燕麥種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀遺傳多樣性的鑒定評價

張 琦， 魏臻武， 閆天芳， 耿小麗

(揚州大學(xué)動物科學(xué)與技術(shù)學(xué)院/揚州大學(xué)草業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 揚州 225009)

燕麥(AvenasativaL.)是禾本科燕麥屬植物，通常分為裸粒型燕麥(裸燕麥)和帶稃型燕麥(皮燕麥)兩種[1]。燕麥廣泛種植于世界各地，主產(chǎn)區(qū)集中在北半球溫帶地區(qū)[2]。到2017年，我國從28個國家共引進了2 099份燕麥種質(zhì)資源，其中引進較多的國家有加拿大(1 041份)和丹麥(502份)。目前，我國收集并保存了5 282份燕麥種質(zhì)資源，位居世界第5位[3]。雖然我國的燕麥種質(zhì)資源豐富，但新品種的育成速度和燕麥生產(chǎn)水平都較為滯后，導(dǎo)致我國燕麥與進口燕麥在各個方面均存在較大差距。優(yōu)良的飼草品種是飼草產(chǎn)業(yè)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，聯(lián)合國糧食與農(nóng)業(yè)組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO)和發(fā)達國家對影響農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的中眾多因素的評估結(jié)果表明，品種貢獻最高，超過30%[4]。雖然我國擁有豐富的飼草種質(zhì)資源，但是存在利用率低下、改良方法落后、育種效率緩慢的問題亟待解決[5]。

種質(zhì)資源是燕麥新品種選育的物質(zhì)基礎(chǔ)，遺傳多樣性很大程度上決定種質(zhì)資源的豐富度，能夠反映栽培物種的育種水平，用于發(fā)現(xiàn)新的基因資源和改良現(xiàn)有品種。燕麥改良的主要方向是培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆等的新品種[6]。通常情況下，植物的遺傳多樣性與表型性狀之間具有高度的關(guān)聯(lián)。因此，在以皮裸燕麥雜交為主的新品種選育中，想要利用皮燕麥和裸燕麥在農(nóng)藝性狀和生產(chǎn)性能方面的不同特征，選擇最優(yōu)的親本和雜交組合，就要深入的分析不同種質(zhì)間的遺傳差異，歸納出高效的親本選配方法。盡管已有研究利用分子標記、生化技術(shù)如同工酶[7-8]、隨機擴增多態(tài)性DNA標記(Random amplified polymorphic DNA，RAPD)[9]、限制性內(nèi)切酶片段長度多態(tài)性(Restriction fragment length polymorphism，RFLP)[10]、擴增片段長度多態(tài)性(Amplified fragment length polymorphism，AFLP)[11-12]、微衛(wèi)星(Simple sequence repeats，SSR)[13-14]、表達序列標簽(Expressed sequence tag-simple sequence repeat，EST-SSR)[15-16]和區(qū)間簡單重復(fù)序列標記(Inter-simple sequence repeat，ISSR)[17]等對燕麥種質(zhì)資源的遺傳多樣性進行了鑒定和評價。但是基于農(nóng)藝性狀的測定和比較，仍然是種質(zhì)資源利用研究的重要方法和依據(jù)[18]。

本研究以引自國內(nèi)外的141個燕麥種質(zhì)資源為材料，測定相關(guān)農(nóng)藝性狀和籽粒性狀指標，并通過遺傳多樣性指數(shù)分析、主成分分析和聚類分析，研究了141份燕麥種質(zhì)資源的遺傳親緣關(guān)系，減少目標育種親本選配的盲目性，更加合理利用燕麥種質(zhì)資源，從而為燕麥資源新基因的探索、種質(zhì)創(chuàng)新利用以及江淮地區(qū)燕麥種質(zhì)選擇研究提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗在揚州大學(xué)揚子津牧草實驗基地(119°01′～119°54′ E，32°15′～33°25′ N)進行。該基地年平均氣溫為14.8℃，年平均降水量1 005 mm。年平均光照時間2 140 h，無霜期為220 d左右。試驗地0～20 cm土層土壤肥力中等，有機質(zhì)含量為11.89 g·kg-1，堿解氮含量為88.26 mg·kg-1，速效磷含量為6.04 mg·kg-1，速效鉀含量為42.33 mg·kg-1，土壤pH為7.34。

