呂建珍 任 瑩 王宏勇 張庭軍 馬建萍 趙 凱
(1山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院,030031,山西太原;2新疆生產(chǎn)建設兵團第六師農(nóng)業(yè)科學研究所,831300,新疆五家渠)
谷子[Setaria italica(L.)P.Beauv.]又名粟,屬禾本科(Gramineae)狗尾草屬(Setaria Beauv.)。谷子抗旱、耐瘠、耐鹽堿,與高粱和玉米等作物相比具有更高的水分利用率,是旱作農(nóng)業(yè)的理想作物,是我國雜糧作物的首要作物,在農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用[1-3]。目前,谷子主要分布在我國北方13個省、市、自治區(qū),其中內(nèi)蒙古、山西和河北種植面積占全國種植面積的67.1%[4]。20世紀50至80年代,谷子經(jīng)歷了3次品種更新。第1次在20世紀50年代,由于糧食短缺,谷子育種的主要目標是高產(chǎn),主要針對農(nóng)家種進行選擇改良,此次更新使我國谷子的生產(chǎn)水平得到了大幅度提高,谷子單產(chǎn)水平達到990~1170kg/hm2,總產(chǎn)量比新中國成立之前提高了1倍。20世紀70年代中后期,雜交育種開始開展,品種的抗倒、抗旱和抗病性等明顯增強。單交、復交、多親本綜合雜交和跨緯度異地選擇等多種育種手段也相繼利用,且至今仍發(fā)揮重要作用。20世紀80至90年代,谷子育種有較大提升,以日本60日和土龍為親本選育的豫谷1號在5個省跨區(qū)推廣,推動我國谷子產(chǎn)量跨上了新臺階;以鄭矮2號為矮源選育的鄭谷737青和矮88實現(xiàn)了矮化與株型育種相結合,是谷子育種史上的一個新突破,其中矮88已成為現(xiàn)代谷子矮稈育種的骨干親本[5-7];同時以晉谷21號和沁州黃為代表的優(yōu)質(zhì)谷子品種逐漸受到重視,至今仍大面積種植。進入21世紀后,育成品種數(shù)量迅速增加。2021年8月底,中國完成谷子品種登記497個[7],品種特點轉向優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)且適于輕簡化;同時,一些優(yōu)質(zhì)品種正在進行市場開發(fā)階段,如山西的晉谷21號、河北的冀谷19和黑龍江的龍谷25,并涌現(xiàn)了汾州香和金谷米等許多優(yōu)質(zhì)小米品牌。谷子品種能否更新?lián)Q代,優(yōu)質(zhì)是首位,同時兼顧輕簡栽培,生產(chǎn)上的傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)品種正在被新育成的優(yōu)質(zhì)、抗病品種所取代,谷子正處在品種類型更新?lián)Q代的關鍵時期[4]。
隨著生產(chǎn)上對谷子新品種的需求,系統(tǒng)開展谷子品種(系)表型多樣性研究,深入挖掘不同類型谷子群體遺傳學基礎,對種質(zhì)創(chuàng)新及新品種選育有重要的支撐作用。表型性狀是結構基因的功能表現(xiàn),是種質(zhì)資源收集、保存、鑒定和利用的基礎,是育種家可直接利用的種質(zhì)信息。利用表型性狀進行多樣性分析能夠全面掌握資源的基本情況,為育種中親本選擇提供詳細的信息支撐。目前,通過表型特征分析研究作物種質(zhì)資源已廣泛應用于水稻[8]、玉米[9]、棉花[10]和大豆[11]等主要農(nóng)作物。谷子作為一種古老的糧食作物,表型性狀遺傳變異豐富。王海崗等[12]對來自世界各國的878份谷子核心種質(zhì)的15個表型性狀進行了遺傳多樣性綜合評估,發(fā)現(xiàn)育成品種的遺傳多樣性較農(nóng)家種顯著下降,由于育種選擇壓力使育成品種株高和穗長均有一定程度的降低。