名優(yōu)谷子晉谷21 號雜交群體米色與主要農(nóng)藝性狀相關(guān)性分析

馬貴芳 ，王宇杰 ，韓尚玲 ，韓淵懷 ，2，李紅英 ，2，侯思宇 ，2

（1.山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，山西太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)生物工程研究所，山西太谷030801）

谷子（Setaria italica）為單子葉植物綱禾本科狗尾草屬，其去殼之后被稱為小米[1-2]。谷子是世界上古老的農(nóng)作物之一[3]，主要分布在亞洲和歐洲北部[4-5]，具有抗旱、耐瘠、生育期短等特點，是我國北方干旱半干旱地區(qū)的重要農(nóng)作物之一[6]。谷子富含蛋白質(zhì)、脂肪、糖類、維生素等多種功能營養(yǎng)成分，具有較高的營養(yǎng)價值[7]。同時，谷子具有清熱解渴滋陰補腎、調(diào)理腸胃的功效，長期食用可降低患糖尿病的風險[8]。小米的米色直接反映谷子的質(zhì)量，是消費者選購小米的重要標準。相關(guān)研究表明，不同米色谷子品種，其營養(yǎng)品質(zhì)差異明顯，小米的米色與其蒸煮后米飯的色澤、香味、適口性呈極顯著正相關(guān)，即米色越黃，米飯的香味、色澤、適口性越好[9]，則市場消費者就有購買的偏好，所以米色不僅能影響消費者的直觀選擇，還是評價小米品質(zhì)的重要準則[10]。近年來，在谷子品質(zhì)相關(guān)研究中，小米米色形成的機制成為當前谷子育種的熱點，而加大這方面的研究將有利于進一步提升谷子的品質(zhì)，推動谷子新種質(zhì)的選育及帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

前期研究表明，米色b 值與小米籽粒黃色呈顯著正相關(guān)，b 值成為考量米色偏黃的重要指標，即米色b 值越大則米粒顏色越金黃潤澤，其外觀品質(zhì)越好[11]。目前，國內(nèi)外對于谷子農(nóng)藝性狀的分析主要集中在產(chǎn)量性狀上[12-13]，對于米色及其與其他農(nóng)藝性狀關(guān)聯(lián)分析的研究幾乎為空白。

本研究通過色差儀（美國 Xrite VS450）[14]對109 個單株進行米色測定，擬通過關(guān)聯(lián)分析解析雜交群體中米色與多個重要的農(nóng)藝性狀之間的關(guān)系，從而推斷影響米色品質(zhì)性狀的主要因素，旨在為將來通過雜交育種提高谷子米色品質(zhì)奠定一定理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試所有雜交親本及晉谷21 號×GBS 雜交組合產(chǎn)生的F2群體種子均由山西農(nóng)業(yè)大學農(nóng)業(yè)生物工程研究所提供（以晉谷21 號為雜交父本、GBS 為雜交母本）。

1.2 試驗設(shè)計

供試材料在山西農(nóng)業(yè)大學申奉地區(qū)試驗站種植。該地區(qū)位于山西省晉中市太谷縣（112.615°E，37.438°N）。播種方式為人工條播，試驗田規(guī)格為行長2.0 m、株距0.2 m、行距0.3 m，F(xiàn)1收獲的每個單穗的籽粒種植在同一試驗田內(nèi)，每隔50 行種植親本作為保護行。

1.3 調(diào)查項目及方法

于播種之日起，對其整個生長期進行觀察。待抽穗完全后，在每行隨機選取3 株長勢均一的健康植株，調(diào)查株高、穗長、第三節(jié)間粗、第四節(jié)間粗、主莖節(jié)數(shù)、倒一葉寬、倒二葉寬、倒三葉寬、穗下節(jié)間長等9 個田間農(nóng)藝性狀。

收獲完全成熟谷穗，適當風干后，測定單株穗質(zhì)量、單株粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量等產(chǎn)量性狀。其中，千粒質(zhì)量測定使用數(shù)粒儀隨機數(shù)取1 000 粒風干種子，并稱其質(zhì)量（精確到0.01 g）。并且對種子脫米前后單位容積的質(zhì)量進行稱量（精確到0.01 g）。

