大麦籽粒大小的遗传多样性与稳定性评价

洪 益，朱 娟，于国琦，姚佳延，杨天赐，吕 超，郭宝健，许如根

(植物功能基因组学教育部重点实验室/江苏省作物基因组学与分子育种重点实验室/江苏粮食作物现代产业技术协同创新中心/扬州大学农业科技发展研究院，江苏扬州 25009)

大麦(L.)是世界上第四大禾谷类作物，根据用途不同，可分为饲用、啤用和食用大麦。千粒重是大麦产量构成因素之一，也是衡量籽粒大小的一个重要指标。籽粒大小与其长度、宽度、长宽比及厚度等粒型性状有关。不同用途大麦对籽粒大小要求不同，啤用大麦和食用麦仁大麦要求籽粒大而饱满，茶用大麦以小粒为宜。大麦籽粒大小与棱型、着粒密度及籽粒的皮裸等性状有关，与水稻、小麦等作物一样也受生态条件和栽培技术影响。陈晓东等研究认为，大麦粒重与棱型有关，与皮裸无关，二棱大麦粒长大于六棱大麦，皮大麦粒长大于裸大麦，而粒宽与皮裸的关系不显著；张新忠等研究表明，二棱大麦粒长、粒宽、粒重均高于六棱大麦；董明辉等研究发现，水稻粒位影响灌浆与粒重。适当迟播有利于大麦千粒重的提高。但有试验结果显示，随着播种期推迟，大麦籽粒长度与长宽比增加，而粒厚、粒宽以及千粒重显著降低。千粒重稳定性不仅是一个重要的产量性状，而且与酶活性、蛋白质含量等啤用品质密切相关。如啤酒大麦粒重与β-淀粉酶活性及蛋白质组分含量呈极显著相关；播期推迟会降低粒重和籽粒蛋白质含量。不同大麦品种(系)籽粒性状对土壤营养、播期等反应不同，因此对大麦种质资源籽粒性状评价和筛选有助于大麦产量和品质的提高。本研究以不同来源的185份大麦品种(系)为材料，通过多年多点试验，测定分析了大麦籽粒大小性状的遗传多样性与稳定性，以期为大麦品种粒形与粒重改良提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以185份来源不同的大麦品种(系)为材料，其中二棱皮大麦94份，二棱裸大麦3份，六棱皮大麦66份，六棱裸大麦22份(表1)。

表1 参试品种(系)的基本信息表Table 1 Basic information of varieties(lines)

(续表1 Continued table 1)

1.2 试验设计

2018年10月将参试材料种植于扬州大学实验农场(E1801)和大中农场农科所(E1802)，行长0.6 m，株距6 cm，行距25 cm，每行点播10粒种子，3次重复。2019年10月将参试材料种植于扬州大学遗传育种试验田(E1901)、盐城南洋试验场(E1902)、大中农场农科所(E1903)、临海农场农科所(E1904)，采用穴播方式，每穴8粒种子，行长1.5 m，穴距30 cm，3次重复。2019年11月，在扬州大学遗传育种试验田进行晚播试验(E1905)，采用点播方式种植大麦材料，行长 0.4 m，行距25 cm，株距4 cm，每行点播10粒种子，3次重复。

1.3 性状测定

成熟后，每品种(系)随机收30穗左右，脱粒、晒干、去杂，利用万深SC-G型自动考种仪测定各品种(系)千粒重、粒长、粒宽和籽粒长宽比。

1.4 数据分析

1.4.1 描述性统计

利用SPSS 21.0和R语言处理试验数据，计算各品种(系)籽粒性状的最小值、最大值、均值、变异系数和标准差，并进行方差分析和相关性分析。根据参试材料籽粒大小性状表型的均值μ和标准差σ，将其划分为10级，从第1级(<-2)到第10级(>+2)每间隔0.5 σ为一级，计算每一级相对频率，从而得到遗传多样性指数′。′=-∑ln，式中为某性状第级别材料份数占总份数的百分比。

1.4.2 稳定性分析

AMMI 模型是联合方差分析与主成分分析，具有可加可乘分量的一个数学模型。该模型的方程以及稳定性参数计算公式如下：

式中，是第个品种(系)的性状在第个环境下第次重复表型值，为性状表型的平均值，为第个品种(系)的基因型主效应，为第个环境的环境主效应，为基因型和环境互作下第个主成分特征值，为基因型和环境互作下第个主成分的基因型得分，为基因型和环境互作下第个主成分的环境得分，为残差，为试验误差，和分别代表品种(系)和环境的稳定性参数。值越小则表明品种(系)稳定性越高，值越高则表明环境对品种的判别力越高。是每个主成分所解释的变异占全部主成分所解释变异的百分比，即权重。

