35份人工合成六倍體小麥的綜合評價

宋全昊 金 艷 宋佳靜 陳 杰 趙立尚 白 冬 陳 亮 朱統(tǒng)泉

（1駐馬店市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，463000，中國河南駐馬店；2國際玉米小麥改良中心，6-641 06600，墨西哥埃爾巴丹；3西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，712100，中國陜西咸陽）

小麥在保障國家糧食安全中具有重要的地位[1]。普通小麥（Triticum aestivum，AABBDD）由四倍體小麥（Triticum turgidum，AABB）和二倍體山羊草（Aegilops tauschii，DD）自然雜交、染色體加倍進化而成[2]。在長期馴化過程中，隨著小麥產(chǎn)量的提高，人們對目標基因進行選擇的同時也丟失了許多有利基因，使現(xiàn)代小麥的遺傳基礎(chǔ)狹窄[3]。近年來，尤其在新品種選育過程中個別骨干親本的大量使用，使我國的小麥生產(chǎn)取得了巨大進步，同時也導(dǎo)致當前的品種遺傳多樣性大幅度降低，限制了小麥產(chǎn)量潛力的進一步提升[4]。

許多學(xué)者[4-5]對小麥農(nóng)藝性狀和遺傳多樣性等方面做了大量研究。郝晨陽等[6]對我國育成小麥品種的遺傳多樣性進行分析，表明育成品種間平均遺傳距離以20世紀50年代最大（0.731），以后逐漸減小。曹廷杰等[7]根據(jù)90k SNP標記對河南省2000-2013年審定的96個小麥品種進行了遺傳多樣性和遺傳基礎(chǔ)分析，表明河南省近年的小麥品種遺傳多樣性不夠豐富，多數(shù)品種親緣關(guān)系較近，兩兩品種間遺傳相似系數(shù)的平均值為0.719。王江春等[8]對山東省歷經(jīng)9次更換的66個小麥品種的2145個組合進行了親緣系數(shù)分析，表明山東小麥品種間的遺傳差異日趨狹窄，遺傳多樣性逐漸降低。詹克慧等[9]對黃淮麥區(qū)129份種質(zhì)資源進行了分析計算，黃淮麥區(qū)供試小麥品種平均遺傳多樣性指數(shù)偏低，為0.449，平均相似性系數(shù)較高，為0.596。遺傳基礎(chǔ)狹窄成為制約黃淮麥區(qū)小麥育種進一步提升的瓶頸。

小麥野生近緣種中存在大量可用于小麥改良的優(yōu)勢位點。因此，發(fā)掘并利用小麥野生近緣種中的優(yōu)異基因，有利于拓寬栽培小麥的遺傳基礎(chǔ)。人工合成六倍體小麥是由四倍體小麥（2n=28）和二倍體山羊草（2n=14）雜交及染色體加倍而成，是利用具有豐富遺傳變異的粗山羊草與硬粒小麥來改良普通栽培小麥的良好橋梁[10]，目前已被國際玉米小麥改良中心（International Maize and Wheat Improvement Center，CIMMYT）在多個國家和科研單位應(yīng)用于小麥品質(zhì)和產(chǎn)量等重要農(nóng)藝性狀的遺傳改良。早在2003年，四川省農(nóng)業(yè)科學(xué)院就利用人工合成六倍體小麥育成高抗條銹病品種川麥42，在四川省區(qū)域試驗中平均產(chǎn)量超過對照35%。川麥42及其衍生品種的育成使我國小麥育種上了一個新臺階，說明可以將人工合成六倍體小麥的抗病基因和優(yōu)質(zhì)基因等有利基因性狀轉(zhuǎn)育到普通小麥中，從而選育出抗病性強和優(yōu)質(zhì)穩(wěn)定的品系[11]。

