苦蕎種質(zhì)資源性狀評價及優(yōu)異資源篩選

李春花，加央多拉 ，陳蕤坤，王春龍 ，郭來春，魏黎明，孫墨可，田 娟，董玉迪，賈云峰，任長忠

(1.白城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林 白城 137000；2.筑波大學(xué)生命環(huán)境系，日本 筑波 3058572)

苦蕎(FagopyrumtataricumGaertn.)屬蓼科(Polygonaceae)蕎麥屬(Fagopyrum)的一年生雙子葉草本植物，是蕎麥屬的栽培種之一，亦稱韃靼蕎麥[1-3]?？嗍w富含氨基酸、礦物質(zhì)、膳食纖維、黃酮類化合物及微量元素，具有明顯的降“三高”功能，此外還具有抗炎癥、抗氧化、抗腫瘤等保健功能，有極高的營養(yǎng)價值，是藥食同源作物[4-6]，長期食用對高血脂、糖尿病及心血管疾病等都有很好的預(yù)防和輔助治療作用。隨著經(jīng)濟不斷發(fā)展和人民生活水平不斷提高，人們對飲食結(jié)構(gòu)的要求不斷提高，苦蕎作為藥食兼用作物越來越受人們的關(guān)注和喜愛，在國際市場上一直供不應(yīng)求[6]。

近年，為了提高苦蕎產(chǎn)量，研究者們大量進行了播期[7-9]、種植密度[10-12]和施肥量[13-15]等栽培措施的研究。但目前高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)苦蕎品種缺乏，因此，提高苦蕎產(chǎn)量仍是當(dāng)前苦蕎育種的主要任務(wù)之一?？嗍w新品種選育的物質(zhì)基礎(chǔ)是作物種質(zhì)資源，遺傳多樣性很大程度上決定種質(zhì)資源的豐富度，能夠反映育種水平，用于發(fā)現(xiàn)新的基因資源和改良現(xiàn)有品種，因此苦蕎種質(zhì)資源的評價及優(yōu)異資源的篩選對于資源的合理利用和種質(zhì)創(chuàng)新具有重要的意義。目前，已有很多研究者對苦蕎種質(zhì)的農(nóng)藝性狀評價及篩選進行了研究。李瑞國等[16]對53份苦蕎資源的12個農(nóng)藝性狀進行了評價，并篩選出寬粒類、大粒類、抗倒伏類等材料。高金峰等[17]利用主成分分析，對西藏80份苦蕎資源的7個農(nóng)藝性狀進行了分析，并篩選出矮稈大粒材料。李春花等[18]對48份云南苦蕎種質(zhì)的6個主要農(nóng)藝性狀和5個品質(zhì)性狀進行了遺傳多樣性分析，并篩選出矮稈高產(chǎn)型材料。呂丹等[19]對213份苦蕎種質(zhì)資源的8個農(nóng)藝性狀進主成分分析、聚類分析，篩選出高產(chǎn)育種材料。但由于這些研究調(diào)查的種質(zhì)資源種類、栽培地點等均有差異，不一定適合吉林省的品種選育。本研究在前人研究的基礎(chǔ)上，對吉林省白城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院蕎麥課題組保存的180份苦蕎種質(zhì)資源進行農(nóng)藝性狀的調(diào)查，從表型來綜合評價苦蕎種質(zhì)資源的遺傳多樣性，篩選出一批特異種質(zhì)以及優(yōu)異苦蕎種質(zhì)資源，以期為吉林西部特色苦蕎新品種選育與后續(xù)產(chǎn)業(yè)規(guī)模化發(fā)展提供理論依據(jù)與技術(shù)參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及試驗地點

試驗材料180份苦蕎種質(zhì)資源情況見表1，其中山西的種質(zhì)材料87份(序號為1～85、170、172)，云南的種質(zhì)材料86份(序號為86～169、179～180)，陜西的種質(zhì)材料4份(序號為171、173、175、178)，甘肅的種質(zhì)材料2份(序號為174、177)，四川的種質(zhì)材料1份(序號為176)。試驗地點設(shè)于吉林省白城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗基地(45°37′N，122°47′E)，該地區(qū)海拔為155.4 m，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均降水量399.9 mm，無霜期平均144 d。試驗地地勢平整，土壤肥力均勻，前茬作物為高粱。該地土壤類型為淡黑鈣土，耕層土壤(0～20 cm)有機質(zhì)含量2.4%，礦質(zhì)氮142.4 mg·kg-1，速效磷15.2 mg·kg-1，速效鉀69.7 mg·kg-1，pH 值為 7.5。

