山西谷子地方品種表型鑒定與應(yīng)用分析

王海崗，秦慧彬，溫琪汾，喬治軍，穆志新

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)基因資源研究中心，農(nóng)業(yè)部黃土高原作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室，雜糧種質(zhì)資源發(fā)掘與遺傳改良山西省重點實驗室，山西太原 030031）

山西是中華農(nóng)耕文明重要的發(fā)源地，是以旱作農(nóng)業(yè)為主的省份，谷子作為山西主要種植雜糧之一，在山西省“特”“優(yōu)”農(nóng)業(yè)發(fā)展中起重要作用。谷子是抗旱、耐瘠、生育期短的自花授粉作物，廣泛種植于黃河流域且現(xiàn)在主要存在于我國北方干旱半干旱地區(qū)，距今已有8 700 a 的種植歷史[1]。山西古代對谷子的適應(yīng)性、高產(chǎn)性、適口性和抗逆性都進行過選擇，而且采用田間穗選法將優(yōu)良的自然變異和自然雜交后代中的突出個體保留下來，種植谷子是山西歷史和自然的選擇[2]。北魏《齊民要術(shù)》記載谷子品種86 個，山西有歷史記載的谷子品種也有300 多個。

山西是谷子馴化和栽培中心，種質(zhì)資源豐富，全省117 個縣都有谷子資源分布。數(shù)千年的谷子種植促使谷子資源世代傳承并不斷創(chuàng)新。山西省種質(zhì)庫保存全省谷子地方品種有6 000 余份，地方品種（農(nóng)家種）經(jīng)過復(fù)雜的地理生態(tài)環(huán)境的選擇和長期的人工馴化，可識別名稱、無遺傳改良、高遺傳多樣性和地域適應(yīng)性，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)實踐活動密切相關(guān)[3]。隨著全球人口不斷增長、氣候變化等因素，谷子這一傳統(tǒng)作物需要更廣闊的區(qū)域種植來滿足人類對不同食品的需要，而地方品種具有對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境適應(yīng)性好、抗逆性強的優(yōu)點，是十分重要的育種材料[3]。因此，整理篩選優(yōu)良地方品種開展精準(zhǔn)鑒定評價，不僅有助于地方品種的利用和傳承，更有利于培育廣適、優(yōu)質(zhì)、抗逆、高產(chǎn)的谷子新品種。前人[4-9]在山西谷子資源表型、抗旱、抗病等鑒定評價上做了大量的基礎(chǔ)性工作。由于受各種條件限制，未能開展大量資源的精準(zhǔn)鑒定工作，本研究在系統(tǒng)整理山西谷子資源的基礎(chǔ)上，篩選高頻名稱的地方品種，分析其分布特點和性狀特征，通過多點表型鑒定，明確地方品種的農(nóng)藝性狀的生態(tài)適應(yīng)性規(guī)律，為谷子育種和栽培提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

對5 627 份山西谷子地方品種中名稱相同或相似的種質(zhì)進行詞頻分析，將谷子品種名稱出現(xiàn)頻次在10 次以上的谷子資源作為高頻地方品種，從中抽取55 份高頻品種在大同、晉中、運城3 地進行表型鑒定評價（表1）。

表1 55 份山西谷子地方品種來源信息

1.2 試驗方法

2020 年在大同市云岡區(qū)、晉中市榆次區(qū)、運城市鹽湖區(qū)對55 份種質(zhì)進行表型鑒定評價。小區(qū)面積12 m2，大田管理。出苗后，按照《谷子種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[10]對抽穗期、節(jié)數(shù)、株高、頸長、倒二葉長、倒二葉寬、穗長、穗粗、莖粗、單穗質(zhì)量、穗粒質(zhì)量、碼數(shù)、碼粒數(shù)、千粒質(zhì)量等主要農(nóng)藝性狀進行記載。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007 進行數(shù)據(jù)整理和分析，用R 和Origin 2019 進行數(shù)據(jù)可視化。

2 結(jié)果與分析

2.1 山西谷子高頻地方品種分析

對5 627 份山西谷子資源的品種名稱進行詞云分析（圖1），發(fā)現(xiàn)大白谷、小黃谷、小紅谷、竹葉青、六十日谷、小白谷、三變化、朱砂紅、壓塌車、沁州黃、長穗谷、東方亮、人人愛、二黃谷、青谷、谷上谷、白母雞嘴、黑軟谷、霸王鞭等30 個品種名稱出現(xiàn)頻次在10 次以上（圖2）。

在這些高頻品種名稱的谷子種質(zhì)中，大白谷是出現(xiàn)次數(shù)最高的地方品種，有79 份；除晉城市、運城市未收集過該品種名稱的種質(zhì)外，其余9 個地市均有收集，大白谷在全省種植區(qū)域廣、栽培時間長且農(nóng)藝性狀變異較為豐富。大白谷種質(zhì)在葉鞘色、穗型、粒色、米色和粳糯性上都存在一定差異（表2），主莖長度變幅達76 cm，主莖節(jié)數(shù)變幅達7 個，生育期的差異達到35 d，千粒質(zhì)量的最大差異達2.80 g；單株稈質(zhì)量、單株穗質(zhì)量、單株粒質(zhì)量的變異系數(shù)在20%以上。

