K型小麥恢復(fù)系主要農(nóng)藝性狀的相關(guān)性及聚類分析

史曉芳，逯臘虎，張 偉，張 婷，袁 凱，楊 斌，張建誠

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 小麥研究所，山西 臨汾 041000；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 棉花研究所，山西 運城 044000)

利用雜種第一代優(yōu)勢是各類作物育種共同的發(fā)展趨勢[1]。在當(dāng)前常規(guī)小麥單產(chǎn)停滯不前的情況下[2～3]，人們更寄希望于利用小麥雜種優(yōu)勢大幅度提高小麥產(chǎn)量[3～5]。小麥細胞質(zhì)雄性不育(Cytoplasmic male sterile，CMS)是小麥雜交種和雜種優(yōu)勢利用的重要工具。目前人們已經(jīng)創(chuàng)制了40余種不同細胞質(zhì)雄性不育類型[6]，在眾多的小麥不育系中，K型細胞質(zhì)雄性不育系具有農(nóng)藝性狀優(yōu)良、種子飽滿、易保持、易恢復(fù)的特點[7]，被認為是一種應(yīng)用于雜交小麥研究的理想不育類型[8]。詹克慧[9]等利用35個恢復(fù)系進行K型不育系的易恢性研究，兩年的試驗中，只有為數(shù)不多的恢復(fù)系國內(nèi)法恢復(fù)度達80%以上，說明K型不育系恢復(fù)源雖廣但恢復(fù)度高的恢復(fù)系較少[10～12]，因此，選育優(yōu)良恢復(fù)系是小麥K型不育系利用的一項重要研究工作。雜交小麥雜種優(yōu)勢利用的關(guān)鍵在于親本的選配，而優(yōu)異恢復(fù)系的選育和利用是有效配制雜交組合、實現(xiàn)雜種優(yōu)勢利用的重要條件。山西農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所雜種優(yōu)勢利用研究室擁有優(yōu)異的冬性K型不育系和豐富的恢復(fù)系資源，研究這些恢復(fù)系的遺傳基礎(chǔ)對于恢復(fù)系鑒定、改良、創(chuàng)新和指導(dǎo)雜交小麥親本組配具有重要的研究意義。

前人對于同一麥區(qū)和不同麥區(qū)的小麥品種農(nóng)藝性狀的相關(guān)性和聚類展開了相應(yīng)的研究[13～14]。袁凱等[15]對K、V、T型小麥細胞質(zhì)雄性不育系葉綠體DNA的SSR分析及RuBP羧化酶活性比較進行了研究，鄭宏遠等[16]對小麥K型不育系育性恢復(fù)基因的cDNA-AFLP 進行了分析。而對于K型小麥恢復(fù)系的農(nóng)藝性狀、聚類分析鮮見報道。故本研究利用系統(tǒng)聚類和相關(guān)分析方法對K型小麥恢復(fù)系品種(系)進行遺傳多樣性分析，探討品種間遺傳差異，旨在了解這些恢復(fù)系的遺傳背景，并合理利用，為新恢復(fù)系的選育和小麥“三系”親本雜交組配提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

小麥K型雄性不育系是由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所劉宏偉老師提供的改良系RS53A，測交所用的286個父本材料為課題組收集保存的種質(zhì)資源。郭艷萍[17]根據(jù)測交F1代自交結(jié)實率(國內(nèi)法)將品種(系)的恢復(fù)度分為5個等級：全不育，恢復(fù)度為0；高不育，恢復(fù)度0～20%；半不育，恢復(fù)度20%～50%；高可育，恢復(fù)度50%～80%；全可育，恢復(fù)度在80%以上。依據(jù)這種方法，選取測交鑒定結(jié)果恢復(fù)度在50%以上父本材料39份為研究對象，包括高可育材料35份，全可育材料5份。

表1 K型不育系測交組合的自交結(jié)實率及恢復(fù)度分級

1.2 試驗方法

試驗于2017-2018和2018-2019兩個年度在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)小麥研究所試驗地進行，土壤肥力中等，全生育期灌溉2次，田間管理措施同大田。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)，每份材料種植2行，行長2 m，行距20 cm，株距5 cm。成熟后每份材料選取10株代表性植株收獲并進行室內(nèi)考種，調(diào)查株高、穗長、單株穗數(shù)、單株粒重、單株粒數(shù)、單穗粒重、單穗粒數(shù)和千粒重8個性狀。

1.3 數(shù)據(jù)分析

以兩個年度 8個農(nóng)藝性狀的平均值作為統(tǒng)計分析的原始數(shù)據(jù)，運用excel2007和SPSS24.0軟件進行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計與分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 供試材料農(nóng)藝性狀間的變異性

