基于表型性状的藜麦种质遗传多样性分析

唐力为，代 沙，蔺雨阳，任 尧，李 倩，吕婉茹，张 洁，补雪梅，蒋 云

(1 攀枝花市农林科学研究院，四川 攀枝花 617061；2 四川大学 轻工科学与工程学院，四川 成都 610044；3 四川省农业科学院 生物技术核技术研究所，四川 成都 610061)

藜麦(ChenopodiumquinoaWilld)原产于南美洲安第斯山区，已有7 000多年的种植历史，是古印加民族的主要粮食作物之一[1]。藜麦籽粒营养全面，在蛋白质含量、氨基酸组成、脂类成分比例和淀粉形态等方面都显示出优越性[2]；且富含维生素和矿物质，以及多酚、黄酮类生物活性物质[3]，具有一定的医疗保健作用[4-5]。随着藜麦的价值逐渐为人们所认识，其育种研究和产业发展十分迅速，已在青海、甘肃、内蒙、云南、山西等省区大面积推广种植[6]。除营养价值突出外，藜麦还具有耐寒、耐旱、耐贫瘠、耐盐碱等特性[7]，表现出良好的生态适应性，因此发展藜麦生产对农业生态系统的可持续发展具有十分重要的意义。

藜麦种质资源多样性研究，不仅有利于其种质资源的保存、优异资源的挖掘和创新，而且对藜麦育种和生产具有重要指导意义。表型多样性研究是作物资源评价的基础工作，对于种质资源的育种利用和生产实践具有不可替代的作用。在植物种质资源表型研究中，除采用变异系数和Shannon-Weaver多样性指数进行性状的多样性分析外，还常采用主成分分析、相关分析和聚类分析等多元数据统计分析方法[8-9]，对观测指标进行归纳、降维，评价参试材料的相似度并归类，最终对参试群体的遗传多样性作出评价，挖掘出特异种质资源；为便于后续开发利用，还会对种质资源进行类群划分。Rojas等[10]根据形态特征和农艺性状，将玻利维亚1 512份藜麦种质划分为7个类群，并根据海拔高度确定出3个遗传多样性区域。Bhargava等[11]利用19个数量和质量性状对29个藜麦品系进行了多样性分析，发现遗传多样性很高，但相同来源地的品系并未划分到同一组中。王艳青等[12]对引自国外的135份藜麦种质资源的15个农艺性状进行了遗传多样性分析，结果表明产量和单株粒重的变异系数最大，主花序颜色的遗传多样性最高；从中筛选出具有早熟、矮秆、粗秆、大粒、长花序、结实率好和产量高等特性的31份特异种质。叶君等[13]研究认为，藜麦的单株粒重变异系数最大，生育期的变异系数最小；千粒重的多样性指数最大，株高的多样性指数最小。逄鹏等[14]利用10个农艺性状将50份藜麦种质划分为4大类，其中第Ⅱ类群的平均产量、千粒重、主穗重和穗粒重均为最高，可作为高产藜麦育种的亲本。陈翠萍等[15]对青海藜麦种质资源的13个农艺性状进行了遗传多样性分析，将47份藜麦种质资源划分为5类；千粒重的变异系数较小，单株产量、单株总重的变异系数较大；主茎直径、单株总重、经济系数和千粒重与单株产量呈极显著正相关。

由于我国藜麦引种栽培时间短、途径杂、异交率较高，导致目前国内大多数藜麦资源遗传背景不清晰，优异资源无法得到充分利用。因此，开展藜麦资源遗传多样性分析，对藜麦种质资源的分类、鉴定、保存和利用具有重要的理论指导意义。本研究以从国内藜麦主产区收集的46份藜麦种质资源为试材，对其形态特征、生物学特性指标以及籽粒主要营养成分含量共28个表型性状进行了调查测定与分析，旨在为藜麦种质资源分类保存、高效利用和品种改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

