耐盐碱高粱亲缘关系分析及农艺性状评价

周 伟, 余忠浩, 孙思思, 张诗琪, 王昕悦, 史立昕, 麻天龙, 刘 慧, 周亚星

(1.内蒙古民族大学科尔沁沙地生态农业国家民委重点实验室, 内蒙古 通辽 028000; 2.内蒙古工程项目管理有限公司, 呼和浩特 010000)

高粱(sorghumbicolor(L.) Moench)又称乌禾、蜀黍,为禾本科高粱属一年生草本植物,是世界第五大禾谷类作物[1]。高粱营养价值较高,用途广[2-3],具有耐盐、耐酸、耐旱、耐贫瘠等特性[4-7]。

截至2006年,世界范围内收集和保存的高粱种质资源已达到168 500份,我国“七五”期间完成了大批量高粱种质资源抗病性鉴定、遗传多样性的分析以及核心种质构建[8]。全球土地沙漠化、盐碱化日益严峻,严重地限制了植物生长与生产[9],成为阻碍农业发展的巨大障碍。目前,全球盐碱地面积为9.544亿hm2,我国盐碱地总面积为9 913万hm2,约占我国国土面积的10.33%[10],主要集中在西北、东北、华北及滨海等地区[11-12]。因此,选育耐盐碱高粱,运用高粱独特的抗逆能力开发利用旱地、盐碱地,是提高地区经济收入的一项有效措施[13]。

ISSR分子标记具有基因组中丰富度高、多态性水平高等优点,不受环境、组织特异性等因素的影响[14]。张玲丽等[15]对西农979的主要供体利用分子标记进行了亲缘关系分析,明确了小麦品种西农979对赤霉病的抗性遗传基础;王升星等[16]对三大麦区190份小麦品种亲缘关系进行分析,结果表明,长江中下游冬麦区与西南冬麦区小麦亲缘关系较近;陈业等[17]利用ISSR分子标记对23种中国兜兰属植物进行亲缘关系分析,将23种兜兰划分为3个类群;王英成等[18]对16个青贮玉米的13个农艺性状进行相关分析,筛选出综合性状优良适宜推广种植的品种;潘晓雪等[19]对106份水稻材料的12个农艺性状进行相关分析,筛选出综合性状优良的种质。高粱在我国具有悠久的种植历史,但高粱的研究进展较其他粮食作物缓慢,在收集和保存的大量种质资源中,运用分子标记等技术对其遗传多样性的研究较少,种质资源利用率低,高粱品种混杂,大部分种质资源亲缘关系尚不明确,成为育种工作的极大阻碍。因此,运用分子标记技术对高粱种质资源亲缘关系的确定以及根据不同的目标性状建立种质资源库(如耐盐碱高粱核心种质)对高粱的发展极其重要。本研究借助分子标记对17个耐盐碱高粱的亲缘关系进行研究,将17个品系进行分类,并对其主要农艺性状进行相关性分析和主成分分析,初步筛选出综合性状优异的品系,为耐盐碱高粱种质资源利用以及新品种的选育提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为从高粱核心种质库中筛选的17个耐盐碱高粱品系,具体名称见表1。

表1 耐盐碱高粱品系名称及编号

1.2 试验设计

试验地位于内蒙古自治区通辽市科尔沁区农业高科技示范园区。年平均气温6.8 ℃,≥10 ℃的活动积温年平均值为3 200 ℃,平均无霜期154 d,生长季降雨量395.3～443.4 mm,土壤为灰色草甸土,分别进行农艺性状调查和ISSR分子标记(表2)。

表2 ISSR-PCR反应体系构成

1.3 数据统计分析

ISSR分子标记分析通过扩增条带在琼脂糖凝胶上出现与否分别用1或0来标记。根据条带信息建立“1”和“0”矩阵,使用IBM SPSS stastistic19软件进行聚类分析,构建17个耐盐碱高粱品系的亲缘关系树状图,以及各性状间相关性分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 耐盐碱高粱ISSR-PCR相关分析

