名優(yōu)谷子晉谷21 號雜交群體米色與主要農藝性狀相關性分析

馬貴芳 ，王宇杰 ，韓尚玲 ，韓淵懷 ，2，李紅英 ，2，侯思宇 ，2

（1.山西農業(yè)大學農學院，山西太谷030801；2.山西農業(yè)大學農業(yè)生物工程研究所，山西太谷030801）

谷子（Setaria italica）為單子葉植物綱禾本科狗尾草屬，其去殼之后被稱為小米[1-2]。谷子是世界上古老的農作物之一[3]，主要分布在亞洲和歐洲北部[4-5]，具有抗旱、耐瘠、生育期短等特點，是我國北方干旱半干旱地區(qū)的重要農作物之一[6]。谷子富含蛋白質、脂肪、糖類、維生素等多種功能營養(yǎng)成分，具有較高的營養(yǎng)價值[7]。同時，谷子具有清熱解渴滋陰補腎、調理腸胃的功效，長期食用可降低患糖尿病的風險[8]。小米的米色直接反映谷子的質量，是消費者選購小米的重要標準。相關研究表明，不同米色谷子品種，其營養(yǎng)品質差異明顯，小米的米色與其蒸煮后米飯的色澤、香味、適口性呈極顯著正相關，即米色越黃，米飯的香味、色澤、適口性越好[9]，則市場消費者就有購買的偏好，所以米色不僅能影響消費者的直觀選擇，還是評價小米品質的重要準則[10]。近年來，在谷子品質相關研究中，小米米色形成的機制成為當前谷子育種的熱點，而加大這方面的研究將有利于進一步提升谷子的品質，推動谷子新種質的選育及帶動相關產業(yè)的發(fā)展。

前期研究表明，米色b 值與小米籽粒黃色呈顯著正相關，b 值成為考量米色偏黃的重要指標，即米色b 值越大則米粒顏色越金黃潤澤，其外觀品質越好[11]。目前，國內外對于谷子農藝性狀的分析主要集中在產量性狀上[12-13]，對于米色及其與其他農藝性狀關聯(lián)分析的研究幾乎為空白。

本研究通過色差儀（美國 Xrite VS450）[14]對109 個單株進行米色測定，擬通過關聯(lián)分析解析雜交群體中米色與多個重要的農藝性狀之間的關系，從而推斷影響米色品質性狀的主要因素，旨在為將來通過雜交育種提高谷子米色品質奠定一定理論和應用基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試所有雜交親本及晉谷21 號×GBS 雜交組合產生的F2群體種子均由山西農業(yè)大學農業(yè)生物工程研究所提供（以晉谷21 號為雜交父本、GBS 為雜交母本）。

1.2 試驗設計

供試材料在山西農業(yè)大學申奉地區(qū)試驗站種植。該地區(qū)位于山西省晉中市太谷縣（112.615°E，37.438°N）。播種方式為人工條播，試驗田規(guī)格為行長2.0 m、株距0.2 m、行距0.3 m，F(xiàn)1收獲的每個單穗的籽粒種植在同一試驗田內，每隔50 行種植親本作為保護行。

1.3 調查項目及方法

于播種之日起，對其整個生長期進行觀察。待抽穗完全后，在每行隨機選取3 株長勢均一的健康植株，調查株高、穗長、第三節(jié)間粗、第四節(jié)間粗、主莖節(jié)數(shù)、倒一葉寬、倒二葉寬、倒三葉寬、穗下節(jié)間長等9 個田間農藝性狀。

收獲完全成熟谷穗，適當風干后，測定單株穗質量、單株粒質量、千粒質量等產量性狀。其中，千粒質量測定使用數(shù)粒儀隨機數(shù)取1 000 粒風干種子，并稱其質量（精確到0.01 g）。并且對種子脫米前后單位容積的質量進行稱量（精確到0.01 g）。

