苦蕎種質資源遺傳多樣性分析及抗霜霉病種質篩選

李春花 陳蕤坤 黃金亮 孫道旺 盧文潔 王艷青 尹桂芳 任長忠 王莉花

摘要：【目的】分析132份苦蕎種質資源的遺傳多樣性，并篩選出抗霜霉病種質，為苦蕎的抗霜霉病品種選育及遺傳改良提供理論參考。【方法】對來自山西和云南的132份苦蕎種質材料進行主要農藝性狀測定及霜霉病抗性鑒定，分析其遺傳多樣性，并對其進行聚類分析和主成分分析，篩選出抗霜霉病種質。【結果】132份苦蕎種質資源的遺傳多樣性較豐富。在8個主要農藝性狀中，生育日數、主莖節數和千粒重的變異系數均小于10.0%，表明這3個性狀遺傳差異較小，而株粒數和株粒重的變異系數均大于30.0%，表明這2個性狀的遺傳差異較大。132份苦蕎種質材料在遺傳距離7.936處聚為四大類群。四大類群的農藝性狀存在明顯差異，第I類是千粒重較高的材料，第II類是一級分枝數較多的材料，第Ⅲ類是株粒數和株粒重較高的材料，第Ⅳ類是株高、主莖節數和莖粗較高的材料。主成分分析的前4個主成分能反映出所測農藝性狀的主要信息，累積貢獻率為79.593%。132份苦蕎種質材料的霜霉病抗性鑒定結果表明，高抗材料35份，中抗材料22份，中感材料26份，高感材料49份。其中，發病葉率<50.00%、病情指數<10.00%的高抗材料共7份（SZ-1、SZ-37、SZ-61、SZ-84、SZ-86、SZ-89和SZ-90）。【結論】132份苦蕎種質資源具有豐富的遺傳多樣性。篩選出的7份高抗種質材料可用作高抗霜霉病苦蕎新品種選育的親本材料。

關鍵詞： 苦蕎;種質資源;農藝性狀;霜霉病;遺傳多樣性;聚類分析;主成分分析

Abstract：【Objective】To provide a theoretical basis for the downy mildew resistance breeding and genetic improvement of tartary buckwheat by analyzing the genetic diversity of 132 tartary buckwheat germplasm resources and screening for downy mildew resistant germplasms. 【Method】Genetic diversity analysis， cluster analysis and principal component analysis of main agronomic traits and downy mildew resistance identification was studied using 132 tartary buckwheat germplasm resources from Shanxi and Yunnan， in a bid to select the downy mildew resistant germplasms. 【Result】The genetic diversity of the 132 tartary buckwheat resources was very rich. Among eight main agronomic traits，the coefficients of variation of the growing duration，number of the main stalk section and thousand kernel weight were less than 10.0%，indicating that the genetic differences among these three traits were small. The coefficients of variation of number of seeds per plant and seed weight per plant were both greater than 30.0%，indicating that the genetic differences between the two traits were large. The 132 tartary buckwheat germplasm materials were grouped into four clusters at a genetic distance of 7.936. Obvious differences existed in the agronomic traits of the four clusters，they were cluster I with high thousand kernel weight，cluster II with large number of first branch number，cluster Ⅲ with large number of seeds per plant and high seed weight per plant，cluster Ⅳ with high plant height，large number of the main stalk section and large stem diameter. The principal component analysis revealed that the first four principal components reflected the main information of the agronomic traits，the cumulative contribution rate was 79.593%. Resistance identification results to downy mildew showed that among the 132 materials， 35 were in high resistance， 22 moderate resistance， 26 moderate susceptibility and 49 high sensibility. Among them，there were 7 high-resistance materials（SZ-1，SZ-37，SZ-61，SZ-84，SZ-86，SZ-89，SZ-90） with a proportion of diseased leaves less than 50.00% and disease index less than 10.00%. 【Conclusion】The 132 tartary buckwheat germplasm resources have high genetic diversity，and 7 high-resistance materials can be applied to the breeding materials of downy mildew resistance breeding.

