飼用燕麥種質資源遺傳多樣性和抗性評價研究

尹祥佳 南 銘 李 晶 王劍虹 景 芳

（1蘭州職業技術學院，甘肅蘭州730070；2甘肅省定西市農業科學研究院，定西743000）

燕麥（Avena sativaL.）是一年生禾本科燕麥屬植物，全世界大約有30個燕麥屬的物種，包括5個栽培種和25個野生種，我國現有27個燕麥物種，一般分為帶稃型（皮燕麥，A.sativa）和裸粒型（裸燕麥，Avena muda）兩大類栽培種，主要表現出抗旱、耐貧瘠、耐適度鹽堿和適應性強等特性，適宜在我國高緯度、高海拔、高寒地區種植，主要分布在內蒙古、青海、甘肅、寧夏、山西、河北等省（區）[1-3]。燕麥新品種選育主要采用引進選育、系統育種、輪回選擇、品種間雜交、花藥單倍體育種等方式。裸燕麥起源于我國，有2000多年栽培史，主要用于糧食和食品加工原料，也可作為飼料；皮燕麥是營養豐富的優質牧草，莖葉、籽實、稃殼都用于優良飼料，滿足牧草產業發展和需求[4]。根據文獻和農業農村部公告，截至2020年，經全國草品種審定委員會審定登記的飼用燕麥品種14個，其中育成品種3個、引進品種10個、地方品種1個，飼用燕麥主要在青藏高原、內蒙古和甘肅等地區種植[5]。近年來，我國燕麥種植面積約66.67萬hm2（1000萬畝），產量約85萬t，占世界燕麥總產量的2.8%，居世界第8位[6]。燕麥蕎麥產業技術體系統計了2020年我國燕麥種植面積約為76.67萬hm2（1150萬畝），籽粒總產量約75.6萬t，飼草總產量約310萬t。隨著國家實施鄉村振興戰略、調整種植業結構、糧改飼等政策的實施，飼用燕麥具有良好的應用前景[7]。因此，本文從飼用燕麥種質資源遺傳多樣性、抗旱性、抗病性、耐鹽性等方面進行分析，為飼用燕麥種質資源保存、研究和品種選育提供參考。

1 飼用燕麥種質資源遺傳多樣性分析

1.1 農藝性狀的遺傳多樣性分析我國燕麥品種選育、生產和應用與國外品種的引進有密切關系。目前，主要通過農藝性狀和DNA分子標記分析種質資源遺傳多樣性，作為種質資源收集、保存和研究的基礎工作。我國有燕麥種質資源5282份，居世界第5位，除直接應用于生產外，還作為育種和科研材料[8]。燕麥育種家已將燕麥種質資源農藝性狀遺傳多樣性分析應用于育種材料遺傳改良。王娟等[9]對來自國內39份皮燕麥和裸燕麥種質資源進行田間調查和收獲考種，對粒色、粒形、株型、葉相、穗型、小穗型、皮（裸）性等7個質量性狀和單株分蘗數、小穗數、株高、穗長、輪層數、單株粒數、單株粒重、千粒重等8個數量性狀進行遺傳多樣性分析。研究得出了粒形的遺傳多樣性指數最高，皮（裸）性遺傳多樣性指數最低，在提高燕麥育種水平、創新燕麥種質方面有較大的潛力，并通過聚類分析將39份燕麥的8個數量性狀分為5個類群，類群Ⅰ可作為選育大粒型燕麥親本；類群Ⅱ為高稈皮裸燕麥品種育種親本；類群Ⅲ均為裸燕麥，材料有益性狀不明顯；類群Ⅳ可作為選育大粒型皮裸燕麥材料，類群Ⅴ均為晚熟皮燕麥，可作為增加輪層數和小穗數以及抗倒伏育種材料。王建麗等[10]將31份國內和20份國外燕麥材料在哈爾濱地區種植，通過4個質量性狀和9個數量性狀對51份燕麥種質資源進行遺傳多樣性分析，得出了粒色和主穗長的遺傳多樣性指數最高。對9個數量性狀進行聚類分析，把51份燕麥分為4個類群，類群Ⅰ中包括了大部分國外引進品種；類群Ⅱ以皮燕麥為主，可作為選育矮稈皮燕麥的優良親本；類群Ⅲ為選育高稈、增加分蘗數育種親本；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、多小穗數等皮燕麥親本。雷雄等[11]研究了川西北地區引進的包括美國國家種質資源庫的50份國內外燕麥種質資源遺傳多樣性，對11個質量性狀和16個數量性狀進行了形態多樣性指數分析，得出絕大部分材料以皮燕麥為主，燕麥主穗長、種子形狀、芒有無、芒曲度以及籽粒顏色有較高的遺傳多樣性。將50份材料劃分為4個類群，類群Ⅰ屬于早熟材料，植株高大、單株鮮草產量高、莖節數多、旗葉長、小穗多、莖稈粗壯、分蘗較少；類群Ⅱ為中晚熟種質資源，基本涵蓋了所有地理來源供試種質材料，植株相對較矮、草產量低、分蘗較少；類群Ⅲ屬于中熟材料，植株分蘗能力強、單株草產量高、種子千粒重高、莖稈較細；類群Ⅳ屬于晚熟材料，植株莖稈粗壯、小穗較多，但是單株草產量和分蘗能力一般，種子較小、莖節數少。通過農藝性狀調查可以直觀得到燕麥表型性狀及區域適應能力，但在試驗過程中極易受到外界生物或非生物因素影響，反映種質資源遺傳信息有限，可能導致聚類分析出現偏差。因此，通過開展DNA分子標記進行燕麥遺傳多樣性分析，能夠準確挖掘種質資源育種潛力。

