257份高粱種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性

高 旭，馮 周，2，丁延慶，徐建霞，曹 寧，程 斌，汪 燦，張立異

(1.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱糧研究所，貴陽(yáng) 550006；2.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

【研究意義】高粱[Sorghumbicolor(L.)Moench]起源于干旱、炎熱和貧瘠的非洲大陸，相對(duì)于小麥、玉米和水稻具有較強(qiáng)的抗逆特性，是世界第五大禾谷類(lèi)作物[1-2]。高粱是貴州醬香型白酒如茅臺(tái)酒、習(xí)酒和董酒等的釀造原料[3-5]，但目前貴州省高粱種質(zhì)資源遺傳多樣性低、主栽品種單一、退化嚴(yán)重、新品種選育進(jìn)程遲緩，制約了貴州省白酒產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展[6-7]。因此，開(kāi)展高粱種質(zhì)資源收集，準(zhǔn)確評(píng)價(jià)其遺傳多樣性，并進(jìn)行合理選擇利用，是選育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)酒用糯高粱新品種的關(guān)鍵因素[6, 8-10]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】遺傳多樣性研究是保護(hù)和利用種質(zhì)資源的重要手段[11]。目前，種質(zhì)資源的遺傳多樣性主要依靠表型標(biāo)記和分子標(biāo)記等技術(shù)進(jìn)行研究[12-13]。雖然分子標(biāo)記已經(jīng)大量應(yīng)用于作物分子水平的遺傳多樣性研究，但是表型標(biāo)記具有分子標(biāo)記無(wú)法取代的優(yōu)勢(shì)，如直觀(guān)且易于獲取，因此仍然廣泛地應(yīng)用于高粱遺傳多樣性研究中[13-14]。如Geleta等[15]利用表型標(biāo)記對(duì)45個(gè)不同來(lái)源的高粱資源進(jìn)行分析，Ail等[16]利用表型標(biāo)記對(duì)68個(gè)美國(guó)甜高粱品種進(jìn)行聚類(lèi)分析，結(jié)果均與基于分子標(biāo)記的分類(lèi)相符。趙香娜等[17]利用16個(gè)表型性狀對(duì)206份甜高粱種質(zhì)資源開(kāi)展遺傳多樣性和相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，該群體擁有豐富的遺傳多樣性，部分表型性狀間呈極顯著正相關(guān)。馮國(guó)郡等[18]對(duì)72份甜高粱材料的24個(gè)表型性狀進(jìn)行聚類(lèi)分析，將72份甜高粱資源劃分為4個(gè)類(lèi)群。王黎明等[19]對(duì)173份帚高粱資源的10個(gè)表型性狀開(kāi)展遺傳多樣性調(diào)查結(jié)果表明，此批資源的多個(gè)表型性狀間均存在顯著相關(guān)性，并提出帚用高粱品種改良中應(yīng)選擇生育期適宜、株型緊湊的高產(chǎn)種質(zhì)資源。李春宏等[20]對(duì)104份江蘇省高粱種質(zhì)資源的遺傳多樣性研究，選出9份可用于生產(chǎn)與育種的優(yōu)良高粱種質(zhì)資源。【本研究切入點(diǎn)】目前，貴州省酒用糯高粱育種存在可用高粱資源匱乏、主栽品種單一、產(chǎn)量低和品種退化等問(wèn)題，而酒用高粱資源重要農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性研究相對(duì)缺乏?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】以257份高粱種質(zhì)資源為材料，測(cè)定其株高、株型、穗型等18個(gè)表型性狀，進(jìn)行高粱種質(zhì)資源的遺傳多樣性、相關(guān)性、主成分和聚類(lèi)分析，以期為貴州省酒用高粱遺傳群體資源的拓寬以及優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)新品種的組配和選育提供基礎(chǔ)材料和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試高粱種質(zhì)資源由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所、貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱糧研究所和浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物與核技術(shù)利用研究所提供，共257份(表1)，分別來(lái)源于我國(guó)15個(gè)省市以及美國(guó)、日本和蘇丹等地區(qū)。