待田間農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀測量完畢后，運用色差儀進行米色分析。色差儀參數(shù)中，以L 值表示顏色的明度、a 值表示顏色的綠紅值、b 值表示顏色的藍黃值。在試驗中事先設(shè)定容差范圍，通過判斷不同顏色的L、a、b 值是否在容差范圍內(nèi)，進而判斷樣品品質(zhì)是否合格。在色差儀的工作原理中，b 值大表示偏黃，b 值小表示偏藍。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗測定并收集了109 個單株的谷子F2雜交群體的12 個農(nóng)藝性狀和3 個米色品質(zhì)相關(guān)性狀。數(shù)據(jù)采用Microsoft Office Excel 2016 進行后續(xù)分析；采用SPSS 20.0 軟件的分析工具欄執(zhí)行雙變量分析，選擇Pearson 相關(guān)系數(shù)對數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析；主成分分析以品種為固定因子，其他農(nóng)藝性狀為變量，選擇數(shù)據(jù)降維進行因子分析得到相關(guān)變量矩陣，利用R 語言ggplot 包繪制載荷散點二維圖；并針對與b 值有顯著影響的因子提取進行回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 F2 雜交群體主要農(nóng)藝性狀一般描述性統(tǒng)計

對晉谷21 號×GBS 雜交群體 F2進行農(nóng)藝性狀及產(chǎn)量性狀調(diào)查統(tǒng)計，結(jié)果表明（表1），株高極大值為195.17 cm，極小值為102.67 cm；穗長極大值為35.00 cm，極小值為15.17 cm；第三節(jié)間粗與第四節(jié)間粗極大值分別為8.68、8.75 mm，極小值分別為4.26、4.35 mm，這2 個性狀之間的差異并不明顯；節(jié)間數(shù)極大值為15 個，極小值為8 個；倒一葉寬、倒二葉寬和倒三葉寬的最大值分別為38.73、40.22、37.19 mm，最小值分別為 15.46、19.40、19.99 mm，這幾個性狀的極差顯著且不同性狀之間差異較大；穗下節(jié)間長的極差為20.60 cm，相對較大；同時，單株穗質(zhì)量（36.16 g）和單株粒質(zhì)量（32.09 g）的極差也相對較大；千粒質(zhì)量、脫米前單位容重和脫米后單位容重這幾個性狀的極差較小，差異不明顯。所測量的農(nóng)藝性狀變異系數(shù)從大到小的順序是穗下節(jié)間長（29.4%）＞脫米后單位容重（22.0%）＞千粒質(zhì)量（21.6%）＞脫米前單位容重（17.6%）＞單株粒質(zhì)量（16.4%）＞單株穗質(zhì)量（14.1%）＞倒一葉寬（13.4%）＞穗長（13.2%）＞第三節(jié)間粗（12.2%）＞倒三葉寬（11.9%）＞節(jié)間數(shù)（11.5%）＞第四節(jié)間粗（11.4%）＞株高（11.3%）＞倒二葉寬（11.1%）＞b 值（10.1%）。大部分性狀的變異系數(shù)相對較小，變異范圍均小于20%，但穗下節(jié)間長、脫米后單位容重和千粒質(zhì)量這3 個性狀的變異范圍較大，均大于20%。

表1 主要農(nóng)藝性狀及米色b 值的統(tǒng)計分析

2.2 F2 雜交群體主要農(nóng)藝性狀間及其與米色值間的相關(guān)性分析

前期研究表明，田間性狀與產(chǎn)量性狀之間具有一定的相關(guān)性，而米色與農(nóng)藝性狀之間的相關(guān)性目前尚不清楚，為了進一步明確其關(guān)系，本研究對米色與田間性狀及產(chǎn)量性狀進行Pearson 相關(guān)性分析，其結(jié)果列于表2。

表2 谷子 F2 雜交群體田間農(nóng)藝性狀與米色b 值之間的相關(guān)性分析

從表2 可以看出，谷子主要農(nóng)藝性狀之間存在一定的相關(guān)性，其中，株高與節(jié)間數(shù)（r＝0.467，P＜0.01）、穗長與第三節(jié)間粗（r＝0.531，P＜0.01）和第四節(jié)間粗（r＝0.549，P＜0.01）、穗長與節(jié)間數(shù)（r＝0.414，P＜0.01）、節(jié)間數(shù)與倒一葉寬（r＝0.246，P＜0.01）之間存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系；大部分田間農(nóng)藝性狀和b 值之間呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)的絕對值極小，為弱相關(guān)或不相關(guān)。

