谷子重组自交系群体株型和产量性状分析

何妙玲,王智兰,杜晓芬,韩康妮,连世超,李禹欣,成 锴,李颜方,王 军

(1.山西大学 生命科学学院,山西 太原 030006;2.山西农业大学 谷子研究所,杂粮种质创新与分子育种山西省重点实验室,杂粮种质资源发掘与遗传改良山西省重点实验室,山西 长治 046011)

谷子具有耐旱、耐瘠薄、C4光合特性、生育期短、适应性广等优势,已被开发成禾本科作物的模式遗传系统[1-4]。因此,谷子理想株型的建成与改良也成为当前谷子研究的热门课题。有学者认为,谷子株高适中、穗粗、穗柄短、穗码排列中紧、茎秆节间短粗、小穗结实率高、上部叶片挺拔上冲、中下部叶片与茎的夹角随叶位的降低而逐渐增大、叶片宽厚、长度从上至下呈塔形分布、刚毛中长为理想株型模式[5]。

谷子株型主要包括株高、穗型、叶群结构、叶形及分布特征和节间性状等5个方面,是一个综合性状[5],这些性状会相互制约。株高影响作物倒伏[6-9],株高越高,越容易倒伏,造成的减产风险越大;反过来,也不能过分追求低株高,矮化育种虽然解决了作物的倒伏问题,但是由于降低了株高而限制了生物量,可能会影响产量[10]。另外,节间短粗有利于单株生产力、抗倒性强,尤其基部4个节间短粗,能显著提高抗倒性[5]。因此,在不倒伏的前提下,可以通过适当增加株高来提高产量。叶片是作物光合作用和有机物合成的重要器官,叶片形态建成与作物株型相关,可直接影响产量,产量性状与旗叶长、旗叶宽均呈极显著正相关[11-13],谷子上部叶片尤其顶三叶明显促进产量形成[14],因此,增加叶面积可以提高作物生产力。研究表明,产量与穗长、穗粗、穗下节长均呈显著或极显著正相关[11-13,15-20],穗质量、千粒质量与节数呈极显著正相关[11],穗下节维管束越发达,对穗部干物质积累越有利[11];分蘖数可通过影响株型来影响光的吸收和结实[21],还可在只有不定根时正常生长,最终影响产量[22-23]。

谷子株型性状与产量之间关系有待深入研究。前期,Wang等[12]以矮宁黄和晋谷21号杂交构建F2群体为材料,研究发现,株高、穗长、穗粗和穗下节长与穗质量和穗粒质量均呈极显著正相关。马金丰等[24]以嫩选15和大金苗杂交F2群体的6个性状进行遗传变异分析,发现株高、穗长、茎长、穗粗和节数均与穗质量和穗粒质量均呈极显著正相关,但是F2群体不稳定,无法准确分析影响产量的关键因素以及农艺性状间的相关性。RIL群体是一个理想的永久性分离群体,是研究农作物数量特性遗传分析和QTL定位研究的理想材料[25]。Zhang等[11]以张谷和A2杂交得到的包含439个株系的RIL(F10)群体的性状进行遗传变异分析,发现长日照下穗质量与分蘖数呈极显著负相关,千粒质量与穗下节长正相关,与分蘖数呈显著负相关,短日照下穗质量与分蘖数也呈极显著负相关,千粒质量与分蘖数只呈负相关,2个环境下穗质量和千粒质量与其他性状均呈极显著正相关。王海岗[26]以豫谷1号和红苗大白谷杂交自交构建的重组自交系(F8)群体,采用多年多点鉴定,发现穗质量、穗粒质量与穗下节长不相关,而穗质量与叶宽显著正相关。但是,现有研究难以形成农艺性状与产量关联性的一致性结果,不能有效指导育种。

本研究以矮宁黄和晋谷21号为亲本构建的RIL群体(包含126个株系)为材料,在山西长治(晋东南)、榆次(晋中)和大同(晋北)3个生态环境中开展表型鉴定,对株高、主茎高、穗长、穗粗、旗叶长、旗叶宽等13个农艺性状进行了遗传变异、相关性分析、偏相关性分析、主成分和聚类分析,旨在挖掘谷子株型、产量性状的重要影响因子,为选育矮秆、高产稳产谷子新品种提供优异的基础育种材料。

