基于表型性状的高粱育种材料遗传多样性分析及综合评价

张一中，张晓娟，梁笃，郭琦，范昕琦，聂萌恩，王绘艳，赵文博，杜维俊，柳青山

基于表型性状的高粱育种材料遗传多样性分析及综合评价

张一中1,2，张晓娟1,2，梁笃1,2，郭琦1,2，范昕琦1,2，聂萌恩3，王绘艳1,2，赵文博1,2，杜维俊4，柳青山2

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，山西榆次 030600；2省部共建有机旱作农业国家重点实验室（筹），太原 030031；3山西农业大学农业基因资源研究中心，太原 030031；4山西农业大学农学院，山西太谷 030801

【目的】解析高粱育种材料的表型性状变异规律和遗传多样性，探讨育种材料的综合评价方法，筛选高粱优异种质，为高粱种质创新与新品种选育提供重要依据。【方法】以263份不同来源的高粱种质为供试材料，2015—2016年在山西榆次对其17个表型性状进行鉴定，采用Shannon-Wiener’s多样性指数计算表型性状的遗传多样性，综合运用相关分析、主成分分析、聚类分析和逐步回归等方法对高粱种质进行综合评价，并根据综合评价值及目标性状筛选出高粱优异种质。【结果】263份高粱育种材料具有较高的遗传多样性，不同性状的多样性指数分布范围为0.497—2.075，其中，穗形的多样性指数最小，穗柄长的多样性指数最大。不同年份7个数量性状的变异系数有所变化，变幅最小的是生育期，其次是穗长；变幅最大的是单穗粒重，其次是茎粗。育种材料综合评价表明在累计贡献率高于80%时，共发现11个主成分；利用隶属函数法计算表型综合值（值），高粱育种材料的表型性状综合值（值）平均为0.464，恢复系L28的值最高（0.581），保持系72B/DORADO双的值最低（0.330）。通过逐步回归建立了12个性状（主脉色、穗型、穗形、芒性、颖壳包被度、粒形、株型、茎粗、穗长、单穗粒重、千粒重和生育期）作为自变量的回归方程，可以作为高粱育种材料表型性状的综合评价指标。基于值进行聚类，将263份供试材料分为6个类群，其中，第Ⅳ类群的33份材料农艺性状优良，平均值最高，可作为材料创新及杂交育种的亲本材料。【结论】参试高粱种质表型性状遗传变异较为丰富，遗传多样性高，采用多元统计分析方法综合评价高粱种质是可行的；筛选出优异种质33份。

高粱；表型性状；遗传多样性；综合评价

0 引言

【研究意义】高粱（(L.) Moench）是世界上第五大禾谷类作物，在全球100多个国家和地区广泛种植[1]。高粱具有抗旱、耐高温、耐盐碱、耐瘠薄等特性，在应对全球气候变化和利用边际农田等方面发挥着重要的作用[2]。表型性状是作物基因型与环境互作后表现出来的性状，包括形态学、生育期、产量等[3]。经过长时间自然变异和人工选择，在世界不同区域形成了地域特色鲜明的各类高粱种质资源，从而构成育种家选育新品种的种质基础。因此，对高粱种质资源的表型性状开展多样性分析和综合评价，将有助于促进种质创新和培育优良品种，同时，也是提升高粱种业科技创新的关键。【前人研究进展】目前，美国的国家植物种质资源系统（national plant germplasm system，NPGS）保存高粱种质资源47 458份（https://www.ars-grin.gov/）；印度国际热带半干旱地区作物研究所（international crops research institute for the semi-arid tropics，ICRISAT）保存高粱种质资源42 799份（http://genebank.icrisat.org/）。在中国高粱栽培历史悠久，积累了丰富的资源，现保存高粱种质资源22 797份，保存量居世界第四位[4]，其他非洲国家也保存了大量的种质资源。各国学者已从表型、分子等不同方面展开了高粱鉴定评价工作，筛选到优异种质资源以供育种利用。ASSEFA等[5]利用13个质量性状对埃塞俄比亚的267份高粱种质进行遗传多样性分析，发现多样性指数的变化范围为0.76—0.96，其中，芒的多样性指数最高，其次是中脉色。MOFOKENG等[6]对98份南非种质资源的14个农艺性状进行了鉴定评价，发现籽粒产量与株高、穗宽呈显著正相关，但与穗伸出长度呈负相关，并鉴定出4份具有育种价值的资源。BOYLES等[7]对390份不同种群的高粱资源进行产量性状分析，发现不同种群的产量性状变异丰富，Caudatum和Kafir种群的穗粒数、千粒重、单穗粒重的平均值较高。徐晓等[8]对320份中国高粱地方品种和育成品种的穗部性状进行了鉴定及综合评价，发现参试种质资源的穗部性状多样性程度较高，角质率和一级枝梗长的变异系数较高，依据综合得分值及目标性状筛选出29份优异种质。赵欣蕊等[9]对371份国内高粱种质的9个株型指标进行了精准鉴定，发现表型变异种类丰富，节数、倒二叶角、倒三叶角和茎粗容易受到环境条件的影响，通过对农家种和改良种的性状比较，发现改良种株高适中、株型紧凑、抗倒伏趋势明显，更加符合机械化生产要求。高旭等[10]发现257份中国高粱资源在贵州表现出丰富的表型多样性，结合贵州高粱株高较高和千粒重较低的特点，第Ⅰ和第Ⅱ类群的部分种质可作为贵州酒用高粱遗传改良的育种亲本。【本研究切入点】前人对高粱表型性状的鉴定评价多集中在地方品种或国外引进品种上，鉴定出的一些单一性状优异种质资源在育种上并没有被很好地利用，种质资源鉴定与材料创新上结合不紧密。因此，深入开展高粱育种材料表型性状的综合鉴定评价，使育种家清楚地了解各类育种材料的性状特点，对于提高育种效率、选育优良品种十分重要。【拟解决的关键问题】本研究对263份高粱育种材料的17个表型性状进行遗传多样性分析和综合评价，以揭示高粱表型性状的变异规律，筛选出相对合理的评价指标，为高粱种质创新利用及品种改良提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为263份高粱种质资源，来自山西农业大学高粱研究所饲料高粱研究室近年来收集、整理和自主选育的育种资源（电子附表1），其中，恢复系（R）163份，保持系（B）83份，地方品种（L）17份。

