江苏省引进高粱种质表型性状遗传多样性分析

2022-09-29张一中李春宏孟珊张香桂徐鹏郭文琦梁笃郭琦张晓娟范昕琦聂萌恩柳青山

山西农业大学学报（自然科学版） 2022年3期

张一中，李春宏，孟珊，张香桂，徐鹏，郭文琦，梁笃，郭琦，张晓娟，范昕琦，聂萌恩，柳青山

（1.山西农业大学高粱研究所，高粱遗传与种质创新山西省重点实验室，山西晋中 030600；2.山西农业大学杂粮种质创新与分子育种山西省重点实验室，省部共建有机旱作农业国家重点实验室（筹），山西太原 030031；3.江苏省农业科学院，江苏南京 210014）

高粱性喜温、并具有抗旱、耐涝、光合速率高等特点，有着“作物中的骆驼”之称［1］，在全世界范围内高粱是继小麦、水稻、玉米和大麦之后位居第5 位的重要谷类作物［2］。高粱是中国重要的旱地杂粮作物，又是重要的饲料和加工作物［3］。在江苏高粱用途主要包括酿造和饲用，常年种植面积仅在10 多万亩，远不能满足市场需要。江苏的高粱多种植在沿海盐碱地上，以甜高粱品种为主，多用作青贮饲料［4］。随着江苏省酒业的振兴崛起，洋河、今世缘、御珍和乾隆江南等一批酒类企业迅速成长，原料需求逐渐增加，江苏本地的高粱面积也在逐年上升［5］。但江苏的酿酒高粱品种多来自外省的品种，如晋杂号、辽杂号等，自主选育酿造高粱品种的技术较弱，关键问题是缺乏适应本地生态条件的种质资源。因此，种质资源的引鉴和评价是江苏高粱种质创新与育种工作的基础。目前，在种质资源的鉴定和评价方法中，农艺性状的形态学标记因其简单有效、表现直观，成为最为广泛的分析方法［6］。王洋等［7］对国内外72 份高粱种质资源在贵州省的形态性状指标多样性进行了分析；陈艳丽等［8］对国内外207 份高粱种质资源在山西省农艺性状和形态性状进行遗传研究，发现千粒质量与株高呈正相关，与穗长、穗宽呈负相关；王黎明等［9］对国内外194 份甜高粱种质资源在黑龙江省表型性状进行遗传多样性分析，筛选到植株高大、生物产量高及含糖量高等优异性状国外品种；周瑜等［10］在重庆市对国内外434 份高粱种质的表型性状进行了多样性指数分析，进一步聚类成饲草或能源类群，工艺（帚）用类群、创新及杂交育种的种质类群。

种质资源是种业创新的基础，目前在江苏还未见大规模外引高粱种质及鉴定的研究报道。本研究通过对引进的175 份高粱种质资源进行主要农艺性状调查，并通过多元统计方法系统评价外引资源的遗传变异，并进一步筛选优良种质资源，旨在为江苏高粱种质资源创新和品种选育提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

以不同来源的高粱种质资源为参试材料，其中来自中国74 份、美国31 份、印度53 份、日本13份、俄罗斯3 份、墨西哥1 份。材料名称、来源见表1。

表1 175 份高粱资源名称与来源Table 1 The name and origin of 175 sorghum germplasm resources

续表

1.2 试验方法

试验于2018-2019 年在江苏省农业科学院六合基地进行。该试验地点位于118.63°E、32.48°N，属于亚热带季风气候，平均气温15.4 ℃，年平均降水量1073.8 mm，无霜期平均225 d，年均日照总时数1956.2 h［11］。

供试土壤为南京地区典型的马肝土，呈弱酸性，pH 值6.5，有机质含量16.5 g·kg-1，有效氮含量146.1 mg·kg-1，速效磷含量为8.4 mg·kg-1，速效钾含量为107.8 mg·kg-1。两年均在6 月8 日播种，小区面积20 m2，行长5 m，行距0.4 m，株距0.23 m，种植密度105 000 株·hm-2，3 次重复。播种撒施三元复合肥450 kg·hm-2，旋耕后进行播种，拔节期追施尿素300 kg·hm-2。其他管理措施同大田生产。

田间调查性状包括抽穗期、株高、穗型、穗长、节数、分枝性、分蘖性、倒伏性等，观测记载标准参照《高粱种质资源描述规范和数据标准》［12］。收获后在室内调查颖壳包被度、粒色、千粒重、单株穗粒重、穗发芽抗性等。性状描述中各质量性状差异用阿拉伯数字表示。利用高粱发芽指数（germination index，GI）来评估穗发芽抗性，发芽指数（GI）＝（8×n1＋7×n2＋6×n3＋5×n4＋4×n5＋3×n6＋2×n7＋1×n8）/（8×籽粒总数）×100%，式中n1～n8分别表示第1～8 天发芽籽粒数［13-14］。

1.3 统计分析

试验数据采用SPSS v.20 软件计算各性状的平均值、标准差等，多样性指数参照龙珏臣［15］方法计算。相关性、聚类分析采用SPSS v. 20 软件进行运算，种质间遗传距离为欧氏距离，聚类方法采用类平均法（UPGMA）。