1.2 試驗(yàn)方法

參試材料分別于2018年和2019年春季播種于貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)田內(nèi)，每份材料播種1行，行長(zhǎng)2.5 m，行距60 cm，株距25 cm，人工點(diǎn)播，適時(shí)進(jìn)行田間定苗、追肥和除草等管理工作。參照《高粱種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》和Li等[21]的方法，每年6—10月進(jìn)行數(shù)值型和描述型農(nóng)藝性狀數(shù)據(jù)的采集與整理，數(shù)值型性狀包括株型相關(guān)性狀(株高、莖節(jié)數(shù)、莖粗、葉鞘長(zhǎng)、穗柄長(zhǎng)、旗葉長(zhǎng)和旗葉寬)、穗部相關(guān)性狀(穗長(zhǎng)、穗節(jié)數(shù)、一級(jí)枝梗數(shù)和最長(zhǎng)一級(jí)枝梗)和籽粒相關(guān)性狀(千粒重、粒長(zhǎng)、粒寬和長(zhǎng)寬比)，每份資源調(diào)查8～10株并取2年數(shù)據(jù)的平均值。描述型性狀包括高粱籽粒顏色(圖1-A)、穗型(圖1-B)和穗形(圖1-C)，參照標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)描述型性狀進(jìn)行分級(jí)賦值。

1.3 數(shù)據(jù)分析處理

利用Excel 2010計(jì)算257份高粱種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的平均值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、變異系數(shù)、遺傳多樣性指數(shù)、偏度和峰度，其中遺傳多樣性指數(shù)根據(jù)性狀分級(jí)和賦值采用Shannon’s信息指數(shù)(H′)進(jìn)行描述和評(píng)價(jià)[22-23]。運(yùn)用SPSS 26.0進(jìn)行性狀的相關(guān)性分析、主成分分析和聚類(lèi)分析。聚類(lèi)分析采用類(lèi)平均法(UPGMA)，遺傳距離為歐氏距離[24]，利用R語(yǔ)言進(jìn)行繪圖。

H′=-ΣPi× lnPi

式中，Pi為性狀第i等級(jí)內(nèi)材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比。

2 結(jié)果與分析

2.1 數(shù)值型性狀遺傳多樣性

從表2看出，在15個(gè)數(shù)值型農(nóng)藝性狀中，以最長(zhǎng)一級(jí)枝梗的變異系數(shù)最大，為33.16%，說(shuō)明該性狀遺傳變異較豐富；籽粒長(zhǎng)寬比的變異系數(shù)最小，為9.40%，說(shuō)明其遺傳變異程度相對(duì)較低。各個(gè)性狀的多樣性指數(shù)在1.94～2.09，且表型均分布在較大變幅區(qū)段內(nèi)，以株高的多樣性指數(shù)最大(2.09)，其遺傳多樣性較豐富。此外，所有數(shù)值型農(nóng)藝性狀的偏度和峰度絕對(duì)值均小于1，說(shuō)明各性狀指標(biāo)均呈正態(tài)分布，是受多基因控制且易受環(huán)境影響的數(shù)量性狀。

表2 數(shù)值型農(nóng)藝性狀遺傳多樣性分析

2.2 描述型性狀遺傳多樣性

從表3看出，在3個(gè)描述型性狀中，257份高粱資源中有5種穗型、8種穗形、7種籽粒顏色。其中，穗形的變異系數(shù)最大，為56.27%，穗型的變異系數(shù)最小，為24.80%；籽粒顏色的遺傳多樣性指數(shù)最高，為1.69，穗型的遺傳多樣性指數(shù)最低，為1.30。

