基于遺傳多樣性評估燕麥品種的農(nóng)藝性狀

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(1.哈爾濱師范大學生命科學與技術(shù)學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院草業(yè)研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；3.青島農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，山東 青島 266109；4.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)村能源研究所，黑龍江 哈爾濱 150086)

燕麥(Avenasativa)屬于禾本科燕麥屬一年生草本植物，具有產(chǎn)量高、營養(yǎng)全面、耐寒、耐鹽堿、適應(yīng)性廣等特性，在冷涼地區(qū)生長良好[1]。燕麥不僅是一種優(yōu)質(zhì)的糧食和經(jīng)濟作物，也是各種家禽、家畜喜愛的優(yōu)質(zhì)飼料。目前，燕麥主要分為裸粒型和帶稃型兩種[2]。在我國，栽培的燕麥主要以裸燕麥為主。目前燕麥市場存在以下特點：品種繁多，應(yīng)用推廣緩慢，產(chǎn)業(yè)化落后。主要原因在于燕麥的育種受到種質(zhì)資源和育種技術(shù)的限制，尤其種質(zhì)資源遺傳關(guān)系的不明確，利用效率低，改良技術(shù)不完善等問題，導(dǎo)致市場上鮮有具備優(yōu)良特性的新品種。

利用分子生物學技術(shù)鑒定和評價燕麥種質(zhì)資源對于燕麥遺傳育種具有重要意義，國外學者在這方面取得了較大進展[3-8]。相比而言國內(nèi)學者主要關(guān)注燕麥種質(zhì)資源的收集和評價[9-12]、生產(chǎn)性能及栽培技術(shù)研究[13-15]，對于種質(zhì)資源遺傳多樣性的報道很少[16-21]。近年來，我國的燕麥產(chǎn)出遠不能滿足當下畜牧業(yè)養(yǎng)殖的需求，2018年1-3月，我國進口燕麥草6.16萬t，預(yù)計全年將進口燕麥草超35萬t，因此，燕麥草產(chǎn)業(yè)在我國發(fā)展空間巨大。特別是黑龍江省具有獨特的地理環(huán)境與氣候條件，非常適宜燕麥生產(chǎn)，深受草企業(yè)及有機牧場的青睞。本試驗選擇 51份燕麥材料在哈爾濱地區(qū)種植，通過觀察數(shù)量性狀和質(zhì)量性狀，對51份不同生態(tài)型燕麥種質(zhì)資源的形態(tài)性狀進行遺傳多樣性、聚類及主成分分析，揭示燕麥種質(zhì)資源親緣關(guān)系及變異的特點。評估結(jié)果將對合理利用燕麥種質(zhì)資源、綜合評價親本、燕麥耐寒種質(zhì)資源新基因的挖掘及種質(zhì)創(chuàng)新均具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為 51 個燕麥品種，包括31份皮燕麥和20份裸燕麥(表1)。

1.2 試驗地點及試驗設(shè)計

試驗于2018年在哈爾濱市道外區(qū)民主鄉(xiāng)黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院草業(yè)研究所試驗地內(nèi)進行。該地區(qū)地理位置為北緯45.2°，東經(jīng)122.6°，海拔169 m。年平均氣溫為5.1 ℃，極端最高氣溫 37.5 ℃，最低氣溫 -35.5 ℃，≥10 ℃ 年活動積溫2887 ℃，年平均降水量469.1 mm，年平均無霜期139 d左右，土壤為黑土，pH值為7.0～7.5，全氮含量1.23 g·kg-1，全磷含量0.47 g·kg-1，速效氮含量83.51 mg·kg-1，速效磷含量18.32 mg·kg-1，前茬作物為籽粒莧(Amaranthuspaniculatus)。供試材料于4月5日播種，采用隨機區(qū)組設(shè)計，3 次重復(fù)，每小區(qū)11行，行長5 m，行距30 cm，小區(qū)面積3 m×5 m=15 m2，小區(qū)間距60 cm，燕麥出苗至成熟期進行人工除草 3次。

1.3 調(diào)查性狀

在種子成熟期隨機抽取10株進行形態(tài)性狀的觀察，數(shù)據(jù)采集及記載嚴格按照燕麥種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準進行[14]。田間觀察和測量指標包括株高、單株分蘗數(shù)、莖粗、主穗穗長、主穗小穗數(shù)、主穗粒數(shù)、主穗粒重、輪層數(shù)、千粒重、株型、粒色、粒形、皮/裸性共13個性狀。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel和SPSS 22.0軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。質(zhì)量性狀主要計算各性狀的多樣性指數(shù)和頻率，數(shù)量性狀主要計算平均值、變異系數(shù)、標準差、極差、最大值、最小值和遺傳多樣性指數(shù)，遺傳多樣性指數(shù)采用Shannon-Weaver指數(shù)(H′)，計算公式：多樣性指數(shù)(H′)=-∑PilnPi，其中Pi為某性狀第i個品種出現(xiàn)的頻率[10]。聚類過程中，種質(zhì)間遺傳距離為歐氏距離，聚類方法采用最長距離法。

