航天育種小麥品系主要農(nóng)藝性狀遺傳多樣性及產(chǎn)量差異性分析

王珊珊 ，周長艷 ，張向前 ，路戰(zhàn)遠(yuǎn) ，閆景赟 ，郝建璽 ，程玉臣 ，張春艷

（1.呼倫貝爾生態(tài)產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,內(nèi)蒙古海拉爾 021008；2.呼倫貝爾農(nóng)墾科技發(fā)展有限責(zé)任公司,內(nèi)蒙古海拉爾 021008；3.海拉爾農(nóng)牧職工中等專業(yè)學(xué)校,內(nèi)蒙古牙克石 022150；4.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院,內(nèi)蒙古呼和浩特 010031）

小麥?zhǔn)俏覈闹饕Z食作物之一,在我國糧食生產(chǎn)和國家糧食安全保障中占有重要地位[1]。內(nèi)蒙古的主要種植糧食作物之一即為春小麥,其春小麥生產(chǎn)區(qū)是我國春小麥主要種植區(qū)域之一[2]。但是,常規(guī)育種周期長等因素會影響小麥品種的更替以及氣候劇烈變化條件下小麥的生態(tài)適應(yīng)性,進(jìn)而影響小麥產(chǎn)量。隨著我國航空事業(yè)的不斷發(fā)展,空間生命科學(xué)也隨之不斷發(fā)展和完善,通過衛(wèi)星搭載作物種子利用高能重粒子和空間微重力等因子來引發(fā)作物遺傳變異的航天育種已成為我國作物品種選育的新途徑[3-4]。自1987年至今,我國已經(jīng)進(jìn)行了10多次航天誘變育種,航天誘變的農(nóng)作物種類達(dá)50多種,共400多個(gè)品種,主要有青椒、番茄、胡蘿卜、萵苣、黃瓜、絲瓜等蔬菜種子,水稻、小麥、高粱等糧食種子以及花卉種子等草本植物[5-7],目前,已在該基礎(chǔ)上選出了農(nóng)藝性狀優(yōu)良的突變植物類型。呼倫貝爾農(nóng)墾集團(tuán)是全國六大直屬直供墾區(qū)之一,該集團(tuán)在小麥育種方面取得了突出成績,特別是自2003年開始,呼倫貝爾農(nóng)墾集團(tuán)開始開展航天育種工作,通過返回式科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星對11個(gè)小麥品種進(jìn)行了航天誘變,成功篩選出了格來尼系列小麥品種和品系。為篩選出適宜在呼倫貝爾地區(qū)種植的航天小麥新品種,進(jìn)一步明確航天誘變對小麥品系產(chǎn)量性狀的影響,闡明航天誘變小麥品系產(chǎn)量性狀的遺傳多樣性,本研究分析了11個(gè)經(jīng)過航天誘變小麥品系和1個(gè)未經(jīng)航天誘變的小麥品種（對照）的產(chǎn)量性狀遺傳多樣性和生育期差異性,旨在為小麥航天育種、航天誘變小麥品種審定和大田推廣提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市拉布大林試驗(yàn)站進(jìn)行,該試驗(yàn)站位于額爾古納市境內(nèi),地理坐標(biāo)為 E 120°12′、N 50°16′,海拔 650 m。試驗(yàn)區(qū)氣候特征屬大陸性寒溫帶類型,春季干旱程度較大且多風(fēng),夏季溫涼而短促,秋季降溫非常急劇,冬季寒冷而漫長；年平均氣溫為-2.2℃,≥10℃有效積溫為1 700～1 850 ℃；無霜期為 90～105 d；年平均降水量為373～474 mm,且6—9月的降水量占全年降水總量的80%左右；年平均日照時(shí)數(shù)為2 600 h左右。試驗(yàn)地為夏翻地,前茬作物為油菜,土質(zhì)為黑鈣土,土壤有機(jī)質(zhì)含量為44.31 g/kg、全氮含量為0.76 g/kg、全磷含量為0.53 g/kg。農(nóng)作物一年一熟,適宜種植油菜、小麥、大麥等作物。