運用人工合成六倍體小麥可以同時改良位于不同染色體區(qū)域的多個遺傳位點，包含抗性和品質(zhì)等方面，從而在現(xiàn)代育種中具有優(yōu)勢[12]，提高小麥的品質(zhì)和產(chǎn)量[11,13]。人工合成六倍體小麥的遺傳類型豐富，缺乏綜合的、定量的多性狀統(tǒng)計分析，育種家們對其優(yōu)缺點信息掌握和利用不足，怎樣能夠針對性地利用人工合成六倍體小麥的有利性狀來改良普通栽培品種，提高其利用效率，就需要對不同性狀間的相互關(guān)系及材料間的遺傳多樣性進行大量的探索和分析[14]。故此，本研究對新引進的35份人工合成六倍體小麥的11個農(nóng)藝性狀和8個品質(zhì)性狀進行綜合分析，并進行聚類分析，了解這些材料的農(nóng)藝性狀、品質(zhì)參數(shù)和遺傳多樣性特征，明確其利用價值，為這批材料的篩選和利用提供理論依據(jù)，促進小麥種質(zhì)資源創(chuàng)新和在黃淮麥區(qū)遺傳育種中的應(yīng)用。

1 材料與方法

1.1 供試材料

35份人工合成六倍體小麥（表1）引自國際玉米小麥改良中心，來源于四倍體小麥Langdon與35份不同的Ae.tauschii雜交后染色體加倍。

表1 試驗材料Table 1 Materials used in this study

1.2 試驗設(shè)計

試驗材料于2018-2019年在陜西省楊凌示范區(qū)西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水研究院的試驗田（108°24′E，37°24′N）進行初步篩選，于 2019-2020和2020-2021年連續(xù)2個小麥生長季種植于國家小麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系駐馬店試驗站（114°12′E，32°35′N）。設(shè)置3次重復(fù)，行長2.00m，行距0.30m，株距0.10m，各材料每個重復(fù)種植4行，手工單粒點播，肥水管理與病蟲害防治同大田生產(chǎn)。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 農(nóng)藝性狀 于收獲前每個材料隨機選取10株，調(diào)查11個主要農(nóng)藝性狀，包括株高（plant height，PH）、穗下節(jié)長（length of the first internodes under the spike，UIL）、穗下莖長（distance from spike to flag leaf ligule，DSL）、穗長（spike length，SL）、旗葉面積（flag leaf area，F(xiàn)LA）、單株分蘗數(shù)（tiller number per plant，TN）、穗粒數(shù)（grain number per spike，GNPS）、生物量（biomass per ten plant，BMPP）、收獲系數(shù)（harvest index，HI）、產(chǎn)量（biological yield per ten plant，GYPP）和千粒重（1000-kernel weight，TKW）。

1.3.2 籽粒品質(zhì)性狀 籽粒收獲曬干后，用近紅外漫反射光譜分析儀（DA7200，瑞典）測定籽粒的8個品質(zhì)性狀，包括水分含量（%）、蛋白含量（%）、面筋含量（%）、淀粉含量（%）、纖維素含量（%）、硬度、SDS沉降值（mL）和Zeleny沉降值（mL），每份材料每個重復(fù)測定5次。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel計算各性狀的平均值、最大值、最小值、標準偏差、變異系數(shù)和多樣性指數(shù)。利用SPSS 26.0進行主成分分析，用RStudio進行聚類作圖，用SAS 9.2進行多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要農(nóng)藝和產(chǎn)量性狀特點及多樣性分析

根據(jù)35份人工合成六倍體小麥材料的農(nóng)藝和產(chǎn)量性狀（表2）進行多樣性分析，結(jié)果（表3）表明，11個性狀的變異系數(shù)為7.46%～32.29%，平均值為15.36%。穗長的變異系數(shù)最小，為7.46%，其中7個性狀的變異系數(shù)高于平均值，分別為產(chǎn)量（32.29%）、生物量（24.32%）、旗葉面積（22.37%）、穗下莖長（15.66%）。多樣性指數(shù)（H′）為1.85～2.04，平均值為1.98。其中旗葉面積的多樣性指數(shù)最小，為1.85，6個性狀的多樣性指數(shù)高于平均值，分別是千粒重、穗長、穗粒數(shù)、穗下節(jié)長、生物量和穗下莖長。以上結(jié)果表明這批人工合成六倍體小麥部分農(nóng)藝和產(chǎn)量性狀的變異程度較大，遺傳類型豐富。穗下莖長、生物量和產(chǎn)量等性狀的變異較大，而千粒重、穗長和穗粒數(shù)等性狀的多樣性較為豐富。

表2 人工合成六倍體小麥2019-2020和2020-2021年的農(nóng)藝和產(chǎn)量性狀均值Table 2 The mean values of agronomic and yield traits in synthetic hexaploid wheat lines in 2019-2020 and 2020-2021

