基于表型性狀的藜麥種質(zhì)遺傳多樣性分析

唐力為，代 沙，藺雨陽，任 堯，李 倩，呂婉茹，張 潔，補雪梅，蔣 云

(1 攀枝花市農(nóng)林科學研究院，四川 攀枝花 617061；2 四川大學 輕工科學與工程學院，四川 成都 610044；3 四川省農(nóng)業(yè)科學院 生物技術(shù)核技術(shù)研究所，四川 成都 610061)

藜麥(ChenopodiumquinoaWilld)原產(chǎn)于南美洲安第斯山區(qū)，已有7 000多年的種植歷史，是古印加民族的主要糧食作物之一[1]。藜麥籽粒營養(yǎng)全面，在蛋白質(zhì)含量、氨基酸組成、脂類成分比例和淀粉形態(tài)等方面都顯示出優(yōu)越性[2]；且富含維生素和礦物質(zhì)，以及多酚、黃酮類生物活性物質(zhì)[3]，具有一定的醫(yī)療保健作用[4-5]。隨著藜麥的價值逐漸為人們所認識，其育種研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展十分迅速，已在青海、甘肅、內(nèi)蒙、云南、山西等省區(qū)大面積推廣種植[6]。除營養(yǎng)價值突出外，藜麥還具有耐寒、耐旱、耐貧瘠、耐鹽堿等特性[7]，表現(xiàn)出良好的生態(tài)適應性，因此發(fā)展藜麥生產(chǎn)對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

藜麥種質(zhì)資源多樣性研究，不僅有利于其種質(zhì)資源的保存、優(yōu)異資源的挖掘和創(chuàng)新，而且對藜麥育種和生產(chǎn)具有重要指導意義。表型多樣性研究是作物資源評價的基礎工作，對于種質(zhì)資源的育種利用和生產(chǎn)實踐具有不可替代的作用。在植物種質(zhì)資源表型研究中，除采用變異系數(shù)和Shannon-Weaver多樣性指數(shù)進行性狀的多樣性分析外，還常采用主成分分析、相關分析和聚類分析等多元數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法[8-9]，對觀測指標進行歸納、降維，評價參試材料的相似度并歸類，最終對參試群體的遺傳多樣性作出評價，挖掘出特異種質(zhì)資源；為便于后續(xù)開發(fā)利用，還會對種質(zhì)資源進行類群劃分。Rojas等[10]根據(jù)形態(tài)特征和農(nóng)藝性狀，將玻利維亞1 512份藜麥種質(zhì)劃分為7個類群，并根據(jù)海拔高度確定出3個遺傳多樣性區(qū)域。Bhargava等[11]利用19個數(shù)量和質(zhì)量性狀對29個藜麥品系進行了多樣性分析，發(fā)現(xiàn)遺傳多樣性很高，但相同來源地的品系并未劃分到同一組中。王艷青等[12]對引自國外的135份藜麥種質(zhì)資源的15個農(nóng)藝性狀進行了遺傳多樣性分析，結(jié)果表明產(chǎn)量和單株粒重的變異系數(shù)最大，主花序顏色的遺傳多樣性最高；從中篩選出具有早熟、矮稈、粗稈、大粒、長花序、結(jié)實率好和產(chǎn)量高等特性的31份特異種質(zhì)。葉君等[13]研究認為，藜麥的單株粒重變異系數(shù)最大，生育期的變異系數(shù)最?。磺ЯＶ氐亩鄻有灾笖?shù)最大，株高的多樣性指數(shù)最小。逄鵬等[14]利用10個農(nóng)藝性狀將50份藜麥種質(zhì)劃分為4大類，其中第Ⅱ類群的平均產(chǎn)量、千粒重、主穗重和穗粒重均為最高，可作為高產(chǎn)藜麥育種的親本。陳翠萍等[15]對青海藜麥種質(zhì)資源的13個農(nóng)藝性狀進行了遺傳多樣性分析，將47份藜麥種質(zhì)資源劃分為5類；千粒重的變異系數(shù)較小，單株產(chǎn)量、單株總重的變異系數(shù)較大；主莖直徑、單株總重、經(jīng)濟系數(shù)和千粒重與單株產(chǎn)量呈極顯著正相關。