1.2 試驗材料

供試燕麥種質(zhì)材料中105份由全國畜牧總站種質(zhì)資源庫提供，36份由揚州大學(xué)草業(yè)科學(xué)研究所提供。本試驗中的141份燕麥種質(zhì)資源共包含122份皮燕麥和19份裸燕麥，其中92份來自亞洲、23份來自歐洲、23份來自北美、3份來自澳洲。而92份燕麥中89份來自中國，其中揚州18份、甘肅15份、青海13份、山西10份、四川9份、湖北8份、河北5份、新疆5份、東北4份、山東2份。

1.3 試驗設(shè)計

本試驗采用人工條播種植，播種前20天，進行翻耕(15～20 cm)。2017年10月3日進行種植，每份燕麥種質(zhì)種植3行，行長3 m，行距30 cm，小區(qū)面積4.5(3×1.5) m2。小區(qū)間距1 m。播量12 g·m-2，播種深度5～8 cm，3次重復(fù)。分別乳熟期(2018年5月15日左右)和完熟期(2018年6月1日左右)進行取樣和測定農(nóng)藝性狀和種質(zhì)性狀指標。

1.4 測定指標及方法

1.4.1農(nóng)藝性狀測定 按照《燕麥種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》[19]于乳熟期在每個小區(qū)內(nèi)采用5點取樣法隨機選取10株燕麥，帶回實驗室測定每株燕麥燕麥株高(Plant height)、分蘗數(shù)(Number of tiller)、穗長(Length of spikelet)、旗葉長(Length of leaf)、莖粗(Stem thick)、輪層數(shù)(Number of ear layer)、穗粒數(shù)(Number of spikelet)、千粒重(Thousand grain weight)、單株鮮重(Fresh weight of plant)，將其在105℃下殺青30 min，然后在80℃下烘干48 h至恒重，測定其單株干重。

1.4.2籽粒性狀測定 于完熟期各小區(qū)隨機挖取10株帶回試驗室考種，按照《燕麥種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》[19]測定燕麥籽粒的皮/裸性狀(Hulled/Naked)、有無麥芒(Awn/Awnless)、粒型(Grain type)、粒色(Grain color)。

表1 參試燕麥種質(zhì)的名稱與來源

1.5 數(shù)據(jù)處理

本試驗使用Excel 2013軟件對原始數(shù)據(jù)進行處理，通過SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和分析。使用Shannon-Weaver指數(shù)進行遺傳多樣性指數(shù)分析：遺傳多樣性指數(shù)H′=-∑PiLnPi(Pi為此物種個體數(shù)占總個體數(shù)比例)[20]。為了方便對質(zhì)量性狀進行統(tǒng)計分析，將質(zhì)量性狀賦值進行計算。利用R 3.4.1語言使用Ward法對燕麥種質(zhì)進行聚類和繪制圓形聚類分析圖。通過SPSS 19.0軟件對主要農(nóng)藝性狀進行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 燕麥種質(zhì)資源形態(tài)多樣性

對141份燕麥的種質(zhì)性狀進行遺傳多樣性分析(表2)發(fā)現(xiàn)，141種質(zhì)資源中皮燕麥占絕大多數(shù)，占比高達87%，而裸燕麥僅占比13%。粒色上，白色最多，占比76%；其次為褐色，占比17%；黃色和黑色相近且占比最少。粒型上，紡錘型為絕大多數(shù)，占參試材料的91%，長筒型和橢圓形各占5%和4%。麥芒方面，56%的材料表現(xiàn)為無芒，其余44%的材料為有芒。在這4個質(zhì)量性狀中，遺傳多樣性指數(shù)最高的是粒色，為1.08。

