62份从美国引进高粱不育系种质能源相关产量和品质性状评价

许 依 唐朝臣,3 何思洋 周方圆 孙 磊 李嵩博 谢光辉*

(1.中国农业大学 农学院，北京 100193；2.国家能源非粮生物质原料研发中心，北京 100193;3.广东省农业科学院 作物研究所， 广州 510640)

高粱(Sorghumbicolor(L.) Moench)因生物量大及抗逆性强等优点，已成为最有前景的能源作物之一[1]。作为能源用途的高粱，不仅需要产量高，还要有优良的能源品质性状。原料中可溶性糖、纤维素、半纤维素和木质素的含量及构成方式直接影响其能源转化效率[2]。当前我国可用于能源高粱育种的不育系材料很少，急需从国外引进不育系种质资源。先前从美国引进中国的不育系材料‘622A’、‘623A’、‘624A’和‘625A’已广泛应用于我国培育甜高粱品种。目前，国内外在高粱种质资源的鉴定与评价方面有很多的研究报道，主要集中在农艺性状[3-5]、饲用品质[6-7]及酿酒品质相关性状上[8-9]。Umakanth等[10]研究了甜高粱糖锤度、总糖产量和生物乙醇产量等性状的遗传效应，但其评价材料仅包括4份不育系材料，同时缺乏对木质纤维素等性状的研究。此外，已有研究表明高粱产量和能源品质性状受环境及基因和环境互作影响较大，因此在不同气侯条件下评价不育系材料，对筛选环境适应性及稳定性较好且适宜能源利用的种质具有重要作用[11-12]。目前，对高粱不育系种质在不同环境下的产量和品质评价鲜有报道。因此，本研究在山西省介休市田堡村半干旱气候和河北省涿州市中国农业大学涿州实验站半湿润气候条件下，测定美国引进的62份高粱不育系材料，综合考虑产量和品质等10个能源利用的性状，旨在确定能源利用的核心不育系种质，以期为能源高粱品种改良提供优良不育系种质。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验于2017年在山西省介休市田堡村(37°08′ N, 112°06′ E)和河北省涿州市中国农业大学涿州实验站(39°28′ N, 115°51′ E)进行。介休市试点属于温带大陆性季风气候半干旱区，年均降水量为398 mm，年均气温10.4 ℃，无霜期约为175 d。涿州市试点属于温带大陆性季风气候半湿润区，年均降水量为550 mm，年均气温11.6 ℃，无霜期约为178 d。介休市和涿州市高粱生育期内温度和降水量，见图1，由中国气象科学数据共享服务网提供。2个试验点0～30 cm土层的土壤理化性质，见表1，按照美国农业部土壤质地分类标准，涿州市试点土壤为砂土，介休市试点土壤为砂壤土，介休市试点的土壤肥力也明显比涿州市高。

图1 山西省介休市(a)和河北省涿州市(b)试验点生育期内月均降雨量和气温
Fig.1 Monthly precipitation and temperature during the growing seasons at Jiexiu, Shanxi (a) and Zhuozhou, Hebei (b)

表1 试验点0～30 cm土壤主要理化性质
Table 1 Main physical and chemical properties of soil (0-30 cm depth) at Jiexiu and Zhuozhou

试点Site占比/% Percentage砂粒aSand粉粒aSilt黏粒aClaypH含量/(g/kg) Content有机质Organicmatter全氮Totalnitrogen有效磷Availablephosphorus速效钾Availablepotassium介休Jiexiu21.173.65.37.416.21.763.3362.8涿州Zhuozhou51.147.21.77.49.91.122.780.5

注：a土壤颗粒划分标准：砂粒，0.05～2.00 mm；粉粒，0.002～0.050 mm；黏粒，<0.002 mm。

Note： a The soil texture is defined as sand, 0.05-2.00 mm； silt, 0.002-0.050 mm and clay, <0.002 mm.

1.2 供试材料

供试材料为从美国引进的高粱不育系62份(表2)。其中，‘622A’、‘623A’、‘624A’和‘625A’ 等4份材料已广泛应用于中国籽粒高粱和能源高粱杂种组合，由中国农业科学院作物所提供；其余58份从美国植物遗传资源保藏中心(Plant Genetic Resources Conservation Unit, ARS, USDA)引进。

表2 供试材料名称Table 2 Names of the test materials

1.3 试验设计和大田管理

2017年分别在山西省介休市田堡村和河北省涿州市中国农业大学涿州实验站试点种植，采用完全随机区组设计，3次重复。小区面积3.6 m2(双行区)。播种方式为人工穴播，每穴播2～3粒，南北行种植，行距60 cm，株距20 cm。三叶期间苗，每穴保留1株壮苗，种植密度为83 333株/hm2。播种前一天一次性施用N 120 kg/hm2，P2O560 kg/hm2，K2O 60 kg/hm2。分别在出苗期和拔节期进行人工除草。抽穗开花前给穗子套半透明的羊皮纸袋以防材料授上花粉。整个生育期不进行人工灌溉。其他田间管理同一般大田。