1.2 试验设计

试验于2015—2016年在山西省农业科学院高粱研究所东白基地（晋中市榆次区）进行。该地区属温带大陆性半干旱气候，年平均日照2 662 h，年均气温10.1 ℃，无霜期158 d[11]。试验地为石灰性褐土，质地中壤，2015年前茬作物玉米，0—25 cm耕层有机质含量12.7 g·kg-1，全氮0.98 g·kg-1，速效磷12.45 mg·kg-1，速效钾101.9 mg·kg-1，pH7.6。2016年前茬作物为玉米，0—25 cm耕层有机质含量10.0 g·kg-1，全氮0.76 g·kg-1，速效磷4.60 mg·kg-1，速效钾150.40 mg·kg-1，pH7.0。由于试验材料多，类型丰富，为消除株高对矮秆材料造成的影响，试验分为2组，Ⅰ组为高秆材料，Ⅱ组为矮秆材料，随机区组设计，3次重复。试验小区2行区，行长5 m，行距0.5 m，株距0.2 m。底肥施牛粪45 m3·hm-2，播种前撒施复合肥750 kg·hm-2，然后旋耕，常规大田栽培管理。2015年5月5日播种，5月27日间苗；2016年5月9日播种，5月28日间苗。

1.3 数据采集

1.3.1 质量性状调查 成熟期调查每个材料的质量性状，包括分蘖性（tillering，T）、主脉色（medium vein color，MVC）、穗型（panicle type，PAT）、穗形（panicle shape，PS）、颖壳色（glume color，GC）、芒性（awn，A）、颖壳包被度（grain covering，GRCV）、粒色（grain color，GRCL）、粒形（grain shape，GS）、株型（plant type，PLT）10个性状。前9个性状调查标准参照《高粱种质资源描述规范和数据标准》[12]。参照Truong等[13]方法调查株型，分为紧凑型、中间型和平展型，具体调查标准：（1）紧凑型，叶片上冲，叶片与茎秆的叶夹角小于30°；（2）中间型，叶片与茎秆的叶夹角为30°—60°；（3）平展型，叶片平展，叶片与茎秆的叶夹角大于60°。

1.3.2 数量性状调查 调查每个材料的数量性状，包括株高（plant height，PH）、茎粗（stem diameter，SD）、穗长（panicle length，PAL）、穗柄长（peduncle length，PEL）、单穗粒重（grain weight per spike，GWPS）、千粒重（thousand grain weight，TGW）、生育期（period of duration，PD）7个性状，调查标准参照《高粱种质资源描述规范和数据标准》[12]。

1.4 数据分析

1.4.1 表型性状的描述性统计方法 采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0软件对数据进行处理和分析。分析10个质量性状类别的频率分布和多样性指数，为便于统计分析，将10个质量性状分别进行赋值，具体赋值标准见表1。

7个数量性状计算平均值、标准差、最大值、最小值、中间值、变异系数和多样性指数，采用Shapiro-Wilk（W检验）对数量性状进行正态分布检验，若P值大于0.05，说明样本呈正态分布。

利用模糊隶属函数计算出各数量性状的隶属函数值，即将各性状定义到[0，1]闭区间。

(x)=(x-xmin)/(xmax-xmin) (=1，2，3...263)

式中，(x)为某材料第个性状指标的隶属函数值，x表示某材料的第个性状值，xmin表示所有材料性状指标的最小值，xmax表示所有材料性状指标的最大值。每一级的相对频率用于计算遗传多样性指数。

表1 高粱材料10个质量性状的赋值标准

T：分蘖性；MVC：主脉色；PAT：穗型；PS：穗形；GC：颖壳色；A：芒性；GRCV：颖壳包被度；GRCL：粒色；GS：粒形；PLT：株型。下同

T: Tillering; MVC: Medium vein color; PAT: Panicle type; PS: Panicle shape; GC: Glume color; A: Awn; GRCV: Grain covering; GRCL: Grain color; GS: Grain shape; PLT: Plant type. The same as below

1.4.2 表型性状遗传多样性指数计算 采用Shannon- Wiener多样性指数（Shannon-Wiener diversity index，′）进行评价，计算公式为：

′=-∑×ln

式中，p为某性状第级别的材料份数占总材料的百分比，ln表示自然对数。

1.4.3 表型性状综合评价及聚类分析 参照胡标林等[14]方法进行表型性状的综合评价：（1）17个性状数据经标准化处理后，代入每个主成分的表达式中，计算各主成分的得分；利用模糊隶属函数法对各主成分得分进行归一化处理，计算出各主成分的权重系数，最后计算各材料的综合得分（值）。（2）以值为因变量，以17个性状数据作为自变量，通过逐步回归分析构建回归方程，进一步筛选综合评价指标。以上数据分析全部采用SPSS 19.0软件。采用SPSS 19.0软件进行聚类分析，利用采用组内联接法对高粱育种材料进行聚类。

2 结果

2.1 高粱育种材料表型性状的遗传多样性分析

263份高粱育种材料10个质量性状的Shannon- Wiener多样性指数变化范围为0.497—1.452（表2），平均为1.045，其中，颖壳色的多样性指数最大，为1.452；穗形的多样性指数最小，为0.497。所有材料中分蘖性有62.7%的属于“无”这一等级，其次为“弱”和“中”等级，分别占30.1%和7.2%。主脉色以黄脉为主（41.8%），其次是白脉（32.3%）和蜡脉（25.9%）。穗型以中紧最多，为41.1%，其次是紧（36.5%）和中散（18.6%）。穗形以纺锤形最多，占89.7%。有64.6%的材料株型为平展型，24.0%为中间型，11.4%为紧凑型。颖壳色以灰色、红色、褐色为主，分别占29.3%、28.1%、28.1%。有62.7%的材料无芒，37.3%的材料有芒。颖壳包被度以包被1/4最多，为69.6%。粒色以红色为主，为66.1%，其次是白色（19.8%）、灰白色（6.5%）、橙色（4.2%）。38.8%的材料粒形为圆形，28.1%为长圆形，19.8%为卵形，13.3%为椭圆形。

7个数量性状的变异系数分布范围为5.60%— 27.77%，单穗粒重最大，生育期最小，平均变异系数为18.89%。数量性状多样性指数均较大，范围为1.671—2.075，株高最小，穗柄长最大，平均多样性指数为1.902。7个数量性状中茎粗、单穗粒重、千粒重、生育期的变异符合正态分布（＞0.05），其他性状表现为非正态分布（表3和图1）。方差分析可以看出，263份材料间的7个性状均达到极显著水平，7个性状的方差值为10.64—355.08。

表2 263份高粱材料的质量性状变化及分布特征

PH：株高；SD：茎粗；PAL：穗长；PEL：穗柄长；GWPS：单穗粒重；TGW：千粒重；PD：生育期；**代表在0.01水平上差异显著。下同

PH: Plant height; SD: Stem diameter; PAL: Panicle length; PEL: Peduncle length; GWPS: Grain weight per spike; TGW: Thousand grain weight; PD: Period of duration. ** mean significant different at 0. 01 probability levels. The same as below