1.4.3 稳定性综合评价

TOPSIS评价法是根据有限评价对象与理想化目标的接近程度排序的方法，是对现有对象的相对优劣的评价，又叫优劣解距离法。相关计算包括以下公式：

2 结果与分析

2.1 大麦籽粒大小

二棱大麦粒长、粒宽及千粒重在7个环境下均大于六棱大麦，籽粒长宽比均小于六棱大麦(表2)。籽粒大小各性状表现因环境而异，其差异程度与性状有关，千粒重在环境间差异最大。

表2 不同试点大麦籽粒大小的表现Table 2 Performance of barley grain size in different environments

由表3可知，所有环境下六棱大麦籽粒大小性状的变异系数均高于二棱大麦；不同环境下，相同棱型大麦的粒宽变异系数均较小；千粒重变异系数均最大，其变异系数在不同环境间的变化范围也最大，二棱大麦千粒重变异系数变化范围为7.52%～25.27%，六棱大麦千粒重变异系数变化范围为13.42%～28.70%。粒长和籽粒长宽比的变异系数在不同环境间相对比较稳定。二棱大麦粒长、粒宽、籽粒长宽比、千粒重遗传多样性指数(′)分别为1.54、1.28、1.48、1.38，六棱大麦分别为1.80、 1.51、 2.02、1.38。

表3 不同试点大麦籽粒大小的变异系数与遗传多样性Table 3 Coefficients of variation and genetic diversity index of barley grain size in different environments

从各性状等级频次分布(图1)看，六棱大麦的千粒重和粒宽变化范围分别为23.73～ 33.43 g和2.79～3.14 mm，均集中分布在3、4级；二棱大麦的千粒重和粒宽变化范围分别为 43.14～52.80 g和3.50～3.85 mm，均集中分布在7、8级。六棱大麦籽粒长度和长宽比分别分布在 1～10级和2～10级范围内，而二棱大麦比分别集中分布在4～8级和2～7级范围内。

图1 不同棱型大麦籽粒大小的各等级频次分布

方差分析(表4)表明，二棱大麦和六棱大麦千粒重、粒长、粒宽以及籽粒长宽比的品种(系)、环境以及品种(系)与环境互作效应均达到极显著水平，说明大麦籽粒大小不仅受自身遗传因素控制，还与环境条件有关。

表4 大麦籽粒大小的方差分析(F值)Table 4 Analysis of variance of barley grain size(F value)

2.2 大麦籽粒大小性状的相关性

由表5可知，二棱大麦和六棱大麦的千粒重与粒长、粒宽及粒长与籽粒长宽比之间均呈极显著正相关，粒宽与籽粒长宽比呈极显著负相关。二棱大麦粒长与粒宽之间无显著相关性，千粒重与籽粒长宽比呈极显著负相关；六棱大麦中粒长与粒宽呈显著正相关，相关系数为0.25，千粒重与籽粒长宽比之间无显著相关性。这说明这些性状之间或多或少存在信息重叠，因此大麦籽粒大小稳定性分析有必要采用综合评价方法。

表5 不同棱型大麦籽粒大小的相关性Table 5 Correlation of barley grain size with different row types

2.3 大麦籽粒大小及其稳定性评价

利用AMMI模型对品种(系)与环境交互作用中主成分分析的显著性进行值检验，结果(表6)表明,千粒重、粒长、粒宽前5个互作乘积项达显著水平，各主成分累积贡献率分别为 94.90%、90.00%、95.10%，长宽比前4个主成分互作乘积项达显著水平，累积贡献率为86.80%。

表6 大麦籽粒大小的AMMI模型分析(F值)Table 6 AMMI model analysis of barley grain size(F value)

由AMMI模型双标图(图2)可知，不同试点对籽粒大小各性状的判别力存在差异，其中盐城南洋试验场(e4)对品种(系)千粒重、粒宽及籽粒长宽比稳定性的判别力最强。

e1:E1801; e2:E1802; e3:E1901; e4:E1902; e5:E1903; e6:E1904; e7:E1905.

从图3、图4来看，六棱大麦千粒重的稳定性显著高于二棱大麦，而粒长和籽粒长宽比的稳定性显著低于二棱大麦，粒宽稳定性与二棱大麦差异不显著；裸大麦除千粒重的稳定性显著高于皮大麦，其余性状稳定性与皮大麦无显著差异。

图3 不同棱型大麦籽粒大小性状的稳定性

图4 皮裸大麦籽粒大小性状的稳定性

根据显著IPCA得分计算大麦籽粒大小性状的稳定性参数(表7)。诸城米大麦、川52209、长毛大麦、大麦、驻3、短芒大麦、裸大麦、威县春大麦、光头大麦、华矮11等品种(系)的千粒重值小，其稳定性较好；川52209、7204、矮秆-1、2004-日引4号、扬农啤8号、扬饲麦3号、莆大麦8号、宁晋大麦、花11、扬0187等品种(系)的粒长值小，稳定性较好；短芒大麦、川52209、大麦、鄂大麦9706、AcBurman、驻3、华矮11、头等老麦、石家庄大麦、长毛大麦等品种(系)粒宽的值小，稳定性较好；华矮11、花11、2004-日引3号、AcBurman、驻9505-1-3、黄长芒、短芒大麦、驻97022、诸城米大麦、2004-日引1号等品种(系)的籽粒长宽比值小，稳定性较好。所有大麦品种(系)中，川52209粒长、粒宽、千粒重均有较高的稳定性。