田伯紅[13]對河南、河北和山東等來源地的谷子品種進行研究,發(fā)現(xiàn)谷子育成品種多數(shù)農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性水平低于地方品種,育成品種的株高也顯著降低,但穗重和穗粒重顯著提高。相吉山等[14]對東北地區(qū)的120份地方品種和育成品種在新疆表型鑒定發(fā)現(xiàn),育成品種穗重、穗粒重及產(chǎn)量顯著大于地方品種,育成品種主要通過增加穗粒數(shù)來增產(chǎn)。通過對不同生態(tài)區(qū)谷子品種在內(nèi)蒙古赤峰進行表型鑒定及遺傳多樣性分析顯示,不同生態(tài)區(qū)谷子品種的生育期、農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀差異顯著[15]。丁銀燈等[16]對274份不同類型谷子材料的16個農(nóng)藝性狀在新疆表型鑒定發(fā)現(xiàn),數(shù)量性狀遺傳變異最豐富。王曉娟等[17]對甘肅省谷子地方種質(zhì)資源的遺傳多樣性進行分析,發(fā)現(xiàn)主莖長度、主穗長度和千粒重等性狀的變異較大,遺傳較豐富。劉思辰等[18]對山西省谷子地方品種進行了表型性狀及品質(zhì)的遺傳多樣性分析,發(fā)現(xiàn)地方品種聚類結果與地理來源一致。楊慧卿等[19-20]對分蘗型谷子資源及山西省11個骨干品種的農(nóng)藝性狀進行了遺傳多樣性分析和研究,鑒定了10份優(yōu)勢分蘗型谷子種質(zhì),提出穗粒重是高產(chǎn)品種選育的關鍵。屈洋等[21]對31個谷子材料的農(nóng)藝性狀多樣性指數(shù)研究發(fā)現(xiàn),分級性狀株型、穗型和穗密度遺傳多樣性指數(shù)較高,產(chǎn)量性狀單穗重、穗粒重和株高遺傳多樣性指數(shù)較高,生育期和出谷率多樣性較差。閆鋒等[22]對41份谷子材料的7個農(nóng)藝性狀研究發(fā)現(xiàn),株高的遺傳多樣性指數(shù)最高。
谷子作為C4模式作物在作物遺傳育種中越來越受重視,其遺傳多樣性評價是育種材料選擇的有效手段[23-24]。國內(nèi)外有關谷子表型的遺傳多樣性研究主要是針對不同地理來源和生態(tài)類型的品種,本研究通過對264份近年來育成品種(系)及農(nóng)家種的29個農(nóng)藝性狀進行綜合鑒定評價,更加全面地探究不同谷子品種在山西的表型特征及遺傳多樣性,為谷子育種目標的制定和資源利用提供依據(jù)。
試驗材料為山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院自育谷子新品種(系)68份及省內(nèi)外的育成品種(系)及農(nóng)家種196份,共264份(表1)。
表1 供試谷子品種(系)Table 1 The varieties(lines)of foxtail millet
續(xù)表1 Table 1(continued)
試驗于山西農(nóng)業(yè)大學晉中榆次東陽試驗基地(112°42′E,37°36′N)進行。試驗地為水澆地,壤土,前茬作物玉米,肥力中等。整個生育期澆2次水,播種前1次,拔節(jié)灌漿期1次;施基肥和種肥,基肥為羊糞(67.5m3/hm2),種肥為復合肥磷酸二銨(300kg/hm2)。每份材料種2行,行長3.0m,行距37cm,根據(jù)不同品種的分蘗特性設置株距。