图1 263份高粱育种材料7个数量性状的分布情况

株高平均值为（125.29±27.52） cm，变幅为69.50—268.83 cm，极差为199.33，其中黑1B最矮，黄粒高粱最高。茎粗平均值为（1.66±0.37） cm，变幅为0.67—2.83 cm，极差为2.16，其中09315B最小，XJ1B最大。穗长平均值为（26.59±3.87） cm，变幅为14.98—40.58 cm，极差为25.60，其中，IS-1139C最短，L2B最长。穗柄长平均值为（33.37±6.46）cm，变幅为17.26—49.17 cm，极差为31.91，其中，吉16最短，7B大粒/TB//18B最长。单穗粒重平均值为（66.95±18.59）g，变幅为25.15—124.87 g，极差为99.72，其中，黑2001最小，河南R最大。千粒重平均值为（28.54±5.57）g，变幅为15.87—45.13 g，极差为29.26，其中16258R最小，泸恢101/L17R最大。生育期平均值为（120.82±6.77）d，变幅为101—142 d，极差为41，其中，Y23B的生育期最短，小白高粱最长。

2.2 不同类型高粱的数量性状比较

从表4可以看出，地方品种除千粒重外，其他性状的变异系数均大于恢复系和保持系，如地方品种的株高变异系数为36.73%，明显高于恢复系和保持系株高的变异系数；并且地方品种7个数量性状的变幅也较大。

从地方品种和恢复系、保持系的性状比较来看，恢复系和保持系的株高分别降低了21.84和39.34 cm，株高明显降低，为组配中矮秆高粱杂交种奠定了基础。恢复系和保持系的茎粗较地方品种分别增加了0.38和0.44 cm，主要是由于茎粗与倒伏性密切相关，为选育抗倒伏的品种，创制亲本时以茎秆粗、抗倒伏能力强为育种目标，亲本系茎粗明显增加。恢复系的穗长比地方品种略有增加，但增幅很小；保持系的穗长比地方品种增加了4.05 cm，这主要由于穗长在F1代表现出较高的遗传力，在亲本的选育过程中有意选择穗较长的品系。恢复系和保持系的穗柄长较地方品种分别减少了5.76和0.39 cm，这可能是株高降低引起的结果。从2个产量性状来看，恢复系和保持系的单穗粒重比地方品种分别增加了14.56和7.52 g，千粒重也分别增加了1.97和1.65 g，这是高粱杂交种比常规地方品种产量显著提升的重要基础。从生育期来看，恢复系和保持系比地方品种分别增加了2.90和0.91 d，这可能由于一些生育期短、产量低的地方品种在育种选择中被淘汰。

表4 不同类型高粱7个数量性状的比较

2.3 数量性状的年度变异

高粱的大部分表型性状是数量性状，变异丰富，极易受环境因素的影响，因此，调查数据的稳定性是种质资源鉴定评价的一个重要构成要素。从表5可知，连续2年的高粱数量性状平均值除茎粗外，其他6个性状的平均值均是2016年大于2015年。2年间7个性状的变异系数有所变化，变幅最小的是生育期，其次是穗柄长；变幅最大的是茎粗，其次是株高。

表5 2015—2016年数量性状年度间变异

2.4 相关性分析

相关分析表明（表6），17个性状间存在不同程度的相关性。生育期与主脉色、株型、株高、茎粗、穗长、单穗粒重呈极显著正相关，与穗型、粒色呈极显著负相关。千粒重与颖壳色、粒形、单穗粒重呈极显著正相关，与穗型、颖壳包被度呈极显著负相关。单穗粒重与株高、茎粗、穗长、千粒重、生育期呈极显著正相关，与颖壳包被度呈显著负相关。穗柄长与穗长呈极显著正相关，与粒色呈显著负相关。穗长与茎粗、穗柄长、单穗粒重、生育期呈极显著正相关，与芒性、粒色呈显著负相关。茎粗与穗长、单穗粒重、生育期呈极显著正相关，与分蘖性、穗型、芒性、粒色呈显著负相关。株高与分蘖性、芒性、单穗粒重、生育期呈极显著正相关。

2.5 主成分分析

基于17个表型性状进行主成分分析，在累计贡献率高于80%时，共提取了11个主成分，其主成分特征值分别为2.600、1.783、1.686、1.397、1.166、1.083、1.034、0.966、0.842、0.794和0.705；主成分贡献率分别为15.294%、10.488%、9.919%、8.218%、6.860%、6.372%、6.085%、5.683%、4.955%、4.673%和4.147%（表7）。前11个主成分的累计贡献率达到82.695%，可以解释高粱表型性状的大部分信息。

为了解释11个主成分的实际意义，主成分指标分配如下。第1主成分贡献率最大，为15.294%，单穗粒重、生育期、茎粗的特征向量值大于其他性状，说明第1主成分是单穗粒重、生育期、茎粗的综合反映；第2主成分贡献率为10.488%，粒形特征向量值最大，说明第2主成分是粒形因子；第3主成分贡献率为9.919%，株高的特征向量值最大，说明第3主成分是株高因子；第4主成分贡献率为8.218%，株型的特征向量值最大，为株型因子；第5主成分贡献率为6.860%，颖壳色的特征向量值最大，代表颖壳色因子；第6主成分贡献率为6.372%，茎粗具有较高的正向载荷，分蘖性具有较高的负向载荷，说明第6主成分是茎粗、分蘖性的综合反映；第7主成分贡献率为6.085%，代表穗形因子；第8主成分贡献率为5.683%，为穗柄长因子；第9主成分贡献率为4.955%，主脉色的特征向量值为负值，且绝对值最大，为主脉色因子；第10主成分贡献率为4.673%，芒性具有较高的负向载荷，粒形具有较高的正向载荷，为芒性和粒形的综合指标；第11主成分贡献率为4.147%，颖壳色具有较高的负向载荷，分蘖性具有较高的正向载荷，为颖壳色和分蘖性的综合反映。

表6 高粱育种材料17个表型性状的相关系数

表7 17个表型性状前11个主成分的特征向量、特征根、方差贡献率及累计贡献率

E：特征值；CR：方差贡献率；CCR：累计贡献率 E: eigenvalues; CR: contribution rate; CCR: cumulative contribution rate