46份藜麦种质资源材料由四川省农业科学院生物技术核技术研究所提供与保存，其编号、名称及来源见表1。

表1 供试藜麦材料

1.2 试验设计

试验于2020年在四川省攀枝花市仁和区平地镇平地村进行。该区域位于26°11′30′′N，101°48′4′′E，海拔1 885 m；壤土，pH值7.64，有机质含量11.07 g/kg，碱解氮含量37 mg/kg，有效磷含量79.53 mg/kg，速效钾含量124 mg/kg；前茬菜豆。试验采用随机区组设计，3次重复，一垄双行种植，行长6 m、宽行行距0.9 m、窄行行距0.3 m、株距0.3 m。6月9日播种，人工起垄穴播，基肥按照商品型有机肥(有机质≥45%)和复合肥(N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15)各10 g/穴用量施用。播种时土壤墒情适宜。苗高10 cm时进行间苗，每穴留苗2株。试验过程进行1次中耕培土和除草，不防治病虫害，不灌溉，其余管理同大田生产。

1.3 试验方法

参考《藜麦种质资源描述规范和数据标准》[16]调查藜麦25个形态特征和生物学特性指标。其中，质量性状采用直接观察法，分别为植株分枝性、株型、成株期叶形、叶尖形状、叶基形状、叶缘形状、主花序类型、主花序形状、主花序紧密度、主花序花期颜色、主花序成熟期颜色、成熟期叶色、籽粒颜色、籽粒表皮皂苷度、熟性。颜色性状指标以英国皇家园艺协会比色卡(RHS color chart)为准，在晴天由固定人员观测。质量性状的描述与分级见表2。数量性状采用具体测量法，分别为株高、茎粗、叶柄长、叶长、叶宽、主花序长度、主花序粗度、籽粒直径、千粒重、单株粒重。

利用近红外谷物品质分析仪(DA7200，瑞典波通)测定藜麦籽粒的蛋白质含量、粗脂肪含量和总淀粉含量3个营养品质指标。

1.4 数据处理与分析

表2 藜麦质量性状描述与分级

2 结果与分析

2.1 藜麦表型性状的遗传多样性分析

2.1.1 质量性状多样性 对供试的46份藜麦种质资源的15个质量性状进行多样性分析，结果(表3)表明，遗传多样性指数H′为0.505～2.084，主花序成熟期颜色的H′最高，为2.084，主要以玫红、粉红和奶油色为主；主花序花期颜色的H′最低，为0.505，以绿色为主。质量性状多样性丰富程度依次为：主花序成熟期颜色>籽粒颜色>籽粒表皮皂苷度>熟性>成熟期叶色>植株分枝性>株型>成株期叶形>主花序类型>叶缘形状>主花序紧密度>主花序形状>叶尖形状>叶基形状>主花序花期颜色，其中H′大于1的性状有主花序成熟期颜色、籽粒颜色和籽粒表皮皂苷度、熟性、成熟期叶色。

表3 藜麦种质资源质量性状频率分布和多样性指数

性状频数分布结果显示，供试藜麦种质资源具有代表性的性状特征为：植株分枝性为有主穗基部大分枝、有主穗基部小分枝，株型为半紧凑型，成株期叶形为心形，叶尖形状为三角形，叶基形状为楔形，叶缘形状为波形，主花序类型为团伞型，主花序形状为纺锤形，主花序紧密度为紧密，主花序花期颜色为绿色，主花序成熟期颜色为粉红、玫红、奶油色，成熟期叶色为黄、红，籽粒颜色为奶油，籽粒表皮皂苷度为少量，熟性为早熟。

2.1.2 数量性状多样性 对供试藜麦种质的13个数量性状进行统计分析，结果(表4)表明，数量性状的多样性指数为1.541～2.084，指标的多样性丰富程度依次为：茎粗>籽粒总淀粉含量>籽粒粗脂肪含量>单株粒重>千粒重>株高>籽粒蛋白质含量>主花序粗度>叶柄长>籽粒直径>主花序长度>叶长>叶宽。其中茎粗、籽粒总淀粉含量、籽粒粗脂肪含量、单株粒重、千粒重5项指标的多样性指数达到或超过2.000，遗传多样性丰富。从变异系数来看，13个数量性状的变异系数为2.36%～41.17%，平均20.67%，其中变异系数最大的是主花序长度，变异系数最小的是籽粒总淀粉含量。