1.4 取样及指标测定

待成熟后各小区随机选取10穴高粱植株沿地面割下，将所有分蘖和主茎按株高顺序排列，选取中间两株测量株高和茎粗。然后以等间距法取10株带回室内测量重心高度，将茎、叶分离，称量茎、叶鲜重。叶片每隔12.0 cm切取1.6 cm小段为叶样；茎秆每隔15.0 cm取1.0 cm的小段为茎样。将茎、叶鲜样于75 ℃烘干至恒重，求得茎叶含水量并估算总大田生物产量。将茎和叶样品烘干后粉碎过10～100目筛子，用 Thermo Antaris II傅立叶变换近红外(FT-NIR)光谱仪扫描，并按Li等[13]方法测定可溶性糖、纤维素、半纤维素、木质素和灰分的含量，并按茎叶比计算出地上部植株相应的化学成分含量。

1.5 数据分析

应用ChemDataSolution 2.0和TQ Analyst software 9.3.107软件建立高粱化学成分预测模型，并对扫描光谱进行分析，预测模型的建立基于139～145个高粱茎叶样品。样品扫描波长范围为 1 000～2 500 nm，光谱点区间为8 cm-1波数。近红外光谱分析模型的校准、预处理、预测及模型参数见文献[14]。

采用Microsoft Excel 2010计算所测指标的均值和变异系数。应用SPSS 25.0软件进行方差、相关性、主成分和多重比较分析；应用R 3.2.0软件进行聚类分析。应用t检验分析试验点间的差异，所有显著性均在P<0.05水平。

2 结果与分析

2.1 方差分析

基因型对62份高粱不育系材料所有产量和能源品质性状的影响极显著(P<0.01)。环境对62份材料生育期、茎粗、生物产量、可溶性糖含量、纤维素含量、半纤维素含量、木质素含量和灰分含量均有显著影响(P<0.05)。生育期、重心高度、茎粗、可溶性糖含量、半纤维素含量和木质素含量受环境和基因型互作影响显著(P<0.05)(表3)。由F值大小可知，除株高和重心高度外，其他性状变异绝大部分来源于环境间的差异，表明生育期、茎粗、生物产量、可溶性糖、纤维素、半纤维素、木质素和灰分的含量主要受环境影响，而株高遗传较稳定。

表3 高粱基因型与环境方差分析(df=1)Table 3 Analysis of variance (F-value) for yield and quality related parameters of sorghum evaluated over the two study sites (df=1)

注：*表示在P<0.05水平上显著；**表示在P<0.01水平上显著；***表示在P<0.001水平上显著。下同。

Note： *indicates significant effect atP<0.05; ** indicates significant effect atP<0.01; *** indicates significant effect atP<0.001. The same below.

2.2 性状变异分析

2个试点10个性状的变异系数范围为介休市5.5%～34.4%，涿州市5.9%～38.1%。2个试点农艺性状除生育期变异系数较小外，株高、重心高度、茎粗和生物产量变异系数均>10.0%(介休市种植的高粱茎粗除外)，其中生物产量变异系数最大，在介休市和涿州市试点分别为34.4%和38.1%(表4)。2个试点品质性状变异系数表现一致，可溶性糖含量变异系数最大，介休市和涿州市试点分别为21.8%和36.7%；而在2个试点半纤维素和木质素含量变异系数分别为7.2%、8.8%和9.1%、7.4%，灰分变异系数为7.8%和8.9%，纤维素含量的变异系数最小，介休市和涿州市试点分别为5.5%和5.9%。涿州市生育期、生物产量、纤维素、半纤维素、木质素和灰分的含量均值显著高于介休市，而茎粗和可溶性糖含量均显著低于介休市。这一结果表明介休市土壤肥力高有利于可溶性糖的积累，而在半湿润气候条件的涿州市作物生长期更长，有利于木质纤维素的积累。

表4 高粱不育系种质产量和品质性状的变异分析Table 4 Variations of yield and quality related parameters of sorghum evaluated at Jiexiu and Zhuozhou

注：同一列不同的小写字母表示差异在P<0.05水平上显著。下同。

Note： Different lower-case letters in the same coloum indicate significant differences at theP<0.05 level. The same below.