由于我國藜麥引種栽培時間短、途徑雜、異交率較高，導致目前國內(nèi)大多數(shù)藜麥資源遺傳背景不清晰，優(yōu)異資源無法得到充分利用。因此，開展藜麥資源遺傳多樣性分析，對藜麥種質(zhì)資源的分類、鑒定、保存和利用具有重要的理論指導意義。本研究以從國內(nèi)藜麥主產(chǎn)區(qū)收集的46份藜麥種質(zhì)資源為試材，對其形態(tài)特征、生物學特性指標以及籽粒主要營養(yǎng)成分含量共28個表型性狀進行了調(diào)查測定與分析，旨在為藜麥種質(zhì)資源分類保存、高效利用和品種改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

46份藜麥種質(zhì)資源材料由四川省農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)核技術(shù)研究所提供與保存，其編號、名稱及來源見表1。

表1 供試藜麥材料

1.2 試驗設計

試驗于2020年在四川省攀枝花市仁和區(qū)平地鎮(zhèn)平地村進行。該區(qū)域位于26°11′30′′N，101°48′4′′E，海拔1 885 m；壤土，pH值7.64，有機質(zhì)含量11.07 g/kg，堿解氮含量37 mg/kg，有效磷含量79.53 mg/kg，速效鉀含量124 mg/kg；前茬菜豆。試驗采用隨機區(qū)組設計，3次重復，一壟雙行種植，行長6 m、寬行行距0.9 m、窄行行距0.3 m、株距0.3 m。6月9日播種，人工起壟穴播，基肥按照商品型有機肥(有機質(zhì)≥45%)和復合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)各10 g/穴用量施用。播種時土壤墑情適宜。苗高10 cm時進行間苗，每穴留苗2株。試驗過程進行1次中耕培土和除草，不防治病蟲害，不灌溉，其余管理同大田生產(chǎn)。

1.3 試驗方法

參考《藜麥種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》[16]調(diào)查藜麥25個形態(tài)特征和生物學特性指標。其中，質(zhì)量性狀采用直接觀察法，分別為植株分枝性、株型、成株期葉形、葉尖形狀、葉基形狀、葉緣形狀、主花序類型、主花序形狀、主花序緊密度、主花序花期顏色、主花序成熟期顏色、成熟期葉色、籽粒顏色、籽粒表皮皂苷度、熟性。顏色性狀指標以英國皇家園藝協(xié)會比色卡(RHS color chart)為準，在晴天由固定人員觀測。質(zhì)量性狀的描述與分級見表2。數(shù)量性狀采用具體測量法，分別為株高、莖粗、葉柄長、葉長、葉寬、主花序長度、主花序粗度、籽粒直徑、千粒重、單株粒重。

利用近紅外谷物品質(zhì)分析儀(DA7200，瑞典波通)測定藜麥籽粒的蛋白質(zhì)含量、粗脂肪含量和總淀粉含量3個營養(yǎng)品質(zhì)指標。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

表2 藜麥質(zhì)量性狀描述與分級

2 結(jié)果與分析

2.1 藜麥表型性狀的遺傳多樣性分析

2.1.1 質(zhì)量性狀多樣性 對供試的46份藜麥種質(zhì)資源的15個質(zhì)量性狀進行多樣性分析，結(jié)果(表3)表明，遺傳多樣性指數(shù)H′為0.505～2.084，主花序成熟期顏色的H′最高，為2.084，主要以玫紅、粉紅和奶油色為主；主花序花期顏色的H′最低，為0.505，以綠色為主。質(zhì)量性狀多樣性豐富程度依次為：主花序成熟期顏色>籽粒顏色>籽粒表皮皂苷度>熟性>成熟期葉色>植株分枝性>株型>成株期葉形>主花序類型>葉緣形狀>主花序緊密度>主花序形狀>葉尖形狀>葉基形狀>主花序花期顏色，其中H′大于1的性狀有主花序成熟期顏色、籽粒顏色和籽粒表皮皂苷度、熟性、成熟期葉色。

