高粱種質(zhì)資源表型性狀多樣性分析及綜合評價

王自力， 張北舉， 李魁印， 陳松樹， 徐如宏， 李魯華， 吳傳喜， 任明見

(1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院/國家小麥改良中心貴州分中心，貴州貴陽 550025； 2.桐梓縣貴粱農(nóng)業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司，貴州遵義 563200)

高粱[(L.) Moench]屬于禾本科高粱屬，是僅次于小麥、水稻、玉米和大麥的世界第五大谷物。具有抗旱澇、耐鹽堿、耐貧瘠等多重抗逆性和適應(yīng)性，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中擁有巨大的發(fā)展空間和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢。高粱主要分布在世界五大洲48個國家的熱帶干旱和半干旱地區(qū)，溫帶和寒溫帶也有種植，蘊(yùn)藏著豐富的種質(zhì)資源。在我國高粱是醬香酒釀制的主要原材料，并且還用于生產(chǎn)飼料、纖維、生物燃料等，無論是在糧食安全還是在新能源安全上都具有極其重要的戰(zhàn)略意義。種質(zhì)資源是作物育種的基礎(chǔ)，而進(jìn)行遺傳多樣性研究及綜合評價對于了解物種遺傳背景和評估綜合表現(xiàn)具有推動作用，也能為種質(zhì)篩選和優(yōu)異性狀基因挖掘提供便利。近年來，隨著分子生物學(xué)的快速發(fā)展與應(yīng)用，科研工作者對于遺傳多樣性的研究也逐漸進(jìn)入分子層面。但表型性狀鑒定是認(rèn)識作物種質(zhì)資源和培育新品種的基石，具有直接、簡便等優(yōu)點。目前，已有在燕麥、谷子、水稻、陸地棉、海島棉、青稞、花生等作物上進(jìn)行表型性狀遺傳多樣性分析及綜合評價的相關(guān)報道，但對高粱相關(guān)方面的研究卻鮮見報道。因此，本研究通過對152份不同來源高粱種質(zhì)資源的13個表型性狀進(jìn)行研究，并通過遺傳多樣性分析、聚類分析、主成分分析以及構(gòu)建高粱資源綜合評價指標(biāo)，篩選出綜合表現(xiàn)優(yōu)異的高粱種質(zhì)，以期為高粱種質(zhì)創(chuàng)新和新品種選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選用的152份不同來源的高粱資源，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所提供(表1)。包括76份國內(nèi)高粱資源：其中山西省38份、遼寧省9份、云南省7份、河北省6份、陜西省5份、甘肅省4份、河南省2份，安徽省、北京市、黑龍江省、山東省、四川省各1份；76份國外高粱資源：其中美國20份、印度13份、日本12份、不詳9份、墨西哥8份、西德6份、英國2份、泰國2份，北也門、法國、捷克、匈牙利各1份。

表1 供試152份高粱種質(zhì)資源名稱與產(chǎn)地

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設(shè)計 于2019—2020年、2020—2021年在貴州大學(xué)國家小麥改良中心貴州分中心仁懷試驗基地進(jìn)行種植(數(shù)據(jù)取2年均值)。試驗采取完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，每小區(qū)種植10份材料，每份材料播種3行，每行10穴，每穴各播2粒種子，行距、株距均為50 cm，在每個重復(fù)小區(qū)中隨機(jī)取5株進(jìn)行性狀調(diào)查。

1.2.2 指標(biāo)測定 試驗調(diào)查152份高粱種質(zhì)資源的13個性狀，調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)參考《高粱種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》，性狀包括株高、莖粗、穗長、穗形、穗型、粒色、粒形、著殼率。高粱籽粒中的蛋白質(zhì)、脂肪和單寧含量利用近紅外谷物分析儀(Infratec1241型，丹麥FOSS)將每個品種重復(fù)測量3次取平均值，直鏈淀粉和支鏈淀粉含量的測定參考 GB 7648—1987 和 GB/T15683—2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行(部分步驟稍有改進(jìn))。

1.3 數(shù)據(jù)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 高粱種質(zhì)資源遺傳多樣性分析

2.1.1 質(zhì)量性狀的頻率分布和多樣性指數(shù) 對152份高粱種質(zhì)資源的5個質(zhì)量性狀進(jìn)行統(tǒng)計分析(表2)發(fā)現(xiàn)，各性狀之間的遺傳多樣性指數(shù)變化范圍為0.719～1.267，平均值為0.89。其中穗型的遺傳多樣性指數(shù)最大，為1.267；粒形的遺傳多樣性指數(shù)最小，為0.719；其他性狀的多樣性指數(shù)排序為穗形>粒色>著殼率。穗形以紡錘形的資源最多，帚形的資源最少；穗型以散型最多，中散型資源最少；粒色頻率分布的離散性最高，其中紅色籽粒的高粱資源最豐富，黃色和淺黃色資源均較少；粒形以橢圓形資源最多，卵形資源最少。著殼率低的資源占總資源的74%，而著殼率高的資源僅占7%。由此可見，152份高粱種質(zhì)以紡錘形、散穗、紅色、橢圓形和著殼率低的資源居多。

