金蕎麥收集系株型相關性狀遺傳變異分析

任蓉蓉，王璐瑗，陳慶富，唐 彬，榮玉萍，黃 娟*

(1. 貴州師范大學生命科學學院，貴陽 550001；2. 貴州師范大學蕎麥產業(yè)技術研究中心，貴陽 550001；3. 山西省長治市屯留區(qū)職業(yè)高級中學，長治 046000)

金蕎麥（Fagopyrum cymosum）屬于蓼科蕎麥屬，是一種多年生的草本植物。與其他的谷物相比，金蕎麥賴氨酸的含量很高，氨基酸評分為100，具有極高的生物學價值[1]。同時，金蕎麥是一種高黃酮類的重要作物，它的營養(yǎng)價值豐富并且具有多種重要的臨床及保健價值[2]，例如，控制炎癥反應[3]、降低痛感[4]、抗氧化[5]等。近年來，隨著經濟條件的提高，人們的保健意識逐漸增強，蕎麥等雜糧作物受到人們的重視和歡迎，開展金蕎麥相關研究具有重要意義。

株型對作物產量的形成具有重要作用[6]，培育株型優(yōu)良的幼苗是實現早熟豐產的重要保證[7]。植株的產量與一些性狀有關，比如大豆產量受一些與產量負相關的性狀影響，如株高、重心高度和倒伏性等，植株倒伏對大豆產量有很大影響，影響程度甚至超過了其他產量相關的性狀[8]。白志剛[9]明確了作物株型對光能分布及群體光能利用效率的影響規(guī)律，為優(yōu)化棉花的株型結構，構建高光效群體提供了理論依據。據報道，影響株型結構的性狀主要包括株高、主莖粗、主莖節(jié)數和主莖分枝數等[10-11]。合理的株高是作物高產的基礎，較高的株高可以獲得更多的陽光，積累更多的營養(yǎng)，光合產物較多，產量更高[12]。袁志華等[13]發(fā)現水稻的根系性狀、莖稈與抗倒伏能力呈線性相關。莖稈和株高密切相關，而株高增加又利于產量形成，但植株過高易引起水稻倒伏，導致水稻產量急劇下降[11]。孫旭初[14]提出加大莖稈的粗度和單位莖長干重有利于提高水稻的抗倒伏能力。對于大豆，選擇莖稈粗壯、株型收斂的抗倒伏品系，是進行高產育種的有效途徑[15]。多效唑處理對骨紅朱砂梅的枝條長度有顯著的抑制作用，對莖粗有顯著的增粗作用，因此可以從一定程度上控制株型[16]。但美中不足的是許多優(yōu)良品種植株細長，影響品質及觀賞性[17]。Donald[18]認為，農作物個體具有最小競爭強度的理想株型，不僅能夠充分利用自身的有限環(huán)境，而且不侵占相鄰植株的空間環(huán)境。

近年來，國內外的研究集中于金蕎麥莖葉的開發(fā)利用，金蕎麥在臨床上的治療功效，如抗氧化、消炎殺菌、抗腫瘤等方面的作用[19-21]，以及金蕎麥活性成分的提取與研究[22]，對株型相關性狀的研究較少。史吟欣等[10]提出光照對金蕎麥株型和營養(yǎng)品質有一定的影響，在半陰條件下，金蕎麥的株型松散，葉面積較大，葉片可接受到更多的光照，這種條件下金蕎麥的粗蛋白、干物質和粗灰分的含量高，而粗脂肪含量低。由此可見，金蕎麥株型的差異可影響其產量和品質，開展金蕎麥株型調查和評價對于篩選金蕎麥優(yōu)異資源具有重要意義。課題組前期從貴州、云南、湖南等多個省份收集了211 份金蕎麥收集系，本研究通過對211 份金蕎麥收集系的株高、主莖粗、主莖節(jié)數和主莖分枝數等4 個株型相關性狀進行評價，分析這些性狀之間的相關性，篩選出合理株型的金蕎麥種質資源，以期為金蕎麥優(yōu)異株型育種提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 材料

211 份金蕎麥收集系根莖材料與前期報道文獻相同[23]，由貴州師范大學蕎麥產業(yè)技術研究中心金蕎麥資源圃提供，具體的采集信息和來源信息等見本課題組前期王璐瑗等[23]等發(fā)表的文章。其中分別有79、16、10、5 和2 份種質資源來源于貴州省、云南省、湖南省、四川省及西藏自治區(qū)。

