雜交谷子重組自交系群體農(nóng)藝性狀分析

趙 芳， 張曉磊， 魏 瑋， 趙治海， 王曉明， 宋國亮

(張家口市農(nóng)業(yè)科學院/國家谷子改良中心張家口雜交谷子分中心/河北省雜交谷子工程技術(shù)研究中心， 河北 張家口 075000)

path analysis; genetic analysis

隨著全球氣候的不斷變化，水資源緊缺問題日益突顯。據(jù)統(tǒng)計，全球每年因干旱導致的糧食減產(chǎn)占減產(chǎn)總量的50%以上，干旱成為影響糧食作物產(chǎn)量的最主要的非生物脅迫。因此，在現(xiàn)代作物科學研究工作中，提高作物的抗旱性已成為急需解決的關(guān)鍵問題之一[1-2]。谷子(Setarialitalica(L.)Beauv.)具有耐旱、耐貧瘠、籽粒營養(yǎng)豐富、谷草品質(zhì)優(yōu)良等特點，在作物抗旱種質(zhì)資源利用方面具有獨特的研究價值。谷子全基因組測序的完成為研究谷子功能基因組提供錄入平臺，發(fā)掘與鑒定谷子抗旱基因資源，探索谷子抗旱機制對于促進其基因資源的利用和抗旱育種有著極為重要的理論和實踐意義[4]。

谷子的耐旱性較強，但其耐旱機制目前尚不明確，且不同品種的抗旱能力存在著明顯的差異。劉婧等[5]利用全生育期干旱法對68份谷子種質(zhì)資源進行抗旱性評價，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫對穗長的影響大于株高的影響。馮小磊等[6]，通過調(diào)查單株谷重、株高、穗長、分蘗、單穗谷重和草重等農(nóng)藝性狀篩選出適合旱作地區(qū)種植的谷子雜交種DH 2。秦嶺等[7]以-0.5 MPa的PEG-6000作滲透介質(zhì)模擬干旱條件，對不同生態(tài)區(qū)的谷子品種(系)進行種子萌發(fā)耐旱鑒定。根據(jù)萌發(fā)耐旱指數(shù)，將201份谷子品種(系)劃分為極抗旱、抗旱、中度抗旱、不抗旱和極不抗旱5個等級。

全生育期抗旱一般采用旱棚、旱池、人工遮蓋或降水量少的干旱地區(qū)田間種植，但此法存在周期長、消耗人力、材料數(shù)量相對受限等因素，目前在谷子抗旱鑒定中研究應用較少[8-9]，但結(jié)果更為可靠[8]?，F(xiàn)有一種在極度干旱地區(qū)鑒定的方法[6,10]，它是指在極干旱地區(qū)田條件下只在播種前澆適量底墑水，覆膜后全生育期不再澆水，最終以株高、穗長、粒重、草重等指標評價材料的抗旱性，方法相對簡單易行。

為了更進一步了解谷子的抗旱性，尋找新的抗旱高產(chǎn)育種資源，本研究以張雜谷3號的341個RIL群體為材料，通過分析了抽穗期、倒二葉長、倒二葉寬、株高、莖稈粗度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)、有效穗數(shù)、穗頸長度、穗長、穗粗、穗碼數(shù)、碼粒數(shù)、穗重、穗粒重、草重和千粒重等16個主要農(nóng)藝性狀的遺傳變異，通過相關(guān)性分析、逐步回歸分析、通徑分析和聚類分析等4種分析方法，深度挖掘影響雜交谷子單株穗粒重的重要因子，篩選綜合性狀表現(xiàn)優(yōu)良的株系，為高產(chǎn)雜交谷子的選育提供指導，也為開展重要谷子農(nóng)藝性狀的QTL定位奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用張雜谷3號(不育系A(chǔ) 2×冀張谷1號×SR 3522)分離341株F20重組自交系群體，于2018年在甘肅敦煌市甘肅省農(nóng)業(yè)科學院基地(40°8′N，94°41′E)進行，所用材料由張家口市農(nóng)業(yè)科學院谷子所提供。

1.2 試驗方法

本試驗每個株系種植1個小區(qū)，每小區(qū)種植4行，行長1 m，行距0.33 m，小區(qū)面積1 m2，中等肥力，覆膜穴播，整個生育期不澆水，常規(guī)田間管理。