待田間農藝性狀和產量性狀測量完畢后，運用色差儀進行米色分析。色差儀參數(shù)中，以L 值表示顏色的明度、a 值表示顏色的綠紅值、b 值表示顏色的藍黃值。在試驗中事先設定容差范圍，通過判斷不同顏色的L、a、b 值是否在容差范圍內，進而判斷樣品品質是否合格。在色差儀的工作原理中，b 值大表示偏黃，b 值小表示偏藍。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗測定并收集了109 個單株的谷子F2雜交群體的12 個農藝性狀和3 個米色品質相關性狀。數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2016 進行后續(xù)分析；采用SPSS 20.0 軟件的分析工具欄執(zhí)行雙變量分析，選擇Pearson 相關系數(shù)對數(shù)據(jù)進行相關性分析；主成分分析以品種為固定因子，其他農藝性狀為變量，選擇數(shù)據(jù)降維進行因子分析得到相關變量矩陣，利用R 語言ggplot 包繪制載荷散點二維圖；并針對與b 值有顯著影響的因子提取進行回歸分析。

2 結果與分析

2.1 F2 雜交群體主要農藝性狀一般描述性統(tǒng)計

對晉谷21 號×GBS 雜交群體 F2進行農藝性狀及產量性狀調查統(tǒng)計，結果表明（表1），株高極大值為195.17 cm，極小值為102.67 cm；穗長極大值為35.00 cm，極小值為15.17 cm；第三節(jié)間粗與第四節(jié)間粗極大值分別為8.68、8.75 mm，極小值分別為4.26、4.35 mm，這2 個性狀之間的差異并不明顯；節(jié)間數(shù)極大值為15 個，極小值為8 個；倒一葉寬、倒二葉寬和倒三葉寬的最大值分別為38.73、40.22、37.19 mm，最小值分別為 15.46、19.40、19.99 mm，這幾個性狀的極差顯著且不同性狀之間差異較大；穗下節(jié)間長的極差為20.60 cm，相對較大；同時，單株穗質量（36.16 g）和單株粒質量（32.09 g）的極差也相對較大；千粒質量、脫米前單位容重和脫米后單位容重這幾個性狀的極差較小，差異不明顯。所測量的農藝性狀變異系數(shù)從大到小的順序是穗下節(jié)間長（29.4%）＞脫米后單位容重（22.0%）＞千粒質量（21.6%）＞脫米前單位容重（17.6%）＞單株粒質量（16.4%）＞單株穗質量（14.1%）＞倒一葉寬（13.4%）＞穗長（13.2%）＞第三節(jié)間粗（12.2%）＞倒三葉寬（11.9%）＞節(jié)間數(shù)（11.5%）＞第四節(jié)間粗（11.4%）＞株高（11.3%）＞倒二葉寬（11.1%）＞b 值（10.1%）。大部分性狀的變異系數(shù)相對較小，變異范圍均小于20%，但穗下節(jié)間長、脫米后單位容重和千粒質量這3 個性狀的變異范圍較大，均大于20%。

表1 主要農藝性狀及米色b 值的統(tǒng)計分析

2.2 F2 雜交群體主要農藝性狀間及其與米色值間的相關性分析

前期研究表明，田間性狀與產量性狀之間具有一定的相關性，而米色與農藝性狀之間的相關性目前尚不清楚，為了進一步明確其關系，本研究對米色與田間性狀及產量性狀進行Pearson 相關性分析，其結果列于表2。

表2 谷子 F2 雜交群體田間農藝性狀與米色b 值之間的相關性分析

從表2 可以看出，谷子主要農藝性狀之間存在一定的相關性，其中，株高與節(jié)間數(shù)（r＝0.467，P＜0.01）、穗長與第三節(jié)間粗（r＝0.531，P＜0.01）和第四節(jié)間粗（r＝0.549，P＜0.01）、穗長與節(jié)間數(shù)（r＝0.414，P＜0.01）、節(jié)間數(shù)與倒一葉寬（r＝0.246，P＜0.01）之間存在極顯著的正相關關系；大部分田間農藝性狀和b 值之間呈現(xiàn)負相關關系，且相關系數(shù)的絕對值極小，為弱相關或不相關。