表3 描述型性狀遺傳多樣性分析

2.3 高粱數(shù)值型性狀的相關(guān)性

從圖2看出，15個(gè)數(shù)值型性狀之間存在不同程度的相關(guān)性。其中，株型相關(guān)性狀間(株高、莖節(jié)數(shù)、莖粗、旗葉長(zhǎng)和旗葉寬)和籽粒相關(guān)性狀間(千粒重、粒長(zhǎng)、粒寬和長(zhǎng)寬比)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，株型相關(guān)性狀之間的相關(guān)系數(shù)(R)在0.22～0.73，籽粒相關(guān)性狀間的相關(guān)性系數(shù)(R)在0.57～0.91；穗型相關(guān)性狀間(穗長(zhǎng)、穗柄長(zhǎng)、穗節(jié)數(shù)、一級(jí)枝梗數(shù)、最長(zhǎng)一級(jí)枝梗)則部分相關(guān)，其中，穗長(zhǎng)和最長(zhǎng)一級(jí)支梗數(shù)、穗柄長(zhǎng)和葉鞘長(zhǎng)之間呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)(R)在0.49～0.88。

**和*分別表示在P<0.01和P<0.05水平上極顯著和顯著相關(guān)。

2.4 高粱主要表型性狀的主成分分析

以15個(gè)數(shù)值型農(nóng)藝性狀數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的主成分分析(表4)表明，15個(gè)性狀簡(jiǎn)化為5個(gè)主成分，貢獻(xiàn)率分別為32.25%、22.06%、14.53%、7.59%和5.96%，累積貢獻(xiàn)率為82.40%，能代表257份高粱資源性狀的原始數(shù)據(jù)信息。其中株型和穗型相關(guān)性狀(如株高、莖節(jié)數(shù)、穗長(zhǎng)、莖粗、葉鞘長(zhǎng)和旗葉長(zhǎng))為第1主成分的決定因子，主要反映高粱生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)性狀的特征，特征值為4.83；籽粒相關(guān)性狀(千粒重、粒長(zhǎng)、粒寬和長(zhǎng)寬比)為第2主成分的決定因子，主要反映高粱產(chǎn)量性狀的特征，特征值為3.31；3個(gè)穗型相關(guān)性狀(一級(jí)枝梗數(shù)、穗柄長(zhǎng)和穗節(jié)數(shù))為第3主成分的決定因子，特征值為2.19；2個(gè)穗型相關(guān)性狀(穗柄長(zhǎng)和穗節(jié)數(shù))為第4主成分的決定因子，特征值為1.14；而1個(gè)株型性狀(旗葉寬)則為第5主成分的決定因子，特征值為0.89。第2、3和4主成分反映了高粱產(chǎn)量相關(guān)性狀的特征。

表4 各性狀的主成分載荷和貢獻(xiàn)率

2.5 高粱表型性狀的聚類(lèi)

對(duì)18個(gè)表型性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi)分析(圖3)表明，在歐氏距離20.0處，可將257份高粱資源劃分為3個(gè)類(lèi)群。類(lèi)群Ⅰ包含128份高粱種質(zhì)資源(49.8%)，大部分高粱種質(zhì)(84份)來(lái)自遼寧、山西和陜西等北方地區(qū)，少部分種質(zhì)(43份)來(lái)自貴州、四川和云南等南方地區(qū)。類(lèi)群Ⅱ包含29份種質(zhì)(11.3%)，主要來(lái)源于黑龍江、內(nèi)蒙古和山西等北方地區(qū)，少數(shù)材料來(lái)源于西南地區(qū)(貴州和四川)。類(lèi)群Ⅲ包含100份種質(zhì)資源(38.9%)，其中南方高粱46份，主要來(lái)自貴州、四川、云南和湖北地區(qū)，北方高粱52份，主要來(lái)源于遼寧、山東、河北和北京等地區(qū)。