表3 藜麥種質(zhì)資源質(zhì)量性狀頻率分布和多樣性指數(shù)

性狀頻數(shù)分布結(jié)果顯示，供試藜麥種質(zhì)資源具有代表性的性狀特征為：植株分枝性為有主穗基部大分枝、有主穗基部小分枝，株型為半緊湊型，成株期葉形為心形，葉尖形狀為三角形，葉基形狀為楔形，葉緣形狀為波形，主花序類型為團傘型，主花序形狀為紡錘形，主花序緊密度為緊密，主花序花期顏色為綠色，主花序成熟期顏色為粉紅、玫紅、奶油色，成熟期葉色為黃、紅，籽粒顏色為奶油，籽粒表皮皂苷度為少量，熟性為早熟。

2.1.2 數(shù)量性狀多樣性 對供試藜麥種質(zhì)的13個數(shù)量性狀進行統(tǒng)計分析，結(jié)果(表4)表明，數(shù)量性狀的多樣性指數(shù)為1.541～2.084，指標的多樣性豐富程度依次為：莖粗>籽?？偟矸酆?籽粒粗脂肪含量>單株粒重>千粒重>株高>籽粒蛋白質(zhì)含量>主花序粗度>葉柄長>籽粒直徑>主花序長度>葉長>葉寬。其中莖粗、籽?？偟矸酆俊⒆蚜４种竞?、單株粒重、千粒重5項指標的多樣性指數(shù)達到或超過2.000，遺傳多樣性豐富。從變異系數(shù)來看，13個數(shù)量性狀的變異系數(shù)為2.36%～41.17%，平均20.67%，其中變異系數(shù)最大的是主花序長度，變異系數(shù)最小的是籽?？偟矸酆?。

表4 藜麥種質(zhì)資源數(shù)量性狀的多樣性統(tǒng)計結(jié)果

2.1.3 特異種質(zhì)篩選 所有藜麥種質(zhì)資源數(shù)量性狀多樣性指數(shù)均>1，說明供試材料的植物學形態(tài)多樣性豐富，且在各項性狀指標中均存在較大的遺傳分化程度；因此根據(jù)指標的均值及標準差，針對單一性狀對供試材料進行分類。將株高≥(145.7+20.3) cm定義為“高稈”，株高≤(145.7-20.3) cm定義為“矮稈”，由此劃分出AMADOMA、海西淺黃穗、CD-4、SASAMA-3、T4、QH-44共6個高稈材料， 以及SC大白藜、LT-8、隴藜3號、青白藜1號、青藜3號、SX-3、YW-3共7個矮稈材料。將莖粗≥(1.90+0.21) cm定義為“粗稈”，由此劃分出引進紅、T4、SASAMA-3、貢扎15號、適應性鑒定、臺紅、隴藜4號、靜灰8個粗稈材料。由于表皮皂苷量是影響籽粒大小的重要因素，因此將籽粒直徑≥(1.72+0.11) mm、皂苷度為“少”或“無”的定義為“大?！?，籽粒直徑≤(1.72-0.11) mm，不論皂苷度多少，均定義為“小?！?，劃分出LT-8、AMADOMA共2個大粒材料，以及臺紅、YW-6、ZL-05、XZ-97、云白、S-1共6個小粒材料。將千粒重≥(2.13+0.35) g定義為“高粒重”，由此劃分出柴達木黑、YB-4、收集棕色粒、青白藜1號、ZL-09共5個高粒重材料。將單株粒重≥(56.37+19.96) g定義為“高產(chǎn)”，由此劃分出靜灰、AMADOMA、SASAMA-3、隴藜1號、收集棕色粒、SC大白藜、SASAMA-2共7個高產(chǎn)材料。將籽粒蛋白質(zhì)含量≥(17.49+1.51)%定義為“高蛋白”，由此劃分出XZ-97、貢扎15號、SX-3、YW-6、SX-10共5個高蛋白材料。將籽粒粗脂肪含量≥(6.58+0.65)%定義為“高脂肪”，由此劃分出ZL-05、ZL-09、海西淺黃穗、隴藜3號、CD-11、靜灰、隴藜1號、LT-11、S-1共9個高脂材料。將籽?？偟矸酆俊?54.49+1.29)%定義為“高淀粉”，由此劃分出靜灰、臺紅、云白、海西淺黃穗、靜紅、ZL-09、ZL-05、CD-11、SX-7共9個高淀粉材料。此外，按照株型“松散”且植株分枝性為“有主穗基部大分枝”，可篩選出青藜2號、云白、NX-1、SX-7、XZ-97、SC大白藜、SX大白粒7個株型松散多分枝的藜麥材料；按照株型“緊湊”且植株分枝性為“單枝”，篩選出臺紅、青白藜1號、S-1、QH-44、LM-137共5個株型緊湊無分枝的藜麥材料。按照籽粒表皮皂苷度為“無”，篩選出云白、ZL-08、QH-44、YW-6、SX-4、XZ-96共6種籽粒表皮無皂苷的藜麥材料。