參考《谷子種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》[25]調(diào)查參試材料的9個質(zhì)量性狀,包括幼苗葉鞘色、花藥色、葉枕色、剛毛長度、剛毛色、穗型、穗頸形狀、粒色和米色,并用數(shù)字予以賦值(表2)。通過測定數(shù)值獲得15個數(shù)量性狀,包括分蘗數(shù)、主莖節(jié)數(shù)、主莖直徑、株高(主莖長度)、葉長(倒2葉)、葉寬(倒2葉)、穗長、穗頸長(穗下節(jié)間長度)、穗粗(主穗直徑)、單穗碼數(shù)、單碼粒數(shù)、單穗重、穗粒重和千粒重,并計算出谷率(出谷率=穗粒重/單穗重),每份材料調(diào)查5株,最后取平均值。記錄整個生育期每份材料的出苗、抽穗、開花及成熟時間,并計算出苗至抽穗、抽穗至開花、開花至成熟和全生育期(出苗至成熟)的天數(shù)。
表2 谷子9個質(zhì)量性狀及調(diào)查標準Table 2 Investigate norm and nine traits from foxtail millet
利用Excel 2007和SPSS 24.0進行描述性和頻次分布統(tǒng)計,完成農(nóng)藝性狀平均值、標準差和多樣性指數(shù)的計算。遺傳多樣性指數(shù)計算數(shù)據(jù)分級標準:首先計算參試材料某一性狀的總體平均數(shù)(X)和標準差(σ),然后從第1級(Xi<X-2σ)到第10級(Xi≥X+2σ)劃分為10級,中間每級相差0.5σ,每一級中觀察值個體數(shù)相對于總個數(shù)的比例用于計算遺傳多樣性指數(shù)(Shannon-Wiener diversity index,H′),H′=-∑PilnPi,式中Pi為某一性狀第i級別內(nèi)材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比。采用DPS 7.05進行主成分分析,計算各主成分得分并獲得綜合得分。利用R語言繪制相關性熱圖和聚類圖。
2.1.1 質(zhì)量性狀遺傳多樣性 9個質(zhì)量性狀的平均H′為0.7293,僅穗型和粒色H′高于1.0000,穗頸形狀H′最低,僅為0.1963。幼苗葉鞘75.00%為綠色,17.05%為淺紫色,少數(shù)為紫色(7.95%);葉枕色各類型比例與葉鞘色一致?;ㄋ幰渣S色(54.55%)和白色(40.90%)為主,少數(shù)為褐色,僅占4.55%。剛毛以短剛毛為主,占79.17%,長剛毛最少(9.09%)。剛毛色以綠色為主,占78.79%,其他為紫色。穗型以紡錘形為主,占61.74%,其次是筒形(17.05%)和雞嘴形(12.88%),棍棒形占8.33%。穗頸形狀以彎曲為主,占95.08%。粒色以黃色(56.44%)和白色(30.30%)為主,其次為紅色,少數(shù)褐色、灰色和黑色。米色以淺黃(79.92%)和黃(16.67%)為主,少數(shù)為灰綠、白色和灰色。
總體來看,幼苗葉鞘綠色、紡錘形穗、穗頸彎曲、綠色短剛毛、籽粒黃色或白色、米色淺黃是參試材料的主要特征。
2.1.2 數(shù)量性狀遺傳多樣性 由表3可知,15個數(shù)量性狀的平均H′為2.0078,不同數(shù)量性狀H′差異較小,變幅為1.5942(分蘗數(shù))~2.0841(穗粒重)。不同性狀標準差存在一定差異,其中單碼粒數(shù)最高,達38.12,這表明單碼粒數(shù)數(shù)據(jù)較分散,其次為株高和單穗碼數(shù),分別為18.48和16.16。主莖節(jié)數(shù)、穗莖長、葉長、主穗長、穗粗、單穗重、穗粒重和出谷率標準差居中。分蘗數(shù)、葉寬、主莖直徑和千粒重標準差較低,均小于1.00,數(shù)據(jù)分布較集中。
表3 參試材料的數(shù)量性狀變化Table 3 Variation of quantitative traits in tested materials
2.1.3 生育期遺傳多樣性 參試材料5個生長期平均H′為1.6620,變幅為0.7922(播種至出苗期)~2.0387(開花至成熟期)(表4),其中全生育期H′為1.9851。參試材料全生育期變幅為97~137d,其中全生育期≤100d的材料有4份,100d<全生育期≤110d的有51份,110d<全生育期≤120d的有73份,120d<全生育期≤130d的有94份,>130d的有42份。
