不同生態(tài)區(qū)谷子品種表型鑒定及SSR遺傳多樣性分析

呂建珍 王宏勇 任 瑩 馬建萍 趙 凱

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西 太原 030031）

谷子（Setaria italica．Beauv．）起源于我國(guó)，具有生長(zhǎng)周期短、抗旱耐瘠薄、糧草兼用、醫(yī)食同補(bǔ)等特點(diǎn)，是我國(guó)北方干旱、半干旱地區(qū)重要的特色雜糧作物［1］。按照國(guó)家谷子區(qū)域試驗(yàn)布局，谷子生態(tài)區(qū)劃分為華北夏谷區(qū)、西北春谷早熟區(qū)、西北春谷中晚熟區(qū)和東北春谷區(qū)，目前全國(guó)谷子種植面積約150萬(wàn)公頃［2］。21世紀(jì)以來(lái)，全國(guó)谷子育種單位加大了新品種選育力度，谷子新品種的數(shù)量明顯增多，表型性狀及產(chǎn)量遺傳改良效果均得到顯著提升，為推動(dòng)谷子產(chǎn)業(yè)發(fā)展起到了重要作用［3-4］。

種質(zhì)資源的遺傳多樣性評(píng)價(jià)和群體結(jié)構(gòu)分析對(duì)整體把握資源材料信息、了解谷子品種的遺傳基礎(chǔ)、有效利用谷子種質(zhì)資源進(jìn)行親本選擇、種質(zhì)創(chuàng)新及作物改良等具有重要意義［5-6］。國(guó)內(nèi)外對(duì)谷子表型性狀的研究已有不少報(bào)道。王海崗等［7］對(duì)來(lái)自世界各地878份谷子核心種質(zhì)的15個(gè)表型性狀進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)育成品種的遺傳多樣性水平低于農(nóng)家種，且株高和穗長(zhǎng)均低于農(nóng)家種。田伯紅［8］對(duì)482份谷子地方品種和近30年育成品種的11個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行分析，同樣發(fā)現(xiàn)育成品種遺傳多樣性水平較低。相吉山等［9-10］對(duì)不同生態(tài)區(qū)谷子種質(zhì)資源進(jìn)行表型分析，發(fā)現(xiàn)不同生態(tài)區(qū)品種生育期、農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀差異顯著。丁銀燈等［11］在新疆通過(guò)鑒定274份谷子種質(zhì)資源的遺傳多樣性，篩選出適宜南疆復(fù)播及北疆冷涼地區(qū)種植的谷子種質(zhì)。王曉娟等［12］對(duì)甘肅省谷子地方種質(zhì)表型遺傳多樣性分析結(jié)果表明，莖長(zhǎng)度、主穗長(zhǎng)等性狀遺傳變異較大。谷子的基因組較小，約430 Mb，是繼水稻、小麥、玉米等之后完成全基因組測(cè)序的禾本科重要模式作物［13-15］。目前已有一些基于全基因組序列信息，運(yùn)用有效的分子標(biāo)記研究谷子品種的遺傳多樣性的報(bào)道。Jia等［16］采用SSR標(biāo)記將谷子品種分為春播型和夏播型兩類(lèi)。賈小平等［17］采用37對(duì)SSR標(biāo)記對(duì)40份谷子品種進(jìn)行遺傳多樣性研究，發(fā)現(xiàn)農(nóng)家品種的生態(tài)類(lèi)型與聚類(lèi)群存在一致性。王珊珊等［18］利用28對(duì)SSR引物分析了中國(guó)遼西地區(qū)谷子品種的遺傳差異及不同品種間的親緣關(guān)系。國(guó)外其他學(xué)者對(duì)谷子的遺傳多樣性也進(jìn)行了廣泛研究［19-22］。通過(guò)表型和分子標(biāo)記同時(shí)對(duì)參試材料進(jìn)行遺傳多樣性分析，可以更準(zhǔn)確地了解參試材料間的遺傳關(guān)系。楊慧卿等［23］對(duì)68份分蘗型谷子進(jìn)行表型和分子標(biāo)記遺傳多樣性分析指出，除出谷率外，數(shù)量性狀表現(xiàn)了豐富的遺傳變異，并鑒定出10份優(yōu)勢(shì)谷子分蘗種質(zhì)。丁銀燈等［24］利用124份谷子種質(zhì)資源證明依據(jù)表型和SSR的聚類(lèi)分析均存在顯著的地理特征。楊延兵等［25］對(duì)不同生態(tài)區(qū)12份骨干谷子品種進(jìn)行表型和SSR水平的遺傳分析，表明華北夏谷區(qū)間的品種差異小于春谷區(qū)。

