广西小米种质资源表型性状的遗传多样性和相关分析

覃初贤,覃欣广,望飞勇,邢钇浩,温东强,郭阳峰

(1.广西农业科学院种质资源库,南宁 530007;2.广西农业科学院园艺研究所,南宁 530007)

【研究意义】小米(SetariaitalicaL.)属禾本科狗尾草属粟种,在广西称粟、粟米、谷子、粟禾和狗尾粟等[1],具有耐旱、耐贫瘠、耐贮藏、营养丰富和适口性好等优点,长期以来多作为滋补强身食物。小米起源于我国黄河流域,在北方的干旱和半干旱地区栽培较多,在广西的边远山区村寨、旱坡地和开荒地零星种植,或与花生、红薯和黄豆等作物间套种,品种以本地农家种为主,种植面积不稳定,约1660 hm2/年[2]。随着小米良种的推广种植及地方政府大力发展水果和甘蔗生产,加上乡村振兴工程建设和旅游开发的背景,广西小米种植面积和地方品种数量逐年减少,已危及小米地方种质资源的保护与利用,而各地自主选育的小米品种多数不适应本地区生态条件,难以满足市场需求。因此,开展广西小米种质资源表型性状的遗传多样性和相关分析,对挖掘和利用优异小米地方种质资源和选育小米新品种具有重要意义。【前人研究进展】农艺性状表型特征分析是作物遗传多样性鉴定评价最通用和最方便的方法,目前已广泛应用于水稻[3]、玉米[4]和棉花[5]等主要农作物及荞麦[6]、燕麦[7]、糜子[8]和桄榔[9]等作物的表型性状多样性分析和鉴定评价。近年来,小米农艺性状的相关分析主要集中在产量性状上,如单穗重、穗粒重、出谷率、穗长、千粒重和穗粗等[10]。赵禹凯等[11]研究发现,东北春谷区中晚熟组谷子品种单株产量的主要构成因素为穗粒重、单穗重和单位面积穗数。王丹丹等[12]研究表明,我国不同生态区53个谷子品种12个农艺性状的变幅为6.90%～27.80%,变异程度由大到小为穗毛长短、穗松紧度、单位面积产量、单穗粒重、单穗重、穗下节间长、穗粗、穗长、节数及叶片数、千粒重、株高和生育期。王欢欢等[13]研究发现,6个谷子品种间的农艺性状呈极显著差异,单株粒重与单株穗重呈显著正相关,与茎粗、株高和穗粗呈正相关,与穗长呈负相关。刘斌等[14]研究发现,赤谷系列9个谷子品种9个主要农艺性状中穗粒重、穗重和产量的变异系数较大,为12.98%～10.84%,生育期和出谷率的变异系数较小,分别为3.32%和2.65%;产量与出谷率、穗粗、千粒重、穗粒重、穗重和穗长呈正相关。魏萌涵等[15]对华北夏谷区17个谷子品种(系)的农艺性状进行综合评价,结果表明,9个农艺性状的变异幅度为2.69%～11.71%,穗粒重、单穗重、出谷率与产量呈显著正相关。田伯红[16]观察河南、河北和山东等地482个谷子地方品种和育成品种的11个农艺性状,分析其遗传多样性,结果发现叶鞘色以绿色最多,穗松紧度以中度较多,刺毛长度以短为主,穗形呈现多样变化但以纺锤形占比较高,粒色多为黄色,遗传多样性指数为0.1529～1.3807;株高、抽穗期、穗长、穗重、穗粒重和出谷率6个农艺性状的变异系数变幅为6.10%～25.80%,遗传多样性指数为1.8217～2.0613。屈洋等[17]对31份谷子新品种(系)主要农艺性状及茎秆特性的遗传多样性分析结果表明,株型、穗型和穗密度多样性指数较高,粒色和米色的多样性指数较低;单穗重、穗粒重、株高、穗长、穗粗、出谷率、千粒重和生育期的多样性指数为1.5390～2.1700,变异系数变幅为3.46%～24.85%,变异程度由大到小为穗粒重、单穗重、千粒重、穗长、株高、穗粗、生育期和出谷率。【本研究切入点】目前,针对广西地方特色小米种质资源表型性状鉴定评价的研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】对广西各地收集的126份小米地方种质资源表型性状进行遗传多样性、变异性和相关分析,综合评价其性状表现,以期筛选出优异种质,为广西小米种质资源的保护、创新和利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为2015—2020年“第三次全国农作物种质资源普查与收集行动”及广西创新驱动发展专项基金项目“广西农作物种质资源收集鉴定与保存”子课题“特色杂粮种质资源收集鉴定与保存”所考察、收集的广西小米地方种质资源126份,其编号、名称及来源信息见表1。

