花生地方品種骨干種質(zhì)代表性評(píng)價(jià)與耐旱性鑒定

閆彩霞成 波李春娟鄭奕雄韓柱強(qiáng)陳 靜單世華

花生(ArachishypogaeaL., 2n=4x= 40)又名落花生、長(zhǎng)生果、地豆等,屬蝶形花科落花生屬,一年生草本植物,起源于玻利維亞南部和阿根廷北部地區(qū)。我國(guó)收集保存于種質(zhì)庫(kù)中的花生資源已達(dá)7400余份。其中,地方品種4000余份,遺傳多樣性豐富,是花生品種選育的主要親本來(lái)源。

小麥[1]、糜子[2]、棉花[3]等陸續(xù)構(gòu)建了骨干種質(zhì),極大地方便了一些多年多點(diǎn)數(shù)量性狀的取得和抗病、抗逆性狀的鑒定。對(duì)骨干種質(zhì)的代表性進(jìn)行評(píng)價(jià),確保其能最大程度地代表整個(gè)資源的遺傳多樣性,是實(shí)現(xiàn)種質(zhì)資源利用最大化的前提。董俊麗等[2]利用模糊隸屬函數(shù)法和主成分分析評(píng)價(jià)了糜子骨干種質(zhì)的遺傳多樣性,并進(jìn)行了表型鑒定,篩選出綜合性狀較好的寧糜15號(hào)。張小娟[3]利用52對(duì)核心引物評(píng)價(jià)了95份棉花骨干種質(zhì)的遺傳多樣性,聚類(lèi)分析表明親緣關(guān)系與系譜來(lái)源較為吻合。這為骨干種質(zhì)的深入評(píng)價(jià)和有效利用開(kāi)拓了新的途徑。

花生抗旱性是受多基因控制的數(shù)量性狀,與種質(zhì)的植物學(xué)特征、農(nóng)藝性狀及基因型等密切相關(guān)。干旱脅迫發(fā)生時(shí),花生植株形態(tài)與生理生化特性均會(huì)做出響應(yīng)。葉片萎蔫為植株形態(tài)上的變化,是直觀性評(píng)價(jià)指標(biāo)[4-6]。抗旱系數(shù)為品種的綜合反應(yīng)結(jié)果,是準(zhǔn)確性評(píng)價(jià)指標(biāo)[7-9]?；ㄉ购敌澡b定以PEG2000模擬干旱或旱棚人為控制干旱最為常見(jiàn),因自然降雨的不確定性,鮮有在真實(shí)大田生長(zhǎng)環(huán)境下進(jìn)行抗旱性鑒定。山東海陽(yáng)地處膠東半島地區(qū),2015-2016年花生生長(zhǎng)季持續(xù)干旱,為自然條件下篩選全生育期抗旱花生種質(zhì)提供了有利條件。

本研究以171份花生骨干種質(zhì)為材料,利用均值符合率等5個(gè)參數(shù)和主成分分析評(píng)價(jià)其對(duì)全部種質(zhì)的代表性,萎蔫指數(shù)和抗旱系數(shù)相結(jié)合評(píng)價(jià)抗旱性,為花生抗旱育種提供優(yōu)異基因資源。

1 材料與方法

1.1 材料和數(shù)據(jù)

以171份中國(guó)花生地方品種骨干種質(zhì)為研究對(duì)象,占全部種質(zhì)的6.24%,對(duì)全部種質(zhì)的遺傳代表性達(dá)82.4%,對(duì)初選骨干種質(zhì)的遺傳代表性達(dá)99.2%。涉及生育期、百果質(zhì)量、百仁質(zhì)量、出仁率、株高、株型、開(kāi)花習(xí)性、分枝型、植物學(xué)類(lèi)型等9個(gè)農(nóng)藝性狀和粗蛋白含量、粗脂肪含量、油酸含量、亞油酸含量等4個(gè)品質(zhì)性狀。

1.2 骨干種質(zhì)的代表性評(píng)價(jià)和確認(rèn)

