山西省新征高粱种质资源的遗传多样性分析

李 萌，秦慧彬，王宇楠，穆志新

(山西农业大学农业基因资源研究中心(山西省农业科学院农作物品种资源研究所)/ 农业部黄土高原作物基因资源与种质创制重点实验室/ 杂粮种质资源发掘与遗传改良山西省重点实验室，太原 030031)

高粱(SorghumbicolorL. Moench)起源于非洲，具有适应性强(抗旱、耐瘠、耐盐、耐涝)，生物产量高等特点[1]，在山西省具有悠久的栽培历史[2]，是山西省旱作农业的高产稳产作物[3]。山西高粱种植区分为春播早熟区和春播晚熟区[4]，长期的种植和选择形成了遗传多样性的高粱种质资源。20世纪50年代，山西省就开始了高粱种质资源的收集，“七五”到“九五”期间共向国家种质库提供国内外高粱种质资源3 298份。同时对这些种质资源进行性状和特性鉴定，筛选出一批农艺性状优良、抗逆性强的资源材料应用于高粱育种和生产，如三尺三(汾阳)，离石黄(离石)。地方品种三尺三(汾阳)是我国春播晚熟区主栽高粱杂交种晋杂5号的亲本之一[5]，在高粱生产上发挥了重要作用。

种质资源的收集评价是实现育种目标的基础。不断收集、鉴定、创制新的种质资源是保证实现不断变化的高粱育种目标的前提，因此对高粱种质资源的收集、保存、评价和利用是一个长期的重要任务[6]。2010—2017年间山西农业大学农业基因资源研究中心继续征集山西高粱地方新种质资源111份，进入国家中长期种质资源库保存，同时进行田间农艺性状鉴定和遗传多样性评价，了解新征集的种质资源形态学水平上生物遗传多样性及资源间的亲缘关系，分析种质资源与区域的关系，为高粱种质资源的开发利用和育种提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为111份高粱新种质，均由山西农业大学农业基因资源研究中心在2010—2017年间从山西省8市26个县高粱资源考察中征集。

1.2 试验设计和调查性状

2018年111份高粱资源种植于山西省农业科学院东阳试验基地。试验采用完全随机设计，2行区，行长5 m。按照《高粱种质资源描述规范和数据标准》[7]的方法，调查山西省地方高粱资源的植物学特征和生物学特性，包括芽鞘色、幼苗色、分蘖性、主脉色、穗型、穗形、颖壳包被度、壳色、粒色、着壳率、角质率等11个质量性状和株高、茎粗、穗长、穗柄长、穗粒重、千粒重等6个数量性状。

表2 111份高粱地方种质资源地区性状的遗传多样性指数

1.3 数据分析

按照《高粱种质资源描述规范和数据标准》[7]，对11个质量性状进行规范和赋值，计算各质量性状的频率分布和多样性指数。

对6个数量性状计算平均值、标准差、变异系数、变幅、极大值、极小值和多样性指数。根据平均数(X)和标准差(s)将种质分为10级，依0.5s为间距，从第1级Xi<(X-2s)到第10级Xi>(X+2s)[8]。Shannon-Weaver 多样性指数[9]H′=-∑PilnPi用于衡量遗传多样性的大小，其中Pi为某一性状第i级别内材料份数占总份数的百分比， ln为自然对数。利用SPSS 19.0软件用离差平方和聚类方法对111份高粱材料进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 新征集高粱地方种质资源的行政区多样性分析

新征集的111份高粱种质资源的多样性在行政区域间差异很大。由表1可以看出，从吕梁收集到的资源最多，为21份；其次是晋城和忻州，均为15份，晋中、临汾、运城征集到的资源也较多，均为14份；大同征集到的资源最少，仅8份。各地市新征集的高粱种质多样性指数有所差异，变化范围为0.915～1.376。从吕梁和晋城收集到的高粱资源多样性指数分别为1.376 和1.317，遗传变异最大。 而从长治收集到的10份资源多样性指数最低(0.915)，遗传变异小于从大同收集到的8份种质(0.991)。

111份高粱种质资源的性状遗传多样性因不同行政区域而异。由表2可知，高粱种质幼苗叶色的遗传多样性指数在8个行政区域中均为最低，说明此性状受环境影响较小。吕梁市的高粱资源千粒重和主穗柄长度的多样性指数分别为2.083和2.071，遗传变异在8个行政区域中均为最大，说明这2个性状受环境影响较大。晋城市高粱资源的单穗粒重多样性指数最高(为1.864)；而忻州的高粱种质的株高多样性指数最高(为1.841)。

2.2 新征集高粱地方种质资源的质量性状多样性分析

111份新征高粱地方种质的10个质量性状存在较广泛的遗传变异。由表3可知，10个质量性状中穗型、穗形、颖壳包被度、壳色、粒色、粒形的多样性指数均大于1.000，代表了111份种质多样性的主要差异。其中粒色的遗传多样性指数最高，为1.733，变异最为丰富，而111份种质的幼苗叶色均为绿色，遗传多样性指数最低。从频率分布来看，粒色分白、灰白、浅黄、黄、橙、红、褐、黑等8种，以黄色、橙色和红色为主，占74.7%。其次为褐色(12.6%)、灰白(3.6%)和浅黄(3.6%)。白色和黑色的籽粒最少，均为2.7%。穗形以伞形和帚形最多，占63.0%。穗型以侧散最多，占42.3%。壳色以红色和褐色为多，占54.9%，其次为黄色和白色，分别占19.8%和15.3%，紫色(7.2%)和黑色(2.7%)最少。颖壳包被度以全包被最多，占32.4%。粒形以椭圆形和长圆形为主，占71.1%，其次为卵形(19.8%)和圆形(9.0%)。因此，111份新征高粱地方种质的形态集中于帚形、侧散、颖壳全包被、红壳、黄粒和籽粒椭圆形。

