新疆谷子種質資源評價及產業研究進展

馮國郡,胡相偉,趙 云,于 明,張述功,周道良

(1.新疆農業科學院糧食作物研究所,烏魯木齊 830091,2.瑪納斯縣祥和農機有限責任公司,新疆瑪納斯縣 832200)

0 引 言

【研究意義】谷子具有耗水少、抗旱耐瘠、營養豐富均衡、糧飼兼用等特點[1-5]。谷子因其較小的二倍體基因組、自花授粉、高繁殖系數、較小的株高和易于操作栽培方法,以及生育周期短、易于快速繁殖等特點,近年來作為 C4 和抗旱耐逆研究的模式系統越來越受到植物遺傳學界的關注[6]。1949年至2014年,谷子在新疆昌吉、塔城、博州、伊犁等地零星種植,產品自給自足;市場上銷售的小米基本從內蒙古、陜西、東北、山西等地調入,每年交易量約3×104t左右。2015年以后,由于品種和栽培技術的成熟以及大型企業和農業合作組織的主導參與,谷子種植面積呈現逐年增長的態勢,目前年均1.33×104hm2(20萬畝)以上,種植區域主要分布在北疆的昌吉、塔城、伊犁、博州、阿勒泰等地區,南疆的巴州、喀什、阿克蘇等地區。新疆目前有大型小米加工廠3個,年加工能力均在2×104t以上,還有若干小型小米加工廠。小米市場主要分為農產品批發市場、超市、電子商務等類型。新疆谷子主要以初級加工為主,小米產品60%～70%為新疆本地消費,其余30%～40%銷往廣州、成都、上海、河南等省(市)。【前人研究進展】谷子(SetariaitalicaBeauv.)又稱為粟,去殼后稱為小米,屬禾本科黍族狗尾草屬。谷子起源于中國黃河流域[7],新石器時代中早期完成馴化,成為農耕文化的主栽作物[8-11]。我國北方粟種植呈上升趨勢,并逐步成為主糧作物[6]。粟在中國北方地區馴化后,向西經甘肅河西走廊傳入新疆地區,河西走廊地區是粟通往新疆的關鍵節點;新疆地區也被認為是粟黍旱作農業向西擴張的通道[13]。源自中國的粟黍和源自西亞的小麥/大麥在我國新疆形成的粟黍-小麥/大麥農業[14]。粟是在我國新疆種植較早的一種糧食作物[14-16],遠古時期新疆的農牧業格局是以粟黍-小麥/大麥-畜牧為特征的混合經濟。其后, 小麥和粟黍在新疆出現的頻次都顯著增加[17],畜牧漁獵經濟逐步被農業加畜牧業的混合經濟取代[14]。南疆地區除了宜于糧食種植外, 又多了瓜果蔬菜[19]。黍、粟、青稞、小麥、桃、稗子、小獐毛和苦豆子等 8 種,粟是新疆的主要糧食作物,隨時間推移,小麥、玉米和水稻等高產作物種植逐漸擴大,而粟、高粱、黍等作物的種植則減少[20-22]。【本研究切入點】有關新疆谷子產業研究進展方面的文獻很少。需匯總新疆谷子現狀及研究進展。【擬解決的關鍵問題】收集谷子國內外相關文獻,匯總并對比分析,為新疆谷子產業發展提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

檢索國內外谷子產業發展和相關文獻資料、數據及實地調研的方法。

1.2 方 法

運用統計計量學方法匯總并分析。

2 結果與分析

2.1 新疆谷子研發現狀

研究表明,2007～2022年收集引進國內外谷子種質資源2 886份,國內主要來自北京、河北、山西、內蒙古、黑龍江、吉林、河南、甘肅、陜西、新疆等省(市、自治區);國外主要來自日本、朝鮮、印度、肯尼亞、匈牙利、羅馬尼亞、荷蘭、法國、德國、美國。其中進行抗旱谷子鑒定研究1 742份,進行耐鹽堿鑒定50份,篩選出抗旱谷子31份,耐鹽谷子4份。