新品種登記以來(lái)，我國(guó)完成登記的谷子新品種有497個(gè)［3］，不同生態(tài)區(qū)谷子品種具有不同的表型特征，但基于表型和SSR標(biāo)記同時(shí)對(duì)不同生態(tài)區(qū)谷子品種進(jìn)行整體評(píng)價(jià)的研究相對(duì)較少。鑒于此，本研究通過(guò)對(duì)近年不同生態(tài)區(qū)谷子育成品種（系）及山西農(nóng)家種進(jìn)行表型和SSR標(biāo)記遺傳多樣性及遺傳結(jié)構(gòu)分析，綜合評(píng)價(jià)不同生態(tài)區(qū)谷子品種特點(diǎn)及同一生態(tài)區(qū)不同類(lèi)型材料間的遺傳變異水平，旨在為谷子育種親本選擇、遺傳改良和品種選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為不同生態(tài)區(qū)谷子育種單位選育的谷子新品種（系）及山西農(nóng)家種共175份。夏谷區(qū)共30份，由河北省農(nóng)林科學(xué)院谷子研究所15份（簡(jiǎn)稱(chēng)河北）和河南省安陽(yáng)市農(nóng)業(yè)科學(xué)院15份（簡(jiǎn)稱(chēng)安陽(yáng)）組成；春谷早熟區(qū)21份，均來(lái)自赤峰市農(nóng)業(yè)科學(xué)院（簡(jiǎn)稱(chēng)赤峰）；春谷中晚熟區(qū)共107份，來(lái)源于3個(gè)育種單位的4種類(lèi)型，其中山西農(nóng)業(yè)大學(xué)谷子研究所31份（簡(jiǎn)稱(chēng)長(zhǎng)治）、山西農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)作物研究所22份（簡(jiǎn)稱(chēng)汾陽(yáng)）、山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院54份，包含春谷育成種30份（簡(jiǎn)稱(chēng)太原Ⅰ）和春夏谷雜交品系24份（簡(jiǎn)稱(chēng)太原Ⅱ）；山西農(nóng)家種17份。以晉谷21號(hào)為親本的材料23份（含晉谷21號(hào)），均為春谷中晚熟區(qū)品種；以豫谷18為親本的材料12份（含豫谷18），均為夏谷區(qū)品種。

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)及表型鑒定

2020—2021年在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)晉中榆次東陽(yáng)試驗(yàn)基地（37.6°N，112.7°E）種植，種植方式為每個(gè)品種（系）2行，行長(zhǎng)3.0 m，行距36.7 cm，株距6～8 cm。試驗(yàn)地前茬為玉米，肥水管理及病蟲(chóng)害防治根據(jù)當(dāng)?shù)卮筇锪?xí)慣實(shí)施。

參考《谷子種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》［26］和《NY∕T 2425-2013植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測(cè)試指南（谷子）》［27］，調(diào)查9個(gè)質(zhì)量性狀，包括幼苗葉鞘色、花藥色、葉枕、剛毛長(zhǎng)度、剛毛色、穗型、穗頸形狀、粒色和米色。并參照文獻(xiàn)［28］對(duì)質(zhì)量性狀賦值，葉鞘色：1=綠，2=淺紫，3=紫；花藥色：1=黃，2=白，3=褐；葉枕：1=無(wú)，2=弱，3=中，4=強(qiáng)；剛毛長(zhǎng)短：1=短，2=中，3=長(zhǎng)；剛毛色：1=綠，2=紫；穗型：1=紡錘，2=棍棒，3=筒形，4=雞嘴；穗頸形狀：2=中彎，3=彎曲；粒色：1=黃，2=白，3=灰，4=黑，5=褐，6=紅；米色：1=黃，2=淺黃，3=灰綠，4=白，5=灰色；測(cè)定15個(gè)數(shù)量性狀，包括分蘗數(shù)、主莖節(jié)數(shù)、主莖直徑、主莖長(zhǎng)度、倒二葉長(zhǎng)、倒二葉寬、穗長(zhǎng)、穗頸長(zhǎng)、主穗直徑、單穗碼數(shù)、單碼粒數(shù)、單穗重、穗粒重、千粒重、出谷率；觀察記載整個(gè)生育期間的出苗、抽穗、開(kāi)花及成熟日期，并計(jì)算不同生育期階段日數(shù)。

1.3 SSR分子標(biāo)記鑒定

1.3.1 DNA提取 谷子抽穗后取倒二葉，裝入一次性密封硫酸紙袋，-80 ℃超低溫冰箱保存?zhèn)溆?。DNA提取采用天根生化科技（北京）公司的植物基因組DNA提取試劑盒。

1.3.2 PCR擴(kuò)增 參照文獻(xiàn)［29-31］選擇分布在1號(hào)～9號(hào)染色體上的36對(duì)多態(tài)性引物（附表1），平均每條染色體4對(duì)，引物序列由上海生工生物技術(shù)有限公司合成。反應(yīng)體系為10 μL：模板DNA 2 μL，10 mmol·L-1正、反向引物各0.4 μL，去離子水2.2 μL，PCR擴(kuò)增混合液5 μL。PCR反應(yīng)程序：95 ℃預(yù)變性5 min；95 ℃變性30 s，退火溫度下30 s，72 ℃延伸1 min，共34個(gè)循環(huán)；72 ℃終延伸10 min。