表2 高粱種質(zhì)資源質(zhì)量性狀的頻率分布和多樣性指數(shù)

2.1.2 數(shù)量性狀的主要參數(shù)和多樣性指數(shù) 對152份高粱種質(zhì)資源的8個數(shù)量性狀進(jìn)行統(tǒng)計分析(表3)發(fā)現(xiàn)，各性狀之間的變異系數(shù)以及遺傳多樣性指數(shù)均存在較大差異。多樣性指數(shù)范圍在2.018～2.082之間，均值為2.06。其中單寧含量的多樣性指數(shù)最大，為2.082；莖粗的多樣性指數(shù)最小，為2.018。其余6個性狀的多樣性指數(shù)排序為脂肪含量>直鏈淀粉含量>支鏈淀粉含量>蛋白質(zhì)含量>株高>穗長。由此可見，這些性狀有著豐富的遺傳多樣性。變異系數(shù)范圍在7.01%～32.20%之間，均值為21.48%。其中直鏈淀粉含量的變異系數(shù)最大，為32.20%；蛋白質(zhì)含量的變異系數(shù)最小，為7.01%。其余6個性狀的變異系數(shù)排序為株高>單寧含量>穗長>莖粗>脂肪含量>支鏈淀粉含量。一般變異系數(shù)大于 10% 表示樣本間差異比較大，本研究中有 7 個性狀(脂肪含量、單寧含量、直鏈淀粉含量、支鏈淀粉含量、株高、莖粗、穗長)的變異系數(shù)大于 10%，表明這些性狀離散程度高，遺傳差異較大。

表3 高粱種質(zhì)資源數(shù)量性狀的主要參數(shù)和多樣性指數(shù)

152份高粱資源的株高變異幅度較大，最高可達(dá)415 cm，最矮僅為64 cm，從中初步篩選出一批優(yōu)異矮稈種質(zhì)資源(表4)。供試材料中有7份特矮稈(株高≤100 cm)，24份矮稈(株高≤150 cm)資源，31份矮稈種質(zhì)均來自國外，這些資源對于選育高粱抗倒伏品種有至關(guān)重要的作用。

表4 高粱矮稈種質(zhì)資源

2.2 高粱種質(zhì)資源聚類分析

通過系統(tǒng)聚類平均法，在歐氏距離為7時，可將152份高粱材料分為3個亞類(圖1)，具體的數(shù)量性狀特征見表5。第1類包含91份資源，占所有種質(zhì)資源的59.87%，包括國內(nèi)73份、國外18份，以紅色、橢圓形資源居多。其主要特征是脂肪含量和支鏈淀粉含量分別在3個類群中最大，但支鏈淀粉含量的變異系數(shù)排名第2；蛋白質(zhì)含量、脂肪含量、直鏈淀粉含量、莖粗、穗長的變異系數(shù)分別在3個類群中最高，綜合性狀較好。第2類包含55份資源，占所有種質(zhì)資源的36.18%，全為國外高粱資源，穗形以紡錘形居多。其主要特征是蛋白質(zhì)含量、脂肪含量、單寧含量和株高分別在3個類群中最小，但單寧含量和株高的變異系數(shù)排名第1；其次直鏈淀粉含量和莖粗分別在3個類群中最大。第3類包含6份資源，占所有種質(zhì)資源的3.95%，包括國內(nèi)外高粱資源各3份，以灰色、卵形資源居多。其主要特征是蛋白質(zhì)含量、單寧含量、株高和穗長分別在3個類群中最大，但蛋白質(zhì)、單寧含量和穗長的變異系數(shù)最低。其中穗長最長(41.00 cm)的是來自北也門的美國帚用高粱。

表5 高粱種質(zhì)資源3個類群的數(shù)量性狀特征

2.3 高粱種質(zhì)資源主成分分析及綜合評價

利用KMO和Bartlett檢驗法進(jìn)行因子適用性檢驗得到KMO值為0.772(>0.65)，Bartlett球形度檢驗的Sig值為0.00(<0.01)，說明該數(shù)據(jù)可以用于主成分分析。

通過主成分分析將13個性狀轉(zhuǎn)換為6個獨(dú)立的成分因子(表6)，特征值分別為4.537、1.609、1.272、1.025、0.942和0.830， 方差貢獻(xiàn)率分別為34.898%、12.380%、9.781%、7.884%、7.247% 和6.388%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)到78.579%，可以反映出13個性狀的大部分信息。主成分1中脂肪含量的貢獻(xiàn)率最大，其次是穗型、 蛋白質(zhì)含量和單寧含量，可以把主成分1作為籽粒品質(zhì)的綜合指標(biāo)。主成分2中粒形的貢獻(xiàn)率最大，其次是著殼率，可以作為籽粒外觀因子。主成分3、主成分4分別代表穗長、穗形等穗部形態(tài)。成分5是與莖粗和支鏈淀粉含量相關(guān)的因子。成分6中莖粗的貢獻(xiàn)率最大，其次是株高，反映的是植株生長信息。

