120份谷子種質(zhì)資源的農(nóng)藝性狀表現(xiàn)和遺傳多樣性分析

趙小琴 賈瑞玲 劉軍秀 劉彥明 文殷花 師麗麗 張娟寧 馬 寧

（定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，743000，甘肅定西）

谷子（Setaria italica Beauv.）作為中國農(nóng)耕文化的代表作物，具有耐貧瘠、抗旱及廣適等特性，其籽粒富含膳食纖維、維生素、酚類、活性肽和類胡蘿卜素等功能活性成分，具有抗氧化、降血糖、降血脂和降血壓的保健功能[1-2]，不僅是旱作生態(tài)農(nóng)業(yè)的理想栽培作物之一[3]，而且是獨特的“食藥兩用”營養(yǎng)優(yōu)勢作物。我國谷子的優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)主要在內(nèi)蒙古東部、河北及山西大部、陜西北部、甘肅東部和寧夏中部等地，種植面積常年穩(wěn)定在133萬hm2左右[4]，約占世界的90%以上；此外，谷子的秸稈和籽粒具有其他谷類不具備的飼用價值優(yōu)勢[5]，常作為優(yōu)質(zhì)飼草在農(nóng)牧交接地區(qū)廣泛種植。近年來，谷子作為低耗水肥的環(huán)境友好型作物，迅速發(fā)展成為抗旱、耐逆及C4光合途徑研究的模式作物[6-7]。

新石器時代谷子逐漸成為我國主栽作物[8]，陜西、山西及甘肅東部一帶是其栽培品種的起源中心[9]，經(jīng)過長期的自然選擇、人工馴化和外擴(kuò)傳播，形成了遍及世界各地的豐富遺傳資源。谷子種質(zhì)資源作為種質(zhì)創(chuàng)新和遺傳改良的物質(zhì)基礎(chǔ)，摸清其遺傳本底是谷子育種突破的關(guān)鍵[10]。目前，利用形態(tài)性狀[11]、品質(zhì)性狀[9,12]、細(xì)胞學(xué)標(biāo)記[13]和分子標(biāo)記[14]等手段，開展了谷子種質(zhì)的遺傳多樣性、抗旱抗病性鑒定評價與篩選優(yōu)異種質(zhì)研究[15-16]。隨著分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)展，也相繼開展了谷子的抗銹病基因鑒定、分蘗相關(guān)QTL定位、耐旱性miRNAs分析及QTL發(fā)掘等工作[17-19]。這些工作的開展對谷子種質(zhì)資源科學(xué)認(rèn)識和優(yōu)異種質(zhì)挖掘具有實際意義。

谷子是對光溫反應(yīng)敏感作物[20]，不同生態(tài)區(qū)綜合農(nóng)藝性狀鑒定缺乏，將影響谷子種質(zhì)的高效利用。開展不同環(huán)境下谷子種質(zhì)表型精準(zhǔn)鑒定，為充分挖掘種質(zhì)潛力及品種改良奠定基礎(chǔ)[21-23]。本研究以120份從中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院引進(jìn)的谷子種質(zhì)資源為材料，對其21個表型性狀進(jìn)行遺傳多樣性、相關(guān)性和聚類分析，為谷子資源遺傳改良與品種選育提供材料基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所提供的谷子核心種質(zhì)資源120份，編號G1～G120（表 1）。

表1 供試的120份谷子種質(zhì)Table 1 The 120 millet germplasm resources tested in the study

1.2 試驗地概況

試驗于2020-2021年在甘肅省定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院科技創(chuàng)新試驗地（104°42′E，35°32′N）進(jìn)行，海拔1920m。日照時數(shù)2437.7h，年均氣溫6.4℃，無霜期140d，年均降水量400mm。試驗采用順序排列，不設(shè)重復(fù)，每份材料種植2行，行長3m，理論留苗密度為37.5萬株/hm2，2020-2021年谷子生育期間平均氣溫和降水量未發(fā)生異?，F(xiàn)象（圖1）。

圖1 谷子種質(zhì)生育期間降水量及氣溫狀況Fig.1 Precipitation and temperature during the growth and development of foxtail millet