附表1 所用引物詳細(xì)信息Table S1 The SSR primers used in this study

1.3.3 凝膠電泳與銀染顯影 試驗(yàn)擴(kuò)增產(chǎn)物用8%聚丙烯酰胺凝膠電泳法進(jìn)行分離。電泳緩沖液用0.5×Tris-boric acid-EDTA（TBE），上樣量為2 μL，采用JY-CX3B電泳槽和JY3000E電泳儀（北京君意東方電泳設(shè)備有限公司）在255 V恒定電壓下進(jìn)行電泳，待Marker條帶到膠板下部約2～3 cm處停止電泳，然后采用銀染法顯色，拍照，記錄結(jié)果。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 表型性狀數(shù)據(jù) 利用Excel 2007和DPS 7.05進(jìn)行性狀頻次分布、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和多樣性指數(shù)的計(jì)算，并對(duì)不同類(lèi)型材料進(jìn)行方差分析和Duncan新復(fù)極差法多重比較。表型遺傳多樣性指數(shù)（Shannon-Wiener diversity index，H′）［28］計(jì)算公式為：H′=-∑ PilnPi，式中，Pi為某一性狀第i級(jí)別內(nèi)材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比，ln為自然對(duì)數(shù)。表型聚類(lèi)圖利用R語(yǔ)言繪制。

1.4.2 SSR標(biāo)記數(shù)據(jù) 根據(jù)SSR擴(kuò)增產(chǎn)物的電泳結(jié)果，參照DNA ladder maker記錄不同條帶類(lèi)型，應(yīng)用Popgene32軟件統(tǒng)計(jì)引物的基礎(chǔ)多樣性遺傳參數(shù)及Shannon指數(shù)，使用Powermarker 3.25［32］軟件計(jì)算每個(gè)位點(diǎn)多態(tài)性信息含量（polymorphism information content，PIC）。采用Structure2.3.4［33］軟件分析群體遺傳結(jié)構(gòu)，估計(jì)最佳群體組群數(shù)K，其取值范圍為2～7，3次重復(fù)；參數(shù)iterationgs設(shè)為10 000，burn-in period設(shè)為100 000，每個(gè)K值重復(fù)運(yùn)行20次。根據(jù)InP（D）計(jì)算△K，并依據(jù)△K值選擇合適的K值，對(duì)不同類(lèi)型材料進(jìn)行聚類(lèi)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 表型性狀多樣性

參試材料質(zhì)量性狀平均遺傳多樣性指數(shù)為0.663 9，其中粒色遺傳多樣性指數(shù)最高（1.078 7），穗頸形狀最低（0.149 3）。數(shù)量性狀平均遺傳多樣性指數(shù)為2.004 3，不同生育期階段平均遺傳多樣性指數(shù)為1.659 4。由表1可知，數(shù)量性狀單穗碼數(shù)遺傳多樣性指數(shù)最高（2.082 8），分蘗最低，僅為1.582 8；產(chǎn)量因子單穗重的遺傳多樣性指數(shù)為2.064 7。不同生育階段中開(kāi)花至成熟日數(shù)遺傳多樣性指數(shù)最高（2.012 5），播種至出苗日數(shù)最低，為0.782 1。

由表1還可知，不同數(shù)量性狀指標(biāo)單碼粒數(shù)變幅最大（53.40～221.40），標(biāo)準(zhǔn)差最大（31.73），其次為株高（77～157 cm），千粒重變幅最小（2.01～3.72 g），標(biāo)準(zhǔn)差最低。生育期各階段，全生育期變幅最大（97～137 d），標(biāo)準(zhǔn)差最大（10.29），播種至出苗日數(shù)變幅最小（6～10 d），標(biāo)準(zhǔn)差最小，僅為0.63。

表1 參試材料數(shù)量性狀及生育期遺傳多樣性分析Table 1 Variation of quantitative traits in tested accessions

2.2 不同生態(tài)區(qū)育成種表型性狀差異

2.2.1 質(zhì)量性狀 夏谷區(qū)幼苗葉鞘以綠色（93.33%）為主，葉枕各類(lèi)型比例與葉鞘色一致；白色花藥黃色花藥分別占53.33%和46.67%；剛毛為短剛毛，綠色和紫色各占50%；穗型以紡錘形為主（80%）；穗頸強(qiáng)彎，粒色以黃色（86.67%）為主，少數(shù)褐色（10%）；米色分黃（13.33%）或淺黃（86.67%）兩類(lèi)。春谷早熟區(qū)葉鞘也以綠色（85.71%）為主，花藥色以黃色和白色為主，但褐色花藥比例（19.05%）高于其他生態(tài)區(qū)；剛毛以綠色（76.19%）為主，中、長(zhǎng)剛毛比例高于夏谷區(qū)和春谷中晚熟區(qū)；穗型也以紡錘形（80.95%）為主；粒色有4種，以黃色（38.10%）和白色（33.33%）為主，紅色籽粒比例（23.81%）高于其他生態(tài)區(qū)；米色與夏谷區(qū)一致，黃色和淺黃色分別為14.29%和85.71%。春谷中晚熟區(qū)淺紫色（17.76%）和紫色（10.28%）葉鞘均高于夏谷區(qū)和春谷早熟區(qū)；剛毛以綠色、短剛毛為主；穗型有4個(gè)類(lèi)型，其中紡錘形穗型占42.99%；粒色以黃色（54.21%）和白色（42.06%）為主，少數(shù)黑色（3.74%）；米色5種類(lèi)型均有分布，其中黃色米比例（23.36%）高于其他生態(tài)區(qū)。由表2可知，不同生態(tài)類(lèi)型遺傳多樣性指數(shù)中，春谷中晚熟區(qū)葉鞘色、葉枕、穗型及米色4個(gè)性狀遺傳多樣性指數(shù)最高；春谷早熟區(qū)花藥色、剛毛長(zhǎng)、穗頸形狀及粒色遺傳多樣性指數(shù)最高；夏谷區(qū)僅剛毛色遺傳多樣性指數(shù)較高。春谷中晚熟區(qū)9個(gè)質(zhì)量性狀平均遺傳多樣性指數(shù)最高（0.669 2），其次為春谷早熟區(qū)（0.654 9），夏谷區(qū)最低（0.373 5）。

