黑龍江糜子種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀遺傳多樣性

閆 鋒，李清泉，董 揚(yáng)，季生棟，鄭 旭，趙 蕾

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院齊齊哈爾分院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

糜子(PanicummiliaceumL.)起源于我國(guó)，富含營(yíng)養(yǎng)，具有較高的食用、藥用和飼用價(jià)值[1]，其生育期相對(duì)于其他作物短且耐瘠薄、耐旱，是干旱、半干旱地區(qū)糧食產(chǎn)區(qū)中的重要作物[2]。種質(zhì)資源是生物多樣性的重要組成部分，是新品種選育和種質(zhì)創(chuàng)新的重要物質(zhì)基礎(chǔ)[3]。為了更加高效地對(duì)這些種質(zhì)資源加以利用，必須對(duì)所掌握種質(zhì)資源的性狀表現(xiàn)充分了解，所以，對(duì)種質(zhì)資源進(jìn)行全面系統(tǒng)地鑒定是十分必要的。遺傳多樣性是生物多樣性的基本組成部分，是生物多樣性和物種多樣性的基礎(chǔ)，通常被認(rèn)為是種內(nèi)不同群體或群體內(nèi)不同個(gè)體間的遺傳變異總和[4-5]。形態(tài)學(xué)水平上的遺傳多樣性鑒定具有簡(jiǎn)單、易行、快速等優(yōu)點(diǎn)，目前已在大豆[6]、甜高粱[7]、小豆[8]等種質(zhì)研究中得到應(yīng)用。但是，由于表型性狀經(jīng)常會(huì)受到環(huán)境因素的影響而發(fā)生變化，有些情況下表型變化并不能真實(shí)反映遺傳變異，因此還需要進(jìn)行更深層次的研究，并加以比較、驗(yàn)證[9]。多基因控制的數(shù)量性狀也可以作為遺傳標(biāo)記利用，但必須通過(guò)數(shù)量遺傳學(xué)的方法盡量減少環(huán)境因素的影響。數(shù)量性狀更容易受環(huán)境條件的影響，用于檢測(cè)種質(zhì)之間的遺傳差異難度更大[10]。

糜子屬于小宗雜糧作物，多年來(lái)未得到足夠的重視，導(dǎo)致對(duì)其研究水平遠(yuǎn)落后于其他主糧作物。目前，國(guó)內(nèi)有關(guān)糜子的研究主要集中在資源收集鑒定[11-12]、品質(zhì)分析[13]、抗病蟲鑒定[14]以及抗逆鑒定[15-16]等方面。我國(guó)共收集到黍稷種質(zhì)資源10 200份，國(guó)家儲(chǔ)備8 849份，主要來(lái)自山西、陜西、寧夏、內(nèi)蒙古、甘肅、黑龍江等10個(gè)省、自治區(qū)[3]。黑龍江省農(nóng)科院齊齊哈爾分院自1958年成立以來(lái)，一直致力于黑龍江省糜子資源的收集、保存工作，共收集到黑龍江省糜子地方資源149份，但還未對(duì)這些資源進(jìn)行系統(tǒng)鑒定。本研究對(duì)此149份種質(zhì)材料農(nóng)藝性狀進(jìn)行鑒定，旨為糜子種質(zhì)資源創(chuàng)新篩選優(yōu)良的種質(zhì)資源，為選育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆性強(qiáng)的糜子新品種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)地概況

供試糜子種質(zhì)材料149份(表1)，來(lái)自于黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院草業(yè)研究所農(nóng)作物種質(zhì)資源中期庫(kù)。2016年在齊齊哈爾試種和擴(kuò)繁，試驗(yàn)地點(diǎn)位于黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院齊齊哈分院試驗(yàn)基地，土壤肥力中等，地勢(shì)平坦。試驗(yàn)區(qū)平均年降水量420 mm，平均年蒸發(fā)量1 506.2 mm,年均溫度3.5℃，活動(dòng)積溫2 900℃。試驗(yàn)地有灌溉條件，兩年試驗(yàn)前茬均為玉米。