0 引言

【研究意義】苦蕎[Fagopyrum tataricum（L.） Gaertn]為蓼科蕎麥屬一年生草本雙子葉植物，富含具有抗癌、抗氧化及抗腫瘤等藥效的蘆丁，是一種具有營養保健和食療功效的重要作物（林汝法，2013）。近年來，隨著人們保健意識的提高，對苦蕎的需求量也日益增大。但目前高產優質苦蕎品種缺乏，其主要原因是苦蕎為閉花授粉作物，花朵特別小（2～3 mm），利用水稻、玉米等農作物的常規雜交育種方法很難進行雜交（陳慶富等，2015）。隨著苦蕎育種研究的深入，雜交技術逐漸成熟，而選配優質親本成為苦蕎育種的重要環節，只有了解親本主要農藝性狀的遺傳特性，才能有效選育出持有目標性狀的苦蕎品種。因此，開展苦蕎種質資源的農藝性狀遺傳多樣性分析對其品種選育具有重要意義。【前人研究進展】目前，有關苦蕎種質資源性狀鑒定評價及遺傳多樣性分析的報道較多。李瑞國等（2007）對53份苦蕎種質資源的12個農藝性狀進行聚類分析，并根據粒型、倒伏性及其用途將53份苦蕎資源聚為大粒非抗倒型、厚殼型、抗倒型、寬粒型和糧用型五大類。高金峰等（2008）對80份苦蕎種質資源的7個農藝性狀進行主成分分析及聚類分析，結果發現這些苦蕎種質資源具有豐富的遺傳多樣性，并根據株高和粒型把80份苦蕎種質資源聚為植株高大莖稈粗壯型、株高中等小粒型、株高較矮大粒型和植株矮小大粒型四大類。韓瑞霞等（2012）利用SSR分子標記對我國16個省（市）及尼泊爾的166份苦蕎種質資源進行遺傳多樣性分析，結果發現這些苦蕎種質資源的遺傳多樣性非常豐富，且云南、四川和西藏的苦蕎種質資源的親緣關系很近，佐證了苦蕎來源于我國西南部地區的觀點。楊學文等（2013）利用15對SSR引物對104份苦蕎種質資源進行遺傳多樣性分析，結果發現內蒙古的苦蕎種質資源遺傳多樣性較狹窄，而西北、西南地區苦蕎種質資源的遺傳多樣性較豐富。李春花等（2015）對63份云南苦蕎種質資源的12個農藝性狀進行主成分分析及聚類分析，結果發現株粒重的遺傳系數達33.2%，并根據生育期在遺傳距離19.39水平上將這些資源分為生育期較長型、生育期中等型和生育期較短型三大類。高帆和宋韡（2016）利用AFLP分子標記對50份苦蕎核心種質資源進行遺傳多樣性分析，結果發現四川的苦蕎種質資源多樣性最豐富。李春花等（2016）對48份苦蕎種質資源的11個農藝性狀和品質性狀進行多樣性分析，結果發現株粒重的變異系數最大，為34.4%，品質性狀中黃酮含量的變異系數最大，為51.72%，并根據產量可將這些種質資源聚為低產型、矮稈高產型和中稈高產型三大類。李春花等（2019）利用65對SSR分子標記對48份云南苦蕎種質資源進行分子身份證構建，共檢測到等位基因161個，每對SSR引物的等位基因數為2～5，Neis基因多樣性指數（H）為0.101～0.693;引物位點的多態信息含量（PIC）為0.041～0.500，具有豐富的遺傳多樣性。【本研究切入點】目前，有關苦蕎遺傳多樣性的分析主要集中在農藝性狀。但近年來蕎麥病害逐年加重，尤其是霜霉病，其主要發生在苦蕎葉片上，導致葉片脫落，嚴重影響苦蕎產量（時春利，2018）。培育抗病品種是霜霉病防治最經濟有效的方法，因此，抗性材料的篩選至關重要，但至今鮮見苦蕎遺傳多樣性分析結合抗霜霉病種質資源篩選的研究報道。【擬解決的關鍵問題】對132份苦蕎種質資源進行霜霉病抗性評價及農藝性狀的遺傳多樣性分析，篩選出抗霜霉病的優良苦蕎種質資源，為苦蕎抗霜霉病育種及遺傳改良提供基礎材料。

1 材料與方法

1. 1 試驗材料

供試材料為132份苦蕎種質資源，其中山西的種質材料93份（序號為SZ-1～SZ-93），云南的種質材料39份（序號為YZ-94～YZ-132）。

1. 2 試驗設計

2017年6月29日在云南省農業科學院生物技術與種質資源研究所昆明安寧市蕎麥試驗基地（海拔1887 m，東經102°25′、北緯24°45′）開展試驗。該試驗地土壤為紅黏土，pH 5.88，有機質含量23.6 g/kg，陽離子交換量（CEC）14.62 mol/kg。試驗小區長5.0 m，寬2.0 m，每小區5行，行距0.4 m，小區面積10.0 m2，每小區用種量為20 g，條播。

1. 3 霜霉病抗性鑒定

開花期在各小區隨機進行五點取樣，每點調查5株植株的葉部病害，并根據發病程度進行分級：0級，無癥狀;1級，病斑面積占該葉面積的5.00%以下;3級，病斑面積占該葉面積的6.00%～10.00%;5級，病斑面積占該葉面積的11.00%～20.00%;7級，病斑面積占該葉面積的21.00%～50.00%;9級，病斑面積占該葉面積的50.00%以上。按照以下公式計算發病葉率和病情指數。