表2 不同生態(tài)區(qū)品種質(zhì)量性狀遺傳多樣性指數(shù)Table 2 The qualitative traits and the genetic diversity index of different ecological regions of tested varieties

2.2.2 數(shù)量性狀 由表3可知，春谷中晚熟區(qū)品種13個(gè)數(shù)量性狀遺傳多樣性指數(shù)最高，平均遺傳多樣性指數(shù)（1.967 6）高于夏谷區(qū)（1.884 2）和春谷早熟區(qū)（1.878 1）。春谷早熟區(qū)分蘗數(shù)遺傳多樣性指數(shù)最高，夏谷區(qū)株高遺傳多樣指數(shù)最高。夏谷區(qū)品種主穗長(zhǎng)、主莖直徑、單穗碼數(shù)及出谷率4個(gè)性狀指標(biāo)最高，其他居中；其中主莖直徑極顯著高于春谷早熟區(qū)，但其他3個(gè)性狀指標(biāo)不同生態(tài)區(qū)間差異未達(dá)顯著水平。春谷中晚熟區(qū)品種主莖節(jié)數(shù)、株高、穂頸長(zhǎng)、葉長(zhǎng)、葉寬、穗粗、單碼粒數(shù)、千粒重、單穗重及單穗粒重10個(gè)性狀指標(biāo)均最高；其中株高、穗頸長(zhǎng)及葉寬極顯著高于其他生態(tài)區(qū)，主莖節(jié)數(shù)、葉長(zhǎng)、千粒重、單穗重和單穗粒重極顯著高于春谷早熟區(qū)，單碼粒數(shù)顯著高于夏谷區(qū)，不同生態(tài)區(qū)間穗粗差異未達(dá)顯著水平。春谷早熟區(qū)分蘗數(shù)最高，且不同生態(tài)區(qū)間差異達(dá)極顯著水平。

表3 不同生態(tài)區(qū)品種數(shù)量性狀顯著性比較及遺傳多樣性指數(shù)Table 3 Genetic diversity and significant difference of quantitative traits of different ecological regions of tested varieties

2.2.3 生育期 由表4可知，春谷中晚熟區(qū)品種平均遺傳多樣性指數(shù)最高（1.660 5），春谷早熟區(qū)次之（1.488 9），夏谷區(qū)最低（1.440 7）。不同生態(tài)區(qū)的開(kāi)花至成熟階段遺傳多樣性指數(shù)均最高，播種至出苗最低。在播種至出苗和抽穗至開(kāi)花兩個(gè)生育階段，不同生態(tài)區(qū)間差異未達(dá)顯著水平；春谷早熟區(qū)品種出苗至抽穗日數(shù)最低（57.90 d），極顯著低于其他生態(tài)區(qū)，春谷中晚熟區(qū)最高（66.18 d），極顯著高于春谷早熟區(qū)；春谷中晚熟區(qū)品種開(kāi)花至成熟日數(shù)最高（55.35 d），極顯著高于其他生態(tài)區(qū)；春谷中晚熟區(qū)品種全生育期最長(zhǎng)（127.56 d），春谷早熟區(qū)最低（107.48 d），不同生態(tài)區(qū)間差異達(dá)極顯著水平。

表4 不同生態(tài)區(qū)品種生育期顯著性比較及遺傳多樣性指數(shù)Table 4 Genetic diversity and significant difference of growth period of different ecological regions of tested varieties

2.3 春谷中晚熟區(qū)不同類(lèi)型材料表型性狀差異

2.3.1 質(zhì)量性狀 太原Ⅰ和長(zhǎng)治品種紫色葉鞘比例較高，分別為23.33%和22.58%。長(zhǎng)治和汾陽(yáng)品種花藥色以黃色為主，太原Ⅰ黃色和白色各占一半，太原Ⅱ以白色為主。長(zhǎng)治和汾陽(yáng)品種穗型豐富多樣，各類(lèi)型比例均衡，太原Ⅰ和太原Ⅱ以紡錘和筒形穗為主。長(zhǎng)治和汾陽(yáng)粒色以白色為主，太原Ⅰ和太原Ⅱ以黃色為主。汾陽(yáng)和長(zhǎng)治小米商品性好，標(biāo)記為1（黃）的品種比例分別為47.62%和32.26%。