表3 產量性狀與米色b 值之間的相關性分析

由表3 可知，谷子的產量性狀之間也存在一定的相關性，其中，單株穗質量與脫米前單位容重（r＝-0.238，P＜0.01） 和脫米后單位容重（r＝-0.211，P＜0.01）之間均存在極顯著的負相關關系；單株穗質量與單株粒質量（r＝0.970，P＜0.01）、脫米前單位容重與脫米后單位容重（r＝0.902，P＜0.01）、脫米后單位容重與 b 值（r＝0.254，P＜0.01）之間均呈極顯著正相關。

2.3 F2 雜交群體主要農藝性狀與米色值主成分分析

主成分分析法是在基本不損失原有信息的前提下，把原來的多個有一定關系的變量經過一定的數(shù)學處理轉換成新的互相不相關或相關性很低的幾個綜合變量，然后再對這些綜合變量進行分析[15]。為了更加充分地表達米色與農藝性狀之間的關系，本研究對F2雜交群體的12 個田間農藝性狀以及與米色品質相關的3 個性狀進行主成分分析，其結果列于表4。

從表4 可以看出，前9 個主成分的貢獻率分別為 27.696%、15.774%、11.965%、9.985%、8.353%、6.621%、5.393%、4.027%、3.191%，累積貢獻率達到93.004%。而二維的PCA 圖則可顯示出前2 個主成分的累計貢獻率達到43.47%，其可用來概括109 個谷子品種性狀的大部分信息。在15 個性狀中，倒一葉寬、倒二葉寬、倒三葉寬、穗長、第三節(jié)間粗、第四節(jié)間粗的特征向量值很接近，這可能是由于葉片中光合作用積累光合產物從源到庫、根部性狀增粗有助于營養(yǎng)吸收和運輸，從而影響穗長性狀，也可能只是由于數(shù)據(jù)上的相近使這些性狀的特征向量值接近。株高、穗下節(jié)間長、節(jié)間數(shù)、單株粒質量和單株穗質量在同一空間維度上，暗示株高、穗下節(jié)間長和節(jié)間數(shù)性狀與產量性狀之間有一定的相關性。同時，b 值、脫米前單位容重和脫米后單位容重的特征向量在一個維度上。由主成分分析得出的結果與相關性分析得出的結論是相符的。而千粒質量單獨在一個向量維度上，暗示該性狀可能受到其他農藝性狀的影響較小，或者影響因子較為復雜（圖1）。

表4 性狀的主成分分析

2.4 F2 雜交群體米色值與相關農藝性狀回歸分析

表5 b 值影響因素的回歸分析

表6 b 值影響因素的逐步回歸分析

通過SPSS 軟件進行回歸分析，分析b 值與田間農藝性狀和產量性狀之間的回歸關系，結果顯示（表5），脫米前單位容重對應的P值為0.019＜0.05，脫米后單位容重對應的P值為0.008＜0.01，故脫米前谷子的單位容重對b 值有顯著影響，脫米后的單位容重對b 值具有極顯著影響，脫米后單位容重越大，b 值越大。并且根據(jù)表6 可以得出一個回歸方程：b值＝9.124×脫米后單位容重＋29.718。

3 結論與討論

我國是小米消費大國，大部分消費者根據(jù)最直觀的視覺感受來選購小米，但有關米色的研究并不多，因此谷子品質育種進程緩慢。前期研究發(fā)現(xiàn)，小米米色的形成是由多基因控制的，其內在的遺傳關系十分復雜，并且特別容易被外界環(huán)境所影響[16]。趙海云等[17]對晉谷21 號的米質與環(huán)境因素關系的研究表明，小米的品質與種植地區(qū)的海拔、降雨量以及所施的肥料等外界因素有關，海拔越高，小米越金黃，雨水充沛的地方小米適口性更好。本研究通過對109 個谷子雜交F2單株的米色值及農藝性狀和產量性狀進行分析發(fā)現(xiàn)，影響米色變化的重要性狀為谷子脫米前后的單位容重，這為深入研究谷子米色品質形成的機制指出了新的研究方向。