發病葉率（%）=發病葉數/調查總葉數×100

病情指數（%）=（各級病葉數×發病級數）/（調查總樣本數×最高級值）×100

根據病情指數，將抗病性分為四大類：病情指數≤30.00為高抗（HR）;30.00<病情指數≤40.00為中抗（MR）;40.00<病情指數≤50.00為中感（MS）;病情指數>50.00為高感（HS）（盧文潔等，2017）。

1. 4 農藝性狀測定

當苦蕎籽粒70%～80%成熟時，從各小區中心隨機選取每份種質材料的10個單株，參照張宗文和林汝法（2006）的方法對株高、一級分枝數、主莖節數、生育日數和莖粗進行測定并按單株收獲。收獲后將種子進行風干，約15 d后再測定千粒重、株粒數和株粒重。

1. 5 統計分析

試驗數據采用Excel 2007進行整理。采用SPSS 22.0和R軟件進行主成分分析及聚類分析，其中，聚類分析將數據進行標準化轉換后，采用以平方Euclidean距離為遺傳距離的Ward法進行聚類。

2 結果與分析

2. 1 農藝性狀的遺傳多樣性分析結果

132份苦蕎種質材料在農藝性狀上存在豐富的遺傳變異（表2）。生育日數為80.0～88.0 d，平均為83.5 d，變異系數為3.1%;株高為96.4～175.2 cm，平均為132.3 cm，變異系數為13.0%;主莖節數為11.8～21.0節，平均為16.6節，變異系數為9.4%;一級分枝數為4.2～8.8個，平均為6.5個，變異系數為13.3%;莖粗為5.2～9.1 mm，平均為7.1 mm，變異系數為12.2%;千粒重為14.6～24.4 g，平均為20.5 g，變異系數為8.2%;株粒數為144.6～974.6粒，平均為431.2粒，變異系數為34.6%;株粒重為2.7～25.2 g，平均為8.5 g，變異系數為35.0%。綜上所述，生育日數、主莖節數和千粒重的變異系數小于10.0%，表明這3個性狀遺傳差異較小，而株粒數和株粒重的變異系數大于30.0%，表明這2個性狀的遺傳差異較大。

2. 2 農藝性狀的相關性分析結果

由表3可知，生育日數與株高和主莖節數呈極顯著正相關（P<0.01，下同），與莖粗和千粒重呈顯著正相關（P<0.05，下同）;株高與主莖節數呈極顯著正相關，與株粒重呈顯著正相關;主莖節數與莖粗呈極顯著正相關，與一級分枝數、株粒數和株粒重呈顯著正相關;莖粗與株粒重呈極顯著正相關;千粒重與株粒重呈顯著正相關;株粒數與株粒重呈極顯著正相關，且相關系數最大，為0.940。綜上所述，選育高產苦蕎品種時不僅要注重株粒重的選擇，還應注重對株粒重相關性最大的株粒數進行選擇;選育早熟苦蕎品種時應對與株粒重相關性較小的生育日數進行選擇。

2. 3 農藝性狀的主成分分析結果

由表4可知，前4個主成分對總方差的貢獻最大，累積貢獻率為79.593%。第一主成分（PC1）的特征值為2.501，貢獻率為31.260%;第二主成分（PC2）的特征值為1.675，貢獻率為20.941%;第三主成分（PC3）的特征值為1.171，貢獻率為14.637%;第四主成分（PC4）的特征值為1.020，貢獻率為12.754%。特征值<1.000的后4個主成分忽略不計，對PC1～PC4作進一步分析。

由載荷矩陣（表5）可知，生育日數、株高和莖粗是PC1的主要指標;株粒數和株粒重是PC2的主要指標;主莖節數和一級分枝數是PC3的主要指標;千粒重是PC4的主要指標。表明PC1和PC3主要與株型相關，而PC2和PC4主要與產量相關。

