40份青稞種質(zhì)資源農(nóng)藝和品質(zhì)性狀的綜合評(píng)價(jià)及評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選

牛小霞，陳 娟，柳小寧，包奇軍，徐銀萍

(甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物與啤酒原料研究所，甘肅蘭州 730070)

青稞(Hordeumvulgarevar.nudum)，也稱裸大麥，具有生育期短、耐寒、抗旱、抗逆性強(qiáng)、適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，主要種植于青藏高原的西藏、青海、甘肅、四川、云南等高海拔地區(qū)，是藏族同胞的主要口糧[1]。青稞籽粒營養(yǎng)豐富，蛋白質(zhì)和賴氨酸含量高，纖維素、維生素含量豐富，脂肪、糖含量低，青稞β-葡聚糖含量也相對(duì)較高，具有降血脂、降血糖、降膽固醇等功效，可以預(yù)防糖尿病、心腦血管疾病，提高人體免疫力等多種營養(yǎng)保健功能。青稞高蛋白、高膳食纖維、低脂肪的營養(yǎng)組成十分符合現(xiàn)代人的飲食結(jié)構(gòu)需求，因此青稞具有很高的科研價(jià)值和良好的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)前景[2]。

青稞的市場(chǎng)消費(fèi)需求增長迅速，提高青稞產(chǎn)量和品質(zhì)仍是目前育種需要解決的關(guān)鍵問題[3]。而品種改良是實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)的最有效途徑之一[4]，優(yōu)良品種的選育需要優(yōu)異的種質(zhì)資源[5]。對(duì)種質(zhì)資源的研究，有利于合理選配親本，減少育種盲目性。農(nóng)藝和品質(zhì)性狀多為數(shù)量性狀，易受環(huán)境因素的影響[6]。數(shù)量性狀是作物長期進(jìn)化和人為選擇形成的結(jié)果，是內(nèi)在基因型的外在表現(xiàn)形式，具有表現(xiàn)直觀，與生產(chǎn)實(shí)際密切相關(guān)的遺傳特性[7]。鑒定表型性狀有利于了解種質(zhì)資源的性狀特點(diǎn)，是種質(zhì)資源分類的重要依據(jù)[8]。目前，針對(duì)青稞種質(zhì)資源的報(bào)道比較少，胥婷婷對(duì) 402 份青稞種質(zhì)進(jìn)行了形態(tài)和分子遺傳多樣性研究[9]，夏騰飛等對(duì)267份青稞種質(zhì)資源的10個(gè)質(zhì)量性狀和9個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行了分析[10]，徐肖等對(duì)86份青藏高原裸大麥進(jìn)行了形態(tài)多樣性分析[11]。β-葡聚糖是青稞的一個(gè)重要品質(zhì)性狀，本研究測(cè)定40份青稞資源的β-葡聚糖含量，通過鑒定40份青稞資源的15個(gè)表型性狀，分析青稞種質(zhì)資源遺傳多樣性，并進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為青稞優(yōu)異種質(zhì)資源創(chuàng)新利用以及新品種選育提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

40份青稞種質(zhì)資源有7份是二棱大麥，33份是六棱大麥，詳見表1。

表1 40份參試青稞種質(zhì)資源名稱和F值

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2019—2020年在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院黃羊鎮(zhèn)麥類作物試驗(yàn)站進(jìn)行，每份材料種植5行，按順序播種，不設(shè)重復(fù)；行長2 m，行距0.25 m，播深3～4 cm，小區(qū)播種量按畝播種量30萬粒折算。