表7 籽粒大小稳定性表现较好的品种(系)的Di值及综合得分Table 7 Di values and scores of grain size for barley varieties(lines) with better stability

根据指标性质，将大麦籽粒大小与稳定性参数分为正向与负向指标。通过R语言基于熵权法计算，千粒重、粒长、粒宽及千粒重稳定性、粒长稳定性、粒宽稳定性的权重依次为 32.99%、 13.78%、31.65%、8.92%、4.58%、8.08%。利用TOPSIS模型对供试材料的籽粒大小及其稳定性进行综合评价。其中，中花22、扬农啤6号、浙大96-6、莆大麦8号、QS、川52209、驻7、扬引02、盐引1号×浙农大3号、周选1号等品种(系)综合得分较高，均为二棱皮大麦，其籽粒大且稳定；米大麦、长芒裸大麦、三月黄、裸麦、裸大麦、洋大麦、长阳米麦、乌米麦、秃和尚露仁大麦、短芒大麦等品种(系)综合得分偏低，主要原因是因为这些品种(系)均为六棱地方裸大麦，籽粒偏小，但稳定性尚可。

3 讨 论

3.1 不同类型大麦籽粒大小的多样性

籽粒大小一直是育种家改良和选育大麦理想品种最直观的性状。大麦按棱型和皮裸特性分为二棱大麦、六棱大麦和皮大麦、裸大麦。本研究结果表明，六棱大麦千粒重、粒长、粒宽均低于二棱大麦，而变异系数均高于二棱大麦，这与张新忠等的研究结果一致；不同试点粒长变异系数差异最小，千粒重变异系数差异最大，表明粒长受环境影响较小，而千粒重受环境影响较大。粒长、粒宽与千粒重均呈极显著正相关，但粒宽与千粒重的相关系数显著大于粒长与千粒重的相关系数，表明粒宽对粒重的贡献比粒长的贡献高，这与陈晓东等、张新忠等、 Lai等研究结果一致。二棱大麦粒长与粒宽无显著相关性，六棱大麦粒长与粒宽呈显著正相关，这可能是因为控制粒长与粒宽的基因在二棱大麦和六棱大麦之间存在差异。Ayoub等以二棱大麦与六棱大麦构建DH群体进行QTL定位，结果表明，在二棱大麦亚群中检测到籽粒性状相关QTL，六棱大麦亚群中检测不到。

3.2 大麦籽粒大小稳定性的评价

关于作物性状稳定性评价方法很多，张泽等和吴为人等提出了分析作物品种基因型与环境互作稳定性的AMMI模型。该模型与双标图在水稻、玉米、小麦、大麦等作物品种稳定性评价方面广泛应用。研究表明，六棱大麦籽粒平均灌浆速率及最终干物质积累量显著低于二棱大麦，且穗着粒密度大，同化物分配量小，籽粒较小，易受环境影响，千粒重变幅大，稳定性低。本研究中，大麦籽粒大小的稳定性在性状间存在差异；不同皮裸大麦粒长、粒宽稳定性差异均不显著，粒长稳定性在不同棱型间存在差异，粒宽稳定性在棱型间无差异，可能是控制粒长的基因效应大小受棱型影响或存在互作。禾谷类作物产量构成要素包括穗数、穗粒数和粒重。高千粒重品种在适宜的耕作条件下具有较高产量，但作为多基因控制的数量性状，粒重受环境影响较大。路玉彦等研究认为，高温胁迫会导致啤酒大麦千粒重显著降低，单株产量减少。本研究中，参试品种(系)千粒重在不同环境间存在显著差异，粒重稳定对于高产稳产具有重要意义。粒型是由籽粒长宽厚共同作用形成的三维结构，粒长、粒宽、粒厚稳定能够更好地维持籽粒大小及其均一性，这对啤用外观品质尤为重要。蛋白质含量和酶活性是衡量啤酒大麦品质性状的重要指标，在酿酒过程中α-淀粉酶、β-淀粉酶等协同水解淀粉，产生可溶性物质和可发酵性糖，稳定的酶活性可大大提高淀粉水解速率和糖化力；籽粒蛋白质含量过高，麦芽β-葡聚糖含量和单宁含量偏高，啤酒风味稳定性变差、口感粗重、过滤速度变慢，严重影响麦芽品质。因为千粒重直接关系到籽粒蛋白质含量和酶活性，千粒重已被列入啤酒大麦定级的行业指标。本研究根据籽粒大小及各性状稳定性对参试品种(系)综合评价，认为川52209籽粒大且稳定，可作为优质啤酒大麦粒型改良的种质资源。