基于遺傳多樣性評估燕麥品種的農藝性狀

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(1.哈爾濱師范大學生命科學與技術學院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省農業科學院草業研究所，黑龍江 哈爾濱 150086；3.青島農業大學動物科技學院，山東 青島 266109；4.黑龍江省農業科學院農村能源研究所，黑龍江 哈爾濱 150086)

燕麥(Avenasativa)屬于禾本科燕麥屬一年生草本植物，具有產量高、營養全面、耐寒、耐鹽堿、適應性廣等特性，在冷涼地區生長良好[1]。燕麥不僅是一種優質的糧食和經濟作物，也是各種家禽、家畜喜愛的優質飼料。目前，燕麥主要分為裸粒型和帶稃型兩種[2]。在我國，栽培的燕麥主要以裸燕麥為主。目前燕麥市場存在以下特點：品種繁多，應用推廣緩慢，產業化落后。主要原因在于燕麥的育種受到種質資源和育種技術的限制，尤其種質資源遺傳關系的不明確，利用效率低，改良技術不完善等問題，導致市場上鮮有具備優良特性的新品種。

利用分子生物學技術鑒定和評價燕麥種質資源對于燕麥遺傳育種具有重要意義，國外學者在這方面取得了較大進展[3-8]。相比而言國內學者主要關注燕麥種質資源的收集和評價[9-12]、生產性能及栽培技術研究[13-15]，對于種質資源遺傳多樣性的報道很少[16-21]。近年來，我國的燕麥產出遠不能滿足當下畜牧業養殖的需求，2018年1-3月，我國進口燕麥草6.16萬t，預計全年將進口燕麥草超35萬t，因此，燕麥草產業在我國發展空間巨大。特別是黑龍江省具有獨特的地理環境與氣候條件，非常適宜燕麥生產，深受草企業及有機牧場的青睞。本試驗選擇 51份燕麥材料在哈爾濱地區種植，通過觀察數量性狀和質量性狀，對51份不同生態型燕麥種質資源的形態性狀進行遺傳多樣性、聚類及主成分分析，揭示燕麥種質資源親緣關系及變異的特點。評估結果將對合理利用燕麥種質資源、綜合評價親本、燕麥耐寒種質資源新基因的挖掘及種質創新均具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為 51 個燕麥品種，包括31份皮燕麥和20份裸燕麥(表1)。

1.2 試驗地點及試驗設計

試驗于2018年在哈爾濱市道外區民主鄉黑龍江省農業科學院草業研究所試驗地內進行。該地區地理位置為北緯45.2°，東經122.6°，海拔169 m。年平均氣溫為5.1 ℃，極端最高氣溫 37.5 ℃，最低氣溫 -35.5 ℃，≥10 ℃ 年活動積溫2887 ℃，年平均降水量469.1 mm，年平均無霜期139 d左右，土壤為黑土，pH值為7.0～7.5，全氮含量1.23 g·kg-1，全磷含量0.47 g·kg-1，速效氮含量83.51 mg·kg-1，速效磷含量18.32 mg·kg-1，前茬作物為籽粒莧(Amaranthuspaniculatus)。供試材料于4月5日播種，采用隨機區組設計，3 次重復，每小區11行，行長5 m，行距30 cm，小區面積3 m×5 m=15 m2，小區間距60 cm，燕麥出苗至成熟期進行人工除草 3次。

1.3 調查性狀

在種子成熟期隨機抽取10株進行形態性狀的觀察，數據采集及記載嚴格按照燕麥種質資源描述規范和數據標準進行[14]。田間觀察和測量指標包括株高、單株分蘗數、莖粗、主穗穗長、主穗小穗數、主穗粒數、主穗粒重、輪層數、千粒重、株型、粒色、粒形、皮/裸性共13個性狀。

