140份西藏大麥種質(zhì)資源遺傳多樣性分析

田朋佳，廖文華，高小麗，黃海皎，尼瑪央宗，拉巴扎西，次 珍，曲 吉

(西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院農(nóng)業(yè)研究所，拉薩 850032)

【研究意義】作物種質(zhì)資源，人類社會生存與可持續(xù)發(fā)展不可或缺，是保障國家糧食安全的戰(zhàn)略性資源[1]。世界各地先后發(fā)現(xiàn)公元前15 000至前5000年的栽培大麥遺物。據(jù)考證，早期主要在東亞和西南亞的古文明區(qū)栽培，后來傳至歐洲，至近代才傳至美洲。中國栽培歷史悠久，據(jù)考證，距今5000年的新石器時(shí)代中期，在新疆哈密、青海諾木洪、西藏昌都卡若等地，已有大麥栽種。西藏是大麥的起源中心之一，長期以來，大麥(主要是裸大麥)作為當(dāng)?shù)氐闹饕r(nóng)作物而被栽培。大麥營養(yǎng)成分豐富，兼具糧食、飼料和工業(yè)原料等多種用途，因此大麥不僅經(jīng)濟(jì)價(jià)值高，大麥秸稈還是日常工業(yè)編織品的優(yōu)質(zhì)原料。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大麥在西藏占有越來越重要的地位，是藏民族日常生活中不可或缺的糧食作物之一?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】在大麥遺傳多樣性方面，針對西藏大麥農(nóng)藝性狀遺傳多樣性的分析報(bào)道較少，近幾年的報(bào)道主要是從分子層面揭示了大麥的遺傳多樣性、抗病性、抗旱性、抗寒性等。【本研究切入點(diǎn)】西藏農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境復(fù)雜，作物種類多，種質(zhì)資源豐富，大麥的農(nóng)藝性狀離不開當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，農(nóng)藝性狀也是最直觀的表現(xiàn)遺傳多樣性的一種方式，但目前對西藏大麥農(nóng)藝性狀的研究不多?！緮M解決的關(guān)鍵問題】以西藏各個(gè)地區(qū)收集到的140份大麥資源為材料，運(yùn)用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)軟件分析農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性，以期為種質(zhì)資源研究和育種應(yīng)用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

140份試驗(yàn)材料全部來源于西藏各個(gè)市搜集到的地方品種，其中拉薩市18份，林芝市21份，昌都市16份，阿里地區(qū)11份，山南市34份，日喀則市40份[2]。供試材料見表1。

表1 供試材料編號、名稱及原產(chǎn)地

續(xù)表1 Continued table 1

續(xù)表1 Continued table 1

續(xù)表1 Continued table 1

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2019—2020年在西藏自治區(qū)農(nóng)牧科學(xué)院農(nóng)業(yè)研究所4號試驗(yàn)地進(jìn)行，試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，小區(qū)面積10 m2(2 m×5 m)，行距0.25 m，田間管理方式同大田[3]。根據(jù)《大麥種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》(表2)對大麥試驗(yàn)田各個(gè)農(nóng)藝性狀觀測并進(jìn)行記載和數(shù)據(jù)采集，成熟期分別對每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取樣10株進(jìn)行考種。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel對數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，再用SPSS 21.0統(tǒng)計(jì)軟件，采用平方歐式距離計(jì)算方法，對數(shù)量性狀進(jìn)行聚類分析與主成分分析，并對參試品種的各性狀進(jìn)行遺傳多樣性分析[4]。遺傳多樣性指數(shù)(H′，Shannon-Wiener diversity index)的計(jì)算：通過計(jì)算參試材料的平均數(shù)(X)和標(biāo)準(zhǔn)差(s)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果將所有材料劃分為10個(gè)等級，第1級[Xi<(X+2s)]到第10級[Xi>(X+2s)],每0.5s為1級，計(jì)算每一級相對頻率Pi，從而得到多樣性指數(shù)[5-6]。計(jì)算公式為：H′=-∑Pi×lnPi。式中，Pi為某性狀第i級別內(nèi)材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比，Xi為第i級中的數(shù)據(jù)。