由表3可知，燕麥的平均株高為131.64 cm。其中‘CF008186’株高最高為192.60 cm，‘AS172 2639’的株高最低僅有63.4 cm。6%的燕麥株高低于100 cm，110～130 cm之間的燕麥種質(zhì)最多約占50%，株高高于150 cm的燕麥占10%。在分蘗數(shù)方面，53%的種質(zhì)分蘗數(shù)在3～4個之間，34%的種質(zhì)分蘗數(shù)在4～5之間，9%的分蘗數(shù)為5～6，僅有2個燕麥種質(zhì)的分蘗數(shù)為7。各個燕麥種質(zhì)之間的莖粗差異極大，9%的種質(zhì)莖粗在0.3～0.4 cm個之間，27%的種質(zhì)在0.4～0.5 cm之間，34%在0.5～0.6 cm之間，28%的莖粗為0.6～0.7 cm，4個燕麥種質(zhì)的莖粗在0.8～0.9，分別為‘CF015038’、‘AS1722713’、‘AS1722636’、‘CF014935’。各種質(zhì)燕麥旗葉長差距極大，在11.05 cm～37.54 cm之間，19%的種質(zhì)葉長為10～20 cm，73%的種質(zhì)在20～30 cm，8%的葉長在30～40 cm之間，其中‘CF008427’旗葉最長可達37.54 cm，‘CF014594’最短僅有11.05 cm。在穗長方面，‘CF008188’穗長最長有51.74 cm，‘CF008449’最短只有23.38 cm，141份燕麥種質(zhì)的穗長在這個區(qū)間內(nèi)均勻分布。在穗粒數(shù)上，‘CF003687’最多為單株144.4粒，‘CF014584’最少單株僅有33.6粒。本研究中10個性狀的變異系數(shù)均大于10%，說明141份燕麥種質(zhì)資源材料間形態(tài)差異較大，種質(zhì)資源遺傳類型豐富，有利于特異種質(zhì)材料的篩選。遺傳多樣性分析表明，多樣性指數(shù)最高的性狀是莖粗，為2.64；其次是單株鮮重，為2.55；遺傳多樣性指數(shù)的排序為莖粗>單株鮮重>單株干重>穗長>輪層數(shù)>千粒重>葉長>穗粒數(shù)>株高>分蘗數(shù)。

表2 燕麥種質(zhì)資源4個質(zhì)量性狀的遺傳多樣性分析

表3 燕麥種質(zhì)資源10個數(shù)量性狀的遺傳多樣性分析

2.2 燕麥主要性狀的主成分分析

首先對10個農(nóng)藝性狀進行Bartlett球度檢驗(P<0.05)和KMO檢驗(0.647)發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)適合進行主成分分析[5]。對141份燕麥種質(zhì)進行主成分分析，結(jié)果顯示，前4個特征值的累計貢獻率達69.609%，包含了所有種質(zhì)農(nóng)藝性狀的大部分信息，可作為代表進行分析。由表4可知，第1主成分特征值為3.127，貢獻率為27.312%。單株干重特征向量值為最大(0.882)，說明單株干重對第1主成分影響最大，其次是單株鮮重(0.880)、莖粗(0.810)，因此第1主成分可作為燕麥草產(chǎn)量因子。第2主成分的特征值為1.558，貢獻率為17.735%。穗長特征向量值正值最大(0.691)，其次是分蘗(0.592)、株高(0.551)，因此第2主成分為形態(tài)因子。第3主成分的特征值為1.166，貢獻率為12.728%。千粒重特征向量值為正值最大(0.637)，因此第3主成分為籽粒特性因子。第4主成分的特征值為1.110，相應(yīng)的貢獻率為11.834%，第4主成分中輪層數(shù)特征向量值為正值最大(0.551)，因此第4主成分為籽粒產(chǎn)量因子。

表4 燕麥主要農(nóng)藝性狀的主成分分析

2.3 燕麥種質(zhì)群劃分及歸類

聚類分析可以明確燕麥種質(zhì)資源的不同類型，方便選取差異較大的種質(zhì)材料，為親本的選擇提供理論依據(jù)。對141份燕麥種質(zhì)資源材料進行聚類分析，分析結(jié)果將141份燕麥種質(zhì)劃分為3大類(圖1)，并對各種質(zhì)群性狀進行了統(tǒng)計分析(表5)。