變異系數(shù)可反映單位均值的離散程度，某一性狀的變異系數(shù)越大，則說明這一性狀在不同測量材料中的表現(xiàn)差異越大。本研究結果表明，變異系數(shù)大的是穗下節(jié)間長、脫米后單位容重和千粒質量，表明這3 個性狀的遺傳差異較大，推測其可能受環(huán)境影響較大；變異系數(shù)較小的是脫米前單位容重、單株粒質量、單株穗質量、倒一葉寬、穗長、倒三葉寬、第三節(jié)間粗、節(jié)間數(shù)、株高、第四節(jié)間粗、倒二葉寬、b 值，其變異系數(shù)均小于20%，說明這些性狀在群體中存在較小的遺傳變異。相關性分析結果表明，田間農藝性狀和b 值之間普遍都呈現(xiàn)出負相關，但相關系數(shù)的絕對值極小，相關性不顯著。脫米后的單位容重與b 值呈極顯著正相關。前人研究表明，谷子生長發(fā)育受多種環(huán)境因素影響[18]，因此，在分析影響米色的因素時容易產生復雜的互作問題，以至于不同的試驗研究得出不同的結論。本研究中，選用主成分分析結合相關性分析方法，通過對F2雜交群體的14 個性狀與米色品質相關性狀b 值進行分析，結果表明，b 值與脫米后單位容重呈顯著正相關關系。同時利用回歸分析得出，脫米后單位容重對b 值具有極顯著影響（P＜0.01），脫米后單位容重越大，b 值越大，回歸方程為：b值＝9.124×脫米后單位容重＋29.718。綜上所述，本研究初步推測谷子脫米后單位容重越高其米色越好。容重不僅是糧食檢驗中的一項重要指標，其高低可間接反映糧食質量的好壞[19]。禾璐等[20]研究表明，小米米色越黃，則香味越濃、適口性越好。本研究也推測，谷子單位容重與小米口感或食用品質之間存在某種關聯(lián)，但尚需進一步證實。

本試驗中所選用的親本分別為晉谷21 號和GBS，其中，晉谷21 號集優(yōu)質、高產于一體，米色金黃透明，營養(yǎng)品質及適口品質優(yōu)良[21]；GBS 為谷子雄性不育系，米色較差。用GBS 與晉谷21 號雜交可能會獲得超親優(yōu)勢的雜交子代單株。本研究結果表明，在F2群體中有15 個單株的米色要高于晉谷21 號，有19 個單株米色接近晉谷21 號，其余75 個單株的米色均低于晉谷21 號。同時分析也發(fā)現(xiàn)，米色高于晉谷21 號的15 個單株的脫米后單位容重均很高，這可能是由親本晉谷21 號的脫米后單位容重與米色性狀存在遺傳連鎖所致。相反，米色測定值低于晉谷21 號的品系，其脫米后單位容重明顯較低，這可能是受雜交另一親本GBS 遺傳背景的影響。該雜交群體的表型分離，進一步揭示了脫米后單位容重與米色性狀存在遺傳連鎖的關系。該研究結果可為將來進一步改良谷子米色品質與穩(wěn)產、豐產的谷子品種提供新的方向和思路。同時，這些米色好且農藝性狀理想的單株可作為潛在的高產優(yōu)質谷子新品種選育的材料來源。選育優(yōu)質米色上佳的谷子品種，對開拓山西省小米銷售市場，推進谷子產業(yè)的蓬勃發(fā)展具有積極的作用。