1.3 測(cè)定方法

根據(jù)《大麥種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[12]，苗期記載分蘗數(shù)；成熟后，每行隨機(jī)選取20株考察其株高、穗長、第一莖節(jié)長、第二莖節(jié)長、穗下莖節(jié)長、總穗粒數(shù)、總穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量等指標(biāo)；蛋白質(zhì)、淀粉、水分含量用近紅外儀測(cè)定，種子飽滿粒(直徑≥2.5 mm)比例、瘦小粒(直徑≤2.2 mm)比例用篩選儀測(cè)定；β-葡聚糖含量按Houston等介紹的方法[13]，采用Megazyme公司生產(chǎn)的β-葡聚糖試劑盒(K-BGLU 02/17)測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010、DPS 7.05進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。用2019—2020年2年數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。用軟件DPS 7.05 進(jìn)行聚類分析、相關(guān)性和主成分分析，通過回歸分析的方法篩選青稞種質(zhì)資源評(píng)價(jià)性狀。隸屬函數(shù)的計(jì)算公式為μ(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)(i=1，2，3，…，n)[14]。利用Shannon Wiener’s 指數(shù)(H′)進(jìn)行遺傳多樣性評(píng)價(jià)。H′=-∑Pi(lnPi)(i=1，2，3，…，n)，Pi表示某個(gè)性狀處于第i級(jí)別內(nèi)的材料份數(shù)占總材料的比例。

2 結(jié)果與分析

2.1 青稞種質(zhì)資源農(nóng)藝和品質(zhì)性狀的統(tǒng)計(jì)分析

15個(gè)農(nóng)藝和品質(zhì)性狀的變異系數(shù)范圍為2.45%～121.39%，平均值為28.61%(表2)；其中瘦小粒比例變異系數(shù)最大，為121.39%，其次為飽滿粒比例，為48.27%；其中變異系數(shù)高于20%的性狀有分蘗數(shù)、總穗粒質(zhì)量、總穗粒數(shù)、穗長和穗下莖節(jié)長，分別為37.09%、37.31%、31.72%、28.22%、20.37%；第二莖節(jié)長、第一莖節(jié)長、β-葡聚糖含量、千粒質(zhì)量、蛋白質(zhì)含量的變異系數(shù)分別為19.32%、18.77%、18.29%、17.63%、12.92%，在10%～20%之間；表明這些性狀變異較為豐富。淀粉含量和水分含量的變異系數(shù)最小，分別為3.00%和2.45%。15個(gè)性狀的多樣性指數(shù)范圍為1.269～1.975，均值為1.749；按照多樣性指數(shù)由大到小排序?yàn)榭偹肓?shù)>總穗粒質(zhì)量>第二莖節(jié)長>飽滿粒比例>β-葡聚糖含量>蛋白質(zhì)含量>穗下莖節(jié)長>分蘗數(shù)>淀粉含量>株高>水分>第一莖節(jié)長>千粒質(zhì)量>穗長>瘦小粒比例。不同青稞種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀存在較大的差異，具有豐富的遺傳多樣性，適宜進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。

表2 40份青稞種質(zhì)資源農(nóng)藝和品質(zhì)性狀的描述統(tǒng)計(jì)

2.2 相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果(表3)表明，分蘗數(shù)與穗長呈顯著正相關(guān)，與總穗粒質(zhì)量和總穗粒數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)；穗長與千粒質(zhì)量呈顯著正相關(guān)，株高與穗下莖節(jié)長呈極顯著正相關(guān)，第一莖節(jié)長與第二莖節(jié)長呈極顯著正相關(guān)，第二莖節(jié)長與穗下莖節(jié)長呈顯著負(fù)相關(guān)，千粒質(zhì)量分別與飽滿粒比例、總穗粒質(zhì)量呈顯著、極顯著正相關(guān)，飽滿粒比例與瘦小粒比例呈顯著負(fù)相關(guān)，蛋白質(zhì)含量與淀粉含量呈極顯著負(fù)相關(guān)。

表3 青稞種質(zhì)資源表型性狀的相關(guān)性

2.3 聚類分析

基于青稞資源的15個(gè)性狀進(jìn)行聚類分析，將40份資源劃分為4個(gè)類群(圖1)。第Ⅰ類有9份資源，第一莖節(jié)長高于其他3類，蛋白質(zhì)含量和β-葡聚糖含量比較高，分蘗比較少、株高較低、穗下莖節(jié)長較短，飽滿粒和瘦小粒比較低；第Ⅱ類有13份資源，千粒質(zhì)量較輕，瘦小粒比較多，水分含量較高，β-葡聚糖含量比較低；第Ⅲ類只有3份資源，分蘗數(shù)、株高、穗長、第二莖節(jié)長、穗下莖節(jié)長、飽滿粒比例這些性狀都比較優(yōu)異，淀粉含量比較高，但總穗粒數(shù)、總穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量、蛋白質(zhì)含量這些性狀比較差；第Ⅳ類有15份資源，總穗粒數(shù)、總穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量這些產(chǎn)量性狀比較優(yōu)異，穗長、第一莖節(jié)長和第二莖節(jié)長較短，淀粉含量比較低(表4)。