參照Hu等[10]和Wang等[11]的方法,比較骨干種質(zhì)、初選骨干種質(zhì)和全部種質(zhì)13個(gè)性狀數(shù)據(jù)的均值差異百分率(mean difference percentage,MD%)、方差差異百分率(variance difference percentage,VD%)、極差符合率(coincidence rate of range,CR%)、變異系數(shù)變化率(variable rate in coefficient of variation,VR%)和香農(nóng)指數(shù)變化率(variable rate of Shannon's diversity index,DR%),對(duì)其進(jìn)行代表性評(píng)價(jià)。利用主成分分析(principal component analysis)比較三個(gè)群體基于第1、2主成分的二維樣品分布圖,確認(rèn)全部種質(zhì)的遺傳結(jié)構(gòu)是否被保留在骨干種質(zhì)中。

1.3 骨干種質(zhì)的抗旱性鑒定

試驗(yàn)于2015-2016年在山東省海陽(yáng)市發(fā)城鎮(zhèn)無(wú)灌溉條件試驗(yàn)田進(jìn)行,當(dāng)?shù)乜晒喔忍餅閷?duì)照(圖1),將骨干種質(zhì)分別于5月3日和5月1日種植,三次重復(fù),隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。于飽果成熟期(8月25日-9月5日)午后14:00時(shí)和18:00點(diǎn)分別統(tǒng)計(jì)冠層萎蔫指數(shù)(wither index,WI),每3 d調(diào)查1次。萎蔫指數(shù)分為6級(jí):0-無(wú)萎蔫;1-輕微萎蔫(萎蔫出現(xiàn)在個(gè)別植株上,傍晚即恢復(fù)正常);2-萎蔫(一半的植株或較多的植株萎蔫,傍晚基本恢復(fù)正常);3-明顯萎蔫(多數(shù)植株萎蔫,傍晚還有輕微萎蔫);4-嚴(yán)重萎蔫(葉片灼傷或大部分植株葉片卷曲,傍晚還有中度萎蔫);5-完全萎蔫(葉片黃化、褐化或大部分葉片死亡和脫落,傍晚不能恢復(fù))?？购迪禂?shù)(drought resistance coefficient,DC)的計(jì)算公式為:DC=YD/YP(YD為干旱脅迫下的單株仁質(zhì)量,YP為正常生長(zhǎng)條件下的單株仁質(zhì)量)[12]。根據(jù)冠層萎蔫指數(shù)和抗旱系數(shù)兩個(gè)指標(biāo)評(píng)價(jià)骨干種質(zhì)的抗旱性。

2 結(jié)果與分析

2.1 骨干種質(zhì)的代表性評(píng)價(jià)

對(duì)骨干種質(zhì)、初選骨干種質(zhì)和全部種質(zhì)的DR%、VR%、CR%、VD%及MD%等5個(gè)參數(shù)進(jìn)行比較,骨干種質(zhì)與初選骨干種質(zhì)、全部種質(zhì)的MD%分別為15.38%和7.69%,VD%分別為0和7.69%,CR%分別為91.25%和83.84%。可見(jiàn),骨干種質(zhì)對(duì)初選骨干種質(zhì)和全部種質(zhì)的變異幅度均有良好代表性。與初選骨干種質(zhì)和全部種質(zhì)相比,骨干種質(zhì)DR%分別為99.70%和102.48%,VR%分別為83.38%和104.15%(表1),表明骨干種質(zhì)保留了初選骨干種質(zhì)和全部種質(zhì)的遺傳變異,且豐度較高。

圖1 2015-2016年試驗(yàn)進(jìn)行期間海陽(yáng)的月降雨量Fig.1 Monthly precipitation at the study site Haiyang from 2015 to 2016

表1 骨干種質(zhì)13個(gè)性狀的均值差異百分率、方差差異百分率,極差符合率、香農(nóng)指數(shù)變化率及變異系數(shù)變化率Table 1 The MD%, VD%, CR%, DR% and VR% for thirteen traits in key germplasm,primary key germplasm and entire collection

2.2 骨干種質(zhì)的確認(rèn)