續(xù)表1

1.2 試驗方法

本試驗于2020年6月18日進行。試驗設(shè)3個重復(fù)，隨機區(qū)組排列，株間距為4 cm進行點播。小區(qū)長2 m，3行區(qū)，行距60 cm，小區(qū)面積3.6 m2。

1.3 測定指標(biāo)及方法

待籽粒70%～80%成熟時收獲，每小區(qū)隨機選取10個單株，參照《蕎麥種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[20]測定株高、主莖節(jié)數(shù)和分枝數(shù)，用電子游標(biāo)卡尺(精確到0.01 mm)測定莖粗后單株脫粒，經(jīng)2周的風(fēng)干后利用萬深SC-G自動考種分析及干粒重儀(杭州萬深檢測科技有限公司)測定株粒數(shù)、千粒重、株粒重、粒長、粒寬、長寬比、籽粒圓度、籽粒面積等籽粒相關(guān)性狀。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007軟件進行整理，采用JMP 9.0.2統(tǒng)計分析軟件進行差異性分析、相關(guān)性分析和主成分分析。采用Python 3.8軟件進行聚類分析，其中利用Excel將數(shù)據(jù)進行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換后，采用以平方Euclidean距離為遺傳距離的Ward法進行聚類。

2 結(jié)果與分析

2.1 苦蕎種質(zhì)資源表型性狀的遺傳多樣性分析

180份苦蕎種質(zhì)資源的12個農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)范圍為7.75%～67.28%(表2)。其中，株粒重和株粒數(shù)的變異系數(shù)均高于60%，說明產(chǎn)量相關(guān)性狀表現(xiàn)出更好的變異性，并且進行遺傳改良的潛力較大；分枝數(shù)的變異系數(shù)為36.15%，株高、主莖節(jié)數(shù)、莖粗、千粒重、籽粒面積、長寬比、粒長、籽粒圓度的變異系數(shù)在10%～20%之間，粒寬的變異系數(shù)低于10%。以上結(jié)果表明，180份苦蕎種質(zhì)資源間性狀差異較大，具有較為豐富的遺傳多樣性，適宜篩選優(yōu)異種質(zhì)。

表2 苦蕎種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的多樣性分析

2.2 苦蕎種質(zhì)資源各農(nóng)藝性狀間的相關(guān)性分析

180份苦蕎種質(zhì)資源12個農(nóng)藝性狀相關(guān)分析結(jié)果表明(表3)，株高與主莖節(jié)數(shù)、莖粗、株粒數(shù)、株粒重極顯著正相關(guān)；主莖節(jié)數(shù)與分枝數(shù)、莖粗極顯著正相關(guān)；分枝數(shù)與粒寬、籽粒圓度極顯著正相關(guān)；莖粗與株粒數(shù)、株粒重極顯著正相關(guān)；株粒數(shù)與株粒重極顯著正相關(guān)，與籽粒面積、粒寬極顯著負(fù)相關(guān)；株粒重與粒寬極顯著負(fù)相關(guān)；千粒重與籽粒面積、粒長、粒寬極顯著正相關(guān)；籽粒面積與長寬比、粒長、粒寬極顯著正相關(guān)，與籽粒圓度極顯著負(fù)相關(guān)；長寬比與粒長極顯著正相關(guān)，與粒寬、籽粒圓度極顯著負(fù)相關(guān)；粒長與粒寬、籽粒圓度極顯著負(fù)相關(guān)；粒寬與籽粒圓度極顯著正相關(guān)。

表3 主要農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

2.3 苦蕎種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的主成分分析

主成分分析結(jié)果表明(表4)，12個農(nóng)藝性狀的主要信息集中在前4個主成分中，累計貢獻率達82.729%，其特征值均大于1，可作為苦蕎農(nóng)藝性狀評價的綜合指標(biāo)。第1主成分特征值為3.564，貢獻率為29.697%，長寬比、粒長、籽粒圓度特征向量絕對值較高，說明第1主成分是反映籽粒形狀因子；第2主成分特征值為3.014，貢獻率為25.115%，株高、莖粗、株粒數(shù)、株粒重特征向量絕對值較高，說明第2主成分是反映產(chǎn)量因子；第3主成分特征值為2.179，貢獻率為18.159%，千粒重、籽粒面積、粒寬特征向量絕對值較高，說明第3主成分是反映籽粒大小因子；第4主成分特征值為1.171，貢獻率為9.759%，主莖節(jié)數(shù)、分枝數(shù)特征向量絕對值較高，說明第4主成分是反映株型因子。