表2 地方品種大白谷主要農(nóng)藝性狀統(tǒng)計

將同名種質(zhì)或名稱近似種質(zhì)進一步歸類整理分析（表3），發(fā)現(xiàn)這些種質(zhì)在全省不同地市均有分布，說明這些種質(zhì)有較好的適應(yīng)性和優(yōu)良的農(nóng)藝性狀。沁州黃、東方亮、大白谷、小黃谷、小紅谷、青谷等資源在歷次全省種質(zhì)資源收集中都能收集到，說明這些地方品種種植歷史悠久且深受人民群眾喜愛。同時，大白谷、小黃谷、大黃谷、東方亮等地方品種不僅是高頻種質(zhì)，也是1 級抗旱種質(zhì)。

表3 高頻地方品種的各地市分布情況 份

30 個高頻品種名稱的資源在晉中市都有分布。大同市、忻州市、呂梁市、長治市也是高頻種質(zhì)出現(xiàn)較多的地市。大白谷、小黃谷、小紅谷、大黃谷、竹葉青、六十日、白流沙、小白谷、朱砂紅、黃軟谷、七月黃等資源在全省9 個以上的地市都有分布。高頻種質(zhì)在全省不同種植區(qū)都有種植，可見其適應(yīng)性較廣，是生物育種中親本選擇的首選材料。

來自忻州市、晉中市、大同市、長治市的6 份大白谷，來自忻州市、晉中市、大同市、呂梁市、臨汾市、運城市的12 份小黃谷，來自朔州市、呂梁市、太原市的3 份大黃谷，來自忻州市、呂梁市、太原市的4 份朱砂紅和來自大同市、朔州市、呂梁市、太原市的4 份東方亮資源苗期抗旱在1 級以上?？梢娺@些高頻種質(zhì)不僅是重要性狀優(yōu)異等位變異的載體材料，也是人類在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中篩選出的優(yōu)良品種，在谷子種質(zhì)創(chuàng)新和育種中應(yīng)重點關(guān)注。種質(zhì)名稱為六十日谷的種質(zhì)包括了六十日谷、六十日黃、六十日糙、六十天小谷等51 份資源，在全省11 個地市35 個縣都有分布；51 份資源在質(zhì)量性狀上類型多樣，數(shù)量性狀也變異較大，主莖長度103.0～174.0 cm，千粒質(zhì)量2.2～4.2 g，生育期92～132 d。同時，來自長治市的六十日紅糙（00017687）還是高抗黑穗病資源。

2.2 高頻種質(zhì)主要性狀遺傳變異

從1 073 份高頻地方品種抽取55 份種質(zhì)在大同、晉中、運城進行統(tǒng)一表型精準(zhǔn)鑒定（表4）。抽穗時間平均在66 d，最小為34 d；節(jié)數(shù)的變幅在6～16 個；株高變幅在72～210 cm，平均為166 cm；頸長的變異系數(shù)最高，達35%；倒二葉長最大為58.60 cm，最小為23.70 cm；倒二葉寬的變幅在1.44～3.83 cm；穗長和穗粗的變異系數(shù)分別為17%和20%；莖粗的平均值為0.69 cm；碼數(shù)和碼粒數(shù)的變異系數(shù)為22%和27%；單穗質(zhì)量最大為44.12 g，穗粒質(zhì)量最大為35.87 g，千粒質(zhì)量的變異系數(shù)僅有11%，最小值為1.68 g。55 份高頻種質(zhì)在3 地表型變異有一定的規(guī)律性。

表4 55 份高頻種質(zhì)主要數(shù)量性狀變異情況

從圖3 可以看出，55 份高頻種質(zhì)的抽穗時間、主莖長度、莖粗3 個性狀，隨著緯度的降低呈下降趨勢，說明這些性狀受環(huán)境影響明顯；穗長、穗粒質(zhì)量和千粒質(zhì)量3 個性狀在3 個觀測點變異相對較小，說明這些性狀受環(huán)境影響較小，品種間的差異主要來源于不同種質(zhì)中控制該性狀的基因差異造成。

將55 份資源中來源于晉中市的谷子資源和目錄數(shù)據(jù)進行對比（圖4）。發(fā)現(xiàn)這些種質(zhì)在近40 a 的時間里，主莖長度有所降低，單穗質(zhì)量有所提高，這可能與環(huán)境改變和栽培方式有關(guān)。莖粗和千粒質(zhì)量相對平穩(wěn)，說明控制這些性狀的基因與環(huán)境條件互作較小，在雜交育種中選擇表型差異明顯的種質(zhì)作為親本配制組合，在后代中能夠篩選出表型變異明顯的后代材料。

