甜高粱種質資源多樣性及主要農藝參數聚類分析

邵初陽， 何曉蘭， 徐照龍， 張大勇， 黃益洪， 衛培培， 許 玲， 劉曉慶，郭士偉， 彭 陳， 葛婷婷， 王 為

(1.山東農業大學生命科學院，山東 泰安 271018;2.江蘇省農業科學院農業生物技術研究所/江蘇省農業生物學重點實驗室，江蘇 南京 210014;3.江蘇沿海地區農業科學研究所，江蘇 鹽城 224002)

高粱［Sorghum bicolor(L.)Moench］是世界范圍內第五大重要作物［1-4］，甜高粱又叫蘆粟、甜稈、糖高粱等，是普通高粱的一個變種。甜高粱有2個光合產物貯藏庫，一個是穗部的籽粒，含有淀粉、蛋白質、脂肪等營養物質;一個是莖稈薄壁細胞中的糖，含有葡萄糖、果糖和蔗糖等［5］。甜高粱可產 6.0×104～7.5×104kg/hm2富含糖分的莖稈和 2.8×103～4.5×103kg/hm2糧食，是世界上生物學產量最高的作物［6］。研究甜高粱種質資源的遺傳多樣性，不僅有助于了解甜高粱資源的遺傳背景及資源間的親緣關系，為種質資源的利用與開發提供信息，且有助于對種質資源進行區劃，為不同地域生態環境間的引種以及雜交優勢的利用提供指導［7-9］。

目前，對高粱資源的遺傳評價主要利用表型性狀和分子標記進行分析。如 Lekgari等［10］用SSR、SRAP以及形態學標記對142個甜高粱種質資源分別進行聚類分析，3種聚類群有很好的互補性，以農藝性狀的測定與分析為基礎，通過SSR標記對群體來源進一步細化，再通過SRAP標記對群體育種來源再精細化。余傳漲等［11］采用52個SSR標記對41個高粱品種進行遺傳多樣性分析，通過聚類分析將41個高粱品種分為2個類群。雖然多數籽粒高粱歸在第1類群，而甜高粱主要歸在第2類群，但無法清晰地劃分2類高粱之間的遺傳界限。相對于分子標記，表型性狀較直觀，是遺傳多樣性分析的基礎。Hugo等［12］認為運用分子標記對高粱進行遺傳多樣性及群體結構的分析，必須優先對更大的群體進行表型評價。杜光輝等［13］認為在育種過程中，應首先篩選出適合在本地生長的表現優良的種源，根據農藝性狀劃分不同類型，再分析雜交親本的分子遺傳關系，根據育種目標選擇合理的雜交組合。

近年來，中國多個地區與研究單位進行了甜高粱種質資源的引進，多采用表型性狀對引進資源進行初步的鑒定與分析［14-19］，也篩選到一批適合各地區利用的優質甜高粱資源，如馮國郡等［17］采用多樣性指數、變異系數和聚類分析等方法，對國內外72份甜高粱種質資源的24個性狀進行遺傳多樣性研究，結果表明新疆現有甜高粱資源擁有豐富的遺傳多樣性，聚類分析可將72份資源劃分為四大類。宋旭東等［15］對196份甜高粱材料進行了糖錘度測定及綜合評價，結果表明，糖錘度≥21%的材料49份，其中4份高糖錘度材料可以根據育種目標和生產需求進行性狀改良，篩選和培育綜合性狀優良的材料，有直接應用于生產的可能。

目前未見南京及其周邊地區甜高粱種質資源的相關研究報道。本研究通過測定88份甜高粱品種的主要農藝性狀并對其遺傳多樣性進行分析，以期為南京以及周邊地區開發利用甜高粱資源奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

供試甜高粱資源88份，為中國農業科學院作物科學研究所、江蘇省農業科學院、江蘇省沿海地區農業科學研究所、黑龍江農業科學院等單位提供(表1)。2013年在江蘇省南京市江蘇省農業科學院農業生物技術研究所試驗基地種植。從每小區中隨機選取具有代表性的3株進行性狀測定，其平均數用作統計分析。