圖3 18個(gè)表型性狀的257份高粱種質(zhì)資源聚類(lèi)分析

對(duì)各類(lèi)群的高粱種質(zhì)資源的表型性狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表5～6)發(fā)現(xiàn)，類(lèi)群Ⅰ具有株高、莖節(jié)數(shù)、莖粗、穗柄長(zhǎng)、葉鞘長(zhǎng)和旗葉長(zhǎng)寬等株型相關(guān)性狀表現(xiàn)中等的特征，而穗節(jié)數(shù)、一級(jí)枝梗數(shù)和千粒重則相對(duì)較大，穗型多為中散穗型和側(cè)散穗型。類(lèi)群Ⅱ種質(zhì)材料的大部分株型(株高、莖粗、莖節(jié)數(shù)、葉鞘長(zhǎng)和穗柄長(zhǎng))、穗型(穗節(jié)數(shù)和一級(jí)枝梗數(shù))和籽粒(千粒重和粒長(zhǎng))相關(guān)性狀數(shù)值均最小，穗形多為紡錘形，部分資源可作為矮稈酒用糯高粱育種材料的重要來(lái)源。類(lèi)群Ⅲ主要表現(xiàn)為大部分性狀(株高、穗長(zhǎng)、莖節(jié)數(shù)、葉鞘長(zhǎng)和穗柄長(zhǎng)等)數(shù)值相對(duì)較高，部分穗型和籽粒相關(guān)性狀(穗節(jié)數(shù)和千粒重等)數(shù)值適中的特征，籽粒顏色多為橙色和紅色。各類(lèi)群數(shù)值型性狀的變異系數(shù)存在差異，其中，類(lèi)群Ⅰ的大部分性狀變異系數(shù)適中，類(lèi)群Ⅱ大部分株型和穗型相關(guān)性狀的變異系數(shù)為最大，而類(lèi)群Ⅲ中籽粒相關(guān)性狀的變異系數(shù)最大。

表5 高粱種質(zhì)資源3個(gè)聚類(lèi)類(lèi)群表型性狀的均值及變異系數(shù)

3 討 論

遺傳多樣性研究是了解作物種質(zhì)資源特性的重要手段，可為作物品種改良和新品種選育提供重要的理論依據(jù)[25-26]。對(duì)257份主要來(lái)源于我國(guó)的高粱資源調(diào)查開(kāi)展15個(gè)數(shù)值型性狀和3個(gè)描述型性狀的遺傳多樣性分析顯示，農(nóng)藝性狀均表現(xiàn)出豐富的遺傳多樣性，其中株高、穗長(zhǎng)、莖節(jié)數(shù)顯示較大變異幅度。張海燕等[27]對(duì)來(lái)自中國(guó)和美國(guó)等國(guó)家的61份高粱的遺傳多樣性研究結(jié)果顯示，株高和穗長(zhǎng)變異幅度分別為90.10～363.20和17.20～41.80 cm。田承華等[28]對(duì)55份中國(guó)高粱種質(zhì)資源的遺傳多樣性分析表明，株高和穗長(zhǎng)的變異范圍分別為72.00～126.00和19.00～36.50 cm。本研究中，257份高粱資源的株高和穗長(zhǎng)的變異范圍分別為103.09～437.63和10.39～57.57 cm，表現(xiàn)出更大的多樣性，原因可能是由于群體大小和種植環(huán)境的差異導(dǎo)致。

表6 高粱種質(zhì)資源3個(gè)聚類(lèi)類(lèi)群的穗型、穗形和籽粒顏色

對(duì)數(shù)值型性狀的相關(guān)分析和主成分分析發(fā)現(xiàn)，株高與穗長(zhǎng)、旗葉長(zhǎng)呈極顯著正相關(guān)，并且穗長(zhǎng)與旗葉長(zhǎng)等7個(gè)株型和穗型相關(guān)性狀為第一主成分決定因子，特征值高達(dá)4.83，反映了高粱生長(zhǎng)發(fā)育相關(guān)性狀的特征，也是評(píng)價(jià)高粱的主要參考指標(biāo)，這與前人研究結(jié)果一致[29]，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)，通過(guò)改良高粱的株高可增加旗葉長(zhǎng)度，從而增加旗葉有效光合葉面積，達(dá)到增加穗長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的目標(biāo)。