1 材料和方法

1.1 试验材料

以矮宁黄×晋谷21杂交自交获得的包含126个株系的重组自交系群体(F6RIL)及双亲为试验材料,其中,矮宁黄为母本,其特点为株高较矮、分蘖多、节数较少、叶片紧凑、产量低;晋谷21号为父本,其特点为株高较高、无分蘖、节数较多、叶片松散、产量高。所用的材料均由山西农业大学谷子研究所提供。

1.2 试验设计

于2020年在山西长治(晋东南,113°15′ E,36°22′ N,E1)、榆次(晋中,112°72′ E,37°60′ N,E2)和大同(晋北,113°28′ E,39°92′ N,E3)3地种植,试验田为中等肥力,常规田间管理。所有材料采用宽窄行种植模式,每个环境地点设置3个重复,各重复内每个株系种植2行,宽行行距48 cm,窄行行距18 cm,株距10 cm,行长2 m。

1.3 农艺性状调查

田间性状调查主要参照《谷子种质资源描述规范和数据标准》[27]进行,每个株系随机选取5个单株进行表型性状调查,于灌浆期用叶面积测量仪(YMJ-D,浙江托普云农科技股份有限公司)测定旗叶长、旗叶宽和叶面积。于成熟期用钢尺测定株高(主茎长度、穗长)、主茎长度、穗长和穗下节长;用游标卡尺测定穗粗,人工统计分蘖数和节数;单穗收获后,用高精度电子计数秤(ACS系列,深圳市益衡电子有限公司)称量穗质量和穗粒质量,用千粒质量系统V2.0(浙江托普云农科技股份有限公司)数粒数,用DT100型精密电子天平(美国双杰兄弟(集团)有限公司)称量,计算千粒质量。

1.4 数据分析

为了矫正地点、区组对试验的影响,采用GenStat软件(北京维斯恩思有限责任公司)基于Reml的混合线性模型,对研究的13个表型值进行最佳线性无偏估计(Best linear unbiased estimation,BLUE)计算。GenStat软件用于计算BLUE值,一般一年多点试验的模型为y=u+b+x+y+xy+e,其中y是观测值,u是总体平均值,b是区组效应,x为株系效应,y为地点效应,xy为二者交互作用,e为随机误差。

采用SPSS 27.0软件对表型数据进行描述性统计,对BLUE值进行相关性分析、偏相关分析、主成分分析、逐步回归分析和聚类分析,使用Excel 2019和Origiri 2021完成频数图,使用R语言完成聚类图。

2 结果与分析

2.1 亲本及RIL群体农艺性状表型变异

由表1可知,双亲株高、主茎长度在3个生态环境下均呈显著或极显著差异;穗下节长在E1和E3这2个环境下呈显著或极显著差异;节数在E1和E2这2个环境下呈显著差异;穗粗、穗质量、穗粒质量、分蘖数仅在E1环境下呈显著或极显著差异;穗长仅在E3环境下表现出显著差异,其余性状差异不显著。

表1 亲本和重组自交系群体农艺性状的表型

在3种不同生态环境中,RIL群体株系间均表现出丰富变异,所有性状值均呈近似正态连续分布(图1),表明所有性状均为典型的多基因控制的数量性状。除了E2的主茎长度,其他性状均存在双向超亲分离现象。E1环境下株高、主茎长度、千粒质量、旗叶长、叶面积以及E2环境下旗叶宽平均值均低于双亲,E1和E2环境下的穗长、E2和E3环境下的旗叶长、E3环境下旗叶宽平均值均大于双亲,其他性状的平均值均介于双亲之间。在3种不同生态环境下,各株系间主要农艺性状的变异系数不同,分蘖数、穗粒质量和穗质量变异系数较大;株高、主茎长度、分蘖数和千粒质量在E1环境下最大,穗长、穗下节长、穗粗、穗质量和穗粒质量在E2环境下最大,节数、旗叶长、旗叶宽和叶面积在E3环境下最大(表1)。