表1 供試的88份甜高粱資源Table 1 The 88 sweet sorghum accessions used in this study

1.2 方法

1.2.1 測定方法 甜高粱株高(X1)、莖粗(X2)、莖節數(X3)和莖稈鮮質量(X4)的測定參照《高粱種質資源描述規范和數據標準》［20］。出汁率(X5)測定:用上海金鵲機械設備有限公司生產的電動甘蔗榨汁機進行一次性榨汁，出汁率=(整株莖稈鮮質量 －整株莖稈渣質量)/整株莖稈鮮質量 ×100%。整株錘度(X6)測定:使用日本ATAGOPAL-1數顯錘度計測定，用蒸餾水將錘度計調零，測定整株混合汁液。始花期(X7)測定:記錄單株第一個小穗開花的日期并掛牌，計算出播種期到始花期之間的天數。以上測定均設3次重復。

1.2.2 數據統計分析方法 相關性分析:利用EXCEL 2003軟件對測定結果進行整理和分類，利用SPSS 17.0軟件中的雙變量相關性分析對株高、莖粗、莖節數、莖稈鮮質量、出汁率、整株錘度及始花期7個農藝性狀進行相關分析。

遺傳多樣性分析:利用Shannon-weaver遺傳多樣性指數來衡量群體遺傳多樣性大小。首先，利用株高、莖粗、莖節數、莖稈鮮質量、出汁率、整株錘度及始花期性狀數據，根據平均數(x)和標準差(σ)將每份材料分為10級，從第1級Xi＜(x－2σ)到第10級Xi≥(x+2σ)，每0.5σ標準差為1級。然后，計算每一組的相對頻率(pi=某一性狀第i級別內材料份數/總份數)。最后，計算遺傳多樣性指數，計算公式為:H'= － ∑piln pi［15］。

主成分分析:利用SPSS 17.0軟件進行主成分分析。對7個數量性狀數據的平均值進行降維主成分提取分析［21］。

聚類分析:利用SPSS 17.0軟件進行聚類分析并制作樹狀圖。對7個數量性狀數據進行標準化轉化處理，采用歐氏距離可變類平均法進行聚類分析。

2 結果與分析

2.1 南京地區甜高粱基本生長狀況

在整個生育時期，供試的88個甜高粱品種生長有較明顯的差異，13號甜高粱、58號甜高粱等早熟品種葉部蚜害與靶斑病發生較重，籽粒蟲害較重，尤其緊穗型材料，而晚熟品種基本到10月下旬，甚至11月上旬籽粒才成熟，病蟲害發病率較低。2013年7月32日南京經歷一次臺風，對早熟品種影響較大，其中大甜稈、甜稈茭、甜選173、BABUSH、MN-2765及JUAR-3等資源正值拔節抽穗期，倒伏較嚴重。8月高溫干旱，其中甜高粱(平陸)、甜高粱(編號13)等品種病蟲害較重，而甜高粱(彭水)和洋高粱(寧陜)出現葉片皺縮黃化的缺水癥狀，明顯不耐干旱。BABUSH中后期雖然長得高大粗壯，但根部難以支持，出現較嚴重的倒伏。

對88份甜高粱品種的始花期、株高、莖粗、莖節數、莖稈鮮質量、出汁率和全株錘度進行了測定，結果顯示各品種之間均存在較大差異(表2)。始花期最短的寧甜選4，僅57 d，最長的甜稈高粱(石泉)為138 d，相差81 d;株高最低的甘蔗蘆稷(編號17)為1.39 m，最高的鹽甜選5為4.95 m，相差3.56 m;莖粗最細的甜高粱(編號1)為1.30 cm，最粗的黑穗蘆稷(編號73)為3.46 cm，相差2.43 cm;莖節數最少的甜高粱(編號 1)為 4.67，最多的 JUAR-3為21.67，相差17.00;莖稈鮮質量最輕的甜選116為112.17 g，最大的 BABUSH 為1 368.43 g，相差1256.26 g;出汁率最少的蘆稷(編號35)和掃帚蘆稷(編號78)的出汁率都為0，最多的鹽甜選6為38.19%，相差38.19%;錘度最低的蘆稷(編號35)和掃帚蘆稷，錘度都為 0，最高的鹽甜選 6為16.53%，相差16.53%(表2)。

