此外,
在本研究中, 一些方差为负值, 相似的结果也有报
道[12,25], 根据 Robinson 等[18]的结论, 这些负方差通
第 3期 郝俊杰等: 棉花叶片早衰的诊断及遗传效应分析 395


常被认为是 0。
由于本研究所选用的两个亲本分别为阔叶和超
鸡脚叶, 是棉花叶形中的两个极端类型, 其叶面积
的大小直接影响叶面积指数。鸡脚叶表现更高的二
氧化碳冠层吸收率和单叶光合作用[26]、更大的二氧
化碳交换率和更有效的水分利用率, 以及较低的气
孔导率[27], 但由于单叶面积较小, 影响整株的叶面
积指数, 特别是在开花期和铃膨胀期, 其光合作用
吸收的养分可能不能满足正常的需要, 造成源-库失
调, 导致棉花的早衰。关于叶面积与衰老的关系, 由
于不同世代的遗传组成不同, 造成在不同的分离世
代中, 叶面积对叶片衰老程度的影响不同, 但两种
衡量早衰的指标与叶面积的关系基本一致。在 BC1
回交世代中, 单株的叶形只有常规叶、亚鸡脚叶和
鸡脚叶, 大多数不表现早衰, 叶面积对 SPAD 差值
和衰老分级这两种衰老指标的决定系数(R2)均不显
著。在 BC2世代中, 叶形为鸡脚叶和超鸡脚叶, 大多
数单株表现早衰, 叶面积对 SPAD 差值和衰老分级
这两种衰老指标的决定系数 (R2)均达极显著水平 ,
但决定系数的值通常偏低。在 F2世代中, 叶形为常
规叶、鸡脚叶和超鸡脚叶, 大多数单株表现早衰, 叶
面积对 SPAD 差值和衰老分级这两种衰老指标的决
定系数(R2)均达极显著水平。就本文所选择的 9个不
同叶形和早衰类型的材料来说, 从叶形的角度分析,
叶面积直接由叶形决定, 在开花后 35 d, 超鸡脚叶
品种 CJ463 和 C44 表现严重早衰, 鸡脚叶 J98 和
33B×CJ463 一定程度早衰, 亚鸡脚叶杂交种 H109×
J98 早衰相对较轻, 而常规叶棉花基本不早衰(表 1),
说明叶形或叶面积对早衰有一定程度的影响。但叶
面积直接影响叶面积指数, 最终可能影响整个棉株
冠层的光合作用及源库关系, 从而可能导致叶片不
同程度的早衰。由于本文对叶片早衰进行遗传分析
所选用的品种 CJ463和 33B为超鸡脚叶和常规叶两
个极端的叶形, 单叶面积差别极大, 这和前人利用
常规叶形分析棉花早衰不同[8-9,22], 叶面积的差别也
可能导致分析结果的不同。
4 结论
开花后 35 d和开花当天的倒 4叶的 SPAD的差
值, 以及绿色叶面积分级均可作为快速、无损害地
诊断棉花叶片早衰的方法。棉花早衰主要受加性遗
传效应控制, 至少是一对加性效应的主基因控制陆
地棉叶片的早衰遗传, 且遗传力较高, 说明在后代
对不早衰材料的早代选择是有效的。
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