120份谷子種質資源的農藝性狀表現和遺傳多樣性分析

趙小琴 賈瑞玲 劉軍秀 劉彥明 文殷花 師麗麗 張娟寧 馬 寧

（定西市農業科學研究院，743000，甘肅定西）

谷子（Setaria italica Beauv.）作為中國農耕文化的代表作物，具有耐貧瘠、抗旱及廣適等特性，其籽粒富含膳食纖維、維生素、酚類、活性肽和類胡蘿卜素等功能活性成分，具有抗氧化、降血糖、降血脂和降血壓的保健功能[1-2]，不僅是旱作生態農業的理想栽培作物之一[3]，而且是獨特的“食藥兩用”營養優勢作物。我國谷子的優勢產區主要在內蒙古東部、河北及山西大部、陜西北部、甘肅東部和寧夏中部等地，種植面積常年穩定在133萬hm2左右[4]，約占世界的90%以上；此外，谷子的秸稈和籽粒具有其他谷類不具備的飼用價值優勢[5]，常作為優質飼草在農牧交接地區廣泛種植。近年來，谷子作為低耗水肥的環境友好型作物，迅速發展成為抗旱、耐逆及C4光合途徑研究的模式作物[6-7]。

新石器時代谷子逐漸成為我國主栽作物[8]，陜西、山西及甘肅東部一帶是其栽培品種的起源中心[9]，經過長期的自然選擇、人工馴化和外擴傳播，形成了遍及世界各地的豐富遺傳資源。谷子種質資源作為種質創新和遺傳改良的物質基礎，摸清其遺傳本底是谷子育種突破的關鍵[10]。目前，利用形態性狀[11]、品質性狀[9,12]、細胞學標記[13]和分子標記[14]等手段，開展了谷子種質的遺傳多樣性、抗旱抗病性鑒定評價與篩選優異種質研究[15-16]。隨著分子生物學技術的發展，也相繼開展了谷子的抗銹病基因鑒定、分蘗相關QTL定位、耐旱性miRNAs分析及QTL發掘等工作[17-19]。這些工作的開展對谷子種質資源科學認識和優異種質挖掘具有實際意義。

谷子是對光溫反應敏感作物[20]，不同生態區綜合農藝性狀鑒定缺乏，將影響谷子種質的高效利用。開展不同環境下谷子種質表型精準鑒定，為充分挖掘種質潛力及品種改良奠定基礎[21-23]。本研究以120份從中國農業科學院引進的谷子種質資源為材料，對其21個表型性狀進行遺傳多樣性、相關性和聚類分析，為谷子資源遺傳改良與品種選育提供材料基礎和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為中國農業科學院作物科學研究所提供的谷子核心種質資源120份，編號G1～G120（表 1）。

表1 供試的120份谷子種質Table 1 The 120 millet germplasm resources tested in the study

1.2 試驗地概況

試驗于2020-2021年在甘肅省定西市農業科學研究院科技創新試驗地（104°42′E，35°32′N）進行，海拔1920m。日照時數2437.7h，年均氣溫6.4℃，無霜期140d，年均降水量400mm。試驗采用順序排列，不設重復，每份材料種植2行，行長3m，理論留苗密度為37.5萬株/hm2，2020-2021年谷子生育期間平均氣溫和降水量未發生異?，F象（圖1）。

圖1 谷子種質生育期間降水量及氣溫狀況Fig.1 Precipitation and temperature during the growth and development of foxtail millet

1.3 試驗方法

播種后，在生育期記載出苗期和成熟期，并計算生育期（出苗至成熟的天數），田間調查幼苗8個質量性狀，具體見表2。在成熟期，每個重復隨機選10株，收獲樣株，室內調查株高、主莖長、穗長、穗粗、單株穗重、單株粒重、單株粒數、千粒重和谷粒色，并計算主穗粒數和出谷率[24]。性狀調查依據《谷子種質資源描述規范和數據標準》[25]。為便于統計，對8個質量性狀分別賦值[27]。

表2 谷子種質資源8個質量性狀的描述標準Table 2 Description standard on eight quality traits of millet germplasm resources

1.4 數據處理

利用Microsoft Excel 2007對試驗數據進行整理，計算各個性狀的變異系數和遺傳多樣性指數（H′），采用Shannon’s遺傳多樣性指數進行描述和評價遺傳多樣性指數，其計算公式為：H′=-ΣPi×lnPi，式中，Pi為某性狀第i個級別的出現頻率。利用R-3.6.3對表型數據進行主成分、相關性及聚類分析。

