60份不同來源粳稻種質資源表型性狀的多樣性分析及綜合評價

陳麗 孫建昌

（寧夏農林科學院 農作物研究所，銀川 750002；第一作者：chen1985li@163.com；*通訊作者：nxsjch@163.com）

種質資源承載著作物的優良基因，一直被認為是育種的基礎與前提，對現有資源的改良與創新利用是現今乃至未來種質資源研究工作中的重要部分，也是農業可持續發展戰略實施的重大舉措[1-2]。矮稈育種和雜種優勢利用均受益于優異種質資源的發掘[3-5]。因此，保護種質資源的遺傳多樣性至關重要。水稻是寧夏的區域性優勢作物[6]，寧夏水稻種植歷史悠久，是全國優質粳稻最佳生態區之一[7]，現有水稻面積約8萬hm2，總產約70萬t，占寧夏糧食總產的近20%；平均單產為550～600 kg/667m2，是糧食單產的2倍以上[8]。然而，隨著部分優良品種的大面積推廣，出現了嚴重的品種單一化現象[9]，造成遺傳多樣性降低，遺傳基礎狹窄[10-13]。因此，急需拓寬稻種資源遺傳背景。一方面引進優異種質資源，通過選擇親緣關系較遠的親本雜交來豐富遺傳變異的后代群體；另一方面采用先進基因發掘技術，深度挖掘現有資源內在信息，提高種質資源創新利用效率，加快品種選育進程。

本研究以來自福建、東北地區和寧夏的60份水稻種質為材料，通過變異系數、遺傳多樣性指數、聚類分析、相關分析、主成分分析、逐步回歸分析等方法對水稻的18個主要表型性狀的遺傳多樣性進行分析和綜合評價，以期明確不同水稻資源的特點，為稻種資源高效利用、遺傳基礎的拓寬以及新品種的創制提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗參試材料60份：20份為寧夏自育水稻品種，20份引自東北地區，20份引自福建（表1）。

表1 參試水稻資源的名稱與來源

1.2 試驗設計

水稻材料于2020年種植在寧夏農林科學院農作物研究所王太試驗基地，采用插秧栽培方式，隨機區組設計，每份材料種植2行，行長2.0 m，株行距26.4 cm×9.9 cm，每叢3～5苗，3次重復。

1.3 測定項目及方法

選取其中1行中間不間斷的5叢取樣，按照韓龍植[14]的標準對60份水稻種質的株高、生育期、穗長、穗數、實粒數、千粒重、結實率、籽粒長、籽粒寬、產量、糙米率、精米率、整精米率、堊白粒率、堊白度、不完善粒、黃粒米和粒型共18個主要表型性狀進行調查。

1.4 數據處理

采用Excel軟件對60份稻種資源的18個表型性狀數據進行統計，計算其平均值、標準差、變異系數和表型多樣性指數。表型性狀的多樣性指數分析采用Shannon-Wiener多樣性指數，參照劉亞楠等[15]方法根據各表型性狀的平均值和標準差來計算。利用SAS軟件對60份稻種資源的18個表型性狀進行聚類分析，利用SPSS 20.0軟件進行相關性分析、主成分分析和逐步回歸分析。根據UPGMA法對60份水稻種質進行聚類分析，聚類結果采用繪圖軟件iTOL進行繪制，利用主成分分析的結果計算各主分的得分，進而計算出用于評估水稻資源優劣的綜合評價D值。

2 結果與分析

2.1 60份稻種資源主要表型性狀的遺傳變異

從表2可見，各種質生育期在136.00～156.00 d之間，平均149.63 d，適合在寧夏種植；株高90.80～125.60 cm，平均110.72 cm，與當地大田推廣品種相近。生育期和株高變異系數較小，分別為2.94和5.94。單株穗數4.80～13.60個，平均7.85個；每穗實粒數75.42～183.79粒，平均135.31粒；千粒重18.18～28.36 g，平均23.07 g。單株穗數、每穗實粒數和結實率的變異系數分別為23.26、15.88和5.90。糙米率81.30%～86.00%，變幅小，變異系數為1.10；精米率58.67%～76.44%，平均67.73%，變異系數為7.38；整精米率16.60%～73.00%，平均47.84%，變幅大，變異系數達34.53。堊白粒率1.70%～36.0%，平均13.74%，變異系數52.17；堊白度0.50%～13.70%，平均6.07%，變幅大，變異系數達51.12。不完善粒和黃粒米的變異幅度也大，變異系數分別為52.47和63.40。長寬比（粒型）為1.60～2.70，變異系數18.35。總體來看，品質因子的變異較大。