总之，生物产量在62份不同美国高粱不育系间的遗传变异丰富，育种亲本选择的范围大。能源品质性状中可溶性糖含量在种质间的变异系数较大，表明其遗传变异较丰富；而纤维素、半纤维素、木质素以及灰分含量的变异系数较小，尤其纤维素含量变异系数均最低，表明其受环境影响小，遗传较稳定。

2.3 性状相关分析

介休市和涿州市试点，生育期与能源品质指标(包括纤维素、半纤维素和木质素含量呈极显著正相关(P<0.01)，而与可溶性糖含量呈极显著负相关(表5)。生物产量和可溶性糖含量呈极显著正相关(P<0.01)，而与纤维素、半纤维素、木质素和灰分含量均呈显著负相关(P<0.05，介休市试点除木质素含量外)。2个试点能源品质指标之间，可溶性糖含量与纤维素、半纤维素、木质素和灰分的含量均呈极显著(P<0.01)负相关(表5)；纤维素、半纤维素和木质素含量之间呈极显著正相关(P<0.01)，且相关系数较高。上述性状间相关关系在2个试点间表现基本一致，说明其相关关系较稳定，受环境影响较小。

2.4 性状主成分分析

对62份美国高粱不育系材料的产量及能源品质等10个性状进行主成分分析，介休市试点可聚为3个主成分。第一主成分的特征值3.352，贡献率33.520%，3个主成分累计贡献率为70.033%(表6)。可溶性糖含量对第一主成分的影响占主导作用,其特征向量绝对值最大，为-0.921其次是半纤维素(0.902)与木质素含量(0.801)，因此将第一主成分归为碳水化合物因子。株高对第二主成分的影响最大，其特征向量值为0.897，其次是重心高度(0.889)，因此将第二主成分归为株高因子。第三主成分中生育期的特征向量值最大(0.609)，所以将第三主成分称为生育期因子。

表5 高粱不育系种质产量和品质性状间的相关分析Table 5 Correlation analysis of yield and quality related parameters of sorghum evaluated at Jiexiu and Zhuozhou

不育系产量和品质性状在涿州市试点可聚为2个主成分，第一主成分贡献率为47.404%，第二主成分贡献率为17.357%；2个主成分累计贡献率达64.762%。半纤维素在第一主成分特征向量绝对值最大为0.951，其次为可溶性糖(-0.948)与木质素(0.853)，因此可将其称为碳水化合物因子；第二主成分特征向量绝对值最大的是重心高度(0.716)，其次是株高(0.604)，因此，可以归结为株高因子。

介休市和涿州市试点第一和第二主成分均为碳水化合物因子和株高因子，这2个试点累计贡献率分别为57.910%和64.762%，涵盖了高粱不育系种质资源产量和品质性状的主要信息。涿州市试点属半湿润区，高粱生育期显著高于介休市试点，因此其第三主成分中生育期的特征向量值最大，称为生育期因子。因此，高粱地上部作为生物质原料，植株高大和高碳水化合物意味着原料品质好，能源潜力高，是能源高粱育种时应重点关注的性状。

2.5 聚类分析

采用欧氏距离离差平方和方法对62份美国高粱不育系材料的10个性状进行聚类分析，在欧式距离为10时，可将介休市和涿州市种质均聚为3大类群(图2)。介休市试点第Ⅰ类群包括36份材料，占总种质的58.1%，其可溶性糖含量显著高于其他类群，木质纤维素含量显著低于其他类群，为甜高粱选育的有利亲本，尤其42(‘AMP 468’)、43(‘AMP469’)和50(‘AMP488’)较为突出。第Ⅱ类群包括19份材料，这类材料株高和重心高度均值最低属于矮型种质资源，如33(‘AMP453’)和62(‘AMP509’)种质(表7)。第Ⅲ类群包括7份材料，其生物量、可溶性糖含量、木质纤维素含量均较高，灰分含量低，为高产优质种质资源，尤其17(‘AMP428’)、30(‘AMP443’)和49(‘AMP480’)较为突出。

质代码请见表1；Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ分别代表类群1,2,3。下同。 Code of sterile lines are presented in Table 1. Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ represent group 1, 2, 3 respectively. The same below.
图2 山西省介休市(a)和河北省涿州市(b)62份高粱不育系种质资源基于产量和品质性状的聚类图
Fig.2 Clusters figure of 62 sorghum germplasm based on yield and quality related parameters at Jiexiu, Shanxi (a) and Zhuozhou, Hebei (b)

涿州市试点第Ⅰ类群包括22份材料，占总种质的35.5%，这一类群材料植株株高较高，生物产量均值高，可溶性糖显著高于其他类群，木质纤维素和灰分的含量显著低于其他类群，是选育甜高粱的有利亲本，如36(‘AMP459’)、40(‘AMP466’)，43(‘AMP469’)、44(‘AMP470’)和45(‘AMP472’)表现突出。第Ⅱ类群包括27份材料这一类群材料主要特点是植株矮小，生物产量低，木质素含量及灰分均值较高，为不适宜用于能源高粱选育的种质资源(表7)。第Ⅲ类群含有13份材料，这类材料生育期长，生物产量高，木质纤维素含量显著高于其他类群，如17(‘AMP428’)和27(‘AMP438’)是生物质高粱品种改良的优良亲本。