1.2 試驗(yàn)品種

參試品種（系）12個(gè),分別為11個(gè)經(jīng)過航天誘變的小麥品系Tla07-0145-d-15、Tla07-0145-d-7、T2588-26-14-4、T2588-26-14-7、Tla09-202-4-3、Tla11-001-1、T2577-5-1-2、T2577-3-3-b-4、Tla11-002、Tla10-001-1-1、Tla10-001-1-2 和 1 個(gè)未經(jīng)過航天誘變的小麥品種kechun4hao（對照）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置以品種為處理,共設(shè)12個(gè)處理,3次重復(fù),小區(qū)采用隨機(jī)區(qū)組排列,小區(qū)長10 m、寬1.5 m,小區(qū)面積15 m2,播種行距為15 cm。5月8日采用機(jī)械播種,播種時(shí)施磷酸二銨187.5 kg/hm2、尿素97.5 kg/hm2、氯化鉀30.0 kg/hm2、省肥增效寶300 mL/hm2。其他管理同大田。

1.4 測定指標(biāo)與方法

1.4.1 生育期 記錄各品種（系）的出苗期、抽穗期、成熟期和生育期天數(shù)。

1.4.2 農(nóng)藝性狀 在成熟期每小區(qū)取30株小麥測量株高、穗長、穗粒數(shù)、有效小穗數(shù)、無效小穗數(shù)、千粒重和容重,重復(fù)3次。

1.4.3 小麥產(chǎn)量 于小麥成熟期每小區(qū)取1 m2測定小麥籽粒產(chǎn)量,重復(fù)3次。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用軟件Excel 2010和軟件SPSS 18.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,聚類分析利用軟件DPSS 12.0進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同參試小麥品種（系）生育期進(jìn)程及成穗率的差異性分析

由表1可知,不同參試小麥品種（系）的生育期進(jìn)程和成穗數(shù)存在較大差異。各小麥品種（系）的出苗期均相同,出苗日期為5月18日。抽穗期以T2577-5-1-2品系最早,其時(shí)間為7月3日,其次是Tla07-0145-d-15、T2588-26-14-4、T2588-26-14-7、Tla09-202-4-3、Tla10-001-1-1 和 kechun4hao（CK）,其抽穗時(shí)間為7月4日,抽穗最晚的品系為Tla07-0145-d-7、Tla11-001-1、T2577-3-3-b-4 和Tla10-001-1-2,其抽穗時(shí)間為7月6日。分析其成熟期可以看出,以T2577-5-1-2品系成熟最早,其成熟時(shí)間為8月4日,其次是T2588-26-14-4和T2588-26-14-7,其成熟時(shí)間為8月5日,成熟最晚的品系是Tla10-001-1-1和Tla10-001-1-2,其成熟時(shí)間為8月11日。由生育期可以看出,對照品種的生育期為80 d,T2577-5-1-2品系的生育期為78 d,比對照品種提前了2 d,其次是T2588-26-14-4和T2588-26-14-7兩個(gè)品系的生育期為79 d,比對照品種提前了1 d,而Tla07-0145-d-15和Tla07-0145-d-7兩品系的生育期與對照品種相同,生育期最長的品系為Tla10-001-1-1和Tla10-001-1-2,比對照品種晚5 d,其他4個(gè)品系的生育期分別比對照晚2～4 d。由成穗數(shù)可以看出,T2588-26-14-4的成穗數(shù)最大,為573.0萬株/hm2,其次是T2588-26-14-7,為543.0萬株/hm2,最小的為T2577-3-3-b-4,其成穗數(shù)為393.0萬株/hm2,其他9個(gè)品種（系）位于以上3個(gè)品系之間,成穗數(shù)為417.0～504.0萬株/hm2。