1.4 數據分析

采用Excel和SPSS 22.0軟件進行數據統計分析。質量性狀主要計算各性狀的多樣性指數和頻率，數量性狀主要計算平均值、變異系數、標準差、極差、最大值、最小值和遺傳多樣性指數，遺傳多樣性指數采用Shannon-Weaver指數(H′)，計算公式：多樣性指數(H′)=-∑PilnPi，其中Pi為某性狀第i個品種出現的頻率[10]。聚類過程中，種質間遺傳距離為歐氏距離，聚類方法采用最長距離法。

表1 51份燕麥品種來源及其皮/裸性Table 1 Sources and husk/naked of 51 oat cultivars

續表1 Continued Table 1

2 結果與分析

2.1 燕麥農藝性狀遺傳多樣性分析

對51份燕麥推廣品種4個質量性狀進行遺傳多樣性分析(表2)，結果表明，籽粒顏色遺傳多樣性指數最高，為0.960，以淺黃色居多，分布頻率為0.588，說明該性狀遺傳差異較大，遺傳基礎比較廣泛；粒形以紡錘形為主，頻率為0.569；株型以披散為主，頻率為0.745；皮裸性以皮燕麥為主，頻率為0.607；由表2可知， 在4個質量性狀中，遺傳多樣性指數大小為粒色>粒形>皮裸性>株型。

表2 燕麥種質資源4個質量性狀的遺傳多樣性Table 2 Analysis on genetic diversity of 4 quality characteristics in oat germplasm

注：粒色1～5依次為淺黃色、黃色、褐色、深褐色、黑色；粒形1～2依次為披針形、紡錘形；株型1～2依次為緊湊、披散；皮/裸性1～2依次為皮、裸。

Note：Grain color 1-5 in regular turn pale yellow, yellow, brown, puce, black; Kernel shape 1-2 in regular turn lanceolatel, spindly; Plant shape 1-2 in regular turn compact, loose; Husk/naked 1-2 in regular turn husk, naked.

對供試51份燕麥推廣應用品種9個數量性狀的遺傳多樣性進行統計分析(表3)，結果表明，株高變化范圍 66.5～131.3 cm，單株分蘗數變化范圍 1.0～3.7，莖粗變化范圍 1.5～3.6 mm，主穗長變化范圍8.8～25.0 cm，主穗小穗數變化范圍 7.7～35.3，主穗粒數變化范圍60.3～141.0，主穗粒重變化范圍1.4～5.8 g，輪層數變化范圍4.0～7.3層，千粒重變化范圍 18.7～43.6 g。主穗長的遺傳多樣性指數最高，為 1.517；單株分蘗數的遺傳多樣性指數最低，為0.980。9個數量性狀的多樣性指數平均值 1.285，說明各性狀具有豐富的多樣性，遺傳基礎廣、差異大。主穗小穗數和主穗粒重的變異系數較大，其值分別為34.8%、33.1%，表明選擇的燕麥品種間在這兩個性狀上存在較大的差異，變異類型豐富，選擇的基礎較廣，品種改良的潛力大。輪層數的變異系數最小，為11.8%，說明此性狀在所選擇的燕麥品種間差異較小，比較穩定。對種子產量起關鍵作用的主穗粒重、主穗小穗數、主穗長以及千粒重的變異系數差異較大，說明參試品種間變異類型豐富，親本選擇范圍廣。

2.2 燕麥農藝性狀聚類分析

利用SPSS 22.0軟件對51份燕麥推廣品種的9個數量性狀用最長距離法進行聚類分析(圖1)。

表3 燕麥種質資源9個數量性狀的遺傳多樣性Table 3 Analysis on genetic diversity of 9 quantity characteristics in oat germplasm

圖1 51份燕麥種質資源形態性狀聚類圖Fig.1 Dendrogram generated by cluster analysis for 51 oat germplasm

在聚類分析過程中，當歐氏距離系數為6.8時，51份材料共分為4個類群。各類群的形態特征見表4。

類群Ⅰ包括29份材料，編號分別是1、3、9、11、12、14、15、17、19、20、21、22、24、26、27、28、29、30、31、32、35、39、43、44、46、47、48、50、51。這一類株高、單株分蘗數、莖粗、主穗小穗數、主穗粒重、輪層數和千粒重均處于中等水平，粒色以淺黃色為主，粒形以紡錘形為主，皮燕麥居多，主穗長在4大類群中最短，其值為13.61 cm，莖粗、主穗長、主穗小穗數變異系數在4大類群中最大，分別為19.75%、19.16%、10.68%。