基于所有性狀的調(diào)查數(shù)據(jù)，257份高粱種質(zhì)資源聚集形成3個(gè)類(lèi)群。類(lèi)群Ⅰ的高粱種質(zhì)主要表現(xiàn)為具有較大的千粒重，為25.21 g，而貴州地區(qū)高粱千粒重一般約為20 g，主要是因?yàn)樵摰貐^(qū)的高粱植株較高、穗長(zhǎng)較長(zhǎng)、籽粒較多，影響灌漿速率，導(dǎo)致籽粒較小[30-31]。本研究中，類(lèi)群Ⅰ由于具有較大的千粒重，部分材料可考慮作為改良貴州酒用高粱千粒重的基礎(chǔ)材料；類(lèi)群Ⅱ中的種質(zhì)除了粒寬表現(xiàn)中等外，株高以及其它性狀均表現(xiàn)為較低，穗型多為中散型，該類(lèi)群由于具有較矮的株高，也可作為改良貴州地區(qū)酒用高粱株高的基礎(chǔ)材料；類(lèi)群Ⅲ主要表現(xiàn)為株高較高，其次葉鞘長(zhǎng)、穗柄寬、旗葉長(zhǎng)等10個(gè)性狀都較類(lèi)群I、Ⅱ突出，該類(lèi)群主要用于做飼用高粱。此外，多數(shù)南方和北方的高粱聚集在不同的類(lèi)群中，表現(xiàn)出比較明顯的地域性特征。由于北方夏季氣候干燥，緊湊穗型品種不容易發(fā)霉生蟲(chóng)，這一類(lèi)的高粱資源主要聚集在第Ⅱ類(lèi)群。而南方夏季高溫潮濕，病蟲(chóng)害較嚴(yán)重，具有長(zhǎng)穗和較高植株的品種有更好的抗發(fā)霉和抗蟲(chóng)性，所以南方高粱主要聚集在類(lèi)群Ⅰ和類(lèi)群Ⅲ。然而，穗長(zhǎng)、株高與千粒重等性狀呈負(fù)相關(guān)，導(dǎo)致南方高粱品種產(chǎn)量水平較低，給貴州酒用高粱的高產(chǎn)育種帶來(lái)一定的挑戰(zhàn)。

4 結(jié) 論

我國(guó)高粱種質(zhì)資源在貴州表現(xiàn)出豐富的表型遺傳多樣性，不同性狀間也存在相互關(guān)聯(lián)和相互制約的作用。主成分分析按照高粱生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量相關(guān)等性狀，可將數(shù)值型性狀簡(jiǎn)化為5個(gè)主成分，累積貢獻(xiàn)率達(dá)82.40%。根據(jù)來(lái)源地和表型的不同，聚類(lèi)分析將中國(guó)高粱種質(zhì)劃分為3個(gè)類(lèi)群，并具有各自的特點(diǎn)。類(lèi)群Ⅰ中的優(yōu)質(zhì)資源，如郎糯 1 號(hào)、瀘州紅2號(hào)、高08、板江高粱-GX、赤水紅粱1號(hào)、赤水紅粱2號(hào)、370、黔高7號(hào)、433、茅紅糯2號(hào)等，類(lèi)群Ⅱ中的優(yōu)異資源，如黔高6號(hào)、黔高4號(hào)、黔高2號(hào)、黔高3號(hào)、地丁、睜眼三、7103、371、永123、NMG等，可考慮作為基礎(chǔ)育種材料，針對(duì)貴州地區(qū)酒用高粱植株高、千粒重低等問(wèn)題進(jìn)行遺傳改良。在貴州酒用高粱的選育過(guò)程中，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)胤N植區(qū)域生態(tài)氣候，選擇不同類(lèi)群中的優(yōu)勢(shì)種質(zhì)資源作為育種基礎(chǔ)材料，可有效提高種質(zhì)資源利用率、實(shí)現(xiàn)選育品種綜合性狀最優(yōu)化。