2 結果與分析

2.1 谷子種質的變異分析及表型多樣性分析

120份谷子種質8個質量性狀的H′范圍為0.32～1.26，變異系數范圍為 23.99%～58.20%（表 3）；幼苗葉色以綠色為主（頻數為0.908），葉鞘色以綠色為主（頻數為0.725），幼苗葉姿以半上舉和平展為主（頻數分別為0.416和0.425），開花期葉姿以半上舉和下披為主（頻數分別為0.391和0.383），穗頸形狀以彎曲和勾形為主（頻數分別為0.384和0.475），穗形以紡錘形為主（頻數為0.317），穗松緊度以中和緊為主（頻數分別為0.464和0.383），谷粒色以黃色為主（頻數為0.716），表明供試材料的質量性狀變異豐富。

表3 參試材料8個質量性狀的遺傳變異及遺傳多樣性Table 3 Genetic variation and diversity of eight quality traits in tested materials

120份谷子的13個數量性狀的H′范圍為0.63～2.02，變異系數范圍為7.64%～64.12%（表4）。其中，單株干草重、分蘗粒重和分蘗穗重變異系數均高于60%，分別為64.12%、62.83%和62.51%，說明植株分蘗相關性狀在當地生態環境條件下表現出更高的變異性，進行飼草型谷子遺傳改良的潛力較大；主穗長、主穗重、主穗粒重和主穗粒數變異系數分別為47.03%、32.75%、36.96%和34.10%，說明與籽粒產量相關性狀表現出較高的變異性；株高、主莖長、主穗粗、千粒重和出谷率的變異系數在11.55%～18.74%，生育期的變異系數低于10%。以上結果表明，120份谷子種質資源性狀差異較大，具有豐富的遺傳多樣性。

表4 參試材料13個數量性狀的變異分析及遺傳多樣性分析Table 4 Genetic variation and diversity analysis of 13 quantitative traits in tested materials

2.2 谷子種質資源21個表型性狀的相關性分析

120份種質資源21個表型性狀相關性分析結果（表5）表明，大部分性狀之間存在極顯著（P＜0.01）或顯著（P＜0.05）相關性，其中生育期與籽粒產量相關的因素均呈負相關，與單株干草重呈極顯著正相關，這與谷子生長期間當地氣候條件有關；主穗重與主穗粒重、主穗粒數及出谷率呈極顯著正相關，與分蘗穗重、分蘗粒重及單株干草重呈極顯著負相關；單株干草重與主穗重、主穗粒重及千粒重呈極顯著負相關，與生育期、分蘗穗重及分蘗粒重呈極顯著正相關。分析結果反映各表型性狀間既相互獨立又相互影響、相互制約的關系。

表5 谷子種質資源各性狀的相關性Table 5 The correlation between the traits of millet germplasm resources

2.3 谷子種質資源農藝性狀的主成分分析

對120份谷子種質資源的21個表型性狀進行主成分分析（表6），遵循主成分累計貢獻率≥80%的原則，前10個主成分累計貢獻率達81.777%，包含了質量性狀和數量性狀的絕大部分信息，可作為谷子表型性狀評價的綜合指標。

由表6可知，第1主成分貢獻率為21.600%，主穗粒重、主穗重和主穗粒數特征向量絕對值較高，因此第1主成分為主穗產量因子；第2主成分貢獻率為12.544%，分蘗粒重和分蘗穗重特征向量絕對值較高，因此稱第2主成分為分蘗產量因子；第3主成分貢獻率為9.227%，株高和主莖長特征向量絕對值較高，因此稱第3主成分為株高構成因子；第4主成分貢獻率為8.217%，葉鞘色、幼苗葉色和谷粒色特征向量絕對值較高，因此稱第4主成分為葉鞘色因子；第5主成分貢獻率為6.411%，千粒重特征向量絕對值較高，因此稱第5主成分為千粒重因子；第6主成分貢獻率為5.701%，穗姿、主穗長和開花期葉姿特征向量絕對值較高，因此稱第6主成分為穗姿因子；第7主成分貢獻率為5.306%，幼苗葉姿特征向量絕對值較高，因此稱第7主成分為幼苗葉姿因子；第8主成分貢獻率為4.552%，穗松緊度特征向量絕對值最高，因此稱第8主成分為穗松緊度因子；第9主成分貢獻率為4.322%，谷粒色特征向量絕對值較高，因此稱第9主成分為谷粒色因子；第10主成分貢獻率為3.897%，穗形特征向量絕對值較高，因此稱第10主成分為穗形因子。