2.2 主要農藝性狀遺傳多樣性分析

供試甜高粱資源的株高、莖粗、莖節數、莖稈鮮質量、出汁率、全株錘度以及始花期均存在較大的遺傳多樣性(表3)。莖稈鮮質量的變異幅度最大，變異系數達52.51%，其次為整株錘度，變異系數也高達38.14%。生育期的變異幅度最小，為22.64%。各性狀的多樣性指數值均較大，其中莖節數的多樣性指數最大，為2.03，出汁率的多樣性指數最低，為1.83。表明供試的88份甜高粱資源擁有豐富的遺傳多樣性，可供挖掘的價值很高。

2.3 主要農藝性狀相關性分析

對始花期、莖稈鮮質量、株高、莖粗、莖節數、出汁率和整株錘度7個主要數量農藝性狀進行了相關性分析，結果顯示:這7個性狀之間都呈極顯著正相關。株高與莖粗、莖節數和莖稈鮮重的相關系數分別達0.618 0、0.698 4及0.761 8，比與出汁率、錘度和始花期的相關性要高，錘度與出汁率的相關系數為0.685 7，較與其他性狀的的相關系數高。始花期與莖粗、莖節數和莖稈鮮質量相關系數分別為0.607 1、0.680 0和0.596 2(表 4)，高于始花期與其他性狀的相關系數。

表2 甜高粱的主要農藝性狀Table 2 Major agronomic traits of sweet sorghum

續表2 Continued

表3 甜高粱遺傳多樣性分析Table 3 Analysis of genetic diversity of sweet sorghum

表4 甜高梁各性狀間的相關系數Table 4 Correlation coefficient among major agronomic traits in sweet sorghum

2.4 甜高粱各性狀對生物量影響的主成分分析

不同甜高粱材料的農藝性狀值比較離散，利用主成分分析可以將離散的數據標準化處理，以便對樣品的相似性進行明顯的評價。從始花期、莖稈鮮質量、株高、莖粗、莖節數、出汁率和錘度7個特征根中選取了2個較大的特征根及相應的2個特征向量。第Ⅰ主成分的貢獻率為64.947%，第Ⅱ主成分的貢獻率為18.285%，前 2個主成分的累計貢獻率高達83.232%。完全符合主成分分析的要求，故取前2個主成分作為分析的有效成分(表5)。第1主成分與株高、莖粗、莖節數、莖稈鮮質量及始花期這5個性狀值相關性都較高，分別為 0.80、0.82、0.90、0.95 及0.80，與出汁率和錘度的相關系數略低，為0.64和0.67，表明第Ⅰ主成分可大部分說明甜高粱的生物量。第Ⅱ主成分與出汁率和錘度相關系數較高，分別為0.65和0.62，與其他性狀都呈負相關，且相關系數絕對值較小，表明主成分2主要反應莖稈汁液情況(表6)。

表5 2個主成分的特征值以及貢獻率Table 5 Eigen values of two principal components and their contributions

表6 2個主成分的各因子載荷矩陣Table 6 Loading matrix of each principal component

2.5 對88個甜高粱材料農藝性狀的綜合分析

表6為2個主成分的各因子載荷矩陣，表7為2個主成分得分系統矩陣，據此可獲得各因子的得分公式，如下:F1=0.17X1+0.18X2+0.20X3+0.21X4+0.14X5+0.15X6+0.18X7

F2=－0.23X1－0.34X2－0.15X3－0.10X4+0.61X5+0.57X6－0.08X7

根據 F1和F2值，各品種的綜合得分:F=∑WiFi=0.649 47F1+0.182 85F2［19］

根據算出的F值，對88個甜高粱材料進行排序(表8)，并且利用系統分析方法的類間平均法進行聚類分類，可將88份材料分為6類(圖1)。以各類群主要農藝性狀的平均值為參考，對其特征進行分析，結果顯示這6類群之間存在較大差異(表9)。

Ⅰ類群僅1份材料BABUSH，而其余的5個類群從屬一個大亞群。BABUSH與其他5類群的材料遺傳距離較遠，其株高、莖粗、莖節數及莖稈鮮質量在6個類群中最高，綜合性狀排序位于第一位，但錘度僅為8.73%，出汁率也低于30.00%，且該材料有易倒伏的缺點。

Ⅱ和Ⅲ類群共40份材料，始花期較短，都不足3個月，且植株低矮，單株莖稈鮮質量不足500 g。尤其第Ⅱ群，平均株高僅有2.08 m，莖稈鮮質量僅達175.04 g，且錘度平均值僅達5.35%。綜合性狀排序倒數幾位的材料都在該群，如甜什高粱、甜稈茭以及鹽甜選5等。但從Ⅱ類群中可選擇到錘度高的早熟密植型材料，如甜選35、甜選37及甜選39。