表2 大麥種質(zhì)資源鑒定項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量性狀遺傳多樣性

對140份大麥種質(zhì)資源5個(gè)質(zhì)量性狀的調(diào)查結(jié)果(表3～4)表明，試驗(yàn)材料大麥種質(zhì)資源芒型以長芒為主，比例為81.4%；小穗密度比較稀，占試驗(yàn)材料的73.6%；籽粒性狀以橢圓形居多，比例為60%；穗和芒色以黃色為主，比例為88.6%；籽粒顏色以黃色居多，占參試材料的45.7%，綠色占參試材料的42.1%。

2.2 數(shù)量性狀遺傳多樣性

通過對140份大麥種質(zhì)資源8個(gè)數(shù)量性狀的遺傳多樣性分析，由表5可知，單株穗數(shù)變異系數(shù)最大是43.7%，變異范圍1.00～6.80個(gè)；其次是穗粒重變異系數(shù)是34.19%，變異范圍0.75～3.88 g；變異系數(shù)最小的是株高12.87%，變異范圍是45.00～126.60。變異系數(shù)由大到小為：單株穗數(shù)>穗粒重>分蘗數(shù)>第二莖節(jié)莖長>穗粒數(shù)>第二莖節(jié)莖粗>穗長>株高[7]。一般變異系數(shù)大于10%表示樣本間差異比較大，本研究中的7個(gè)數(shù)量性狀的變異系數(shù)均大于10%，表明該批大麥種質(zhì)資源之間存在的差異大，資源類型豐富，有利于種質(zhì)資源材料的比較和選擇。

表3 大麥種質(zhì)質(zhì)量特征描述及賦值

表4 140份大麥種質(zhì)資源質(zhì)量性狀頻率

表5 140份大麥種質(zhì)資源數(shù)量性狀遺傳多樣性分析

2.3 農(nóng)藝性狀聚類分析

140份大麥種質(zhì)資源的8個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，以歐式距離為遺傳距離，聚類方法采用離差平方和法，在遺傳距離為6處將參試材料分為5個(gè)類群(圖1)，各個(gè)類群特征見表6[8]。

第Ⅰ類群包括35份材料，其主要特征是分蘗數(shù)(4.71)、單株穗數(shù)(3.79)在5個(gè)類群中最高，但分蘗數(shù)變異系數(shù)(30.41%)、單株穗數(shù)變異系數(shù)(39.02%)在5個(gè)類群處于中等；穗長(6.29)和穗粒重(1.64 g)在5個(gè)類群中排名第4，但穗長變異系數(shù)(13.97%)和穗粒重變異系數(shù)(18.94%)在5個(gè)類群中最??；第二莖節(jié)長(9.92 cm)在5個(gè)類群中最大，變異系數(shù)(26.83%)在5個(gè)類群中排名第2；在本類群中，單株穗數(shù)變異系數(shù)(39.02)最大，株高變異系數(shù)(5.84%)最小。綜合分析可以看出，此類群資源成穗率較高，第二莖節(jié)較長，株高較高，具有一定的增產(chǎn)潛力[9]。

第Ⅱ類群包括29份材料，其主要特征是株高(104.39 cm)在5個(gè)類群中排名第3，變異系數(shù)(2.76%)卻在5個(gè)類群中最小[10]；穗長(6.88)和穗粒數(shù)(53.55)在5個(gè)類群中排名中等，穗長變異系數(shù)(16.70%)卻在5個(gè)類群中最大，穗粒數(shù)變異系數(shù)(7.47%)在5個(gè)類群中最??；第二莖節(jié)莖長(9.50 cm)在5個(gè)類群中排名第3，但變異系數(shù)(27.81%)最大；在本類群中，單株穗數(shù)變異系數(shù)(44.53%)最大，株高變異系數(shù)(2.76%)最小。綜合各性狀，可以得知，此類群是穗長和第二莖節(jié)長度變化比較大，穗粒數(shù)較穩(wěn)定的群體。

