內(nèi)蒙古不同盟(市)谷子農(nóng)家種表型比較分析

趙雅杰, 溫 蕊, 賈祎明, 張繼宏, 丁 鑫, 張永虎

(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院, 呼和浩特 010031;2.清水河縣農(nóng)牧和科技局, 內(nèi)蒙古 清水河 011699;3.內(nèi)蒙古準(zhǔn)格爾旗農(nóng)牧局, 內(nèi)蒙古 準(zhǔn)格爾旗 010499)

谷子(SetariaitalicBeauv)起源于中國,屬禾本科狗尾草屬,具有較強的抗旱耐瘠性,是旱作農(nóng)業(yè)的理想作物,我國內(nèi)蒙古東部、河北及山西大部、陜西北部、甘肅東部和寧夏中部等地為谷子的優(yōu)勢產(chǎn)區(qū),馴化栽培歷史超過10 000年,種植面積常年穩(wěn)定在133萬hm2左右[1-2],占世界的90%以上。谷子的秸稈和籽粒具有其他谷類不具備的飼用價值優(yōu)勢[3],常作為優(yōu)質(zhì)飼草在農(nóng)牧交接地區(qū)廣泛種植。近年來,谷子作為低耗水肥的環(huán)境友好型作物,迅速發(fā)展成為抗旱、耐逆及C4光合途徑研究的模式作物[4]。悠久的種植歷史以及我國多樣的氣候類型造就了豐富的谷子種質(zhì)資源。我國是世界上谷子資源保存量最豐富的國家,占世界谷子資源保有量的80%[5]。目前,已被鑒定并編錄的谷子種質(zhì)資源有27 059份,其中,國內(nèi)26 536份,國外523份;粳質(zhì)品種24 225份,占89.5%,糯質(zhì)品種2 834份,占10.5%[6]。我國谷子種質(zhì)有豐富的遺傳多樣性,具有很高的研究和利用價值。加強對種質(zhì)資源的鑒定和遺傳多樣性研究及評價,對于了解谷子的起源、進化歷程和分類,正確認識谷子遺傳變異的程度及不同資源材料間的親緣關(guān)系具有重要意義,同時有利于育種工作者了解資源材料的全貌,正確選擇親本材料及技術(shù)路線[7]。本研究從內(nèi)蒙古各地引進優(yōu)良谷子品種,在呼和浩特市進行田間種植鑒定,篩選適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂虻母弋a(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種,并對表型性狀進行相關(guān)分析,為當(dāng)?shù)毓茸由a(chǎn)提供優(yōu)良品種,又可為谷子優(yōu)良品種選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料為內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市、呼和浩特市、鄂爾多斯市、興安盟、通遼市、烏蘭察布市收集的34份谷子資源(表1)。

1.2 方 法

2021年在內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院試驗基地種植參試品種,田間采用順序排列設(shè)計,每個材料種植4行,行長4.0 m,行距40 cm,株距8 cm,試驗地土壤肥力中等,灌溉方式為噴灌,其他田間管理同當(dāng)?shù)卮筇?。幼苗期至成熟期記錄所有材料生長情況。

1.3 性狀考察

播種后,田間記載出苗期、成熟期,并計算生育期。成熟后,每個重復(fù)中間行隨機連續(xù)選10株,田間調(diào)查主莖長度、主莖直徑、主莖節(jié)數(shù)、穗下節(jié)間長度、葉片數(shù)、旗葉長度、旗葉寬度;收獲樣株,室內(nèi)調(diào)查主穗長度、主穗直徑、主穗重、主穗粒重、千粒重,并計算主穗粒數(shù)。收獲后,測定小區(qū)產(chǎn)量,并折算產(chǎn)量。所有性狀考察均按照《谷子農(nóng)藝性狀形態(tài)特征鑒定標(biāo)準(zhǔn)》[8]進行。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel2016軟件進行初步統(tǒng)計,用SPSS23.0軟件進行相關(guān)性分析、主成分分析等。

2 結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量性狀遺傳多樣性分析

34份谷子質(zhì)量性狀分布如圖1所示,多樣性較豐富。葉色為綠色和淺紫色,綠色居多;葉鞘色多為綠色和中等紫色;花藥顏色以黃色居多;刺毛長度多為長毛,短中毛居中;穗碼密度分布較豐富;穗型以紡錘形為主;谷色為白、紅、黃,分布均勻;米色較豐富,分為5種,以黃色為主。

圖1 內(nèi)蒙古34份谷子種質(zhì)質(zhì)量性狀多樣性分布

2.2 各材料主要性狀表現(xiàn)

34份材料主要性狀見表2。各材料生育期平均為(123±11.56)d,株高平均為(186.43±23.05)cm,穗長平均為(28.72±4.64)cm,莖粗平均為(9.61±1.71)mm,穗粗平均為(29.96±5.71)mm,穗頸長平均為(29.71±5.79)cm,出谷率平均為(84±4)%,單穗重平均為(29.92±8.86)g,單穗粒重平均為(24.91±7.89)g,千粒重平均為(8.40±0.37)g,產(chǎn)量平均為(140.1±43.59)kg/667 m2。從變異系數(shù)來看,34個材料各性狀間大小為:單穗粒重、產(chǎn)量、單穗重、谷碼數(shù)、穗頸長、穗粗、莖粗、株高、穗長、千粒重、生育期,產(chǎn)量構(gòu)成因子變異系數(shù)較大,說明遺傳較豐富。