表1 126份广西小米地方种质资源信息

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 田间试验于2018年3月至2021年12月在广西南宁市武鸣区南宁桂研种业有限公司繁种基地进行,数据取两季或两年的平均值。采用随机区组设计,每小区种植1份资源,小区面积5 m2,每份资源播种2行,行距40.00 cm,开沟条播,定苗密度30万～40万株/hm2。每小区取10株进行农艺性状调查。田间管理措施与大田生产相同。

1.2.2 测定项目及方法 小米表型性状参照《谷子种质资源描述规范和数据标准》[18]进行测定。主要记载叶鞘色、幼苗叶色、分蘖性、穗松紧度、穗形、刺毛长度、粒色、穗码密度、护颖颜色和米粳糯等10个质量性状及株高、主茎粗、主茎节数、穗下节长、穗长、主穗直茎、单株草重、单穗重、单穗粒重、千粒重、出苗至抽穗天数和生育期等12个数量性状。

优异资源判定条件:穗长≥28.50 cm、穗粗(主穗直径)≥2.08 cm、穗重≥12.50 g、单穗粒重≥9.50 g和千粒重≥1.50 g;长穗优异资源判定条件:穗长>35.00 cm。

统计分析性状分为两类:第1类为描述性质量性状,分别对叶鞘色、幼苗叶色、分蘖性、穗松紧度、穗形、刺毛长度、粒色、穗码密度、护颖颜色和米粳糯性进行赋值,分析性状类别的频率分布和多样性指数;第2类为株高、主茎节数、主茎直径、穗下节长、穗长、主穗直径、单穗重、单穗粒重、单株草重、千粒重、出苗至抽穗天数和生育期12个数量性状,计算其最大值、最小值、平均值、标准差、变异系数和多样性指数,根据平均数和标准差将各数量性状分为10级[每0.5s为1级(s为标准差),第1级为Xi<(X-2.0s),......,第10级为Xi≥(X+2.0s),其中,X为平均数,Xi为数量性状各级分级范围],每组的相对频率用来计算遗传多样性指数。用Shannon-weaver多样性指数来衡量遗传多样性的丰富程度,函数公式H′=-∑PilnPi(H′为遗传多样性指数,Pi为某一性状第i级别内材料份数占总份数的百分比,ln为自然对数)。

1.3 统计分析

试验数据采用Excel 2007进行统计分析,以SPSS 26.0进行相关分析。

2 结果与分析

2.1 广西小米种质资源质量性状的多样性分析

广西小米种质资源各质量性状描述见表2,各质量性状差异用阿拉伯数字表示,叶鞘色中1为红色、2为绿色、3为紫色;幼苗叶色中1为黄白色、2为绿色、3为紫色;分蘖性中1为弱、2为中、3为强;穗松紧度中1为紧、2为中、3为松;穗码密度中1为紧密、2为中密、3为中疏;穂形中1为纺锤形、2为佛手形、3为棍棒形、4为鸡嘴形、5为猫爪形、6为鸭嘴形、7为圆筒形;刺毛长度中1为短、2为很短、3为很长、4为长;护颖颜色中1为黄绿色、2为黄色、3为紫色;粒色中1为黄色、2为橙色、3为褐色、4为黑色、5为红色;米粳糯中1为粳、2为糯。