第Ⅲ類群包括33份材料，其主要特征是株高(114.22 cm)、穗長(7.34)、穗粒數(shù)(65.30)和穗粒重(2.47 g)是5個(gè)類群中植株最高的，株高變異系數(shù)(6.19%)、穗長變異系數(shù)(14.27%)、穗粒數(shù)變異系數(shù)(12.60%)和穗粒重變異系數(shù)(23.50%)處于5個(gè)類群中等位置；第二莖節(jié)莖粗(0.22 cm)在5個(gè)類群群中居中等位置，但變異系數(shù)(22.26%)是5個(gè)類群中最大的；在本類群中，單株穗數(shù)變異系數(shù)(47.69%)最大，株高變異系數(shù)(6.19%)最小。綜合各性狀分析，可以看出，此類群植株較高，穗部性狀發(fā)展比較好，第二莖節(jié)莖粗多樣性較豐富地群體。

第Ⅳ類群包括15份材料，主要特征是株高(85.47 cm)是5個(gè)類群中最低的，變異系數(shù)(9.88%)在5個(gè)類群中排第2位；穗粒重(2.30 g)在5個(gè)類群中居第2位，變異系數(shù)(34.23%)是5個(gè)類群中最大的；第二莖節(jié)莖粗(0.23 cm)是5個(gè)類群中最大的，變異系數(shù)(18.27%)在5個(gè)類群中居第2位；在此類群，單株穗數(shù)變異系數(shù)(36.44%)最大，穗粒數(shù)變異系數(shù)(9.11%)最小。綜合各性狀分析，可以了解到，此類群株型較矮，莖稈較粗，穗粒重多樣性比較豐富的群體。

第Ⅴ類群包括28份材料，主要特征是株高(88.47 cm)在5個(gè)類群中居第4位，變異系數(shù)卻是5個(gè)類群中最大的；分蘗數(shù)(4.40)、單株穗數(shù)(3.23)、穗長(6.25)、穗粒數(shù)(35.85)、穗粒重(1.39 g)、第二莖節(jié)莖長(8.80 cm)和第二莖節(jié)莖粗(0.19 cm)是5個(gè)類群中最小的，但分蘗數(shù)變異系數(shù)(32.45%)、單株穗數(shù)變異系數(shù)(49.67%)、穗粒數(shù)變異系數(shù)(24.79%)是5個(gè)類群中最大的，穗長變異系數(shù)(13.99%)居5個(gè)類群中第4位，穗粒重變異系數(shù)(31.17%)在5個(gè)類群中居第2位，第二莖節(jié)莖長變異系數(shù)(24.01%)在5個(gè)類群中居第4位，第二莖節(jié)莖粗變異系數(shù)(15.33%)在5個(gè)類群中最小[11]，在本類群中，單株穗數(shù)變異系數(shù)(49.67%)最大，穗長變異系數(shù)(13.99)最小。綜合各性狀，此類群總體性狀最差，豐產(chǎn)性較差，但性狀多樣性表現(xiàn)較豐富，選育材料過程中可以考慮。

2.4 農(nóng)藝性狀主成分分析

采用SPSS 21.0軟件對140份大麥的8個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析，提取特征根大于1的前3個(gè)主成分，結(jié)果表明(表7)前3個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為72.59%。

第1主成分的特征值為2.554，貢獻(xiàn)率為31.931%，在主成分1特征向量中，載荷較高的農(nóng)藝性狀有單株穗數(shù)、分蘗數(shù)和第二莖節(jié)莖長，特征向量值分別為0.829、0.793和0.675，可以命名為分蘗因子。隨著單株穗數(shù)的增多，分蘗數(shù)會增多，第二莖節(jié)莖長也會增大，其它農(nóng)藝性狀也會增大，但變化不明顯。

第2主成分的特征值為2.182，貢獻(xiàn)率為27.271%，在主成分2特征向量中，載荷較高的農(nóng)藝性狀有穗粒數(shù)、穗粒重和穗長，特征向量值分別是0.686、0.675和0.662，可以命名為穗部性狀因子。隨著穗粒數(shù)的增加，穗粒重、穗長、株高和第二莖節(jié)莖粗會增加，單株穗數(shù)、分蘗數(shù)和第二莖節(jié)莖長的數(shù)值會減小。因而，在育種過程中，不能過度追求穗粒數(shù)的增多，適中比較好。

圖1 大麥種質(zhì)資源基于8個(gè)性狀的聚類圖Fig.1 Clustering diagram of barley resources based on 8 traits

