谷子重組自交系群體株型和產量性狀分析

何妙玲,王智蘭,杜曉芬,韓康妮,連世超,李禹欣,成 鍇,李顏方,王 軍

(1.山西大學 生命科學學院,山西 太原 030006;2.山西農業大學 谷子研究所,雜糧種質創新與分子育種山西省重點實驗室,雜糧種質資源發掘與遺傳改良山西省重點實驗室,山西 長治 046011)

谷子具有耐旱、耐瘠薄、C4光合特性、生育期短、適應性廣等優勢,已被開發成禾本科作物的模式遺傳系統[1-4]。因此,谷子理想株型的建成與改良也成為當前谷子研究的熱門課題。有學者認為,谷子株高適中、穗粗、穗柄短、穗碼排列中緊、莖稈節間短粗、小穗結實率高、上部葉片挺拔上沖、中下部葉片與莖的夾角隨葉位的降低而逐漸增大、葉片寬厚、長度從上至下呈塔形分布、剛毛中長為理想株型模式[5]。

谷子株型主要包括株高、穗型、葉群結構、葉形及分布特征和節間性狀等5個方面,是一個綜合性狀[5],這些性狀會相互制約。株高影響作物倒伏[6-9],株高越高,越容易倒伏,造成的減產風險越大;反過來,也不能過分追求低株高,矮化育種雖然解決了作物的倒伏問題,但是由于降低了株高而限制了生物量,可能會影響產量[10]。另外,節間短粗有利于單株生產力、抗倒性強,尤其基部4個節間短粗,能顯著提高抗倒性[5]。因此,在不倒伏的前提下,可以通過適當增加株高來提高產量。葉片是作物光合作用和有機物合成的重要器官,葉片形態建成與作物株型相關,可直接影響產量,產量性狀與旗葉長、旗葉寬均呈極顯著正相關[11-13],谷子上部葉片尤其頂三葉明顯促進產量形成[14],因此,增加葉面積可以提高作物生產力。研究表明,產量與穗長、穗粗、穗下節長均呈顯著或極顯著正相關[11-13,15-20],穗質量、千粒質量與節數呈極顯著正相關[11],穗下節維管束越發達,對穗部干物質積累越有利[11];分蘗數可通過影響株型來影響光的吸收和結實[21],還可在只有不定根時正常生長,最終影響產量[22-23]。

谷子株型性狀與產量之間關系有待深入研究。前期,Wang等[12]以矮寧黃和晉谷21號雜交構建F2群體為材料,研究發現,株高、穗長、穗粗和穗下節長與穗質量和穗粒質量均呈極顯著正相關。馬金豐等[24]以嫩選15和大金苗雜交F2群體的6個性狀進行遺傳變異分析,發現株高、穗長、莖長、穗粗和節數均與穗質量和穗粒質量均呈極顯著正相關,但是F2群體不穩定,無法準確分析影響產量的關鍵因素以及農藝性狀間的相關性。RIL群體是一個理想的永久性分離群體,是研究農作物數量特性遺傳分析和QTL定位研究的理想材料[25]。Zhang等[11]以張谷和A2雜交得到的包含439個株系的RIL(F10)群體的性狀進行遺傳變異分析,發現長日照下穗質量與分蘗數呈極顯著負相關,千粒質量與穗下節長正相關,與分蘗數呈顯著負相關,短日照下穗質量與分蘗數也呈極顯著負相關,千粒質量與分蘗數只呈負相關,2個環境下穗質量和千粒質量與其他性狀均呈極顯著正相關。王海崗[26]以豫谷1號和紅苗大白谷雜交自交構建的重組自交系(F8)群體,采用多年多點鑒定,發現穗質量、穗粒質量與穗下節長不相關,而穗質量與葉寬顯著正相關。但是,現有研究難以形成農藝性狀與產量關聯性的一致性結果,不能有效指導育種。

本研究以矮寧黃和晉谷21號為親本構建的RIL群體(包含126個株系)為材料,在山西長治(晉東南)、榆次(晉中)和大同(晉北)3個生態環境中開展表型鑒定,對株高、主莖高、穗長、穗粗、旗葉長、旗葉寬等13個農藝性狀進行了遺傳變異、相關性分析、偏相關性分析、主成分和聚類分析,旨在挖掘谷子株型、產量性狀的重要影響因子,為選育矮稈、高產穩產谷子新品種提供優異的基礎育種材料。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

