江蘇省引進高粱種質(zhì)表型性狀遺傳多樣性分析

張一中，李春宏，孟珊，張香桂，徐鵬，郭文琦，梁篤，郭琦，張曉娟，范昕琦，聶萌恩，柳青山

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 高粱研究所，高粱遺傳與種質(zhì)創(chuàng)新山西省重點實驗室，山西 晉中 030600；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 雜糧種質(zhì)創(chuàng)新與分子育種山西省重點實驗室，省部共建有機旱作農(nóng)業(yè)國家重點實驗室（籌），山西 太原 030031；3.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，江蘇 南京 210014）

高粱性喜溫、并具有抗旱、耐澇、光合速率高等特點，有著“作物中的駱駝”之稱［1］，在全世界范圍內(nèi)高粱是繼小麥、水稻、玉米和大麥之后位居第5 位的重要谷類作物［2］。高粱是中國重要的旱地雜糧作物，又是重要的飼料和加工作物［3］。在江蘇高粱用途主要包括釀造和飼用，常年種植面積僅在10 多萬畝，遠(yuǎn)不能滿足市場需要。江蘇的高粱多種植在沿海鹽堿地上，以甜高粱品種為主，多用作青貯飼料［4］。隨著江蘇省酒業(yè)的振興崛起，洋河、今世緣、御珍和乾隆江南等一批酒類企業(yè)迅速成長，原料需求逐漸增加，江蘇本地的高粱面積也在逐年上升［5］。但江蘇的釀酒高粱品種多來自外省的品種，如晉雜號、遼雜號等，自主選育釀造高粱品種的技術(shù)較弱，關(guān)鍵問題是缺乏適應(yīng)本地生態(tài)條件的種質(zhì)資源。因此，種質(zhì)資源的引鑒和評價是江蘇高粱種質(zhì)創(chuàng)新與育種工作的基礎(chǔ)。目前，在種質(zhì)資源的鑒定和評價方法中，農(nóng)藝性狀的形態(tài)學(xué)標(biāo)記因其簡單有效、表現(xiàn)直觀，成為最為廣泛的分析方法［6］。王洋等［7］對國內(nèi)外72 份高粱種質(zhì)資源在貴州省的形態(tài)性狀指標(biāo)多樣性進行了分析；陳艷麗等［8］對國內(nèi)外207 份高粱種質(zhì)資源在山西省農(nóng)藝性狀和形態(tài)性狀進行遺傳研究，發(fā)現(xiàn)千粒質(zhì)量與株高呈正相關(guān)，與穗長、穗寬呈負(fù)相關(guān)；王黎明等［9］對國內(nèi)外194 份甜高粱種質(zhì)資源在黑龍江省表型性狀進行遺傳多樣性分析，篩選到植株高大、生物產(chǎn)量高及含糖量高等優(yōu)異性狀國外品種；周瑜等［10］在重慶市對國內(nèi)外434 份高粱種質(zhì)的表型性狀進行了多樣性指數(shù)分析，進一步聚類成飼草或能源類群，工藝（帚）用類群、創(chuàng)新及雜交育種的種質(zhì)類群。

種質(zhì)資源是種業(yè)創(chuàng)新的基礎(chǔ)，目前在江蘇還未見大規(guī)模外引高粱種質(zhì)及鑒定的研究報道。本研究通過對引進的175 份高粱種質(zhì)資源進行主要農(nóng)藝性狀調(diào)查，并通過多元統(tǒng)計方法系統(tǒng)評價外引資源的遺傳變異，并進一步篩選優(yōu)良種質(zhì)資源，旨在為江蘇高粱種質(zhì)資源創(chuàng)新和品種選育提供參考。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

以不同來源的高粱種質(zhì)資源為參試材料，其中來自中國74 份、美國31 份、印度53 份、日本13份、俄羅斯3 份、墨西哥1 份。材料名稱、來源見表1。

表1 175 份高粱資源名稱與來源Table 1 The name and origin of 175 sorghum germplasm resources

續(xù)表

1.2 試驗方法

試驗于2018-2019 年在江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合基地進行。該試驗地點位于118.63°E、32.48°N，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，平均氣溫15.4 ℃，年平均降水量1073.8 mm，無霜期平均225 d，年均日照總時數(shù)1956.2 h［11］。

供試土壤為南京地區(qū)典型的馬肝土，呈弱酸性，pH 值6.5，有機質(zhì)含量16.5 g·kg-1，有效氮含量146.1 mg·kg-1，速 效 磷 含 量 為8.4 mg·kg-1，速 效 鉀含量為107.8 mg·kg-1。兩年均在6 月8 日播種，小區(qū)面積20 m2，行長5 m，行距0.4 m，株距0.23 m，種 植 密 度105 000 株·hm-2，3 次 重 復(fù)。播 種 撒 施 三元復(fù)合肥450 kg·hm-2，旋耕后進行播種，拔節(jié)期追施尿素300 kg·hm-2。其他管理措施同大田生產(chǎn)。