類群Ⅱ包括10份材料，編號分別是4、6、7、 8、10、13、25、40、41、42。 該類群株高、莖粗、主穗小穗數、主穗粒重、主穗粒數和輪層數在4大類群中最低，其值分別為81.72 cm、2.34 mm、14.90個、1.76 g、65.40個、5.35，粒色多為淺黃色和黃色，粒形以披針形為主，皮燕麥為主，株高、主穗粒數和千粒重變異系數在4大類群中最小，分別為11.13%、5.9%和15.28%，可作為選育矮稈皮燕麥目標的優良親本材料。

類群Ⅲ包括9份材料，編號分別為5、16、18、34、36、37、38、45、49。 這一類群品種以裸燕麥為主，粒色為淺黃色和黃色，粒形披針形為主。此類材料中，單株平均分蘗數最多為2.93個，變異系數最低為18.20%，千粒重最低為26.42 g，主穗長、主穗粒重變異系數在4大類群中為最小，其值分別為15.26%、13.35%。

類群Ⅳ包括3份材料，編號分別是2、23和33。 這3個品種粒色均為淺黃色皮燕麥。這類材料中，除單株分蘗數在4個類群中最低為2.00個外，其余8個數量性狀均處于最高，平均株高101.90 cm、莖粗3.13 mm、主穗長21.57 cm、主穗小穗數24.67個、主穗粒數133.20個、主穗粒重4.30 g、輪層數6.43層、千粒重35.53 g，主穗小穗數變異系數最大為52.64%，可作為選育大粒型、多輪層數、多小穗數等育種目標的皮燕麥親本材。

表4 燕麥種質資源各類群的生物學性狀Table 4 Characteristics of biological character traits in oat germplasm

2.3 燕麥農藝性狀主成分分析

對燕麥品種9個數量性狀進行主成分分析，結果表明(表5)，在9個主成分構成中，主信息主要集中在前3個主成分，其累計貢獻率達到了70.09%。主成分一貢獻率最大，其值為36.50%，其次為主成分二、三，貢獻率分別為19.99%、13.60%。

第一主成分特征值為3.285，貢獻率為36.50%。特征向量中符號均為正數，載荷較大的性狀有主穗粒重、主穗小穗數、主穗粒數、輪層數及莖粗(圖2)，其向量值分別為0.800、0.719、0.667、0.661和0.659，此類性狀均與種子產量有關，可作為產量構成因子，單株分蘗數的載荷較小。說明在高產育種工作中，主穗粒重、主穗小穗數、主穗粒數、輪層數及莖粗可進行獨立選擇，株高和千粒重要適中，單株分蘗數越少越好。

第二主成分特征值為1.799，貢獻率為19.99%。特征向量符號中有正有負，主要反映單株的分蘗數(圖2)，其向量值為0.693，由載荷數值可以看出，分蘗數影響產量構成因子主穗小穗數、輪層數，同時對千粒重、主穗粒重和主穗粒數等因子起到了制約作用。因此在育種的過程中，要適度把握。

第三主成分特征值為1.224，貢獻率為13.60%。特征向量符號中有正有負，載荷最高的數量性狀是株高，其向量值為0.840，說明第三主成分主要反映株高，隨著株高的增加會影響主穗小穗數和千粒重，從而影響種子產量，所以第三主成分分值越高，越適合飼用燕麥育種。

3 討論與結論

我國燕麥主要分布在內蒙古、河北、山西、甘肅、青海及吉林等地區。經過多年的研究發現，黑龍江地區也非常適宜燕麥生產[22]，但目前燕麥遺傳基礎狹窄，不利于其穩定發展。本試驗選用51份燕麥材料，31份來自國內(華北地區11份：內蒙古2份、河北7份、山西2份；西北地區17份：甘肅13份、青海4份；東北地區3份：吉林3份)，20份來自國外(美國、歐洲、澳大利亞等燕麥產區的主打品種)。這些材料大部分來自高緯嚴寒地區，與黑龍江地區地理環境相近，這種有目的性的引種，對黑龍江地區燕麥新品種選育具有重要意義。