表3 產(chǎn)量性狀與米色b 值之間的相關(guān)性分析

由表3 可知，谷子的產(chǎn)量性狀之間也存在一定的相關(guān)性，其中，單株穗質(zhì)量與脫米前單位容重（r＝-0.238，P＜0.01） 和脫米后單位容重（r＝-0.211，P＜0.01）之間均存在極顯著的負相關(guān)關(guān)系；單株穗質(zhì)量與單株粒質(zhì)量（r＝0.970，P＜0.01）、脫米前單位容重與脫米后單位容重（r＝0.902，P＜0.01）、脫米后單位容重與 b 值（r＝0.254，P＜0.01）之間均呈極顯著正相關(guān)。

2.3 F2 雜交群體主要農(nóng)藝性狀與米色值主成分分析

主成分分析法是在基本不損失原有信息的前提下，把原來的多個有一定關(guān)系的變量經(jīng)過一定的數(shù)學處理轉(zhuǎn)換成新的互相不相關(guān)或相關(guān)性很低的幾個綜合變量，然后再對這些綜合變量進行分析[15]。為了更加充分地表達米色與農(nóng)藝性狀之間的關(guān)系，本研究對F2雜交群體的12 個田間農(nóng)藝性狀以及與米色品質(zhì)相關(guān)的3 個性狀進行主成分分析，其結(jié)果列于表4。

從表4 可以看出，前9 個主成分的貢獻率分別為 27.696%、15.774%、11.965%、9.985%、8.353%、6.621%、5.393%、4.027%、3.191%，累積貢獻率達到93.004%。而二維的PCA 圖則可顯示出前2 個主成分的累計貢獻率達到43.47%，其可用來概括109 個谷子品種性狀的大部分信息。在15 個性狀中，倒一葉寬、倒二葉寬、倒三葉寬、穗長、第三節(jié)間粗、第四節(jié)間粗的特征向量值很接近，這可能是由于葉片中光合作用積累光合產(chǎn)物從源到庫、根部性狀增粗有助于營養(yǎng)吸收和運輸，從而影響穗長性狀，也可能只是由于數(shù)據(jù)上的相近使這些性狀的特征向量值接近。株高、穗下節(jié)間長、節(jié)間數(shù)、單株粒質(zhì)量和單株穗質(zhì)量在同一空間維度上，暗示株高、穗下節(jié)間長和節(jié)間數(shù)性狀與產(chǎn)量性狀之間有一定的相關(guān)性。同時，b 值、脫米前單位容重和脫米后單位容重的特征向量在一個維度上。由主成分分析得出的結(jié)果與相關(guān)性分析得出的結(jié)論是相符的。而千粒質(zhì)量單獨在一個向量維度上，暗示該性狀可能受到其他農(nóng)藝性狀的影響較小，或者影響因子較為復雜（圖1）。

表4 性狀的主成分分析

2.4 F2 雜交群體米色值與相關(guān)農(nóng)藝性狀回歸分析

表5 b 值影響因素的回歸分析

表6 b 值影響因素的逐步回歸分析

通過SPSS 軟件進行回歸分析，分析b 值與田間農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀之間的回歸關(guān)系，結(jié)果顯示（表5），脫米前單位容重對應(yīng)的P值為0.019＜0.05，脫米后單位容重對應(yīng)的P值為0.008＜0.01，故脫米前谷子的單位容重對b 值有顯著影響，脫米后的單位容重對b 值具有極顯著影響，脫米后單位容重越大，b 值越大。并且根據(jù)表6 可以得出一個回歸方程：b值＝9.124×脫米后單位容重＋29.718。