以矮寧黃×晉谷21雜交自交獲得的包含126個株系的重組自交系群體(F6RIL)及雙親為試驗材料,其中,矮寧黃為母本,其特點為株高較矮、分蘗多、節數較少、葉片緊湊、產量低;晉谷21號為父本,其特點為株高較高、無分蘗、節數較多、葉片松散、產量高。所用的材料均由山西農業大學谷子研究所提供。

1.2 試驗設計

于2020年在山西長治(晉東南,113°15′ E,36°22′ N,E1)、榆次(晉中,112°72′ E,37°60′ N,E2)和大同(晉北,113°28′ E,39°92′ N,E3)3地種植,試驗田為中等肥力,常規田間管理。所有材料采用寬窄行種植模式,每個環境地點設置3個重復,各重復內每個株系種植2行,寬行行距48 cm,窄行行距18 cm,株距10 cm,行長2 m。

1.3 農藝性狀調查

田間性狀調查主要參照《谷子種質資源描述規范和數據標準》[27]進行,每個株系隨機選取5個單株進行表型性狀調查,于灌漿期用葉面積測量儀(YMJ-D,浙江托普云農科技股份有限公司)測定旗葉長、旗葉寬和葉面積。于成熟期用鋼尺測定株高(主莖長度、穗長)、主莖長度、穗長和穗下節長;用游標卡尺測定穗粗,人工統計分蘗數和節數;單穗收獲后,用高精度電子計數秤(ACS系列,深圳市益衡電子有限公司)稱量穗質量和穗粒質量,用千粒質量系統V2.0(浙江托普云農科技股份有限公司)數粒數,用DT100型精密電子天平(美國雙杰兄弟(集團)有限公司)稱量,計算千粒質量。

1.4 數據分析

為了矯正地點、區組對試驗的影響,采用GenStat軟件(北京維斯恩思有限責任公司)基于Reml的混合線性模型,對研究的13個表型值進行最佳線性無偏估計(Best linear unbiased estimation,BLUE)計算。GenStat軟件用于計算BLUE值,一般一年多點試驗的模型為y=u+b+x+y+xy+e,其中y是觀測值,u是總體平均值,b是區組效應,x為株系效應,y為地點效應,xy為二者交互作用,e為隨機誤差。

采用SPSS 27.0軟件對表型數據進行描述性統計,對BLUE值進行相關性分析、偏相關分析、主成分分析、逐步回歸分析和聚類分析,使用Excel 2019和Origiri 2021完成頻數圖,使用R語言完成聚類圖。

2 結果與分析

2.1 親本及RIL群體農藝性狀表型變異

由表1可知,雙親株高、主莖長度在3個生態環境下均呈顯著或極顯著差異;穗下節長在E1和E3這2個環境下呈顯著或極顯著差異;節數在E1和E2這2個環境下呈顯著差異;穗粗、穗質量、穗粒質量、分蘗數僅在E1環境下呈顯著或極顯著差異;穗長僅在E3環境下表現出顯著差異,其余性狀差異不顯著。

表1 親本和重組自交系群體農藝性狀的表型

在3種不同生態環境中,RIL群體株系間均表現出豐富變異,所有性狀值均呈近似正態連續分布(圖1),表明所有性狀均為典型的多基因控制的數量性狀。除了E2的主莖長度,其他性狀均存在雙向超親分離現象。E1環境下株高、主莖長度、千粒質量、旗葉長、葉面積以及E2環境下旗葉寬平均值均低于雙親,E1和E2環境下的穗長、E2和E3環境下的旗葉長、E3環境下旗葉寬平均值均大于雙親,其他性狀的平均值均介于雙親之間。在3種不同生態環境下,各株系間主要農藝性狀的變異系數不同,分蘗數、穗粒質量和穗質量變異系數較大;株高、主莖長度、分蘗數和千粒質量在E1環境下最大,穗長、穗下節長、穗粗、穗質量和穗粒質量在E2環境下最大,節數、旗葉長、旗葉寬和葉面積在E3環境下最大(表1)。