表5 燕麥主要農藝性狀主成分分析Table 5 Principal component analysis of main quality properties in oat

圖2 51份燕麥種質資源9個數量性狀的二維坐標圖Fig.2 Two-dimensional chart of 9 quantitative characters in 51 oat germplasm

燕麥種質資源農藝性狀的遺傳多樣性分析已被廣泛應用于燕麥的遺傳改良中[23]。本試驗對51份燕麥推廣應用品種的13個性狀的遺傳多樣性進行了分析，結果表明，4個質量性狀的遺傳多樣性指數以粒色最高，而9個數量性狀的變異系數均大于10%，表明這些性狀在種質個體間差異較大，變異系數以主穗小穗數最大，說明不同品種間的遺傳變異程度不一致，可為燕麥品種改良提供豐富、優良的親本材料，同時可拓寬燕麥新品種選育空間和方向。9個數量性狀的遺傳多樣性指數以主穗長最高，說明主穗長這個性狀遺傳基礎廣、變異豐富。

借助聚類分析的方法，對 51 份燕麥種質資源的 9個數量性狀進行了聚類，使其性狀相近的聚為一類，結果表明，來自同一區域的材料并沒有聚為一類，可能與不同區域相互引入有關，說明材料之間的遺傳差異不一定與地理來源有關，這與齊冰潔等[19]、王鳴剛等[24]的研究結果相似。不同于上述報道，本研究把51份燕麥推廣品種種質分為4類，類群Ⅰ中包括了大部分國外引進品種，莖粗、主穗長、主穗小穗數變異系數在4大類群中最大，有益性狀不明顯；類群Ⅱ株高、莖粗、主穗小穗數、主穗粒重、主穗粒數和輪層數在4大類群中最低，皮燕麥為主，可作為選育矮稈皮燕麥目標的優良親本材料；類群Ⅲ為選育高稈、增加分蘗數育種目標親本材料；類群Ⅳ除單株分蘗數在4個類群中最低外，其余8個數量性狀均處于最高，可作為選育大粒型、多輪層數、多小穗數等育種目標的皮燕麥親本材。這樣，本研究明確了 51 份燕麥種質資源的不同生態型，在隨后的品種選育過程中，可根據育種目標選擇相對互補的親本配置組合，使燕麥育種在親本的選擇上更加科學。

主成分分析法已在小麥(Triticumaestivum)[25]、大豆(Glycinemax)[26]和燕麥[12]等作物上應用，不僅可以掌握作物綜合形態性狀，而且可以簡化選擇程序。本試驗將選用的51份材料中9個數量性狀進行主成分分析，前3個主成分對變異的累計貢獻率達到70.09%，第一主成分反映種子產量，載荷較高的數量性狀有主穗粒重、主穗小穗數、主穗粒數、輪層數，說明在高產育種工作中，主穗粒重、主穗小穗數、主穗粒數及輪層數可進行獨立選擇；第二主成分載荷最高的數量性狀是單株分蘗數，其對千粒重、主穗粒重和主穗粒數等產量構成因子起到了制約作用，因此在育種的過程中，要適度把握；第三主成分載荷最高的數量性狀是株高，株高是燕麥新品種選育推廣的重要指標，其對主穗小穗數、千粒重和輪層數等產量構成因子起到了制約作用，所以第三主成分分值越高，越適合飼用燕麥育種。

綜上所述，在黑龍江地區燕麥育種過程中，親本材料的選配可以根據主成分排序，具體全面評價每個親本材料綜合指標的優勢，根據制定的育種目標，結合聚類分析，合理地選配組合，可以加快育種進程，更早選育出適合黑龍江地區種植的高產、優質燕麥新品種。