1.2 方法

1.2.1 金蕎麥的種植 試驗材料種植于貴州師范大學蕎麥產業(yè)技術研究中心百宜基地，剪取長15～20 cm、帶2～3 個節(jié)、健壯的金蕎麥枝條，進行扦插繁殖，扦插間距約為10 cm，插條深度約為枝條長度的2/3，同時保持土壤濕潤，同天內完成。約2個星期后統(tǒng)計成活率，并對未達到 90%的金蕎麥收集系進行補插[24]。

1.2.2 金蕎麥株型相關性狀的測定 在開花期調查

4 個株型相關性狀，即株高、主莖粗、主莖節(jié)數和主莖分枝數，每個收集系調查3 個單株。調查標準為：株高是指從莖基部至最長莖枝頂端的距離；主莖粗是指植株第一個節(jié)和第二個節(jié)之間中部的直徑；主莖節(jié)數是指主莖自地表起至頂端的總節(jié)數；主莖分枝數是指植株主莖著生的一級分枝數[23-24]。

1.2.3 數據處理 數據處理和分析方法參考文獻[25]進行，用SPSS 22.0 軟件對4 個株型相關性狀的平均值、標準差等統(tǒng)計量、正態(tài)分布、相關關系以及主成分進行分析。使用 R4.1.0 統(tǒng)計軟件（https://www. R-project.org/）的hclust 函數完成211份收集系各個株型相關性狀基于歐氏距離的相似性矩陣構建和基于離差平方和法（Ward.D2）的聚類分析。

2 結果與分析

2.1 金蕎麥收集系株型相關性狀的變異分析

測量和分析211 份金蕎麥收集系的株型相關性狀（包括株高、主莖粗、主莖節(jié)數和主莖分枝數）的數據，結果見表1。株高的平均值為123.15 cm，變異系數為18.59%，變異范圍為67.66 ～ 197.67 cm；主莖粗的平均值為5.70 mm，變異系數為19.05%，變異范圍為3.08 ～ 8.64 mm；主莖節(jié)數的平均值為13.62，變異系數為11.90%，變異范圍為9 ～ 18；主莖分枝數的平均值為10.10，變異系數為16.02%，變異范圍為5 ～ 14。從變異系數上看，金蕎麥收集系4 個株型相關性狀變異系數的大小為：主莖粗＞株高＞主莖分枝數＞主莖節(jié)數，說明主莖粗這一性狀的變異最大，主莖節(jié)數這一性狀較其他性狀更為穩(wěn)定。對211 份金蕎麥收集系的正態(tài)分布分析（圖1）顯示，株高、主莖粗、主莖節(jié)數和主莖分枝數4個株型相關性狀的偏度與峰度的絕對值均小于0.5，呈近似正態(tài)分布。

表1 211 份金蕎麥收集系的4 個株型相關性狀分析Table 1 Analysis of four plant architecture-related traits in 211 golden buckwheat accessions

圖1 211 份金蕎麥收集系4 個株型相關性狀的頻率分布Figure 1 Frequency of four plant architecture-related traits in 211 golden buckwheat accessions

2.2 金蕎麥收集系株型相關性狀的相關性分析

對211 份金蕎麥收集系的4 個株型相關性狀進行簡單相關性分析（表2）顯示：株高與主莖粗（0.389**）、主莖節(jié)數（0.278**）和主莖分枝數（0.427**）呈極顯著正相關，株高與主莖分枝數的相關性最高；主莖粗與株高（0.389**）、主莖節(jié)數（0.521**）和主莖分枝數（0.326**）呈極顯著正相關，主莖粗與主莖節(jié)數的相關性最高；主莖節(jié)數與株高（0.278**）、主莖粗（0.521**）、主莖分枝數（0.563**）呈極顯著正相關，主莖節(jié)數與主莖分枝數的相關性最高；主莖分枝數與株高（0.427**）、主莖粗（0.326**）和主莖節(jié)數（0.563**）呈極顯著正相關，主莖分枝數與主莖節(jié)數的相關性最高。在這4 個株型相關性狀中，主莖節(jié)數與主莖分枝數的相關性最高，其次是主莖粗與主莖節(jié)數，株高與主莖節(jié)數的相關性最低。

表2 211 份金蕎麥收集系4 個株型相關性狀的相關性分析Table 2 Correlation analysis of four plant architecture-related traits in 211 golden buckwheat accessions

2.3 金蕎麥收集系株型相關性狀的主成分分析

對211 份金蕎麥收集系的4 個株型相關性狀進行主成分分析（表 3），按累積方差貢獻率大于85%的原則，提取出3 個主成分，這3 個主成分的方差貢獻率α1、α2 和α3 分別為56.465%、18.471%和16.884%，累計貢獻率為91.820%。將株高、主莖粗、主莖節(jié)數、主莖分枝數等4 個性狀分別設為XⅠ、XⅡ、XⅢ和XⅣ，根據各指標的特征值及與之相對應的特征向量，可得到3 個主成分與原4 項指標的線性組合如下：