表3 111份高粱地方种质资源数量性状主要参数和多样性指数

2.3 新征集高粱地方种质资源的数量性状多样性分析

新征高粱地方种质资源7个数量性状存在不同程度的变异。由表4可知，7个数量性状的变异系数平均值为28.11%，变幅4.92%～41.99%，其中，穗长的变异系数最大，全生育期的变异系数最小。7个数量性状遗传多样性指数平均值为1.742，变化范围为0.362～2.051，其中千粒重遗传多样性指数最高，茎粗遗传多样性指数最低。

111份高粱地方种质的平均株高为(293.10±79.92)cm，变异系数27.27% ，多样性指数2.051， 其中来自大同市天镇县的“低顶高粱”种质的株高最低，为125.00 cm，而来自忻州市五台县的“扫帚高粱”株高最高，为519.90 cm。茎粗平均值为(1.48±0.32)cm，变异系数21.62%，多样性指数0.362，其中来自临汾市汾西县的“桃黍”茎最粗，为2.70 cm，而运城市夏县的“甜杆高粱”茎最细，仅为0.12 cm。 穗长平均值为(30.60±12.85)cm，变异系数47.99%，多样性指数1.924 5，来自长治市武乡县的“高粱”的穗最长，为63.40 cm。穗柄长平均值为(43.60±15.07)cm，变异系数34.56% ，多样性指数1.953 7，来自吕梁市兴县的“散穗高粱”的穗柄最长，为93.80 cm，而吕梁市石楼县的“三尺三”的穗柄最短，仅为19.50 cm。穗粒重平均值为(40.40±15.48)g，变异系数38.32% ，多样性指数1.837 0，来自晋中市平遥县的“大丁香”的穗粒重最高，为106.10 g。千粒重平均值为(22.69±6.37)g，变异系数28.07% ，多样性指数2.054 9，来自吕梁市石楼县的“三尺三”的千粒重最高，为37.30 g。生育期平均值为(117.59±5.78)d，变异系数在7个数量性状最小(4.92%)，多样性指数为2.01，来自临汾市汾西县的“桃黍”最晚熟，生育期134 d，而晋城市泽州县的“老鸦窝”最早熟，生育期105 d。

表4 111份高粱地方种质资源数量性状主要参数和多样性指数

图1 111份高粱种质资源的聚类图

2.4 新征集高粱地方品种资源的遗传聚类分析

采用17个农艺性状对新征集高粱地方种质资源进行遗传聚类分析，在遗传距离为5.4处，将111份种质划分为五个类群(图1)。聚类结果清晰地具有行政区域聚类的特点。第Ⅰ类主要包括来自晋中市、运城市和长治市的高粱种质；第Ⅲ类主要包括忻州市和临汾市的高粱资源；第Ⅴ类主要包括吕梁市的高粱资源。晋城市的高粱地方品种分散于5个类群中，说明晋城市地区新征集到的高粱资源遗传多样性最为丰富。

3 结论与讨论

高粱种质资源遗传多样性的研究是种质资源的保存与利用的基础，对于选育高产，抗病和适应性广的高粱新品种具有指导意义。种质资源利用的潜在价值在于对不同种质采取签定技术的有效性和可靠性。前人应用不同的方法研究高粱的遗传多样性和群体结构[10-12]，但形态学水平上生物遗传多样性研究具有简单、易行、快速的特点，至今仍在不同作物种质资源鉴定和评价中广泛应用[13,14]。本研究采用多样性指数、变异系数等方法，通过分析新征集高粱地方品种资源的形态、农艺性状数据，揭示了不同行政区域征集的高粱种质的遗传多样性特点及其资源间的亲缘关系，为筛选优异资源选择杂交亲本、建立杂种优势群提供了理论基础。本研究10个质量性状中粒色的遗传多样性最高(1.733)，与赵香娜等[15]，冯国郡等[16]和何继红等[6]的结果类似。7个数量性状中千粒重的多样性指数最高(2.055)，株高次之(2.051)。数量性状的遗传多样性都高于质量性状，与冯国郡等[16]的结果类似，说明新征集高粱地方品种资源产量性状组成和生育期遗传多样性丰富，为高产、早熟高粱新品种培育提供了重要的新种质。对这些新征集高粱地方品种资源的进一步鉴定和评价应包括品质性状和抗逆性如抗病虫，耐不良环境(旱涝、盐碱、酸土、冷凉高湿等)， 为组配选育优质高产的抗病、抗虫新品种提供理论支撑。

本研究采用17个农艺性状在遗传距离为5.4的位置将111份新征集高粱地方种质划分为五个类群，除晋城市地区15份种质分散于各个类群外，来自相同行政区域的种质归入一群。聚类分析结果与前人在新疆甜高粱[16]，甘肃省新征集高粱地方品种资源[6]和贵州省白酒用糯高粱[10]遗传多样性聚类分析结果相同，即同一生态环境的高粱种质因长期自然选择和人工选择而适应当地生态环境，导致种质间性状遗传差异小，所以自然归入一类。晋城市地区15份种质虽然来自于同一行政区域，但是由于人文选择方向不同选择频率不同，或地方品种和栽培品种间可能的高频自然杂交，形成了遗传差异较大的种质，导致晋城市地区15份种质被归入不同类群。有必要进一步应用现代组学(omics)技术包括基因分型测序技术[17]研究新征集高粱地方品种资源遗传多样性和群体结构，从分子和基因组学水平上揭示山西省高粱种质的遗传结构特征，为高粱种质的保存和育种提供理论依据和实践指导。