大麥籽粒大小的遺傳多樣性與穩(wěn)定性評價

洪 益，朱 娟，于國琦，姚佳延，楊天賜，呂 超，郭寶健，許如根

(植物功能基因組學(xué)教育部重點實驗室/江蘇省作物基因組學(xué)與分子育種重點實驗室/江蘇糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心/揚州大學(xué)農(nóng)業(yè)科技發(fā)展研究院，江蘇揚州 25009)

大麥(L.)是世界上第四大禾谷類作物，根據(jù)用途不同，可分為飼用、啤用和食用大麥。千粒重是大麥產(chǎn)量構(gòu)成因素之一，也是衡量籽粒大小的一個重要指標。籽粒大小與其長度、寬度、長寬比及厚度等粒型性狀有關(guān)。不同用途大麥對籽粒大小要求不同，啤用大麥和食用麥仁大麥要求籽粒大而飽滿，茶用大麥以小粒為宜。大麥籽粒大小與棱型、著粒密度及籽粒的皮裸等性狀有關(guān)，與水稻、小麥等作物一樣也受生態(tài)條件和栽培技術(shù)影響。陳曉東等研究認為，大麥粒重與棱型有關(guān)，與皮裸無關(guān)，二棱大麥粒長大于六棱大麥，皮大麥粒長大于裸大麥，而粒寬與皮裸的關(guān)系不顯著；張新忠等研究表明，二棱大麥粒長、粒寬、粒重均高于六棱大麥；董明輝等研究發(fā)現(xiàn)，水稻粒位影響灌漿與粒重。適當遲播有利于大麥千粒重的提高。但有試驗結(jié)果顯示，隨著播種期推遲，大麥籽粒長度與長寬比增加，而粒厚、粒寬以及千粒重顯著降低。千粒重穩(wěn)定性不僅是一個重要的產(chǎn)量性狀，而且與酶活性、蛋白質(zhì)含量等啤用品質(zhì)密切相關(guān)。如啤酒大麥粒重與β-淀粉酶活性及蛋白質(zhì)組分含量呈極顯著相關(guān)；播期推遲會降低粒重和籽粒蛋白質(zhì)含量。不同大麥品種(系)籽粒性狀對土壤營養(yǎng)、播期等反應(yīng)不同，因此對大麥種質(zhì)資源籽粒性狀評價和篩選有助于大麥產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。本研究以不同來源的185份大麥品種(系)為材料，通過多年多點試驗，測定分析了大麥籽粒大小性狀的遺傳多樣性與穩(wěn)定性，以期為大麥品種粒形與粒重改良提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以185份來源不同的大麥品種(系)為材料，其中二棱皮大麥94份，二棱裸大麥3份，六棱皮大麥66份，六棱裸大麥22份(表1)。

表1 參試品種(系)的基本信息表Table 1 Basic information of varieties(lines)

(續(xù)表1 Continued table 1)

1.2 試驗設(shè)計

2018年10月將參試材料種植于揚州大學(xué)實驗農(nóng)場(E1801)和大中農(nóng)場農(nóng)科所(E1802)，行長0.6 m，株距6 cm，行距25 cm，每行點播10粒種子，3次重復(fù)。2019年10月將參試材料種植于揚州大學(xué)遺傳育種試驗田(E1901)、鹽城南洋試驗場(E1902)、大中農(nóng)場農(nóng)科所(E1903)、臨海農(nóng)場農(nóng)科所(E1904)，采用穴播方式，每穴8粒種子，行長1.5 m，穴距30 cm，3次重復(fù)。2019年11月，在揚州大學(xué)遺傳育種試驗田進行晚播試驗(E1905)，采用點播方式種植大麥材料，行長 0.4 m，行距25 cm，株距4 cm，每行點播10粒種子，3次重復(fù)。

1.3 性狀測定

成熟后，每品種(系)隨機收30穗左右，脫粒、曬干、去雜，利用萬深SC-G型自動考種儀測定各品種(系)千粒重、粒長、粒寬和籽粒長寬比。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 描述性統(tǒng)計

利用SPSS 21.0和R語言處理試驗數(shù)據(jù)，計算各品種(系)籽粒性狀的最小值、最大值、均值、變異系數(shù)和標準差，并進行方差分析和相關(guān)性分析。根據(jù)參試材料籽粒大小性狀表型的均值μ和標準差σ，將其劃分為10級，從第1級(<-2)到第10級(>+2)每間隔0.5 σ為一級，計算每一級相對頻率，從而得到遺傳多樣性指數(shù)′?！?-∑ln，式中為某性狀第級別材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比。