表4 藜麦种质资源数量性状的多样性统计结果

2.1.3 特异种质筛选 所有藜麦种质资源数量性状多样性指数均>1，说明供试材料的植物学形态多样性丰富，且在各项性状指标中均存在较大的遗传分化程度；因此根据指标的均值及标准差，针对单一性状对供试材料进行分类。将株高≥(145.7+20.3) cm定义为“高秆”，株高≤(145.7-20.3) cm定义为“矮秆”，由此划分出AMADOMA、海西浅黄穗、CD-4、SASAMA-3、T4、QH-44共6个高秆材料， 以及SC大白藜、LT-8、陇藜3号、青白藜1号、青藜3号、SX-3、YW-3共7个矮秆材料。将茎粗≥(1.90+0.21) cm定义为“粗秆”，由此划分出引进红、T4、SASAMA-3、贡扎15号、适应性鉴定、台红、陇藜4号、静灰8个粗秆材料。由于表皮皂苷量是影响籽粒大小的重要因素，因此将籽粒直径≥(1.72+0.11) mm、皂苷度为“少”或“无”的定义为“大粒”，籽粒直径≤(1.72-0.11) mm，不论皂苷度多少，均定义为“小粒”，划分出LT-8、AMADOMA共2个大粒材料，以及台红、YW-6、ZL-05、XZ-97、云白、S-1共6个小粒材料。将千粒重≥(2.13+0.35) g定义为“高粒重”，由此划分出柴达木黑、YB-4、收集棕色粒、青白藜1号、ZL-09共5个高粒重材料。将单株粒重≥(56.37+19.96) g定义为“高产”，由此划分出静灰、AMADOMA、SASAMA-3、陇藜1号、收集棕色粒、SC大白藜、SASAMA-2共7个高产材料。将籽粒蛋白质含量≥(17.49+1.51)%定义为“高蛋白”，由此划分出XZ-97、贡扎15号、SX-3、YW-6、SX-10共5个高蛋白材料。将籽粒粗脂肪含量≥(6.58+0.65)%定义为“高脂肪”，由此划分出ZL-05、ZL-09、海西浅黄穗、陇藜3号、CD-11、静灰、陇藜1号、LT-11、S-1共9个高脂材料。将籽粒总淀粉含量≥(54.49+1.29)%定义为“高淀粉”，由此划分出静灰、台红、云白、海西浅黄穗、静红、ZL-09、ZL-05、CD-11、SX-7共9个高淀粉材料。此外，按照株型“松散”且植株分枝性为“有主穗基部大分枝”，可筛选出青藜2号、云白、NX-1、SX-7、XZ-97、SC大白藜、SX大白粒7个株型松散多分枝的藜麦材料；按照株型“紧凑”且植株分枝性为“单枝”，筛选出台红、青白藜1号、S-1、QH-44、LM-137共5个株型紧凑无分枝的藜麦材料。按照籽粒表皮皂苷度为“无”，筛选出云白、ZL-08、QH-44、YW-6、SX-4、XZ-96共6种籽粒表皮无皂苷的藜麦材料。

2.2 藜麦种质资源的主成分分析

对藜麦的28个性状指标进行主成分分析，提取特征值大于1的前9个主成分(表5)，累积贡献率为77.998%，包含了28个性状指标的绝大部分信息，说明这9个主成分可反映28个性状的基本特征。其中，第1主成分贡献率为17.949%，特征值为5.026,特征向量绝对值较高的有叶柄长、叶长、叶宽与叶片大小相关的性状，因此第1主成分为叶片因子。第2主成分贡献率为15.468%，特征值为4.331，特征向量绝对值较高的性状有单株粒重和籽粒蛋白质含量，第2主成分为产量与营养品质因子。第3主成分贡献率为11.045%，特征值为3.093，籽粒颜色、籽粒直径和籽粒表皮皂苷度3个指标的特征向量绝对值较大，第3主成分为籽粒因子。第4主成分贡献率为9.201%，特征值为2.576，株高和茎粗2个指标的特征向量绝对值较大，主要反映了植株生物量的情况。第5主成分和第6主成分均由株型决定，其贡献率分别为6.719%和5.559%，特征值分别为1.881和1.556。第7主成分和第8主成分可总结为主花序形态因子，由主花序紧密度和主花序类型决定，其贡献率分别为4.352%和3.985%，特征值分别为1.219和1.116。第9主成分贡献率为3.721%，特征值为1.042，特征向量绝对值最高的性状为叶基形状。

