山西小麥育成品種農(nóng)藝性狀演變趨勢及關(guān)聯(lián)分析

劉筱穎，李曉華，鄭興衛(wèi)，喬玲，趙佳佳，葛川，喬麟軼，張樹偉，鄭軍

(1. 山西省新絳縣原種場, 山西 運城 043100；2. 山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所，山西 臨汾041000；3.山西省科技情報所, 太原 030000)

作為世界主要糧食作物之一，小麥在現(xiàn)代生活中發(fā)揮著重要作用，高產(chǎn)和優(yōu)質(zhì)是育種追求的永恒目標(biāo)。因此，充分挖掘小麥優(yōu)良農(nóng)藝性狀，不斷選育綜合性狀優(yōu)異的新品種至關(guān)重要[1-3]。小麥品種資源農(nóng)藝性狀演變規(guī)律的研究歷來備受重視。自20世紀(jì)40年代以來，在全國范圍內(nèi)實現(xiàn)6～9次小麥品種更換，每次品種更換，不僅產(chǎn)量有了很大提高，而且品種的綜合性狀也得到改善[4-5]。河南省近二十年來小麥品種演變規(guī)律為：抽穗期隨著品種育成年份呈提前趨勢，全生育期、株高、有效穗數(shù)隨著品種育成年份呈降低趨勢，穗粒數(shù)和千粒重隨著年份顯著增加，產(chǎn)量的提高主要是與抽穗期提前使灌漿時間增加、穗粒數(shù)及千粒重增加有關(guān)[6]。李瑞奇等[7]對河北省2000年前的審定品種研究發(fā)現(xiàn)，高產(chǎn)育種模式應(yīng)是穩(wěn)定穗數(shù)上限645萬～675萬·hm-2的基礎(chǔ)上，依靠穗粒數(shù)和千粒重同時提高達到提高產(chǎn)量的目的。山東省近年來育成小麥品種產(chǎn)量水平穩(wěn)步提高，中多穗品種更適合山東氣候和生產(chǎn)條件，總體品質(zhì)狀況較差，且品質(zhì)指標(biāo)非常不協(xié)調(diào)，小麥品質(zhì)遺傳改良研究急需加強[8]。此外，甘肅省、貴州省、云南省、陜西省和西藏自治區(qū)等小麥性狀及發(fā)展方向也有報道[9-11]，可有效指導(dǎo)今后的育種方向。

山西省生態(tài)類型復(fù)雜，從北到南分屬于北部春麥區(qū)、北部冬麥區(qū)和黃淮冬麥區(qū)多種生態(tài)條件。山西省降雨量較少，年降水約700 mm左右，小麥生育期降水一般為205 mm左右。因此，山西省品種資源在抗旱、節(jié)水方面具有獨特優(yōu)勢。截止2016年，山西省育成小麥品種共203個，這些品種在不同時代發(fā)揮了巨大作用，為山西農(nóng)業(yè)生產(chǎn)做出了巨大貢獻，如晉麥47作為黃淮麥區(qū)旱薄地、山西南部旱地和陜西東部旱地3組區(qū)試對照品種已20多年；長6878多年來作為北部冬麥區(qū)旱地組區(qū)試對照品種[1]；地方品種平遙小白麥系選出的燕大1817成為北部冬麥區(qū)育成品種最多的骨干親本[12]。山西小麥品種資源類型豐富，缺乏表型和基因型的精確鑒定已成為優(yōu)異小麥資源利用的主要限制因素。本課題組前期對山西省小麥育成品種的遺傳多樣性、高分子量麥谷蛋白和品質(zhì)演化趨勢進行了研究。本研究以山西省建國以來審定品種為材料，在系統(tǒng)獲得抽穗期、小穗數(shù)、千粒重、穗粒數(shù)、株高、穗長、穗頸長、穗下節(jié)間、溝數(shù)、分蘗、旗葉面積、旗葉長、旗葉寬等17個農(nóng)藝性狀表型數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，進行農(nóng)藝性狀演變趨勢及關(guān)聯(lián)分析，研究結(jié)果可以為今后的小麥育種和生產(chǎn)提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