1.4.2 穩(wěn)定性分析

AMMI 模型是聯(lián)合方差分析與主成分分析，具有可加可乘分量的一個數(shù)學(xué)模型。該模型的方程以及穩(wěn)定性參數(shù)計算公式如下：

式中，是第個品種(系)的性狀在第個環(huán)境下第次重復(fù)表型值，為性狀表型的平均值，為第個品種(系)的基因型主效應(yīng)，為第個環(huán)境的環(huán)境主效應(yīng)，為基因型和環(huán)境互作下第個主成分特征值，為基因型和環(huán)境互作下第個主成分的基因型得分，為基因型和環(huán)境互作下第個主成分的環(huán)境得分，為殘差，為試驗誤差，和分別代表品種(系)和環(huán)境的穩(wěn)定性參數(shù)。值越小則表明品種(系)穩(wěn)定性越高，值越高則表明環(huán)境對品種的判別力越高。是每個主成分所解釋的變異占全部主成分所解釋變異的百分比，即權(quán)重。

1.4.3 穩(wěn)定性綜合評價

TOPSIS評價法是根據(jù)有限評價對象與理想化目標的接近程度排序的方法，是對現(xiàn)有對象的相對優(yōu)劣的評價，又叫優(yōu)劣解距離法。相關(guān)計算包括以下公式：

2 結(jié)果與分析

2.1 大麥籽粒大小

二棱大麥粒長、粒寬及千粒重在7個環(huán)境下均大于六棱大麥，籽粒長寬比均小于六棱大麥(表2)。籽粒大小各性狀表現(xiàn)因環(huán)境而異，其差異程度與性狀有關(guān)，千粒重在環(huán)境間差異最大。

表2 不同試點大麥籽粒大小的表現(xiàn)Table 2 Performance of barley grain size in different environments

由表3可知，所有環(huán)境下六棱大麥籽粒大小性狀的變異系數(shù)均高于二棱大麥；不同環(huán)境下，相同棱型大麥的粒寬變異系數(shù)均較小；千粒重變異系數(shù)均最大，其變異系數(shù)在不同環(huán)境間的變化范圍也最大，二棱大麥千粒重變異系數(shù)變化范圍為7.52%～25.27%，六棱大麥千粒重變異系數(shù)變化范圍為13.42%～28.70%。粒長和籽粒長寬比的變異系數(shù)在不同環(huán)境間相對比較穩(wěn)定。二棱大麥粒長、粒寬、籽粒長寬比、千粒重遺傳多樣性指數(shù)(′)分別為1.54、1.28、1.48、1.38，六棱大麥分別為1.80、 1.51、 2.02、1.38。

表3 不同試點大麥籽粒大小的變異系數(shù)與遺傳多樣性Table 3 Coefficients of variation and genetic diversity index of barley grain size in different environments

從各性狀等級頻次分布(圖1)看，六棱大麥的千粒重和粒寬變化范圍分別為23.73～ 33.43 g和2.79～3.14 mm，均集中分布在3、4級；二棱大麥的千粒重和粒寬變化范圍分別為 43.14～52.80 g和3.50～3.85 mm，均集中分布在7、8級。六棱大麥籽粒長度和長寬比分別分布在 1～10級和2～10級范圍內(nèi)，而二棱大麥比分別集中分布在4～8級和2～7級范圍內(nèi)。

圖1 不同棱型大麥籽粒大小的各等級頻次分布

方差分析(表4)表明，二棱大麥和六棱大麥千粒重、粒長、粒寬以及籽粒長寬比的品種(系)、環(huán)境以及品種(系)與環(huán)境互作效應(yīng)均達到極顯著水平，說明大麥籽粒大小不僅受自身遺傳因素控制，還與環(huán)境條件有關(guān)。

表4 大麥籽粒大小的方差分析(F值)Table 4 Analysis of variance of barley grain size(F value)