表4 參試材料的生育期及H′Table 4 The growth period and H′of tested materials
2.2.1 表型性狀相關性分析 參試材料29個農(nóng)藝性狀相關性分析(圖1)表明,15個數(shù)量性狀間64個相關系數(shù)達顯著或極顯著水平,其中單穗重和穗粒重相關系數(shù)最高(0.988),且二者與多數(shù)性狀相關性達顯著水平。分蘗數(shù)與多數(shù)性狀呈負相關,與穗頸形狀負相關系數(shù)最高(-0.341);主莖節(jié)數(shù)和株高相關系數(shù)達0.656,且二者與其他性狀相關系數(shù)均較高,與全生育期相關性達極顯著水平;穗頸長與株高相關系數(shù)最高(0.435);葉長和葉寬均與出苗至成熟、出苗至抽穗2個生長期相關系數(shù)較高,且葉長與主穗長相關系數(shù)達0.636;主穗長與葉長、單穗重、穗粒重、穗型及單穗碼數(shù)等性狀均達極顯著水平;穗粗與單穗重相關系數(shù)最高(0.476),同時與19個農(nóng)藝性狀相關性均達顯著水平;主莖稈直徑與主莖節(jié)數(shù)相關系數(shù)最高(0.535);單穗碼數(shù)、碼粒數(shù)和千粒重僅與部分性狀相關性達顯著水平;出谷率與穗粒重相關系數(shù)相對較高,達0.312。
圖1 參試材料性狀的相關性分析Fig.1 Correlative analysis of tested materials
9個質(zhì)量性狀與其他性狀間相關系數(shù)不高。剛毛長與出苗至抽穗天數(shù)呈最高負相關,相關系數(shù)為-0.509;穗頸形狀與分蘗數(shù)負相關較高,與穗頸長呈正相關,相關系數(shù)達0.250。質(zhì)量性狀間葉鞘色與葉枕色相關系數(shù)最高(0.776);粒色與米色相關性達極顯著水平,米色與其他性狀相關系數(shù)均不高。
5個生長期指標中,出苗至抽穗期、開花至成熟期和全生育期與其他性狀間均具有較高的相關系數(shù),其中開花至成熟期與株高相關系數(shù)為0.423;各生長階段間,全生育期與開花至成熟期相關系數(shù)最高(0.842),與出苗至抽穗期次之(0.757)。
2.2.2 表型性狀的主成分分析 不同表型性狀間相關性大小不同,這對種質(zhì)資源的評價具有一定影響,為了消除此類影響,對參試材料采用主成分分析進行綜合評價。由表5可知,前13個主成分的累計貢獻率達80.6475%,表明這13個主成分代表了參試材料表型性狀80.6475%的遺傳信息。第1主成分的貢獻率最大,為19.9336%,其中出苗至成熟期、出苗至抽穗期和單穗重、穗粒重的特征向量值最高,說明第1主成分是與生長期和產(chǎn)量相關的主要性狀;第2主成分的貢獻率為9.3731%,穗頸長、穗頸形狀和葉枕色得分較高,說明第2主成分是穗頸和葉枕性狀的綜合反映;第3主成分的貢獻率為7.8326%,其中葉鞘色和剛毛色特征向量值最高,說明第3主成分是葉鞘和剛毛顏色因子;第4主成分的貢獻率為7.2001%,其中出谷率和開花至成熟特征向量絕對值大于其他性狀,說明第4主成分綜合了出谷率和開花至成熟天數(shù);第5主成分的貢獻率為5.7997%,主穗長、單穗碼數(shù)、剛毛長和葉長得分最高,說明第5主成分是穗長、剛毛及葉片的綜合性狀;第6主成分的貢獻率為4.6923%,其中千粒重具有較高的正向載荷,分蘗具有較高的負向載荷,說明第6主成分是千粒重和分蘗的綜合反映;第7主成分的貢獻率為4.5196%,米色和粒色得分最高,說明第7主成分是籽粒因子;第8主成分的貢獻率為4.2763%,花藥色和碼粒數(shù)得分最高,說明第8主成分綜合了花藥色和碼粒數(shù);第9主成分的貢獻率為3.9981%,其中抽穗至開花和穗粗的載荷絕對值最大,說明第9主成分代表了抽穗至開花天數(shù)和穗部性狀;第10主成分貢獻率為3.6978%,主莖直徑具有較高的特征向量值,為主莖直徑因子;第11主成分貢獻率為3.5176%,主莖節(jié)數(shù)和株高得分較高,說明第11主成分由主莖節(jié)數(shù)和株高組成;第12主成分貢獻率為3.1712%,播種至出苗特征向量值最高,為谷子出苗因子;第13主成分貢獻率為2.6354%,穗型和葉寬特征向量值相對較高,說明第13主成分為穗型和葉寬因子。