表2 34份材料主要性狀

2.3 34份谷子種質(zhì)資源相關(guān)性分析

對各材料的12個性狀進行相關(guān)性分析,結(jié)果(表3)表明,多個性狀間顯著相關(guān)。株高與節(jié)間數(shù)呈極顯著正相關(guān),與穗頸長呈顯著正相關(guān),與谷碼數(shù)呈顯著負相關(guān);穗長、單穗重、出谷率與單穗粒重呈極顯著正相關(guān);單穗重與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān);生育期與產(chǎn)量、谷碼數(shù)、莖粗、節(jié)間數(shù)等呈顯著正相關(guān),但與穗頸長和千粒重呈顯著負相關(guān),說明生育期越長,品種的生物量和產(chǎn)量越高,但穗頸變長,植株壓力變大,籽粒成熟度變差,千粒重降低。出苗-抽穗的時間與穗長、穗頸長、出谷率、千粒重呈顯著負相關(guān)關(guān)系;抽穗-成熟的時間與單穗重呈顯著正相關(guān),單穗重與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān),綜合來看,生育期、農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量性狀間存在顯著相關(guān)性。

表3 34份谷子材料15個性狀間的相關(guān)性分析

2.4 供試材料主要性狀主成分分析

對15個性狀進行主成分分析,提取出4個主成分,累積貢獻率為70.487%(表4)。第一主成分特征值為4.113,貢獻率為27.422%,特征值中生育期、出苗-抽穗時間、莖粗、谷碼數(shù)有較高的載荷,稱第一主成分為生育時期構(gòu)成因子,在選育過程應(yīng)選擇生育期適當(dāng)?shù)钠贩N,在種植過程中前期應(yīng)注意降水量對莖粗、谷碼數(shù)的影響。第二主成分特征值為3.468,貢獻率為23.122%,特征值中單穗重、單穗粒重、穗長、抽穗-成熟時間為載荷較大的正向特征向量值,稱第二主成分為產(chǎn)量構(gòu)成因子,單穗重、單穗粒重直接影響到產(chǎn)量。第三主成分特征值為1.745,貢獻率為11.633%,特征值中株高、節(jié)間數(shù)為主要正向特征向量,稱第三主成分為植株株高構(gòu)成因子,為提高植株抗倒伏能力,選育過程中應(yīng)適當(dāng)降低株高。第四主成分特征值為1.247,貢獻率為8.310%,各性狀特征值均占比較小且均勻,稱第四主成分為生物量構(gòu)成因子,由各特征向量值可看出,拔節(jié)期對節(jié)間數(shù)的影響較大,從而影響株高。

主成分得分情況見表5。Y-3、Y-7、Y-11、Y-16、Y-17得分較高,其中Y-3、Y-16、Y-17產(chǎn)量較高但生育期較長,株高較高,后期選育過程中需在保證產(chǎn)量的情況下盡量降低株高。

表5 34份材料主成分得分情況

2.5 34份材料各性狀聚類分析

將34份材料各性狀進行聚類分析,結(jié)果見圖2。當(dāng)歐氏距離為20時,將34份材料分為三大類,第Ⅰ大類包含22份材料,該類群特征為株高、穗頸長偏高,生育期、產(chǎn)量適中;第Ⅱ大類包含3份材料,其中Y-17、Y-30產(chǎn)量較高,生育期均在130 d左右,Y-30株高低于100 cm,穗頸較短,但產(chǎn)量仍達到173.23 kg/667 m2,說明該品種較適宜本地種植;第Ⅲ大類包含9份材料,多數(shù)產(chǎn)量均低于120 kg/667 m2,且生育期均較長,不適宜本地種植,其中Y-22、Y-25產(chǎn)量較高,生育期在130 d左右,株高在140 cm左右,較適宜本地種植。