表1 不同參試小麥品種（系）生育期進(jìn)程及成穗率的差異性

2.2 不同參試小麥品種（系）主要農(nóng)藝性狀的差異性和遺傳多樣性研究

2.2.1 不同參試小麥品種（系）主要農(nóng)藝性狀的差異性分析 由表2可知,不同參試小麥品種（系）間主要農(nóng)藝性狀影響差異較大。從各品種（系）的株高可以看出,Tla07-0145-d-15的株高最高,為78.00 cm,其次是kechun4hao,為76.00 cm,二者無顯著差異,但均顯著高于其他品系,T2577-5-1-2品系的株高最小,為60.00 cm,除Tla11-001-1和T2577-3-3-b-4品系外,顯著低于其他品種（系）；Tla07-0145-d-7品系的穗長最短,分別比Tla07-0145-d-15、T2588-26-14-4、T2588-26-14-7、Tla09-202-4-3、kechun4hao、Tla11-001-1、T2577-5-1-2、T2577-3-3-b-4、Tla11-002、Tla10-001-1-1、Tla10-001-1-2品種（系）的穗長減小了21.65%、18.28%、26.21%、13.64%、20.83%、14.61%、11.63%、14.61%、18.28%、29.63%、26.92%；各小麥品種（系）的穗粒數(shù)以kechun4hao最高,為29.30粒,其次是Tla07-0145-d-15,為28.60粒,Tla09-202-4-3品系的穗粒數(shù)最小,僅為18.00粒,其他品系位于以上3個(gè)品種（系）之間；kechun4hao的千粒重最小,僅為37.00 g,其他11個(gè)品系的千粒重分別比對照品種增加了5.41%～32.43%；Tla09-202-4-3品系的容重最大,為 827.00 g/L,其次是 kechun4hao,為 825.00 g/L,Tla11-002和Tla10-001-1-2的容重最小,均為790.00 g/L,其他8個(gè)品系位于以上4個(gè)品種（系）之間,容重為 791.00～818.00 g/L。

表2 不同參試小麥品種（系）主要農(nóng)藝性狀的差異性分析

2.2.2 不同參試小麥品種（系）主要農(nóng)藝性狀的差異性和遺傳多樣性研究 由表3可知,供試的小麥品種（系）間的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、極值、極差、變異系數(shù)和遺傳多樣性指數(shù)均存在較大的差異。無效小穗數(shù)的多樣性指數(shù)最大,其值為0.50,其次是株高,其值為0.49,穗粒數(shù)的遺傳多樣性指數(shù)最小,其值為0.43,其他4個(gè)指標(biāo)的遺傳多樣性指數(shù)位于以上3個(gè)指標(biāo)之間,其大小順序?yàn)樗腴L=容重＞有效小穗數(shù)=千粒重。小麥品種（系）之間的變異系數(shù)存在一定差異,其中,無效小穗數(shù)的變異系數(shù)最大,其值為18.52%,變幅為4.40～8.30,極差為3.90,其次是穗粒數(shù),其值為14.92%,而千粒重、有效小穗數(shù)、穗長和株高的變異系數(shù)分別為9.11%、9.08%、9.07%和8.22%,變幅分別為 37.00～49.00 g、11.10～14.50 個(gè)、7.60～10.80 cm 和60.00～78.00 cm,極差分別為 12.00、3.40、3.20 和9.00；變異系數(shù)最小的是容重,其值為1.56%,變幅為 790.00～827.00 g/L,極差為 37.00。

表3 不同參試小麥品種（系）主要農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性分析

2.3 參試小麥品種（系）的產(chǎn)量差異性分析

由圖1可以看出,不同品種（系）之間產(chǎn)量差異較大。T2588-26-14-4品系產(chǎn)量最高,達(dá)到了4 849.5 kg/hm2,其次為T2588-26-14-7,產(chǎn)量最小的是T2577-3-3-b-4,其他小麥品（種）系產(chǎn)量從大到小依次為 kechun4hao、Tla10-001-1-2、Tla09-202-4-3、Tla07-0145-d-7、T2577-5-1-2、Tla11-001-1、Tla07-0145-d-15、Tla10-001-1-1、Tla11-002。與對照品種相比,僅T2588-26-14-4和T2588-26-14-7兩品系的產(chǎn)量比對照品種提高了1.39%和0.06%,其他各品系的產(chǎn)量均低于對照品種,分別比對照品種降低了5.77%～19.22%。其中,除T2588-26-14-4、T2588-26-14-7的產(chǎn)量與對照品種相比無顯著差異外,其他各品系與對照品種相比均存在顯著性差異（P＜0.05）。

