杂交谷子重组自交系群体农艺性状分析

赵 芳， 张晓磊， 魏 玮， 赵治海， 王晓明， 宋国亮

(张家口市农业科学院/国家谷子改良中心张家口杂交谷子分中心/河北省杂交谷子工程技术研究中心， 河北 张家口 075000)

path analysis; genetic analysis

随着全球气候的不断变化，水资源紧缺问题日益突显。据统计，全球每年因干旱导致的粮食减产占减产总量的50%以上，干旱成为影响粮食作物产量的最主要的非生物胁迫。因此，在现代作物科学研究工作中，提高作物的抗旱性已成为急需解决的关键问题之一[1-2]。谷子(Setarialitalica(L.)Beauv.)具有耐旱、耐贫瘠、籽粒营养丰富、谷草品质优良等特点，在作物抗旱种质资源利用方面具有独特的研究价值。谷子全基因组测序的完成为研究谷子功能基因组提供录入平台，发掘与鉴定谷子抗旱基因资源，探索谷子抗旱机制对于促进其基因资源的利用和抗旱育种有着极为重要的理论和实践意义[4]。

谷子的耐旱性较强，但其耐旱机制目前尚不明确，且不同品种的抗旱能力存在着明显的差异。刘婧等[5]利用全生育期干旱法对68份谷子种质资源进行抗旱性评价，发现干旱胁迫对穗长的影响大于株高的影响。冯小磊等[6]，通过调查单株谷重、株高、穗长、分蘖、单穗谷重和草重等农艺性状筛选出适合旱作地区种植的谷子杂交种DH 2。秦岭等[7]以-0.5 MPa的PEG-6000作渗透介质模拟干旱条件，对不同生态区的谷子品种(系)进行种子萌发耐旱鉴定。根据萌发耐旱指数，将201份谷子品种(系)划分为极抗旱、抗旱、中度抗旱、不抗旱和极不抗旱5个等级。

全生育期抗旱一般采用旱棚、旱池、人工遮盖或降水量少的干旱地区田间种植，但此法存在周期长、消耗人力、材料数量相对受限等因素，目前在谷子抗旱鉴定中研究应用较少[8-9]，但结果更为可靠[8]。现有一种在极度干旱地区鉴定的方法[6,10]，它是指在极干旱地区田条件下只在播种前浇适量底墒水，覆膜后全生育期不再浇水，最终以株高、穗长、粒重、草重等指标评价材料的抗旱性，方法相对简单易行。

为了更进一步了解谷子的抗旱性，寻找新的抗旱高产育种资源，本研究以张杂谷3号的341个RIL群体为材料，通过分析了抽穗期、倒二叶长、倒二叶宽、株高、茎秆粗度、伸长节节数、有效穗数、穗颈长度、穗长、穗粗、穗码数、码粒数、穗重、穗粒重、草重和千粒重等16个主要农艺性状的遗传变异，通过相关性分析、逐步回归分析、通径分析和聚类分析等4种分析方法，深度挖掘影响杂交谷子单株穗粒重的重要因子，筛选综合性状表现优良的株系，为高产杂交谷子的选育提供指导，也为开展重要谷子农艺性状的QTL定位奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用张杂谷3号(不育系A 2×冀张谷1号×SR 3522)分离341株F20重组自交系群体，于2018年在甘肃敦煌市甘肃省农业科学院基地(40°8′N，94°41′E)进行，所用材料由张家口市农业科学院谷子所提供。

1.2 试验方法

本试验每个株系种植1个小区，每小区种植4行，行长1 m，行距0.33 m，小区面积1 m2，中等肥力，覆膜穴播，整个生育期不浇水，常规田间管理。

1.3 农艺性状调查

田间性状调查参照《谷子种质资源描述规范和数据标准》[11]进行，田间观察记载抽穗期，于灌浆期田间测量倒二叶长、倒二叶宽、株高、茎秆粗度、伸长节节数、成穂茎数、穗颈长度、穗长、穗粗，成熟收获时每小区连续取 10 株调查穗重、穗粒重、单株草重、穗码数、码粒数、千粒重等指标。

1.4 数据分析

采用Excel 2010软件对各性状的平均值、标准差、变异系数等进行统计分析，用SAS 8.1软件(SAS Institutie，美国)的ANOVA程序进行数据方差分析，用F测验进行亲本间各农艺性状的差异比较，用Duncan’s 法进行各类群间农艺性状差异的显著性检验和多重比较分析。农艺性状之间的Pearson相关性分析、主要农艺性状对单株籽粒质量的逐步多元回归、通径分析采用SPSS 19.0软件完成。应用SAS软件中的组建联接进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 亲本及RIL群体主要农艺性状的评价