表2 广西小米种质资源质量性状的频率分布和多样性指数

叶鞘色分为红色、绿色和紫色3种,绿色占比最高,为73.81%,红色占比次之,为15.87%,紫色占比最低,为10.32%;多样性指数为0.7506。幼苗叶色分为黄白色、绿色和紫色3种,绿色占比最高,为96.82%,其余2种颜色占比较高,频率分布分散;多样性指数为0.1588。分蘖性分为弱、中和强3种,分蘖性弱占比最高,为96.83%,分蘖性中占比3.17%,无分蘖性强类型分布,频率分布较集中;多样性指数为0.1406,在10个质量性状中最低。穗松紧度分为松、中和紧3种,频率分布较平均,分别占34.13%、35.71%和30.16%;多样性指数为1.0961,居第二位。穗码密度分为稀疏、中疏、中密和紧密4种,中密占比最高,为52.38%,中疏占比次之,为46.83%,紧密占比较低,仅0.79%,无稀疏类型分布;多样性指数为0.7322。穗形分为鸡嘴形、纺锤形、圆筒形、棍棒形、鸭嘴形、猫爪形和佛手形7种,纺锤形占比最高,为53.97%,鸡嘴形占比次之,为19.84%,圆筒形占比居第三位,为15.87%,这3种穗形占比达89.68%,其余4种穗形占比较小,频率分布分散;多样性指数为1.3073,在10个质量性状中最高。刺毛长度分为很短、短、长和很长4种,刺毛长度短占比最高,为61.11%,很短占比次之,为20.63%,长占比16.67%,很长占比最低,为1.59%,频率分布分散;多样性指数为0.9911,居第三位。护颖颜色分为黄绿色、绿色和紫色3种,黄绿色占比最高,为84.13%,其次为紫色,占13.49%,黄色占比最低,为2.35%;多样性指数为0.5047。粒色分为白色、黄色、橙色、红色、青色、褐色和黑色7种,黄色占比最高,为84.92%,橙色、黑色和红色占比分别为4.76%、5.56%和3.97%,褐色占比较低,为0.79%,无白色和青色分布,频率分布分散;多样性指数为0.6107。粳、糯性分粳性和糯性,糯性占比为72.22%,粳性占比为27.78%;多样性指数为0.5908。

综上所述,广西小米种质资源10个质量性状中穗形的多样性指数最高,其次为穗松紧度和刺毛长度,而分蘖性的多样性指数最低。可见,广西小米种质资源在穗形、穗松紧度和刺毛长度等质量性状方面各有特点,均表现出较丰富的多样性。