表5 參試材料29個表型性狀的主成分分析Table 5 Principal component analysis based on 29 phenotypic traits of tested materials
將參試材料29個表型性狀數(shù)據(jù)代入13個主成分中,計算各主成分得分,再利用模糊隸屬函數(shù)對各主成分歸一化處理,計算出各主成分的權重系數(shù)(0.2472、0.1162、0.0971、0.0893、0.0719、0.0582、0.0560、0.0530、0.0496、0.0459、0.0436、0.0393、0.0327),最后計算各個材料的綜合得分(F值),利用F值對參試材料進行綜合評價,F(xiàn)值越高,綜合表型性狀越好。結果(表6)表明,大部分性狀與F值呈顯著或極顯著相關,其中20個性狀達極顯著水平;數(shù)量性狀與F值相關系數(shù)高于不同生長期及質(zhì)量性狀,其中葉長、單穗重、穗粒重和主穗長與F值相關系數(shù)均大于0.60,株高、主莖節(jié)數(shù)及主莖直徑與F值相關系數(shù)均超過0.55;不同生長期中,出苗至抽穗、全生育期與F值相關系數(shù)較高;質(zhì)量性狀中,葉鞘色、穗型及穗頸形狀與F值相關系數(shù)較高。
表6 29個表型性狀與表型綜合值(F值)的相關系數(shù)Table 6 Correlation coefficients between 29 phenotypic traits and comprehensive value(F-value)
基于29個表型性狀數(shù)據(jù)的聚類分析(圖2)顯示,聚類結果與材料的地理來源未表現(xiàn)出一致性。參試材料可劃分為3個類群(Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ),類群Ⅰ包含25份材料,主要以春谷區(qū)材料為主;類群Ⅱ包含66份材料,該類群包含了不同生態(tài)區(qū)材料,其中春谷材料比例較高;類群Ⅲ包含173份材料,占全部材料的65.53%,該類群又分為2個亞群,類群Ⅲ-1和類群Ⅲ-2,其中類群Ⅲ-1包含85份,類群Ⅲ-2包含88份材料,各亞群材料類型豐富多樣。
圖2 參試材料系統(tǒng)聚類圖Fig.2 Clustering dendrogram of tested materials
3個類群材料表型性狀的顯著性分析(表7)顯示,15個數(shù)量性狀有7個指標達顯著或極顯著水平,2個生育期指標達顯著或極顯著水平。類群Ⅰ和類群Ⅱ的穗粗、單碼粒數(shù)、單穗重和穗粒重差異均達到極顯著水平,主莖節(jié)數(shù)差異達顯著水平;類群Ⅰ和類群Ⅲ的株高、穗頸長度、穗粗、單碼粒數(shù)、單穗重和穗粒重差異達極顯著水平,生育期中開花至成熟天數(shù)差異達極顯著水平,全生育期達顯著水平;類群Ⅱ和類群Ⅲ性狀間差異性相對較小,僅單碼粒數(shù)差異達極顯著水平,株高、單穗重和穗粒重達顯著水平,生育期中開花至成熟和全生育期差異均達顯著水平。由此表明,類群Ⅰ以中晚熟高稈、大穗品種為主;類群Ⅱ中矮稈、小穗品種為主,具有較低的穗粗、單穗重和穗粒重,且單碼粒數(shù)極低;類群Ⅲ以生育期較短、矮稈和主莖節(jié)數(shù)較少的材料居多。
