谷子新品种DUS测试数量性状分级及遗传多样性研究

纪军建， 付国庆， 寇淑君， 王 瑶， 左振兴， 杨德智， 刘晓婕， 霍阿红(张家口市农业科学院/农业农村部植物新品种测试(张家口)分中心， 河北 张家口 075000)

谷子(Setariaitalica(L.)Beauv.)起源于中国，在中原地区已有7 000多年的栽培历史[1]，是中国北方旱作农业区重要农作物，具有耐旱、耐瘠、粮草兼用等特点。位于华北的河北、山西、内蒙古等省(区)是中国谷子主产区，年播种面积约300万hm2[2]占全国总播种面积的一半以上，河北的张杂谷系列、山西的晋谷系列、内蒙古的赤谷系列等品种在全国的谷子生产发展中有重要贡献，其中张杂谷系列已经走出国门成为我国重要的农业援非项目，在非洲多个国家大面积推广。我国目前保存的谷子种质资源有27 105份，约占世界谷子资源总量的80%[3-4]，其他主要分布在非洲、欧洲、美洲和大洋洲[5]，如埃塞俄比亚、俄罗斯、罗马尼亚和澳大利亚等国家。中国是谷子种质资源最多、研究最深入的国家。

《中华人民共和国种子法》对申请品种权保护和审定、登记的农作物，必须进行植物品种DUS测试，取得DUS测试合格报告才能进行审定和登记。而DUS测试中，数量性状的测试尤为重要，因其变异呈现连续性，需要开展分级研究，才能准确、客观地对其进行描述，数量性状分级科学与否直接影响测试的最终结果，同时，植物形态数量性状也是在形态水平上对遗传多样性的阐述，是种质资源多样性评价的重要研究内容。褚云霞等[6]对22份非洲菊的11个数量性状进行了分级建立；钟声远等[7]对32份建兰的数量性状进行了分级研究；左振兴等[8]对30份亚麻的数量性状进行了变异分析；赵洪等[9]为研制芫荽测试指南，对52份芫荽的19个数量性状进行了分级建立；郭晓亮等[10]对6份重齿当归的14个数量性状进行了分级研究；于海龙等[11]对17个猪肚菇的8个数量性状进行了分级研究；章毅颖等[12]对74份蕹菜的23个数量性状进行了分级建立。

国内已有较多学者对谷子在不同区域的形态多样性进行了研究。杨延兵等[13]对不同生态区的12份骨干谷子品种(在山东种植)的7个数量性状进行了表型鉴定，并对其进行了聚类分析；刘思辰等[14]对212份山西地方品种(在当地种植)的15个性状进行了多样性分析和聚类分析；周佳敏等[15]对不同生态区的30份谷子(在河南种植)的6个主要性状进行了多样性分析；相吉山等[16-17]先后对435份和120份不同生态区谷子(在内蒙古种植)的16个性状和30个性状进行了聚类分析；丁银灯等[1]对274份不同生态区谷子(在新疆种植)的16个性状进行了聚类分析；屈洋等[18]对不同生态区的31份谷子(在陕西种植)的8个质量性状和8个数量分别进行了遗传多样性分析，并对茎秆的两个性状进行了聚类分析；元旭朝[19]对不同生态区的387份谷子(在山西种植)的16个农艺性状进行了聚类分析；沈琰等[20]对黑龙江和吉林两省的20份典型谷子(在黑龙江种植)的遗传多样性进行了研究。诸多学者研究的谷子群体不同，聚类性状也不同，得出的聚类群也不同。目前尚未见到有关谷子数量性状分级的研究报道，也尚无有关河北谷子品种基本性状聚类分析的研究报道，本研究首次对谷子14个数量性状进行了分级研究，为更客观更科学地描述谷子数量性状和谷子DUS测试指南修订提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以农业农村部植物新品种测试中心近4年来接受申请谷子品种保护权的153份新品种为试验材料(表1)，包含河北、山西、内蒙古谷子主产区的主要种植品种及河南、山东、甘肃、浙江、广东的一些谷子申请品种，较大程度地涵盖了中国不同生态区的谷子品种。

表1 试验材料Table 1 Varieties for the test

1.2 试验方法

1.2.1田间设计

试验田位于农业农村部植物新品种测试(张家口)分中心坝下试验基地内，试验田为栗钙土壤，长年与大豆进行轮作，肥力充沛，采用铺管喷灌给水技术。试验为随机区组设计，2次重复，4行区，行长5 m，设置株行距为5 cm×40 cm。待谷子4叶期时进行间苗定苗，并根据需要进行浇水、除草，确保植株正常生长各性状正常表达。