表1 參試糜子資源國(guó)家種質(zhì)資源庫(kù)編號(hào)及原產(chǎn)地

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2018—2019年5—9月進(jìn)行，數(shù)據(jù)為2 a的平均值。試驗(yàn)小區(qū)行長(zhǎng)5 m，3行區(qū)，行距65 cm，小區(qū)面積9.75 m2,不設(shè)重復(fù)。成熟期每小區(qū)中間行取10株調(diào)查主莖高、主穗長(zhǎng)、主莖節(jié)數(shù)、花序色、穗分枝長(zhǎng)、花序密度、穗型，成熟籽粒風(fēng)干后測(cè)量單株粒重、千粒重，并同時(shí)觀測(cè)粒色。調(diào)查、考種方法參照《黍稷種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[17](表2)。

1.3 數(shù)據(jù)整理

采用Excel 2007進(jìn)行基本的數(shù)據(jù)整理。對(duì)花序色、穗分枝長(zhǎng)、花序密度、穗型、粒色5個(gè)質(zhì)量性狀分別予以賦值進(jìn)行分析(表2)；根據(jù)質(zhì)量性狀的賦值和數(shù)量性狀，利用Bio-Dap軟件計(jì)算遺傳多樣性指數(shù)。利用DPS 7.05進(jìn)行方差分析、主成分分析、相關(guān)性分析及聚類分析，其中聚類方法采用類平均法，遺傳距離為歐式距離。

表2 糜子農(nóng)藝性狀的描述規(guī)范

2 結(jié)果與分析

2.1 參試糜子種質(zhì)資源6個(gè)數(shù)量性狀遺傳多樣性分析

對(duì)149份糜子種質(zhì)資源6個(gè)數(shù)量性狀的分析結(jié)果(表3)表明，不同的性狀在種質(zhì)資源之間表現(xiàn)出較大差異，變異豐富。

表3 糜子種質(zhì)資源的數(shù)量性狀變異

6個(gè)數(shù)量性狀中，變異系數(shù)以主穗長(zhǎng)為最高(22.4%)，變化范圍為15.8～52.0 cm;生育期的變異系數(shù)最低(6.37%)，變化范圍為73～129 d。變異系數(shù)為主穗長(zhǎng)>單株粒重>主莖高>主莖節(jié)數(shù)>千粒重>生育期。千粒重的遺傳多樣性指數(shù)最高(2.06)，主莖節(jié)數(shù)的遺傳多樣性指數(shù)最低(1.37)。遺傳多樣性指數(shù)的排序?yàn)榍ЯＶ?主莖高、主穗長(zhǎng)>生育期>單株粒重>主莖節(jié)數(shù)。

2.2 參試糜子種質(zhì)資源5個(gè)質(zhì)量性狀遺傳多樣性分析

由表4可知，5個(gè)質(zhì)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)變化范圍為0.46～1.87，粒色的遺傳多樣性指數(shù)最高(1.87)，穗分枝長(zhǎng)短的遺傳多樣性指數(shù)最低(0.46)。從各性狀頻率分布上看，參試糜子種質(zhì)的花序色主要為綠色，所占比例為79.6%；穗分枝長(zhǎng)短以長(zhǎng)分枝類型為主，所占比例為82.9%；花序密度以中等密度為主，所占比例為78.1%；穗型主要以側(cè)穗類型為主，所占比例為78.1%。

表4 糜子種質(zhì)資源的質(zhì)量性狀變異

2.3 參試糜子種質(zhì)資源9個(gè)農(nóng)藝性狀相關(guān)性分析

對(duì)149份糜子種質(zhì)資源9個(gè)農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析(表5)表明：生育期與主莖高、主莖節(jié)數(shù)呈極顯著正相關(guān)；主莖高與主穗長(zhǎng)、主莖節(jié)數(shù)、千粒重呈極顯著正相關(guān)；主穗長(zhǎng)與穗分枝長(zhǎng)呈極顯著正相關(guān)，與花序密度、穗型呈極顯著負(fù)相關(guān)；單株粒重與穗型和花序密度呈極顯著正相關(guān)；穗分枝長(zhǎng)與穗型、花序密度呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表5 糜子主要農(nóng)藝性狀間的相關(guān)性