1.2 DNA分子標記遺傳多樣性分析目前主要應用AFLP、SSR、ISSR、SRAP和SCoT等標記進行燕麥遺傳多樣性分析，能夠有效彌補常規農藝性狀調查不足，具有高通量、針對性和高效性。田長葉等[12]應用AFLP標記對張家口地區9個燕麥栽培種和1個四倍體野生種進行了聚類分析，將材料分為兩類，1個栽培種與野燕麥親緣關系最近，推測張家口地區燕麥栽培品種可能是四倍體和六倍體間雜交育種。白曉雷等[13]應用SSR和SRAP分子標記研究了25份赤峰地區和10份國家種質資源庫的皮燕麥遺傳多樣性，將35份材料分為4個類群，赤峰地區皮燕麥資源具有豐富的遺傳多樣性，兩種分子標記結合使用，能全面地分析育種材料遺傳多樣性。余青青等[14]應用ISSR標記對貴州引種的甘早（甘肅山丹）、Baler（加拿大）、加燕2號（加拿大）、青海白燕麥（青海）、Hay Wire（加拿大）、青引2號（青海）、甜燕2號（加拿大）等7個燕麥品種進行遺傳多樣性分析，劃分為4類，第Ⅰ類為甘早；第Ⅱ類為加燕2號、Hay Wire、青引2號、甜燕2號；第Ⅲ類為Baler；第Ⅳ類為青海白燕麥，通過遺傳距離能夠指導燕麥雜交育種和品種改良。劉歡等[15]用ISSR標記對來自中國、加拿大、美國和歐洲等國家的42個飼用燕麥品種和6個裸燕麥品種進行遺傳多樣性分析，將48份材料劃分為5個類群，前4大類群均為皮燕麥品種，而第5類群包括全部裸燕麥品種，呈現出一定的地域性分布規律。李進等[16]首次應用目標起始密碼子多態性標記（SCoT）將36個飼用燕麥（7個國內選育品種、1個地方品種和國外引進的28個品種）劃分為4個類群，第Ⅰ類群由丹麥444和青燕1號組成；第Ⅱ類群包含30個品種；第Ⅲ類群有青引2號、青莜3號和阿壩燕麥3個品種，均為國內審定登記品種；第Ⅳ類為俄羅斯的蘇聯燕麥。因此，燕麥種質資源收集與評價是育種工作的基礎，應用DNA分子標記分析種質資源的遺傳多樣性，明晰品種間的親緣關系，對種質資源收集、鑒定及指導燕麥育種具有重要的意義。

2 飼用燕麥抗性評價

2.1 抗旱性分析燕麥在生長過程中不可避免的受到干旱脅迫的嚴重影響。飼用燕麥抗旱研究主要有干旱脅迫下的種子萌發、幼苗抗旱生理特性、品種抗旱性篩選和產量及干物質積累與分配規律等4個方面。王瑾等[17]用15%PEG水溶液模擬干旱脅迫，研究了10個飼用燕麥品種種子萌發期抗旱性，通過測定發芽勢、發芽率、發芽指數、根長、芽長、根冠比等指標，抗旱性較強的是槍手、夢龍、燕王、甜燕一號和貝勒。連東等[18]選用科爾沁沙地種植的10個飼用燕麥品種，種子萌發期采用15%PEG模擬干旱脅迫，測定苗期葉片的可溶性蛋白、可溶性糖、游離脯氨酸等滲透調節物質含量，SOD、POD、CAT等抗氧化酶活性，相對電導率和含水量等指標，抗旱能力較強的有槍手、貝勒、夢龍、牧馬人。劉彥明等[19-20]在甘肅中部干旱和半干旱區篩選旱作燕麥品種，皮燕麥定燕2號、白燕14號可以作為種子和飼草；遠雜2號和白燕15號適合粗飼料加工；壩攸13號和冀張燕4號生育期適中，抗旱性強，產量穩定，品質優良；白燕2號、壩燕6號、魁北克燕麥和白燕19號等4個飼草燕麥適宜在干旱和半干旱區種植。張久盤等[21]在寧夏南部干旱山區進行了7個燕麥品種的抗旱性鑒定，通過抗旱系數、干旱敏感指數和抗旱指數等指標，篩選出燕科1號、壩攸8號、寧攸1號和本德等4個抗旱性品種。劉凱強等[22]研究了不同干旱脅迫處理下的青燕1號各器官干物質積累與分配及產量因子變化規律，得出了單序籽粒重、穗粒數、百粒重是影響產量的重要因子，也是篩選抗旱品種的參考指標。因此，如何在干旱脅迫下保持燕麥品種較高產量是重要的抗旱性篩選原則，飼用燕麥品種還要考慮種子和飼草產量。選育抗旱飼用燕麥品種必須對各類材料在旱作區進行抗旱性鑒定和引種試驗，進一步選育抗旱性品種和育種材料。