表7 3個類群的農(nóng)藝性狀比較Table 7 The phenotypic traits between three groups of tested materials
遺傳多樣性一般是指種內(nèi)個體之間或一個群體內(nèi)不同個體的遺傳變異總和[26]。隨著時間的推移,植物的遺傳多樣性水平不斷降低,而且伴隨著現(xiàn)代育種的商業(yè)化發(fā)展和育種實際,人們更注重市場需要,盡可能快地育出商業(yè)化品種,從而使品種的遺傳背景變得狹窄,遺傳多樣性越來越低。本研究中,谷子主要育成品種(系)的29個表型性狀中,通過測定數(shù)值獲得的15個農(nóng)藝性狀平均H′高達2.0078,其中穗粒重最高;9個質(zhì)量性狀H′相對較低,僅穗型和粒色H′超過1.0000;不同生長期中開花至成熟的H′最高。這些結果與以往谷子資源的研究[12-14,17,21-22]結果類似。幼苗葉鞘綠色、紡錘形穗、穗頸彎曲、綠色短剛毛、籽粒黃色或白色、米色淺黃是本研究材料的主要特征,也是近年來谷子育種性狀選擇的主要方向。
本研究相關性分析中,15個數(shù)量性狀間相關系數(shù)有64個達顯著水平,其中單穗重和穗粒重相關系數(shù)最高;多數(shù)質(zhì)量性狀間相關系數(shù)較低,幼苗葉鞘色和葉枕色間除外;生育階段開花至成熟與全生育期相關系數(shù)最高,開花至成熟的天數(shù)是影響品種全生育期的關鍵生長階段,全生育期差異主要由開花至成熟的天數(shù)決定;株高與生育期各階段相關系數(shù)均較高,通過降低株高可以一定程度上縮短生育期;不同性狀間具有不同程度的相關性,在品種選育過程中要達到一個動態(tài)的平衡,使品種綜合性狀優(yōu)良。
對種質(zhì)資源表型性狀進行主成分分析,利用主成分得分可以評價某一品種的綜合表型,這一方法在植物種質(zhì)資源評價中已廣泛應用[8,10,12,27-28]。本研究前13個主成分的累計貢獻率達80.6475%,通過13個主成分的得分計算隸屬函數(shù)值獲得每份種質(zhì)的綜合表型F值。參試材料的平均綜合得分F值(0.529)與878份谷子核心種質(zhì)的F值(0.555)和山西谷子地方品種12個表型性狀和3個品質(zhì)性狀的綜合得分(0.521)相近[12,18],其中排名靠前的汾選8號、竹葉青和粘谷等品種(系)綜合表型性狀良好,為親本選擇和遺傳研究提供了參考信息。
豐富的植物遺傳資源能夠為作物育種和遺傳研究提供種質(zhì)基礎。對種質(zhì)資源進行聚類分析,劃分成不同的類群,更加有利于資源保護、開發(fā)和利用。Jia等[29]將我國近60年的谷子育成品種分為春播型和夏播型;Wang等[30]將我國谷子地方品種分為早春播型、春播型、春夏兼播型和南方型。本研究依據(jù)29個表型性狀將參試材料劃分為3個類群,聚類結果與品種的地理來源相關性較低,這與相吉山等[14]的研究結果一致,與丁銀燈等[31]依據(jù)表型和分子標記的聚類結果均具有一定地域特征的結論不同,表明谷子現(xiàn)代育種已打破地理生態(tài)類型,且育種家對品種的選擇趨向于表型特征的綜合評價。
264個谷子育成品種(系)的29個表型鑒定中,15個數(shù)量性狀H′高于5個不同生育階段遺傳多樣性,生育期H′又高于9個質(zhì)量性狀。依據(jù)F值篩選出汾選8號和竹葉青等綜合性狀較好的材料,為谷子育種親本選擇提供了一定的參考。表型聚類結果的地理特征不顯著,不同生態(tài)類型和優(yōu)良表型特征的品種間基因交流重組逐步加大。谷子新品種選育具有較大的提升空間,中矮稈、大穗、生育期適中、品質(zhì)優(yōu)和適合機械化收獲是目前谷子育種的主要方向;好看、好吃和好煮的廣適性谷子新品種是當前谷子育種的主要目標。依據(jù)親本材料的綜合評價,借助現(xiàn)代生物育種手段,提升谷子新品種選育效率是目前亟需開展的工作。