1.2.2性状采集

本试验按照中华人民共和国农业行业标准NY/T 2425—2013《植物新品种特异性、一致性和稳定性测试指南 谷子》(以下简称谷子DUS测试指南)中要求调查的性状和观测方法(具体的观测部位、观测时期、观测株数等)进行性状调查和数据记载，一共调查了32个基本性状(表2)，其中有14个数量性状、18个质量性状。对各数量性状的采集为每个品种每小区至少选取20株典型株用专用测量工具逐个测量记录，各质量性状的采集为观测每个品种的整个小区植株的器官部位。供试品种在相同地方相同条件下连续种植2年对其性状进行观测。

表2 基本性状Table 2 Basic characteristics

1.3 数据统计及分析

1.3.1数量性状分级

利用Microsoft Excel 2013软件处理数据，得到数量性状最小值、最大值，计算出平均值、标准差和变异系数等。按照最小显著差法对各数量性状进行分级[21]；应用SPSS 25软件计算各数量性状间的相关系数。

1.3.2性状确定及代码转化

根据1.3.1的分级方法给出各品种的数量性状表达对应的分级代码，质量性状则根据测试指南的规定和方法给出相应的代码值。

1.3.3多样性分析

供试品种的每个性状表达的分级代码记为1，其他代码记为0，由此构成性状的二元矩阵，用于分析供试品种遗传多样性。利用PopGen 32软件分析各性状的等位变异数目、有效等位变异数目和Shannon’s多样性指数(H′)[22]。

H′=-∑Piln(Pi)

式中，Pi为某个性状第i级别代码的品种数与供试品种总数的百分比。

利用NTSYSpc-2.10[23]统计软件计算品种间遗传相似系数，并对性状二元矩阵进行UPGMA聚类分析。

2 结果与分析

2.1 数量性状的分级和相关性分析

153个参试品种的14个数量性状数据统计见表3。结果显示，参试品种的千粒重性状变异系数最小，为10.20%；成穗茎数性状变异系数最大，为42.74%。其余性状变异系数从小到大依次为：倒二叶宽11.12%、伸长节节间数11.30%、抽穗期12.78%、茎秆粗12.79%、穗粗13.00%、倒二叶长14.24%、出谷率15.52%、穗长15.72%、茎秆长18.14%、穗颈长21.51%、单穗重28.97%、穗单码籽粒数41.82%。按照级差大于等于2倍标准差的要求，将性状18划分成代码为4、5、6的3个分级范围，将性状6、11、12、14、15、17、20、22、23、25、26、27和性状28划分成代码为3、4、5、6、7的5个分级范围(表4)。

表3 14个数量性状的数据Table 3 Data for 14 quantitative characteristics

表4 14个数量性状的分级Table 4 The grade of 14 quantitative characteristics

利用SPSS 25软件计算各数量性状间的相关系数，结果(表5)显示，性状6分别与性状11、12、14、15、17呈极显著正相关，与性状20、28呈极显著负相关；性状11分别与性状12、14、15、20、22、23、26和性状28呈极显著正相关，与性状18呈显著负相关；性状12分别与性状14、15、20、22、23、26和性状28呈极显著正相关，与性状18呈极显著负相关；性状14分别与性状15、17、20、22、26和性状28呈极显著正相关，与性状23、27呈显著正相关，与性状18呈极显著负相关；性状15分别与性状17、22、23和性状26呈极显著正相关；性状17与性状20呈极显著负相关，与性状28呈显著负相关；性状18与性状25、26、27呈极显著负相关，与性状20、22呈显著负相关；性状20分别与性状22、26和性状28呈极显著正相关，与性状27呈显著正相关；性状22分别与性状23、26和性状28呈极显著正相关；性状23分别与性状25、26呈极显著正相关，与性状28呈显著正相关；性状25分别与性状26、27呈极显著正相关，与性状28呈显著负相关；性状26与性状27呈极显著正相关，与性状28呈显著正相关。

表5 14个数量性状的相关系数Table 5 The correlation coefficient of 14 quantitative characteristics