第3主成分的特征值為1.071，貢獻(xiàn)率為13.385%，在主成分3特征向量中，載荷較高且符號為正的農(nóng)藝性狀有株高性狀，可以命名為株高因子；載荷較高且符號為負(fù)的農(nóng)藝性狀是第二莖節(jié)莖粗，說明隨著株高的增大，第二莖節(jié)莖粗會變小，植株越高，莖稈越細(xì)，因而在育種過程中，需要控制大麥植株的高度。

表6 大麥種質(zhì)資源各類群數(shù)量性狀特征

2.5 農(nóng)藝性狀相關(guān)性分析

對140份大麥種質(zhì)資源株高、分蘗數(shù)、單株穗數(shù)、穗長、穗粒數(shù)、穗粒重、第二莖節(jié)莖長、第二莖節(jié)莖粗等8個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行相關(guān)性分析。

通過對140份西藏大麥的8個(gè)數(shù)量性狀雙因素相關(guān)性分析，如表8所示，株高與穗長(0.319**)、穗粒數(shù)(0.329**)呈極顯著正相關(guān)，與穗粒重(0.190*)呈顯著相關(guān)，這說明當(dāng)株高增加，穗長變長，穗粒數(shù)和穗穗粒重會增加；分蘗數(shù)與單株穗數(shù)(0.943**)、第二莖節(jié)莖長(0.534**)呈極顯著正相關(guān)，這說明分蘗多了，相應(yīng)的單株穗數(shù)也會增加，第二莖節(jié)會變長；穗長與穗粒數(shù)(0.363**)、穗粒重(0.452**)呈極顯著正相關(guān)，這說明當(dāng)穗子變長，穗粒數(shù)和穗粒重會相應(yīng)增多；穗粒數(shù)與穗粒重(0.661**)呈極顯著正相關(guān)、與第二莖節(jié)莖粗(0.189*)呈顯著相關(guān)，這說明當(dāng)穗粒數(shù)增多，穗粒重會增加，第二莖節(jié)會變粗；第二莖節(jié)莖粗與穗粒重(0.336**)、第二莖節(jié)莖長(0.236**)呈極顯著正相關(guān)，這說明當(dāng)?shù)诙o節(jié)變粗，穗粒重會增加，第二莖節(jié)會變長；穗長與分蘗數(shù)、單株穗數(shù)、第二莖節(jié)莖長呈負(fù)相關(guān)，這說明當(dāng)穗子變長，分蘗數(shù)、單株穗數(shù)、第二莖節(jié)莖長會相應(yīng)變少。綜合性狀之間的相關(guān)性可以看出，大麥農(nóng)藝性狀之間是此消彼長的關(guān)系，有效控制各個(gè)性狀之間的關(guān)系，使之達(dá)到平衡，才能使產(chǎn)量達(dá)到最高。

表7 大麥種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀的主成分分析

3 討 論

農(nóng)作物種質(zhì)資源是農(nóng)作物新品種選育的基礎(chǔ)，在1978年以前從屬于育種工作，直接為育種工作服務(wù)，從1979年才開始作為一門獨(dú)立的學(xué)科來研究。青藏高原由于其特殊的地理環(huán)境造就了豐富多樣的農(nóng)作物種質(zhì)資源，尤以西藏高原最具有代表性。西藏和平解放以后，農(nóng)業(yè)科技工作者于1952年著手于西藏農(nóng)作物種質(zhì)資源的收集和考察工作，60、70年代，中國科學(xué)院先后兩次組織了西藏綜合科學(xué)考察工作，1979年中國科學(xué)院和西藏自治區(qū)農(nóng)業(yè)研究所的科技工作者還對青藏高原作物近緣野生種進(jìn)行專項(xiàng)考察，國家科學(xué)技術(shù)委員會、農(nóng)業(yè)部于1980年將西藏農(nóng)作物品種資源考察列入國家重點(diǎn)科研項(xiàng)目，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物品種資源所和原西藏農(nóng)牧科學(xué)院共同組織實(shí)施，1985年以后，西藏自治區(qū)和一些地區(qū)(市)農(nóng)業(yè)研究所全面開展了西藏農(nóng)作物品種資源整理、鑒定與利用研究[12]。2019年起西藏自治區(qū)正在開展第二次青藏高原綜合科學(xué)研究植物多樣性工作，進(jìn)一步挖掘和保護(hù)西藏自治區(qū)特有種質(zhì)資源。本研究選取了除那曲市之外的(那曲市以牧區(qū)為主)其他各個(gè)市和地區(qū)的大麥材料作為研究對象，通過對西藏大麥主要農(nóng)藝性狀遺傳多樣性分析，結(jié)果表明，140份大麥種質(zhì)資源存在著豐富的遺傳變異，在大麥育種中，如何選擇合適的農(nóng)藝性狀是育種的關(guān)鍵，大麥的農(nóng)藝性狀是由自身的遺傳物質(zhì)決定，受外部環(huán)境的影響，產(chǎn)生一定的差異。對西藏大麥13個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行遺傳多樣性分析，發(fā)現(xiàn)數(shù)量性狀的遺傳多樣性普遍較高，變幅是1.96～3，農(nóng)藝性狀變異較大，其中分蘗數(shù)的遺傳多樣性指數(shù)最大為3，變異系數(shù)(29.8%)與蔣瑩等[13]的研究結(jié)果一致。