2.6 高粱育种材料综合评价

通过对高粱育种材料17个性状值进行标准化处理，代入上述11个主成分中，求得各材料的11个主成分得分，其中，第一主成分的线性方程为：

1j=-0.029′1j+0.106′2j-0.105′3j-0.052′4j+0.101′5 j

-0.088′6j+0.049′7j-0.117′8j-0.142′9j+0.076′10

+0.117′11j+0.258′12j+0.2′13j+0.087′14j+0.275′15j

+0.16′16j+0.264′17j

利用模糊隶属函数法将11个主成分得分值进行归一化处理，并计算出11个主成分的权重系数（0.185、0.127、0.120、0.099、0.083、0.077、0.074、0.069、0.060、0.057和0.050），然后计算各育种材料的综合得分（值），以值对所有材料进行综合评价。结果表明，高粱育种材料的表型性状综合值（值）平均为0.464，恢复系L28的值最高（0.581），保持系72B/DORADO双的值最低（0.330），说明L28的综合性状最好，72B/DORADO双的综合性状最差。不同类型代表性高粱材料的值见表8，其中恢复系排在前10位的是L28、河南R、58R/L17R、泸恢101/L17R、L17R、低秆资源/L17R、60R/L17R、44F/L17R、304-1、HS122，保持系排在前10位的是泸45B、铁10612、10337B、XJ1B、7B大粒/TB-2、10361B、2087/TB、10480B、L2B、T239/2087B，地方品种排在前3位的是澳洲红高粱、吉林农家种、小白高粱。

对17个性状值与值进行相关性分析（表9），结果表明，主脉色、穗形、颖壳色、颖壳包被度、粒形、株型、株高、茎粗、穗长、单穗粒重、千粒重、生育期与值的相关性均达极显著正相关，芒性与值的相关性达显著正相关。

表8 不同类型代表性高粱材料的F值

表9 17个表型性状与表型综合值（F值）的相关系数

2.7 综合评价指标的筛选

利用已求得的各材料的综合得分（值）与表型性状构建最优回归方程，筛选高粱育种材料综合评价指标。以值为因变量，以17个性状为自变量，通过逐步回归分析构建最优回归方程为：

=(-70.984+5.1872+7.9713+10.6954+14.4356

+18.2467+7.9299+21.13210+36.68112

+1.77113+0.73415+2.05216+1.29417)×10-3

式中，2、3、4、6、7、9、10、12、13、15、16、17分别代表主脉色、穗型、穗形、芒性、颖壳包被度、粒形、株型、茎粗、穗长、单穗粒重、千粒重、生育期，方程相关系数为0.998，决定系数2为0.996，表明这12个自变量可决定值总变异的99.6%，值为4 690.278，方程极显著。由回归方程可知，上述12个性状对高粱育种材料表型性状综合值的影响显著，可以作为高粱育种材料表型性状的综合评价指标。主成分综合得分与该回归方程预测值的相关系数为=0.892**，表明该方程可以用来评价高粱材料的可靠性达到99.6%。

2.8 聚类分析

以欧氏距离为遗传距离，采用组内联接法根据上述12个性状数据对所有高粱材料进行聚类分析，从聚类图可以看出（图2），在遗传距离为16.40处时，263份材料可分为6个类群，各类群主要性状和综合值的平均值如表10所示。

第Ⅰ类群包括84份材料，占所有试验材料的31.9%，按材料的特点又可以分为2个亚类：第Ⅰ-1亚类有83份，主要特点为植株较矮、茎秆粗、单穗粒重和千粒重较大、生育期中等，平均值相对较高，为0.486。这一类群包含保持系30份，以7B大粒/TB的改良系和印度类型的改良系为主；恢复系53份，主要包括吉林和山西育成的品系；第Ⅰ-2亚类只有1份材料，为地方品种黄粒高粱，表现为植株高、茎秆细、单穗粒重中等、千粒重较大、中熟类型，值为0.456。

第Ⅱ类群：有4份材料，占所有材料的1.5%，主要特点为植株高、穗柄长、穗粒重低、生育期长，四川、贵州的材料3份，马达加斯加的材料1份。

第Ⅲ类群：有34份材料，占所有材料的12.9%，主要特点为植株较高、茎秆较粗、单穗粒重和千粒重中等、生育期中熟，平均值中等，突出性状不多。

第Ⅳ类群：有33份材料，占所有材料的12.5%，主要特点为茎秆较粗、单穗粒重和千粒重最大、中晚熟，平均值最高，为0.512。这一类群包含恢复系28份，以山西和四川育成的品系为主；保持系4份，全部为泸45B和LgB/R5M874B的改良系；地方品种1份。

第Ⅴ类群：共31份材料，占所有材料的11.8%，主要特点为早熟、矮秆、茎秆较细、单穗粒重和千粒重低，平均值最低，为0.419。这一类群大部分材料来自黑龙江和吉林等地区，其中保持系13份，地方品种3份，恢复系15份。

第Ⅵ类群：共77份材料，占所有材料的29.3%，主要特点为植株较矮、茎秆较细、单穗粒重和千粒重较低、中早熟，平均值中等；其中保持系29份，以国外种质为主；地方品种5份，来源广泛；恢复系43份，以山西、吉林、辽宁的材料为主。

表10 不同类群表型数量性状的平均表现

图2 263份材料基于12个性状的聚类图

3 讨论

3.1 高粱育种材料表型性状遗传多样性

高粱种质的价值主要体现在育种利用上，种质资源的遗传多样性是培育优良品种的原始创新基础，而表型性状鉴定可为高粱优异资源的挖掘和利用提供有效信息[15]。本研究对263份高粱育种材料在同一环境下2年的17个表型性状进行了遗传多样性分析，结果表明，10个质量性状的平均多样性指数为1.045，高于陈艳丽等[16]对207份国内外高粱种质资源多样性分析的结果；其中，颖壳色的多样性指数最高（1.452），而高旭等[10]、冯国郡等[17]发现不同来源的高粱种质中，粒色的多样性指数最高，这可能是其试验材料来源更广泛，也可能是育种目标不同所引起的。本试验材料大部分用于酿造高粱品种选育，这就要求高粱籽粒里要含有一定量的单宁，而大部分红色籽粒的种质单宁含量相对较高，所以本材料里有60%以上的种质籽粒颜色是红色；也从侧面说明由于高粱育种目标的单一，导致育种材料选择范围变窄。因此，应广泛收集不同类型的种质资源，以满足不同育种目标的需求。

7个数量性状表现出丰富的变异，变异系数最高的是单穗粒重，最低的是生育期，这与何继红等[18]对甘肃省新征集高粱地方品种资源的多样性研究结果一致。多样性指数最高的性状是穗柄长（′=2.075），其次是千粒重（′=2.025），这与周瑜等[19]研究结果相似，其他性状也表现较高的多样性指数，说明本试验材料数量性状变异丰富。大多数作物种质表型性状表达具有区域环境下的稳定性与优异性特点，而稳定性是种质资源鉴定的基础[3]。本研究除茎粗外，其他6个性状的平均值均是2016年大于2015年；虽然年度间的变异系数有所变化，但两年的变化趋势是相同的，说明在本环境下不同年度之间的鉴定结果是稳定的。王海岗等[20]研究显示，山西省农业科学院东阳试验基地（37.6°N，112.7°E）适合谷子核心种质表型精准鉴定，鉴定数据全面稳定，本试验基地与东阳试验基地属于同一地区，说明该地区的气候特征也适宜高粱种质资源的表型性状鉴定。