圖1 谷子RIL群體農藝性狀的頻率分布

2.2 RIL群體農藝性狀相關性分析

由RIL群體各農藝性狀的相關性分析可知(表2),在3種不同的生長環境下,穗質量、穗粒質量與株高、主莖長度、穗長、穗下節長、穗粗、節數均呈極顯著正相關,穗質量與穗粒質量和旗葉長呈顯著或極顯著正相關,表明這些性狀對谷子的產量有很大影響。株高與主莖長度、穗長、穗下節長、穗粗、節數和旗葉長均呈顯著或極顯著正相關,主莖長度與穗長、穗下節長、穗粗和節數均呈顯著或極顯著正相關,穗長與穗粗、旗葉長和葉面積均呈極顯著正相關,穗粗與旗葉長和葉面積均呈極顯著或顯著正相關,分蘗數與除千粒質量、旗葉長、旗葉寬和葉面積外其他性狀均呈極顯著負相關,旗葉長和旗葉寬均與葉面積呈極顯著正相關。株高與主莖長度關系最為密切(0.995),其次依次為穗質量與穗粒質量(0.986)、旗葉長與葉面積(0.811)和株高與穗質量(0.704)。通過以上相關性分析,表明穗質量和穗粒質量與株高構成因子(株高、主莖長度和節數)、穗部性狀(穗長和穗下節長)呈極顯著正相關,而與分蘗數均呈極顯著負相關,穗質量與旗葉長呈顯著正相關,這些結果揭示,在谷子育種中,只有做好性狀間的平衡,才能選育出高產穩產的品種。

表2 RIL群體主要農藝性狀間相關性分析

表3 RIL群體主要農藝性狀間偏相關系數

2.3 RIL群體農藝性狀的偏相關性分析

結果表明,偏相關分析和簡單相關分析所有性狀間趨勢相同、顯著性一致,結果都顯示株高、主莖長度和分蘗數3個株型性狀對穗粒質量的影響較大(表2,3)。因此,RIL群體選擇株系時要先考慮株高,其次為主莖長度、分蘗數。有部分性狀間偏相關系數大于相關系數,說明這些性狀之間存在良好的線性關系。

2.4 RIL群體各農藝性狀的主成分分析

為進一步確定影響RIL群體株型的主要性狀,對13個性狀進行了主成分分析,結果表明(表4),13個性狀可簡化為4個主成分,各主成分特征值均已穩定控制在1.077以上,累計貢獻率達到93.938%,即前4個相互獨立的主成分代表了所調查性狀93.938%的變異信息。第1主成分特征值和貢獻率分別為5.294和40.727%,其中旗葉長的正相關最大(0.815),第1主成分可稱為旗葉長因子;從向量關系可看出,旗葉長增大,千粒質量增加,但一定程度減少分蘗數、穗質量、穗粒質量,因此高產育種時要適當減少旗葉長。第2主成分的特征值和貢獻率分別為3.227和24.824%,其中主莖長度的正相關性最強(0.860),其次是株高(0.794),可將其命名為株高構成因子;從向量關系可看出,主莖長度越高,株高、穗質量、穗粒質量越大,分蘗數、千粒質量減少。

表4 谷子RIL群體株型性狀的主成分分析

說明在株高遺傳改良時,降低株高要適當。第3主成分的特征值和貢獻率分別為2.614和20.107%,其中旗葉寬的正相關性最強(0.843),其次依次是節數、穗粗和穗長(0.664,0.538,0.522),可將其命名為旗葉寬因子;隨著旗葉寬的增加,一定程度會增加節數、穗粗和穗長;向量關系表明,旗葉寬越大,分蘗數就減少,有利于產量性狀的提高,啟示在谷子株型育種中也要重點關注旗葉寬性狀。第4主成分的特征值和貢獻率分別為1.077和8.281%,其中穗下節長的正相關最大(0.548),可稱為穗下節長因子,其特征向量間關系表明,穗下節長的增加,會一定程度增加株高、分蘗數、穗質量、穗粒質量,但會一定程度上減少千粒質量。綜上,在育種中,可以重點從旗葉長、主莖長度、旗葉寬、穗下節長等性狀入手,平衡好各性狀間的消長關系,改善谷子株型,提高產量。