表3 211 份金蕎麥收集系4 個株型相關性狀的主成分分析Table 3 Principal components analysis of four plant architecture-related traits in 211 golden buckwheat accessions

把上述選定的3 個主成分的方差貢獻率α1、α2和α3 當成權數，再進行歸一化處理，計算主成分綜合模型：

在以上基礎上，計算211 份金蕎麥收集系4 個株型相關性狀的綜合得分。其中，金酮1 號、金酸1 號、A1-1-1～10、A1-2-1～2、A1-4-1～2、A2-1-1、A2-2-1～5、A2-3-1～3、A2-4-1 和A2-5-1～2 共10 個株系的綜合得分最高，B13-14、B13-6、B13-8、B13-9、B13-10、B13-12、B13-13、B13-15、金蕎1 號和金蕎2 號10 個收集系的綜合得分最低。

2.4 金蕎麥收集系株型相關性狀的聚類分析

通過對211 份金蕎麥收集系的株型相關性狀進行聚類分析（圖2）顯示，樣品被分為7 類，即C1、C2、C3、C4、C5、C6 和C7。其中，C1 包含29個株系，占總數的13.74%，PCA 綜合得分為1.55分，顯著高于其他類群，其中有23 份來自貴州省，這一類群表現為：株高較高（152.85 cm）、主莖較粗（6.13 mm）、主莖節(jié)數較多（14.28）以及主莖分枝數較多（11.31）。C2 包含31 個株系，占總數的14.69%，PCA 綜合得分為0.72 分，其中有13 份來自云南省，12 份來自貴州省，這一類群表現為：株高中高（137.10 cm）、主莖較粗（5.69 mm）、主莖節(jié)數較多（13.48）以及主莖分枝數最多（13.48）。C3 包含32 個株系，占總數的15.17%，PCA 綜合得分為0.32 分，其中有13 份來自貴州省，10 份來自湖南省，這一類群表現為：株高中低（114.03 cm）、主莖較粗（5.47 mm）、主莖節(jié)數較多（13.98）以及主莖分枝數較多（10.6）。C4 包含50 個株系，占總數的23.70%，其PCA 綜合得分為-0.13 分，這一類群表現為：株高較低（99.90 cm）、主莖較粗(5.47 mm)、主莖節(jié)數較多（13.22）以及主莖分枝數中等（9.4）。C5 包含53 個株系，占總數的25.12%，是最大的一個類群，其PCA 綜合得分為-0.79 分，這一類群表現為：株高中等（125.16 cm）、主莖較粗(5.71 mm)、主莖節(jié)數較多（13.53）以及主莖分枝數中等（9.89）；C6 包含8 個株系，占總數的3.79%，其PCA 綜合得分為-1.55 分，這一類群表現為：株高最高(178.88 cm)、主莖最粗(7.60 mm)、主莖節(jié)數最多（15.21）以及主莖分枝數較多（11）。C7 包含8個株系，占總數的3.79%，其PCA 綜合得分為-2.06分，這一類群表現為：株高最低(74.25 cm)、主莖最細(4.57 mm)、主莖節(jié)數最少（11.75）以及主莖分枝數最少（7.58）。在這7 個類群中，C6 的株高和主莖粗均顯著大于其他類群，C1 和C6 的主莖節(jié)數顯著大于其他類群，C2 的主莖分枝數顯著大于其他類群。根據主成分分析的綜合得分，計算各類群綜合得分的平均分，結果顯示C1 的綜合得分（1.55 分）顯著大于其他類群（表4）。

圖2 211 份金蕎麥收集系4 個株型相關性狀的聚類分析Figure 2 Dendrogram of four plant architecture-related traits in 211 golden buckwheat accessions

表4 211 份金蕎麥收集系各類群株型相關性狀的差異Table 4 Differences of four plant architecture-related traits of distinct categories in 211 golden buckwheat accessions