表2 60份水稻資源主要表型性狀的遺傳變異情況

對參試種質的表型進行歸類分析，結果見表3。從表3可見，三地種質的生育期和株高數據相近，生育期變異系數東北種質最大、寧夏種質最小，株高變異系數寧夏種質最大、福建種質最小。寧夏種質穗長最長、福建種質次之、東北種質最短，但變異系數東北種質最大、福建種質最小。東北種質和福建種質的單株穗數均在8.00個以上，明顯高于寧夏種質，但變異系數福建種質最小、東北種質最大。每穗實粒數表現為寧夏種質最多，東北種質最少，變異系數寧夏種質最大、東北種質最小。千粒重寧夏種質最高，東北種質最小，變異系數則東北種質最大、福建種質最小。結實率寧夏種質最高，東北種質最低，變異系數則東北種質最大、福建種質最小。福建種質表現粒長長、粒寬窄，總體粒型偏長。產量表現為福建種質最高、東北種質最低，變異系數則表現為東北種質最大、福建種質最小。

表3 不同地域種質資源主要性狀表現

加工品質方面，三地種質間糙米率差異小，精米率、整精米率的差異大。寧夏種質的精米率最高，東北種質最小；整精米率寧夏種質最高，福建種質最低。福建種質整精米率變異系數為52.06，顯著高于寧夏和東北種質。外觀品質方面，堊白粒率福建種質最小，寧夏種質最大；堊白度寧夏種質最小，福建和東北種質相近。福建種質堊白粒率變異系數最小、東北種質最大；堊白度變異系數也表現為東北種質最大，福建和寧夏種質相近。不完善粒、黃粒米、米粒粒型均表現為福建種質最大，寧夏種質次之，東北種質最小。從變異幅度來看，東北種質、福建種質的變異系數大，而寧夏種質的變異系數小。

2.2 60份稻種資源主要表型性狀的多樣性分析

以表型多樣性計算的分級標準，將水稻種質各性狀分為10級，按照公式H'=-∑PilnPi[15]計算，得到表型多樣性指數[16]。由表4可知，小區產量的多樣性指數最高（2.10），生育期的多樣性指數最低（1.74），表明60份水稻種質的生育期分布較為集中。其中，株高、每穗實粒數、千粒重、結實率、整精米率和堊白粒率主要集中在5級，即株高主要分布在107.44～110.72 cm，每穗實粒數主要分布在124.57～135.31粒，千粒重主要分布在21.96～23.07 g，結實率主要分布在85.69%～88.29%，整精米率主要分布在39.58%～47.84%，堊白粒率主要分布在10.16%～13.74%，分別占種質資源總數的23.30%、23.30%、26.70%、21.70%、21.70%和23.30%；單株穗數、小區總產和堊白度主要集中在6級，即單株穗數主要分布在7.85～8.77個，小區總產主要分布在886.47～934.63 g，堊白度主要分布在6.07%～7.62%，分別占種質資源總數的18.30%、20.00%和23.30%；不完善粒、黃粒米和稻谷精米率主要集中在4級，不完善粒數主要分布在4.31～6.69粒，黃粒米主要分布在2.32～4.34粒，稻谷精米率主要分布在62.73%～65.23%，分別占種質資源總數的23.30%、25.00%和30.00%；生育期和糙米率主要集中在7級，生育期主要分布在151.84～154.04 d，糙米率主要分布在84.66%～85.12%，分別占種質資源總數的40.00%和21.70%；籽粒寬和粒型（長寬比）主要集中在3級，籽粒寬主要分布在2.51～2.65mm，長寬比主要分布在1.52～1.71，分別占種質資源總數的21.70%和23.00%；單穗長主要集中在5～6級，即17.03～18.43 cm，占種質資源總數的26.70%。