2.2 广西小米种质资源数量性状的变异情况和遗传多样性分析

由表3～4可知,广西小米种质资源株高的变异幅度在75.80～180.25 cm,平均为131.61 cm,变异系数14.10%,多样性指数1.9913;株高主要集中在94.49～150.17 cm,占全部参试资源的87.30%,株高小于94.49 cm的资源有3份,占2.38%,大于150.17 cm的资源有13份,占10.32%。主茎粗的变异幅度在0.27～1.06 cm,平均0.53 cm,变异系数24.53%,多样性指数1.9164;主茎粗主要集中在0.41～0.76 cm,占全部参试资源的82.54%,小于0.41 cm的资源有15份,占11.90%,大于0.76 cm的资源有7份,占5.56%。穗下节间长度的变异幅度在20.25～51.00 cm,平均37.35 cm,变异系数17.62%,多样性指数2.0265;穗下节间长度主要集中在27.48～43.93 cm,占全部参试资源的80.16%。主茎节数的变异幅度在6.40～15.50个,平均10.86个,变异系数15.75%,多样性指数2.0620。穗长的变异幅度在11.15～41.30 cm,平均27.51 cm,变异系数21.30%,多样性指数2.0553;穗长主要集中在18.72～33.37 cm,占全部参试资源的80.16%,穗长小于18.72 cm的资源有9份,占7.14%,大于33.37 cm的资源有16份,占12.70%。主穗直径的变异幅度在1.01～4.30 cm,平均1.89 cm,变异系数23.28%,多样性指数1.9265;主穗直径主要集中在1.45～2.33 cm,占全部资源的76.98%,主穗直径小于1.43 cm的资源有15份,占11.91%,大于2.33 cm的资源有14份,占11.11%。单株草重的变异幅度在2.56～32.15 g,平均14.08 g,变异系数49.08%(在12个主要数量性状中最高),多样性指数1.9975;单株草重主要集中在7.16～24.41 g,占全部资源的76.98%,单株草重小于7.16 g的资源有18份,占14.29%,大于24.41 g的资源有11份,占8.73%。单穗重的变异幅度在2.54～31.42 g,平均9.63 g,变异系数43.30%,多样性指数1.9431;单穗重主要集中在5.45～13.77 g,占全部资源的76.98%,单穗重小于5.45 g的资源有16份,占12.70%,大于13.77 g的资源有13份,占10.32%。单穗粒重的变异幅度在1.72～18.40 g,平均6.47 g,变异系数46.21%,多样性指数1.9692;单穗粒重主要集中在3.49～10.99 g,占全部资源的79.37%,单穗粒重小于3.49 g的资源有19份,占15.07%,大于10.99 g的资源有7份,占5.56%。千粒重的变异幅度在0.63～2.27 g,平均1.37 g,变异系数18.98%,多样性指数2.0359;千粒重主要集中在0.98～1.63 g,占全部资源的80.95%,千粒重小于0.98 g的资源有11份,占12.70%,大于1.63 g的资源有13份,占10.32%。出苗至抽穗天数的变异幅度在41～105 d,平均66.12 d,变异系数19.01%,多样性指数2.0116;出苗至抽穗天数主要集中在47.27～78.72 d,占全部资源的80.95%,出苗至抽穗天数小于47.27 d的资源有7份,占5.56%,大于78.72 d的资源有17份,占13.49%。生育期的变异幅度在71～136 d,平均98.56 d,变异系数13.84%,多样性指数2.0175;生育期主要集中在78.10～112.20 d,占全部资源的82.54%,生育期小于78.10 d的资源有5份,占3.97%,大于112.20 d的资源有17份,占13.49%。

表3 广西小米种质资源数量性状的遗传多样性比较

表4 广西小米种质资源数量性状的变异及多样性指数分析结果

综上所述,广西小米种质资源各数量性状的多样性指数均较高,平均为1.9961。综合株高、主茎粗、主茎节数、穗长、穗下节长、主穗直径和千粒重的表现可看出,广西小米种质资源主要具有植株高大、茎秆粗壮适中、茎节数多、长穗、穗粗适中和小粒等特点;单株草重、单穗重和单穗粒重变异系数较大,表现出丰富的变异,主茎粗、主穗直径、穗长和千粒重的变异系数也较大,具有一定程度的变异,而穗下节长、主茎节数、株高和生育期的变异系数相对较小,变异程度较小。可见,广西小米种质资源在株高、穗长、单穗重和千粒重等数量性状方面各有特点,均表现出较丰富的遗传多样性。

2.3 广西小米种质资源表型性状的相关分析

由表5可知,穗下节长与主茎粗、主茎节数、主穗直径、单穗重和单穗粒重呈负相关,千粒重与主茎粗、穗长、主穗直径和单株草重呈负相关,主茎节数与出苗至抽穗天数和生育期呈负相关,单穗重与生育期呈负相关,单穗粒重与出苗至抽穗天数和生育期呈负相关,其余农艺性状间呈正相关。其中,单穗粒重与单穗重的相关系数(r)最大,为0.8869,二者间呈极显著正相关(P<0.01,下同);主茎粗与穗下节长的相关系数最小,为-0.0082,二者间无显著相关性(P>0.05,下同);单穗粒重与主茎粗、主茎节数、主穗长、主穗直径、单株草重、单穗粒重和千粒重呈极显著正相关。可见,主茎粗、主茎节数、主穗长、主穗直径、单株草重、单穗重和千粒重7个表型性状对小米单株产量(单穗粒重)影响较明显,单株产量随着主茎增粗、主茎节数增多及穗长、主穗直径、单株草重、单穗重和千粒重的增大而增加;株高、穗下节长度和生育期对单株产量影响不明显。说明提高小米产量或培育小米新品种应选择株高适中、主茎粗、节数多、长穗、大穗及单穗重和千粒重较重的材料。