3 討論

3.1 地方品種的適應(yīng)性

品種在長期的種植過程中，更好的適應(yīng)了不同的生態(tài)環(huán)境[11-13]，在各種生物脅迫和非生物脅迫下產(chǎn)生了不同類型的種質(zhì)，這為挖掘資源中優(yōu)異等位基因，增強作物的適應(yīng)性提供了物質(zhì)基礎(chǔ)[14-16]。山西谷子地方品種在適應(yīng)性上表現(xiàn)出了豐富的多樣性[17-18]，全省南北6 個緯度內(nèi)和4 個生態(tài)區(qū)間，海拔180～3 058 m 范圍內(nèi)都分布有谷子資源。高頻品種名稱的地方品種不僅有很好的適應(yīng)性，而且攜帶控制優(yōu)良性狀的基因。與推廣品種相比，地方品種在極端環(huán)境條件下能表現(xiàn)出更強生命力，并有可能獲得更高的產(chǎn)量，特別是那些在全省不同地市廣泛存在的高頻種質(zhì)。充分研究山西省不同時期收集的同名地方品種，將有助于了解山西省谷子種植歷史中的自然和人工選擇的趨勢。同時深入挖掘高頻種質(zhì)的不同等位變異，發(fā)掘優(yōu)勢單倍型或優(yōu)異基因，開發(fā)相關(guān)分子標(biāo)記，可以有效提高山西省谷子分子育種水平。

3.2 山西谷子資源表型和基因精準(zhǔn)鑒定

表型鑒定是挖掘等位基因功能的最重要環(huán)節(jié)，而精準(zhǔn)鑒定直接關(guān)系到優(yōu)異等位基因的挖掘和利用[19-20]。對谷子地方品種進行基因組重測序，開展基因型精準(zhǔn)鑒定，對谷子育種中主要性狀的改良尤為重要。傳統(tǒng)的資源評價主要包括表型鑒定和非生物脅迫的抗性評價，受經(jīng)費和技術(shù)的限制，不能高效挖掘地方品種中蘊藏的豐富基因資源。隨著測序技術(shù)的廣泛使用和成本逐漸降低，開展地方品種特別是核心資源的全基因組重測序非常重要，在基因組層面上深入挖掘這些種質(zhì)資源所攜帶的優(yōu)異基因，對資源的深入認識和高效利用有重要作用。本研究通過對部分高頻種質(zhì)的表型多點鑒定，評價了這些資源在不同生態(tài)環(huán)境下的表型變異，對照原有數(shù)據(jù)信息，對種質(zhì)資源表型信息有了更深入的掌握，更有利于資源的利用。

目前，山西省種質(zhì)庫已經(jīng)完成全省谷子初選核心種質(zhì)構(gòu)建和主要農(nóng)藝性狀GWAS 分析。重測序數(shù)據(jù)量達11.8 Tb，平均數(shù)據(jù)量在19.8 Gb，覆蓋率為94.8%～98.6%，深度19～190 X。同時，關(guān)聯(lián)到一批與抽穗期、株高、碼數(shù)、蛋白質(zhì)含量、葉鞘色、粒色等主要表型性狀的SNP 位點，下一步將深入開展農(nóng)藝性狀和品質(zhì)性狀的精準(zhǔn)鑒定，挖掘控制這些性狀的關(guān)鍵位點。

3.3 地方品種的育種應(yīng)用

山西谷子種植區(qū)分為春播早熟區(qū)、春播中熟區(qū)、春播晚熟區(qū)、復(fù)播區(qū)4 個區(qū)[2]。地方品種經(jīng)過長期自然選擇而保留下來的種質(zhì)，沒有經(jīng)過高強度人工選擇，對高頻地方品種進行雜交、誘變，可以進一步創(chuàng)制新種質(zhì)。山西名優(yōu)谷子品種晉谷21 號就是對地方品種采用物理誘變處理后選育而成。山西谷子各生態(tài)區(qū)應(yīng)當(dāng)選擇當(dāng)?shù)刭Y源中代表性強的地方品種，與目前國內(nèi)主栽品種進行雜交，同時加大與夏谷品種的雜交及抗除草劑品種改良，充分使用理化誘變創(chuàng)制山西谷子新品種，強化對優(yōu)良地方品種的利用，把選育優(yōu)質(zhì)、矮稈、抗倒、大籽粒輕簡栽培谷子新品種作為育種目標(biāo)，整體提升我省谷子的育種水平。

4 結(jié)論

山西谷子資源豐富和類型多樣，深入鑒定評價高頻品種名稱谷子資源，有助于種質(zhì)資源的高效利用。對55 份高頻地方品種多點鑒定顯示，隨著緯度的降低抽穗時間、主莖長度、莖粗逐漸減小，穗長、穗粒質(zhì)量和千粒質(zhì)量相對穩(wěn)定；來源同一地區(qū)的谷子資源在不同年度間莖粗和千粒質(zhì)量變化較小。