3 討論與結論

株型是植物特征的外在表現，是植物鑒定和分類的重要依據之一[26]，受到遺傳因素與環(huán)境條件的共同作用。

3.1 金蕎麥收集系株型相關性狀的變異分析

變異系數是用來衡量數據中各觀測值變異程度的一個統(tǒng)計量，一個群體當中某一性狀的變異系數越大，則說明此性狀變異越豐富，越有利于篩選極端株系，以達到選育目標[27]。本研究4 個株型相關性狀中，主莖粗的變異系數最大，為19.05%，變異范圍為3.08 ～ 8.64 mm。說明主莖粗這一性狀的變異最大，可能對株型的影響較大，有更廣泛的選擇范圍，這為選育合理株型的金蕎麥提供了有效的種質資源。變異程度的大小可以間接地反映群體內表型多樣性的豐富程度[28]。各個性狀的變異系數以主莖粗最大，其次是株高，有利于進行進一步的育種選擇。其中，株高這一性狀可以用來進一步研究植株的抗倒伏能力[29]。主莖節(jié)數和主莖分枝數的變異系數較小，說明這2 種性狀的變異較穩(wěn)定[30]。

3.2 金蕎麥收集系株型相關性狀的相關性分析

本研究通過對211 份金蕎麥收集系的株型相關性狀（包括株高、主莖粗、主莖節(jié)數和主莖分枝數）的簡單相關性分析發(fā)現，一些性狀之間存在極顯著相關性。其中，株高與主莖粗、主莖節(jié)數和主莖分枝數呈極顯著正相關，株高與主莖分枝數的相關性最高，說明主莖分枝數對株高的影響最大；主莖粗與株高、主莖節(jié)數和主莖分枝數呈極顯著正相關，主莖粗與主莖節(jié)數的相關性最高，說明主莖節(jié)數對主莖粗的影響最大；主莖節(jié)數與株高、主莖粗和主莖分枝數呈極顯著正相關，主莖節(jié)數與主莖分枝數的相關性最高，說明主莖分枝數對主莖節(jié)數的影響最大；主莖分枝數與株高、主莖粗、主莖節(jié)數呈極顯著正相關，主莖分枝數與主莖節(jié)數的相關性最高，說明主莖節(jié)數對主莖分枝數的影響最大。綜上，主莖分枝數對株高、主莖節(jié)數的影響最大，主莖節(jié)數對主莖粗、主莖分枝數的影響最大。在這4 個株型相關性狀中，主莖節(jié)數與主莖分枝數的相關性最高，其次是主莖粗與主莖節(jié)數，株高與主莖節(jié)數的相關性最低。說明主莖節(jié)數與主莖分枝數之間的影響最大，對株型的影響可能最大。主莖節(jié)數越多，主莖分枝數越多，株型松散。株型松散的金蕎麥節(jié)數、主莖分枝數較多，粗蛋白、粗灰分和干物質含量高，粗脂肪含量低，葉片可以接受到更多的光照[10]。

3.3 金蕎麥收集系株型相關性狀的主成分分析

主成分分析的結果較直觀，可把作物的多個性狀轉化為少數的幾個主成分，這幾個主成分即可很大程度地概括作物的信息[31]。本研究應用主成分分析，按累積方差貢獻率大于85%的原則，提取出3個主成分，累計解釋表型變異的91.82%。211 份金蕎麥收集系綜合得分排名前 10 位的依次是金酮1號、金酸1 號、A1-1-1～10、A1-2-1～2、A1-4-1～2、A2-1-1、A2-2-1～5、A2-3-1～3、A2-4-1 和A2-5-1～2。這10 種收集系的株型相關性狀優(yōu)良，可以為優(yōu)質株型的金蕎麥選育奠定基礎。

3.4 金蕎麥收集系株型相關性狀的聚類分析

本研究基于211 份金蕎麥收集系的株型相關性狀對其進行聚類分析，結果樣品被分為7 類，即C1、C2、C3、C4、C5、C6 和C7。其中C6 的株高和主莖粗均顯著大于其他類群，C1 和C6 的主莖節(jié)數顯著大于其他類群，C2 的主莖分枝數顯著大于其他類群。在主成分分析的基礎上，進一步計算各個類群的綜合得分，得分越高，即顯示該類群株型相關性狀越好。結果顯示，C1 的綜合得分顯著大于其他類群（1.55分），其中有23 份來自貴州省。說明C1(包括29 類供試材料）的株型相關性狀較好，主要表現為：株高較高（152.85 ± 5.04）cm、主莖較粗（6.13 ± 0.70）mm、主莖節(jié)數最多（14.28 ± 1.50）以及主莖分枝數較多（11.31 ± 1.41)，可作為優(yōu)異的金蕎麥種質資源進一步地開發(fā)利用。聚類分析結果為選育出適合不同價值的金蕎麥提供了優(yōu)異的種質資源。這與鄧蓉等[32]的研究一致，顯示其可應用于以后的選育工作，為育種提供優(yōu)異的種質資源。