表4 60份稻種資源18個表型性狀的多樣性指數及分布特點

據分析，60份稻種資源各表型性狀的多樣性指數存在明顯差異，寧夏水稻資源的生育期（1.75）、株高（1.96）、單穗長（1.81）、籽粒長（1.98）、堊白粒率（1.54）和堊白度（1.89）的多樣性指數在三地中最高；東北水稻資源的單株穗數（1.85）、每穗實粒數（2.09）、糙米率（1.92）、精米率（1.91）和整精米率（1.94）的多樣性指數在三地中最高；福建水稻資源的結實率（2.11）、堊白粒率（2.07）、不完善粒（1.92）和黃粒米（1.91）的多樣性指數在三地中最高。60份稻種資源的18個主要表型多樣性指數變異較大，多樣性指數變幅為1.06～2.10，其中福建種質的變異幅度范圍最大（1.06～2.10）、東北次之（1.50～2.09）、寧夏最小（1.51～2.01）。稻種資源表型性狀的多樣性指數寧夏（1.82）和東北（1.81）較高，而福建（1.71）相對較低。

2.3 基于18個主要性狀的聚類分析

利用SAS8.1進行類平均法聚類分析，60份稻種資源在遺傳距離1.03處聚為4類，各類群水稻資源18個主要表型性狀的平均值見表5。第Ⅰ類包括8份種質，分別是寧粳54、寧粳45、17XG-3、吉祥131、農科848、F134、龍粳10號、17XG-2，占參試水稻資源的13.30%。本群水稻種質資源的株高（99.53 cm）、單穗長（15.28 cm）、每穗實粒數（91.61粒）、不完善粒（6.64粒）在4個類群中均最低，小區產量（815.94 g）、單株穗數（9.98個）、千粒重（23.88 g）和生育期（148.63 d）在4個類群中位居第二。綜合各表型性狀特點，本類群水稻資源具有株高較矮、多穗、早熟的特點。

表5 60份稻種資源各類群18個主要表型性狀均值

第Ⅱ類包含47份種質，占參試水稻資源的78.30%，可分為4個亞群。第G1亞群包括7份種質，東北1份，寧夏6份；第G2亞群包括12份種質，東北1份、福建1份、寧夏10份；第G3亞群包括15份種質，東北1份、福建14份；第G4亞群包括13份種質，福建2份、東北11份。此群水稻資源的表型性狀中小區總產（902.49 g）、每穗實粒數（137.96粒）、粒長（7.27 mm）、結實率（88.67%）和黃粒米（6.43粒）在4個類群中最高，堊白粒率和堊白度值均較低。綜合各表型性狀的特點，本類群水稻資源具有長粒、產量高、稻米外觀品質較優的特點，為綜合性狀較優的水稻資源。

第Ⅲ類包括3份種質，分別是富源4號、九稻85、黑梗9號。該類群水稻資源的生育期（141.33 d）、籽粒長（6.89 mm）和單株穗數（7.40個）在4個類群中最低，單穗長（18.82 cm）、千粒重（24.24 g）、籽粒寬（3.24 mm）、精米率（69.78%）和整精米率（58.03%）在4個類群中最高。綜合各表型性狀的特點，本類群水稻資源具有早熟、長穗、圓粒和加工品質較好的特點。

第Ⅳ類包括2份種質，分別為稻花香2號和通育237。該群水稻資源生育期（155.50 d）、株高（124.70 cm）和單株穗數（12.00個）的均值為4個類群最高，千粒重（21.91 g）、結實率（82.39%）、小區產量（745.29 g）、堊白粒率（2.10%）、堊白度（0.55%）和黃粒米（3.10粒）在4個類群中最低。綜合各表型性狀的特點，本類群水稻資源具有高稈、多穗、圓粒、晚熟和產量不高的特點，但外觀品質較優。

從圖1和表5可以看出，4個類群稻種資源的主要表型性狀有明顯差異，且每個類群中稻種資源的數量不同，寧夏、福建和東北的部分稻種資源并沒有按照地理來源進行聚類，說明供試60份稻種資源遺傳背景較為復雜，具有豐富的遺傳多樣性。