3 結(jié)論與討論

我國是小米消費大國，大部分消費者根據(jù)最直觀的視覺感受來選購小米，但有關(guān)米色的研究并不多，因此谷子品質(zhì)育種進程緩慢。前期研究發(fā)現(xiàn)，小米米色的形成是由多基因控制的，其內(nèi)在的遺傳關(guān)系十分復雜，并且特別容易被外界環(huán)境所影響[16]。趙海云等[17]對晉谷21 號的米質(zhì)與環(huán)境因素關(guān)系的研究表明，小米的品質(zhì)與種植地區(qū)的海拔、降雨量以及所施的肥料等外界因素有關(guān)，海拔越高，小米越金黃，雨水充沛的地方小米適口性更好。本研究通過對109 個谷子雜交F2單株的米色值及農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀進行分析發(fā)現(xiàn)，影響米色變化的重要性狀為谷子脫米前后的單位容重，這為深入研究谷子米色品質(zhì)形成的機制指出了新的研究方向。

變異系數(shù)可反映單位均值的離散程度，某一性狀的變異系數(shù)越大，則說明這一性狀在不同測量材料中的表現(xiàn)差異越大。本研究結(jié)果表明，變異系數(shù)大的是穗下節(jié)間長、脫米后單位容重和千粒質(zhì)量，表明這3 個性狀的遺傳差異較大，推測其可能受環(huán)境影響較大；變異系數(shù)較小的是脫米前單位容重、單株粒質(zhì)量、單株穗質(zhì)量、倒一葉寬、穗長、倒三葉寬、第三節(jié)間粗、節(jié)間數(shù)、株高、第四節(jié)間粗、倒二葉寬、b 值，其變異系數(shù)均小于20%，說明這些性狀在群體中存在較小的遺傳變異。相關(guān)性分析結(jié)果表明，田間農(nóng)藝性狀和b 值之間普遍都呈現(xiàn)出負相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)的絕對值極小，相關(guān)性不顯著。脫米后的單位容重與b 值呈極顯著正相關(guān)。前人研究表明，谷子生長發(fā)育受多種環(huán)境因素影響[18]，因此，在分析影響米色的因素時容易產(chǎn)生復雜的互作問題，以至于不同的試驗研究得出不同的結(jié)論。本研究中，選用主成分分析結(jié)合相關(guān)性分析方法，通過對F2雜交群體的14 個性狀與米色品質(zhì)相關(guān)性狀b 值進行分析，結(jié)果表明，b 值與脫米后單位容重呈顯著正相關(guān)關(guān)系。同時利用回歸分析得出，脫米后單位容重對b 值具有極顯著影響（P＜0.01），脫米后單位容重越大，b 值越大，回歸方程為：b值＝9.124×脫米后單位容重＋29.718。綜上所述，本研究初步推測谷子脫米后單位容重越高其米色越好。容重不僅是糧食檢驗中的一項重要指標，其高低可間接反映糧食質(zhì)量的好壞[19]。禾璐等[20]研究表明，小米米色越黃，則香味越濃、適口性越好。本研究也推測，谷子單位容重與小米口感或食用品質(zhì)之間存在某種關(guān)聯(lián)，但尚需進一步證實。

本試驗中所選用的親本分別為晉谷21 號和GBS，其中，晉谷21 號集優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)于一體，米色金黃透明，營養(yǎng)品質(zhì)及適口品質(zhì)優(yōu)良[21]；GBS 為谷子雄性不育系，米色較差。用GBS 與晉谷21 號雜交可能會獲得超親優(yōu)勢的雜交子代單株。本研究結(jié)果表明，在F2群體中有15 個單株的米色要高于晉谷21 號，有19 個單株米色接近晉谷21 號，其余75 個單株的米色均低于晉谷21 號。同時分析也發(fā)現(xiàn)，米色高于晉谷21 號的15 個單株的脫米后單位容重均很高，這可能是由親本晉谷21 號的脫米后單位容重與米色性狀存在遺傳連鎖所致。相反，米色測定值低于晉谷21 號的品系，其脫米后單位容重明顯較低，這可能是受雜交另一親本GBS 遺傳背景的影響。該雜交群體的表型分離，進一步揭示了脫米后單位容重與米色性狀存在遺傳連鎖的關(guān)系。該研究結(jié)果可為將來進一步改良谷子米色品質(zhì)與穩(wěn)產(chǎn)、豐產(chǎn)的谷子品種提供新的方向和思路。同時，這些米色好且農(nóng)藝性狀理想的單株可作為潛在的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)谷子新品種選育的材料來源。選育優(yōu)質(zhì)米色上佳的谷子品種，對開拓山西省小米銷售市場，推進谷子產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展具有積極的作用。