2.4 參試糜子種質(zhì)資源11個(gè)農(nóng)藝性狀主成分分析

利用DPSS 7.05對(duì)149份糜子種質(zhì)資源的11個(gè)主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析，分析結(jié)果表明，主要信息集中在前4個(gè)主成分中，累計(jì)貢獻(xiàn)率為72.49%(表6)。

表6 糜子11個(gè)農(nóng)藝性狀的主成分分析

第1主成分特征值3.798，貢獻(xiàn)率34.52%，載荷較高的性狀有穗分枝長(zhǎng)和主穗長(zhǎng)，特征向量值分別為0.472、0.432，這兩個(gè)性狀主要與穗型和花序密度有關(guān)；第2主成分特征值1.964，貢獻(xiàn)率17.85%，載荷較高的性狀有主莖高和主莖節(jié)數(shù)，特征向量值分別為0.524、0.461，這兩個(gè)性狀主要與生育期有關(guān)；第3主成分特征值1.161，貢獻(xiàn)率10.56%，載荷較高的性狀有花序色、粒色和千粒重，特征向量值分別為0.518、0.463、0.444，此類性狀主要和籽粒性狀有關(guān)；第4主成分特征值1.052，貢獻(xiàn)率9.56%，載荷較高的性狀有單株粒重，特征向量值為0.784，此類性狀主要與產(chǎn)量有關(guān)。

2.5 依據(jù)11個(gè)農(nóng)藝性狀對(duì)參試糜子種質(zhì)資源的聚類分析

利用dps 7.05軟件對(duì)149份參試糜子種質(zhì)資源的11個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行聚類分析，以歐式距離為遺傳距離，聚類方法采用類平均法，在遺傳距離為10.0處將參試糜子種質(zhì)資源分為4個(gè)類群(圖1)，每個(gè)類群數(shù)量性狀的平均值見表7。

表7 糜子種質(zhì)資源各類群數(shù)量性狀的特征

第Ⅰ類群包括11份資源，這個(gè)類群在數(shù)量性狀上與其他3個(gè)類群相比沒有特殊的地方，但是這個(gè)類群的糜子種質(zhì)皆為散穗類型，產(chǎn)量較低。

第Ⅱ類群包括4份資源，這個(gè)類群的主要特征是生育期(81.3)、主莖高(65.3)、主莖節(jié)數(shù)(5.0)、穗長(zhǎng)(25.2)、單株粒重(10.1)、千粒重(6.06)均處于較低水平，并且這個(gè)類群的4份糜子資源都屬于散穗野糜子類型，并不是傳統(tǒng)上理想的育種材料，但是可以針對(duì)這個(gè)類群的矮稈性狀加以重點(diǎn)關(guān)注利用。

第Ⅲ類群包括113份資源，這個(gè)類群的主要特征是生育期(116.7)、株高(112.2)、單株粒重(23.6)處于較高水平，說(shuō)明目前黑龍江糜子資源中中晚熟種質(zhì)較多，并且豐產(chǎn)性也比較好。

第Ⅳ類群包括21份資源，這個(gè)類群的主要特征是主穗長(zhǎng)(36.4)、單株粒重(28.9)是所有類群中最高的，并且主莖高(94.5)、生育期(107.7)處于中游位置，說(shuō)明這個(gè)類群的種質(zhì)具有較高的豐產(chǎn)性、抗倒伏性，并且具有適中的生育期，是糜子種質(zhì)資源創(chuàng)新中的理想資源，可以重點(diǎn)關(guān)注利用。

2.6 參試糜子種質(zhì)資源中的優(yōu)異種質(zhì)篩選

根據(jù)考種數(shù)據(jù)和田間表現(xiàn)分析，初步篩選出矮稈、早熟、結(jié)實(shí)率高和產(chǎn)量高的優(yōu)異種質(zhì)20份(表8)。其中早熟種質(zhì)5份，生育期76～100 d;矮稈種質(zhì)11份，株高43～80 cm;結(jié)實(shí)率好、產(chǎn)量高種質(zhì)7份，單株粒重32.1～35.9 g 。