3.2 高粱地方品种的鉴定评价与利用

本试验材料既包含经过长期自然选择和人工选择的地方品种，还有大量现代育成品种（恢复系和保持系）。从3个类型的数量性状比较分析可以看出，恢复系和保持系大部分性状的变异系数低于地方品种，但这两种类型仍存在着广泛的变异供育种选择，如恢复系的单穗粒重的变幅为25.15—124.87 g、变异系数为27.24%，保持系的单穗粒重变幅为25.33—121.07 g、变异系数为26.07%，千粒重也表现出同样的趋势，其他性状也存在着广泛的变异，这就为创制优良亲本系提供了丰富的育种资源。从性状变化来看，与地方品种相比，保持系和恢复系的株高明显降低，而单穗粒重和千粒重却有不同幅度的提高，这些育种上的进步为高粱杂种优势利用奠定了重要的基础。

虽然本研究的地方品种只有17份，但其主要性状的变异系数却高于数量较大的恢复系和保持系，说明地方品种中蕴含着丰富的遗传变异。地方品种反映了原产地区的生态和栽培特点，具有对地方环境的适应性强、遗传基础丰富等特点，而且有许多可被利用的性状（如抗病性、抗逆性、品质好等）[21]。虽然这些地方品种逐渐退出当地生产领域，但它们仍然是改良现有品种、实现新的育种目标的重要基础材料。从我国高粱杂交种选育历程来看[22]，直接应用中国高粱地方品种作恢复系由20世纪80年代以前的70%下降到80年代以后的3.3%；相反，利用杂交选育的恢复系作杂交种亲本却由24%上升到73.4%，而到现在，这个比例几乎达到90%以上，说明在目前的高粱育种中，对地方品种的关注程度明显低于育成品种，利用率很低。分析原因，一是许多优异基因资源的农艺性状并不理想，在育种应用中受到了许多不利因素（不良农艺性状和不利连锁基因的存在、不利基因频率、遗传累赘等）的影响[23]，这对种质资源优异基因的发掘和利用带来了困难。二是精准鉴定和优异基因的深度挖掘不够，致使优异新种质和新基因不明，无法满足对突破性优异种质的需求。这就需要对地方品种持续进行深入系统的精准鉴定评价，为高粱杂交种育种提供广泛的遗传变异类型。而本研究还需进一步搜集整理高粱地方品种，扩大规模，为满足新的育种目标奠定种质基础。

3.3 高粱育种材料表型性状的综合评价

隶属函数标准化与主成分分析综合评价方法在作物品种资源抗旱性[24]、耐盐性[25]鉴定评价方面得到广泛应用，这一方法在马铃薯[26]、海岛棉[27]、青稞[28]的表型遗传多样性评价中也得到应用，该方法不仅可以评价每份资源综合表现（值），同时还能筛选出评价种质资源特定表现的指标。本研究利用这一方法对263份高粱育种材料进行了表型性状综合评价，其中恢复系L28的值最高（0.581），保持系72B/DORADO双的值最低（0.330），可结合其综合表型构建遗传变异丰富的研究群体。在与值达到极显著相关的12个性状中，质量性状颖壳包被度与值的相关系数达到了0.554；而在数量性状中单穗粒重、茎粗、生育期的相关系数较高，分别为0.607、0.493和0.468，说明这几个性状对资源评价较为重要，在高粱资源性状鉴定和育种实践中应注重对这些性状的选择。

相关性分析表明，质量性状与数量性状间存在着显著或极显著相关，但相关系数均较小，实际应用意义还有待验证。所有性状的相关系数中，单穗粒重和茎粗的相关系数最高，为0.432；数量性状之间的相关系数多数要高于该数量性状和质量性状之间的相关系数，且多数为极显著，这与对谷子[20]的研究结果基本一致。

由于高粱的表型性状较多，且各性状间存在不同程度的相关性；如果直接依据这些信息评价高粱育种资源，既增加了数据采集的工作量和数据分析的复杂性，又不能全面、真实地评价育种资源的特性。因此，有必要筛选出相对重要的性状进行重点调查，应用于大批量种质资源的综合评价。本研究利用主成分分析和逐步回归分析，建立了高粱育种材料的评价方程和评价指标。结果显示，主脉色、穗型、穗形、芒性、颖壳包被度、粒形、株型、茎粗、穗长、单穗粒重、千粒重、生育期12个性状可作为高粱种质资源农艺性状综合评价指标，在高粱性状考察及育种实践中应加以重视，而且这些性状便于观察、测量、记载，适用于大群体的综合评价。

3.4 综合评价方法在育种实践中的应用

根据表型性状综合值（值）的结果，本试验材料值平均为0.464，恢复系排在前10位的主要为L17R的改良系。保持系排在前10位的主要为泸45B和7B大粒B的改良系。地方品种排在前3位的是澳洲红高粱、吉林农家种、小白高粱，分别来源于澳大利亚、吉林、辽宁。以上结果在育种实践中也得到了验证，恢复系L17R是本课题组选育的晋糯3号[29]、红糯16号[30]父本，而L17R的改良系，已组配出多个糯高粱杂交组合参加全国区域试验。在保持系中，一类是来自四川的优良亲本系泸45B和45B的改良系10480B，另一类是7B大粒B的改良系10337B，在这两类里10337A（10337B对应的不育系）是晋杂32号的母本[31]，10480A（10480B对应的不育系）是晋糯3号的母本，泸45A已组配出多个高粱杂交种通过国家或省级鉴（认）定[32]，其他不育系也是目前本课题组的骨干亲本系。由此可见，本研究表型综合评价的结果和育种实践基本一致，同时其他高值的材料也应引起关注。

另一方面，无论是恢复系、还是保持系，综合值排在前10位的材料都表现出亲缘关系相近、遗传基础狭窄的特点，由这些优异亲本系构建的高粱杂种优势类群趋向于单一化，同质化品种较多。为改变这一现状，应广泛收集不同生态区的高粱种质资源，扩大育种资源库，进行综合评价；在利用好优良骨干亲本的基础上，开发地方品种资源，引入国外的优良种质基因，拓宽高粱遗传基础，创建不同育种目标的高粱杂种优势类群，以提高杂交种的增产潜力和适应能力[33]。