表6 谷子種質資源主要農藝性狀的主成分分析Table 6 Principal component analysis of main agronomic traits of millet germplasm resources

2.4 谷子種質資源21個表型性狀的聚類及類群特征

對21個表型性狀進行聚類分析（圖2），將120份谷子種質資源劃分為6大類，同時對6個類群谷子種質資源表型性狀進行統計（表7）。類群I包括17份材料，其主要特征為株高、主莖長、主莖粒重和主穗粗最大，出谷率最高，為高稈、高產谷子優異種質，可作為選育高產品種的親本材料。類群Ⅱ包括22份材料，其主要特征為生育期最短，分蘗穗重、分蘗粒重和單株干草重最小，屬于早熟、少分蘗特異種質材料。類群Ⅲ包括21份材料，其主要特征為主穗長、主穗粗、主莖穗重和主莖粒重最小，分蘗穗重、分蘗粒重和單株干草重最大，為多穗、多分蘗特異種質材料，可作為飼草谷子選育親本材料。類群Ⅳ包括16份材料，其主要特征為株高較矮，主莖長較小，主穗長較大，屬于矮稈、長穗特異種質材料，可作為選育抗倒伏品種親本。類群Ⅴ包括17份材料，其主要特征為株高較高、主穗重、千粒重和出谷率較高，屬于具有增產潛力種質材料。類群Ⅵ包括27份材料，其主要特征為生育期最長，千粒重最大，屬于晚熟、大粒特異種質材料。

圖2 谷子種質資源聚類圖Fig.2 Clustering dendrogram of millet germplasm resources

表7 6個谷子類群表型性狀的平均值及特征Table 7 Average and traits of phenotypic traits in six millet germplasm groups

2.5 優異谷子種質的篩選

綜合考慮120份谷子種質資源各農藝性狀表現，并從早熟、高產和單株干草重均高的3個方面考慮，篩選出11份優異谷子種質資源（表8）。

表8 優異谷子種質篩選Table 8 Screening of excellent germplasms of millet resources

早熟材料4份，分別為78-0625（G27）、早谷（G34）、昆昌谷（G67）和黃沙突出谷（G68），生育期均小于125d（平均生育期120d）。其中，G68屬于類群Ⅲ，株高中等（149.67cm），莖長中等（125.00cm），主穗長中等（23.67cm），主穗粗中等（2.50cm），單株穗重中等（45.00g），單株粒重中等（36.67g），千粒重中等（2.95g），單株草重較高（93.33g），出谷率較高（81%），可作為選育早熟材料的親本。

高產材料3份，分別為338A（G4）、中牟一保谷（G23）和金德（G66），單株穗重均大于60.00g（平均穗重71.00g）。3份材料均屬于類群Ⅱ。其中，G23株高中等（141.00cm），莖長中等（126.00cm），主穗長偏?。?7.67cm），主穗粗偏?。?.67cm），單株穗重較高（83.33g），單株粒重較高（63.33g），千粒重偏小（2.70g），單株草重較高（213.33g），出谷率中等（75%），可作為選育高產材料的親本。

單株干草重較高材料4份，分別為公谷68號（G1）、延谷13號（G31）、大洋谷（G106）和紅酒谷（G113），單株干草重均大于100.00g（平均107.50g）。4份材料均屬于類群Ⅵ。其中，G1株高中等（154.33cm），莖長中等（127.67cm），主穗長中等（24.00cm），主穗粗中等（2.50cm），單株穗重中等（60.33g），單株粒重中等（43.33g），千粒重偏小（2.40g），單株干草重較高（160.00g），出谷率中等（70%），可作為選育飼草材料的親本。

