257份高粱种质资源农艺性状的遗传多样性

高 旭，冯 周，2，丁延庆，徐建霞，曹 宁，程 斌，汪 灿，张立异

(1.贵州省农业科学院旱粮研究所，贵阳 550006；2.贵州大学农学院，贵阳 550025)

【研究意义】高粱[Sorghumbicolor(L.)Moench]起源于干旱、炎热和贫瘠的非洲大陆，相对于小麦、玉米和水稻具有较强的抗逆特性，是世界第五大禾谷类作物[1-2]。高粱是贵州酱香型白酒如茅台酒、习酒和董酒等的酿造原料[3-5]，但目前贵州省高粱种质资源遗传多样性低、主栽品种单一、退化严重、新品种选育进程迟缓，制约了贵州省白酒产业的高速发展[6-7]。因此，开展高粱种质资源收集，准确评价其遗传多样性，并进行合理选择利用，是选育高产优质酒用糯高粱新品种的关键因素[6, 8-10]。【前人研究进展】遗传多样性研究是保护和利用种质资源的重要手段[11]。目前，种质资源的遗传多样性主要依靠表型标记和分子标记等技术进行研究[12-13]。虽然分子标记已经大量应用于作物分子水平的遗传多样性研究，但是表型标记具有分子标记无法取代的优势，如直观且易于获取，因此仍然广泛地应用于高粱遗传多样性研究中[13-14]。如Geleta等[15]利用表型标记对45个不同来源的高粱资源进行分析，Ail等[16]利用表型标记对68个美国甜高粱品种进行聚类分析，结果均与基于分子标记的分类相符。赵香娜等[17]利用16个表型性状对206份甜高粱种质资源开展遗传多样性和相关性分析发现，该群体拥有丰富的遗传多样性，部分表型性状间呈极显著正相关。冯国郡等[18]对72份甜高粱材料的24个表型性状进行聚类分析，将72份甜高粱资源划分为4个类群。王黎明等[19]对173份帚高粱资源的10个表型性状开展遗传多样性调查结果表明，此批资源的多个表型性状间均存在显著相关性，并提出帚用高粱品种改良中应选择生育期适宜、株型紧凑的高产种质资源。李春宏等[20]对104份江苏省高粱种质资源的遗传多样性研究，选出9份可用于生产与育种的优良高粱种质资源。【本研究切入点】目前，贵州省酒用糯高粱育种存在可用高粱资源匮乏、主栽品种单一、产量低和品种退化等问题，而酒用高粱资源重要农艺性状的遗传多样性研究相对缺乏。【拟解决的关键问题】以257份高粱种质资源为材料，测定其株高、株型、穗型等18个表型性状，进行高粱种质资源的遗传多样性、相关性、主成分和聚类分析，以期为贵州省酒用高粱遗传群体资源的拓宽以及优质高产新品种的组配和选育提供基础材料和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试高粱种质资源由中国农业科学院作物科学研究所、贵州省农业科学院旱粮研究所和浙江省农业科学院作物与核技术利用研究所提供，共257份(表1)，分别来源于我国15个省市以及美国、日本和苏丹等地区。

1.2 试验方法

参试材料分别于2018年和2019年春季播种于贵州省农业科学院试验田内，每份材料播种1行，行长2.5 m，行距60 cm，株距25 cm，人工点播，适时进行田间定苗、追肥和除草等管理工作。参照《高粱种质资源描述规范和数据标准》和Li等[21]的方法，每年6—10月进行数值型和描述型农艺性状数据的采集与整理，数值型性状包括株型相关性状(株高、茎节数、茎粗、叶鞘长、穗柄长、旗叶长和旗叶宽)、穗部相关性状(穗长、穗节数、一级枝梗数和最长一级枝梗)和籽粒相关性状(千粒重、粒长、粒宽和长宽比)，每份资源调查8～10株并取2年数据的平均值。描述型性状包括高粱籽粒颜色(图1-A)、穗型(图1-B)和穗形(图1-C)，参照标准要求对描述型性状进行分级赋值。

1.3 数据分析处理

利用Excel 2010计算257份高粱种质资源农艺性状的平均值、标准偏差、变异系数、遗传多样性指数、偏度和峰度，其中遗传多样性指数根据性状分级和赋值采用Shannon’s信息指数(H′)进行描述和评价[22-23]。运用SPSS 26.0进行性状的相关性分析、主成分分析和聚类分析。聚类分析采用类平均法(UPGMA)，遗传距离为欧氏距离[24]，利用R语言进行绘图。