表1 51份燕麥品種來源及其皮/裸性Table 1 Sources and husk/naked of 51 oat cultivars

續(xù)表1 Continued Table 1

2 結(jié)果與分析

2.1 燕麥農(nóng)藝性狀遺傳多樣性分析

對51份燕麥推廣品種4個質(zhì)量性狀進行遺傳多樣性分析(表2)，結(jié)果表明，籽粒顏色遺傳多樣性指數(shù)最高，為0.960，以淺黃色居多，分布頻率為0.588，說明該性狀遺傳差異較大，遺傳基礎(chǔ)比較廣泛；粒形以紡錘形為主，頻率為0.569；株型以披散為主，頻率為0.745；皮裸性以皮燕麥為主，頻率為0.607；由表2可知， 在4個質(zhì)量性狀中，遺傳多樣性指數(shù)大小為粒色>粒形>皮裸性>株型。

表2 燕麥種質(zhì)資源4個質(zhì)量性狀的遺傳多樣性Table 2 Analysis on genetic diversity of 4 quality characteristics in oat germplasm

注：粒色1～5依次為淺黃色、黃色、褐色、深褐色、黑色；粒形1～2依次為披針形、紡錘形；株型1～2依次為緊湊、披散；皮/裸性1～2依次為皮、裸。

Note：Grain color 1-5 in regular turn pale yellow, yellow, brown, puce, black; Kernel shape 1-2 in regular turn lanceolatel, spindly; Plant shape 1-2 in regular turn compact, loose; Husk/naked 1-2 in regular turn husk, naked.

對供試51份燕麥推廣應(yīng)用品種9個數(shù)量性狀的遺傳多樣性進行統(tǒng)計分析(表3)，結(jié)果表明，株高變化范圍 66.5～131.3 cm，單株分蘗數(shù)變化范圍 1.0～3.7，莖粗變化范圍 1.5～3.6 mm，主穗長變化范圍8.8～25.0 cm，主穗小穗數(shù)變化范圍 7.7～35.3，主穗粒數(shù)變化范圍60.3～141.0，主穗粒重變化范圍1.4～5.8 g，輪層數(shù)變化范圍4.0～7.3層，千粒重變化范圍 18.7～43.6 g。主穗長的遺傳多樣性指數(shù)最高，為 1.517；單株分蘗數(shù)的遺傳多樣性指數(shù)最低，為0.980。9個數(shù)量性狀的多樣性指數(shù)平均值 1.285，說明各性狀具有豐富的多樣性，遺傳基礎(chǔ)廣、差異大。主穗小穗數(shù)和主穗粒重的變異系數(shù)較大，其值分別為34.8%、33.1%，表明選擇的燕麥品種間在這兩個性狀上存在較大的差異，變異類型豐富，選擇的基礎(chǔ)較廣，品種改良的潛力大。輪層數(shù)的變異系數(shù)最小，為11.8%，說明此性狀在所選擇的燕麥品種間差異較小，比較穩(wěn)定。對種子產(chǎn)量起關(guān)鍵作用的主穗粒重、主穗小穗數(shù)、主穗長以及千粒重的變異系數(shù)差異較大，說明參試品種間變異類型豐富，親本選擇范圍廣。

2.2 燕麥農(nóng)藝性狀聚類分析

利用SPSS 22.0軟件對51份燕麥推廣品種的9個數(shù)量性狀用最長距離法進行聚類分析(圖1)。

表3 燕麥種質(zhì)資源9個數(shù)量性狀的遺傳多樣性Table 3 Analysis on genetic diversity of 9 quantity characteristics in oat germplasm

圖1 51份燕麥種質(zhì)資源形態(tài)性狀聚類圖Fig.1 Dendrogram generated by cluster analysis for 51 oat germplasm

在聚類分析過程中，當歐氏距離系數(shù)為6.8時，51份材料共分為4個類群。各類群的形態(tài)特征見表4。

類群Ⅰ包括29份材料，編號分別是1、3、9、11、12、14、15、17、19、20、21、22、24、26、27、28、29、30、31、32、35、39、43、44、46、47、48、50、51。這一類株高、單株分蘗數(shù)、莖粗、主穗小穗數(shù)、主穗粒重、輪層數(shù)和千粒重均處于中等水平，粒色以淺黃色為主，粒形以紡錘形為主，皮燕麥居多，主穗長在4大類群中最短，其值為13.61 cm，莖粗、主穗長、主穗小穗數(shù)變異系數(shù)在4大類群中最大，分別為19.75%、19.16%、10.68%。