表5 小米种质资源表型性状的相关分析

2.4 不同来源小米种质资源的表型性状比较

由表6可知,126份广西小米种质资源中有35份来源于河池市,25份来源于百色市,23份来源于桂林市,11份来源于南宁市,11份来源于来宾市,10份来源于柳州市,5份来源于玉林市,3份来源于梧州市,北海市、钦州市和崇左市各有1份,在防城港、贵港和贺州3个地级市未收集到新的小米种质资源;梧州市小米种质资源的平均株高最高(149.83 cm),钦州市小米种质资源的平均株高最矮(108.20 cm);平均穗下节长以梧州市小米种质资源最长(47.67 cm),北海市小米种质资源最短(22.10 cm);平均主穗直径以北海市小种质米资源最粗(0.77 cm),钦州市小米种质资源最细(0.41 cm);平均主茎节数以玉林市和北海市小米种质资源最多(均为12.5节),梧州市小米种质资源最少(9.33节);平均穗长以崇左市小米种质资源最长(31.75 cm),钦州市小米种质资源最短(19.10 cm);平均主穗直径以北海市小米种质资源最粗(2.80 cm),钦州市小米种质资源最细(1.55 cm);平均单株草重、单穗重和单株粒重最大的均为北海市小米种质资源,分别为23.4、15.2和9.8 g,最小的均为钦州市小米种质资源,分别为3.95、4.03和3.05 g;梧州市小米种质资源的生育期最长(127 d),钦州市小米种质资源的生育期最短(84 d)。可见,玉林市、北海市和南宁市小米种质资源的综合性状优于其他地市,在选育小米新品种和创新利用时应优先选择来自南宁、玉林和北海市的小米材料。

表6 不同来源小米种质资源的表型性状比较

2.5 优异地方小米种质资源的筛选结果

综合穗形、粒色、主茎粗、穗长、主穗直径、单穗重、单株粒重和千粒重等主要性状及穗长≥28.50 cm、穗粗≥2.08 cm、穗重≥12.50 g、单穗粒重≥9.50 g和千粒重≥1.50 g,以及在采集地的性状表现与当地农民的认知等多方面的比较结果,从126份广西地方小米种质中筛选出表型性状表现优异的6份种质资源[GXB2017095(荣朋粘小米)、GXB2017096(荣朋糯小米)、GXB2017100(龙弟小米)、GXB2018100(小山小米)、P450225055(同练小米)和P450521003(本地黄粟)](表7)及长穗(穗长>35.00 cm)优异种质资源8份[P451324030(面北粟米,穗长35.20 cm)、P450325025(保林粟子,穗长39.25 cm)、P450332007(黍禾,穗长41.30 cm)、GXB2017098(爱华春黄粟,穗长38.91 cm)、GXB2019001(委乐小米,穗长36.33 cm)、GXB2019191(璃碧粟子,穗长37.70 cm)、GXB2019252(百秀小米,穗长40.80 cm)和GXB2020186(瓦江小米,穗长36.00 cm)]。

