环境条件响应下棉花基因型的热图聚类与产量性能分析：基于三年田间试验的形态特征与生物量积累研究

这篇综述通过三年田间试验（2017-2019）系统评估了9个棉花基因型在河南不同气候条件下的生长表现，揭示了温度、降水与相对湿度对棉花形态特征（如株高、真叶数）、生物量积累（LAI、生殖/营养生物量）及产量参数（籽棉产量、衣分、单铃重）的显著影响。研究采用热图聚类（heatmap clustering）和相关性分析，明确了基因型特异性响应模式，为选育抗逆（如高温、多雨）棉花品种提供了关键数据支持，对优化中国棉区栽培策略具有重要指导意义。

　　

摘要

研究聚焦棉花（Gossypium hirsutum）这一中国重要经济作物，通过三年（2017-2019）田间试验，分析了9个基因型在河南不同气候条件下的表现。结果表明，株高、真叶数和单株铃数等形态特征受年份和基因型双重影响显著。生殖生物量、叶面积指数（LAI）和生物量积累呈现明显季节性趋势，其中LAI在开花和结铃期达到峰值。2019年因平均温度较低（22°C）获得最高产量，而2018年高温（24°C）和过量降水（602 mm）导致产量下降。相关性分析揭示温度与降水对籽棉产量和最终生物量呈负相关，而气候参数与收获指数（HI）正相关。热图聚类将基因型按生长和产量特性分为松散型（如Z-60、Lu-28）和紧凑型（如Z-50、Z-92）两类，为抗逆育种提供了分类依据。

材料与方法

试验在中国农业科学院棉花研究所（CAAS）进行，采用随机完全区组设计（RCBD）。土壤基础肥力为氮0.65 g Kg^?1、磷0.01 g Kg^?1、钾0.11 g Kg^?1。测定指标包括：

1. 生物量：每15天取样，分器官（根、茎、叶、生殖器官）烘干称重，计算HI=（籽棉产量/地上部鲜生物量）×100。
2. LAI：通过扫描仪（Phantom p800xl）获取叶片图像，Image-Pro Plus 7.0分析面积。
3. 产量构成：手工采收籽棉，实验室轧花机测定衣分和单铃重。

结果

1. 生长特性：基因型Z-60株高最高（2019年112.67 cm），Z-50最低（2018年55 cm）。真叶数以J-228和Z-92最多（2019年19片），Z-50最少（2018年13.16片）。
2. 生物量：2018年因环境胁迫，营养生物量最低（2685.33–3933.06 kg/ha）。松散型基因型（如Lu-28）生殖生物量最高（2019年5697.50 kg/ha）。
3. LAI动态：2019年LAI峰值最高（Z-60达3.97），紧凑型基因型（如Xinluzao-33）LAI较低。
4. 产量：2019年籽棉产量最高（4261.8 kg/ha），单铃重以Lu-28最大（7.12 g）。相关性显示，温度每升高1°C，籽棉产量下降约5%。

讨论

1. 基因型差异：松散型基因型因较高LAI和生物量分配优势，产量显著高于紧凑型。
2. 气候影响：高温（>28°C）抑制花粉活力，导致铃重下降；过量降水引发烂铃，降低衣分。
3. 热图聚类：基因型分群与形态特征一致，如Z-60和Lu-28因高LAI和高生物量归为同一簇。

结论

研究明确了温度与降水是限制黄河流域棉区产量的关键因素，筛选出Z-60、Lu-28等耐逆基因型。未来育种应聚焦提高高温适应性（如增强光合效率）和优化水分利用效率（如根系构型改良），以应对气候变化挑战。