利用SPSS 22.0對(duì)全部種質(zhì)、初選骨干種質(zhì)和骨干種質(zhì)進(jìn)行主成分(PCA)分析,得到基于第1、2主成分的二維空間聚類(lèi)圖(圖2),全部種質(zhì)中有大量樣品集中在散點(diǎn)分布圖下方的左右兩側(cè),存在著嚴(yán)重的相互重疊,表明這些樣品有較高的遺傳相似性,群體的遺傳冗余程度高。9.4%的平方根法取樣后,初選骨干種質(zhì)樣品分布的重疊程度得到了顯著降低;6.2%的骨干種質(zhì)進(jìn)一步剔除了遺傳背景相似的種質(zhì),與初選骨干種質(zhì)類(lèi)似,仍呈現(xiàn)全部種質(zhì)的分布特征,且有較多外圍個(gè)體入選,空間分布均勻。因此,骨干種質(zhì)很好地保留了初選骨干種質(zhì)和全部種質(zhì)的遺傳多樣性和群體結(jié)構(gòu),確保了骨干種質(zhì)的有效性。

2.3 骨干種質(zhì)的抗旱性篩選

從171份骨干種質(zhì)中篩選出13份抗旱花生種質(zhì),抗旱系數(shù)介于0.50～0.86,萎蔫指數(shù)0～2(表2)。其中,多粒型種質(zhì)2份、珍珠豆型種質(zhì)2份、龍生型種質(zhì)5份、普通型種質(zhì)3份、中間型種質(zhì)1份。匍匐或半匍匐型種質(zhì)較多,占抗旱種質(zhì)的近70%,生育期相對(duì)較長(zhǎng)。直立型種質(zhì)占抗旱種質(zhì)的30%,生育期較短。抗旱系數(shù)與萎蔫指數(shù)并不完全一致,抗旱系數(shù)最高的阜花3號(hào)和臨縣花生,萎蔫指數(shù)分別為1和2。抗旱系數(shù)較低的天津2和江津小花生,萎蔫指數(shù)均為0。

總體來(lái)說(shuō),抗旱系數(shù)較高,萎蔫程度也較低。這些種質(zhì)在兩年間表現(xiàn)非常穩(wěn)定,為抗旱穩(wěn)產(chǎn)優(yōu)異種質(zhì)。

圖2 全部種質(zhì)、初選骨干種質(zhì)和骨干種質(zhì)的樣品主成分分布圖Fig.2 Principal component plots for entire collection, primary key germplasm and key germplasm

表2 篩選到的13份抗旱系數(shù)＞0.5的抗旱花生種質(zhì)及其萎蔫指數(shù)Table 2 Thirteen peanut landraces screened with DC≥0.5 and WI≤2

3 討 論

3.1 骨干種質(zhì)的評(píng)價(jià)與確認(rèn)

骨干種質(zhì)的評(píng)價(jià)就是檢驗(yàn)其對(duì)原有群體的代表性。一般認(rèn)為,當(dāng)骨干種質(zhì)的均值差異百分率小于20%,極差符合率大于80%,就可認(rèn)為該骨干種質(zhì)能夠代表原有群體的遺傳多樣性[10]。均值差異百分率、方差差異百分率越小,極差符合率、香農(nóng)指數(shù)變化率和變異系數(shù)變化率越大,骨干種質(zhì)的代表性越強(qiáng)[10]。

本研究中骨干種質(zhì)與全部種質(zhì)的均值差異百分率、方差差異百分率、極差符合率、變異系數(shù)變化率和香農(nóng)指數(shù)變化率分別為7.69%、7.69%、83.84%、104.15%、102.48%,表明所選骨干種質(zhì)能代表全部種質(zhì)的遺傳多樣性,且豐度較高。同時(shí),也從表型水平上證明“逐步UPGMA聚類(lèi)+個(gè)體優(yōu)先取樣”是一種較適宜的構(gòu)建花生骨干種質(zhì)策略。

