基于表型性状的藜麦种质资源遗传多样性分析

叶 君，吴晓华，李元清，崔国惠，王小兵，赵春芝，杨 蕾，张三粉，张海斌，于美玲

（1.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古 呼和浩特 010031；2.河北农业大学，河北 保定 071001；3.巴彦淖尔市农牧业科学研究院，内蒙古 临河 015000）

藜麦（Chenopodium quinoa Willd.）为苋科藜属一年生短日照双子叶植物，原产于南美洲安第斯山区，有着5 000～7 000年的种植历史，是当地土著居民的传统主粮。藜麦的蛋白质属于优质蛋白，其氨基酸含量丰富、种类齐全、比例合理，同时藜麦还富含矿物质、纤维素和维生素等其他营养元素，被联合国粮食与农业组织（FAO）推荐为能满足人体基本营养需求的“全营养食品”。同时，藜麦还具有耐寒、耐旱、耐瘠薄、耐盐碱的特性，从海平面到4 000 m 不同海拔高度的区域都有藜麦的分布[1-4]。随着人类自我保健意识的增强以及对食材营养价值的关注，全球范围内对藜麦的消费需求日益旺盛，各国对藜麦的种植和研究热度也随之高涨[5-6]。虽然我国在20 世纪80年代就引进了藜麦并在西藏开展了适应性试验研究[7]，但直到联合国将2013年设为“国际藜麦年”起，国内其他省（市）才开始广泛关注藜麦，随之开展了藜麦不同地域栽培技术和营养特性等方面的研究[8-11]。研究表明，随着生态环境和栽培条件的改变，藜麦的产量、农艺性状以及品质特性等也会发生明显的变化[12-14]。为掌握内蒙古藜麦种质资源表型性状的遗传差异、促进种质资源高效利用、推动育种进程，本试验以从国内外收集的101 份藜麦种质资源为研究对象，进行了生育期、株高、茎粗、单株粒重、千粒重、蛋白质含量、赖氨酸含量等主要表型性状的遗传多样性分析，旨在为藜麦种质资源的进一步利用和有效开发提供参考依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试材料为2017年从国内外收集的101 份藜麦种质资源材料，其中，国外（美国、秘鲁、玻利维亚）共引进10 份，国内（北京、山西、甘肃、河北、江苏和内蒙古）共引进91 份（图1）。由于供种者未提供材料名称，只有编号，所以，101 份供试材料在本试验中分别以S1、S2、S3……S101 表示。

1.2 试验设计

试验于2017年在呼和浩特市内蒙古自治区农牧业科学院试验地（40°46′ N，111°40′ E）进行，海拔1 040 m，年平均气温6.7 ℃，无霜期为130～134 d；前茬作物为玉米，秋季进行旋耕深翻，冬汇地；土质为壤土，土壤pH 值8.20、有机质22.66 g/kg、总氮1.02 g/kg、总磷0.75 g/kg、总钾0.32 g/kg、碱解氮59.45 mg/kg、有效磷15.96 mg/kg、有效钾117.52 mg/kg；播前一次性施入磷酸二铵375 kg/hm2作底肥，播种时土壤墒情适宜。试验采用随机区组设计，3 次重复，单行区，行长6.00 m、行距0.60 m、株距0.25 m。4月16日播种，人工开沟条播，苗高10 cm 时进行间苗，单行留苗24 株，开花期浇水1 次，中耕除草5次，防治虫害2 次。

1.3 试验方法

1.3.1 表型数据采集 记录各小区群体生育期，同时在各小区选取5 株代表性植株挂牌进行主要表型性状的测定。表型性状包括：生育期（出苗期到成熟期的天数，单位d），株高（生理成熟期记录植株基部到花序穗顶端的距离，单位cm），茎粗（由茎基部向上约1/6 植株高度处测量茎的直径，单位mm），单株粒重（成熟籽粒风干的重量，单位g），千粒重（1 000 粒籽粒的风干重量，单位g），蛋白质和氨基酸含量（瑞典波通DA7200 型近红外分析仪进行测试，单位%）。

1.3.2 多样性指数与聚类分析

1.3.2.1 多样性指数 利用Shannon-Wiener 信息指数进行多样性指数计算，其计算公式为：

式中，Pi为某一个表型性状指标第i 个级别出现的概率情况[15]。

1.3.2.2 聚类分析方法 采用Ward 系统聚类法对藜麦表型性状进行聚类分析，测量区间采用欧氏距离。

1.4 数据处理

数据利用Excel 2007 软件、SPSS 18.0 软件以及RStudio-1.2.5019 软件进行计算分析。

2 结果与分析

2.1 藜麦种质资源主要表型性状的遗传多样性

供试藜麦种质资源主要表型性状间的最小值、最大值、平均值、中位数、标准差、偏度、峰度、变异系数和多样性指数均存在不同程度的差异（表1）。各表型性状间的最小值分布为0.6～117.0，最大值分布为0.9～262.0，平均值分布为0.7～202.0，中位数分布为0.7～206.7，标准差分布为0.1～23.8，偏度分布为-0.7～0.9，峰度分布为-0.1～1.8；变异系数分布为5.2%～36.0%，多样性指数分布为1.960～2.085。由表1 还可以看出，不同藜麦种质资源间表型性状的变异系数存在较大差异，其中，单株粒重的变异系数最大，为36.0%；生育期的变异系数最小，为5.2%；各表型性状变异系数由大到小的顺序为单株粒重>赖氨酸含量>千粒重>茎粗>株高>蛋白质含量>生育期。另外，千粒重的多样性指数最大，为2.085；株高的多样性指数最小，为1.960；其余表型性状的多样性指数位于二者之间，其大小顺序为茎粗>生育期>赖氨酸含量>单株粒重>蛋白质含量。上述结果表明，供试藜麦种质资源遗传多样性较丰富，可为下一步有效开发利用和新品种选育提供一定的基础材料。