田間調(diào)查性狀包括抽穗期、株高、穗型、穗長、節(jié)數(shù)、分枝性、分蘗性、倒伏性等，觀測記載標(biāo)準(zhǔn)參照《高粱種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》［12］。收獲后在室內(nèi)調(diào)查穎殼包被度、粒色、千粒重、單株穗粒重、穗發(fā)芽抗性等。性狀描述中各質(zhì)量性狀差異用阿拉伯?dāng)?shù)字表示。利用高粱發(fā)芽指數(shù)（germination index，GI）來評估穗發(fā)芽抗性，發(fā)芽指數(shù)（GI）＝（8×n1＋7×n2＋6×n3＋5×n4＋4×n5＋3×n6＋2×n7＋1×n8）/（8×籽?？倲?shù)）×100%，式中n1～n8分別表示第1～8 天發(fā)芽籽粒數(shù)［13-14］。

1.3 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS v.20 軟件計算各性狀的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等，多樣性指數(shù)參照龍玨臣［15］方法計算。相關(guān)性、聚類分析采用SPSS v. 20 軟件進行運算，種質(zhì)間遺傳距離為歐氏距離，聚類方法采用類平均法（UPGMA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量性狀多樣性指數(shù)分析

從調(diào)查結(jié)果來看（表2），175 份高粱種質(zhì)資源中以緊穗型所占比例最大，為29.1%；其次是中緊型，為28.6%；其余為中散、散型。粒色紅褐為主，為57.1%；白色次之，黑色最少，僅1 份。分枝性以弱級為主，為78.9%；其次是中級、強級。分蘗性主要以弱級為主，占88.0%，中級與強級較少?？沟剐砸匀跫墳橹?，占30.9%；強級次之，占23.4%；其余為很強級、中級、很弱級。穎殼包度以包被1/4 為主，占73.1%；其次包被3/4 為11.4%；其余為籽粒裸露、包被1/2、全包被。6 個質(zhì)量性狀中抗倒性、穗型遺傳多樣性指數(shù)較高，分別為1.68、1.43；最低為分蘗性0.42，平均值為0.97。

表2 175 份高粱資源質(zhì)量性狀的多樣性指數(shù)分析Table 2 The diversity index analysis of qualitative characters of 175 sorghum germplasm resources

2.2 數(shù)量性狀多樣性指數(shù)分析

從測定結(jié)果來看（表3），抽穗期、株高、穗長、節(jié)數(shù)、千粒重、單穗粒重和發(fā)芽指數(shù)7 個數(shù)量性狀的多樣性指數(shù)范圍為1.80～2.12，千粒重最大為2.12，穗粒重次之為2.05，發(fā)芽指數(shù)最小為1.80。7 個數(shù)量性狀變異系數(shù)范圍為6.3%～49.5%。其中，穗粒重最大為49.5%，除發(fā)芽指數(shù)外，其余6個性狀的變異系數(shù)均大于20%，說明外引的高粱種質(zhì)類型豐富，差異較大。

表3 175 份高粱資源數(shù)量性狀的多樣性分析Table 3 Diversity analysis of quantitative characters of 175 sorghum germplasm resources

2.3 高粱種質(zhì)資源數(shù)量性狀相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果表明（表4），抽穗期與節(jié)數(shù)、單穗粒重、千粒重、株高呈顯著正相關(guān)；與發(fā)芽指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。株高與單穗粒重、節(jié)數(shù)、穗長呈顯著正相關(guān)；與千粒重、發(fā)芽指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)。單穗粒重與節(jié)數(shù)、穗長、千粒重呈顯著正相關(guān)。發(fā)芽指數(shù)與千粒重呈顯著正相關(guān)，與穗長呈顯著負(fù)相關(guān)。

表4 175 份高粱資源數(shù)量性狀的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of quantitative characters of 175 sorghum germplasm resources

2.4 不同高粱種質(zhì)資源數(shù)量性狀主成分分析

根據(jù)175 份高粱種質(zhì)資源的7 個數(shù)量性狀進行主成分分析，結(jié)果如表5 所示，選擇特征值＞1 的前4 個主成分，其累計貢獻率＞85.688%，說明4個主成分包含了175 份高粱種質(zhì)資源7 個數(shù)量性狀的85.688%遺傳信息。第1 主成分的貢獻率為31.390%，特征值為2.197，其中抽穗期和節(jié)數(shù)的載荷量最高，大于0.900，說明第1 主成分主要反應(yīng)生物量的因子。第2 主成分的貢獻率為20.813%，特征值為1.457，其中穗長和單穗粒重的載荷相對較高，說明第2 主成分主要反應(yīng)穗部特征的因子。第3 主成分的貢獻率為17.033%，特征值為1.192，其中發(fā)芽指數(shù)的載荷最高，說明第3 主成分能有效反應(yīng)高粱種質(zhì)的發(fā)芽特性。第4 主成分的貢獻率為16.451%，特征值為1.152，其中千粒重的載荷最高，說明第4 主成分能反應(yīng)高粱籽粒重量的因子。