表7 表型性状综合表现优异的小米种质资源

3 讨 论

本研究中,126份广西小米种质资源的穗形、粒色和平均株高与闫锋等[19]对黑龙江省41份谷子主要农艺性状、李艳等[20]对全国230份谷子种质资源重要性状的统计分析结果相似,但平均穗长较长,而单穗重、单穗粒重和千粒重较小,表明小粒和长穗是广西小米种质资源的特色,在小米育种和生产上应进一步利用其长穗优异资源;12个表型性状的遗传多样性指数均较高(1.9164～2.0620),平均为1.9961,表明广西小米种质资源的性状差异较明显,变异性丰富;各性状的变幅(0.27～180.25)和变异系数(49.08%～13.84%)均较高,且高于王海岗等[21]对来源于世界各地878份谷子核心种质9个农艺性状和吕学高等[22]对20份粟米地方种质资源12个农艺性状分析所得的变幅,遗传多样性指数平均值也高于甘肃省474份谷子地方种质资源[23]。其中,单穗重和单穗粒重两个与产量紧密相关性状的变异系数分别为43.30%和46.21%,单株草重的变异系数达49.08%,说明广西小米种质资源具有丰富的变异和遗传多样性,在遗传育种利用中具有较高价值。

任芹勇等[24]研究表明,单穗粒重与穗长、主穗直径、千粒重、单穗重和穗松紧度呈极显著正相关,与穗毛长短呈极显著负相关。李晓宇等[25]研究发现,谷子的穗长、秆重、单穗重与产量呈显著正相关,产量与生育期呈弱负相关,与株高和倒伏性呈显著负相关。袁峰等[26]研究表明,影响西北春谷区谷子单株产量的主要因素有生育期、单穗粒重和单穗重,其次为株高、出苗至抽穗期天数。本研究中,单穗粒重与主茎粗、主茎节数、主穗长、主穗直茎、单株草重、单穗重和千粒重呈极显著正相关,与穗下节长、生育期、出苗至抽穗天数和株高相关不显著,而单穗粒重与单穗重间的相关系数最高,达0.8869,与李会霞等[27]、贾小平等[28]对谷子主要农艺性状的相关性研究结果(与穗粒重相关性最高的是穗重)相似,说明这些数量性状关联紧密,遗传上较复杂,育种选择难度较大。因此,在育种工作中应优先选择单穗重较重的地方小米种质资源。

小米属于区域性重要作物,不同生态区域种植的小米不仅在形态上具有多样性,而且在生育期、产量、品质特性及抗逆性方面也存在较大差异,在不同生态区种植同一小米种质资源,受环境因素影响其农艺性状也存在明显差异[29]。本研究结果表明,决定小米产量高低的单穗粒重与主茎粗、主茎节数、穗长、主穗直径、单穗重和千粒重呈极显著正相关,与穗下节长、生育期、出苗至抽穗天数和株高相关不显著;收集于南宁市、玉林市和北海市小米种质资源的农艺性状综合表现较好,主茎粗、主茎节数、穗长、主穗直径、单穗重和千粒重的平均值均高于其他地市收集的小米种质资源,说明南宁市、玉林市和北海市是广西小米优异资源较富集地区;小粒和长穗是广西小米地方种质资源的两大特色。但由于小米在广西是小作物,研究经费支持力度不够,仅能进行田间种植观察鉴定,缺少品质评价或评价样品量不多,采集的表型数据可能存在人为倾向性,会对广西小米种质资源评价工作造成较大困扰,从而限制其进一步的研究利用。今后应继续挖掘控制小米穗长、单穗重和粒重等性状的优异基因,并分析和评价小米各营养成分含量,为广西小米育种和地方种质资源的创新利用提供更多科学依据。

4 结 论

广西小米地方种质资源的穗形、穗松紧度和刺毛长度等质量性状及单株草重、单穗粒重、单穗重、穗长和主茎粗等数量性状均表现出丰富的变异和多样性,单穗重、穗长、千粒重、主茎节数、主茎粗和单株草重是影响单株粒重的主要性状;荣朋粘小米、荣朋糯小米和龙弟小米等6份种质资源综合性状优异,面北粟米、保林粟子和黍禾等8份种质资源穗长较长,均可作为广西小米优异种质资源开发利用。