表6 前6個主成分的特征值及特征向量描述

通過高粱種質(zhì)13個表型性狀所對應(yīng)的主成分值為系數(shù)構(gòu)建線性方程：

=0709+0807+0693-0593+0413+0685-0350+0605-0108+0771-0633-0412-0496；

=-0078+0175-0010-0315+0213-0169-0084+0032+0448+0015-05460740+0587；

=0220-0127-0447+0363-0517+0015+0105+0625-0088+0272-0286+0203-0035；

=0066-0053+0074-0095-0048-0123+0540+0100+0744-0017+0017-0156-0326；

=0084-0091-0204-0018+0569-0072+0585+0062-0406-0064-0203+0016-0019；

=-0029+0278+0315+0189-0265+0430+0445-0056-0078-0100+0056+0037+0375。

式中：～分別表示蛋白質(zhì)含量、脂肪含量、單寧含量、直鏈淀粉含量、支鏈淀粉含量、株高、莖粗、穗長、穗形、穗型、粒色、粒形、著殼率的標(biāo)準(zhǔn)化值。利用模糊隸屬函數(shù)將6 個主成分的得分進(jìn)行歸一化處理后，計算6個主成分的貢獻(xiàn)率權(quán)重(0444、0158、0124、0100、0092、0081)構(gòu)建用于篩選高粱優(yōu)異種質(zhì)的綜合得分值，則值=0444+0158+0124+0100+0092+0081。其中值的大小能夠初步表明該種質(zhì)資源綜合性狀的優(yōu)劣程度。經(jīng)計算，152份供試高粱種質(zhì)的平均綜合得分為0.527，序號為152(0.822)、37(0.809)和98(0.808)等10份品種的綜合得分較大(表7)，說明這些品種相比其他品種綜合性狀較優(yōu)。

表7 10份優(yōu)異高粱種質(zhì)資源的綜合得分

3 討論與結(jié)論

遺傳多樣性是進(jìn)行遺傳研究的基礎(chǔ)，通過對種質(zhì)資源進(jìn)行遺傳多樣性分析可以從整體上把握種質(zhì)的應(yīng)用潛力以及利用價值。本研究通過遺傳多樣性分析發(fā)現(xiàn)質(zhì)量性狀的多樣性指數(shù)值為0.719～1.267，均值為0.89。其中穗型的多樣性指數(shù)值最大，為1.267，其次是穗形和粒色。與趙香娜等對甜高粱種質(zhì)資源研究得出粒色遺傳多樣性最高的結(jié)果有所不同，可能是由于試驗材料的差異造成的。數(shù)量性狀的變異系數(shù)為7.01%～32.20%，其中直鏈淀粉含量、株高、單寧含量的變異系數(shù)較大，分別為32.20%、31.55%、28.81%。遺傳多樣性指數(shù)為2.018～2.082，均值為2.06，其中遺傳多樣性指數(shù)較大的有單寧含量為2.082，脂肪含量為2.078，直鏈淀粉含量為2.076。數(shù)量性狀的遺傳多樣性明顯大于質(zhì)量性狀，這與周瑜等研究結(jié)果相同。研究結(jié)果說明供試材料擁有較大的遺傳差異，這有利于拓寬遺傳基礎(chǔ)以及高粱優(yōu)異種質(zhì)的篩選。

聚類分析是將未知類別的樣本按照一定的規(guī)則劃分成若干個類族，把相似(距離相近)的樣本聚在同一個類簇，不相似的樣本分為不同類簇，從而揭示樣本之間內(nèi)在的性質(zhì)以及相互之間的聯(lián)系規(guī)律。本研究通過聚類分析將152份不同來源的高粱種質(zhì)劃分為3個亞類，第1類主要特征為中稈、脂肪和支鏈淀粉含量高，綜合性狀較優(yōu)，可作為優(yōu)質(zhì)資源創(chuàng)新利用；第2類主要特征為矮稈、莖粗、直鏈淀粉含量高，單寧含量低，可作為矮稈育種和食品工業(yè)的資源；第3類主要特征為高稈、穗長，可從中篩選適合工藝制品(帚等)的資源。不同類群間遺傳差異相對較大，可在品種改良過程中起到優(yōu)勢互補(bǔ)的作用，該分類結(jié)果可為不同育種目標(biāo)選種提供參考和選擇依據(jù)。

主成分分析是利用降維的思想來簡化原有信息的工作量，通常用于分析最多樣化領(lǐng)域的數(shù)據(jù)。本研究通過主成分分析發(fā)現(xiàn)，提取出的前6個主成分因子能夠反映出籽粒品質(zhì)、籽粒外觀、穗部形態(tài)和植株生長特性等大部分信息，可以有效降低數(shù)據(jù)冗余，簡化工作量。依據(jù)各個性狀在主成分中的貢獻(xiàn)率權(quán)重來計算綜合得分(值)，按照得分大小進(jìn)行篩選，將各種質(zhì)資源的綜合性狀表現(xiàn)數(shù)據(jù)化，有效降低了主觀誤差，提高了評價的準(zhǔn)確率。此方法已在多種作物中進(jìn)行應(yīng)用，因此采用綜合得分對高粱種質(zhì)資源進(jìn)行評價是較為可靠的。