類群Ⅱ包括10份材料，編號分別是4、6、7、 8、10、13、25、40、41、42。 該類群株高、莖粗、主穗小穗數(shù)、主穗粒重、主穗粒數(shù)和輪層數(shù)在4大類群中最低，其值分別為81.72 cm、2.34 mm、14.90個、1.76 g、65.40個、5.35，粒色多為淺黃色和黃色，粒形以披針形為主，皮燕麥為主，株高、主穗粒數(shù)和千粒重變異系數(shù)在4大類群中最小，分別為11.13%、5.9%和15.28%，可作為選育矮稈皮燕麥目標的優(yōu)良親本材料。

類群Ⅲ包括9份材料，編號分別為5、16、18、34、36、37、38、45、49。 這一類群品種以裸燕麥為主，粒色為淺黃色和黃色，粒形披針形為主。此類材料中，單株平均分蘗數(shù)最多為2.93個，變異系數(shù)最低為18.20%，千粒重最低為26.42 g，主穗長、主穗粒重變異系數(shù)在4大類群中為最小，其值分別為15.26%、13.35%。

類群Ⅳ包括3份材料，編號分別是2、23和33。 這3個品種粒色均為淺黃色皮燕麥。這類材料中，除單株分蘗數(shù)在4個類群中最低為2.00個外，其余8個數(shù)量性狀均處于最高，平均株高101.90 cm、莖粗3.13 mm、主穗長21.57 cm、主穗小穗數(shù)24.67個、主穗粒數(shù)133.20個、主穗粒重4.30 g、輪層數(shù)6.43層、千粒重35.53 g，主穗小穗數(shù)變異系數(shù)最大為52.64%，可作為選育大粒型、多輪層數(shù)、多小穗數(shù)等育種目標的皮燕麥親本材。

表4 燕麥種質(zhì)資源各類群的生物學性狀Table 4 Characteristics of biological character traits in oat germplasm

2.3 燕麥農(nóng)藝性狀主成分分析

對燕麥品種9個數(shù)量性狀進行主成分分析，結(jié)果表明(表5)，在9個主成分構(gòu)成中，主信息主要集中在前3個主成分，其累計貢獻率達到了70.09%。主成分一貢獻率最大，其值為36.50%，其次為主成分二、三，貢獻率分別為19.99%、13.60%。

第一主成分特征值為3.285，貢獻率為36.50%。特征向量中符號均為正數(shù)，載荷較大的性狀有主穗粒重、主穗小穗數(shù)、主穗粒數(shù)、輪層數(shù)及莖粗(圖2)，其向量值分別為0.800、0.719、0.667、0.661和0.659，此類性狀均與種子產(chǎn)量有關(guān)，可作為產(chǎn)量構(gòu)成因子，單株分蘗數(shù)的載荷較小。說明在高產(chǎn)育種工作中，主穗粒重、主穗小穗數(shù)、主穗粒數(shù)、輪層數(shù)及莖粗可進行獨立選擇，株高和千粒重要適中，單株分蘗數(shù)越少越好。

第二主成分特征值為1.799，貢獻率為19.99%。特征向量符號中有正有負，主要反映單株的分蘗數(shù)(圖2)，其向量值為0.693，由載荷數(shù)值可以看出，分蘗數(shù)影響產(chǎn)量構(gòu)成因子主穗小穗數(shù)、輪層數(shù)，同時對千粒重、主穗粒重和主穗粒數(shù)等因子起到了制約作用。因此在育種的過程中，要適度把握。

第三主成分特征值為1.224，貢獻率為13.60%。特征向量符號中有正有負，載荷最高的數(shù)量性狀是株高，其向量值為0.840，說明第三主成分主要反映株高，隨著株高的增加會影響主穗小穗數(shù)和千粒重，從而影響種子產(chǎn)量，所以第三主成分分值越高，越適合飼用燕麥育種。

3 討論與結(jié)論

我國燕麥主要分布在內(nèi)蒙古、河北、山西、甘肅、青海及吉林等地區(qū)。經(jīng)過多年的研究發(fā)現(xiàn)，黑龍江地區(qū)也非常適宜燕麥生產(chǎn)[22]，但目前燕麥遺傳基礎(chǔ)狹窄，不利于其穩(wěn)定發(fā)展。本試驗選用51份燕麥材料，31份來自國內(nèi)(華北地區(qū)11份：內(nèi)蒙古2份、河北7份、山西2份；西北地區(qū)17份：甘肅13份、青海4份；東北地區(qū)3份：吉林3份)，20份來自國外(美國、歐洲、澳大利亞等燕麥產(chǎn)區(qū)的主打品種)。這些材料大部分來自高緯嚴寒地區(qū)，與黑龍江地區(qū)地理環(huán)境相近，這種有目的性的引種，對黑龍江地區(qū)燕麥新品種選育具有重要意義。