不同類(lèi)型材料遺傳多樣性比較發(fā)現(xiàn)（表5），太原Ⅰ葉鞘色、葉枕2個(gè)性狀遺傳多樣性指數(shù)最高；汾陽(yáng)花藥色遺傳多樣性指數(shù)最高；各類(lèi)型材料剛毛長(zhǎng)度、顏色和穗頸形狀遺傳多樣性指數(shù)均較低；穗型遺傳多樣性指數(shù)均較高，汾陽(yáng)最高（1.294 5）；長(zhǎng)治粒色遺傳多樣性指數(shù)最高（0.703 7），汾陽(yáng)米色遺傳多樣性指數(shù)最高（0.845 5）。不同類(lèi)型材料質(zhì)量性狀平均遺傳多樣性指數(shù)排序?yàn)椋悍陉?yáng)>太原Ⅰ>長(zhǎng)治>太原Ⅱ。

表5 不同類(lèi)型材料質(zhì)量性狀遺傳多樣性指數(shù)Table 5 The qualitative traits and the genetic diversity index of tested varieties

2.3.2 數(shù)量性狀 由表6可知，長(zhǎng)治品種主莖節(jié)數(shù)、主穗長(zhǎng)及單碼粒數(shù)3個(gè)性狀測(cè)試指標(biāo)最低，分蘗數(shù)、穗粗及單穗碼數(shù)3個(gè)性狀指標(biāo)最高，其中主穗長(zhǎng)極顯著低于太原Ⅱ，穗粗極顯著高于太原Ⅰ。汾陽(yáng)品種葉長(zhǎng)、單穗碼數(shù)、單穗粒重及出谷率4個(gè)性狀指標(biāo)最低，主莖節(jié)數(shù)、株高、葉寬及千粒重4個(gè)性狀指標(biāo)最高；其中葉長(zhǎng)極顯著低于太原Ⅱ，出谷率顯著低于長(zhǎng)治，極顯著低于太原Ⅰ和太原Ⅱ，株高極顯著高于太原Ⅱ，顯著高于長(zhǎng)治。太原Ⅰ分蘗數(shù)、葉寬、穗粗、主莖直徑及千粒重5個(gè)性狀指標(biāo)最低，穂頸長(zhǎng)、單穗重及單穗粒重3個(gè)性狀指標(biāo)最高；其中分蘗數(shù)極顯著低于其他類(lèi)型，穗粗顯著或極顯著低于其他類(lèi)型，主莖直徑與太原Ⅱ間差異顯著，穂頸長(zhǎng)顯著或極顯著高于其他類(lèi)型。太原Ⅱ株高、穂頸長(zhǎng)及單穗重3個(gè)性狀指標(biāo)最低，葉長(zhǎng)、主穗長(zhǎng)、主莖直徑、單碼粒數(shù)及出谷率5個(gè)性狀指標(biāo)最高。主莖節(jié)數(shù)、葉寬、單穗碼數(shù)、單碼粒數(shù)、千粒重、單穗重和單穗粒重7個(gè)性狀指標(biāo)不同類(lèi)型間差異未達(dá)顯著水平。

表6 不同類(lèi)型材料數(shù)量性狀顯著性比較及遺傳多樣性指數(shù)Table 6 Genetic diversity and significant difference of quantitative traits of different groups of tested varieties

對(duì)不同類(lèi)型材料遺傳多樣性進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，長(zhǎng)治分蘗數(shù)、穗頸長(zhǎng)、葉長(zhǎng)、葉寬及穗粗5個(gè)性狀遺傳多樣性指數(shù)最高，其他性狀居中。汾陽(yáng)出谷率遺傳多樣性指數(shù)最高，主莖節(jié)數(shù)、株高、穂頸長(zhǎng)、葉寬、穗粗、單穗碼數(shù)、單碼粒數(shù)及千粒重8個(gè)性狀最低。太原Ⅰ主莖直徑、單穗碼數(shù)、千粒重、單穗重及單穗粒重5個(gè)性狀遺傳多樣性指數(shù)最高，分蘗數(shù)和主穗長(zhǎng)2個(gè)性狀最低。太原Ⅱ主莖節(jié)數(shù)、株高、主穗長(zhǎng)及單碼粒數(shù)4個(gè)性狀遺傳多樣指數(shù)最高，葉長(zhǎng)、主莖直徑、單穗重、單穗粒重及出谷率5個(gè)性狀最低。平均遺傳多樣性指數(shù)排序?yàn)椋洪L(zhǎng)治>太原Ⅱ>汾陽(yáng)>太原。

2.3.3 生育期 由表7可知，太原Ⅰ出苗最快，播種至出苗日數(shù)極顯著短于其他類(lèi)型，遺傳多樣性指數(shù)變幅為0.286 8（太原Ⅱ）～0.684 2（太原Ⅰ）。出苗至抽穗和抽穗至開(kāi)花兩個(gè)生育階段，不同類(lèi)型間差異均未達(dá)顯著水平，太原Ⅰ品種出苗至抽穗遺傳多樣性指數(shù)最高（1.836 8），太原Ⅱ品種抽穗至開(kāi)花遺傳多樣性指數(shù)最高（1.592 7）。開(kāi)花至成熟和全生育期階段，不同類(lèi)型間僅汾陽(yáng)和太原Ⅰ品種間未達(dá)顯著水平，其他類(lèi)型間差異均達(dá)極顯著水平，長(zhǎng)治品種開(kāi)花至成熟日數(shù)和全生育期均最長(zhǎng)；開(kāi)花至成熟遺傳多樣性指數(shù)變幅為1.696 4（汾陽(yáng)）～1.935 6（太原Ⅱ），全生育期變幅為1.420 9（太原Ⅰ）～1.893 3（太原Ⅱ）。各階段平均遺傳多樣性指數(shù)排序?yàn)椋禾?長(zhǎng)治>太原Ⅰ>汾陽(yáng)。