3.5 基于表型性状的聚类分析

本研究利用筛选出的12个评价指标进行聚类，在欧式距离为16.40处时，可分为6个类群，其中第Ⅳ类群的材料农艺性状优良，值较高，可作为材料创新及杂交育种的优良亲本。分析不同类群的性状特点，如第Ⅳ类群33份材料大部分来自山西和四川，表现为植株较高、茎秆较粗、单穗粒重和千粒重最大、中晚熟；而第Ⅴ类群31份材料，表现为早熟、矮秆、茎秆较细、单穗粒重和千粒重较低，聚类结果主要是相同或相似性状的材料聚到一起，并没有按照地理来源聚为一类。产生这种结果的原因是多方面的，一方面是来自同一地理来源的材料，由于育种目标不同，在后代选择中出现了表型差异较大的类型，因此出现地理来源相同的品种被归入不同类群[17]；另一方面由于我国不同省份气候特征差异较大，选育出的品种适应本地气候，属于同一气候特点的品种有可能归为一类。表型性状可将不同来源但具有相同特点的品种聚为一类，表明它们的遗传基础可能比较接近，与系谱来源并不完全一致；仅依靠表型性状不足以全面揭示资源的遗传变异状况，从资源深度评价的角度出发，通过表型性状结合分子标记的方法分类，对资源的评价将更全面。

4 结论

参试高粱育种资源类型丰富，数量性状多样性指数较高；值可以作为评价高粱种质资源的综合指标，参试种质被划分为6个类群，其中，第Ⅳ类群的育种材料农艺性状优良，综合值较高，可作为材料创新及杂交育种的优良亲本。

[1] CHEGE P, LANTOS C, PAUK J. Retrospect onandrogenesis of(). Plant Breeding, 2020, 139: 1043-1051.

[2] CHAKRABARTY S, KRAVCOV N, SCHAFFASZ A, SNOWDON R J, WITTKOP B, WINDPASSINGER S. Genetic architecture of novel sources for reproductive cold tolerance in. Frontiers in Plant Science, 2021, 12: 772177.

[3] 王晓鸣, 邱丽娟, 景蕊莲, 任贵兴, 李英慧, 李春辉, 秦培友, 谷勇哲, 李龙. 作物种质资源表型性状鉴定评价: 现状与趋势. 植物遗传资源学报, 2022, 23(1): 12-20.

WANG X M, QIU L J, JING R L, REN G X, LI Y H, LI C H, QIN P Y, GU Y Z, LI L. Evaluation on phenotypic traits of crop germplasm: Status and development. Journal of Plant Genetic Resources, 2022, 23(1): 12-20. (in Chinese)

[4] 李顺国, 刘猛, 刘斐, 邹剑秋, 陆晓春, 刁现民. 中国高粱产业和种业发展现状与未来展望. 中国农业科学, 2021, 54(3): 471-482.

LI S G, LIU M, LIU F, ZOU J Q, LU X C, DIAO X M. Current status and future prospective ofproduction and seed industry in China. Scientia Agricultura Sinica, 2021, 54(3): 471-482. (in Chinese)

[5] ASSEFA A. Genetic diversity analysis of lowland[(L.) Moench] landraces under moisture stress conditions and breeding for drought tolerance in North Eastern Ethiopia[D]. South Africa, Pietermaritzburg: University of KwaZulu-Natal, 2012.

[6] MOFOKENG A M, SHIMELIS H A, LAING M D. Agromorphological diversity of South African sorghum genotypes assessed through quantitative and qualitative phenotypic traits. South African Journal of Plant and Soil, 2017, 34(5): 361-370.

[7] BOYLES R E, COOPER E A, MYERS M T, BRENTON Z, RAUH B L, MORRIS G P, KRESOVICH S. Genome-wide association studies of grain yield components in diversegermplasm. The Plant Genome, 2016, 9(2): 1-17.

[8] 徐晓, 任根增, 赵欣蕊, 常金华, 崔江慧. 中国高粱地方品种和育成品种穗部表型性状精准鉴定及综合评价. 中国农业科学, 2022, 55(11): 2092-2108.

XU X, REN G Z, ZHAO X R, CHANG J H, CUI J H. Accurate identification and comprehensive evaluation of panicle phenotypic traits of landraces and cultivars of(L.) Moench in China. Scientia Agricultura Sinica, 2022, 55(11): 2092-2108. (in Chinese)

[9] 赵欣蕊, 任根增, 韩永亮, 杨溥原, 徐晓, 白玉哲, 赵栋婷, 任玉双, 张玲玉, 王志博, 吴盟, 陈东明, 常金华, 崔江慧. 高粱株型表型性状精准鉴定及综合评价. 植物遗传资源学报, 2022, 23(6): 1644-1659.

ZHAO X R, REN G Z, HAN Y L, YANG P Y, XU X, Bai Y Z, ZHAO D T, REN Y S, ZHANG L Y, WANG Z B, WU M, CHEN D M, CHANG J H, CUI J H. Accurate identification and comprehensive evaluation of phenotypic traits of sorghum plant type. Journal of Plant Genetic Resources, 2022, 23(6): 1644-1659. (in Chinese)

[10] 高旭, 冯周, 丁延庆, 徐建霞, 曹宁, 程斌, 汪灿, 张立异. 257份高粱种质资源农艺性状的遗传多样性. 西南农业学报, 2023, 36(1): 1-10.

GAO X, FENG Z, DING Y Q, XU J X, CAO N, CHENG B, WANG C, ZHANG L Y. Genetic diversity of agronomic traits of 257 sorghum germplasm resource. Southwest China Journal of Agricultural Sciences, 2023, 36(1): 1-10. (in Chinese)

[11] 赵威军, 张福耀, 常玉卉, 张阳, 邵荣峰, 李金梅. 甜高粱品系的抗倒伏性评价及相关分析. 植物遗传资源学报, 2013, 14(1): 58-64.

ZHAO W J, ZHANG F Y, CHANG Y H, ZHANG Y, SHAO R F, LI J M. Evaluation and correlation analysis of lodging resistance on sweetlines. Journal of Plant Genetic Resources, 2013, 14(1): 58-64. (in Chinese)

[12] 陆平. 高粱种质资源描述规范和数据标准. 北京: 中国农业出版社, 2006.

Lu P. Descriptors and Data Standard for[(L.) Moench]. Beijing: China Agriculture Press, 2006. (in Chinese)

[13] TRUONG S K, MCCORMICK R F, ROONEY W L, MULLET J E. Harnessing genetic variation in leaf angle to increase productivity of. Genetics, 2015, 201(3): 1229-1238.

[14] 胡标林, 万勇, 李霞, 雷建国, 罗向东, 严文贵, 谢建坤. 水稻核心种质表型性状遗传多样性分析及综合评价. 作物学报, 2012, 38(5): 829-839.

HU B L, WAN Y, LI X, LEI J G, LUO X D, YAN W G, XIE J K. Analysis on genetic diversity of phenotypic traits in rice () core collection and its comprehensive assessment. Acta Agronomica Sinica, 2012, 38(5): 829-839. (in Chinese)

[15] 代攀虹, 孙君灵, 何守朴, 王立如, 贾银华, 潘兆娥, 庞保印, 杜雄明, 王谧. 陆地棉核心种质表型性状遗传多样性分析及综合评价. 中国农业科学, 2016, 49(19): 3694-3708.