表5 175 份高粱種質(zhì)資源數(shù)量性狀的主成分分析Table 5 The principal components analysis of quantitative characters of 175 sorghum germplasm resources

2.5 數(shù)量性狀的聚類分析結(jié)果

由圖1 可以看出，175 份高粱種質(zhì)資源在遺傳距離為15 時分為4 個類群，各類群包含的種質(zhì)個數(shù)、性狀的平均值和變異系數(shù)見表6。

表6 175 份高粱種質(zhì)資源不同類群農(nóng)藝性狀的均值及變異系數(shù)Table 6 The average and coefficient variation of agronomic traits of 175 sorghum germplasm resources.

第Ⅰ類群共包含153 份資源，根據(jù)圖1 可以分為兩個亞群。亞群Ⅰ-1 包括來自中國、美國、印度、日本、俄羅斯、墨西哥等國家的材料85 份，變異系數(shù)最大的是株高，其次是單穗粒重，說明此類群來源廣泛、性狀變化幅度較大。比較所有類群，其株高均值最矮、單穗粒重均值最低，生育期適中，可以篩選矮稈、早熟材料用于種質(zhì)創(chuàng)新。亞群Ⅰ-2 包括來自中國、美國、印度、日本等國家的材料68份，其中晉粱五號、三尺三、Tx623B、V4B 等常用的主干親本在此類群。變異系數(shù)最大的是株高，此類群株高較高、其他性狀比較適中，可以篩選出育種價值較高的材料。

圖1 基于7 個數(shù)量性狀的175 份高粱資源聚類分析Fig.1 Cluster dendrogram based on 7 agronomic traits of 175 sorghum germplasm resources

第Ⅱ類群包含4 份資源，分別來自中國山西、江蘇、印度和俄羅斯。該類群株高240 cm 以上、穗長最長、千粒重最小、發(fā)芽指數(shù)最小，全部為帚高粱。

第Ⅲ類群包含8 份資源，其中印度材料5 份、美國材料3 份。該類群單穗粒重最大、發(fā)芽指數(shù)最高，抽穗期、株高、穗長、千粒重、節(jié)數(shù)也較高，可篩選出高產(chǎn)、大粒的材料。

第Ⅳ類群包含10 份資源，其中印度材料5 份、山西材料1 份、江蘇材料4 份。該類群抽穗期最晚、株高最高、節(jié)數(shù)最多、千粒重最大，可篩選大粒材料進行改良。

綜上，引進的高粱種質(zhì)資源類群劃分與其來源地?zé)o關(guān)，相同來源地的材料分布于多個類群中，種質(zhì)資源間在表型性狀等方面存在顯著差異，說明引進材料遺傳基礎(chǔ)豐富，變異較大。

2.6 外引高粱特異種質(zhì)篩選

根據(jù)觀察和調(diào)查性狀的鑒定結(jié)果，以出苗到抽穗期＜40 d、株高＜1 m、千粒重＞30 g、單穗粒重＞50 g、發(fā)芽指數(shù)＜70 作為特異種質(zhì)篩選的標(biāo)準(zhǔn)，初步篩選出早熟、矮稈、千粒重大、單穗粒重高、耐穗發(fā)芽的特異種質(zhì)資源53 份（表7）。其中，早熟種質(zhì)11 份，抽穗期35.5～41.4 d；矮稈種質(zhì)12份，株高69.0～99.0 cm；大粒種質(zhì)11 份，千粒重34.4～40.3 g；單穗粒重高的種質(zhì)12 份，穗粒重56.2～73.4 g；耐穗發(fā)芽種質(zhì)13 份，發(fā)芽指數(shù)為62.8～73.6。

表7 53 份高粱特異種質(zhì)資源Table 7 53 sorghum germplasm resources with elite agronomic traits