2. 4 農藝性狀的聚類分析結果

根據主成分分析結果，對132份苦蕎種質資源進行聚類分析，在遺傳距離為7.936處將其聚為四大類群（I～Ⅳ）（圖1）。第I類群包括38份苦蕎種質材料，其中12份為云南的種質材料，占云南種質材料總數的30.77%;26份為山西的種質材料，占山西種質材料總數的27.96%。該類群的主要特征是株高、一級分枝數、莖粗、主莖節數、株粒數和株粒重較低，千粒重較高。第Ⅱ類群包括41份苦蕎種質材料，其中4份為云南的種質材料，占云南種質材料總數的10.26%;37份為山西的種質材料，占山西種質材料總數的39.78%。該類群的主要特征是生育日數較短，株高、莖粗、株粒數和株粒重較低，一級分枝數較多，千粒重的范圍較廣。第Ⅲ類群包括27份苦蕎種質材料，其中4份為云南的種質材料，占云南種質材料總數的10.26%;23份為山西的種質材料，占山西種質材料總數的24.73%。該類群的主要特征是株高、一級分枝數、主莖節數、莖粗和千粒重均處于中等水平，株粒數和株粒重較高。第Ⅳ類群包括26份苦蕎的種質材料，其中20份為云南的種質材料，占云南種質材料總數的51.28%;6份為山西的種質材料，占山西種質材料總數的6.45%。該類群的主要特征是株高、莖粗和主莖節數較高，千粒重、一級分枝數、株粒數和株粒重均處于中等水平。綜上所述，四大類群的農藝性狀存在明顯差異，第I類群是千粒重較高的材料，第II類群是一級分枝數較多的材料，第Ⅲ類群是株粒數和株粒重較高的材料，第Ⅳ類群是株高、主莖節數和莖粗較高的材料。

2. 5 抗霜霉病苦蕎種質資源的篩選結果

由表6可知，發病葉率和病情指數在132份苦蕎種質材料間存在極顯著差異。132份苦蕎種質材料的抗霜霉病鑒定結果（表7）顯示，發病葉率為2.08%～100.00%，其中，發病葉率<50.00%的種質材料有9份（SZ-1、SZ-37、SZ-61、SZ-84、SZ-85、SZ-86、SZ-89、SZ-90和YZ-101），占供試種質材料總數的6.8%，發病葉率>50.00%的種質材料為123份，占供試材料總數的93.2%;病情指數為0.23%～91.22%，高抗（HR）材料有35份，占供試種質材料總數的26.5%，其中，病情指數<10.00%的種質材料有7份（SZ-1、SZ-37、SZ-61、SZ-84、SZ-86、SZ-89和SZ-90）;中抗（MR）材料有22份，占供試種質材料總數的16.7%;中感（MS）材料有26份，占供試種質材料總數的19.7%;高感（HR）材料有49份，占供試種質材料總數的37.1%。綜上所述，132份苦蕎種質材料中，發病葉率<50.00%、病情指數<10.00%的高抗材料共7份，分別為SZ-1、SZ-37、SZ-61、SZ-84、SZ-86、SZ-89和SZ-90。

3 討論

變異系數高于10%表明個體間差異較大（白史且等，2002;董博文等，2014）。本研究132份苦蕎種質材料的8個農藝性狀中，生育日數、主莖節數和千粒重的變異系數均低于10.0%，與李瑞國等（2007）、高金峰等（2008）研究發現生育日數、主莖節數和千粒重相對其他農藝性狀變異較小的結果一致，說明苦蕎這3個性狀較其他性狀變異小，遺傳穩定性較高;而株高、一級分枝數、莖粗、株粒數和株粒重的變異系數均高于10.0%，說明這些性狀遺傳多樣性豐富，種質間差異較大。

為了避免苦蕎雜交育種過程中親本選配的盲目性，本研究對132份苦蕎種質材料進行農藝性狀的遺傳多樣性分析及霜霉病抗性鑒定，以期篩選出抗霜霉的優質苦蕎種質資源。132份苦蕎種質材料可聚為四大類，第I類的千粒重較高，可用作改良小粒種子的親本材料;第II類的一級分枝數較多，可用作抑制雜草的蕎麥品種選育的親本材料;第Ⅲ類的株粒數和株粒重較高，可用作選育高產品種的親本材料;第Ⅳ類的株高、主莖節數和莖粗較高，可用作選育生物量較高品種的親本材料。前人研究發現，當2個性狀呈極顯著相關時，改良其中一個性狀，另一個性狀也會受到影響（侯元凱等，2011;鄭冉等，2019），尤其是2個性狀間的相關系數>0.707時，可用其中一個性狀描述另一個性狀，也可推測其變異情況（Skinner et al.，1999）。本研究結果表明，株粒數與株粒重的相關系數為0.940，呈極顯著正相關，推測改良株粒數或株粒重時改良其中一個性狀即可達到選育目標，選育效率會大幅度提高。本研究篩選出發病葉率小于50.00%、病情指數小于10.00%的高抗材料7份，可為今后的霜霉病抗病育種中選配親本材料提供科學參考。

4 結論

132份苦蕎種質資源具有豐富的遺傳多樣性。篩選出的7份高抗種質材料可用作高抗霜霉病苦蕎新品種選育的親本材料。

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（責任編輯 陳 燕）