2.2 谷子種質資源遺傳多樣性

研究表明,以 274 份谷子種質資源為材料,利用聚類分析和主成分分析方法,對參試資源 16 個農藝性狀的遺傳多樣性進行綜合評價,結果表明,參試材料的 11 個數量性狀的遺傳多樣性指數均大于 2. 000,在新疆表現出廣泛的遺傳多樣性。基于種質資源間形態標記的遺傳差異,將 274 份谷子種質資源聚類并劃分為 6 大類群。對9 個數量性狀的主成分分析表明,單株稈重、株高、主穗直徑3 個主成分因子累計貢獻率 70.41%,各主成分因子性狀載荷值反映了育種中各性狀的選擇方向及潛力[23]。

應用SSR分子標記研究新疆谷子種質資源的遺傳多樣性,從分子水平明確新疆谷子種質資源遺傳多樣性的特點、親緣關系和遺傳背景等,為谷子分類研究和雜交親本選配提供理論依據。采用UPGMA法進行聚類分析,在遺傳相似數為0.75處,124份谷子種質資源被劃分為4個類群。聚類結果說明,同一區域谷子育成品種的親緣關系較近,被聚在一類,遺傳基礎較為狹窄,通過加強不同種質間的組配利用及特異親本類型的創制對于谷子遺傳育種改良至關重要。結合表型性狀分析和分子標記分析,基本明確各品種間的親緣關系,構建新疆谷子核心種質,選擇并推薦一批優異谷子資源供育種利用。表型性狀及 SSR 聚類分析均存在明顯的地理聚類特征,結合表型性狀鑒定出 12 份適宜新疆種植的谷子優異種質。包括植株矮稈、抗倒伏、產量表現較高的豫谷 18、公谷 76 號、中谷 2號和大同 34 號 4 份材料,這些材料適宜在北疆地區種植,矮稈有利于機械作業,具有明顯的增產潛力,其中豫谷 18、中谷 2 號在新疆復播表現優異,平均生育期 93 d、88 d,平均株高 89. 8 cm、103. 5 cm,平均產量 5 250 kg /hm2、5 175 kg /hm2; 濟谷 14、晉汾09、龍 34、長 24,此 4 份材料生物產量較高,適宜北疆地區作為飼草種植;龍 33、小紅谷、公谷 69 號、隴谷 12 號,該 4 份材料生育期較短,籽粒產量及生物產量都較高,適宜在新疆北疆沿天山一帶冷涼地區種植[24]。

2.3 新品種選育及優異基因挖掘

研究表明,新疆谷子目前為自育與聯合選育相結合。主要采用雜交選育、誘變等常規手段,分子標記為輔。目前有抗除草劑高代材料2 000份,苗頭組3個,參加國家聯合鑒定品種1個。2007～2011年在新疆烏魯木齊、昌吉州奇臺、木壘、博州博樂市、克拉瑪依市、阿勒泰福海縣、塔城額敏縣對150個品種進行多年多點品種鑒定,篩選出8個品種參加自治區2012～2013年谷子區域試驗,3個品種參加2014年生產試驗,2015年自治區品種審定委員會登記品種豫谷18。另有3個品種待登記。對425 份核心谷子資源進行不同物候期的干旱脅迫,調查測定形態、產量等農藝性狀,篩選鑒定出不同物候期的谷子抗旱種質。通過對谷子全基因組測序,結合表型數據進行全基因組關聯分析(GWAS),尋找與抗旱性相關的 SNP 位點、優異等位變異。

2016～2018年新疆南北疆推廣中谷2號、豫谷18等谷子品種1.409×104hm2(21.136萬畝),平均單產達到414.7 kg/667m2;項目期分別在南北疆建立7個核心示范區,核心示范區總面積219 hm2(3 285畝),單產522.8 kg/667m2;創建高產田2個,面積共26.67 hm2(400畝),產量580.0 kg/667m2;北疆瑪納斯新湖農場2016年13.33 hm2(200畝)連片產量達680.5 kg。