2.2 藜麥種質(zhì)資源的主成分分析

對藜麥的28個性狀指標進行主成分分析，提取特征值大于1的前9個主成分(表5)，累積貢獻率為77.998%，包含了28個性狀指標的絕大部分信息，說明這9個主成分可反映28個性狀的基本特征。其中，第1主成分貢獻率為17.949%，特征值為5.026,特征向量絕對值較高的有葉柄長、葉長、葉寬與葉片大小相關的性狀，因此第1主成分為葉片因子。第2主成分貢獻率為15.468%，特征值為4.331，特征向量絕對值較高的性狀有單株粒重和籽粒蛋白質(zhì)含量，第2主成分為產(chǎn)量與營養(yǎng)品質(zhì)因子。第3主成分貢獻率為11.045%，特征值為3.093，籽粒顏色、籽粒直徑和籽粒表皮皂苷度3個指標的特征向量絕對值較大，第3主成分為籽粒因子。第4主成分貢獻率為9.201%，特征值為2.576，株高和莖粗2個指標的特征向量絕對值較大，主要反映了植株生物量的情況。第5主成分和第6主成分均由株型決定，其貢獻率分別為6.719%和5.559%，特征值分別為1.881和1.556。第7主成分和第8主成分可總結(jié)為主花序形態(tài)因子，由主花序緊密度和主花序類型決定，其貢獻率分別為4.352%和3.985%，特征值分別為1.219和1.116。第9主成分貢獻率為3.721%，特征值為1.042，特征向量絕對值最高的性狀為葉基形狀。

表5 藜麥種質(zhì)表型性狀的主成分分析

綜合分析，從各主成分中篩選出株型、株高、莖粗、葉柄長、葉長、葉寬、葉基形狀、主花序類型、花序緊密度、籽粒顏色、籽粒直徑、籽粒表皮皂苷度、單株粒重、籽粒蛋白質(zhì)含量共14個重要的表型指標，是引起藜麥種質(zhì)表型差異的關鍵因素，可作為藜麥資源評價和種質(zhì)創(chuàng)新的參考依據(jù)。

表5(續(xù)) Continued table 5

2.3 藜麥種質(zhì)資源的聚類分析

采用系統(tǒng)聚類法，以平方歐氏距離為遺傳距離，可將46份藜麥材料聚為5類(圖1)。

BH.植株分枝性;PT.株型;PH.株高;SD.莖粗;PL.葉柄長;LL.葉長;LW.葉寬;LS.成株期葉形;SLT.葉尖形狀;SLB.葉基形狀;SLE.葉緣形狀;LC.成熟期葉色;BTI.主花序類型;SI.主花序形狀;CDI.主花序緊密度;LI.主花序長度;WI.主花序粗度;FCI.主花序花期顏色;CI.主花序成熟期顏色;GD.籽粒直徑;TGW.千粒重;GC.籽粒顏色;GES.籽粒表皮皂苷度;MT.熟性;GWPP.單株粒重;GPC.籽粒蛋白含量;GFC.籽粒粗脂肪含量;GSC.籽粒總淀粉含量。1～46.材料編號，對應名稱同表1