2 结果与分析

2.1 质量性状多样性指数分析

从调查结果来看（表2），175 份高粱种质资源中以紧穗型所占比例最大，为29.1%；其次是中紧型，为28.6%；其余为中散、散型。粒色红褐为主，为57.1%；白色次之，黑色最少，仅1 份。分枝性以弱级为主，为78.9%；其次是中级、强级。分蘖性主要以弱级为主，占88.0%，中级与强级较少。抗倒性以弱级为主，占30.9%；强级次之，占23.4%；其余为很强级、中级、很弱级。颖壳包度以包被1/4 为主，占73.1%；其次包被3/4 为11.4%；其余为籽粒裸露、包被1/2、全包被。6 个质量性状中抗倒性、穗型遗传多样性指数较高，分别为1.68、1.43；最低为分蘖性0.42，平均值为0.97。

表2 175 份高粱资源质量性状的多样性指数分析Table 2 The diversity index analysis of qualitative characters of 175 sorghum germplasm resources

2.2 数量性状多样性指数分析

从测定结果来看（表3），抽穗期、株高、穗长、节数、千粒重、单穗粒重和发芽指数7 个数量性状的多样性指数范围为1.80～2.12，千粒重最大为2.12，穗粒重次之为2.05，发芽指数最小为1.80。7 个数量性状变异系数范围为6.3%～49.5%。其中，穗粒重最大为49.5%，除发芽指数外，其余6个性状的变异系数均大于20%，说明外引的高粱种质类型丰富，差异较大。

表3 175 份高粱资源数量性状的多样性分析Table 3 Diversity analysis of quantitative characters of 175 sorghum germplasm resources

2.3 高粱种质资源数量性状相关性分析

相关性分析结果表明（表4），抽穗期与节数、单穗粒重、千粒重、株高呈显著正相关；与发芽指数呈显著负相关。株高与单穗粒重、节数、穗长呈显著正相关；与千粒重、发芽指数呈显著负相关。单穗粒重与节数、穗长、千粒重呈显著正相关。发芽指数与千粒重呈显著正相关，与穗长呈显著负相关。

表4 175 份高粱资源数量性状的相关性分析Table 4 Correlation analysis of quantitative characters of 175 sorghum germplasm resources

2.4 不同高粱种质资源数量性状主成分分析

根据175 份高粱种质资源的7 个数量性状进行主成分分析，结果如表5 所示，选择特征值＞1 的前4 个主成分，其累计贡献率＞85.688%，说明4个主成分包含了175 份高粱种质资源7 个数量性状的85.688%遗传信息。第1 主成分的贡献率为31.390%，特征值为2.197，其中抽穗期和节数的载荷量最高，大于0.900，说明第1 主成分主要反应生物量的因子。第2 主成分的贡献率为20.813%，特征值为1.457，其中穗长和单穗粒重的载荷相对较高，说明第2 主成分主要反应穗部特征的因子。第3 主成分的贡献率为17.033%，特征值为1.192，其中发芽指数的载荷最高，说明第3 主成分能有效反应高粱种质的发芽特性。第4 主成分的贡献率为16.451%，特征值为1.152，其中千粒重的载荷最高，说明第4 主成分能反应高粱籽粒重量的因子。

表5 175 份高粱种质资源数量性状的主成分分析Table 5 The principal components analysis of quantitative characters of 175 sorghum germplasm resources

2.5 数量性状的聚类分析结果

由图1 可以看出，175 份高粱种质资源在遗传距离为15 时分为4 个类群，各类群包含的种质个数、性状的平均值和变异系数见表6。

表6 175 份高粱种质资源不同类群农艺性状的均值及变异系数Table 6 The average and coefficient variation of agronomic traits of 175 sorghum germplasm resources.

第Ⅰ类群共包含153 份资源，根据图1 可以分为两个亚群。亚群Ⅰ-1 包括来自中国、美国、印度、日本、俄罗斯、墨西哥等国家的材料85 份，变异系数最大的是株高，其次是单穗粒重，说明此类群来源广泛、性状变化幅度较大。比较所有类群，其株高均值最矮、单穗粒重均值最低，生育期适中，可以筛选矮秆、早熟材料用于种质创新。亚群Ⅰ-2 包括来自中国、美国、印度、日本等国家的材料68份，其中晋粱五号、三尺三、Tx623B、V4B 等常用的主干亲本在此类群。变异系数最大的是株高，此类群株高较高、其他性状比较适中，可以筛选出育种价值较高的材料。

图1 基于7 个数量性状的175 份高粱资源聚类分析Fig.1 Cluster dendrogram based on 7 agronomic traits of 175 sorghum germplasm resources