表3 人工合成六倍體小麥主要農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量性狀、品質(zhì)指標及多樣性指數(shù)Table 3 The main agronomic traits,yield traits,grain quality and diversity indexes of synthetic hexaploid wheat

2.2 品質(zhì)性狀特點及多樣性分析

根據(jù)材料的籽粒品質(zhì)性狀（表4）進行多樣性分析，結(jié)果（表3）表明，8個性狀變異系數(shù)有所差異，范圍在2.80%～17.55%，平均值為10.19%。其中SDS（17.55%）、硬度（17.14%）、Zeleny（13.93%）、纖維（13.07%）和蛋白質(zhì)（10.71%）的變異系數(shù)大于平均值，表明這批人工合成六倍體小麥材料在這5個性狀上存在明顯的差異。面筋含量的變異系數(shù)最小，為2.80%，其次是水分（2.85%）和淀粉（3.49%），說明這批人工合成六倍體小麥種質(zhì)資源的這3個品質(zhì)指標的變異程度較小。所有品質(zhì)性狀的多樣性指數(shù)變化范圍為1.87～2.04，平均值為1.96，淀粉、蛋白質(zhì)、水分和面筋的多樣性指數(shù)高于平均值，硬度的多樣性指數(shù)最低，除了硬度指標和Zeleny沉降值偏低，其余6個性狀的多樣性指數(shù)均高于或接近平均值。人工合成六倍體小麥的蛋白質(zhì)含量較高，平均值為14.90%，變異系數(shù)是10.71%，多樣性指數(shù)是2.00；面筋含量的平均值是63.06%，變異系數(shù)和多樣性指數(shù)分別是2.80%和1.98。說明人工合成六倍體小麥整體的蛋白質(zhì)和面筋含量較高。

表4 人工合成六倍體小麥在2019-2020和2020-2021年的籽粒品質(zhì)性狀均值Table 4 The mean values of grain quality traits in synthetic hexaploid wheat lines in 2019-2020 and 2020-2021

2.3 主成分分析

將供試材料的19個性狀進行降維因子分析，結(jié)果（表5）表明，前5個主成分所構(gòu)成的信息量為總信息量的82.84%，其中前3個主成分的貢獻率達69.14%，反映了全部信息中的大部分信息。根據(jù)特征值和各主成分的貢獻率可以看出，第1主成分的特征值為7.60，貢獻率為39.99%，對應(yīng)的特征向量以淀粉含量、株高、穗下節(jié)長、千粒重的正值和以蛋白質(zhì)、面筋、硬度的負值影響較大；第2主成分的特征值為3.43，貢獻率為18.06%，對應(yīng)的特征向量以產(chǎn)量最大（0.76），其次是穗長（0.69）；第3主成分的特征值為2.11，貢獻率為11.09%，以SDS和Zeleny沉降值為主要值；第4主成分的特征值為1.41，貢獻率為7.43%，對應(yīng)的特征向量以穗粒數(shù)最大，其次是穗長和分蘗數(shù)；第5主成分的特征值為1.19，貢獻率為6.27%，特征向量以穗下莖長最大（0.44）。

表5 人工合成六倍體小麥各主要性狀的主成分分析Table 5 Principal component analysis of main traits in synthetic hexaploid wheat

特征值與因子相互關(guān)系的碎石圖（圖1）從側(cè)面反映前5個主成分基本上代表了供試材料19個性狀的絕大部分信息。

圖1 主要性狀主成分的特征值與因子相互關(guān)系碎石圖Fig.1 Scree plot of correlation between eigenvalues of the principal components for main traits

2.4 聚類分析

根據(jù)11個農(nóng)藝及產(chǎn)量性狀和8個品質(zhì)性狀對35份人工合成六倍體小麥材料進行聚類分析，可分為4個類群（圖2）。類群Ⅰ包含SHW1、SHW4、SHW8和SHW9等14個品系，占比40.00%；類群Ⅱ包含SHW3、SHW5、SHW7和SHW14等12個品系，占比34.29%；類群Ⅲ包含SHW2、SHW6和SHW11共3個品系，占比8.57%；類群Ⅳ包含SHW19、SHW20和SHW21等6個品系，占比17.14%。