H′=-ΣPi× lnPi

式中，Pi为性状第i等级内材料份数占总份数的百分比。

2 结果与分析

2.1 数值型性状遗传多样性

从表2看出，在15个数值型农艺性状中，以最长一级枝梗的变异系数最大，为33.16%，说明该性状遗传变异较丰富；籽粒长宽比的变异系数最小，为9.40%，说明其遗传变异程度相对较低。各个性状的多样性指数在1.94～2.09，且表型均分布在较大变幅区段内，以株高的多样性指数最大(2.09)，其遗传多样性较丰富。此外，所有数值型农艺性状的偏度和峰度绝对值均小于1，说明各性状指标均呈正态分布，是受多基因控制且易受环境影响的数量性状。

表2 数值型农艺性状遗传多样性分析

2.2 描述型性状遗传多样性

从表3看出，在3个描述型性状中，257份高粱资源中有5种穗型、8种穗形、7种籽粒颜色。其中，穗形的变异系数最大，为56.27%，穗型的变异系数最小，为24.80%；籽粒颜色的遗传多样性指数最高，为1.69，穗型的遗传多样性指数最低，为1.30。

表3 描述型性状遗传多样性分析

2.3 高粱数值型性状的相关性

从图2看出，15个数值型性状之间存在不同程度的相关性。其中，株型相关性状间(株高、茎节数、茎粗、旗叶长和旗叶宽)和籽粒相关性状间(千粒重、粒长、粒宽和长宽比)呈极显著正相关(P<0.01)，株型相关性状之间的相关系数(R)在0.22～0.73，籽粒相关性状间的相关性系数(R)在0.57～0.91；穗型相关性状间(穗长、穗柄长、穗节数、一级枝梗数、最长一级枝梗)则部分相关，其中，穗长和最长一级支梗数、穗柄长和叶鞘长之间呈极显著正相关，相关系数(R)在0.49～0.88。

**和*分别表示在P<0.01和P<0.05水平上极显著和显著相关。

2.4 高粱主要表型性状的主成分分析

以15个数值型农艺性状数据为基础的主成分分析(表4)表明，15个性状简化为5个主成分，贡献率分别为32.25%、22.06%、14.53%、7.59%和5.96%，累积贡献率为82.40%，能代表257份高粱资源性状的原始数据信息。其中株型和穗型相关性状(如株高、茎节数、穗长、茎粗、叶鞘长和旗叶长)为第1主成分的决定因子，主要反映高粱生长发育相关性状的特征，特征值为4.83；籽粒相关性状(千粒重、粒长、粒宽和长宽比)为第2主成分的决定因子，主要反映高粱产量性状的特征，特征值为3.31；3个穗型相关性状(一级枝梗数、穗柄长和穗节数)为第3主成分的决定因子，特征值为2.19；2个穗型相关性状(穗柄长和穗节数)为第4主成分的决定因子，特征值为1.14；而1个株型性状(旗叶宽)则为第5主成分的决定因子，特征值为0.89。第2、3和4主成分反映了高粱产量相关性状的特征。

表4 各性状的主成分载荷和贡献率

2.5 高粱表型性状的聚类

对18个表型性状数据进行系统聚类分析(图3)表明，在欧氏距离20.0处，可将257份高粱资源划分为3个类群。类群Ⅰ包含128份高粱种质资源(49.8%)，大部分高粱种质(84份)来自辽宁、山西和陕西等北方地区，少部分种质(43份)来自贵州、四川和云南等南方地区。类群Ⅱ包含29份种质(11.3%)，主要来源于黑龙江、内蒙古和山西等北方地区，少数材料来源于西南地区(贵州和四川)。类群Ⅲ包含100份种质资源(38.9%)，其中南方高粱46份，主要来自贵州、四川、云南和湖北地区，北方高粱52份，主要来源于辽宁、山东、河北和北京等地区。

图3 18个表型性状的257份高粱种质资源聚类分析

对各类群的高粱种质资源的表型性状进行统计分析(表5～6)发现，类群Ⅰ具有株高、茎节数、茎粗、穗柄长、叶鞘长和旗叶长宽等株型相关性状表现中等的特征，而穗节数、一级枝梗数和千粒重则相对较大，穗型多为中散穗型和侧散穗型。类群Ⅱ种质材料的大部分株型(株高、茎粗、茎节数、叶鞘长和穗柄长)、穗型(穗节数和一级枝梗数)和籽粒(千粒重和粒长)相关性状数值均最小，穗形多为纺锤形，部分资源可作为矮秆酒用糯高粱育种材料的重要来源。类群Ⅲ主要表现为大部分性状(株高、穗长、茎节数、叶鞘长和穗柄长等)数值相对较高，部分穗型和籽粒相关性状(穗节数和千粒重等)数值适中的特征，籽粒颜色多为橙色和红色。各类群数值型性状的变异系数存在差异，其中，类群Ⅰ的大部分性状变异系数适中，类群Ⅱ大部分株型和穗型相关性状的变异系数为最大，而类群Ⅲ中籽粒相关性状的变异系数最大。