1.3 試驗方法

播種后，在生育期記載出苗期和成熟期，并計算生育期（出苗至成熟的天數(shù)），田間調(diào)查幼苗8個質(zhì)量性狀，具體見表2。在成熟期，每個重復(fù)隨機(jī)選10株，收獲樣株，室內(nèi)調(diào)查株高、主莖長、穗長、穗粗、單株穗重、單株粒重、單株粒數(shù)、千粒重和谷粒色，并計算主穗粒數(shù)和出谷率[24]。性狀調(diào)查依據(jù)《谷子種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[25]。為便于統(tǒng)計，對8個質(zhì)量性狀分別賦值[27]。

表2 谷子種質(zhì)資源8個質(zhì)量性狀的描述標(biāo)準(zhǔn)Table 2 Description standard on eight quality traits of millet germplasm resources

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2007對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，計算各個性狀的變異系數(shù)和遺傳多樣性指數(shù)（H′），采用Shannon’s遺傳多樣性指數(shù)進(jìn)行描述和評價遺傳多樣性指數(shù)，其計算公式為：H′=-ΣPi×lnPi，式中，Pi為某性狀第i個級別的出現(xiàn)頻率。利用R-3.6.3對表型數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分、相關(guān)性及聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 谷子種質(zhì)的變異分析及表型多樣性分析

120份谷子種質(zhì)8個質(zhì)量性狀的H′范圍為0.32～1.26，變異系數(shù)范圍為 23.99%～58.20%（表 3）；幼苗葉色以綠色為主（頻數(shù)為0.908），葉鞘色以綠色為主（頻數(shù)為0.725），幼苗葉姿以半上舉和平展為主（頻數(shù)分別為0.416和0.425），開花期葉姿以半上舉和下披為主（頻數(shù)分別為0.391和0.383），穗頸形狀以彎曲和勾形為主（頻數(shù)分別為0.384和0.475），穗形以紡錘形為主（頻數(shù)為0.317），穗松緊度以中和緊為主（頻數(shù)分別為0.464和0.383），谷粒色以黃色為主（頻數(shù)為0.716），表明供試材料的質(zhì)量性狀變異豐富。

表3 參試材料8個質(zhì)量性狀的遺傳變異及遺傳多樣性Table 3 Genetic variation and diversity of eight quality traits in tested materials

120份谷子的13個數(shù)量性狀的H′范圍為0.63～2.02，變異系數(shù)范圍為7.64%～64.12%（表4）。其中，單株干草重、分蘗粒重和分蘗穗重變異系數(shù)均高于60%，分別為64.12%、62.83%和62.51%，說明植株分蘗相關(guān)性狀在當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境條件下表現(xiàn)出更高的變異性，進(jìn)行飼草型谷子遺傳改良的潛力較大；主穗長、主穗重、主穗粒重和主穗粒數(shù)變異系數(shù)分別為47.03%、32.75%、36.96%和34.10%，說明與籽粒產(chǎn)量相關(guān)性狀表現(xiàn)出較高的變異性；株高、主莖長、主穗粗、千粒重和出谷率的變異系數(shù)在11.55%～18.74%，生育期的變異系數(shù)低于10%。以上結(jié)果表明，120份谷子種質(zhì)資源性狀差異較大，具有豐富的遺傳多樣性。

表4 參試材料13個數(shù)量性狀的變異分析及遺傳多樣性分析Table 4 Genetic variation and diversity analysis of 13 quantitative traits in tested materials

2.2 谷子種質(zhì)資源21個表型性狀的相關(guān)性分析

120份種質(zhì)資源21個表型性狀相關(guān)性分析結(jié)果（表5）表明，大部分性狀之間存在極顯著（P＜0.01）或顯著（P＜0.05）相關(guān)性，其中生育期與籽粒產(chǎn)量相關(guān)的因素均呈負(fù)相關(guān)，與單株干草重呈極顯著正相關(guān)，這與谷子生長期間當(dāng)?shù)貧夂驐l件有關(guān)；主穗重與主穗粒重、主穗粒數(shù)及出谷率呈極顯著正相關(guān)，與分蘗穗重、分蘗粒重及單株干草重呈極顯著負(fù)相關(guān)；單株干草重與主穗重、主穗粒重及千粒重呈極顯著負(fù)相關(guān)，與生育期、分蘗穗重及分蘗粒重呈極顯著正相關(guān)。分析結(jié)果反映各表型性狀間既相互獨立又相互影響、相互制約的關(guān)系。