表1 藜麦种质资源主要表型性状的遗传多样性分析

2.2 藜麦种质资源主要表型性状的相关性

由图2 可知，藜麦种质资源主要表型性状间呈现不同程度的相关关系。其中，株高与生育期呈现极显著正相关关系（0.34），株高与蛋白含量、赖氨酸含量呈现不同程度的显著负相关关系（-0.31和-0.25），茎粗与单株粒重呈现极显著正相关关系（0.38），蛋白含量与赖氨酸含量也呈现极显著正相关关系（0.89）。值得注意的是，单株粒重与蛋白含量、赖氨酸含量呈现不同程度的显著负相关关系（-0.36 和-0.32）。

2.3 藜麦种质资源的聚类分析

采用Ward 系统聚类法对101 份种质资源进行了聚类分析，当欧式距离为7 时，种质资源可划分为4 大类群（图3）：第Ⅰ类群包含29 份种质资源，分别 为S50、S54、S86、S56、S53、S58、S67、S70、S52、S92、S29、S30、S101、S44、S47、S78、S35、S83、S40、S63、S72、S22、S55、S59、S84、S91、S98、S80、S85，占供试种质资源的28.7%。该类群主要特征是：生育期长，超过135 d 以上的种质资源有14 份，占该类群的48.3%；株高较高，茎秆直径最小；蛋白质含量和赖氨酸含量较高。第Ⅱ类群包含30 份种质资源，分别为S76、S82、S49、S75、S48、S45、S46、S68、S74、S25、S88、S51、S21、S43、S93、S2、S14、S100、S24、S97、S18、S39、S79、S71、S99、S32、S57、S33、S90、S65，占供试种质资源的29.7%。该类群主要特征是：生育期在135 d 以内，属于中熟类型；植株最高（平均值为217.49 cm），茎粗中等，单株籽粒产量居中，蛋白质含量和赖氨酸含量居中。第Ⅲ类群包含18 份材料，分别为S20、S60、S81、S73、S87、S7、S11、S9、S34、S23、S77、S66、S26、S62、S28、S89、S17、S31，占供试种质资源的17.8%。该类群主要特征是：生育期属于中熟类型，植株较高，茎秆直径最大（平均值为20.11 mm），单株籽粒产量最高，但蛋白质含量和氨基酸含量最低。第Ⅳ类群包含24 份材料，分别为S4、S95、S94、S42、S96、S69、S37、S1、S15、S61、S13、S19、S38、S64、S36、S41、S16、S27、S3、S8、S6、S10、S5、S12，占供试种质资源的23.8%。该类群主要特征是：生育期为中熟偏早类型，平均株高在供试种质资源中表现最矮，茎秆较粗，单株籽粒产量较高，与其他类群相比，该类群的蛋白质含量和赖氨酸含量均表现最高。

3 讨论与结论

为了解和掌握内蒙古引进藜麦种质资源的遗传多样性、加强种质资源高效利用并推进育种进程，本试验对101 份国内外藜麦种质资源进行了表型性状的遗传多样性分析。整体来看，供试种质资源可划分为4 大类群：第Ⅰ类群属于慎重利用型藜麦种质资源。该类群中生育期超过135 d 以上的晚熟藜麦占48.3%，再加上一些种质资源田间倒伏严重，易造成藜麦产量下降和品质变劣。第Ⅱ类群属于改良利用型种质资源。该类型生育期居中，植株最高，茎粗、单株籽粒产量、蛋白质含量和赖氨酸含量等表型性状居中。第Ⅲ类群属于高产利用型种质资源。生育期居中，单株籽粒产量最高，蛋白质含量和氨基酸含量偏低，该类群有的种质资源在合理密植条件下，籽粒和生物学产量有望达到高产水平，并可直接用作饲用藜麦新品种选育或作为基础材料加以利用。该类群中的S9 就是一个高产且抗倒伏综合性状较好的优异种质资源。第Ⅳ类群属于高产优质型种质资源。该类群整体表现为早熟、矮秆、高产、优质、抗倒伏等特性，特别是S4、S12、S13、S94 等种质资源的综合性状表现尤为突出。4 大类群的划分为种质资源的有效利用和新品种选育提供了参考依据。

值得注意的是，本试验中101 份藜麦种质资源基于主要表型性状的聚类结果与其引种的地理来源没有明显的直接关系，例如，一些同一来源地的种质资源并没有聚到一起，不同来源的种质资源却属于同一类群，该结果与宋娇[16]的研究报道一致。究其原因，一方面可能是引种来源地本身具有大量的种质资源，且遗传多样性丰富，容易与其他引种来源地的种质资源出现遗传背景相近的现象；另一方面，种质资源交流交换，导致国内不同引种来源地之间种质资源互相渗透。本试验研究的藜麦种质资源表型性状是基于一年一点的试验数据，有一定局限性。考虑到环境与基因的互作效应，下一步工作需要开展多年多点的鉴定分析，同时利用分子标记进行佐证，将种质资源的亲缘关系和遗传多样性进一步明确。另外，通过表型性状的相关性分析，单株粒重与蛋白质含量、赖氨酸含量呈现不同程度的显著负相关关系，表明在藜麦新品种选育过程中，应该关注藜麦单株籽粒产量与营养品质协同提高的问题，以便尽可能使藜麦“全营养食品”的营养价值最大化。