大麥育種中，如何平衡各個(gè)性狀及選擇適宜的農(nóng)藝性狀是高產(chǎn)育種的關(guān)鍵。植株太高容易倒伏造成減產(chǎn)，穗子的長度、密度和千粒重關(guān)系密切。西藏不同地市的特殊氣候環(huán)境，孕育了豐富的物種資源，如何使大麥株型及生育期符合當(dāng)?shù)氐臍夂蛞矊⑹窃霎a(chǎn)的關(guān)鍵，農(nóng)藝性狀的研究，將對育種過程中構(gòu)建在同一個(gè)生態(tài)區(qū)域，適合當(dāng)?shù)貧夂虻拇篼溊硐胫晷途哂兄匾囊饬x。

4 結(jié) 論

通過對西藏各個(gè)地區(qū)的140份材料進(jìn)行農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性分析，結(jié)果表明140大麥種質(zhì)資源存在著豐富的遺傳變異，單株穗數(shù)的變異系數(shù)為43.7%，變異范圍為1～6.8；分蘗數(shù)遺傳多樣性指數(shù)為3，變異范圍為1.8～7.8。株高與穗長、穗粒數(shù)呈極顯著正相關(guān)，分蘗數(shù)與單株穗數(shù)、第二莖節(jié)莖長呈極顯著正相關(guān)，第二莖節(jié)莖粗與穗粒重、第二莖節(jié)莖長呈極顯著正相關(guān)，說明平衡農(nóng)藝性狀之間的關(guān)系將是增產(chǎn)的關(guān)鍵。通過聚類分析，將140份大麥材料分成5個(gè)類群，第Ⅰ類群分蘗數(shù)、單株穗數(shù)較高，成穗率較高，是雜交育種較好的材料，可以作為親本直接使用；第Ⅱ類群是穗部性狀群體，穗長變異豐富，穗粒數(shù)相對穩(wěn)定，是選擇優(yōu)良穗部基因的優(yōu)良材料；第Ⅲ類群是植株較高，穗部性狀相對較好，單株穗數(shù)、第二莖節(jié)莖粗的變異較豐富的群體，可以選育糧飼兼用品種提供親本材料；第Ⅳ類群，此類群株型較矮，莖稈較粗，穗粒重多樣性比較豐富，可以為機(jī)械化大麥品種提供親本材料；第Ⅴ類群是性狀多樣性表現(xiàn)較豐富，可以提供親本材料，也可以用來篩選特異種質(zhì)。主成分分析把8個(gè)農(nóng)藝性狀的前3個(gè)主成分歸為分蘗因子、穗部性狀因子、株高因子，每個(gè)因子包含幾個(gè)農(nóng)藝性狀，根據(jù)因子的載荷量的大小可以看出其作用的程度，這與白羿雄等[14]的研究結(jié)果一致。相關(guān)性分析表明株高與穗長、穗粒重呈顯著相關(guān)，這與嚴(yán)俊等[15]的研究結(jié)果一致。株高與穗粒數(shù)呈顯著正相關(guān)，這與方彥杰等[16]的研究結(jié)果一致。這些數(shù)據(jù)分析為大麥雜交育種的親本選擇提供了參考[17]。