不育系‘AMP428’和‘AMP469’在2个试点均表现出较高的能源潜力为适应性广的优良高产亲本；介休市和涿州市试点能源潜力较高的亲本分别为‘AMP443’、‘AMP468’、‘AMP480’、‘AMP488’和‘AMP438’、‘AMP459’、‘AMP466’、‘AMP470’和‘AMP472’。

表7 介休市和涿州市试点不同类群产量和品质性状均值Table 7 Average values of yield and quality related parameters of sorghum evaluated in three classifications at Jiexiu and Zhuozhou

3 讨论与结论

3.1 不育系产量和能源品质性状分析

本研究对62份美国高粱不育系产量和能源品质等10个性状在2个不同地点的基因型与环境方差分析结果表明，基因型、环境及其互作对绝大多数高粱产量和品质性状均有显著影响，但环境因素起主导作用。这与陈展宇等[15]研究得到的环境作用对甜高粱糖锤度和产量超过基因型和基因型与环境互作效应的结果相一致。Tang等[16]对能源高粱在3个不同地点的研究也发现能源高粱株高、可溶性糖含量、木质纤维素含量、灰分、生物产量和理论乙醇产量受环境影响较大。此外，Zhao等[17]研究发现基因型和环境对高粱碳水化合物含量、地上部生物产量及理论乙醇产量均具有显著影响。总之，高粱地上部生物产量和品质性状在不同环境下变异较大，且环境因素起主导作用。因此，在能源高粱育种亲本选择时，应在目标环境下对亲本的产量和品质性状进行评价。

性状的变异系数能反映其遗传多样性，变异系数越大，育种亲本选择的范围也大。本研究对62份美国高粱不育系10个性状变异分析表明，生物产量和可溶性糖含量在不同种质材料间的差异较大，表现出较丰富的遗传变异；而纤维素含量、半纤维素含量、木质素含量以及灰分的变异系数较小，尤其纤维素含量变异系数最低，表明遗传特性较稳定。这些结果与Tang等[16]研究发现能源高粱可溶性糖含量(34.5%)变异系数较大，而纤维素和半纤维素含量相对稳定的结果相一致。此外，同一高粱种质在不同试验点的产量和品质性状上表现出显著的差异，介休点半干旱条件土壤肥力高有利于积累可溶性糖，而涿州点半湿润气候生长期较长有利于积累木质纤维素。说明高粱产量和能源品质性状受基因和环境互作影响较大[18]，因此能源高粱育种可以合理利用基因与环境互作效应选育出目标环境下高产优质的品种[19]。

高粱不育系产量和品质性状间相关关系在2个试点间表现一致，受环境影响较小。2个试点结果均表明生物产量和可溶性糖含量呈显著正相关，而与其他品质指标如纤维素含量、半纤维素含量、木质素含量和灰分均呈显著负相关。能源品质指标之间，可溶性糖含量与纤维素含量、半纤维素含量、木质素含量和灰分均呈极显著负相关；纤维素含量、半纤维素含量和木质素含量之间呈显著正相关，且相关系数较高。这一结果与Li等[13]研究得出能源高粱半纤维素含量与可溶性糖含量极显著负相关，与木质素含量和灰分及显著正相关的结果一致。因此，可同时选择可溶性糖含量高，而半纤维素含量、木质素含量和灰分含量这3个性状较低的亲本以获得较高的能源潜力。

3.2 不育系优良种质筛选

主成分分析可以将多个性状有效降为少数几个主成分，同时反映出原有性状的主要信息，极大的提高了育种目标性状的选择效率[20]。本研究中，62份美国高粱不育系的10个性状在2个试点前2个主成分均为碳水化合物因子和株高因子，介休市和涿州市试点累计贡献率分别为57.910%和64.762%，涵盖高粱不育系种质资源产量和能源品质性状的主要信息。因此，高粱地上部作为生物质原料，植株高大和高碳水化合物意味着原料品质好，能源潜力高，是能源高粱育种时应重点关注的性状。此外，涿州市试点属半湿润区，高粱生长周期长，因此在半湿润环境下选育高粱不育系时生育期也是不容忽视的重要性状。

聚类分析的不同类群划分反映了种质资源间遗传距离的远近，同一类群材料间遗传距离较近，不同类群材料间遗传距离较远。62份不育系材料在2个试点均聚为3大类群，但2个试点间不同性状优势类群不同。因此，今后能源高粱育种可根据目标环境条件选择相应的优势类群合理利用基因和环境互作进行组配，有利于高产优质能源高粱品种的选育。