1.3 農(nóng)藝性狀調(diào)查

田間性狀調(diào)查參照《谷子種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》[11]進行，田間觀察記載抽穗期，于灌漿期田間測量倒二葉長、倒二葉寬、株高、莖稈粗度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)、成穂莖數(shù)、穗頸長度、穗長、穗粗，成熟收獲時每小區(qū)連續(xù)取 10 株調(diào)查穗重、穗粒重、單株草重、穗碼數(shù)、碼粒數(shù)、千粒重等指標。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010軟件對各性狀的平均值、標準差、變異系數(shù)等進行統(tǒng)計分析，用SAS 8.1軟件(SAS Institutie，美國)的ANOVA程序進行數(shù)據(jù)方差分析，用F測驗進行親本間各農(nóng)藝性狀的差異比較，用Duncan’s 法進行各類群間農(nóng)藝性狀差異的顯著性檢驗和多重比較分析。農(nóng)藝性狀之間的Pearson相關(guān)性分析、主要農(nóng)藝性狀對單株籽粒質(zhì)量的逐步多元回歸、通徑分析采用SPSS 19.0軟件完成。應用SAS軟件中的組建聯(lián)接進行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本及RIL群體主要農(nóng)藝性狀的評價

親本主要農(nóng)藝性狀的方差分析表明(表1)，父本的倒二葉長、株高和莖稈粗度高于A 2，但差異不明顯。父本的穂重和穗粒重顯著高于A 2(p<0.01)。父本成穂莖數(shù)顯著低于A 2(p<0.01)。父本的抽穗期和單株草重低于A 2，差異不明顯。兩親本的倒二葉寬、伸長節(jié)節(jié)數(shù)、穂頸長度、穂長、穂粗、穂碼數(shù)、碼粒數(shù)和千粒重等8個性狀差異不明顯(p>0.05)。

RIL群體中各個主要農(nóng)藝性狀存在較大差異(表1)。成穂莖數(shù)的變異系數(shù)最大(40.43%)，碼粒數(shù)(35.86%)次之，千粒重(7.91%)最小。RIL群體16個農(nóng)藝性狀的偏度和峰度基本小于1，呈現(xiàn)出典型的數(shù)量性狀特征，所有性狀值呈連續(xù)性且類似正態(tài)分布(圖1)，表明所調(diào)查的性狀均為多基因控制的數(shù)量性狀。除了倒二葉寬、伸長節(jié)節(jié)數(shù)、單株草重和千粒重外，其他12個性狀均存在明顯的超親分離現(xiàn)象。在RIL群體中，抽穗期、倒二葉長、株高、莖稈粗度、成穂莖數(shù)和穂重的平均值介于雙親之間，倒二葉寬、伸長節(jié)節(jié)數(shù)、單株草重平均值低于雙親，而穗頸長度、穂長、穗粗、穂碼數(shù)、碼粒數(shù)和千粒重平均值均大于雙親。

表1 親本和重組自交系群體主要農(nóng)藝性狀的表型變異Table 1 Phenotypic variation of main agronomic traits in parents and RILs

2.2 RIL群體主要性狀的相關(guān)性分析

由 RIL 群體各農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析可知，穗粒重與抽穗期、成穂莖數(shù)、單株草重和穂重均呈極顯著正相關(guān)，與倒二葉長、莖稈粗度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)和千粒重呈極顯著負相關(guān)。說明育種中應選擇生育期較長，分蘗較多，單株草重和穗重較重的材料。同時，抽穗期與倒二葉長、莖稈粗度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)、穗碼數(shù)、單株草重和穗粒重均呈極顯著正相關(guān)，與成穂莖數(shù)、穗頸長度、穗粗、碼粒數(shù)呈極顯著負相關(guān)；成穂莖數(shù)與穗頸長度、穂粗、穗重、穗粒重均呈極顯著正相關(guān)，與抽穗期、倒二葉長、倒二葉寬、株高、莖稈粗度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)、碼粒數(shù)和千粒重呈極顯著負相關(guān)；單株草重與抽穗期、倒二葉長、穗碼數(shù)、穗粒重均呈極顯著正相關(guān)，與碼粒數(shù)呈極顯著負相關(guān)；穗重與成穂莖數(shù)、單株草重、穗粒重均呈極顯著正相關(guān)，與倒二葉長、莖稈粗度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)和千粒重呈極顯著負相關(guān)(表2)。