图1 谷子RIL群体农艺性状的频率分布

2.2 RIL群体农艺性状相关性分析

由RIL群体各农艺性状的相关性分析可知(表2),在3种不同的生长环境下,穗质量、穗粒质量与株高、主茎长度、穗长、穗下节长、穗粗、节数均呈极显著正相关,穗质量与穗粒质量和旗叶长呈显著或极显著正相关,表明这些性状对谷子的产量有很大影响。株高与主茎长度、穗长、穗下节长、穗粗、节数和旗叶长均呈显著或极显著正相关,主茎长度与穗长、穗下节长、穗粗和节数均呈显著或极显著正相关,穗长与穗粗、旗叶长和叶面积均呈极显著正相关,穗粗与旗叶长和叶面积均呈极显著或显著正相关,分蘖数与除千粒质量、旗叶长、旗叶宽和叶面积外其他性状均呈极显著负相关,旗叶长和旗叶宽均与叶面积呈极显著正相关。株高与主茎长度关系最为密切(0.995),其次依次为穗质量与穗粒质量(0.986)、旗叶长与叶面积(0.811)和株高与穗质量(0.704)。通过以上相关性分析,表明穗质量和穗粒质量与株高构成因子(株高、主茎长度和节数)、穗部性状(穗长和穗下节长)呈极显著正相关,而与分蘖数均呈极显著负相关,穗质量与旗叶长呈显著正相关,这些结果揭示,在谷子育种中,只有做好性状间的平衡,才能选育出高产稳产的品种。

表2 RIL群体主要农艺性状间相关性分析

表3 RIL群体主要农艺性状间偏相关系数

2.3 RIL群体农艺性状的偏相关性分析

结果表明,偏相关分析和简单相关分析所有性状间趋势相同、显著性一致,结果都显示株高、主茎长度和分蘖数3个株型性状对穗粒质量的影响较大(表2,3)。因此,RIL群体选择株系时要先考虑株高,其次为主茎长度、分蘖数。有部分性状间偏相关系数大于相关系数,说明这些性状之间存在良好的线性关系。

2.4 RIL群体各农艺性状的主成分分析

为进一步确定影响RIL群体株型的主要性状,对13个性状进行了主成分分析,结果表明(表4),13个性状可简化为4个主成分,各主成分特征值均已稳定控制在1.077以上,累计贡献率达到93.938%,即前4个相互独立的主成分代表了所调查性状93.938%的变异信息。第1主成分特征值和贡献率分别为5.294和40.727%,其中旗叶长的正相关最大(0.815),第1主成分可称为旗叶长因子;从向量关系可看出,旗叶长增大,千粒质量增加,但一定程度减少分蘖数、穗质量、穗粒质量,因此高产育种时要适当减少旗叶长。第2主成分的特征值和贡献率分别为3.227和24.824%,其中主茎长度的正相关性最强(0.860),其次是株高(0.794),可将其命名为株高构成因子;从向量关系可看出,主茎长度越高,株高、穗质量、穗粒质量越大,分蘖数、千粒质量减少。

表4 谷子RIL群体株型性状的主成分分析

说明在株高遗传改良时,降低株高要适当。第3主成分的特征值和贡献率分别为2.614和20.107%,其中旗叶宽的正相关性最强(0.843),其次依次是节数、穗粗和穗长(0.664,0.538,0.522),可将其命名为旗叶宽因子;随着旗叶宽的增加,一定程度会增加节数、穗粗和穗长;向量关系表明,旗叶宽越大,分蘖数就减少,有利于产量性状的提高,启示在谷子株型育种中也要重点关注旗叶宽性状。第4主成分的特征值和贡献率分别为1.077和8.281%,其中穗下节长的正相关最大(0.548),可称为穗下节长因子,其特征向量间关系表明,穗下节长的增加,会一定程度增加株高、分蘖数、穗质量、穗粒质量,但会一定程度上减少千粒质量。综上,在育种中,可以重点从旗叶长、主茎长度、旗叶宽、穗下节长等性状入手,平衡好各性状间的消长关系,改善谷子株型,提高产量。