由圖1可以看出，類群Ⅰ包含隴藜3號、LT-11和靜紅等12份材料，其主要特點為株型半緊湊，多為松弛的團傘型花序，多深色大籽粒且表皮多皂苷，千粒重和單株粒重較大，籽粒蛋白質(zhì)含量低。類群Ⅱ包含ZL-09、海西淺黃穗和NM-1等13份材料，其主要特點為株高中等、莖粗較大，葉尖呈三角形、葉基呈楔形，多為紡錘形的緊密團傘型花序，花期時主花序呈現(xiàn)綠色，生育期短，以特早熟和早熟為主，籽粒粗脂肪和總淀粉含量高。類群Ⅲ僅含臺紅1份材料，其特點顯著：具有特大的掌形葉片，葉柄長，單枝，籽粒特別小，長而垂墜的圓筒形花序、小穗排列極為松弛。類群 Ⅳ包含YW-6、XZ-97、ZL-08等9份材料，其主要特點是多為株型緊湊無分枝，植株較高，葉大，成熟期葉片呈現(xiàn)黃色，花序多為圓筒形、長度和粗度較大，籽粒小、多白色、表皮皂苷較少，生育期長、以中晚熟為主，千粒重較小。類群Ⅴ包含SX大白粒、SC大白藜、適應性鑒定等11份材料，該類種質(zhì)主要特征是植株較矮、葉小，多為莧菜型花序且花序緊密，籽粒色淺、多奶油色，單株粒重低，籽粒蛋白質(zhì)含量高，而粗脂肪和總淀粉含量低。

28個表型指標被聚為4類，其中Ⅰ類指標與籽粒性狀有關，包含籽粒直徑、千粒重、籽粒顏色、籽粒表皮皂苷度4個指標；Ⅱ類指標主要與植株和花序形態(tài)、產(chǎn)量、籽粒粗脂肪和總淀粉含量有關，包含植株分枝性、株型、主花序長度、主花序粗度、主花序形狀、單株粒重、籽粒粗脂肪含量和總淀粉含量8個指標；Ⅲ類指標主要與葉形、顏色和籽粒蛋白質(zhì)有關，包含成株期葉形、葉緣形狀、葉尖形狀、主花序類型、主花序緊密度、成熟期葉色、主花序成熟期顏色、籽粒蛋白質(zhì)含量8個指標；Ⅳ類指標主要與葉片和植株大小、熟性有關，包含葉柄長、葉長、葉寬、植株高度、莖粗、葉基形狀、主花序花期顏色、熟性8個指標。

藜麥種質(zhì)的類群劃分與來源地無關，相同來源地的藜麥種質(zhì)(除北京)分布于多個類群中，但甘肅、青海、山西、西藏4個地區(qū)的材料也存在相對集中的情況。

3 討 論

種質(zhì)資源遺傳多樣性研究不僅有助于種質(zhì)資源的管理、評價和利用，更有利于進行核心種質(zhì)創(chuàng)新研究[18]。表型性狀的描述和鑒定是種質(zhì)資源研究最基礎、最重要的方法之一，通過表型性狀的遺傳多樣性分析可對種質(zhì)資源潛在特性進行初步定位，快速了解植物的遺傳變異水平[19]。本研究對46份藜麥種質(zhì)資源進行了表型多樣性分析，結(jié)果表明參試藜麥種質(zhì)資源具有豐富的多樣性，平均表型性狀遺傳多樣性指數(shù)為1.439，數(shù)量性狀多樣性指數(shù)(1.924)高于質(zhì)量性狀多樣性指數(shù)(1.020)，與籽粒莧、高粱、枸杞等多種作物的表型遺傳多樣性研究結(jié)果趨勢基本一致[20-22]。本研究發(fā)現(xiàn)，各數(shù)量性狀的變異系數(shù)與多樣性指數(shù)變化趨勢并不一致，如葉寬的變異系數(shù)較大，但其多樣性指數(shù)卻最低，可能是由于臺紅的極大掌形葉對葉寬整體數(shù)據(jù)離散度影響較大所致，說明離散程度大并不意味著多樣性豐富，種質(zhì)資源多樣性分析中，可能更應重點關注Shannon-Weaver多樣性指數(shù)。