表2 谷子RIL群體各農(nóng)藝性狀的相關(guān)分析Table 2 Correlation analysis of agronomic traits in RILs of millet

2.3 單株穗粒重對農(nóng)藝性狀的逐步回歸分析

以穗粒重 (Y) 為因變量，以抽穗期(X1)、倒二葉長(X2)、倒二葉寬(X3)、株高(X4)、莖稈粗度(X5)、伸長節(jié)節(jié)數(shù)(X6)、成穂莖數(shù)(X7)、穗頸長度(X8)、穗長(X9)、穗粗(X10)、穗碼數(shù)(X11)、碼粒數(shù)(X12)、單株草重(X13)、穗重(X14)、千粒重(X15)為自變量進行多元逐步回歸分析，刪除偏回歸參數(shù)不顯著的自變量，根據(jù)回歸系數(shù)輸出結(jié)果 (表 3) 獲得的最優(yōu)的線性回歸方程：

Y=-0.693-0.181X4+2.096X7+0.271X9+0.191X10+0.175X14+1.032X15。該方程擬合度R2為0.920，即該方程可解釋穗粒重92.0% 的表型變異，說明株高、成穂莖數(shù)、穂長、穂粗、穗重和千粒重是影響穗粒重的主要因素，其中成穂莖數(shù)、穂長、穂粗、穂重和千粒重每增加1個單位，穗粒重平均分別增加2.096、0.271、0.191、0.175 g和1.032 g，而株高每增加1個單位，穗粒重減少 0.181 g。

表3 單株穗粒重對農(nóng)藝性狀的多元回歸分析Table 3 Multiple regression analysis of the kernel weight of spike per plant to agronomic traits

2.4 主要農(nóng)藝性狀對穗粒重的通徑分析

為明確雜交谷子14個農(nóng)藝性狀對單株穗粒重的具體作用，參照宋小園等[12]方法進行通徑分析，計算出各性狀的間接通徑系數(shù)，結(jié)果表明(表4)，這14個性狀對穗粒重的直接貢獻大小依次為：千粒重、穂重、成穂莖數(shù)、穂粗、穂長、抽穗期、倒二葉寬、倒二葉長、穂頸長度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)、碼粒數(shù)、莖稈粗度、穂碼數(shù)和株高。其中千粒重、穂重、成穂莖數(shù)、穂粗、穂長和抽穗期對穗粒重的正向直接作用，直接通徑系數(shù)分別為0.826、0.192、0.077、0.062、0.051和0.011，而株高、倒二葉寬、穂碼數(shù)、莖稈粗度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)、碼粒數(shù)、穂頸長度和倒二葉長對穗粒重是負向直接作用，通徑系數(shù)分別為-0.123、-0.043、-0.026、-0.022、-0.022、-0.021、-0.021、-0.018和-0.005。說明千粒重大、穗重較重、分蘗多、穗比較粗和長、生育期較長是雜交谷子穗粒重大的主要表現(xiàn)特征。

表4 谷子單株粒質(zhì)量與主要農(nóng)藝性狀的通徑分析Table 4 Path analysis of grain weight per plant and main agronomic traits in millet

2.5 RIL群體農(nóng)藝性狀的聚類分析

基于16個農(nóng)藝性狀的表型值對RIL群體的聚類分析顯示，在歐式距離為25.0處可劃分為六類(圖2)，各類群主要農(nóng)藝性狀平均值統(tǒng)計結(jié)果(表5)。第Ⅰ類群包括269份材料，其主要特征是抽穗期63.2 d；倒二葉長均值為40.53 cm；倒二葉寬均值為2.79 cm；株高、莖稈粗度、穂頸長度和穂粗的均值為77.13 cm、10.42 mm、26.68 cm、36.43 mm，在六大類群中均排名第2位；伸長節(jié)節(jié)數(shù)、成穂莖數(shù)、穂長、穂碼數(shù)和單株草重的均值為15.92節(jié)、2.4個、23.85 cm、80.37、75.54 g，在六大類群中均排名第3位；穗粒重和千粒重的均值為60.89 g、3.2 g，排名第4位。綜合分析這些性狀，該類群中生育期較長，屬中晚熟類型，植株較高，莖稈較粗，穂頸較長，穂較粗，但產(chǎn)量較低。

表5 不同類群間農(nóng)藝性狀聚類統(tǒng)計Table 5 Cluster analysis of agronomic traits among different groups