2.5 产量对株型性状的逐步回归分析

为了深入分析株型和产量间的关系,分别以3个产量性状(穗质量、穗粒质量和千粒质量)为因变量,以所有株型性状为自变量,进行多元逐步回归分析,建立回归方程,回归方程拟合度R2分别为0.614,0.553,0.008,因为穗质量的R2最大,所以以穗质量为因变量,以所有株型性状为自变量进行多元逐步回归分析,删除偏回归参数不显著的株型性状,根据回归分析结果可看出,VIF值都小于10,说明处理分析结果准确可靠。

根据回归系数可得出最优的线性回归方程为:Y=5.16+0.114X2+0.324X3-3.363X6,该方程解释了61.4%的表型变异,说明主茎长度(X2)、穗长(X3)、分蘖数(X6)是影响穗质量的主要因素,其中主茎长度、穗长每增加1个单位,穗质量平均分别增加0.114,0.324 g,而分蘖数每增加1个单位,穗质量减少3.363 g,其回归系数的绝对值最大,表明分蘖数对穗质量的贡献率最大(表5)。

表5 穗质量对株型性状的多元回归分析

2.6 RIL群体农艺性状的聚类分析

基于13个农艺性状的表型值对RIL群体的聚类分析,结果显示,126个株系可大致划分为7大类群(图2、表6)。其中,第I类群包括19份材料,占参试材料的15.7%,其主要特征是分蘖数多,旗叶长、旗叶宽和叶面积较高,穗粗、穗长、节数、主茎长度和穗下节长较小,穗质量、穗粒质量、千粒质量较低;第Ⅱ类群包括67份材料,占参试材料的53.2%,该类群中主茎长度、穗长、分蘖数和产量均较小;第Ⅲ类群包括25份材料,占参试材料的19.8%,该类群分蘖数最少,主茎长度、穗长、穗质量和穗粒质量均属于上等水平;第Ⅳ类群包括5份材料,占参试材料的4.0%,该类群中分蘖数和千粒质量属上等水平,主茎长度偏低,穗长、穗质量、穗粒质量均最低;第Ⅴ类群包括3份材料,占参试材料的2.4%,其主要特征是节数、主茎长度、穗长、穗粗和旗叶长中等,叶面积较低,穗下节长和分蘖数最低,而穗质量、穗粒质量、千粒质量和旗叶宽最高,该类群中植株产量最高,主茎长度、穗长中等,分别为131.17～141.35 cm和21.23～23.17 cm;第Ⅵ类群包括6份材料,占参试材料的4.8%,该类群中主茎长度最高,分蘖数、千粒质量最低,穗质量和穗粒质量中等;第Ⅶ类群包括4份材料,占参试材料的0.8%,该类群中株系穗长最长,但主茎长度、蘖数、产量均较低。培育高产品种可以从第Ⅲ、Ⅴ类群中筛选,尤其是第V类群要重点关注,可将它们作为高产育种的重要种质材料加以利用。

图2 RIL群体农艺性状的聚类分析

表6 谷子RIL群体不同类群间农艺性状聚类统计

3 结论与讨论

变异系数可以用来衡量一组数据的变异程度,变异系数越大,变异越丰富,越有利于筛选极端株系[28]。前人研究表明,谷子千粒质量变异系数最小,穗质量、穗粒质量、株高变异系数较大[29-30],本研究中,所用群体的变异规律与之相一致。与矮宁黄×晋谷21的F2群体株高、穗长、穗下节长、穗粗、穗质量、穗粒质量、千粒质量等性状相比,该RILs群体对应性状变异系数均变小[12]。Zhi等[31]对矮88×辽谷1号F10群体在13个环境下研究发现,除穗长和穗粗变异系数略大外,其他性状的变异系数都相当。与Liu等[32]豫谷1号×陇谷7号F2∶10相比,除穗长变异系数略大,其他性状的变异系数都相当。本试验中,大同的各性状的变异系数普遍高于长治、榆次,但各性状变化趋势基本相同。穗质量、分蘖数和穗粒质量变异系数较大,最易受生长环境影响,杂交后代各单株间各性状变异类型丰富,遗传改良潜力较大。其他性状受环境的影响相对较小,说明这些性状相对稳定,可以作为育种选择的重要农艺性状。