續(xù)表

續(xù)表

3 討論

表型性狀是長期自然和人工選擇的結(jié)果，表型性狀的差異是生物多樣性的直接表現(xiàn)形式，對于表型性狀遺傳多樣性的研究是檢測遺傳變異最直觀、最簡易的方法。本研究對175 份高粱種質(zhì)資源在江蘇2 年的13 個性狀進行了多樣性分析，結(jié)果表明6 個質(zhì)量性狀的多樣性指數(shù)為0.42～1.68，抗倒性與穗型的多樣性指數(shù)較高，7 個數(shù)量性狀的變異系數(shù)為6.3%～49.5%，穗粒重、株高具有較大的變異系數(shù)，表明外引的高粱類型豐富，為江蘇高粱種質(zhì)創(chuàng)新和育種提供了豐富的資源。江蘇秋季多雨濕潤的氣候條件，使得高粱穗發(fā)芽在江蘇頻繁發(fā)生［4］，已嚴(yán)重影響高粱的安全生產(chǎn)與種植高粱積極性，因而選擇耐穗發(fā)芽種質(zhì)對江蘇發(fā)展高粱產(chǎn)業(yè)具有重要作用。相較于小麥［16］、水稻［17］等作物，高粱穗發(fā)芽報道較少。發(fā)芽指數(shù)是評價穗發(fā)芽能力的重要參數(shù)［18］，本研究測定的各高粱種質(zhì)資源的發(fā)芽指數(shù)變異為62.8%～90.0%，從中可獲得一些耐穗發(fā)芽的高粱種質(zhì)資源。

主要數(shù)量性狀相關(guān)分析表明：產(chǎn)量指標(biāo)單穗粒重與穗長、抽穗期、千粒重呈極顯著正相關(guān)，這與劉靜［19］、高杰［20］、王官［21］、李春宏［22］的研究一致，因而通過利用穗長、抽穗期、千粒重等性狀可獲得豐產(chǎn)材料；穗粒重與株高、穗長呈極顯著正相關(guān)，這與喬婧等［23］的研究相一致，而與周瑜等［10］的研究結(jié)果相反，原因可能是由于不同研究者所選參試高粱材料間存在較大差異，而穗粒重與株高、穗長的相關(guān)性受參試高粱材料影響較大。發(fā)芽指數(shù)與千粒重呈極顯著正相關(guān)，與抽穗期呈極顯著負(fù)相關(guān)，因而為獲得耐穗發(fā)芽的高粱材料，可以選擇抽穗期長、籽粒偏小的品種。

由于高粱種質(zhì)的表型性狀較多，且彼此間有著不同程度的相關(guān)性，給高粱種質(zhì)資源的研究和利用造成較大的阻礙，為此有必要根據(jù)不同地區(qū)和不同育種目標(biāo)篩選出重要性狀，以促進其在育種和生產(chǎn)上的應(yīng)用。喬婧等［23］對粒用高粱種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀進行了主成分分析，得到3 個主成分，分別影響高粱株型、籽粒產(chǎn)量與穗形。本研究通過主成分分析對175 份高粱種質(zhì)7 個性狀進行了評價，提取了4 個主成分，其累積貢獻率＞85.688%，分別反映了高粱生物量、穗部特征、發(fā)芽特性、籽粒大小的特征，對應(yīng)的表型性狀可作為在江蘇省評價資源和育種實踐重點關(guān)注的性狀。

利用聚類分析方法將參試的175 份高粱種質(zhì)劃分為4 個類群，在江蘇高粱育種過程中，穗粒重、成熟期、發(fā)芽指數(shù)、株高是重點關(guān)注的數(shù)量性狀，如類群Ⅰ-2 的克恢137、CSZ92 抽穗期較早、株高較矮、發(fā)芽指數(shù)較低，類群Ⅲ的8 份資源穗粒重都在50 g 以 上，類 群Ⅳ的 大 粒105、IS-2825、IS-8070、IS-24989 千粒重都在30 g 以上。為選育適合江蘇的高粱新品種，可聚合類群Ⅰ-2、類群Ⅲ、類群Ⅳ優(yōu)異種質(zhì)的農(nóng)藝性狀，進行種質(zhì)創(chuàng)新。通過各材料的性狀比較分析，篩選出了一批豐產(chǎn)、中早熟、中矮稈、抗倒性強、耐穗發(fā)芽的基礎(chǔ)材料，為今后江蘇高粱種質(zhì)創(chuàng)新、親本創(chuàng)制、品種培育等方面提供了重要的資源。

本研究對175 份國內(nèi)外高粱資源的主要農(nóng)藝性狀進行了鑒定和遺傳多樣性分析，獲得了一些農(nóng)藝性狀優(yōu)良的資源，然而表型性狀的表現(xiàn)是遺傳因素與環(huán)境因素共同作用的結(jié)果，因此還需多年份和不同地點的綜合測定評價，另外品質(zhì)測定方面還有待進一步研究，從而全面了解該批材料的綜合性狀，確定合理的最佳用途。

4 結(jié)論

引進的175 份高粱種質(zhì)資源類型豐富，多樣性程度較高。試驗篩選出在江蘇種植表現(xiàn)為早熟、矮稈、千粒重大、穗粒重高、耐穗發(fā)芽的53 份特異種質(zhì)，其中個別種質(zhì)同時具有多個優(yōu)良性狀，為培育適宜江蘇種植的高粱品種提供了基礎(chǔ)材料。