2.2 谷子品种形态性状的多样性分析

对153份谷子参试品种的32个形态性状的等位变异、有效等位变异和Shannon’s多样性指数进行了统计，结果(表6)显示，不同品种间存在较大差异，相同性状在品种间也表现出不同程度的多样性，遗传多样性指数平均为0.906 8，依次为：单码籽粒数>穗颈长度>茎秆长度>单穗重>刚毛长度>穗长>穗粗>倒二叶长度>倒二叶宽度>抽穗期>花药颜色>出谷率>茎秆粗度>千粒重>穗形状>穗码密度>伸长节节间数>籽粒颜色>颖果颜色>成穗茎数>植株叶姿>籽粒形状>刚毛颜色>猫耳叶顶端形状>幼苗叶姿>穗护颖颜色>穗颈姿态>幼苗叶鞘颜色>幼苗叶片颜色>幼苗叶枕花青甙>植株颜色>籽粒胚乳类型。单码籽粒数、穗颈长度、茎秆长度、单穗重等表型性状的多样性指数较高，而植株颜色和籽粒胚乳类型的多样性指数较低。

表6 153个谷子品种32个形态性状的多样性Table 6 Diversity statistics of 32 morphological characteristics of 153 millet varieties

2.3 聚类分析

聚类分析结果显示，153个参试品种32个性状的相似系数分布在0.71～0.99之间。在相似系数为0.76时，将参试品种分为六大类(图1)，各类群体性状表现见表7。

表7 153份谷子新品种各类群基本性状特征Table 7 Basic characters of various groups of 153 new millet varieties

图1 153份谷子新品种基于32个基本性状的聚类分析Fig.1 Cluster dendrogram of 153 new millet varieties based on 32 basic characteristics

第Ⅰ类群包括3个品种，主要性状特征是抽穗期最短，均值为38.33 d；倒二叶长度最短，均值为30.84 cm；茎秆长最短，均值为78.43 cm；茎秆最细，均值为5.26 mm；茎秆节间数最少，均值为9.20；穗长最短，均值为15.97 cm；单穗重最轻，均值为8.71 g；猫耳叶全部为尖；幼苗叶片全为绿色；幼苗叶鞘全为绿色；叶枕花青甙显色极弱；刚毛较短，全为绿色；花药全为白色；植株颜色全为绿色；穗颈姿态为强弯和勾型；穗形状为圆锥和纺锤；穗码密度为疏到中和密表现出一定的跨度；籽粒颜色为黄色和褐色；颖果全为浅黄色；胚乳类型为粳。这类群品种抽穗极早，植株特别矮小，茎秆很细，果穗极短且单穗重很轻，产量较低。

第Ⅱ类群包括3个品种，主要性状特征是抽穗期为中，均值为63.33 d；倒二叶长度为中，均值为42.23 cm；茎秆长为中短，均值为115.26 cm；茎秆粗为中，均值为7.23 mm；茎秆节间数为中多，均值为14.57；穗长和穗粗均为中，均值分别为20.92 cm和27.22 mm；单穗重较轻，均值为13.32 g；猫耳叶为尖和尖到圆；幼苗叶片颜色为黄绿色和绿色；幼苗叶鞘颜色全为绿色；叶枕花青甙显色极弱；刚毛长度为中长，全部为绿色；花药颜色为白色和褐色，没有黄色；植株颜色全为绿色；穗颈姿态全为勾型；穗形状为圆筒和棍棒；穗码密度为中密；籽粒全为黄色；颖果全为浅黄色；胚乳类型为粳。这类群品种最突出的性状为果穗形状为圆筒和棍棒且单码籽粒数最少，其他性状表现为，生育期为中，植株群体长势偏弱，出谷率偏低，产量较低。

第Ⅲ类群包括1个品种，主要性状特征是抽穗期为中早，均值为56.00 d；倒二叶长度为中，均值为43.40 cm；茎秆长为中，均值为135.45 cm；茎秆粗为中粗，均值为8.68 mm；茎秆节间数为中，均值为11.20；穗长度为长，穗粗度为粗，均值分别为27.71 cm和40.20 mm；单穗重为极高，均值为24.34 g；猫耳叶为尖到圆；幼苗叶片为绿色；幼苗叶鞘为浅紫色；叶枕花青甙显色为中；刚毛长度为短，颜色为绿色；花药为褐色；植株颜色为绿色；穗颈姿态为勾型；穗形状为纺锤；穗码密度为疏；籽粒为黄色；颖果为浅黄色；胚乳类型为粳。这类群只有1个品种，主要性状表现为果穗最长最粗，且单穗重最重，其他性状表现为抽穗期为中早，花药颜色为褐色，产量处于较高水平。