圖1 60份材料18個主要表型性狀聚類分析

2.4 18個表型性狀的主成分分析

通過主成分分析對60份稻種資源進一步綜合評價，發現前5個主成分的累積貢獻率為79.04%（表6），表示這5個主成分可以代表60份稻種資源18個主要表型性狀79.040%的遺傳信息。

表6 60份種質資源18個主要表型性狀的主成分分析

主成分1的特征值和貢獻率分別是5.569和30.936%，籽粒寬、粒型以及整精米率特征值的絕對值比其他表型值高，說明第一主成分由穗型和整精米率組成；主成分2的特征值和貢獻率分別是3.456和19.252%，18個表型性狀中千粒重和黃粒米的特征值明顯大于其他性狀，說明第二主成分綜合了千粒重和黃粒米性狀；主成分3的特征值和貢獻率分別是2.631和14.618%，堊白粒率、堊白度和株高的特征值的絕對值比其他表型性狀值高，說明第三主成分是堊白粒率、堊白度和株高的綜合反映；主成分4的特征值和貢獻率分別是1.469和8.161%，其中小區產量的特征值高于其他表型性狀值，說明主成分4是產量因子；主成分5的特征值和貢獻率分別是1.093和6.072%，在所調查表型性狀中單穗長的特征值的絕對值最大，說明主成分5為穗長因子。

2.5 60份稻種資源表型性狀綜合評價

根據主成分分析結果，將60份稻種資源18個表型性狀的標準化值代入5個主成分中，求得各種質的5個主成分得分，具體計算方法參考胡標林等[17]方法。根據各主成分的累積貢獻率（79.040%）得到前5個主成分的權重（0.3914、0.2436、0.1849、0.1033、0.0768）。再根據權重計算得到60份稻種資源的綜合評價D值，進而對各種質進行綜合評價，D值越高，表型性狀的綜合表現越好。由表7可知，綜合排名前10的資源均來自福建省，分別是F132、F121、F-10、F27、F-9、F22、F124、F200、F144和F138，其中，F132的D值最高（12.6927）；綜合排名后10名的種質資源包括東北2份（吉洋131、九稻65）、福建3份（F-4、2017XG-2、17XG-3）和寧夏5份（寧粳57、寧粳54、寧粳55、寧粳45、富源4號）。排名前10名的表型綜合性狀較好，可作為選育優質水稻材料的親本或中間材料，而排名靠后的資源綜合表型性狀較差。

表7 60份水稻資源的綜合評價與排名

將綜合評價D值與各性狀進行相關性分析，結果表明，除穗長、單株穗數、每穗實粒數、千粒重、結實率、堊白粒率和堊白度外，其余11個性狀均與綜合評價D值間的相關性達顯著或極顯著水平，其中綜合評價D值與籽粒寬和整精米率呈極顯著負相關，與精米率呈顯著負相關，與其余8個性狀均呈極顯著正相關（表8）。

表8 18個主要表型性狀與綜合評價D值的相關性

2.6 水稻種質資源表型性狀綜合評價指標的篩選

利用綜合評價D值與18個表型性狀值構建最優回歸方程，篩選種質資源綜合評價指標。以D值為因變量，以18個表型性狀為自變量，通過逐步回歸分析構建得到最優回歸方程Y=0.060+0.560X18+0.347X1+0.395X3+0.356X16-0.489X10+0.225X11+0.39X17+0.189X2+0.214X6-0.312X13，回 歸 方 程 中X1、X2、X3、X6、X10、X11、X13、X16、X17與X18分別代表小區總產、生育期、株高、每穗實粒數、籽粒寬、糙米率、整精米率、不完善粒、黃粒米和粒型，其中粒型的偏回歸系數最大（0.560）。主成分綜合值與由該回歸方程計算的預測值的相關系數r為0.999，達極顯著相關，方程的決定系數R2為0.998，表明這10個表型性狀對60份水稻資源表型多樣性綜合評價影響顯著，該方程用于評價水稻資源較為可靠，可靠性達到99.8%。