第Ⅱ類群包括60份材料，其主要特征是抽穗期60.9 d；倒二葉長均值為40.8 cm；倒二葉寬均值為2.9 cm；株高、莖稈粗度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)和穗粗的均值為83.45 cm、10.71 mm、15.92節(jié)、39.78 mm，排第1位；碼粒數(shù)的均值為219.9，排第2位；千粒重的均值為3.28 g，排第3名；穗頸長度、穂長和穂碼數(shù)均值為25.56 cm、23.39 cm、72.89，排第4位；成穂莖數(shù)、穗長、單株草重、穗粒重的均值為1.84個、61.78 g、55.92 g，排第5位；穂重的均值為70.63 g，排第6位。綜合分析這些性狀，該類群中生育期中等，屬中熟類型，植株最高、莖稈最粗、伸長節(jié)節(jié)數(shù)最多、穗最粗，但穗重、穗粒重在各類群中處于較低水平。

第Ⅲ類群包括8份材料，其主要特征是抽穗期73.3 d；倒二葉長均值為42.68 cm；倒二葉寬均值為2.71 cm；穗碼數(shù)和單株草重均值為86.32、119.67 g，排第1 位；穂頸長度和千粒重的均值分別為25.88 cm、3.21 g，排第3位；莖稈粗度、成穂莖數(shù)和穂重的均值為9.79 mm、2.25個、80.22 g，排第4位；株高、伸長節(jié)節(jié)數(shù)和穂長均值為63.61 cm、15.25節(jié)、22.87 cm，排第5位；穗粗、碼粒數(shù)和穗粒重的均值為33.62 mm、56.42、48.98 g，在6大類群中均排6位。綜合分析這些性狀，該類群中生育期最長，屬晚熟類型，穗碼數(shù)最多，單株草重最重，產(chǎn)量最低。

第Ⅳ類群包括2份材料，其主要特征是抽穗期58.7 d，倒二葉長均值為41.25 cm；倒二葉寬均值為2.9 cm；穂頸長度和碼粒數(shù)的均值為33 cm、356.33，在6大類群中均排第1位；伸長節(jié)節(jié)數(shù)和穂長的均值為16節(jié)、24.95 cm，排第2位；穂重和穗粒重的均值為80.22 g、61.88 g，排第3位；株高、穂粗和單株草重的均值為74.22 cm、35.69 mm、65.08 g，排第4位；莖稈粗度和千粒重的均值為9.36 mm、3.13 g，排第5位；成穂莖數(shù)和穂碼數(shù)的均值為1.33個、62.25，排第6位。綜合分析這些性狀，該類群中生育期較短，屬早熟類型，穂頸最長，碼粒數(shù)最多，分蘗最少，產(chǎn)量屬中等水平。

第Ⅴ類群包括1份材料，其主要特征是抽穗期59 d；倒二葉長均值為37.97 cm；倒二葉寬3 cm；成穂莖數(shù)、穂長、穂重和穗粒重的均值為3.33個、28.57 cm、173.6 g、122.27 g，排第1位；穂粗和單株草重的均值為37.94 mm、114.05 g，排第2位；株高、莖稈粗度和穂碼數(shù)的均值為78.7 cm、10.11 mm、80.33，排第3位；伸長節(jié)節(jié)數(shù)和碼粒數(shù)的均值為15.67節(jié)、179.67，排第4位；穂頸長度的均值為24.4 cm，排第5位；千粒重的均值為2.86 g，排第6位。綜合分析這些性狀，該類群中生育期較長，屬晚熟類型，分蘗最多、穂最長、穂重和穗粒重最重，但千粒重最輕，產(chǎn)量屬上等水平。

第Ⅵ類群包括1份材料，其主要特征是抽穗期36 d；倒二葉長為46.6 cm，倒二葉寬為2.6 cm；千粒重均值分別為3.52 g，在6大類群中均排第1位；成穂莖數(shù)、穂重、穗粒重為2.5個、111.48 g、94.26 g，在6大類群中排均第2位；碼粒數(shù)的均值為183，在6大類群中均排第3位；穂粗和穂碼數(shù)的均值為34.16 mm、67，在6大類群中均排第5位；株高、莖稈粗度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)、穂頸長度和穂長的均值為61.33 cm、6.55 mm、13.33節(jié)、16.03 cm、19.63 cm，在6大類群中均排第6位。綜合分析這些性狀，該類群中生育期最短，屬早熟類型，千粒重最大，分蘗較多，穂重和穗粒重較大，產(chǎn)量屬中上等水平。