2.5 產量對株型性狀的逐步回歸分析

為了深入分析株型和產量間的關系,分別以3個產量性狀(穗質量、穗粒質量和千粒質量)為因變量,以所有株型性狀為自變量,進行多元逐步回歸分析,建立回歸方程,回歸方程擬合度R2分別為0.614,0.553,0.008,因為穗質量的R2最大,所以以穗質量為因變量,以所有株型性狀為自變量進行多元逐步回歸分析,刪除偏回歸參數不顯著的株型性狀,根據回歸分析結果可看出,VIF值都小于10,說明處理分析結果準確可靠。

根據回歸系數可得出最優的線性回歸方程為:Y=5.16+0.114X2+0.324X3-3.363X6,該方程解釋了61.4%的表型變異,說明主莖長度(X2)、穗長(X3)、分蘗數(X6)是影響穗質量的主要因素,其中主莖長度、穗長每增加1個單位,穗質量平均分別增加0.114,0.324 g,而分蘗數每增加1個單位,穗質量減少3.363 g,其回歸系數的絕對值最大,表明分蘗數對穗質量的貢獻率最大(表5)。

表5 穗質量對株型性狀的多元回歸分析

2.6 RIL群體農藝性狀的聚類分析

基于13個農藝性狀的表型值對RIL群體的聚類分析,結果顯示,126個株系可大致劃分為7大類群(圖2、表6)。其中,第I類群包括19份材料,占參試材料的15.7%,其主要特征是分蘗數多,旗葉長、旗葉寬和葉面積較高,穗粗、穗長、節數、主莖長度和穗下節長較小,穗質量、穗粒質量、千粒質量較低;第Ⅱ類群包括67份材料,占參試材料的53.2%,該類群中主莖長度、穗長、分蘗數和產量均較小;第Ⅲ類群包括25份材料,占參試材料的19.8%,該類群分蘗數最少,主莖長度、穗長、穗質量和穗粒質量均屬于上等水平;第Ⅳ類群包括5份材料,占參試材料的4.0%,該類群中分蘗數和千粒質量屬上等水平,主莖長度偏低,穗長、穗質量、穗粒質量均最低;第Ⅴ類群包括3份材料,占參試材料的2.4%,其主要特征是節數、主莖長度、穗長、穗粗和旗葉長中等,葉面積較低,穗下節長和分蘗數最低,而穗質量、穗粒質量、千粒質量和旗葉寬最高,該類群中植株產量最高,主莖長度、穗長中等,分別為131.17～141.35 cm和21.23～23.17 cm;第Ⅵ類群包括6份材料,占參試材料的4.8%,該類群中主莖長度最高,分蘗數、千粒質量最低,穗質量和穗粒質量中等;第Ⅶ類群包括4份材料,占參試材料的0.8%,該類群中株系穗長最長,但主莖長度、蘗數、產量均較低。培育高產品種可以從第Ⅲ、Ⅴ類群中篩選,尤其是第V類群要重點關注,可將它們作為高產育種的重要種質材料加以利用。

圖2 RIL群體農藝性狀的聚類分析

表6 谷子RIL群體不同類群間農藝性狀聚類統計

3 結論與討論

變異系數可以用來衡量一組數據的變異程度,變異系數越大,變異越豐富,越有利于篩選極端株系[28]。前人研究表明,谷子千粒質量變異系數最小,穗質量、穗粒質量、株高變異系數較大[29-30],本研究中,所用群體的變異規律與之相一致。與矮寧黃×晉谷21的F2群體株高、穗長、穗下節長、穗粗、穗質量、穗粒質量、千粒質量等性狀相比,該RILs群體對應性狀變異系數均變小[12]。Zhi等[31]對矮88×遼谷1號F10群體在13個環境下研究發現,除穗長和穗粗變異系數略大外,其他性狀的變異系數都相當。與Liu等[32]豫谷1號×隴谷7號F2∶10相比,除穗長變異系數略大,其他性狀的變異系數都相當。本試驗中,大同的各性狀的變異系數普遍高于長治、榆次,但各性狀變化趨勢基本相同。穗質量、分蘗數和穗粒質量變異系數較大,最易受生長環境影響,雜交后代各單株間各性狀變異類型豐富,遺傳改良潛力較大。其他性狀受環境的影響相對較小,說明這些性狀相對穩定,可以作為育種選擇的重要農藝性狀。