3 結論與討論

3.1 水稻資源的表型變異及多樣性

表型性狀是育種家進行育種研究和基礎研究者進行復雜性狀機理解析的重要依據[18-19]，而遺傳多樣性作為種質評價和利用的基礎，可為基因資源的發掘提供必要信息。

本研究分析了60份稻種資源的18個主要表型性狀的多樣性，結果表明，18個表型性狀的變異系數差異較大，變幅為1.10%～63.40%，其中每穗實粒數、單株穗數、小區產量和粒型變異系數均在10.00%以上，整精米率、堊白粒率、堊白度、不完善粒和黃粒米的變異系數均在34.00%以上，說明60份種質在整精米率、堊白粒率、堊白度、不完善粒和黃粒米具有較大的變異程度，糙米率、生育期的變異系數較小，表現出較低的表型多樣性。通過對寧夏、福建、東北種質表型的歸類分析，結果表明，寧夏、福建、東北種質在株高、生育期方面相似；寧夏種質穗長長于東北和福建種質，千粒重高于福建和東北種質，每穗實粒數多于福建和東北種質；福建種質粒長長于寧夏和東北種質，粒寬窄于寧夏和東北種質。產量結果表現為福建最高，表明福建種質在寧夏具有較好的適應性和豐產性。品質方面，三地種質的糙米率相似，寧夏種質的精米率和整精米率高，具有較大優勢，而福建種質的整精米率低，主要原因可能與福建種質的籽粒偏長（長寬比為2.44）有關。在收獲晾曬過程中要注意籽粒的水分含量，避免形成裂紋米，可有效提高整精米率。

多樣性指數研究表明，60份稻種資源表型性狀的多樣性指數變異范圍較大（1.74～2.10），18個表型性狀中，生育期的多樣性指數最低（1.74），小區產量的多樣性指數最高（2.10），與以往研究[20-24]中提出的地區相比，本研究選取的三個地方水稻資源具有更高的表型多樣性，其中福建種質的變異幅度范圍最大（1.06～2.10）、東北種質次之（1.5～2.09）、寧夏種質范圍最小（1.51～2.01）。由此可見，從福建和東北地區引進的種質豐富了寧夏水稻種質資源，且在產量、品質方面具有一定優勢，對當地水稻育種親本的選配、品種的改良、研究和應用具有重要的意義。

3.2 水稻資源表型性狀綜合評價

本研究通過聚類分析，將參試水稻資源在遺傳距離為1.03處時聚為4類。其中，第Ⅰ類群水稻資源具有株高較矮、多穗、早熟的特點；第Ⅱ類群水稻資源表現出長粒、產量較高、稻米外觀品質較優，為綜合性狀較優的水稻資源；第Ⅲ類群水稻資源具有早熟、長穗、圓粒和加工品質較好的特點；第Ⅳ類群水稻資源具有高稈、多穗、圓粒、晚熟、產量不高的特點，但在外觀品質方面具有明顯優勢。基于主成分分析的綜合D值對種質資源進行排序，篩選出綜合得分前10名的種質，這10份種質資源均來自福建，分別是F132、F121、F-10、F27、F-9、F22、F124、F200、F144和F138，可作為選育優質水稻材料的親本或中間材料，該結論與遺傳多樣性結果相吻合。

相關分析表明，D值與小區總產、生育期、株高、籽粒寬、糙米率、整精米率、不完善粒、黃粒米、粒型呈顯著或極顯著相關。表明這些性狀對水稻種質資源評價極為重要，在育種中要注意這些性狀的選擇。利用主成分分析的D值與逐步回歸分析，構建了水稻資源評價方程：Y=0.06+0.56X18+0.347X1+0.395X3+0.356X16-0.489X10+0.225X11+0.39X17+0.189X2+0.214X6-0.312X13，明確了小區總產、生育期、株高、每穗實粒數、籽粒寬、出糙率、整精米率、不完善粒、黃粒米、粒型這10個性狀對水稻資源影響較大。篩選的10個表型性狀指標中，株高、籽粒寬、粒型與陳越等[25-26]研究結果一致，育種材料選擇時重點考慮這10個性狀。該方程的構建為水稻資源綜合評價、篩選提供了依據。