為了解供試材料的農(nóng)藝性狀表現(xiàn)和變異情況，對高可育和全可育材料8個農(nóng)藝性狀基本參數(shù)進行差異顯著性分析。

2.1.1 株高 如表2平均株高高可育材料和全可育材料差異顯著，未達到極顯著水平。高可育材料變異系數(shù)比全可育材料大。

2.1.2 穗長 從表2可看出，高可育材料平均穗長為8.79 cm，全可育材料平均穗長為8.62 cm。兩者差異達顯著水平。高可育材料穗長分布在7.84～10.25 cm，全可育材料穗長分布在8.08～9.18 cm。

2.1.3 單株穗數(shù) 從表2得知，平均單株穗數(shù)高可育材料和全可育材料差異達極顯著水平。高可育材料變異系數(shù)比全可育材料小。

表2 恢復(fù)系材料8個農(nóng)藝性狀的表現(xiàn)及變異

2.1.4 單株粒重 平均單株粒重高可育材料和全可育材料差異達極顯著水平。高可育材料標(biāo)準差為4.54,全可育材料標(biāo)準差為3.28。

2.1.5 單株粒數(shù) 平均單株粒數(shù)高可育材料和全可育材料差異達極顯著水平。高可育材料變異系數(shù)小于全可育材料。

2.1.6 單株粒重 平均單株粒重高可育材料和全可育材料相同。高可育材料單株粒重最小值為1.85 g，最大值為2.85 g。全可育材料單株粒重最小值為1.74 g，最大值為2.68 g。高可育材料變異系數(shù)大于全可育材料。

2.1.7 單株粒數(shù) 平均單株粒數(shù)高可育材料和全可育材料差異達顯著水平。高可育材料單株粒數(shù)分布在40.26～59.52粒，全可育材料單株粒數(shù)分布在37.77～52.94粒。

2.1.8 千粒重 平均千粒重高可育材料和全可育材料差異未達顯著水平。高可育材料標(biāo)準差為2.06,全可育材料標(biāo)準差為1.40。

8個農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)從大到小的排列順序是：單株粒重(23.59%)﹥單株粒數(shù)(23.38%)﹥單株穗數(shù)(18.30%)﹥單穗粒重(11.69%)﹥單穗粒數(shù)(9.98%)﹥株高(7.30%)﹥穗長(6.15%)﹥千粒重(4.15%)說明39份恢復(fù)系材料在單株粒重、單株粒數(shù)、單株穗數(shù)和單穗粒重等性狀上具有較大的變異潛力。

2.2 供試材料農(nóng)藝性狀間的相關(guān)性

供試材料8個農(nóng)藝性狀間的相關(guān)性分析如表3所示，1對性狀達到了顯著正相關(guān)水平，株高與穗長呈顯著正相關(guān)，說明，當(dāng)株高增加，穗長變長。穗長與單穗粒數(shù)呈極顯著正相關(guān)，單株粒數(shù)隨穗長增加而增多。單株穗數(shù)與單株粒重、單株粒數(shù)呈極顯著正相關(guān)。單株粒重與單株粒數(shù)、單穗粒重和單穗粒數(shù)呈極顯著正相關(guān)。單株粒數(shù)與單穗粒重、單穗粒數(shù)呈極限著正相關(guān)。9對性狀達到了極顯著正相關(guān)水平，說明各個性狀之間是相互聯(lián)系，相互協(xié)調(diào)，彼此增加的關(guān)系。而株高與單株穗數(shù)、千粒重呈不顯著負相關(guān)，說明株高增加單株穗數(shù)和千粒重會降低,有制約的關(guān)系。因此，在合理利用K型恢復(fù)系種質(zhì)資源、親本選配及雜種后代選擇時，注意株高和單株穗數(shù)；株高和千粒重之間的關(guān)系，選育出強優(yōu)勢組合。

表3 8個農(nóng)藝性狀間的相關(guān)性系數(shù)