表7 不同類(lèi)型材料生育期顯著性比較及遺傳多樣性指數(shù)Table 7 Genetic diversity and significant difference of growth period of different groups of tested varieties

2.4 SSR標(biāo)記遺傳多樣性

2.4.1 參試材料SSR多態(tài)性 利用36對(duì)SSR引物，在175份谷子材料中共檢測(cè)到401個(gè)等位基因（表8），平均每對(duì)引物11.14個(gè)，變化范圍為5～19個(gè)；平均有效等位基因數(shù)為6.665 3，其中B142檢測(cè)到的等位基因數(shù)和有效等位基因數(shù)最多，其次為B225，CAAS6023檢測(cè)到的等位基因數(shù)和有效等位基因數(shù)最少；平均每條染色體46個(gè)，第4條最多；頻率<5%的稀有等位基因達(dá)160個(gè)，占39.9%；有些等位基因僅存在于某一個(gè)材料中，即特異等位基因，19個(gè)SSR位點(diǎn)共檢測(cè)出32個(gè)特異等位基因，變幅為1～4。36個(gè)SSR位點(diǎn)Shannon指數(shù)（I）變幅為1.213 4（CAAS6023）～2.603 2（B142），平均為2.017 2，其中21對(duì)引物Shannon指數(shù)達(dá)2.0以上。多態(tài)性信息含量變化范圍為0.576 1（CAAS6023）～0.907 3（B142），其中PIC值0.8以上的引物共24對(duì)，平均PIC值為0.810 6。

表8 36對(duì)SSR分子標(biāo)記在175份谷子種質(zhì)檢測(cè)到的遺傳變異參數(shù)Table 8 Genetic variation parameter detected by 36 SSR markers in 175 foxtail millet accession

2.4.2 不同類(lèi)型材料SSR遺傳變異 如表9所示，36對(duì)引物在春谷中晚熟區(qū)檢測(cè)的等位基因、有效等位基因最多，Shannon指數(shù)也最高，春谷早熟區(qū)次之，夏谷區(qū)最低。春谷中晚熟區(qū)不同類(lèi)型材料中，長(zhǎng)治檢測(cè)的等位基因數(shù)最多，但汾陽(yáng)檢測(cè)的有效等位基因數(shù)最多，Shannon指數(shù)也最高；太原育成種（太原Ⅰ）和春夏谷雜交品系（太原Ⅱ）獲得等位基因數(shù)一樣，但太原Ⅱ的有效等位基因數(shù)和Shannon指數(shù)較高。

表9 36對(duì)SSR標(biāo)記在不同類(lèi)型材料中的遺傳多樣性參數(shù)及顯著性分析Table 9 Polymorphism of 36 SSRs among eight different accessions

2.5 參試材料表型聚類(lèi)及SSR遺傳結(jié)構(gòu)分析

2.5.1 基于表型的聚類(lèi) 基于表型的聚類(lèi)結(jié)果顯示（圖1），參試材料劃分為4個(gè)類(lèi)群（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ），類(lèi)群Ⅰ含71份材料，以高稈、大穗春谷中晚熟谷子品種為主，少數(shù)為夏谷品種，平均生育期128 d。類(lèi)群Ⅱ含32份材料，夏谷區(qū)、春谷早熟區(qū)及山西農(nóng)家種比例較高，矮稈、穗小，葉片短、窄；該類(lèi)品種生育期短，平均113 d。類(lèi)群Ⅲ含57份材料，包括13份春谷早熟區(qū)材料，16份夏谷區(qū)材料，16份春谷中晚熟區(qū)材料，5份山西農(nóng)家種，綜合表型性狀指標(biāo)居中，平均生育期為117 d。類(lèi)群Ⅳ材料數(shù)量最少，僅15份，主要為春谷中晚熟品種（12份），平均生育期125 d，該類(lèi)群平均穗粗、碼粒數(shù)、單穗重和單穗粒重最高，穗頸最長(zhǎng)，與其他3個(gè)類(lèi)群差異達(dá)顯著水平。23份以晉谷21號(hào)為親本的品種在類(lèi)群Ⅰ、類(lèi)群Ⅱ和類(lèi)群Ⅲ均有分布，其中類(lèi)群Ⅰ含73.9%；12份以豫谷18為親本的品種分布在類(lèi)群Ⅱ和類(lèi)群Ⅲ，其中類(lèi)群Ⅲ含53.8%。

圖1 175份參試材料基于29個(gè)表型性狀的聚類(lèi)圖Fig.1 Cluster dendrogram of 175 foxtail millet accessions based on 29 agronomic traits