表8 20份糜子優(yōu)異種質(zhì)

3 討 論

種質(zhì)資源是進(jìn)行植物種質(zhì)創(chuàng)新和新品種選育工作的重要基礎(chǔ)，而分析種質(zhì)資源的遺傳背景是育種突破的關(guān)鍵[18]。本研究以149份糜子種質(zhì)為材料，對(duì)11個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行了考察，研究了糜子種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的多樣性。從研究結(jié)果中可以看出，糜子種質(zhì)的農(nóng)藝性狀在不同材料中表現(xiàn)出了不同程度的多樣性。本研究中6個(gè)數(shù)量性狀變異系數(shù)變化范圍為6.37%～22.79%，其中有5個(gè)數(shù)量性狀的變異系數(shù)大于10%，表明參試糜子種質(zhì)之間存在較大差異，資源類型豐富，有利于特異種質(zhì)的篩選[19]。通過(guò)對(duì)數(shù)量性狀的變異系數(shù)和多樣性指數(shù)比較可以發(fā)現(xiàn)，二者表現(xiàn)的趨勢(shì)并不一致。說(shuō)明雖然變異系數(shù)和多樣性指數(shù)都可以用來(lái)描述性狀的變異情況，但是，二者反映變異情況的角度并不相同。多樣性指數(shù)反映的是性狀的不同等級(jí)的分布，即多樣性的均勻度，而變異系數(shù)反映的則是性狀變異的范圍[20]。質(zhì)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)相對(duì)較低，是因?yàn)橘|(zhì)量性狀多由一對(duì)或少數(shù)幾對(duì)基因決定，是植物固有性狀，不容易受到外界環(huán)境的影響[21]。

相關(guān)分析結(jié)果表明，主莖高與穗長(zhǎng)、主莖節(jié)數(shù)呈極顯著正相關(guān)，上述研究結(jié)果與郭世華等[22]的研究結(jié)果一致。主成分分析結(jié)果顯示，將糜子11個(gè)主要農(nóng)藝性狀可歸納為4個(gè)主成分，這4個(gè)主成分分別反映了穗型、生育期、籽粒性狀、產(chǎn)量。這4個(gè)主成分對(duì)總變異的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到了72.49%，每個(gè)主成分都比較客觀地反映了所控制的各性狀之間的相互關(guān)系。因此，在糜子種質(zhì)資源創(chuàng)新中應(yīng)根據(jù)不同的育種目標(biāo)加強(qiáng)對(duì)相應(yīng)主成分因子的選擇。

對(duì)149份糜子種質(zhì)資源的11個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行聚類分析，將農(nóng)藝性狀相似種質(zhì)聚為一類，共分為4大類群，各個(gè)類群之間差異明顯。通過(guò)聚類分析，初步明確了參試糜子種質(zhì)資源的不同類型，其中，第Ⅰ類群比較特殊，屬于野生糜子類型；第Ⅱ類群屬于矮稈、早熟種質(zhì)，可在糜子矮化育種中加以利用；第Ⅳ類群屬于生育期、株高適中，單株粒重大的種質(zhì)，具有很高的豐產(chǎn)潛力，為糜子高產(chǎn)育種的親本選擇提供了原材料。根據(jù)2 a的考種數(shù)據(jù)，初步篩選出了20份特異種質(zhì)，主要表現(xiàn)為矮稈、早熟、豐產(chǎn)類型，可在種質(zhì)資源創(chuàng)新工作中根據(jù)不同的育種目標(biāo)加以利用。

本文僅針對(duì)主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行了遺傳多樣性研究，一方面研究的深度及廣度還不夠，具有一定的局限性，另一方面由于農(nóng)藝性狀容易受到環(huán)境因素的影響，可能會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。若要深入全面地了解黑龍江省糜子種質(zhì)資源，還需要進(jìn)一步開展品質(zhì)性狀、抗逆性及分子水平的研究，這樣才能更加客觀、全面地對(duì)黑龍江省糜子種質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。