DAI P H, SUN J L, HE S P, WANG L R, JIA Y H, PAN Z E, PANG B Y, DU X M, WANG M. Comprehensive evaluation and genetic diversity analysis of phenotypic traits of core collection in upland cotton. Scientia Agricultura Sinica, 2016, 49(19): 3694-3708. (in Chinese)

[16] 陈艳丽, 田承华, 田怀东. 国内外高粱种质资源形态性状与农艺性状的多样性分析. 山西农业科学, 2015, 43(4): 378-382.

CHEN Y L, TIAN C H, TIAN H D. Diversity analysis of morphological and agronomic characters ofat home and abroad. Journal of Shanxi Agricultural Sciences, 2015, 43(4): 378-382. (in Chinese)

[17] 冯国郡, 李宏琪, 叶凯, 李桂英, 涂振东, 郭建富. 甜高粱种质资源在新疆的多样性表现及聚类分析. 植物遗传资源学报, 2012, 13(3): 398-405.

FENG G J, LI H Q, YE K, LI G Y, TU Z D, GUO J F. Genetic diversity and cluster analysis of sweetgermplasm in Xinjiang. Journal of Plant Genetic Resources, 2012, 13(3): 398-405. (in Chinese)

[18] 何继红, 董孔军, 刘敏轩, 任瑞玉, 张磊, 杨天育, 陆平. 甘肃省新征集高粱地方品种资源的鉴定与遗传多样性评价. 植物遗传资源学报, 2015, 16(3): 479-484.

HE J H, DONG K J, LIU M X, REN R Y, ZHANG L, YANG T Y, LU P. Identification and genetic diversity evaluation of new-collective germplasm ofin Gansu province. Journal of Plant Genetic Resources, 2015, 16(3): 479-484. (in Chinese)

[19] 周瑜, 李泽碧, 黄娟, 吴毓, 张亚勤, 张志良, 张晓春. 高粱种质资源表型性状的遗传多样性分析. 植物遗传资源学报, 2021, 22(3): 654-664.

ZHOU Y, LI Z B, HUANG J, WU Y, ZHANG Y Q, ZHANG Z L, ZHANG X C.Genetic diversity ofgermplasms based on phenotypic traits. Journal of Plant Genetic Resources, 2021, 22(3): 654-664. (in Chinese)

[20] 王海岗, 贾冠清, 智慧, 温琪汾, 董俊丽, 陈凌, 王君杰, 曹晓宁, 刘思辰, 王纶, 乔治军, 刁现民. 谷子核心种质表型遗传多样性分析及综合评价. 作物学报, 2016, 42(1): 19-30.

WANG H G, JIA G Q, ZHI H, WEN Q F, DONG J L, CHEN L, WANG J J, CAO X N, LIU S C, WANG L, QIAO Z J, DIAO X M. Phenotypic diversity evaluations of foxtail millet core collections. Acta Agronomica Sinica, 2016, 42(1): 19-30. (in Chinese)

[21] 刘旭, 黎裕, 李立会, 贾继增. 作物种质资源学理论框架与发展战略. 植物遗传资源学报, 2023, 24(1): 1-10.

LIU X, LI Y, LI L H, JIA J Z.Theoretical framework and development strategy of crop germplasm resources science.Journal of Plant Genetic Resources, 2023, 24(1): 1-10. (in Chinese)

[22] 卢庆善. 高粱学. 北京: 中国农业出版社, 1999: 25-26.

LU Q S. Sorghum. Beijing: China Agriculture Press, 1999: 25-26. (in Chinese)

[23] 井赵斌, 潘大建, 曲延英, 范芝兰, 陈雨, 陈建酉, 陈芬, 李晨. AB-QTL分析法及在水稻优异基因资源发掘和利用中的应用. 分子植物育种, 2008, 6(4): 637-644.

JING Z B, PAN D J, QU Y Y, FAN Z L, CHEN Y, CHEN J Y, CHEN F, LI C. Application of AB-QTL to exploiting and utilizing the elite genes in wild rice. Molecular Plant Breeding, 2008, 6(4): 637-644. (in Chinese)

[24] 汪灿, 周棱波, 张国兵, 徐燕, 张立异, 高旭, 高杰, 姜讷, 邵明波. 酒用糯高粱资源成株期抗旱性鉴定及抗旱指标筛选. 中国农业科学, 2017, 50(8): 1388-1402.

WANG C, ZHOU L B, ZHANG G B, XU Y, ZHANG L Y, GAO X, GAO J, JIANG N, SHAO M B. Drought resistance identification and drought resistance indices screening of liquor-making waxy sorghum resources at adult plant stage. Scientia Agricultura Sinica, 2017, 50(8): 1388-1402. (in Chinese)

[25] 宝力格, 陆平, 史梦莎, 许月, 刘敏轩. 中国高粱地方种质芽期苗期耐盐性筛选及鉴定.作物学报, 2020, 46(5): 734-753.

BAO L G, LU P, SHI M S, XU Y, LIU M X. Screening and identification of Chinese sorghum landraces for salt tolerance at germination and seedling stages. Acta Agronomica Sinica, 2020, 46(5): 734-753. (in Chinese)

[26] 余斌, 杨宏羽, 王丽, 刘玉汇, 白江平, 王蒂, 张俊莲. 引进马铃薯种质资源在干旱半干旱区的表型性状遗传多样性分析及综合评价. 作物学报, 2018, 44(1): 63-74.

YU B, YANG H Y, WANG L, LIU Y H, BAI J P, WANG D, ZHANG J L. Genetic diversity analysis and comprehensive assessment of phenotypic traits in introduced potato germplasm resources in arid and semi-arid area. Acta Agronomica Sinica, 2018, 44(1): 63-74. (in Chinese)

[27] 杨涛, 黄雅婕, 李生梅, 任丹, 崔进鑫, 庞博, 于爽, 高文伟.海岛棉种质资源表型性状的遗传多样性分析及综合评价. 中国农业科学, 2021, 54(12): 2499-2509.

YANG T, HUANG Y J, LI S M, REN D, CUI J X, PANG B, YU S, GAO W W. Genetic diversity and comprehensive evaluation of phenotypic traits in sea-island cotton germplasm resources. Scientia Agricultura Sinica, 2021, 54(12): 2499-2509. (in Chinese)

[28] 白羿雄, 郑雪晴, 姚有华, 姚晓华, 吴昆仑. 青稞种质资源表型性状的遗传多样性分析及综合评价.中国农业科学, 2019, 52(23): 4201-4214.