第Ⅳ类群包括138个品种，主要性状特征是抽穗期为中，均值为64.71 d；倒二叶长度为中长，均值为47.93 cm；茎秆长为长，均值为151.41 cm；茎秆粗为中，均值为8.79 mm；茎秆节间数为中，均值为13.92；穗长为中长，穗粗为中粗，均值分别为25.80 cm和27.44 mm；单穗重较重，均值为22.26 g；猫耳叶为尖和尖到圆；幼苗叶片颜色为黄绿色和绿色；幼苗叶鞘颜色为绿色和浅紫色；叶枕花青甙显色为极弱和中；刚毛长度从短到长包含全部类型，刚毛颜色为绿色和紫色；花药颜色为白色、黄色 和褐色；植株颜色为黄色、绿色、浅紫色和中等紫色；穗颈姿态为强弯和勾型；穗形状为圆锥、纺锤、圆筒和棍棒；穗码密度为疏到中、中和中到密；籽粒颜色为黄色、红色、褐色和黑色；颖果颜色为白色、灰绿色、浅黄色和中等黄；胚乳类型为粳。这类群包括了绝大多数供试品种，生育期为中，植株群体长势中等，没有表现突出的性状，产量为中等水平。

第Ⅴ类群包括7个品种，主要性状特征是抽穗期极晚，均值为77.14 d；倒二叶长度为中长，均值为45.39 cm；茎秆长为中长，均值为120.31 cm；茎秆为中粗，均值为8.90 mm；茎秆节间数最多，均值为16.13；穗长、穗粗都为中，均值分别为21.55 cm和22.81 mm；单穗重为中，均值为14.65 g；猫耳叶为尖和尖到圆；幼苗叶片为绿色和浅紫色；幼苗叶鞘为绿色和中紫色；叶枕花青甙显色为极弱和强；刚毛长度为短到中和中，颜色为绿色和紫色；花药为白色和褐色；植株颜色为黄色和绿色；穗颈姿态为强弯和勾型；穗形状为圆锥和圆筒；穗码密度为中和中到密；籽粒为黄色和褐色；颖果全为中等黄；胚乳类型为粳。这类群最突出的性状为抽穗期最晚，穗颈长最短，其植株群体长势中等，产量为中等水平。

第Ⅵ类群包括1个品种，其主要性状特征是抽穗期极晚，为73.00 d；倒二叶长度为长，品种内均值为57.65 cm；茎秆长度为长，品种内均值为154.70 cm；茎秆粗度为粗，品种内均值为9.55 mm；茎秆节间数较多，品种内均值为15.50；穗长、穗粗都为中，品种内均值分别为20.20 cm和25.50 mm；单穗重较重，品种内均值为16.05 g；猫耳叶为尖；幼苗叶片为绿色；幼苗叶鞘为绿色；叶枕花青甙显色为极弱；刚毛长度为短到中，颜色为绿色；花药为白色；植株颜色为绿色；穗颈姿态为勾型；穗形状为圆筒；穗码密度为中密；籽粒为黄色；颖果为浅黄色；胚乳类型为粳。这类群品种最突出的性状为株高最高、倒二叶最长、茎秆最长最粗，植株群体长势最为茂盛，而穗部性状表现为中，产量为中等水平。

综合分析各类群，不同类群之间存在差异明显的性状，其中XIN 25048品种的抽穗期极早，XIN 31919品种的产量最高，XIN 36463品种的抽穗期最晚、出谷率最高，这些品种可作为亲本材料为培育华北优良春谷品种提供帮助。

3 讨论与结论

数量性状的表达常常因受外部天气变化和生长环境的不同而发生不同程度的年度间、区域间的变化，因此不同作物的测试指南中，对数量性状的表达状态都不是直接给出具体数值，而是用相应的一套标准品种作为标尺来矫正每个生长周期中外界环境对测试结果的影响。对数量性状的测试数据进行合理的分级，选择出各性状对应的标准品种是制定、修订测试指南的前提条件，也是最重要最关键的部分，由于测试指南制定初期，受到当时育种水平的限制，并未考虑品种间的繁殖类型和品种内的一致性程度，以致某些性状分级不能对品种进行正确全面真实的描述。本研究采用级差大于等于两倍平均标准差的方法对数量性状进行分级，根据常规使用标准的1～9级的尺度，同时参照可以使用隐藏、有限或浓缩的尺度[24]的原则，在本试验中建立了3～7和4～6的不完整分级尺度，如果能搜集更全面的品种了解到对应性状的极值不会再有大小变化，那3～7和4～6的不完整分级尺度可以转换为1～5和1～3的浓缩尺度。