亲本主要农艺性状的方差分析表明(表1)，父本的倒二叶长、株高和茎秆粗度高于A 2，但差异不明显。父本的穂重和穗粒重显著高于A 2(p<0.01)。父本成穂茎数显著低于A 2(p<0.01)。父本的抽穗期和单株草重低于A 2，差异不明显。两亲本的倒二叶宽、伸长节节数、穂颈长度、穂长、穂粗、穂码数、码粒数和千粒重等8个性状差异不明显(p>0.05)。

RIL群体中各个主要农艺性状存在较大差异(表1)。成穂茎数的变异系数最大(40.43%)，码粒数(35.86%)次之，千粒重(7.91%)最小。RIL群体16个农艺性状的偏度和峰度基本小于1，呈现出典型的数量性状特征，所有性状值呈连续性且类似正态分布(图1)，表明所调查的性状均为多基因控制的数量性状。除了倒二叶宽、伸长节节数、单株草重和千粒重外，其他12个性状均存在明显的超亲分离现象。在RIL群体中，抽穗期、倒二叶长、株高、茎秆粗度、成穂茎数和穂重的平均值介于双亲之间，倒二叶宽、伸长节节数、单株草重平均值低于双亲，而穗颈长度、穂长、穗粗、穂码数、码粒数和千粒重平均值均大于双亲。

表1 亲本和重组自交系群体主要农艺性状的表型变异Table 1 Phenotypic variation of main agronomic traits in parents and RILs

2.2 RIL群体主要性状的相关性分析

由 RIL 群体各农艺性状的相关性分析可知，穗粒重与抽穗期、成穂茎数、单株草重和穂重均呈极显著正相关，与倒二叶长、茎秆粗度、伸长节节数和千粒重呈极显著负相关。说明育种中应选择生育期较长，分蘖较多，单株草重和穗重较重的材料。同时，抽穗期与倒二叶长、茎秆粗度、伸长节节数、穗码数、单株草重和穗粒重均呈极显著正相关，与成穂茎数、穗颈长度、穗粗、码粒数呈极显著负相关；成穂茎数与穗颈长度、穂粗、穗重、穗粒重均呈极显著正相关，与抽穗期、倒二叶长、倒二叶宽、株高、茎秆粗度、伸长节节数、码粒数和千粒重呈极显著负相关；单株草重与抽穗期、倒二叶长、穗码数、穗粒重均呈极显著正相关，与码粒数呈极显著负相关；穗重与成穂茎数、单株草重、穗粒重均呈极显著正相关，与倒二叶长、茎秆粗度、伸长节节数和千粒重呈极显著负相关(表2)。

表2 谷子RIL群体各农艺性状的相关分析Table 2 Correlation analysis of agronomic traits in RILs of millet

2.3 单株穗粒重对农艺性状的逐步回归分析

以穗粒重 (Y) 为因变量，以抽穗期(X1)、倒二叶长(X2)、倒二叶宽(X3)、株高(X4)、茎秆粗度(X5)、伸长节节数(X6)、成穂茎数(X7)、穗颈长度(X8)、穗长(X9)、穗粗(X10)、穗码数(X11)、码粒数(X12)、单株草重(X13)、穗重(X14)、千粒重(X15)为自变量进行多元逐步回归分析，删除偏回归参数不显著的自变量，根据回归系数输出结果 (表 3) 获得的最优的线性回归方程：

Y=-0.693-0.181X4+2.096X7+0.271X9+0.191X10+0.175X14+1.032X15。该方程拟合度R2为0.920，即该方程可解释穗粒重92.0% 的表型变异，说明株高、成穂茎数、穂长、穂粗、穗重和千粒重是影响穗粒重的主要因素，其中成穂茎数、穂长、穂粗、穂重和千粒重每增加1个单位，穗粒重平均分别增加2.096、0.271、0.191、0.175 g和1.032 g，而株高每增加1个单位，穗粒重减少 0.181 g。

表3 单株穗粒重对农艺性状的多元回归分析Table 3 Multiple regression analysis of the kernel weight of spike per plant to agronomic traits