表5 谷子種質(zhì)資源各性狀的相關(guān)性Table 5 The correlation between the traits of millet germplasm resources

2.3 谷子種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的主成分分析

對120份谷子種質(zhì)資源的21個表型性狀進(jìn)行主成分分析（表6），遵循主成分累計貢獻(xiàn)率≥80%的原則，前10個主成分累計貢獻(xiàn)率達(dá)81.777%，包含了質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀的絕大部分信息，可作為谷子表型性狀評價的綜合指標(biāo)。

由表6可知，第1主成分貢獻(xiàn)率為21.600%，主穗粒重、主穗重和主穗粒數(shù)特征向量絕對值較高，因此第1主成分為主穗產(chǎn)量因子；第2主成分貢獻(xiàn)率為12.544%，分蘗粒重和分蘗穗重特征向量絕對值較高，因此稱第2主成分為分蘗產(chǎn)量因子；第3主成分貢獻(xiàn)率為9.227%，株高和主莖長特征向量絕對值較高，因此稱第3主成分為株高構(gòu)成因子；第4主成分貢獻(xiàn)率為8.217%，葉鞘色、幼苗葉色和谷粒色特征向量絕對值較高，因此稱第4主成分為葉鞘色因子；第5主成分貢獻(xiàn)率為6.411%，千粒重特征向量絕對值較高，因此稱第5主成分為千粒重因子；第6主成分貢獻(xiàn)率為5.701%，穗姿、主穗長和開花期葉姿特征向量絕對值較高，因此稱第6主成分為穗姿因子；第7主成分貢獻(xiàn)率為5.306%，幼苗葉姿特征向量絕對值較高，因此稱第7主成分為幼苗葉姿因子；第8主成分貢獻(xiàn)率為4.552%，穗松緊度特征向量絕對值最高，因此稱第8主成分為穗松緊度因子；第9主成分貢獻(xiàn)率為4.322%，谷粒色特征向量絕對值較高，因此稱第9主成分為谷粒色因子；第10主成分貢獻(xiàn)率為3.897%，穗形特征向量絕對值較高，因此稱第10主成分為穗形因子。

表6 谷子種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀的主成分分析Table 6 Principal component analysis of main agronomic traits of millet germplasm resources

2.4 谷子種質(zhì)資源21個表型性狀的聚類及類群特征

對21個表型性狀進(jìn)行聚類分析（圖2），將120份谷子種質(zhì)資源劃分為6大類，同時對6個類群谷子種質(zhì)資源表型性狀進(jìn)行統(tǒng)計（表7）。類群I包括17份材料，其主要特征為株高、主莖長、主莖粒重和主穗粗最大，出谷率最高，為高稈、高產(chǎn)谷子優(yōu)異種質(zhì)，可作為選育高產(chǎn)品種的親本材料。類群Ⅱ包括22份材料，其主要特征為生育期最短，分蘗穗重、分蘗粒重和單株干草重最小，屬于早熟、少分蘗特異種質(zhì)材料。類群Ⅲ包括21份材料，其主要特征為主穗長、主穗粗、主莖穗重和主莖粒重最小，分蘗穗重、分蘗粒重和單株干草重最大，為多穗、多分蘗特異種質(zhì)材料，可作為飼草谷子選育親本材料。類群Ⅳ包括16份材料，其主要特征為株高較矮，主莖長較小，主穗長較大，屬于矮稈、長穗特異種質(zhì)材料，可作為選育抗倒伏品種親本。類群Ⅴ包括17份材料，其主要特征為株高較高、主穗重、千粒重和出谷率較高，屬于具有增產(chǎn)潛力種質(zhì)材料。類群Ⅵ包括27份材料，其主要特征為生育期最長，千粒重最大，屬于晚熟、大粒特異種質(zhì)材料。

圖2 谷子種質(zhì)資源聚類圖Fig.2 Clustering dendrogram of millet germplasm resources

表7 6個谷子類群表型性狀的平均值及特征Table 7 Average and traits of phenotypic traits in six millet germplasm groups