2.2 大麥籽粒大小性狀的相關(guān)性

由表5可知，二棱大麥和六棱大麥的千粒重與粒長、粒寬及粒長與籽粒長寬比之間均呈極顯著正相關(guān)，粒寬與籽粒長寬比呈極顯著負相關(guān)。二棱大麥粒長與粒寬之間無顯著相關(guān)性，千粒重與籽粒長寬比呈極顯著負相關(guān)；六棱大麥中粒長與粒寬呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.25，千粒重與籽粒長寬比之間無顯著相關(guān)性。這說明這些性狀之間或多或少存在信息重疊，因此大麥籽粒大小穩(wěn)定性分析有必要采用綜合評價方法。

表5 不同棱型大麥籽粒大小的相關(guān)性Table 5 Correlation of barley grain size with different row types

2.3 大麥籽粒大小及其穩(wěn)定性評價

利用AMMI模型對品種(系)與環(huán)境交互作用中主成分分析的顯著性進行值檢驗，結(jié)果(表6)表明,千粒重、粒長、粒寬前5個互作乘積項達顯著水平，各主成分累積貢獻率分別為 94.90%、90.00%、95.10%，長寬比前4個主成分互作乘積項達顯著水平，累積貢獻率為86.80%。

表6 大麥籽粒大小的AMMI模型分析(F值)Table 6 AMMI model analysis of barley grain size(F value)

由AMMI模型雙標圖(圖2)可知，不同試點對籽粒大小各性狀的判別力存在差異，其中鹽城南洋試驗場(e4)對品種(系)千粒重、粒寬及籽粒長寬比穩(wěn)定性的判別力最強。

e1:E1801; e2:E1802; e3:E1901; e4:E1902; e5:E1903; e6:E1904; e7:E1905.

從圖3、圖4來看，六棱大麥千粒重的穩(wěn)定性顯著高于二棱大麥，而粒長和籽粒長寬比的穩(wěn)定性顯著低于二棱大麥，粒寬穩(wěn)定性與二棱大麥差異不顯著；裸大麥除千粒重的穩(wěn)定性顯著高于皮大麥，其余性狀穩(wěn)定性與皮大麥無顯著差異。

圖3 不同棱型大麥籽粒大小性狀的穩(wěn)定性

圖4 皮裸大麥籽粒大小性狀的穩(wěn)定性

根據(jù)顯著IPCA得分計算大麥籽粒大小性狀的穩(wěn)定性參數(shù)(表7)。諸城米大麥、川52209、長毛大麥、大麥、駐3、短芒大麥、裸大麥、威縣春大麥、光頭大麥、華矮11等品種(系)的千粒重值小，其穩(wěn)定性較好；川52209、7204、矮稈-1、2004-日引4號、揚農(nóng)啤8號、揚飼麥3號、莆大麥8號、寧晉大麥、花11、揚0187等品種(系)的粒長值小，穩(wěn)定性較好；短芒大麥、川52209、大麥、鄂大麥9706、AcBurman、駐3、華矮11、頭等老麥、石家莊大麥、長毛大麥等品種(系)粒寬的值小，穩(wěn)定性較好；華矮11、花11、2004-日引3號、AcBurman、駐9505-1-3、黃長芒、短芒大麥、駐97022、諸城米大麥、2004-日引1號等品種(系)的籽粒長寬比值小，穩(wěn)定性較好。所有大麥品種(系)中，川52209粒長、粒寬、千粒重均有較高的穩(wěn)定性。

表7 籽粒大小穩(wěn)定性表現(xiàn)較好的品種(系)的Di值及綜合得分Table 7 Di values and scores of grain size for barley varieties(lines) with better stability

根據(jù)指標性質(zhì)，將大麥籽粒大小與穩(wěn)定性參數(shù)分為正向與負向指標。通過R語言基于熵權(quán)法計算，千粒重、粒長、粒寬及千粒重穩(wěn)定性、粒長穩(wěn)定性、粒寬穩(wěn)定性的權(quán)重依次為 32.99%、 13.78%、31.65%、8.92%、4.58%、8.08%。利用TOPSIS模型對供試材料的籽粒大小及其穩(wěn)定性進行綜合評價。其中，中花22、揚農(nóng)啤6號、浙大96-6、莆大麥8號、QS、川52209、駐7、揚引02、鹽引1號×浙農(nóng)大3號、周選1號等品種(系)綜合得分較高，均為二棱皮大麥，其籽粒大且穩(wěn)定；米大麥、長芒裸大麥、三月黃、裸麥、裸大麥、洋大麥、長陽米麥、烏米麥、禿和尚露仁大麥、短芒大麥等品種(系)綜合得分偏低，主要原因是因為這些品種(系)均為六棱地方裸大麥，籽粒偏小，但穩(wěn)定性尚可。