2.5.2 遺傳結(jié)構(gòu)分析 參照Evanno等［34］的方法，當(dāng)K=4時(shí)，ΔK值最大。175份材料劃分為4個(gè)類(lèi)群（圖2），類(lèi)群Ⅰ含64份材料，由45份春谷中晚熟區(qū)材料（長(zhǎng)治9份、太原Ⅰ24份、太原Ⅱ12份）、12份夏谷區(qū)材料（河北5份、安陽(yáng)7份）、1份春谷早熟區(qū)及6份山西農(nóng)家種組成。類(lèi)群Ⅱ含32份材料，由17份春谷中晚熟區(qū)材料（汾陽(yáng)17份）和15份夏谷區(qū)材料（河北7份、安陽(yáng)8份）組成。類(lèi)群Ⅲ含47份材料，19份春谷早熟區(qū)材料、18份春谷中晚熟區(qū)材料（太原Ⅱ11份、長(zhǎng)治2份、汾陽(yáng)5份）和7份山西農(nóng)家種，夏谷區(qū)僅3份。類(lèi)群Ⅳ含32份材料，以春谷中晚熟區(qū)育成種（長(zhǎng)治、太原Ⅰ）及山西農(nóng)家種為主。

圖2 基于SSR標(biāo)記數(shù)據(jù)的群體遺傳結(jié)構(gòu)Fig.2 Population genetic structure of eight groups based SSR marker

以晉谷21號(hào)為親本的材料分散于4個(gè)類(lèi)群，類(lèi)群Ⅰ含7份（南1070、M測(cè)07、SM4010、長(zhǎng)分1號(hào)、長(zhǎng)分2號(hào)、長(zhǎng)谷4號(hào)及長(zhǎng)農(nóng)40號(hào)）；類(lèi)群Ⅱ含6份（晉汾106、晉汾107、晉汾109、晉汾113、晉汾57及汾選8號(hào)）；類(lèi)群Ⅲ含6份，為汾陽(yáng)早期選育的5個(gè)谷子品種（晉谷21號(hào)、晉谷29號(hào)、晉谷40號(hào)、晉谷54號(hào)、晉谷57號(hào)）和南1042；類(lèi)群Ⅳ含4份（晉谷42號(hào)、太選谷23、長(zhǎng)農(nóng)41號(hào)、C21）。以豫谷18號(hào)為親本的材料分布在3個(gè)類(lèi)群，類(lèi)群Ⅰ含5份（豫谷38、豫谷41、安16h-8334、安17h-81611、15h-8306），類(lèi)群Ⅱ含6份（冀谷45、冀谷46、豫谷18、豫谷31、豫谷32、豫谷35），類(lèi)群Ⅲ僅1份（冀谷168）。

3 討論

3.1 參試材料表型和SSR標(biāo)記遺傳多樣性

表型性狀和SSR標(biāo)記是作物遺傳多樣性分析中常用的方法。SSR標(biāo)記反映DNA水平上的差異，不易受環(huán)境影響，表型性狀則是基因和環(huán)境互作的結(jié)果，易受生態(tài)條件影響。本研究中數(shù)量性狀遺傳多樣性指數(shù)最高，質(zhì)量性狀最低，其中數(shù)量性狀單穗碼數(shù)遺傳多樣性指數(shù)最高（2.082 8），產(chǎn)量因子單穗重遺傳多樣性指數(shù)為2.064 7，高于王海崗等［7］報(bào)道的1.840和丁銀燈等［24］報(bào)道的1.966；生育期開(kāi)花至成熟階段指數(shù)最高（2.012 5），質(zhì)量性狀粒色最高（1.078 7）。36對(duì)SSR引物共檢測(cè)到401個(gè)等位基因，平均為11.14個(gè)，高于賈小平等［17］報(bào)道的6.16個(gè)、李劍峰等［35］報(bào)道的6個(gè)及郝曉芬等［36］報(bào)道的6.6個(gè)等位基因，但低于朱學(xué)海等［37］報(bào)道的14.5個(gè)等位基因和Wang等［29］報(bào)道的20.9個(gè)等位基因。引物B142、B225檢測(cè)到的等位基因數(shù)、有效等位基因數(shù)較多，且Shannon指數(shù)和多態(tài)性信息含量（PIC）最高，為谷子遺傳多樣性評(píng)價(jià)的理想SSR標(biāo)記。造成這種現(xiàn)象的原因，一方面可能是由于研究材料的差異，因?yàn)榈任换虻臋z測(cè)效率受分析樣本的影響；另一方面，可能與研究選取標(biāo)記的數(shù)量和多態(tài)性水平有關(guān)。朱學(xué)海等［37］、Wang等［29］及本研究參試材料類(lèi)型豐富，所用引物多態(tài)性水平高，所以平均檢測(cè)到的等位基因數(shù)較多。