2.5 優(yōu)異谷子種質(zhì)的篩選

綜合考慮120份谷子種質(zhì)資源各農(nóng)藝性狀表現(xiàn)，并從早熟、高產(chǎn)和單株干草重均高的3個方面考慮，篩選出11份優(yōu)異谷子種質(zhì)資源（表8）。

表8 優(yōu)異谷子種質(zhì)篩選Table 8 Screening of excellent germplasms of millet resources

早熟材料4份，分別為78-0625（G27）、早谷（G34）、昆昌谷（G67）和黃沙突出谷（G68），生育期均小于125d（平均生育期120d）。其中，G68屬于類群Ⅲ，株高中等（149.67cm），莖長中等（125.00cm），主穗長中等（23.67cm），主穗粗中等（2.50cm），單株穗重中等（45.00g），單株粒重中等（36.67g），千粒重中等（2.95g），單株草重較高（93.33g），出谷率較高（81%），可作為選育早熟材料的親本。

高產(chǎn)材料3份，分別為338A（G4）、中牟一保谷（G23）和金德（G66），單株穗重均大于60.00g（平均穗重71.00g）。3份材料均屬于類群Ⅱ。其中，G23株高中等（141.00cm），莖長中等（126.00cm），主穗長偏?。?7.67cm），主穗粗偏小（1.67cm），單株穗重較高（83.33g），單株粒重較高（63.33g），千粒重偏?。?.70g），單株草重較高（213.33g），出谷率中等（75%），可作為選育高產(chǎn)材料的親本。

單株干草重較高材料4份，分別為公谷68號（G1）、延谷13號（G31）、大洋谷（G106）和紅酒谷（G113），單株干草重均大于100.00g（平均107.50g）。4份材料均屬于類群Ⅵ。其中，G1株高中等（154.33cm），莖長中等（127.67cm），主穗長中等（24.00cm），主穗粗中等（2.50cm），單株穗重中等（60.33g），單株粒重中等（43.33g），千粒重偏小（2.40g），單株干草重較高（160.00g），出谷率中等（70%），可作為選育飼草材料的親本。

3 討論

種質(zhì)資源是品種遺傳改良的基礎(chǔ)，形態(tài)學(xué)標(biāo)記是鑒定種質(zhì)資源遺傳變異最簡單直觀的方法，在遺傳多樣性研究及育種材料的選擇中有著重要作用[27]。王海崗等[11]對878份谷子核心種質(zhì)的15個農(nóng)藝性狀進(jìn)行形態(tài)標(biāo)記分析，篩選出8個性狀作為谷子種質(zhì)評價指標(biāo)，其中葉鞘色、株高、穗長、穗粒重和粒色在本研究中作為鑒定種質(zhì)資源的主要指標(biāo)。對21個性狀進(jìn)行調(diào)查，將主莖與分蘗分別標(biāo)記，這與王曉娟等[28]以單株分析有所不同；遺傳多樣性結(jié)果表明，除穗形和主穗長多樣性指數(shù)外，質(zhì)量性狀H′低于數(shù)量性狀，這與前人在谷子[29]和苦蕎[30]中的研究結(jié)果相一致；13個數(shù)量性狀的遺傳變異范圍7.64%～64.12%，其中以單株干草重、分蘗穗重和分蘗粒重的變異系數(shù)最高，依次為64.12%、62.83%和 62.51%；H′范圍為 0.63～2.02，其中以主穗重和主穗粒重H′最高，為2.02，其他性狀也表現(xiàn)出較高的變異系數(shù)和H′，表明谷子種質(zhì)遺傳基礎(chǔ)較廣，存在豐富的遺傳變異[31]；120份材料在同一生態(tài)種植條件下，不同性狀在不同材料間表現(xiàn)出不同程度的多樣性，充分說明種質(zhì)資源間的遺傳多樣性[30-32]，可以為谷子品種改良提供豐富的親本材料。