圖1 燕麥種質(zhì)資源聚類圖

種質(zhì)群Ⅰ包含88份種質(zhì)，包括87個皮燕麥和1個裸燕麥，其中53份來自中國(揚州本地品種10份)，35份來自國外。該類群粒形均為紡錘型，粒色分為白色和褐色兩種；在10個數(shù)量性狀中，其主要特征是株高最低、莖粗最細、旗葉和穗長最短、單株鮮重和干重最小、穗粒數(shù)最少。這一類群中的燕麥種質(zhì)可以作為選育矮桿、特異穗粒品種的優(yōu)良親本。

種質(zhì)群Ⅱ包含36份，包括35份皮燕麥和1份裸燕麥，其中18份來自中國(揚州本地品種5份)，17份來自國外。該類群粒形以紡錘型為主，粒色以白色為主。該類群植株最高，株高平均為139 cm，分蘗能力最強，單株分蘗數(shù)為4.64個，莖粗最高平均為0.68 cm，同時其單株鮮重和單株干重在3個種質(zhì)群中處于最高水平。這一類群可以作為選育高桿、高產(chǎn)品種的優(yōu)良親本。

種質(zhì)群Ⅲ包含17份燕麥材料，均為來自我國的裸燕麥，包括青海、山西、四川、內(nèi)蒙古、甘肅、揚州等地，其中揚州本地3份。該類群旗葉長和穗長均高于其他兩個種質(zhì)群，分別為26.89 cm，38.63 cm。輪層數(shù)和千粒重均低于其他種質(zhì)群，其余各數(shù)量性狀介于另外兩個種質(zhì)群之間，該種質(zhì)群可作為選育飼用籽粒品種的親本。以上3個種質(zhì)群可在實際育種工作中根據(jù)選育目標進行綜合分析和篩選。

表5 燕麥種質(zhì)資源各種質(zhì)群性狀的特征

3 討論

種質(zhì)資源是新品種選育的基礎(chǔ)，而分析種質(zhì)資源的遺傳背景和遺傳多樣性是育種突破的關(guān)鍵。隨著草地農(nóng)業(yè)的發(fā)展，不同的生產(chǎn)目標也對新品種創(chuàng)新提出了新的要求。為了選育適宜內(nèi)蒙古地區(qū)生產(chǎn)的燕麥新品種，田青松等[21]以‘永492’和父本‘歇里·努瓦爾’進行種間雜交選育出了高產(chǎn)燕麥飼草新品種‘蒙飼燕2號’。為了解決燕麥在南方生長不能抽穗結(jié)實和種植范圍窄的生產(chǎn)問題，楊才等[22]利用溫室加代的措施，通過3種間聚合雜交，育成了株高55～140 cm，生育期65～100 d的燕麥新品種。但由于近年來作物育種所用的種質(zhì)資源主要集中在骨干親本上[23-25]，導(dǎo)致育成品種農(nóng)藝性狀的變異幅度較為狹窄，因此研究燕麥種質(zhì)資源的多樣性對燕麥遺傳育種具有重要意義[26-27]。

本研究對不同來源的141份燕麥種質(zhì)資源進行了農(nóng)藝性狀多樣性分析，結(jié)果表明，莖粗的多樣性指數(shù)最高，其次是單株鮮重和單株干重，分蘗數(shù)和株高的多樣性指數(shù)較低，單株鮮重的變異系數(shù)最高，其次為單株干重和千粒重，分蘗數(shù)和穗長的變異系數(shù)較低。遺傳多樣性指數(shù)反應(yīng)了種質(zhì)資源間性狀的多樣性，而變異系數(shù)的大小與某個性狀的變幅呈正相關(guān)[28]。研究表明，當變異系數(shù)在10%以上時，種質(zhì)資源間的性狀存在顯著差異[29]，本研究中燕麥種質(zhì)資源10個數(shù)量性狀的變異范圍在17.01%～41.79%之間，均大于10%，表明參試燕麥品種間存在豐富的遺傳多樣性，可以為燕麥品種改良工作提供了豐富、優(yōu)良的親本材料。