3 討論

種質資源是品種遺傳改良的基礎，形態學標記是鑒定種質資源遺傳變異最簡單直觀的方法，在遺傳多樣性研究及育種材料的選擇中有著重要作用[27]。王海崗等[11]對878份谷子核心種質的15個農藝性狀進行形態標記分析，篩選出8個性狀作為谷子種質評價指標，其中葉鞘色、株高、穗長、穗粒重和粒色在本研究中作為鑒定種質資源的主要指標。對21個性狀進行調查，將主莖與分蘗分別標記，這與王曉娟等[28]以單株分析有所不同；遺傳多樣性結果表明，除穗形和主穗長多樣性指數外，質量性狀H′低于數量性狀，這與前人在谷子[29]和苦蕎[30]中的研究結果相一致；13個數量性狀的遺傳變異范圍7.64%～64.12%，其中以單株干草重、分蘗穗重和分蘗粒重的變異系數最高，依次為64.12%、62.83%和 62.51%；H′范圍為 0.63～2.02，其中以主穗重和主穗粒重H′最高，為2.02，其他性狀也表現出較高的變異系數和H′，表明谷子種質遺傳基礎較廣，存在豐富的遺傳變異[31]；120份材料在同一生態種植條件下，不同性狀在不同材料間表現出不同程度的多樣性，充分說明種質資源間的遺傳多樣性[30-32]，可以為谷子品種改良提供豐富的親本材料。

在21個表型性狀相關性分析中，數量性狀與質量性狀間相關系數較小，部分顯著或極顯著，而與數量性狀間的相關系數均較高，且多數顯著或極顯著，說明各性狀間緊密關聯，遺傳復雜性有待于在育種實踐中驗證；分蘗穗重與分蘗粒重、株高與主莖長之間的相關系數分別高達0.98和0.96，且達到極顯著與顯著水平，說明可以通過分蘗粒重和主莖長有效選擇分蘗穗重和株高[33]，這將大幅度提高谷子選育效率；生育期與籽粒產量構成因素均呈負相關，與單株干草重呈極顯著正相關。7-8月正值谷子抽穗灌漿期，降雨多以雷雨形式出現，水分利用率低，致使其灌漿期縮短[34]；9月陰雨天氣較多，有效積溫低，導致谷子貪青晚熟，延遲其刈割和成熟[35]，說明在甘肅干旱高寒區谷子的生育期過長是造成谷子籽粒產量減少的主要原因。

相關性分析表明，分蘗的穗重及粒重與主穗長、主穗粗及主穗重、主穗粒重呈顯著負相關，這與趙會杰等[36]和佟漢文等[37]對小麥分蘗發育、分蘗對產量貢獻研究結果一致，說明主莖對分蘗存在較強的競爭優勢，主莖主要貢獻于籽粒產量；而分蘗的穗重及粒重與單株干草重呈顯著正相關關系，表明分蘗與植株的光吸收能力、營養物質的轉運、分配密切相關，影響莖蘗間營養物質的運輸與干物質積累[38-39]，分蘗主要貢獻于植株生物產量。康晨等[40]對飼用高粱分蘗相關性狀的分析研究表明，其生物產量與籽粒產量間存在負相關，分蘗增多可提高生物產量而降低籽粒產量，與本研究結果相似；而洛桑江白[41]對15個谷子品種的籽粒產量與單株草產量的相關分析與本研究有所不同。因此，關于谷子莖蘗間同化物的轉運與分配、干物質積累未見明確報道，還需進一步探索。

本研究對120份谷子種質資源的21個表型性狀進行主成分分析，10個主成分包含了性狀的大部分信息，累計貢獻率達到81.777%，且性狀信息具有一定的相關性，其中主穗產量因子中主穗粒重和主穗粒數的特征向量大于其他農藝性狀，呂丹等[42]在苦蕎高產種質的篩選中發現株粒重和株粒數是苦蕎籽粒產量的主要因素，與本研究結果一致。為了克服以個別性狀進行分類的弊端，采用聚類分析將性狀相近的種質分為6大類群，明確了谷子種質資源的不同類型，各類群在生育期、株高、分蘗性、籽粒產量和干草產量等性狀間差異顯著，有明顯的形態學特征，根據育種目標選擇親本配制組合，為親本的合理選配及選育不同用途谷子類型提供參考依據。

4 結論

本研究通過對120份谷子種質資源農藝性狀的鑒定分析，明確飼草型谷子是甘肅干旱高寒地區谷子育種的主要方向。同時，基于當地氣候條件，根據熟性、籽粒產量和干草產量等表型篩選出78-0625、早谷、昆昌谷和黃沙突出谷等早熟材料4份，338A、中牟一保谷和金德等高產材料3份，公谷68號、延谷13號、大洋谷和紅酒谷等干草產量較高材料4份，從而為谷子品種改良和親本選擇提供理論依據。