第Ⅱ类群包含4 份资源，分别来自中国山西、江苏、印度和俄罗斯。该类群株高240 cm 以上、穗长最长、千粒重最小、发芽指数最小，全部为帚高粱。

第Ⅲ类群包含8 份资源，其中印度材料5 份、美国材料3 份。该类群单穗粒重最大、发芽指数最高，抽穗期、株高、穗长、千粒重、节数也较高，可筛选出高产、大粒的材料。

第Ⅳ类群包含10 份资源，其中印度材料5 份、山西材料1 份、江苏材料4 份。该类群抽穗期最晚、株高最高、节数最多、千粒重最大，可筛选大粒材料进行改良。

综上，引进的高粱种质资源类群划分与其来源地无关，相同来源地的材料分布于多个类群中，种质资源间在表型性状等方面存在显著差异，说明引进材料遗传基础丰富，变异较大。

2.6 外引高粱特异种质筛选

根据观察和调查性状的鉴定结果，以出苗到抽穗期＜40 d、株高＜1 m、千粒重＞30 g、单穗粒重＞50 g、发芽指数＜70 作为特异种质筛选的标准，初步筛选出早熟、矮秆、千粒重大、单穗粒重高、耐穗发芽的特异种质资源53 份（表7）。其中，早熟种质11 份，抽穗期35.5～41.4 d；矮秆种质12份，株高69.0～99.0 cm；大粒种质11 份，千粒重34.4～40.3 g；单穗粒重高的种质12 份，穗粒重56.2～73.4 g；耐穗发芽种质13 份，发芽指数为62.8～73.6。

表7 53 份高粱特异种质资源Table 7 53 sorghum germplasm resources with elite agronomic traits

续表

3 讨论

表型性状是长期自然和人工选择的结果，表型性状的差异是生物多样性的直接表现形式，对于表型性状遗传多样性的研究是检测遗传变异最直观、最简易的方法。本研究对175 份高粱种质资源在江苏2 年的13 个性状进行了多样性分析，结果表明6 个质量性状的多样性指数为0.42～1.68，抗倒性与穗型的多样性指数较高，7 个数量性状的变异系数为6.3%～49.5%，穗粒重、株高具有较大的变异系数，表明外引的高粱类型丰富，为江苏高粱种质创新和育种提供了丰富的资源。江苏秋季多雨湿润的气候条件，使得高粱穗发芽在江苏频繁发生［4］，已严重影响高粱的安全生产与种植高粱积极性，因而选择耐穗发芽种质对江苏发展高粱产业具有重要作用。相较于小麦［16］、水稻［17］等作物，高粱穗发芽报道较少。发芽指数是评价穗发芽能力的重要参数［18］，本研究测定的各高粱种质资源的发芽指数变异为62.8%～90.0%，从中可获得一些耐穗发芽的高粱种质资源。

主要数量性状相关分析表明：产量指标单穗粒重与穗长、抽穗期、千粒重呈极显著正相关，这与刘静［19］、高杰［20］、王官［21］、李春宏［22］的研究一致，因而通过利用穗长、抽穗期、千粒重等性状可获得丰产材料；穗粒重与株高、穗长呈极显著正相关，这与乔婧等［23］的研究相一致，而与周瑜等［10］的研究结果相反，原因可能是由于不同研究者所选参试高粱材料间存在较大差异，而穗粒重与株高、穗长的相关性受参试高粱材料影响较大。发芽指数与千粒重呈极显著正相关，与抽穗期呈极显著负相关，因而为获得耐穗发芽的高粱材料，可以选择抽穗期长、籽粒偏小的品种。

由于高粱种质的表型性状较多，且彼此间有着不同程度的相关性，给高粱种质资源的研究和利用造成较大的阻碍，为此有必要根据不同地区和不同育种目标筛选出重要性状，以促进其在育种和生产上的应用。乔婧等［23］对粒用高粱种质资源主要农艺性状进行了主成分分析，得到3 个主成分，分别影响高粱株型、籽粒产量与穗形。本研究通过主成分分析对175 份高粱种质7 个性状进行了评价，提取了4 个主成分，其累积贡献率＞85.688%，分别反映了高粱生物量、穗部特征、发芽特性、籽粒大小的特征，对应的表型性状可作为在江苏省评价资源和育种实践重点关注的性状。

利用聚类分析方法将参试的175 份高粱种质划分为4 个类群，在江苏高粱育种过程中，穗粒重、成熟期、发芽指数、株高是重点关注的数量性状，如类群Ⅰ-2 的克恢137、CSZ92 抽穗期较早、株高较矮、发芽指数较低，类群Ⅲ的8 份资源穗粒重都在50 g 以上，类群Ⅳ的大粒105、IS-2825、IS-8070、IS-24989 千粒重都在30 g 以上。为选育适合江苏的高粱新品种，可聚合类群Ⅰ-2、类群Ⅲ、类群Ⅳ优异种质的农艺性状，进行种质创新。通过各材料的性状比较分析，筛选出了一批丰产、中早熟、中矮秆、抗倒性强、耐穗发芽的基础材料，为今后江苏高粱种质创新、亲本创制、品种培育等方面提供了重要的资源。

本研究对175 份国内外高粱资源的主要农艺性状进行了鉴定和遗传多样性分析，获得了一些农艺性状优良的资源，然而表型性状的表现是遗传因素与环境因素共同作用的结果，因此还需多年份和不同地点的综合测定评价，另外品质测定方面还有待进一步研究，从而全面了解该批材料的综合性状，确定合理的最佳用途。