Ⅳ和Ⅴ類群生物量較大，但平均始花期偏長。其中第Ⅳ群平均莖稈鮮質量達951.65 g，平均錘度在6個類群中最高，出汁率僅次于第Ⅴ類群，該類群材料占總材料的14.77%。綜合性狀排前幾名的材料都在該群，如寧甜選6、寧甜選3及黑穗蘆稷(編號73)等;第Ⅴ類群，平均株高達3.66 m，僅次于BABUSH。出汁率在6個類群中最高，平均莖稈鮮質量達761.33 g，平均始花期早Ⅳ類群10.27 d。

第Ⅵ類群，占總資源的27.27%，其各項指標都低于Ⅳ和Ⅴ類群，但高于Ⅱ和Ⅲ類群，處于中等水平。生物量不低，生育期135 d左右，能從中選擇到符合南京小麥茬口的甜高粱材料，如甜選33、甜選61及甜選133等。

總體來看，從Ⅱ和Ⅲ類群可以選出適合密植的早熟中稈材料，如甜選35、甜選37及甜選39等;從Ⅳ和Ⅴ類群中可選出植株高大，錘度高的材料，如甜選160、寧甜選6及黑穗蘆稷等;從Ⅵ類群可以選出生育期適中材料，如甜選33、甜選61及甜選133等。這些材料可作為南京及周邊地區推廣示范品種或作親本材料。

表7 2個主成分得分系統矩陣Table 7 System matrix of each principal component scoring

3 討論

莖稈含糖量是甜高粱作為能源材料的一個最重要的性狀。宋旭東等［15］發現甜高粱莖稈內部有的實心多汁，有的空心少汁，即使是糖錘度相同的品種，也會因實心多汁、空心少汁的原因出現生物學產量不同的結果，而導致加工效率的不一樣。在我們的試驗中也發現這一現象，甜高粱的整株錘度與出汁率的相關系數達極顯著水平，但部分甜高粱不符合這一規律，如甜高粱(編號8)的出汁率為27.16%，而整株錘度只有3.50%;Rio出汁率也偏低，為24.42%，但整株錘度最高達15.77%，因此在甜高粱選育過程中，對錘度與出汁率要兼顧考慮。此外，與趙香娜等［19］的測定錘度方法一致，我們也采用小型壓榨機進行一次性壓榨，壓榨率偏低，但本試驗中每個樣品采取同一標準操作，所得結果可以充分體現資源材料出汁率的差異。

表8 甜高粱綜合性狀排序Table 8 The ranking of comprehensive traits o f sweet sorghum

圖1 88份甜高粱材料聚類分析Fig.1 Dendrogram of 88 sweet sorghum cultivars by clustering analysis

表9 各類群甜高粱農藝性狀平均值Table 9 Average values of agronomic traits in each group

劉洋等［16］認為錘度與生育期、單株鮮質量、株高以及莖粗相關性不顯著，而本研究結果與其完全相反，甜高粱整株錘度與始花期、莖稈鮮質量、株高、莖粗、莖節數以及出汁率都呈極顯著相關。這可能與南京地區的氣候環境以及播種期有關。6月初播種，早熟矮稈材料在9月份已陸續成熟，南京早秋依然處于高溫期，晝夜溫差小，不利早熟品種糖分的積累，且植株旺盛生長期恰逢高溫高濕的氣候條件，病蟲害發病較重，而晚熟材料幾乎不發病，另外，中晚熟材料在10－11月份才陸續成熟，后期晝夜溫差很大，有利高稈晚熟材料糖分的積累。

本研究中甜選35、甜選44、甜選90等始花期都不到90 d，其整株錘度分別為9.87%、8.97%及9.20%，與劉洋等［16］的研究結果差異較大。原因可能是我們用整株榨汁液來測定不同材料錘度的方法有關，另外，也可能與南京當年的環境條件及播期有相當大的關系。陳展宇等［22］研究發現在半干旱生境下，甜高粱品種莖稈錘度較半濕潤生境下均有不同程度增加，差異達顯著水平。我們對中晚熟品種Rio進行分期播種試驗，發現播期對錘度有明顯影響，5月21日播種的錘度較5月30日播種的低20.12%。

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