2.3 供試材料農(nóng)藝性狀的系統(tǒng)聚類

對調(diào)查性狀作方差分析。對品種遺傳距離的類平均進行共表型相關(guān)分析，表明品種遺傳距離矩陣與類平均法聚類樹表型相關(guān)系數(shù)矩陣的相關(guān)系數(shù)為0.7256，達極顯著，說明聚類結(jié)果可靠。使用平均聯(lián)接(組間)的系譜法，重新標(biāo)度的距離聚類組合對聚類圖的結(jié)果進行分類，在遺傳距離為12.65處，將39份供試材料分為5個類群(圖1、表4)。第Ⅰ類群的31份材料占供試材料的79.49%。全可育材料有3份聚在這個類群。從表4可以看出這類材料株高較低，單株粒重最高。第Ⅰ類在遺傳距離6.25處分為4個亞類。第Ⅰ亞類4個品種，第Ⅱ亞類13個品種，第Ⅲ亞類13個品種，第Ⅳ亞類1個品種。第Ⅱ和第Ⅲ類群均為1份材料，第Ⅱ類群千粒重最高為49.57g。第Ⅲ類群單穗粒重最高為2.85g。第Ⅳ類群的5份材料占供試材料12.82%，全可育材料有1份聚在這個類群。株高變化范圍為62cm～70cm，單株粒數(shù)和千粒重也較高。第Ⅴ類群旱優(yōu)0602-25株高明顯高于其它4個類群，由于該材料是旱地品種，穗長和單穗粒數(shù)最高。劃分結(jié)果與系譜分析基本一致，并把系譜來源不清的品種劃分到相應(yīng)的雜種優(yōu)勢群。可見，形態(tài)學(xué)形狀檢測是研究小麥K型不育系恢復(fù)系品種間遺傳差異的一種方法，可為小麥“三系”選育和親本雜交組配提供初步的理論依據(jù)。

圖1 農(nóng)藝性狀系統(tǒng)聚類

表4 各類群小麥農(nóng)藝性狀的平均值

3 討論

對K型小麥恢復(fù)系的重要農(nóng)藝性狀進行比較分析，有利于充分了解恢復(fù)系材料的遺傳背景和變異特點，明確恢復(fù)系材料的優(yōu)點與不足，在配制組合時可以充分利用每份材料的優(yōu)勢，進而提高雜種優(yōu)勢[18]。高可育和全可育材料重要農(nóng)藝性狀間的差異顯著性、變異系數(shù)反映其遺傳變異程度。本研究發(fā)現(xiàn)，小麥K型不育系恢復(fù)系的高可育和全可育材料的8個重要農(nóng)藝性狀間的除單株粒重和千粒重性狀外，在其余性狀上差異顯著或極顯著。8個農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)在單株粒重、單株粒數(shù)、單株穗數(shù)和單穗粒重等性狀上具有較大的變異潛力。

相關(guān)分析表明，株高與穗長呈顯著正相關(guān)，穗長與單穗粒數(shù)呈極顯著正相關(guān)，單株粒數(shù)隨穗長增加而增多。與張婷等[19]人的研究結(jié)果一致。單株粒重與單株粒數(shù)、單穗粒重和單穗粒數(shù)呈極顯著正相關(guān)。這與范海燕、張彬等[6,20]人的研究結(jié)果較一致。在合理利用K型恢復(fù)系種質(zhì)資源、親本選配及雜種后代選擇時，注意株高與單株穗數(shù)、千粒重之間的關(guān)系，選育出強優(yōu)勢組合。

國內(nèi)外學(xué)者已利用農(nóng)藝性狀和分子標(biāo)記對血緣關(guān)系明確的小麥種質(zhì)資源進行了聚類分析所得結(jié)果與已知系譜基本吻合[21～22]。通過聚類分析既可以看出類群間的相互關(guān)系，又可以了解類群內(nèi)各品系的親疏遠近[20,23]。利用農(nóng)藝性狀進行聚類分析在一定程度上也反映了39份恢復(fù)系間的親緣關(guān)系。使用平均聯(lián)接(組間)的系譜法，重新標(biāo)度的距離聚類組合對聚類圖的結(jié)果進行分類，在遺傳距離為12.65處，將39份供試材料分為5個類群。兩種聚類結(jié)果的一致性表明緊密聚集在一起的恢復(fù)系之間存在真實的遺傳背景相似性。選用這些遺傳背景相似的恢復(fù)系分別與不育系進行組配時可能會得到相似優(yōu)勢的雜交組合。現(xiàn)代雜種優(yōu)勢理論認為親本的遺傳差異是產(chǎn)生雜種優(yōu)勢的根本原因[21]。因此利用本研究結(jié)果中親緣關(guān)系較遠的恢復(fù)系進行雜交組配時可能會產(chǎn)生較強優(yōu)勢的組合。研究結(jié)果為指導(dǎo)新恢復(fù)系的選育和現(xiàn)有恢復(fù)系的利用提供了重要的理論依據(jù)，也為恢復(fù)系資源鑒定和引進，豐富我國K型雜交小麥恢復(fù)系的遺傳基礎(chǔ)提供了有價值的參考。

本試驗是在大田條件下對K型小麥恢復(fù)系材料進行的研究，今后應(yīng)結(jié)合分子標(biāo)記技術(shù)等先進方法對小麥恢復(fù)系材料進行較為細致的研究，以期更準確了解恢復(fù)系材料，提高K型小麥的雜種優(yōu)勢。