主成分分析可有效的簡化選擇程序、把握綜合性狀[30]，已廣泛應(yīng)用于玉米(Zeamays)、小麥(Triticumaestivum)等許多農(nóng)作物性狀的評價和篩選中[31-32]。本研究，4個主成分因子的特征值表明，參試種質(zhì)和性狀指標對于主成分分析結(jié)果具有一定影響，前4個主成分因子的累計貢獻率達69.609%，包含了近一半以上的性狀信息。根據(jù)這些信息，可對燕麥種質(zhì)不同農(nóng)藝性狀進行差異性和特異性選擇，提高篩選種質(zhì)性狀的效率。

采用聚類分析可以劃分燕麥種質(zhì)資源的不同類型，方便選取差異較大的種質(zhì)材料，為雜交親本的選配提供參考依據(jù)[33]，目前已被廣泛運用于許多作物種質(zhì)資源的分類與遺傳多樣性研究上。通過聚類分析將141份燕麥種質(zhì)資源劃分為具有明顯性狀差異的3個種質(zhì)群，可為不同育種目標的選擇提供參考，以期提高育種效率。3個種質(zhì)群中種質(zhì)群Ⅰ的種質(zhì)資源株高最矮，莖粗最細，單株鮮重和干重最小，輪層數(shù)、分蘗數(shù)和穗長處于中間水平，可以用來選育矮桿抗倒伏、特異穗粒品種。種質(zhì)群Ⅱ為植株高大、莖稈最粗、單株分蘗數(shù)最多、千粒重最大、單株鮮重和干重最大的燕麥種質(zhì)資源，可作為選育高產(chǎn)飼草品種的優(yōu)良親本。種質(zhì)群Ⅲ的種質(zhì)資源均為裸燕麥，該種質(zhì)群的旗葉最長、穗長最長，由于均為裸燕麥，千粒重最小，其余各農(nóng)藝性狀較為均衡，可作為選育飼用籽粒品種的優(yōu)良親本。不同來源的燕麥種質(zhì)遺傳基礎(chǔ)之間存在差異，而同一地理來源的燕麥種質(zhì)之間并沒有聚為一類，表明不同材料間的遺傳差異與地理位置沒有明顯的相關(guān)性，這與齊冰潔、南銘的研究結(jié)果一致[2,5]。

本研究通過分析141份燕麥種質(zhì)資源的遺傳多樣性，從農(nóng)藝性狀上鑒定出了一批優(yōu)異的種質(zhì)材料，但由于農(nóng)藝性狀易受環(huán)境條件和人為因素的影響而發(fā)生改變，因此應(yīng)結(jié)合分子標記技術(shù)對這些燕麥種質(zhì)資源進行更加深入的測定，以標記和驗證其農(nóng)藝性狀的結(jié)果，并與常規(guī)育種手段相結(jié)合，更加有效的利用其育種潛力，為燕麥農(nóng)藝性狀的遺傳改良提供可靠依據(jù)。

4 結(jié)論

141份不同來源的燕麥種質(zhì)資源之間遺傳多樣性較為豐富，莖粗、單株鮮重和千粒重這3個飼草產(chǎn)量相關(guān)性狀的多樣性指數(shù)較高。主成分分析結(jié)果顯示：4個主成分因子累計貢獻率達69.609%，第1主成分反映單株鮮重和莖粗，與飼草產(chǎn)量有關(guān)；第2主成分與穗長、分蘗和株高等形態(tài)性狀有關(guān);第3主成分與籽粒特性有關(guān)；第4主成分與籽粒產(chǎn)量有關(guān)。通過聚類分析將141份種質(zhì)資源分為3類，種質(zhì)群Ⅰ株高最矮，莖粗最細，單株鮮重和干重最小;種質(zhì)群Ⅱ為植株高大、莖稈最粗、單株分蘗數(shù)最多、千粒重最大、單株鮮重和干重最大;種質(zhì)群Ⅲ旗葉和穗長最長，在實際應(yīng)用中可以依據(jù)不同的育種目標選擇親本材料。