随着现代谷子育种事业的不断发展和谷子新品种的不断涌现，尤其是杂交谷子的成功培育，导致现有谷子测试指南中很多数量性状的分级标准已不再适用，比如指南中对倒二叶长、宽的分级均为1～5，本试验有很多品种的倒二叶长、宽的级数不同程度地超出5级，如果根据指南划分只能都划分为5级，而实际上长宽都有不同程度的差别。指南中对植株伸长节间数的分级为1～5、出谷率的分级为1～3和千粒重的分级为1～3，通过本试验的数据分析显示，这些性状分级区间太短，不能有效地区分开不同的品种。

种质资源是生物学研究和育种改良的重要基础[25]，农艺性状描述是种质资源研究和新品种保护、审定、登记的基本方法和途径，国内外学者对不同作物采用不同的研究方法对搜集到的种质资源和申请品种保护的新品种进行遗传多样性评价、核心种质库构建、性状关联分析[26-28]，为促进育种事业更快更好的发展。随着育种水平的不断提高，谷子育成品种快速增加，国内以河北、山西、内蒙古为主产区，河北的张杂谷系列品种、山西的晋谷系列品种、内蒙古的赤谷系列等品种表现优良，丰富的新品种不断地丰富了中国谷子种质资源，也为全国的谷子生产发展做出重要贡献。

本试验按照中华人民共和国农业行业标准NY/T 2425—2013《植物新品种特异性、一致性和稳定性测试指南 谷子》的要求，对谷子14个数量性状和18个质量性状的遗传多样性进行了分析，结果显示，多样性指数最大的性状为穗的单码籽粒数(1.890 7)，最小的性状为籽粒胚乳类型(0.040 0)。相吉山等[16]对国内不同生态区的435份谷子进行研究发现，8个性状中穗下节长度的多样性指数最大，为2.100 0。王海岗等[29]对国内外的874份谷子的9个性状研究发现，单穗重的多样性指数最大，为1.84。王春芳[30]对国内外的262份谷子的12个性状进行研究发现，单穗重的多样性指数最大，为2.087。本研究结果与之不同，原因是分析方法不同、品种类型不同以及研究的性状数量不同。本研究发现，除了穗刚毛长度和花药颜色的多样性指数为1.457 2和1.073 9外，其他14个数量性状的多样性指数均大于16个质量性状的。

本试验结果显示，籽粒胚乳类型的多样性指数极低，为0.040 0。倒二叶长、倒二叶宽与影响产量的性状单穗重[31-34]均呈极显著正相关，而倒二叶长与倒二叶宽也呈极显著正相关，所以建议在谷子DUS测试指南中去掉籽粒胚乳类型和倒二叶宽两个性状，以遵循性状测量简便快捷的原则，减少工作量提高工作效率。

本试验对153份谷子新品种的32个基本性状进行聚类，结果分为六大类群。丁银灯等[35]对国内外的124份谷子的16个性状进行聚类，分为六大类群。陈茜午等[36]对56份谷子的7个性状进行聚类，分为四大类群。任芹勇等[31]对中国不同生态区的65份谷子的10个性状进行聚类，分为五大类群。秦岭等[37]对华北夏谷区的20份谷子主栽品种进行聚类，分为3个类群。不同的研究得出不同的聚类结果，首先，这跟谷子品种收集的多少有关，其次，不同的生态区谷子性状表达不同，最重要的是跟研究的性状个数有很大关系。性状选择得越多，聚类结果才更具有代表性。本研究首次采用中华人民共和国农业行业标准NY/T 2425—2013《植物新品种特异性、一致性和稳定性测试指南 谷子》[38]中对谷子DUS测试的全部性状要求，对153份谷子32个基本性状系统地进行聚类分析，其中XIN 25048品种表现出极早的抽穗期，只有26 d；单独作为一类群的XIN 31919品种表现出高产性状：穗长27.71 cm，单穗重24.34 g；XIN 36463品种表现晚抽穗期(85 d)，高出谷率(84.40%)。这几个性状优良的谷子可为杂交谷子育种做亲本参考，从而提高优质品种利用，推进育种事业发展。另外本研究发现，来自浙江的3份谷子品种在河北张家口不能正常抽穗，这可能跟谷子属于光温敏感作物、地理来源差异大导致在异地不能正常成熟[39-40]有关。因此在各不同生态地区引种时要充分考虑这一点。

本试验发现，测试指南中有些谷子标准品种的顶部叶片叶脉基部有不同程度的花青甙显色程度、植株叶鞘有不同程度的花青甙显色程度、穗颈有花青甙显色有无的区别，这三个性状都满足测试指南性状的选择标准[41]，建议应当尽快把这些性状加入测试指南，以用来更好更准确地区别谷子品种，为种业发展提供帮助。