表5 高粱种质资源3个聚类类群表型性状的均值及变异系数

3 讨 论

遗传多样性研究是了解作物种质资源特性的重要手段，可为作物品种改良和新品种选育提供重要的理论依据[25-26]。对257份主要来源于我国的高粱资源调查开展15个数值型性状和3个描述型性状的遗传多样性分析显示，农艺性状均表现出丰富的遗传多样性，其中株高、穗长、茎节数显示较大变异幅度。张海燕等[27]对来自中国和美国等国家的61份高粱的遗传多样性研究结果显示，株高和穗长变异幅度分别为90.10～363.20和17.20～41.80 cm。田承华等[28]对55份中国高粱种质资源的遗传多样性分析表明，株高和穗长的变异范围分别为72.00～126.00和19.00～36.50 cm。本研究中，257份高粱资源的株高和穗长的变异范围分别为103.09～437.63和10.39～57.57 cm，表现出更大的多样性，原因可能是由于群体大小和种植环境的差异导致。

表6 高粱种质资源3个聚类类群的穗型、穗形和籽粒颜色

对数值型性状的相关分析和主成分分析发现，株高与穗长、旗叶长呈极显著正相关，并且穗长与旗叶长等7个株型和穗型相关性状为第一主成分决定因子，特征值高达4.83，反映了高粱生长发育相关性状的特征，也是评价高粱的主要参考指标，这与前人研究结果一致[29]，说明在一定范围内，通过改良高粱的株高可增加旗叶长度，从而增加旗叶有效光合叶面积，达到增加穗长，实现增产的目标。

基于所有性状的调查数据，257份高粱种质资源聚集形成3个类群。类群Ⅰ的高粱种质主要表现为具有较大的千粒重，为25.21 g，而贵州地区高粱千粒重一般约为20 g，主要是因为该地区的高粱植株较高、穗长较长、籽粒较多，影响灌浆速率，导致籽粒较小[30-31]。本研究中，类群Ⅰ由于具有较大的千粒重，部分材料可考虑作为改良贵州酒用高粱千粒重的基础材料；类群Ⅱ中的种质除了粒宽表现中等外，株高以及其它性状均表现为较低，穗型多为中散型，该类群由于具有较矮的株高，也可作为改良贵州地区酒用高粱株高的基础材料；类群Ⅲ主要表现为株高较高，其次叶鞘长、穗柄宽、旗叶长等10个性状都较类群I、Ⅱ突出，该类群主要用于做饲用高粱。此外，多数南方和北方的高粱聚集在不同的类群中，表现出比较明显的地域性特征。由于北方夏季气候干燥，紧凑穗型品种不容易发霉生虫，这一类的高粱资源主要聚集在第Ⅱ类群。而南方夏季高温潮湿，病虫害较严重，具有长穗和较高植株的品种有更好的抗发霉和抗虫性，所以南方高粱主要聚集在类群Ⅰ和类群Ⅲ。然而，穗长、株高与千粒重等性状呈负相关，导致南方高粱品种产量水平较低，给贵州酒用高粱的高产育种带来一定的挑战。

4 结 论

我国高粱种质资源在贵州表现出丰富的表型遗传多样性，不同性状间也存在相互关联和相互制约的作用。主成分分析按照高粱生长发育和产量相关等性状，可将数值型性状简化为5个主成分，累积贡献率达82.40%。根据来源地和表型的不同，聚类分析将中国高粱种质划分为3个类群，并具有各自的特点。类群Ⅰ中的优质资源，如郎糯 1 号、泸州红2号、高08、板江高粱-GX、赤水红粱1号、赤水红粱2号、370、黔高7号、433、茅红糯2号等，类群Ⅱ中的优异资源，如黔高6号、黔高4号、黔高2号、黔高3号、地丁、睁眼三、7103、371、永123、NMG等，可考虑作为基础育种材料，针对贵州地区酒用高粱植株高、千粒重低等问题进行遗传改良。在贵州酒用高粱的选育过程中，应结合当地种植区域生态气候，选择不同类群中的优势种质资源作为育种基础材料，可有效提高种质资源利用率、实现选育品种综合性状最优化。