表5 藜麦种质表型性状的主成分分析

综合分析，从各主成分中筛选出株型、株高、茎粗、叶柄长、叶长、叶宽、叶基形状、主花序类型、花序紧密度、籽粒颜色、籽粒直径、籽粒表皮皂苷度、单株粒重、籽粒蛋白质含量共14个重要的表型指标，是引起藜麦种质表型差异的关键因素，可作为藜麦资源评价和种质创新的参考依据。

表5(续) Continued table 5

2.3 藜麦种质资源的聚类分析

采用系统聚类法，以平方欧氏距离为遗传距离，可将46份藜麦材料聚为5类(图1)。

BH.植株分枝性;PT.株型;PH.株高;SD.茎粗;PL.叶柄长;LL.叶长;LW.叶宽;LS.成株期叶形;SLT.叶尖形状;SLB.叶基形状;SLE.叶缘形状;LC.成熟期叶色;BTI.主花序类型;SI.主花序形状;CDI.主花序紧密度;LI.主花序长度;WI.主花序粗度;FCI.主花序花期颜色;CI.主花序成熟期颜色;GD.籽粒直径;TGW.千粒重;GC.籽粒颜色;GES.籽粒表皮皂苷度;MT.熟性;GWPP.单株粒重;GPC.籽粒蛋白含量;GFC.籽粒粗脂肪含量;GSC.籽粒总淀粉含量。1～46.材料编号，对应名称同表1

由图1可以看出，类群Ⅰ包含陇藜3号、LT-11和静红等12份材料，其主要特点为株型半紧凑，多为松弛的团伞型花序，多深色大籽粒且表皮多皂苷，千粒重和单株粒重较大，籽粒蛋白质含量低。类群Ⅱ包含ZL-09、海西浅黄穗和NM-1等13份材料，其主要特点为株高中等、茎粗较大，叶尖呈三角形、叶基呈楔形，多为纺锤形的紧密团伞型花序，花期时主花序呈现绿色，生育期短，以特早熟和早熟为主，籽粒粗脂肪和总淀粉含量高。类群Ⅲ仅含台红1份材料，其特点显著：具有特大的掌形叶片，叶柄长，单枝，籽粒特别小，长而垂坠的圆筒形花序、小穗排列极为松弛。类群 Ⅳ包含YW-6、XZ-97、ZL-08等9份材料，其主要特点是多为株型紧凑无分枝，植株较高，叶大，成熟期叶片呈现黄色，花序多为圆筒形、长度和粗度较大，籽粒小、多白色、表皮皂苷较少，生育期长、以中晚熟为主，千粒重较小。类群Ⅴ包含SX大白粒、SC大白藜、适应性鉴定等11份材料，该类种质主要特征是植株较矮、叶小，多为苋菜型花序且花序紧密，籽粒色浅、多奶油色，单株粒重低，籽粒蛋白质含量高，而粗脂肪和总淀粉含量低。

28个表型指标被聚为4类，其中Ⅰ类指标与籽粒性状有关，包含籽粒直径、千粒重、籽粒颜色、籽粒表皮皂苷度4个指标；Ⅱ类指标主要与植株和花序形态、产量、籽粒粗脂肪和总淀粉含量有关，包含植株分枝性、株型、主花序长度、主花序粗度、主花序形状、单株粒重、籽粒粗脂肪含量和总淀粉含量8个指标；Ⅲ类指标主要与叶形、颜色和籽粒蛋白质有关，包含成株期叶形、叶缘形状、叶尖形状、主花序类型、主花序紧密度、成熟期叶色、主花序成熟期颜色、籽粒蛋白质含量8个指标；Ⅳ类指标主要与叶片和植株大小、熟性有关，包含叶柄长、叶长、叶宽、植株高度、茎粗、叶基形状、主花序花期颜色、熟性8个指标。