圖2 基于農(nóng)藝、產(chǎn)量性狀和品質(zhì)指標對35份人工合成六倍體小麥的聚類分析Fig.2 Cluster diagram of 35 synthetic hexaploid wheats based on agronomic traits,yield traits and grain quality

按照聚類結(jié)果對不同類群的性狀特點進行多重比較（表6），不同類群間的農(nóng)藝和產(chǎn)量性狀差異較大，除穗下莖長和旗葉面積外，其他性狀間存在顯著性差異。品質(zhì)性狀在各類群之間的差異不顯著。類群Ⅰ表現(xiàn)為穗下莖和面筋含量最高，淀粉含量最低，產(chǎn)量、生物量、千粒重和收獲系數(shù)相對較高。類群Ⅱ表現(xiàn)為蛋白質(zhì)含量、淀粉含量和纖維含量最低，分蘗最少，產(chǎn)量和千粒重等相對較低。類群Ⅲ表現(xiàn)為株高、穗下節(jié)長、穗長、分蘗數(shù)、穗粒數(shù)、生物量、收獲系數(shù)、千粒重和產(chǎn)量最大，硬度、SDS和Zeleny沉降值最低。此類群的材料產(chǎn)量等相關(guān)性狀較好，但是株高相關(guān)指標是應(yīng)用的不利因素。類群Ⅳ表現(xiàn)為農(nóng)藝和產(chǎn)量性狀的株高、穗下節(jié)長、穗下莖長、穗長、旗葉面積、穗粒數(shù)、產(chǎn)量、千粒重和收獲系數(shù)，品質(zhì)指標的水分含量、面筋含量最低。蛋白質(zhì)含量、纖維含量、淀粉含量、硬度和Zeleny沉降值最高。因此，在資源的改良應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)不同類群中人工合成六倍體小麥材料的特征進行篩選利用。

表6 各類群性狀聚類的統(tǒng)計分析Table 6 Statistical analysis of traits of different groups

3 討論

3.1 人工合成麥的主要性狀特點

我國從CIMMYT引進了大量的人工合成六倍體小麥或衍生系，在抗病性、高分子量谷蛋白亞基組成及加工品質(zhì)等方面做了一些初步研究[15-16]。蔣永超等[17]通過對春小麥種質(zhì)資源與黑龍江省育成品種農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性分析表明，引進種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀變異系數(shù)（20.61%）和多樣性指數(shù)（2.44）均高于黑龍江省小麥育成品種的平均值（17.91%和1.95）。本研究通過對35份人工合成小麥材料的主要性狀進行綜合評估，11個主要農(nóng)藝和產(chǎn)量性狀的變異系數(shù)為7.46%～32.29%，平均值為15.36%，多樣性指數(shù)（H′）為1.85～2.04，平均值為1.98，遠高于張婷等[18]對263份黃淮麥區(qū)小麥品種株高、穗長、小穗數(shù)、穗粒數(shù)和千粒重5個主要性狀的變異范圍（4.21%～15.09%）。證明人工合成小麥材料的整體變異幅度較大，供試材料的遺傳多樣性高，與張帥等[19]研究發(fā)現(xiàn)的小麥農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)總體一致。人工合成小麥的籽粒品質(zhì)優(yōu)良，本試驗材料的蛋白質(zhì)平均含量（14.90%）和面筋平均含量（63.06%）高于當前黃淮麥區(qū)的品種審定指標中的強筋標準，表明這批人工合成麥材料遺傳變異豐富，今后可嘗試在黃淮麥區(qū)的育種中加以利用，豐富現(xiàn)有資源的遺傳基礎(chǔ)。對于變異系數(shù)和遺傳多樣性指數(shù)較大的優(yōu)良性狀，可以通過選擇目標親本等方法加以利用。