數量性狀由多基因控制,且基因之間也具有連鎖關系,使得各表型之間可能具有一定的關聯性[33],因此,許多育種和栽培學者認為,作物株型性狀與產量性狀存在相應的相關性。分析谷子株型和產量性狀關聯性,有助于快速定位谷子株型改良的關鍵性狀。王君杰等[34]提出,植株過矮,生物量嚴重降低,產量性狀指標降低,最終減低產量。植株較高會減少葉片遮擋面積,有助于CO2擴散,有利于提高光合效率、灌漿。本研究相關性分析發現,穗質量和穗粒質量與株高、主莖長度、穗長、穗下節長及節數呈極顯著正相關,穗質量與旗葉長呈顯著正相關,穗質量、穗粒質量與分蘗數呈極顯著負相關,表明這些性狀間的QTL連鎖可能性較大;而千粒質量與任何株型性狀均無顯著性,暗示千粒質量與其他農藝性狀可能不存在連鎖,在遺傳改良中容易固定和選擇。

谷子農藝性狀與產量之間存在復雜關系。劉思辰等[35]對212份山西谷子種質資源研究表明,穗質量和穗粒質量與株高無顯著性,千粒質量與莖長、穗長和穗粗均呈極顯著正相關,與株高和節數均呈極顯著負相關;Fang等[15]以用豫谷1號和隴谷7號F2、F2∶4為材料進行研究表明,千粒質量與主莖長度、穗質量和穗粒質量呈極顯著正相關,與節數呈負相關;陳笑[36]研究發現,穗質量和穗粒質量與穗粗無顯著性、千粒質量與株高、穗長均呈極顯著正相關,以上研究結果之間以及與本研究結果之間都存在不完全一致現象,原因可能與試驗材料種類、數量、試驗環境等不同有關。因此,今后需要加強不同群體多環境下的聯合鑒定評價。

本研究對RIL群體進行了主成分分析,結果表明,前4個主成分累計貢獻率達到93.938%,對產量性狀的貢獻最大的主成分是旗葉長因子,其次是株高構成因子、旗葉寬因子和穗下節長因子。高產育種時,要適當減少旗葉長和葉面積,在株高改良育種時,要重點關注主成分值株高構成因子;在谷子株型育種,第2主成分值旗葉寬因子是最值得關注的。根據各主成分對高產育種的價值,入選材料要第1主成分適中,第2,3,4主成分偏大為依據,重點從旗葉長、主莖長度、旗葉寬、穗下節長等性狀來改良谷子株型,提高產量。

在遺傳分離群體中易于獲得超親和綜合性狀良好的株系,是篩選具有較高育種價值株系的有效資源。研究的性狀越多,聚類時越能呈現出整體的客觀情況,聚類分析時結合主成分分析,過程更簡便、分析更可靠[37-41]。本試驗中,126份后代株系可分為7類,第Ⅴ類群的產量最高,株高、主莖長度、穗長中等,分蘗數偏低,3個株系均可用于高產矮稈寡分蘗谷子的育種,尤其第79個株系的穗質量、穗粒質量超過高產親本晉谷21,綜合性狀優良,可作為品種改良的重要資源。第Ⅲ類群的25個株系的株高、主莖長度、穗長、穗質量、穗粒質量性狀綜合表現良好,分蘗數最少,因此,這25個株系可用于高產谷子新品種選育的種質材料。

RIL群體在3個環境條件下,株型和產量性狀變異豐富,近似正態分布,變異系數為6.86%～31.71%,多數性狀存在雙向超親分離現象。穗質量、穗粒質量與株高、主莖長度、穗長、穗下節長和節數呈極顯著正相關,而與分蘗數呈極顯著負相關,穗質量還與旗葉長呈顯著正相關?？蓮闹旮摺⒅髑o長度、分蘗數性狀提高谷子產量。篩選出第45,79,181等3份優異株系,表現出主莖長度和穗長中等、產量高、寡分蘗等特性,可作為高產矮稈寡分蘗谷子品種選育的骨干親本。