2.1.1ISSR-PCR扩增分析

本试验共筛选出5条引物。其中,引物UBC840:GAGAGAGAGAGAGAGACTT多态性最好,图1为UBC840引物扩增产物的电泳结果。

注:M为Marker 2 000 bp;1～17为高粱品系编号。下同。

2.1.2聚类分析

利用分子标记检测数据构建类平均聚类法树状图谱,结果(图2)显示,在遗传相似系数为0.75处,耐盐碱高粱材料被分为两大类。第1类包含7份材料,分别为TP1012、HH64、TW32、MM21、BK33、AM2、7982,其中:AM2、7982、MM21以及BK33的亲缘关系较近,HH64和BSE85的亲缘关系较近,而TP1012与HH64和BSE85的亲缘关系稍远,AM2、7982、MM21、BK33、HH64、BSE85、TP1012的遗传相似系数均在0.85以上。第2类包含10份材料,分别为MK39、SL93、AT53、SW72、1056、S8、WS912、TT656、NM9、7107,在遗传相似系数为0.85处又分出3个分支,每个分支中TT656和7107亲缘关系最近,TT656、7107和S8亲缘关系较近,与S8亲缘关系较远;AT53和SW72亲缘关系最近,AT53、SW72和SL93亲缘关系较近,与SL93亲缘关系较远;WS912与NM9亲缘关系最近,MK39与1056亲缘关系最近。

图2 耐盐碱高粱ISSR聚类分析

2.2 耐盐碱高粱农艺性状相关分析

2.2.1参试品系各性状比较

供试耐盐碱高粱各性状比较结果见表3。株高最高的是7982,为368.07 cm,最低的是TW32,为88.67 cm;茎粗最粗的是MM21,为2.27 cm,最细的是TP1012,为1.17 cm;生育期最长的是SW72,为131.46 d,最短的是SL93,为100.67 d;叶倾角最大的是NM9,为49.66°,最小的是TT656,为19.44°;穗长最长的是HH64,为31.00 cm,最短的是1056,为21.17 cm;穗柄长最长的是AM2,为31.43 cm,最短的是7107,为16.60 cm;穗重最重的是S8(131.33 g),远高于其他品种,穗重100 g以上的还有TT656和7107,MK39、AT53和HH64穗重较重,TP1012、AM2和1056穗重最轻,分别为59.00 g、53.33 g和53.00 g;穗粒重最重的是S8,为111.33 g,HH64和TT656穗粒重较重,分别为83.00 g、89.67 g,NM9穗粒重最轻,为47.67 g;千粒重最重的是WS912,为37.54 g,AT53、MM21和S8千粒重较重,分别为36.11 g、35.00 g和35.34 g,1056千粒重最轻,为16.70 g;MK39、SL93、AT53、SW72、TW32和7982的壳色为黑色;TP1012、HH64、MM21、BK33、AM2、1056、S8、WS912、TT656、NM9和7107的壳色为红色;MM21的粒色为白色,HH64的粒色为灰白色,AT53和SW72的粒色为灰色,其他品系均为褐色;BK33的粒形为长椭圆,TP1012、AT53、SW72、HH64、MM21和1056的粒形为圆形,其他品系的粒形均为椭圆形。综合比较之后,初步筛选出株高较高、茎粗粗壮、穗长较长、穗重较重、穗粒重较重、千粒重较重的优异耐盐碱高粱品系(AT53、SW72、HH64、S8、WS912和TT656)。

表3 参试耐盐碱高粱农艺性状汇总

2.2.2相关性分析

对12个农艺性状进行相关性分析,结果(表4)表明,株高与茎粗呈极显著正相关,相关系数为0.633 3。株高与叶倾角、穗柄长呈显著正相关,相关系数分别为0.483 8和0.539 4。茎粗与生育期呈极显著正相关,相关系数为0.607 7。穗长与粒色呈显著负相关,相关系数为-0.555 7。穗重与穗粒重呈极显著正相关,相关系数为0.968 3。粒色与粒形呈极显著正相关,相关系数为0.603 6。