圖2 34份材料各性狀聚類分析

3 結(jié)論與討論

內(nèi)蒙古種類繁多的谷子品種為谷子育種提供了基因資源和理論基礎(chǔ),因此,谷子品種資源的豐富程度是育種及進行相關(guān)科學(xué)研究的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。谷子種質(zhì)資源的來源很廣泛,包括本地種植的農(nóng)家品種,經(jīng)過育種家改良過的選育品種、有特色的育成品系或材料、國內(nèi)外引進的種植材料以及經(jīng)過人工誘變育成的新品種等。不同來源谷子品種間農(nóng)藝性狀存在明顯差異。了解谷子品種各農(nóng)藝性狀特點及其之間的相互關(guān)聯(lián)性,有助于育種目標(biāo)性狀的確定,結(jié)合良種繁育,再配以優(yōu)良的栽培管理技術(shù),有利于發(fā)揮谷子品種內(nèi)在的生產(chǎn)潛力[9]。張霞和馮永忠[10]對10份谷子品種的6個農(nóng)藝性狀進行變異分析,6個農(nóng)藝性狀的變異幅度為5.69%～76.16%,各農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)由大到小依次為白化病、穗粒質(zhì)量、單穗質(zhì)量、穗長、穗粗、千粒質(zhì)量。本研究表明,葉色、葉鞘色、花藥顏色、刺毛長度、穗碼密度、穗型、谷色、米色等表型性狀多樣性較豐富,說明34份材料具有豐富的遺傳多樣性。15個農(nóng)藝性狀的變異幅度為4.74%～31.69%,各農(nóng)藝性狀變異系數(shù)由大到小依次為單穗粒重、產(chǎn)量、單穗重、谷碼數(shù)、穗頸長、穗粗、莖粗、株高、穗長、千粒重、生育期,西北春谷早熟區(qū)谷子品種生育期延長、株高增加、抗倒性降低等因素直接影響產(chǎn)量的提高,同時也不利于谷子機械化生產(chǎn)的發(fā)展[11],本研究中,生育期變異系數(shù)較小,說明這34份材料很難通過改變生育期來提高產(chǎn)量,而株高變異系數(shù)居中,可根據(jù)合理栽培及良種繁育適當(dāng)降低株高,以提高產(chǎn)量。

谷子產(chǎn)量是由多個農(nóng)藝性狀和環(huán)境條件共同作用的結(jié)果,產(chǎn)量組成因素關(guān)系復(fù)雜,不同地區(qū)、不同試驗點等因素都會對結(jié)果產(chǎn)生影響[12-15]。此外,中國谷子種質(zhì)資源十分豐富,截止2008年,國家種質(zhì)資源庫已保存種質(zhì)超過27 000份,居世界首位[16]。近年來,研究者針對谷子的農(nóng)藝性狀開展大量相關(guān)研究,利用不同的分析方法分析不同谷子品種的株高、莖粗、穗長、穗粗、穗粒數(shù)等農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量的關(guān)系[17-19],從而實現(xiàn)谷子的增產(chǎn)增效,改良和優(yōu)化谷子品種的選育。徐峰等[20]研究表明,參試品種15個表型性狀觀察值均符合正態(tài)分布,對這些性狀間的相關(guān)系數(shù)進行分析,發(fā)現(xiàn)生育期、農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量性狀間存在顯著相關(guān)性,其中生育期、主莖長度、主莖直徑、葉片數(shù)、主穗重、主穗粒數(shù)、主穗粒重、千粒重這8個性狀與產(chǎn)量均極顯著正相關(guān)。本研究表明,穗長、單穗重、出谷率與單穗粒重呈極顯著正相關(guān);單穗重與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān);生育期與產(chǎn)量、谷碼數(shù)、莖粗、節(jié)間數(shù)等呈顯著正相關(guān),但與穗頸長和千粒重呈顯著負相關(guān),說明生育期越長,品種的生物量和產(chǎn)量越高,但穗頸變長,植株壓力變大,籽粒成熟度變差,千粒重降低。出苗-抽穗的時間與穗長、穗頸長、出谷率、千粒重具有顯著負相關(guān)關(guān)系,而穗頸變長導(dǎo)致千粒重降低,導(dǎo)致產(chǎn)量降低,因此需在拔節(jié)期注意降水量,控制長勢,抽穗-成熟的時間與單穗重呈顯著正相關(guān),單穗重與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān),因此灌漿時期尤為重要,為提高產(chǎn)量的關(guān)鍵時期,該時期控制病蟲害及積極應(yīng)對不確定環(huán)境因素的影響對產(chǎn)量的提高起到至關(guān)重要的作用。

聚類分析可以觀察每一簇數(shù)據(jù)的特征,集中對特定的聚簇集合作進一步分析,主成分分析可以更好地將多個性狀歸納為幾個代表性因子,以反映參試品種的綜合表現(xiàn)。本研究將34份參試品種的15個性狀進行主成分分析、聚類分析,分為三大類群,歸納為農(nóng)藝性狀構(gòu)成因子、產(chǎn)量構(gòu)成因子、植株株高構(gòu)成因子、生物量因子等4個主成分,綜合各個主成分得知,在選育過程中應(yīng)選擇生育期適當(dāng)?shù)钠贩N,在種植過程中前期應(yīng)注意降水量對莖粗、谷碼數(shù)的影響,為提高植株抗倒伏能力,選育過程中應(yīng)適當(dāng)降低株高以提高產(chǎn)量,綜合分析,篩選出生育期適當(dāng),株高適宜,產(chǎn)量較高的適宜本地區(qū)種植的材料3份,分別為:源自烏蘭察布市的紅谷子(Y-22)、烏蘭察布市的黃谷子(Y-25)、通遼市的香山白毛毛谷(Y-30)。本試驗結(jié)果可為優(yōu)良谷子種質(zhì)資源篩選和雜交親本選配提供參考依據(jù)。