3 討 論

育種工作者為了滿足生產(chǎn)需要而創(chuàng)造遺傳變異，通常把農(nóng)藝性狀作為谷子種質(zhì)資源鑒定評價的重要依據(jù)。郭德仁等[13]對谷子雜交種F1、F2早熟性遺傳進行研究分析，發(fā)現(xiàn)在F2群體中抽穗期分離趨勢以中間型為主并趨于早熟親本。馬金豐等[14]以嫩選15和大金苗雜交組合F2群體為研究材料，該組合中株高、穗長、節(jié)數(shù)、莖長穗粗等主要農(nóng)藝性狀的偏度和峰度幾乎都小于1，呈正態(tài)分布。各農(nóng)藝性狀之間均呈顯著性正相關(guān)。劉曉輝等[15]對谷子8個組合F2代的6個性狀遺傳變異進行分析，F(xiàn)2群體普遍存在超親遺傳現(xiàn)象，其穗重、碼數(shù)、千粒重和株高等性狀分離均呈單峰曲線，近似于正態(tài)分布。本研究結(jié)果顯示，RIL群體親本成穂莖數(shù)、穂重和穗粒重存在極顯著差異。RIL群體中16個主要農(nóng)藝性狀變異豐富，分布頻率呈近似正態(tài)分布，普遍表現(xiàn)雙向超親分離，表明所調(diào)查性狀均是受微效多基因控制的數(shù)量性狀。

農(nóng)藝性狀相關(guān)性分析表明，穗粒重與抽穗期、成穂莖數(shù)、單株草重和穂重均呈極顯著正相關(guān)，與倒二葉長、莖稈粗度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)和千粒重呈極顯著負相關(guān)。這與張艾英等[16]和李會霞等[17]利用谷子種質(zhì)資源分析農(nóng)藝性狀相關(guān)性的結(jié)論基本一致。說明在該區(qū)域可以通過適當延長生育期來提高谷子的結(jié)實性及成穗數(shù)，進而達到提高產(chǎn)量的目的。但是生產(chǎn)實踐中，谷子性狀遺傳和表型相關(guān)存在一個極其復雜的關(guān)系，單一性狀作為有效相關(guān)選擇十分困難，在育種中需要對多種相關(guān)性狀進行綜合考慮，既對主要目的性狀選擇嚴格把關(guān)，又要兼顧其他優(yōu)良性狀[14]。

產(chǎn)量構(gòu)成因子之間遺傳關(guān)系復雜，不能僅憑相關(guān)系數(shù)的大小判斷影響產(chǎn)量的主要因素。本研究中，穗粒重與農(nóng)藝性狀的多元回歸分析表現(xiàn)出良好的擬合度(R2=0.920)，表明本研究調(diào)查的性狀基本上涵蓋了影響穗粒重的主要性狀。進一步通徑分析表明，千粒重、穂重、成穂莖數(shù)、穂粗、穂長、抽穗期、倒二葉寬、倒二葉長、穂頸長度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)、碼粒數(shù)、莖稈粗度、穂碼數(shù)和株高是影響單株穗粒重的主要因素，其中抽穗期、成穂莖數(shù)、穂長、穂粗、穂重和千粒重對穗粒重的正向直接作用較大，而倒二葉長、倒二葉寬、株高、莖稈粗度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)、穂頸長度、穂碼數(shù)和碼粒數(shù)通過對單株穗粒重的負向間接作用較大，說明生育期較長、分蘗較多、穂較長較粗、穂重和千粒重較大是旱地高產(chǎn)谷子的育種目標。這與趙禹凱等[18]的研究結(jié)果基本一致。

在遺傳分離群體中易于獲得超親和具有良好綜合性狀的株系，是篩選有較高育種價值株系的有效資源。本試驗基于農(nóng)藝性狀的表型值，在歐式距離為25.0處將RIL群體的341個株系聚類為六類，平均值分析結(jié)果表明，第Ⅴ類群的1個株系的平均成穂莖數(shù)、穂長、穗粒重和穗重質(zhì)量最高，第Ⅵ類群的1個株系的千粒重、穗粒重和穗重等性狀綜合表現(xiàn)良好，因此這兩個類群可用于西北旱地高產(chǎn)谷子的育種實踐。