圖1 參試小麥品種（系）的產(chǎn)量差異性分析

2.4 參試小麥品種（系）的聚類分析

由圖2可以看出,利用DPSS 12.0數(shù)據(jù)分析軟件,對11個(gè)經(jīng)過航天誘變的小麥品系以及1個(gè)對照品種的7個(gè)主要農(nóng)藝性狀的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析,在歐氏距離為11.86條件下把供試材料分為3組。

圖2 基于7個(gè)主要農(nóng)藝性狀的參試小麥品種（系）的聚類分析

第Ⅰ組群主要包括4個(gè)品種（系）。這一組群的明顯特征是株高和容重較高,無效小穗數(shù)是3個(gè)組群最低的,而株高、穗長、穗粒數(shù)、產(chǎn)量的變異系數(shù)均是幾個(gè)組群中最大的（表4）。由此說明,該組群的小麥品種（系）可作為高容重小麥品種篩選的親本,并且能夠降低選育小麥品種的無效小穗數(shù)。第Ⅱ組群主要包括2個(gè)品系,且這2個(gè)品系的小麥產(chǎn)量均高于對照品種,各指標(biāo)的變異系數(shù)是3個(gè)組群中表現(xiàn)最小的,因此,該組群的2個(gè)小麥品系產(chǎn)量較高,生育期適宜呼倫貝爾地區(qū),因此可為品種審定做準(zhǔn)備。第Ⅲ組群包括6個(gè)小麥品系。該組群的特征是株高最矮、穗長適中、千粒重最大、容重和產(chǎn)量最低,因此,該組群可以作為矮稈、大粒型小麥品種選育的父母本材料。

表4 參試小麥種質(zhì)資源各組群形態(tài)特征

3 結(jié)論與討論

廣袤的太空已經(jīng)成為地球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的植物育種基地。我國是最早開展航天育種的少數(shù)幾個(gè)國家之一,自我國航天育種開始以來,已經(jīng)取得了巨大成績,并為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)做出了重大貢獻(xiàn)[8]。航天誘變育種是指利用各種返回式航天器將作物種子或其他待誘變材料搭載上太空,利用太空的微重力和太空輻射等特殊環(huán)境來誘發(fā)其變異,然后航天器返回地面時(shí)將其種植進(jìn)行新品種選育的一種新型作物育種技術(shù)[9]。小麥種質(zhì)資源的各種性狀經(jīng)過誘變后發(fā)生變異,還需要進(jìn)一步對誘發(fā)的變異性狀進(jìn)行選擇,因此,通過有效地選擇方式將變異的性狀確定并加強(qiáng)是航天誘變育種需要注重的技術(shù)環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在小麥航天育種在田間性狀選擇和后代品系材料處理上具有較大的盲目性,導(dǎo)致有益性狀的選擇效率較低[10]。對于一些重要農(nóng)藝性狀的變異在不同世代的選擇效應(yīng)和選擇方法上還需要加強(qiáng),其對小麥育種具有重要意義。本試驗(yàn)根據(jù)田間航天誘變小麥品種（系）的生育期進(jìn)程、生育期天數(shù)以及主要農(nóng)藝性狀對11份航天誘變的小麥進(jìn)行了篩選,發(fā)現(xiàn)無效小穗數(shù)的多樣性指數(shù)最大,其值為0.50,其次是株高,其值為0.49,穗粒數(shù)的遺傳多樣性指數(shù)最小,其值為0.43,無效小穗數(shù)的變異系數(shù)最大,其值為18.52%,變幅為4.40～8.30,其次為穗粒數(shù),變異系數(shù)最小的是容重。通過聚類分析將小麥品系共分成了3個(gè)組群,其中第Ⅰ組群主要包含4個(gè)品種（系）,第Ⅱ組群主要包含2個(gè)品系,第Ⅲ類群主要包含6個(gè)品系。將參試小麥品種（系）的生育進(jìn)程、生育期、主要農(nóng)藝性狀的聚類、產(chǎn)量等方面進(jìn)行綜合比較得出,T2588-26-14-4的生育期較適宜,穗粒數(shù)和千粒重2個(gè)指標(biāo)良好,且其產(chǎn)量也比對照品種kechun4hao高,其綜合性狀較好,可為申請品種審定做準(zhǔn)備。