表5 燕麥主要農(nóng)藝性狀主成分分析Table 5 Principal component analysis of main quality properties in oat

圖2 51份燕麥種質(zhì)資源9個數(shù)量性狀的二維坐標圖Fig.2 Two-dimensional chart of 9 quantitative characters in 51 oat germplasm

燕麥種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性分析已被廣泛應(yīng)用于燕麥的遺傳改良中[23]。本試驗對51份燕麥推廣應(yīng)用品種的13個性狀的遺傳多樣性進行了分析，結(jié)果表明，4個質(zhì)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)以粒色最高，而9個數(shù)量性狀的變異系數(shù)均大于10%，表明這些性狀在種質(zhì)個體間差異較大，變異系數(shù)以主穗小穗數(shù)最大，說明不同品種間的遺傳變異程度不一致，可為燕麥品種改良提供豐富、優(yōu)良的親本材料，同時可拓寬燕麥新品種選育空間和方向。9個數(shù)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)以主穗長最高，說明主穗長這個性狀遺傳基礎(chǔ)廣、變異豐富。

借助聚類分析的方法，對 51 份燕麥種質(zhì)資源的 9個數(shù)量性狀進行了聚類，使其性狀相近的聚為一類，結(jié)果表明，來自同一區(qū)域的材料并沒有聚為一類，可能與不同區(qū)域相互引入有關(guān)，說明材料之間的遺傳差異不一定與地理來源有關(guān)，這與齊冰潔等[19]、王鳴剛等[24]的研究結(jié)果相似。不同于上述報道，本研究把51份燕麥推廣品種種質(zhì)分為4類，類群Ⅰ中包括了大部分國外引進品種，莖粗、主穗長、主穗小穗數(shù)變異系數(shù)在4大類群中最大，有益性狀不明顯；類群Ⅱ株高、莖粗、主穗小穗數(shù)、主穗粒重、主穗粒數(shù)和輪層數(shù)在4大類群中最低，皮燕麥為主，可作為選育矮稈皮燕麥目標的優(yōu)良親本材料；類群Ⅲ為選育高稈、增加分蘗數(shù)育種目標親本材料；類群Ⅳ除單株分蘗數(shù)在4個類群中最低外，其余8個數(shù)量性狀均處于最高，可作為選育大粒型、多輪層數(shù)、多小穗數(shù)等育種目標的皮燕麥親本材。這樣，本研究明確了 51 份燕麥種質(zhì)資源的不同生態(tài)型，在隨后的品種選育過程中，可根據(jù)育種目標選擇相對互補的親本配置組合，使燕麥育種在親本的選擇上更加科學。

主成分分析法已在小麥(Triticumaestivum)[25]、大豆(Glycinemax)[26]和燕麥[12]等作物上應(yīng)用，不僅可以掌握作物綜合形態(tài)性狀，而且可以簡化選擇程序。本試驗將選用的51份材料中9個數(shù)量性狀進行主成分分析，前3個主成分對變異的累計貢獻率達到70.09%，第一主成分反映種子產(chǎn)量，載荷較高的數(shù)量性狀有主穗粒重、主穗小穗數(shù)、主穗粒數(shù)、輪層數(shù)，說明在高產(chǎn)育種工作中，主穗粒重、主穗小穗數(shù)、主穗粒數(shù)及輪層數(shù)可進行獨立選擇；第二主成分載荷最高的數(shù)量性狀是單株分蘗數(shù)，其對千粒重、主穗粒重和主穗粒數(shù)等產(chǎn)量構(gòu)成因子起到了制約作用，因此在育種的過程中，要適度把握；第三主成分載荷最高的數(shù)量性狀是株高，株高是燕麥新品種選育推廣的重要指標，其對主穗小穗數(shù)、千粒重和輪層數(shù)等產(chǎn)量構(gòu)成因子起到了制約作用，所以第三主成分分值越高，越適合飼用燕麥育種。

綜上所述，在黑龍江地區(qū)燕麥育種過程中，親本材料的選配可以根據(jù)主成分排序，具體全面評價每個親本材料綜合指標的優(yōu)勢，根據(jù)制定的育種目標，結(jié)合聚類分析，合理地選配組合，可以加快育種進程，更早選育出適合黑龍江地區(qū)種植的高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)燕麥新品種。