藜麦种质的类群划分与来源地无关，相同来源地的藜麦种质(除北京)分布于多个类群中，但甘肃、青海、山西、西藏4个地区的材料也存在相对集中的情况。

3 讨 论

种质资源遗传多样性研究不仅有助于种质资源的管理、评价和利用，更有利于进行核心种质创新研究[18]。表型性状的描述和鉴定是种质资源研究最基础、最重要的方法之一，通过表型性状的遗传多样性分析可对种质资源潜在特性进行初步定位，快速了解植物的遗传变异水平[19]。本研究对46份藜麦种质资源进行了表型多样性分析，结果表明参试藜麦种质资源具有丰富的多样性，平均表型性状遗传多样性指数为1.439，数量性状多样性指数(1.924)高于质量性状多样性指数(1.020)，与籽粒苋、高粱、枸杞等多种作物的表型遗传多样性研究结果趋势基本一致[20-22]。本研究发现，各数量性状的变异系数与多样性指数变化趋势并不一致，如叶宽的变异系数较大，但其多样性指数却最低，可能是由于台红的极大掌形叶对叶宽整体数据离散度影响较大所致，说明离散程度大并不意味着多样性丰富，种质资源多样性分析中，可能更应重点关注Shannon-Weaver多样性指数。

株型、株高、茎粗、叶片大小、籽粒表皮皂苷度和籽粒大小属于重要农艺性状，其丰富的变异有利于育种利用。合理的株型可以优化作物群体光合生产力，达到最适的叶面积指数[23]；选育矮化、粗秆、单枝紧凑型品种有利于藜麦耐肥、密植、抗倒伏、高产和机械化采收[24-26]；而高秆、多分枝的藜麦适宜作为饲用作物进行开发利用。叶片是植物重要器官，与作物的光合作用和抗逆性密切相关。刘明虎等[27]研究表明，降低叶片宽度不仅有利于降低叶片温度，而且能够降低叶片蒸腾速率，从而增强植物适应高温、干旱的能力，但由于叶片大小和出叶强度间存在权衡关系[28]，狭小叶型的藜麦品种是否较阔大叶型更适合旱季种植还有待于进一步研究。籽粒大小是影响作物产量、品质和商品性的重要农艺性状[29-30]。大粒品种不仅易脱粒，还能提高藜麦米的商品性；小粒品种则可作为制粉加工型品种进行开发利用。藜麦籽粒表皮的皂苷类物质不仅会影响藜麦的口感，而且是主要的抗营养因子[31]，因此生产藜麦米时需要进行去(降)皂处理，而选择表皮无皂苷的藜麦品种可以减少生产环节、降低加工成本。从引种及育种改良的角度出发，熟性的广泛变异有益于解决霜冻和干旱等非生物胁迫以及穗发芽[6,10]。千粒重是构成作物产量的重要因素之一，提高千粒重是增产的直接途径。与单株粒重相比，千粒重变异系数小，受环境影响较小，表现更加稳定[15]；因此，在产量性状改良中宜优先选择千粒重。作物的营养品质、食味品质和酿造品质都受籽粒淀粉品质的影响[32]。籽粒蛋白质含量和组成不仅对作物营养品质，而且对其加工品质也有很大影响，尤其与谷蛋白/醇溶蛋白的比值显著相关[33]。因此，高蛋白质含量、高淀粉含量的藜麦可作为开发高营养产品、提高食用品质、提升加工品质的种质资源进行利用。

本研究利用主成分分析从28个表型性状中筛选出16个重要的表型指标，这些指标是藜麦种质性状多样性的主导因素；后续对藜麦种质资源多样性调查研究中，可重点关注上述指标，以有效减少工作量。采用系统聚类法将参试种质分为5个类群，可根据育种目标选择亲本资源，提高育种效率。其中台红是一个独立的群体，与其他藜麦种质具有相对较远的遗传距离，这与孙梦涵等[34]的研究结果一致。

本研究仅利用形态学方法对藜麦表型性状进行遗传多样性研究，后续将借助分子标记或基因组水平开展遗传多样性研究，以期拓宽种质资源研究的广度和深度，加强对资源材料的甄别，明确四川省藜麦的核心种质资源，以更好地保护和利用藜麦资源材料。

志谢：感谢西藏农牧学院贡布扎西、青海大学农林科学院姚有华、山西农业大学生命科学学院董艳辉、甘肃省农业科学院畜草与绿色农业研究所刘文瑜、中国农业科学院作物研究所秦培友、成都大学邬晓勇为本研究提供了资源材料。