株型、株高、莖粗、葉片大小、籽粒表皮皂苷度和籽粒大小屬于重要農(nóng)藝性狀，其豐富的變異有利于育種利用。合理的株型可以優(yōu)化作物群體光合生產(chǎn)力，達到最適的葉面積指數(shù)[23]；選育矮化、粗稈、單枝緊湊型品種有利于藜麥耐肥、密植、抗倒伏、高產(chǎn)和機械化采收[24-26]；而高稈、多分枝的藜麥適宜作為飼用作物進行開發(fā)利用。葉片是植物重要器官，與作物的光合作用和抗逆性密切相關。劉明虎等[27]研究表明，降低葉片寬度不僅有利于降低葉片溫度，而且能夠降低葉片蒸騰速率，從而增強植物適應高溫、干旱的能力，但由于葉片大小和出葉強度間存在權(quán)衡關系[28]，狹小葉型的藜麥品種是否較闊大葉型更適合旱季種植還有待于進一步研究。籽粒大小是影響作物產(chǎn)量、品質(zhì)和商品性的重要農(nóng)藝性狀[29-30]。大粒品種不僅易脫粒，還能提高藜麥米的商品性；小粒品種則可作為制粉加工型品種進行開發(fā)利用。藜麥籽粒表皮的皂苷類物質(zhì)不僅會影響藜麥的口感，而且是主要的抗營養(yǎng)因子[31]，因此生產(chǎn)藜麥米時需要進行去(降)皂處理，而選擇表皮無皂苷的藜麥品種可以減少生產(chǎn)環(huán)節(jié)、降低加工成本。從引種及育種改良的角度出發(fā)，熟性的廣泛變異有益于解決霜凍和干旱等非生物脅迫以及穗發(fā)芽[6,10]。千粒重是構(gòu)成作物產(chǎn)量的重要因素之一，提高千粒重是增產(chǎn)的直接途徑。與單株粒重相比，千粒重變異系數(shù)小，受環(huán)境影響較小，表現(xiàn)更加穩(wěn)定[15]；因此，在產(chǎn)量性狀改良中宜優(yōu)先選擇千粒重。作物的營養(yǎng)品質(zhì)、食味品質(zhì)和釀造品質(zhì)都受籽粒淀粉品質(zhì)的影響[32]。籽粒蛋白質(zhì)含量和組成不僅對作物營養(yǎng)品質(zhì)，而且對其加工品質(zhì)也有很大影響，尤其與谷蛋白/醇溶蛋白的比值顯著相關[33]。因此，高蛋白質(zhì)含量、高淀粉含量的藜麥可作為開發(fā)高營養(yǎng)產(chǎn)品、提高食用品質(zhì)、提升加工品質(zhì)的種質(zhì)資源進行利用。

本研究利用主成分分析從28個表型性狀中篩選出16個重要的表型指標，這些指標是藜麥種質(zhì)性狀多樣性的主導因素；后續(xù)對藜麥種質(zhì)資源多樣性調(diào)查研究中，可重點關注上述指標，以有效減少工作量。采用系統(tǒng)聚類法將參試種質(zhì)分為5個類群，可根據(jù)育種目標選擇親本資源，提高育種效率。其中臺紅是一個獨立的群體，與其他藜麥種質(zhì)具有相對較遠的遺傳距離，這與孫夢涵等[34]的研究結(jié)果一致。

本研究僅利用形態(tài)學方法對藜麥表型性狀進行遺傳多樣性研究，后續(xù)將借助分子標記或基因組水平開展遺傳多樣性研究，以期拓寬種質(zhì)資源研究的廣度和深度，加強對資源材料的甄別，明確四川省藜麥的核心種質(zhì)資源，以更好地保護和利用藜麥資源材料。

志謝：感謝西藏農(nóng)牧學院貢布扎西、青海大學農(nóng)林科學院姚有華、山西農(nóng)業(yè)大學生命科學學院董艷輝、甘肅省農(nóng)業(yè)科學院畜草與綠色農(nóng)業(yè)研究所劉文瑜、中國農(nóng)業(yè)科學院作物研究所秦培友、成都大學鄔曉勇為本研究提供了資源材料。