BAI Y X, ZHENG X Q, YAO Y H, YAO X H, WU K L. Genetic diversity analysis and comprehensive evaluation of phenotypic traits in hulless barley germplasm resources. Scientia Agricultura Sinica, 2019, 52(23): 4201-4214. (in Chinese)

[29] 周福平, 柳青山, 张一中, 张晓娟, 邵强. 优质糯高粱杂交种晋糯3号的选育. 中国种业, 2021(2): 89-91.

ZHOU F P, LIU Q S, ZHANG Y Z, ZHANG X J, SHAO Q. Breeding of high-quality waxy sorghum hybrid Jinnuo 3. China Seed Industry, 2021(2): 89-91. (in Chinese)

[30] 王海. 红糯16号高粱在淮北地区夏播生产表现及高产栽培技术. 安徽农学通报, 2020, 26(24): 106-107, 117.

WANG H. Production performance and high-yield and high-efficiency cultivation techniques of Hongnuo 16in Huaibei area. Anhui Agricultural Science Bulletin, 2020, 26(24): 106-107, 117. (in Chinese)

[31] 邵强, 周福平, 张晓娟, 张一中, 乔婧, 柳青山. 晋杂32号的选育及栽培技术要点. 山西农业科学, 2013, 41(12): 1305-1306, 1309.

SHAO Q, ZHOU F P, ZHANG X J, ZHANG Y Z, QIAO J, LIU Q S. Selection and cultivation technology ofhybrid Jinza 32. Journal of Shanxi Agricultural Sciences, 2013, 41(12): 1305-1306, 1309. (in Chinese)

[32] 倪先林, 赵甘霖, 刘天朋, 胡炯凌, 李元, 陈国民, 汪小楷, 丁国祥. 优质高配合力糯质高粱不育系45A的选育与应用. 园艺与种苗, 2014, 34(11): 11-14.

NI X L, ZHAO G L, LIU T P, HU J L, LI Y, CHEN G M, WANG X K, DING G X. Breeding and application of high quality and high combining ability glutinoussterile line 45A. Horticulture & Seed, 2014, 34(11): 11-14. (in Chinese)

[33] 李春辉, 王天宇, 黎裕. 基于地方品种的种质创新: 现状及展望.植物遗传资源学报, 2019, 20(6): 1372-1379.

LI C H, WANG T Y, LI Y. Germplasm innovation of landraces: Current status and future prospect. Journal of Plant Genetic Resources, 2019, 20(6): 1372-1379. (in Chinese)

附表1 供试高粱育种材料

Supplementary Table 1 The sorghum breeding materials used in this study

R：恢复系；B：保持系；L：地方品种R: Restorer Lines; B: Maintainer Line; L: Landraces.

Genetic diversity analysis and comprehensive evaluation of sorghum breeding materials based on phenotypic traits

ZHANG YiZhong1,2, ZHANG XiaoJuan1,2, LIANG Du1,2, GUO Qi1,2, FAN XinQi1,2, NIE MengEn3, WANG HuiYan1,2, ZHAO WenBo1,2, DU WeiJun4, LIU QingShan2

1Sorghum Research Institute, Shanxi Agricultural University/Shanxi Key Laboratory of Sorghum Genetic and Germplasm Innovation, Yuci 030600, Shanxi;2State Key Laboratory of Sustainable Dryland Agriculture (in preparation), Taiyuan 030031;3Center for Agricultural Genetic Resources Research, Shanxi Agricultural University, Taiyuan 030031;4College of Agriculture, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, Shanxi

【Objective】The present study analyzed the genetic variation of phenotypic traits and genetic diversity of sorghum breeding materials. Additionally, the study explored a comprehensive method for the evaluation of germplasm materials and screening of excellent sorghum germplasm to provide an important basis for sorghum germplasm innovation and variety selection.【Method】In total, 263 sorghum germplasms from different sources were used as the test materials, and 17 phenotypic traits were identified under different environments for two years. Genetic diversity of the phenotypic traits was calculated based on the Shannon-Wiener information diversity index. The sorghum germplasms were comprehensively evaluated using the correlation analysis, principal component analysis, cluster analysis, and stepwise regression. Excellent sorghum germplasms were screened according to the phenotypic comprehensive evaluation value (value) and target traits.【Result】Sorghum breeding materials exhibited high genetic diversity. The diversity index distribution of different traits ranged from 0.497 to 2.075, with the diversity index of spike shape being the smallest and that of spike stalk length being the largest. The coefficient of variation of seven plant height, stem diameter, panicle length, panicle stalk length, grain weight per spike, thousand grain weight, period of duration varied in different years; the smallest variation was observed in the period of duration, followed by the panicle length, whereas the largest variation was observed in grain weight per spike, followed by stem diameter. A comprehensive evaluation of the breeding materials showed that when the cumulative contribution percentage was ＞80%, the number of the total principal components was 11.value of the sorghum breeding materials was calculated using the membership function method. The averagevalue was found to be 0.464, with the restorer line L28 having the highestvalue (0.581) and the maintainer line 72B/DORADO having the lowest thevalue (0.330). Through stepwise regression, a regression equation was established, with 12 traits (main vein color, ear type, ear shape, awn character, glume coating degree, grain shape, plant type, stem diameter, ear length, grain weight per ear, 1000-grain weight, and growth period) as independent variables. The equation could be used for a comprehensive evaluation of the phenotypic traits of breeding materials of sorghum breeding materials. Based onvalue clustering, 263 materials were divided into six groups. Among these, 33 materials in group Ⅳ exhibited excellent agronomic characteristics and highvalue, which could be used as parent materials for material innovation and cross breeding.【Conclusion】Sorghum phenotypic traits exhibit rich genetic variation and high genetic diversity. A total of 33 excellent germplasms were obtained. Using multivariate statistical analysis is a feasible approach to comprehensively evaluate sorghum germplasm.

sorghum; phenotypic traits; genetic diversity; comprehensive evaluation

10.3864/j.issn.0578-1752.2023.15.001

2023-03-07；

2023-04-27

山西农业大学省部共建有机旱作农业国家重点实验室自主研发项目（202002-5）、杂粮种质资源创新与分子育种国家实验室（筹）课题（202204010910001-28)、山西农业大学生物育种工程项目（YZGC062）、山西农业大学博士人才引进科研启动项目（2022BQ04）、山西省博士毕业生、博士后研究人员来晋工作奖励经费科研项目（SXBYKY2022071）、山西省酿造高粱种业创新良种联合攻关项目（2022xczx05）、山西省杂粮产业技术体系建设项目（2023CYJSTX03-08）

张一中，E-mail：zhyzh225@163.com。通信作者杜维俊，E-mail：duweijun68@126.com。通信作者柳青山，E-mail：673673@126.com

（责任编辑 李莉）