数量性状由多基因控制,且基因之间也具有连锁关系,使得各表型之间可能具有一定的关联性[33],因此,许多育种和栽培学者认为,作物株型性状与产量性状存在相应的相关性。分析谷子株型和产量性状关联性,有助于快速定位谷子株型改良的关键性状。王君杰等[34]提出,植株过矮,生物量严重降低,产量性状指标降低,最终减低产量。植株较高会减少叶片遮挡面积,有助于CO2扩散,有利于提高光合效率、灌浆。本研究相关性分析发现,穗质量和穗粒质量与株高、主茎长度、穗长、穗下节长及节数呈极显著正相关,穗质量与旗叶长呈显著正相关,穗质量、穗粒质量与分蘖数呈极显著负相关,表明这些性状间的QTL连锁可能性较大;而千粒质量与任何株型性状均无显著性,暗示千粒质量与其他农艺性状可能不存在连锁,在遗传改良中容易固定和选择。

谷子农艺性状与产量之间存在复杂关系。刘思辰等[35]对212份山西谷子种质资源研究表明,穗质量和穗粒质量与株高无显著性,千粒质量与茎长、穗长和穗粗均呈极显著正相关,与株高和节数均呈极显著负相关;Fang等[15]以用豫谷1号和陇谷7号F2、F2∶4为材料进行研究表明,千粒质量与主茎长度、穗质量和穗粒质量呈极显著正相关,与节数呈负相关;陈笑[36]研究发现,穗质量和穗粒质量与穗粗无显著性、千粒质量与株高、穗长均呈极显著正相关,以上研究结果之间以及与本研究结果之间都存在不完全一致现象,原因可能与试验材料种类、数量、试验环境等不同有关。因此,今后需要加强不同群体多环境下的联合鉴定评价。

本研究对RIL群体进行了主成分分析,结果表明,前4个主成分累计贡献率达到93.938%,对产量性状的贡献最大的主成分是旗叶长因子,其次是株高构成因子、旗叶宽因子和穗下节长因子。高产育种时,要适当减少旗叶长和叶面积,在株高改良育种时,要重点关注主成分值株高构成因子;在谷子株型育种,第2主成分值旗叶宽因子是最值得关注的。根据各主成分对高产育种的价值,入选材料要第1主成分适中,第2,3,4主成分偏大为依据,重点从旗叶长、主茎长度、旗叶宽、穗下节长等性状来改良谷子株型,提高产量。

在遗传分离群体中易于获得超亲和综合性状良好的株系,是筛选具有较高育种价值株系的有效资源。研究的性状越多,聚类时越能呈现出整体的客观情况,聚类分析时结合主成分分析,过程更简便、分析更可靠[37-41]。本试验中,126份后代株系可分为7类,第Ⅴ类群的产量最高,株高、主茎长度、穗长中等,分蘖数偏低,3个株系均可用于高产矮秆寡分蘖谷子的育种,尤其第79个株系的穗质量、穗粒质量超过高产亲本晋谷21,综合性状优良,可作为品种改良的重要资源。第Ⅲ类群的25个株系的株高、主茎长度、穗长、穗质量、穗粒质量性状综合表现良好,分蘖数最少,因此,这25个株系可用于高产谷子新品种选育的种质材料。

RIL群体在3个环境条件下,株型和产量性状变异丰富,近似正态分布,变异系数为6.86%～31.71%,多数性状存在双向超亲分离现象。穗质量、穗粒质量与株高、主茎长度、穗长、穗下节长和节数呈极显著正相关,而与分蘖数呈极显著负相关,穗质量还与旗叶长呈显著正相关。可从株高、主茎长度、分蘖数性状提高谷子产量。筛选出第45,79,181等3份优异株系,表现出主茎长度和穗长中等、产量高、寡分蘖等特性,可作为高产矮秆寡分蘖谷子品种选育的骨干亲本。