供試材料為建國以來山西省審定的小麥品種，總計163份[13]，種子由各育種單位提供或本課題組保存。

1.2 研究方法

供試材料分別于2015、2016和2017年10月播種于山西省臨汾市小麥研究所試驗田，每份材料種植2行，行長1.5 m，行距22 cm，株距7 cm，田間管理與大田生產(chǎn)一致。待成熟后每份材料隨機選擇10株考察17個農(nóng)藝性狀[14]：抽穗期(heading date, HD)、小穗數(shù)(spikelet number, SN)、千粒重(1 000-grain weight, TGW)、穗粒數(shù)(kernel number, KN)、株高(plant height, PH)、穗長(spike length, SL)、穗頸長(neck length of spike, NLS)、穗下節(jié)間(internode length below the spike, ILS)、溝數(shù)(channel number, CN)、分蘗(tillers)、旗葉面積(Fflag leaf area, FLA)、旗葉長(flag leaf length, FLL)、旗葉寬(flag leaf width, FLW)、倒二葉長(top sSecond leaf length, TSLL)、倒二葉寬(top aecond leaf width, TSLW)、倒三葉長(top third leaf length, TTLL)、倒三葉寬(top third leaf width, TTLW)。

1.3 統(tǒng)計和關(guān)聯(lián)分析

各性狀表型數(shù)據(jù)采用2015、2016和2017年的平均值，采用Excel和SPSS軟件進行統(tǒng)計和分析。利用Tassel 3.0軟件對山西小麥品種17個農(nóng)藝性狀與124對多態(tài)性較好的SSR標(biāo)記進行相關(guān)性分析[13]，采用混合線性模型(MLM)，以Q作為協(xié)變量進行回歸分析，并計算標(biāo)記對表型變異的解釋率，P<0.05時標(biāo)記與性狀存在顯著相關(guān)。本試驗采用Bonferroni較正法在ɑ=1時，P值的對數(shù)轉(zhuǎn)換[-log10p=-log(p)]值為顯著關(guān)聯(lián)的閾值。運用R3.4.2繪制manhattan圖和quantile-quantile(Q-Q)圖，使顯著位點可視化。

2 結(jié)果與分析

2.1 育成品種的農(nóng)藝性狀表現(xiàn)

通過分析抽穗期、小穗數(shù)、千粒重、穗粒數(shù)、株高、穗長、穗頸長、穗下節(jié)間、溝數(shù)、分蘗、旗葉面積、旗葉長、旗葉寬、倒二葉長、倒二葉寬、倒三葉長和倒三葉寬共17個主要農(nóng)藝性狀可以看出，山西小麥品種農(nóng)藝性狀的平均數(shù)、極差、變異系數(shù)和遺傳多樣性指數(shù)都存在較大的差異(表1)。

表1 山西小麥育成品種農(nóng)藝性狀表現(xiàn)Table 1 Agronomic characters of wheat cultivars in Shanxi

抽穗期變異系數(shù)較大(19.39 %)，變幅為199～211 d，平均值為205.04 d，抽穗期最短的為199 d(晉麥36號)，最長的為211 d(晉麥37號)。小穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重三個產(chǎn)量相關(guān)性狀中，小穗數(shù)變異系數(shù)最小，千粒重變異系數(shù)最大；小穗數(shù)平均值為21個，變幅為15～24個。穗粒數(shù)變異系數(shù)為19.41%，平均值為42粒，大于60粒的品種有2份，分別是臨抗11號和臨汾138；千粒重平均為43.18 g，變幅為33.3～57.8 g，極差達 24.5 g，變異系數(shù)達24%，千粒重在40 g以上品種有72個，占總數(shù)的75%。

所有品種株高平均為101.83 cm，變幅為66.33～141.50 cm，變異系數(shù)達17%，90 cm以下的品種有24個，占總數(shù)25%，株高在100 cm以上的品種有43個，占總數(shù)44.7%，中高稈品種較多。穗長平均9.37 cm，變幅為5.77～12.70 cm，變異系數(shù)為12%，穗長在10 cm以下的品種有67個，占總數(shù)69.8%，10 cm以上品種占30.2%，最長的為12.7 cm，說明山西小麥多數(shù)表現(xiàn)為短穗型。穗下節(jié)長平均值為28.41 cm，變幅為15.90～42.33 cm，變異系數(shù)為19%，穗下節(jié)長30 cm以下品種有64個，占總數(shù)66.67%，大多數(shù)育成品種穗下節(jié)長較短。