2.4 主要农艺性状对穗粒重的通径分析

为明确杂交谷子14个农艺性状对单株穗粒重的具体作用，参照宋小园等[12]方法进行通径分析，计算出各性状的间接通径系数，结果表明(表4)，这14个性状对穗粒重的直接贡献大小依次为：千粒重、穂重、成穂茎数、穂粗、穂长、抽穗期、倒二叶宽、倒二叶长、穂颈长度、伸长节节数、码粒数、茎秆粗度、穂码数和株高。其中千粒重、穂重、成穂茎数、穂粗、穂长和抽穗期对穗粒重的正向直接作用，直接通径系数分别为0.826、0.192、0.077、0.062、0.051和0.011，而株高、倒二叶宽、穂码数、茎秆粗度、伸长节节数、码粒数、穂颈长度和倒二叶长对穗粒重是负向直接作用，通径系数分别为-0.123、-0.043、-0.026、-0.022、-0.022、-0.021、-0.021、-0.018和-0.005。说明千粒重大、穗重较重、分蘖多、穗比较粗和长、生育期较长是杂交谷子穗粒重大的主要表现特征。

表4 谷子单株粒质量与主要农艺性状的通径分析Table 4 Path analysis of grain weight per plant and main agronomic traits in millet

2.5 RIL群体农艺性状的聚类分析

基于16个农艺性状的表型值对RIL群体的聚类分析显示，在欧式距离为25.0处可划分为六类(图2)，各类群主要农艺性状平均值统计结果(表5)。第Ⅰ类群包括269份材料，其主要特征是抽穗期63.2 d；倒二叶长均值为40.53 cm；倒二叶宽均值为2.79 cm；株高、茎秆粗度、穂颈长度和穂粗的均值为77.13 cm、10.42 mm、26.68 cm、36.43 mm，在六大类群中均排名第2位；伸长节节数、成穂茎数、穂长、穂码数和单株草重的均值为15.92节、2.4个、23.85 cm、80.37、75.54 g，在六大类群中均排名第3位；穗粒重和千粒重的均值为60.89 g、3.2 g，排名第4位。综合分析这些性状，该类群中生育期较长，属中晚熟类型，植株较高，茎秆较粗，穂颈较长，穂较粗，但产量较低。

表5 不同类群间农艺性状聚类统计Table 5 Cluster analysis of agronomic traits among different groups

第Ⅱ类群包括60份材料，其主要特征是抽穗期60.9 d；倒二叶长均值为40.8 cm；倒二叶宽均值为2.9 cm；株高、茎秆粗度、伸长节节数和穗粗的均值为83.45 cm、10.71 mm、15.92节、39.78 mm，排第1位；码粒数的均值为219.9，排第2位；千粒重的均值为3.28 g，排第3名；穗颈长度、穂长和穂码数均值为25.56 cm、23.39 cm、72.89，排第4位；成穂茎数、穗长、单株草重、穗粒重的均值为1.84个、61.78 g、55.92 g，排第5位；穂重的均值为70.63 g，排第6位。综合分析这些性状，该类群中生育期中等，属中熟类型，植株最高、茎秆最粗、伸长节节数最多、穗最粗，但穗重、穗粒重在各类群中处于较低水平。

第Ⅲ类群包括8份材料，其主要特征是抽穗期73.3 d；倒二叶长均值为42.68 cm；倒二叶宽均值为2.71 cm；穗码数和单株草重均值为86.32、119.67 g，排第1 位；穂颈长度和千粒重的均值分别为25.88 cm、3.21 g，排第3位；茎秆粗度、成穂茎数和穂重的均值为9.79 mm、2.25个、80.22 g，排第4位；株高、伸长节节数和穂长均值为63.61 cm、15.25节、22.87 cm，排第5位；穗粗、码粒数和穗粒重的均值为33.62 mm、56.42、48.98 g，在6大类群中均排6位。综合分析这些性状，该类群中生育期最长，属晚熟类型，穗码数最多，单株草重最重，产量最低。

第Ⅳ类群包括2份材料，其主要特征是抽穗期58.7 d，倒二叶长均值为41.25 cm；倒二叶宽均值为2.9 cm；穂颈长度和码粒数的均值为33 cm、356.33，在6大类群中均排第1位；伸长节节数和穂长的均值为16节、24.95 cm，排第2位；穂重和穗粒重的均值为80.22 g、61.88 g，排第3位；株高、穂粗和单株草重的均值为74.22 cm、35.69 mm、65.08 g，排第4位；茎秆粗度和千粒重的均值为9.36 mm、3.13 g，排第5位；成穂茎数和穂码数的均值为1.33个、62.25，排第6位。综合分析这些性状，该类群中生育期较短，属早熟类型，穂颈最长，码粒数最多，分蘖最少，产量属中等水平。