2.4 主成分分析

主成分分析40份青稞種質(zhì)資源的15個(gè)農(nóng)藝和品質(zhì)性狀，結(jié)果(表5)表明，第Ⅰ主成分貢獻(xiàn)率為20.89%，主要反映總穗粒質(zhì)量(0.362 4)、總穗粒數(shù)(0.352 5)和分蘗數(shù)(-0.347 0)；第Ⅱ主成分貢獻(xiàn)率為15.34%，主要反映第一莖節(jié)長(0.424 3)、第二莖節(jié)長(0.432 5)和千粒質(zhì)量(-0.388 6)；第Ⅲ主成分貢獻(xiàn)率為14.19%，主要反映穗長(0.467 3)；第Ⅳ主成分貢獻(xiàn)率為10.73%，主要反映株高(0.585 7)和穗下莖節(jié)長(0.488 0)；第Ⅴ主成分貢獻(xiàn)率為8.49%，主要反映水分含量(-0.625 7)；第Ⅵ主成分貢獻(xiàn)率為6.65%，主要反映瘦小粒比例(0.578 6)和β-葡聚糖含量(-0.578 4)；第Ⅶ主成分貢獻(xiàn)率為5.78%，主要反映淀粉含量(0.421 6)和蛋白質(zhì)含量(-0.402 0)；第Ⅷ主成分貢獻(xiàn)率為5.37%，主要反映飽滿粒比例(0.471 3)；前8個(gè)主成分貢獻(xiàn)率達(dá)到87.43%，因此，這8個(gè)主成分代表40份青稞的15個(gè)性狀信息，可以選擇這8個(gè)主成分作為青稞性狀的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表5 主成分分析各成分得分系數(shù)及貢獻(xiàn)率

表4 不同類群青稞種質(zhì)性狀的平均值

2.5 青稞種質(zhì)資源15個(gè)表型性狀的綜合評(píng)價(jià)

對(duì)15個(gè)農(nóng)藝和品質(zhì)性狀值通過隸屬函數(shù)方法進(jìn)行處理，將標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值帶入8個(gè)主成分的得分中，可得到8個(gè)主成分的得分。計(jì)算各主成分的權(quán)重系數(shù)(0.239 4、0.175 8、0.161 6、0.122 8、0.097 1、0.076 0、0.066 1和0.061 2)，最后利用公式F=0.239 4F1+0.178 5F2+0.161 6F3+0.122 8F4+0.097 1F5+0.076 0F6+0.066 1F7+0.061 2F8計(jì)算每份種質(zhì)材料的綜合得分F值(表1)，對(duì)40份青稞種質(zhì)資源進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。青稞的各性狀綜合得分F值平均為0.386 5，排在前5位的分別是QB13(0.675 5)、甘墾6號(hào)(0.579 4)、000-6(0.572 6)、QTB25(0.534 1)和昆侖14號(hào)(0.523 9)，排在最后2位的是2013J/193(0.231 1)和Hiprdy(0.227 9)。表型性狀綜合得分F值與15個(gè)表型性狀的相關(guān)性分析結(jié)果(表6)表明，F(xiàn)值與蛋白質(zhì)含量極顯著負(fù)相關(guān)，與分蘗數(shù)顯著負(fù)相關(guān)，與穗長、穗下莖節(jié)長、瘦小粒比例和β-葡聚糖含量負(fù)相關(guān)；與飽滿粒比例和淀粉含量極顯著正相關(guān)，與第一莖節(jié)長、第二莖節(jié)長、總穗粒數(shù)和總穗粒質(zhì)量顯著正相關(guān)，與株高、千粒質(zhì)量和水分含量正相關(guān)。

表6 15個(gè)表型性狀與綜合性狀得分(F值)的相關(guān)系數(shù)