3 討 論

3.1 不同類型大麥籽粒大小的多樣性

籽粒大小一直是育種家改良和選育大麥理想品種最直觀的性狀。大麥按棱型和皮裸特性分為二棱大麥、六棱大麥和皮大麥、裸大麥。本研究結(jié)果表明，六棱大麥千粒重、粒長、粒寬均低于二棱大麥，而變異系數(shù)均高于二棱大麥，這與張新忠等的研究結(jié)果一致；不同試點粒長變異系數(shù)差異最小，千粒重變異系數(shù)差異最大，表明粒長受環(huán)境影響較小，而千粒重受環(huán)境影響較大。粒長、粒寬與千粒重均呈極顯著正相關(guān)，但粒寬與千粒重的相關(guān)系數(shù)顯著大于粒長與千粒重的相關(guān)系數(shù)，表明粒寬對粒重的貢獻比粒長的貢獻高，這與陳曉東等、張新忠等、 Lai等研究結(jié)果一致。二棱大麥粒長與粒寬無顯著相關(guān)性，六棱大麥粒長與粒寬呈顯著正相關(guān)，這可能是因為控制粒長與粒寬的基因在二棱大麥和六棱大麥之間存在差異。Ayoub等以二棱大麥與六棱大麥構(gòu)建DH群體進行QTL定位，結(jié)果表明，在二棱大麥亞群中檢測到籽粒性狀相關(guān)QTL，六棱大麥亞群中檢測不到。

3.2 大麥籽粒大小穩(wěn)定性的評價

關(guān)于作物性狀穩(wěn)定性評價方法很多，張澤等和吳為人等提出了分析作物品種基因型與環(huán)境互作穩(wěn)定性的AMMI模型。該模型與雙標圖在水稻、玉米、小麥、大麥等作物品種穩(wěn)定性評價方面廣泛應(yīng)用。研究表明，六棱大麥籽粒平均灌漿速率及最終干物質(zhì)積累量顯著低于二棱大麥，且穗著粒密度大，同化物分配量小，籽粒較小，易受環(huán)境影響，千粒重變幅大，穩(wěn)定性低。本研究中，大麥籽粒大小的穩(wěn)定性在性狀間存在差異；不同皮裸大麥粒長、粒寬穩(wěn)定性差異均不顯著，粒長穩(wěn)定性在不同棱型間存在差異，粒寬穩(wěn)定性在棱型間無差異，可能是控制粒長的基因效應(yīng)大小受棱型影響或存在互作。禾谷類作物產(chǎn)量構(gòu)成要素包括穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒重。高千粒重品種在適宜的耕作條件下具有較高產(chǎn)量，但作為多基因控制的數(shù)量性狀，粒重受環(huán)境影響較大。路玉彥等研究認為，高溫脅迫會導(dǎo)致啤酒大麥千粒重顯著降低，單株產(chǎn)量減少。本研究中，參試品種(系)千粒重在不同環(huán)境間存在顯著差異，粒重穩(wěn)定對于高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。粒型是由籽粒長寬厚共同作用形成的三維結(jié)構(gòu)，粒長、粒寬、粒厚穩(wěn)定能夠更好地維持籽粒大小及其均一性，這對啤用外觀品質(zhì)尤為重要。蛋白質(zhì)含量和酶活性是衡量啤酒大麥品質(zhì)性狀的重要指標，在釀酒過程中α-淀粉酶、β-淀粉酶等協(xié)同水解淀粉，產(chǎn)生可溶性物質(zhì)和可發(fā)酵性糖，穩(wěn)定的酶活性可大大提高淀粉水解速率和糖化力；籽粒蛋白質(zhì)含量過高，麥芽β-葡聚糖含量和單寧含量偏高，啤酒風(fēng)味穩(wěn)定性變差、口感粗重、過濾速度變慢，嚴重影響麥芽品質(zhì)。因為千粒重直接關(guān)系到籽粒蛋白質(zhì)含量和酶活性，千粒重已被列入啤酒大麥定級的行業(yè)指標。本研究根據(jù)籽粒大小及各性狀穩(wěn)定性對參試品種(系)綜合評價，認為川52209籽粒大且穩(wěn)定，可作為優(yōu)質(zhì)啤酒大麥粒型改良的種質(zhì)資源。