表4 苦蕎主要農(nóng)藝性狀的主成分分析

2.4 苦蕎種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的聚類分析

聚類分析可以明確苦蕎種質(zhì)資源的不同類型，方便篩選優(yōu)異資源以及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)。根據(jù)主成分分析的結(jié)果，對180份苦蕎種質(zhì)資源進行聚類分析，分析結(jié)果將180份苦蕎種質(zhì)劃分為3大類群(圖1)，各類群的性狀平均值和變異系數(shù)見表5。

表5 苦蕎種質(zhì)資源各種質(zhì)群性狀的特征

類群Ⅰ中包含54份材料，其主要特征是株高最矮，主莖節(jié)數(shù)和分枝數(shù)最多，單株粒重和千粒重最小，株粒數(shù)最少，籽粒面積、長寬比、粒長最小，粒寬和籽粒圓度最大。這一類群的苦蕎種質(zhì)可以作為選育矮稈、特異粒形品種的優(yōu)良親本。類群Ⅱ中包含85份材料，其主要特征是株高最高，主莖節(jié)數(shù)最多，莖粗最細(xì)。這一類群可作為選育高稈品種的優(yōu)良親本。類群Ⅲ中包含41份材料，其主要特征是莖稈最粗，株粒數(shù)最多，株粒重、千粒重、籽粒面積、長寬比、粒長最大。這一類群可作為選育高產(chǎn)、大粒品種的優(yōu)良親本。在農(nóng)藝性狀方面，類群Ⅲ內(nèi)材料表型變異較為豐富，株高、莖粗、株粒數(shù)、株粒重、千粒重、籽粒面積、粒寬的變異系數(shù)分別為18.02%、19.27%、68.53%、71.41%、14.66%、12.12%、7.75%，均為3個類群中的最高值。

2.5 苦蕎優(yōu)異種質(zhì)的篩選

綜合考慮各性狀表現(xiàn)，并從矮稈、高產(chǎn)和大粒等3個方面，在180份資源中共選出14份苦蕎種質(zhì)資源(表6)。

表6 苦蕎優(yōu)異種質(zhì)篩選

矮稈材料4份，分別為靈石苦蕎、安澤苦蕎、苦蕎60、苦蕎62，株高均小于80 cm(群體平均值為118.88 cm)。其中，苦蕎60，隸屬于類群Ⅰ，株高矮(55.25 cm)，主莖節(jié)數(shù)中等(21.50個)，分枝數(shù)中等(10.25個)，莖粗較細(xì)(5.20 mm)，株粒數(shù)較少(135.00粒)，株粒重較小(2.11 g)，其他籽粒相關(guān)性狀表現(xiàn)均中等，為特矮稈材料，可作為選育抗倒伏材料的親本。

大粒材料4份，分別為瀘西苦蕎、額角瓦齒、姚安苦蕎1、苦蕎61， 千粒重均大于28 g(群體平均值為21.82 g)。其中，額角瓦齒，隸屬于類群Ⅱ，千粒重達28.43 g，株高較高(136.00 cm)，主莖節(jié)數(shù)中等(20.40個)，分枝數(shù)偏多(10.00個)，莖粗偏小(8.06 mm)，株粒數(shù)較少(338.60粒)，株粒重偏小(7.81 g)，籽粒面積偏大，其他籽粒相關(guān)性狀均中等，屬于大粒形的特異材料，可作為選育大粒高產(chǎn)材料的親本。

高產(chǎn)材料6份，分別為二各苦蕎、武鄉(xiāng)苦蕎、苦蕎27、老鴨咀苦蕎、苦蕎34、苦蕎35，株粒重均高于30.00 g(群體平均值為11.98 g)。其中，苦蕎35，隸屬于類群Ⅲ，株粒重高達39.79 g， 主莖節(jié)數(shù)較多(26.20個)，莖稈較粗(12.53 mm)，株粒數(shù)較多(2 126.40粒)，其他性狀均為中等，為特高產(chǎn)材料，可作為選育高產(chǎn)材料的親本。