旗葉是小麥籽粒碳水化合物的主要來源，提高旗葉光合能力可提高小麥產(chǎn)量。山西育成品種旗葉長和旗葉寬的變異系數(shù)分別為14.43%和24.84%，平均值為19.78 和1.57 cm，旗葉最長的品種為晉麥32號，葉長28.77 cm。倒二葉和倒三葉的變異范圍較大，尤其是倒三葉寬，變異系數(shù)達30.11%，倒二葉和倒三葉的長寬平均值為23.59、1.30、22.93 和0.33 cm。

各性狀頻數(shù)分布如圖1所示。

圖1 山西小麥育成品種農(nóng)藝性狀頻數(shù)分布Fig.1 Performance of agronomic characters of wheat cultivars in Shanxi

17個農(nóng)藝性狀整體遺傳多樣性指數(shù)均值為0.830，表明山西小麥育成品種多樣性豐富。變異系數(shù)由高到低為：穗頸長>倒三葉寬>分蘗>旗葉寬>千粒重>倒三葉長>穗粒數(shù)>抽穗期>穗下節(jié)間>旗葉面積>株高>倒二葉寬>倒二葉長>旗葉長>溝數(shù)>穗長>小穗數(shù)，育成品種在小穗數(shù)、穗長、溝數(shù)、旗葉長和倒二葉長等性狀變異不大，穗頸長、倒三葉寬和分蘗的變異系數(shù)較大，說明這三個性狀上變異豐富。

2.2 山西小麥育成品種農(nóng)藝性狀的演變

研究不同性狀與育成年代分布(圖2)發(fā)現(xiàn)，株高呈降低趨勢，由20世紀(jì)70年代的110～120 cm降低到現(xiàn)在的75～90 cm。穗下節(jié)間的變化趨勢與株高幾乎一致，由35 cm左右降到25 cm左右。旗葉長度變短，由高稈披葉變?yōu)榘捴比~。小穗數(shù)由18～20個增加到21～25個，穗粒數(shù)由30～40粒增加到40～50粒，穗長由8 cm左右增加到10 cm左右，總體上小穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重等性狀呈持續(xù)上升趨勢。此外，抽穗期呈逐年縮短的趨勢，其平均值由70年代205.5 d降到2010以后的204.1 d，可能與氣溫逐漸升高，促進了小麥發(fā)育進程有關(guān)。從產(chǎn)量三因素看，中多穗品種更適合山西省的氣候和生產(chǎn)條件，株高 75～80 cm 的小麥品種在山西有更大的發(fā)展?jié)摿?，對提高小麥產(chǎn)量作用更大。近10年山西省審定小麥品種的產(chǎn)量和農(nóng)藝性狀總體變異較小，說明在當(dāng)前較高的育種水平和生產(chǎn)條件下，小麥產(chǎn)量的遺傳改良是一個非常緩慢的過程。

圖2 山西小麥育成品種農(nóng)藝性狀變化趨勢Fig.2 Change of agronomic characters of wheat cultivars in Shanxi

2.3 小麥不同農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

不同農(nóng)藝性狀方差分析發(fā)現(xiàn)，株高的F值最大(5.441)，表明株高是小麥育種改良最大的性狀，其次是倒二葉長、穗頸、穗下節(jié)間、旗葉寬和小穗數(shù)等性狀(表2)。相關(guān)性分析表明，千粒重與穗長和旗葉長極顯著正相關(guān)，穗粒數(shù)與穗長、株高、小穗數(shù)和溝數(shù)極顯著正相關(guān)。株高與穗下節(jié)間和穗頸長極顯著相關(guān)，與小穗數(shù)、穗長不相關(guān)，有效分蘗與旗葉長和倒二葉長極顯著正相關(guān)，穗下節(jié)間與穗頸長極顯著正相關(guān)，抽穗期與穗頸長和穗下節(jié)間顯著正相關(guān)，旗葉面積與株高、旗葉長、穗下節(jié)間和穗頸呈極顯著負(fù)相關(guān)(表3)。

表2 不同時期育成品種17個農(nóng)藝性狀的方差分析Table 2 Analysis of variance of 17 agronomic traits in different period

續(xù)表Continued

表3 山西小麥育成品種相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of wheat cultivars in Shanxi