在21個表型性狀相關(guān)性分析中，數(shù)量性狀與質(zhì)量性狀間相關(guān)系數(shù)較小，部分顯著或極顯著，而與數(shù)量性狀間的相關(guān)系數(shù)均較高，且多數(shù)顯著或極顯著，說明各性狀間緊密關(guān)聯(lián)，遺傳復(fù)雜性有待于在育種實踐中驗證；分蘗穗重與分蘗粒重、株高與主莖長之間的相關(guān)系數(shù)分別高達(dá)0.98和0.96，且達(dá)到極顯著與顯著水平，說明可以通過分蘗粒重和主莖長有效選擇分蘗穗重和株高[33]，這將大幅度提高谷子選育效率；生育期與籽粒產(chǎn)量構(gòu)成因素均呈負(fù)相關(guān)，與單株干草重呈極顯著正相關(guān)。7-8月正值谷子抽穗灌漿期，降雨多以雷雨形式出現(xiàn)，水分利用率低，致使其灌漿期縮短[34]；9月陰雨天氣較多，有效積溫低，導(dǎo)致谷子貪青晚熟，延遲其刈割和成熟[35]，說明在甘肅干旱高寒區(qū)谷子的生育期過長是造成谷子籽粒產(chǎn)量減少的主要原因。

相關(guān)性分析表明，分蘗的穗重及粒重與主穗長、主穗粗及主穗重、主穗粒重呈顯著負(fù)相關(guān)，這與趙會杰等[36]和佟漢文等[37]對小麥分蘗發(fā)育、分蘗對產(chǎn)量貢獻(xiàn)研究結(jié)果一致，說明主莖對分蘗存在較強(qiáng)的競爭優(yōu)勢，主莖主要貢獻(xiàn)于籽粒產(chǎn)量；而分蘗的穗重及粒重與單株干草重呈顯著正相關(guān)關(guān)系，表明分蘗與植株的光吸收能力、營養(yǎng)物質(zhì)的轉(zhuǎn)運、分配密切相關(guān)，影響莖蘗間營養(yǎng)物質(zhì)的運輸與干物質(zhì)積累[38-39]，分蘗主要貢獻(xiàn)于植株生物產(chǎn)量?？党康萚40]對飼用高粱分蘗相關(guān)性狀的分析研究表明，其生物產(chǎn)量與籽粒產(chǎn)量間存在負(fù)相關(guān)，分蘗增多可提高生物產(chǎn)量而降低籽粒產(chǎn)量，與本研究結(jié)果相似；而洛桑江白[41]對15個谷子品種的籽粒產(chǎn)量與單株草產(chǎn)量的相關(guān)分析與本研究有所不同。因此，關(guān)于谷子莖蘗間同化物的轉(zhuǎn)運與分配、干物質(zhì)積累未見明確報道，還需進(jìn)一步探索。

本研究對120份谷子種質(zhì)資源的21個表型性狀進(jìn)行主成分分析，10個主成分包含了性狀的大部分信息，累計貢獻(xiàn)率達(dá)到81.777%，且性狀信息具有一定的相關(guān)性，其中主穗產(chǎn)量因子中主穗粒重和主穗粒數(shù)的特征向量大于其他農(nóng)藝性狀，呂丹等[42]在苦蕎高產(chǎn)種質(zhì)的篩選中發(fā)現(xiàn)株粒重和株粒數(shù)是苦蕎籽粒產(chǎn)量的主要因素，與本研究結(jié)果一致。為了克服以個別性狀進(jìn)行分類的弊端，采用聚類分析將性狀相近的種質(zhì)分為6大類群，明確了谷子種質(zhì)資源的不同類型，各類群在生育期、株高、分蘗性、籽粒產(chǎn)量和干草產(chǎn)量等性狀間差異顯著，有明顯的形態(tài)學(xué)特征，根據(jù)育種目標(biāo)選擇親本配制組合，為親本的合理選配及選育不同用途谷子類型提供參考依據(jù)。

4 結(jié)論

本研究通過對120份谷子種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的鑒定分析，明確飼草型谷子是甘肅干旱高寒地區(qū)谷子育種的主要方向。同時，基于當(dāng)?shù)貧夂驐l件，根據(jù)熟性、籽粒產(chǎn)量和干草產(chǎn)量等表型篩選出78-0625、早谷、昆昌谷和黃沙突出谷等早熟材料4份，338A、中牟一保谷和金德等高產(chǎn)材料3份，公谷68號、延谷13號、大洋谷和紅酒谷等干草產(chǎn)量較高材料4份，從而為谷子品種改良和親本選擇提供理論依據(jù)。