3 討 論

新品種選育的基礎(chǔ)是種質(zhì)資源，而育種突破的關(guān)鍵是發(fā)掘優(yōu)異種質(zhì)資源以及了解種質(zhì)資源的遺傳背景和遺傳多樣性；利用簡單直觀、容易觀察和記載的株高、株粒數(shù)、株粒重等表型性狀，在種質(zhì)資源的鑒定及育種材料的選擇中起著重要的作用[21]。從本研究結(jié)果可以看出，180份苦蕎種質(zhì)在各性狀上表現(xiàn)出了不同程度的多樣性，說明在同一栽培種植條件和材料數(shù)較多的情況下，表現(xiàn)出資源間的遺傳多樣性，這與王俊娥等[22]和郭麗芬等[23]的結(jié)果一致。有研究表明，當(dāng)某農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)大于10%時，其性狀中種質(zhì)資源間存在顯著差異[24-26]，本研究中苦蕎種質(zhì)資源12個農(nóng)藝性狀的變異范圍在7.75%～67.28%之間，除了粒寬外其余的11個農(nóng)藝性狀均大于10%，表明參試苦蕎種質(zhì)間存在豐富的遺傳多樣性，可以為苦蕎品種改良提供豐富的親本材料。前人研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個性狀呈極顯著相關(guān)時，改良其中一個性狀，另一個性狀也會受到影響[27]，尤其是兩個性狀間的相關(guān)系數(shù)>0.707時，可用其中一個性狀描述另外一個性狀，也可推測另一個性狀變異情況[28]。本研究結(jié)果(表3)表明，株粒數(shù)與株粒重的相關(guān)系數(shù)為0.940，呈極顯著正相關(guān)，推測可改良其中一個性狀即可達到選育目標(biāo)，選育效率將大幅度提高。

主成分分析是用少數(shù)的幾個綜合指標(biāo)來代替多個主要農(nóng)藝指標(biāo)，以期反映樣品的基本信息，達到降維的目的[29]。目前，此方法已廣泛應(yīng)用于油菜[30]、甜高粱[31]、大豆[32]、水稻[33]、燕麥[34]等許多農(nóng)作物性狀的評價和篩選中。本研究中前4個主成分反映了12個性狀的全部信息，累計貢獻率達82.729%，根據(jù)各主成分農(nóng)藝性狀的特征向量，可分別將其稱為籽粒形狀因子、產(chǎn)量因子、籽粒大小因子、株型因子，其中產(chǎn)量因子(PC2)中株粒數(shù)和株粒重的特征向量均大于其他農(nóng)藝性狀。呂丹等[19]研究發(fā)現(xiàn)，株粒數(shù)和株粒重是影響苦蕎籽粒產(chǎn)量的主要因素。以上結(jié)果表明，這兩個農(nóng)藝性狀與籽粒產(chǎn)量具有密切相關(guān)，是影響籽粒產(chǎn)量的主要因素。本研究為了從180份苦蕎種質(zhì)資源中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)[35]，采用聚類分析將其劃分為3個不同類型，使其性狀相近的聚為一類，各個類群具有一定的形態(tài)學(xué)特征，克服了僅以個別性狀進行直觀、經(jīng)驗性分類的弊端。通過聚類分析，明確了苦蕎種質(zhì)資源的不同類型，根據(jù)育種目標(biāo)可以選擇性狀互補的親本配置組合，使苦蕎育種中親本的選配更趨合理化。通過聚類結(jié)果可知，第Ⅰ類群為矮稈、特異粒形親本材料，第Ⅱ類群為高稈親本材料，第Ⅲ類群為高產(chǎn)、大粒親本材料，從而為各類育種目標(biāo)提供了一定的親本材料。

4 結(jié) 論

本研究通過分析180份苦蕎種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的評價，從矮稈、高產(chǎn)和大粒三個方面篩選出矮稈材料靈石苦蕎、安澤苦蕎、苦蕎60、苦蕎62，高產(chǎn)材料二各苦蕎、武鄉(xiāng)苦蕎、苦蕎27、老鴨咀苦蕎、苦蕎34、苦蕎35和大粒材料瀘西苦蕎、額角瓦齒、姚安苦蕎1、苦蕎61，這14份優(yōu)異苦蕎種質(zhì)資源可作為后續(xù)遺傳改良的親本材料加以利用。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(biāo)記技術(shù)對這些苦蕎種質(zhì)資源進行更加深入的測定，以標(biāo)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，更加有效地利用其育種潛力，為苦蕎農(nóng)藝性狀的遺傳改良提供可靠依據(jù)。