2.2 抗病性分析病害在我國多地燕麥種植區普遍發生，直接影響燕麥生產和飼草產業發展。相關文獻報道了國內外燕麥3大類病害33種，包括由40種真菌引發的25種真菌病害，6種細菌引發的4種細菌性病害和5種病毒引發的4種病毒病害[23]，因此，燕麥種質資源的抗病性鑒定是選育抗病品種的前提。趙峰等[24]采用田間自然感病法對213份燕麥種質（皮燕麥139份，裸燕麥74份）進行了白粉病抗性評價，裸燕麥僅有330和保羅表現中抗；10份皮燕麥青永久系列種質材料表現高抗，8份表現中抗，說明青永久系列材料可能存在抗白粉病基因。周天旺等[25]對22份皮燕麥和16份裸燕麥進行了抗堅黑穗病鑒定，22份皮燕麥中有10份材料表現為免疫，6份材料高抗，表現抗的材料有4份，中感材料有2份；16份裸燕麥中有7份材料表現為免疫，3份材料高抗，表現抗的材料有2份，中感材料有4份。因此，燕麥品種表現的抗病性是由主效抗病基因所控制的，燕麥抗病性鑒定還要更好的借助分子育種技術輔助育種，以及高密度SNP標記的全基因組關聯分析，找到QTL位點，定位抗病性狀染色體區域，進一步挖掘抗病基因，為豐富抗病燕麥種質奠定基礎。

2.3 耐鹽性分析鹽脅迫嚴重影響作物生長發育，是導致產量和品質下降的主要非生物逆境因素之一。燕麥耐鹽性研究主要有鹽脅迫下萌發期和苗期生理指標綜合性評價，耐鹽相關基因克隆和差異蛋白組學等方面。陳新等[26]用1.2%NaCl水溶液鹽脅迫，研究了35份國外和243份國內裸燕麥萌發期的耐鹽性，有17份高耐鹽材料，發芽率可作為裸燕麥萌發期耐鹽性快速篩選指標。賴弟利等[27]選用相對存活率、相對根數、相對苗高和相對根長作為燕麥幼苗耐鹽指標，研究了6個燕麥栽培品種幼苗耐鹽性與生理生化指標的關系，過氧化物酶活性和葉綠素含量與耐鹽指標間存在顯著正相關；千粒重與耐鹽指標過氧化物酶及葉綠素含量之間存在顯著負相關關系；丙二醛、可溶性糖、脯氨酸含量與耐鹽指標間存在顯著負相關。張勝博等[28]以燕麥VAO-9為材料，通過RT-PCR克隆燕麥NAC轉錄因子家族AsNAC1基因，進行生物信息學分析，用農桿菌介導法轉化擬南芥進行功能基因驗證，能夠有效提高擬南芥的抗鹽脅迫能力，判斷AsNAC1基因為耐鹽相關基因。陳曉晶等[29]對白燕5號進行了6d的鹽脅迫處理，通過測定對照材料與鹽脅迫材料葉片的MDA含量，SOD、POD活性和游離脯氨酸含量，結果表明鹽脅迫下燕麥葉片Pro含量增加來維持細胞滲透平衡。用Label-Free技術分析葉片差異表達蛋白，鑒定了76個差異蛋白，有9個與分子伴侶相關，4個與蛋白質周轉相關，2個與蛋白質翻譯后修飾相關。9個分子伴侶相關蛋白均屬熱激蛋白，鹽脅迫條件下有8個上調，可能是通過合成熱激蛋白來應對高鹽脅迫造成的傷害。

3 展望

常規育種依賴表型數據，而分子育種則側重于基因型數據。通過飼用燕麥種質資源遺傳多樣性和抗性評價，進一步構建表型和基因型關聯是實現精準育種的有效方法。選育優良的飼用燕麥品種必須加強國外種質資源的引進和國內各育種及研究單位的種質資源交流與協作，將分子育種技術融入常規種質資源研究和育種體系。應用分子育種技術加強燕麥種質資源的遺傳多樣性研究，充分掌握燕麥種質資源的基礎信息；利用NGS測序技術開發燕麥高密度SNP分子標記，構建燕麥遺傳連鎖圖譜，重要性狀QTL定位以及全基因組關聯分析；加強基因組選擇育種，直接對重要目標性狀進行分子水平的選擇；加強燕麥基因工程育種研究，建立高通量的遺傳轉化平臺，探索基因編輯技術的應用。選育或引進優質燕麥品種應用于糧食生產、草牧業和糧改飼，貢獻旱作農業發展，服務鄉村振興戰略。