表4 参试耐盐碱高粱各植株性状相关性分析

2.2.3主成分分析

对供试材料的12个主要农艺性状进行主成分分析,得到12个性状遗传相关矩阵的特征值和特征向量(表5～表8)。其中前5个主成份特征值大于1,且累积贡献率达85.374 2%。选取前5个主成分来代替12个性状指标进行分析。第1主成分主要为株高、茎粗、叶倾角等主要反映与产量有关的植株体性状;第2主成分主要为生育期、茎粗、穗长等,主要反映高粱的经济产量;第3主成分主要为粒重、穗粒重、壳色等;第4主成分主要为穗长和壳色;第5主成分主要为穗长和穗柄长。

表5 农艺性状主成分分析

表6 各性状的特征根与特征向量

表7 主成分分析因子得分

表8 各性状载荷矩阵

3 讨 论

提高作物的产量和品质主要有遗传改良和环境改善两种途径[20],在优化盐碱地高粱品种各农艺性状中遗传改良是关键。高粱作为第一个完成三系配套的农作物具有极高的杂种优势,高粱杂种优势的利用也成为高粱育种的首要方法,采用分子标记技术研究不同耐盐碱高粱的亲缘关系对组配杂交组合十分重要。本研究应用ISSR分子标记技术进行聚类分析,有效得出耐盐碱高粱品系间的亲缘关系并进行科学划分。

聚类分析可以帮助育种工作者有效地组配亲本,选择差异互补的亲本,更好地发挥杂种优势[21]。聚类分析将17份耐盐碱高粱种质资源分为两大类,这两类种质间存在相互区别的特征,可供育种者选择利用。第1类株高较高,茎粗较粗,生育期较长,穗长和穗柄长较长,壳色多为红色,粒色多为褐色,AM2和1056为灰白色和白色,粒形以圆形和椭圆形为主;第2类叶倾角较大,穗重、穗粒重和千粒重较重,壳色为红色和黑色,粒色多为褐色和灰色,粒形多为椭圆形,其中综合性状较优的有6个品系(AT53、SW72、HH64、S8、WS912和TT656)属于第2类,说明第2类综合性状较好,具有较高的利用价值,可作为耐盐碱高粱育种的优质亲本。

本研究表明,在选择育种目标时,应注重对不同性状的选择,以穗重、穗粒重、株高和穗柄长为主要改良目标,茎粗、生育期和粒色为辅,最大可能地获得遗传稳定的优良品系。这与张一中[22]的研究结果基本一致。

多元统计的主成分分析中,前5个主成分是决定耐盐碱高粱种质多样性的主要因素。其中第1主成分大的种质具有茎秆粗壮的特点,这与王官等[23]的研究相一致;但第2主成分大的种质具有生育期长的特点,这与其研究存在差别,可能是由于耐盐碱高粱和甜高粱品种间的差异而导致。从贡献率来看,第1主成分的贡献率最大,主要为株高、茎粗、叶倾角等农艺性状,通过对农艺性状间相关性分析,发现第1主成分中的株高与茎粗、生育期与茎粗、粒色与粒形等也呈极显著相关,说明这些性状不仅相关性高,对其改良也较易进行。在育种中着重关注第1主成分能更好地改良种质。

4 结 论

本研究通过ISSR分子标记进行亲缘关系分析,将17份耐盐碱高粱品系分为两大类,第1类包括TP1012、HH64、TW32、MM21、BK33、AM2和7982,第2类包括MK39、SL93、AT53、SW72、1056、S8、WS912、TT656、NM9和7107。并对其主要农艺性状进行分析,初步筛选出6份优异的耐盐碱高粱,分别为AT53、SW72、HH64、S8、WS912和TT656。