3.2 主成分分析的應(yīng)用

在種質(zhì)資源材料的評價方面因其農(nóng)藝性狀較多、群體較大且各性狀間存在著或多或少的相關(guān)性，僅靠人工經(jīng)驗根據(jù)表型直觀評選的難度較大，且會增大主觀性。主成分分析的方法可以在不損失或者很少損失原有信息的前提下，將較多的彼此相關(guān)的指標換算成新的個數(shù)較少的且彼此獨立的綜合指標，可以較為科學(xué)地對品系的綜合性狀進行評價，是小麥資源評價的有效方法[20]。莊萍萍等[21]對來自15個國家（地區(qū)）的81份波斯小麥進行了農(nóng)藝性狀主成分分析，表明前4個主成分（分蘗因子、粒重因子、穗粒數(shù)因子和抽穗期因子）對變異的貢獻率達85.61%。本研究對35份人工合成六倍體小麥的主要性狀進行主成分分析，前5個主成分所構(gòu)成的信息量為總信息量的82.84%，基本上代表了供試人工合成六倍體小麥資源的19個原始性狀指標的絕大部分信息。揭示了各主成分包含的性狀是相互聯(lián)系的，因此在育種工作中應(yīng)根據(jù)育種目標充分考慮各農(nóng)藝性狀之間的相互關(guān)系，加強對相應(yīng)主成分因子的選擇。第1主成分對應(yīng)了淀粉含量、株高、穗下節(jié)長、千粒重的正值和以蛋白質(zhì)、面筋、硬度的負值影響較大；因此在考慮該成分對應(yīng)的性狀時要結(jié)合利用目的來選擇材料，在選擇千粒重較大的材料時其品質(zhì)可能受到負面影響。根據(jù)主成分分析的結(jié)果綜合考慮，這批材料應(yīng)以穗下節(jié)長和穗長較長，小穗數(shù)和穗粒數(shù)較大，生物量、分蘗數(shù)和千粒重適度，收獲系數(shù)高為好。

3.3 聚類分析的應(yīng)用

聚類分析在多種作物種質(zhì)資源分類方面得到應(yīng)用，對于科學(xué)評價材料優(yōu)劣的真實性收到了較好的效果。通過聚類分析既可以看出類群間的相互關(guān)系，又可以了解類群內(nèi)各品系的親疏遠近，且參與聚類分析的性狀越多越能綜合反映種質(zhì)資源的實際情況[22-23]。聚類分析為小麥品種改良中的親本選擇提供了依據(jù)，可以根據(jù)育種目標選擇同類型的材料作為親本選配組合，以便發(fā)揮農(nóng)藝性狀對小麥產(chǎn)量的最大作用。如武玉國等[5]通過聚類分析的方法對黃淮麥區(qū)175個品種進行聚類，共分為6類，證明黃淮冬麥區(qū)小麥材料的遺傳信息在品種間存在交流，可能是相鄰地區(qū)育種目標相似，資源材料交流較多，導(dǎo)致品種的地域性差異較小。陳國躍等[24]對96份人工合成六倍體小麥的醇溶蛋白進行聚類分析，劃分為4個類群，類群間的關(guān)系基本反映了合成雙二倍體的親緣關(guān)系。本研究中，對35份人工合成小麥進行聚類分析，不同類群間的多個性狀存在顯著差異，品質(zhì)性狀類群間雖差異不顯著，但蛋白質(zhì)含量、面筋含量和沉降值等均較高，表明這批人工合成六倍體小麥的品質(zhì)性狀較為優(yōu)良，可用作普通小麥品質(zhì)性狀改良的種質(zhì)資源。在這批人工合成六倍體小麥中可利用類群Ⅰ和Ⅲ對普通小麥進行農(nóng)藝和產(chǎn)量性狀改良，利用類群Ⅳ對普通小麥的品質(zhì)進行改良。

4 結(jié)論

35份人工合成六倍體小麥材料農(nóng)藝和產(chǎn)量性狀的變異系數(shù)為7.46%～32.29%，平均值為15.36%；多樣性指數(shù)1.85～2.04，平均值為1.98。品質(zhì)性狀的變異系數(shù)為2.80%～17.55%，平均值為10.19%；多樣性指數(shù)1.87～2.04，平均值為1.96。主成分分析表明，前5個主成分的信息量為總信息量的82.84%，反映了全部信息中的大部分。根據(jù)測定的11個農(nóng)藝和產(chǎn)量性狀及8個品質(zhì)性狀可將35份人工合成六倍體小麥分為4個類群，不同類群之間性狀存在差異。類群Ⅰ的穗下莖長、蛋白質(zhì)和淀粉含量低，類群Ⅲ的產(chǎn)量及相關(guān)性狀高，類群Ⅳ的蛋白質(zhì)含量、纖維含量、淀粉含量和硬度等指標高，可以根據(jù)各類群材料的特點針對性地加以利用。