主成分分析中的第 1、第2主成分的累積貢獻(xiàn)率大約為50%,可用作二維平面的X坐標(biāo)、Y坐標(biāo),近似地描述樣品在幾何空間的分布。因此,基于主成分的樣品分布圖既可反映個(gè)體的遺傳相似程度,又可反映分析群體的遺傳結(jié)構(gòu)[13],目前已被廣泛應(yīng)用于入選種質(zhì)的代表性評(píng)價(jià)和綜合評(píng)價(jià)中。Xu等[14]通過(guò)核心種質(zhì)與原種質(zhì)分布特征的比較,直觀地評(píng)價(jià)了海島棉核心種質(zhì)的代表性。劉娟等[15]采用主坐標(biāo)圖確認(rèn)了利用ISSR分子標(biāo)記構(gòu)建新疆野杏核心種質(zhì)的有效性。本研究所構(gòu)建的中國(guó)花生地方品種骨干種質(zhì)較好地保留了初選骨干種質(zhì)和全部種質(zhì)的分布特征,有效地避免了兩個(gè)群體的遺傳冗余,確保了骨干種質(zhì)的有效性。

3.2 骨干種質(zhì)的抗旱性鑒定與評(píng)價(jià)指標(biāo)的選擇

干旱是限制我國(guó)花生產(chǎn)量提高最主要的逆境因素,其引起的花生減產(chǎn)率平均在20%以上,測(cè)定葉片萎蔫指數(shù)是最直觀、最簡(jiǎn)單易行的方法,方便進(jìn)行大規(guī)模的品種鑒定。前人借助葉片萎蔫指數(shù)對(duì)很多作物進(jìn)行了抗旱性鑒定[4-6],以初步判定品種抗旱性的強(qiáng)弱,大大減少了工作量。本研究從171份花生地方品種骨干種質(zhì)中篩選到萎蔫指數(shù)0級(jí)的種質(zhì)12份(7.0%)、1級(jí)34份(19.9%)、2級(jí)22份(12.9%),占全部種質(zhì)的39.8%,表明利用地方品種篩選耐旱種質(zhì)是可行的。干旱系數(shù)是干旱脅迫對(duì)作物影響的最終結(jié)果,是品種抗旱性鑒定的可靠指標(biāo),因此利用抗旱系數(shù)做了進(jìn)一步鑒定。171份骨干種質(zhì)的抗旱系數(shù)介于0.02～0.86之間,遠(yuǎn)低于其他研究者的鑒定結(jié)果[16-18]?？购迪禂?shù)最高的32個(gè)種質(zhì)(≥0.3)中,萎蔫指數(shù)≤2級(jí)的種質(zhì)有29份,其余3份的萎蔫指數(shù)均為3級(jí),與利用萎蔫指數(shù)篩選的結(jié)果較為吻合,也很好地印證了利用萎蔫指數(shù)對(duì)抗旱花生種質(zhì)進(jìn)行初步鑒定的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。同時(shí),萎蔫指數(shù)≥3.0級(jí)種質(zhì)的抗旱系數(shù)均小于0.3,也表明了試驗(yàn)點(diǎn)全生育期干旱脅迫程度的嚴(yán)重性,篩選的抗旱種質(zhì)有更大的育種利用價(jià)值。篩選的13份抗旱種質(zhì)中近70%為匍匐或半匍匐種質(zhì),與前人的研究結(jié)果極為相似[19]。

4 結(jié) 論

171份骨干種質(zhì)對(duì)全部種質(zhì)的MD%、VD%、CR%、DR%和VR%分別達(dá)7.69%、7.69%、83.84%、104.15%、102.48%,骨干種質(zhì)代表了全部種質(zhì)的遺傳變異。主成分分析證實(shí)了骨干種質(zhì)很好地保留了全部種質(zhì)的群體結(jié)構(gòu)。篩選到抗旱系數(shù)≥0.5、萎蔫指數(shù)≤2的抗旱花生種質(zhì)13份。本研究構(gòu)建的骨干種質(zhì)具有很好的代表性,篩選的抗旱種質(zhì)可用于花生抗旱育種。