3.2 不同類(lèi)型品種表型性狀差異

谷子品種具有較強(qiáng)的區(qū)域適應(yīng)性，不同生態(tài)區(qū)谷子品種具有不同的特征。本研究中，3個(gè)生態(tài)區(qū)植株均以幼苗葉鞘綠色，黃谷黃米，紡錘形穗的表型性狀為主，但不同生態(tài)區(qū)表型性狀各類(lèi)型比例具有差異，其中春谷早熟區(qū)品種褐色花藥比例較高，春谷中晚熟區(qū)紫色、淺紫色葉鞘、白色籽粒和黃米比例較高。夏谷區(qū)品種主穗長(zhǎng)等4個(gè)性狀指標(biāo)最高，春谷中晚熟區(qū)品種主莖節(jié)數(shù)等10個(gè)性狀指標(biāo)最高；春谷早熟區(qū)僅分蘗數(shù)最高。春谷中晚熟區(qū)全生育期最長(zhǎng)，品種間差異最大，春谷早熟區(qū)全生育期最短。同一生態(tài)區(qū)不同類(lèi)型材料表型性狀差異較低，主莖節(jié)數(shù)等7個(gè)性狀指標(biāo)差異未達(dá)顯著水平。長(zhǎng)治穗粗最高；汾陽(yáng)株高最高，出谷率顯著最低；太原Ⅰ分蘗數(shù)極顯著最少，穂頸長(zhǎng)顯著最長(zhǎng)，穗粗顯著最低；太原Ⅱ葉長(zhǎng)和主穗最長(zhǎng)。太原Ⅰ和長(zhǎng)治紫色葉鞘比例較高，汾陽(yáng)和長(zhǎng)治白色籽粒比例高，米色商品性好。優(yōu)質(zhì)和高產(chǎn)是品種選育的主要目標(biāo)，且單穗重、單穗粒重是產(chǎn)量的主要構(gòu)成因子［37］，本研究不同生態(tài)區(qū)品種單穗重和單穗粒重均有顯著提升，表明各育種單位在品種選育過(guò)程中均重視了產(chǎn)量因子的提升，這同張艾英等［38-39］、李志江等［40］及張婷等［41］對(duì)西北春谷中晚熟區(qū)、早熟區(qū)、東北早熟區(qū)和夏谷區(qū)谷子品種的分析結(jié)果一致。

3.3 不同類(lèi)型材料遺傳多樣性分析

本研究發(fā)現(xiàn)，不同生態(tài)區(qū)基于表型和SSR標(biāo)記的多樣性水平一致，春谷中晚熟區(qū)平均遺傳多樣性指數(shù)最高，春谷早熟區(qū)次之，夏谷區(qū)最低，該結(jié)果可能與春谷中晚熟區(qū)參試材料數(shù)量多有關(guān)。不同生態(tài)區(qū)開(kāi)花至成熟遺傳多樣性指數(shù)最高。同一生態(tài)區(qū)內(nèi)不同類(lèi)型材料基于不同表型和SSR標(biāo)記的遺傳多樣性水平具有一定差異，這與徐福榮等［42］對(duì)云南省水稻品種遺傳多樣性的研究結(jié)果相似。汾陽(yáng)在質(zhì)量性狀和SSR標(biāo)記遺傳多樣性比較中最高，長(zhǎng)治數(shù)量性狀遺傳多樣性指數(shù)最高，太原Ⅱ遺傳背景復(fù)雜，生育期遺傳多樣性指數(shù)最高。

3.4 基于表型和分子標(biāo)記的群體結(jié)構(gòu)分析

本研究發(fā)現(xiàn)，基于表型的聚類(lèi)結(jié)果與基于SSR標(biāo)記的群體結(jié)構(gòu)具有一定差異，這與丁銀燈等［24］的研究結(jié)果不一致?；诒硇偷木垲?lèi)劃分為兩個(gè)早熟、兩個(gè)中晚熟共4個(gè)類(lèi)群；具有同一親本（晉谷21號(hào)或豫谷18）的材料分布較集中，聚類(lèi)結(jié)果同品種的地理來(lái)源和親本組成具有一定的相關(guān)性。SSR標(biāo)記的遺傳結(jié)構(gòu)分類(lèi)結(jié)果同品種來(lái)源具有一定的關(guān)聯(lián)，但同一親本的材料分布較分散。這表明全國(guó)范圍的谷子育種交流頻繁，雖然不同生態(tài)區(qū)品種表型具有區(qū)域性，但其遺傳組成正在逐步打破生態(tài)區(qū)的界限劃分。晉谷21號(hào)和豫谷18是我國(guó)春谷和夏谷優(yōu)質(zhì)谷子育種的里程碑，控制晉谷21號(hào)和豫谷18優(yōu)良性狀的相關(guān)基因序列可能存在于各生態(tài)區(qū)品種中，同時(shí)群體結(jié)構(gòu)也與選擇的標(biāo)記、標(biāo)記數(shù)量、覆蓋水平有關(guān)。

4 結(jié)論

不同生態(tài)區(qū)谷子品種具有不同的特征。春谷中晚熟區(qū)品種10個(gè)性狀指標(biāo)最高，株高、穂頸長(zhǎng)和葉寬極顯著高于其他生態(tài)區(qū)。春谷中晚熟區(qū)品種全生育期最長(zhǎng)，春谷早熟區(qū)最短。春谷中晚熟同一生態(tài)區(qū)內(nèi)，不同類(lèi)型材料7個(gè)性狀指標(biāo)差異未達(dá)顯著水平，基于表型和SSR標(biāo)記的多樣性水平具有一定差異?；诒硇秃蚐SR標(biāo)記的聚類(lèi)結(jié)果和遺傳結(jié)構(gòu)與品種來(lái)源均具有一定關(guān)聯(lián)，但與品種親本的相關(guān)性不同。具有同一親本的材料在基于表型的聚類(lèi)中分布較集中，但在分子標(biāo)記遺傳結(jié)構(gòu)中分布較分散。