第Ⅴ类群包括1份材料，其主要特征是抽穗期59 d；倒二叶长均值为37.97 cm；倒二叶宽3 cm；成穂茎数、穂长、穂重和穗粒重的均值为3.33个、28.57 cm、173.6 g、122.27 g，排第1位；穂粗和单株草重的均值为37.94 mm、114.05 g，排第2位；株高、茎秆粗度和穂码数的均值为78.7 cm、10.11 mm、80.33，排第3位；伸长节节数和码粒数的均值为15.67节、179.67，排第4位；穂颈长度的均值为24.4 cm，排第5位；千粒重的均值为2.86 g，排第6位。综合分析这些性状，该类群中生育期较长，属晚熟类型，分蘖最多、穂最长、穂重和穗粒重最重，但千粒重最轻，产量属上等水平。

第Ⅵ类群包括1份材料，其主要特征是抽穗期36 d；倒二叶长为46.6 cm，倒二叶宽为2.6 cm；千粒重均值分别为3.52 g，在6大类群中均排第1位；成穂茎数、穂重、穗粒重为2.5个、111.48 g、94.26 g，在6大类群中排均第2位；码粒数的均值为183，在6大类群中均排第3位；穂粗和穂码数的均值为34.16 mm、67，在6大类群中均排第5位；株高、茎秆粗度、伸长节节数、穂颈长度和穂长的均值为61.33 cm、6.55 mm、13.33节、16.03 cm、19.63 cm，在6大类群中均排第6位。综合分析这些性状，该类群中生育期最短，属早熟类型，千粒重最大，分蘖较多，穂重和穗粒重较大，产量属中上等水平。

3 讨 论

育种工作者为了满足生产需要而创造遗传变异，通常把农艺性状作为谷子种质资源鉴定评价的重要依据。郭德仁等[13]对谷子杂交种F1、F2早熟性遗传进行研究分析，发现在F2群体中抽穗期分离趋势以中间型为主并趋于早熟亲本。马金丰等[14]以嫩选15和大金苗杂交组合F2群体为研究材料，该组合中株高、穗长、节数、茎长穗粗等主要农艺性状的偏度和峰度几乎都小于1，呈正态分布。各农艺性状之间均呈显著性正相关。刘晓辉等[15]对谷子8个组合F2代的6个性状遗传变异进行分析，F2群体普遍存在超亲遗传现象，其穗重、码数、千粒重和株高等性状分离均呈单峰曲线，近似于正态分布。本研究结果显示，RIL群体亲本成穂茎数、穂重和穗粒重存在极显著差异。RIL群体中16个主要农艺性状变异丰富，分布频率呈近似正态分布，普遍表现双向超亲分离，表明所调查性状均是受微效多基因控制的数量性状。

农艺性状相关性分析表明，穗粒重与抽穗期、成穂茎数、单株草重和穂重均呈极显著正相关，与倒二叶长、茎秆粗度、伸长节节数和千粒重呈极显著负相关。这与张艾英等[16]和李会霞等[17]利用谷子种质资源分析农艺性状相关性的结论基本一致。说明在该区域可以通过适当延长生育期来提高谷子的结实性及成穗数，进而达到提高产量的目的。但是生产实践中，谷子性状遗传和表型相关存在一个极其复杂的关系，单一性状作为有效相关选择十分困难，在育种中需要对多种相关性状进行综合考虑，既对主要目的性状选择严格把关，又要兼顾其他优良性状[14]。

产量构成因子之间遗传关系复杂，不能仅凭相关系数的大小判断影响产量的主要因素。本研究中，穗粒重与农艺性状的多元回归分析表现出良好的拟合度(R2=0.920)，表明本研究调查的性状基本上涵盖了影响穗粒重的主要性状。进一步通径分析表明，千粒重、穂重、成穂茎数、穂粗、穂长、抽穗期、倒二叶宽、倒二叶长、穂颈长度、伸长节节数、码粒数、茎秆粗度、穂码数和株高是影响单株穗粒重的主要因素，其中抽穗期、成穂茎数、穂长、穂粗、穂重和千粒重对穗粒重的正向直接作用较大，而倒二叶长、倒二叶宽、株高、茎秆粗度、伸长节节数、穂颈长度、穂码数和码粒数通过对单株穗粒重的负向间接作用较大，说明生育期较长、分蘖较多、穂较长较粗、穂重和千粒重较大是旱地高产谷子的育种目标。这与赵禹凯等[18]的研究结果基本一致。

在遗传分离群体中易于获得超亲和具有良好综合性状的株系，是筛选有较高育种价值株系的有效资源。本试验基于农艺性状的表型值，在欧式距离为25.0处将RIL群体的341个株系聚类为六类，平均值分析结果表明，第Ⅴ类群的1个株系的平均成穂茎数、穂长、穗粒重和穗重质量最高，第Ⅵ类群的1个株系的千粒重、穗粒重和穗重等性状综合表现良好，因此这两个类群可用于西北旱地高产谷子的育种实践。