2.4 小麥不同農(nóng)藝性狀相關(guān)聯(lián)的SSR位點

利用124對均勻分布各染色體的SSR標(biāo)記進行關(guān)聯(lián)分析，在P<0.05的水平上，共檢測到33對標(biāo)記和性狀顯著關(guān)聯(lián)，表型解釋率在5.6%～25.3% (表4)。與千粒重相關(guān)聯(lián)的標(biāo)記最多，為6個，與小穗數(shù)、穗粒數(shù)和株高等9個性狀相關(guān)聯(lián)的標(biāo)記僅有一個。標(biāo)記psp3071與穗頸長、穗下節(jié)間、倒二葉寬和倒三葉寬均顯著相關(guān)，標(biāo)記gwm11與千粒重和旗葉長顯著相關(guān)，cfa2019與小穗數(shù)和千粒重顯著相關(guān)，gwm495、gwm295和gwm413等標(biāo)記也均與兩個以上性狀顯著相關(guān)(圖3)。

注：A、B：千粒重； C、D：穂長； E、F：旗葉面積；紅線為標(biāo)記顯著性的閾值線，不同顏色的點為顯著的關(guān)聯(lián)性位點。Note：A，B：1 000-grain weight; C,D：Spike length; E,F：Flag leaf area；the red line is the threshold line marking significance, and the points with different colors are significant correlation sites.圖3 千粒重、穂長和旗葉面積關(guān)聯(lián)分析的曼哈頓圖和Q-Q圖Fig.3 Manhattan and Q-Q plots with association analysis of 1 000-grain weight, spike length and flag leaf area

3 討論

研究小麥主要農(nóng)藝性狀變化趨勢可以為親本選育提供參考意見。本研究發(fā)現(xiàn)，山西省自建國以來審定的小麥品種表型多樣性豐富。其中穗頸長的變異系數(shù)最高為50.78%，其次為倒三葉寬、分蘗、旗葉寬和千粒重，小穗數(shù)的變異系數(shù)最低為7.63%，穗長和溝數(shù)的變異系數(shù)也較低，表明自建國以來山西小麥品種在葉寬、分蘗、千粒重等方面差異較大，在小穗數(shù)、穗長和溝數(shù)性狀上差異較小。河北[7]、陜西[15]、山東[16]和黃淮麥區(qū)[17]小麥農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)分別為：6.90%～43.55%、9.96%～26.90%、8.93%～48.27%和9.96%～26.90%，山西小麥大部分農(nóng)藝性狀遺傳豐富度高于這些主產(chǎn)省份。比較不同年代育成品種后發(fā)現(xiàn)，隨著品種選育時間整體株型得到明顯改進，但株高平均值高達101.83 cm，可能與旱地品種較多有關(guān)；分蘗數(shù)趨于穩(wěn)定，千粒重、穗粒數(shù)和小穗數(shù)均為小增幅增加，這與楊洪強等[6]對河南省小麥農(nóng)藝性狀演變規(guī)律的研究結(jié)果一致。河南省代表我國小麥的最高產(chǎn)量水平，近20年來區(qū)試品種的株高隨著育種年份平均每年降低0.218 cm，穗粒數(shù)和千粒重增加0.294粒和0.357 g[18]，山西品種的變化趨勢與當(dāng)前育種的主流目標(biāo)一致，但產(chǎn)量水平還有一定差距。

關(guān)聯(lián)分析基于連鎖不平衡標(biāo)記，使標(biāo)記基因與表型變異聯(lián)系起來的一種方法[19-20]。本文采用MLM模型對17個農(nóng)藝性狀進行關(guān)聯(lián)分析，共獲得33對與農(nóng)藝性狀相關(guān)聯(lián)的標(biāo)記，與千粒重相關(guān)的標(biāo)記最多，與小穗數(shù)、穗粒數(shù)、株高和旗葉長等性狀相關(guān)聯(lián)的標(biāo)記較少，可能與農(nóng)藝性狀相關(guān)基因在進化過程中發(fā)生的重組次數(shù)有關(guān)。其中標(biāo)記gwm372解釋了小穗數(shù)14.1%的表型變異，與張彥軍等[21]的研究結(jié)果相一致；標(biāo)記wmc201與分蘗相關(guān)，可解釋6.6%的表型變異與趙檀[22]的研究結(jié)果一致。這些顯著性標(biāo)記為進一步的小麥分子標(biāo)記輔助育種提供了資源。

表4 與山西小麥育成品種農(nóng)藝性狀顯著相關(guān)的SSR標(biāo)記位點Table 4 SSR markers significantly correlated with agronomic traits of shanxi wheat cultivars

續(xù)表Continued