2.6 青稞種質(zhì)資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選

利用15個(gè)表型和F值，構(gòu)建的回歸方程為Y=-1.521 6+0.005 2X2+0.001 3X3+0.025 5X5+0.001 3X7+0.007 1X9+0.001 7X10+0.030 4X14，其中：X2、X3、X5、X7、X9、X10、X14分別為株高、穗長、第二莖節(jié)長、總穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、飽滿粒比例、淀粉含量。復(fù)相關(guān)系數(shù)R為0.969 8，確定系數(shù)R2為0.940 5，7個(gè)性狀可解釋總變異的94.05%，F(xiàn)值為25.276 4，方差達(dá)到極顯著水平，可以作為青稞種質(zhì)資源的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3 討論

對(duì)種質(zhì)資源表型性狀進(jìn)行鑒定，開展優(yōu)異種質(zhì)資源的基因挖掘，才能更好地改良作物品種[15]。本研究通過對(duì)40份青稞種質(zhì)資源的15個(gè)表型性狀進(jìn)行遺傳多樣性分析表明，多樣性指數(shù)變化范圍為1.269～1.975，均值1.749；總穗粒數(shù)、總穗粒質(zhì)量、飽滿粒比例、β-葡聚糖含量和蛋白質(zhì)含量等產(chǎn)量和品質(zhì)性狀的多樣性指數(shù)比較高。15個(gè)性狀變異系數(shù)的變化范圍為2.45%～121.39%，瘦小粒比例變異系數(shù)最大，為121.39%；淀粉和水分含量變異系數(shù)最小，分別為3.00%和2.45%，說明這2個(gè)性狀遺傳較穩(wěn)定。從花期到成熟期的氣候溫度和降水量等綜合環(huán)境因素影響淀粉含量，正常的氣候條件下淀粉含量變異范圍較小[16]。瘦小粒比例的變異系數(shù)最大，這與青稞籽粒大小容易受環(huán)境影響，遺傳穩(wěn)定性較差有關(guān)[17]；青稞籽粒平均灌漿速率和干物質(zhì)最終積累量顯著低于二棱大麥，而且穗著粒密度越大，同化物分配量越小，瘦小粒越多，且易受氣候因素影響[18]，本研究結(jié)果與之一致。

對(duì)種質(zhì)資源的表型性狀進(jìn)行綜合分析和評(píng)價(jià)是種質(zhì)創(chuàng)新利用的基礎(chǔ)，可以指導(dǎo)青稞育種的親本選配。常用的灰色關(guān)聯(lián)分析等方法評(píng)價(jià)種質(zhì)資源不全面，通過隸屬函數(shù)法和主成分分析相結(jié)合對(duì)種質(zhì)資源進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，比較科學(xué)和全面[19]。本研究從15個(gè)農(nóng)藝和品質(zhì)性狀中鑒定出株高、穗長、第二莖節(jié)長、總穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、飽滿粒比例、淀粉含量等7個(gè)性狀可以作為青稞綜合評(píng)價(jià)的指標(biāo)。利用表型性狀綜合得分F值的大小為依據(jù)，篩選出QB13、甘墾6號(hào)、000-6、QTB25和昆侖14號(hào)等優(yōu)異種質(zhì)，2013J/193和Hiprdy的F值最小，綜合表現(xiàn)最差；綜合比較這幾個(gè)材料的15個(gè)表型性狀值可知，表型綜合性狀得分F值可以準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)青稞種質(zhì)資源，可以利用這種方法篩選優(yōu)良種質(zhì)，提高育種工作效率。

本研究通過系統(tǒng)聚類，將參試的40份材料分為4個(gè)類群，其中第Ⅰ類品質(zhì)性狀比較好，第Ⅳ類產(chǎn)量性狀比較好。F值與9個(gè)表型性狀呈正相關(guān)，包含利用主成分分析和逐步線性回歸分析篩選出的7個(gè)鑒定指標(biāo)性狀，說明本研究分析結(jié)果比較可靠。利用表型性狀研究種質(zhì)資源還存在一定的局限性，后續(xù)研究可結(jié)合分子標(biāo)記技術(shù)，提高青稞種質(zhì)資源遺傳多樣性和綜合評(píng)價(jià)研究的準(zhǔn)確性和深度。