南疆主要為麥后復播谷子,生育期90 d以內。2014年起在喀什、和田、阿克蘇等地進行春播、復播種植。2015在喀什莎車等巴旦杏樹林套種近千畝谷子,4月1日播種,8月10日成熟,生育期120 d左右,平均單產297.6 kg/667m2。除了春播,當地也利用熱量資源豐富進行復播種植。2015～2017年在喀什澤普進行品種篩選試驗和高產栽培技術試驗及機械改裝配套,試驗品種45個,篩選出較好的品種有冀谷38號、豫谷1號、衡谷13號、衡谷17號、保谷23、冀谷37號、冀谷36號、中谷2、安13-5415、豫谷19號、豫谷18號、豫谷31號、豫谷32號、安11-5365,品種折合單產產量在393.1～469.3 kg/667m2,生育期在88～91 d,株高83.4～103.0 cm,生物產量在2 027.2～3 151.6 kg/667m2,干草重在536.0～800.4 kg/667m2,這些品種抗倒伏、抗病蟲害較好;飼草專用品種跑死馬和飼草229生物產量分別為3 132.5 kg/667m2和2 070.1 kg/667m2,其它性狀表現均較好。2016年澤普3.33 hm2(50畝)示范田平均單產386.6 kg/667m2;2017年對澤普縣依克蘇鄉文托皮恰村17.67 hm2(265畝)谷子示范點進行了實地測產驗收,種植品種為豫谷18號,田間長勢良好,穗行整齊,株高平均為1.05 m,穗數34 087株/667m2,實測產量為313.0 kg/667m2。2018～2022年連續5年在喀什疏勒縣庫木西力克鄉進行豫谷18號20 hm2(300畝)以上高產示范方建設,由2018年313.4 kg/667m2到2021年最高358.0 kg/667m2,產量提升了12.5%。

2.4 新疆小米及谷草品質檢測

研究表明,新疆生產的小米色澤金黃、口感粘香,主要營養成分蛋白、淀粉、脂肪、硒等含量超過國內多個省(市、自治區)。以豫谷18小米為例,北疆克拉瑪依相比較原產地河南安陽,蛋白質含量高出14.0%,淀粉含量高出5.77%,粗脂肪含量高出115.2%,硒含量高出189.4%。喀什澤普小米相比較原產地,蛋白質含量高出12.1%,淀粉含量高出18.02%,粗脂肪含量高出89.9%,硒含量高出48.2%;喀什疏勒小米較原產地蛋白質含量高出21.8%,粗脂肪含量高出67.7%,硒含量高出252.9%。表1

表1 新疆小米與原產地營養成分比較

谷子作為糧飼兼用作物收獲籽粒后的秸稈粗蛋白含量 4.53%～5.34%, 粗脂肪含量 1.12%～1.36%,雖然低于豆科植物, 但是明顯高于其他禾谷類作物,尤其是可消化成分高, 其飼喂價值接近豆科牧草[25]。對于不收獲籽粒的專用谷子飼草品質, 如美國的Golden German 谷子品種其干草的粗蛋白含量為9.7%～13.0%[26], 肉牛獲得同等收益其食用谷草的成本低得多[27-28]。我國谷子品種豫谷18抽穗期全株收獲粗蛋白含量13.22%,高于美國專用谷草;成熟期去掉籽粒后檢測秸稈的粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、總磷、總鈣等,其粗蛋白高于吳寶華等[25]研究結果,與智慧等[29]對47個品種谷子品種飼用品質檢測成分相比,均處于中等偏上水平,尤其是澤普復播谷子秸稈鈣含量超過最高水平。表2

表2 豫谷18谷草營養成分(干基)

2.5 新疆谷子精量播種期的研制改進

研究表明,新疆谷子播種從人工條播、機械條播,發展到機械半精量播種、精量點播,精量點播又采取限量版控制、彎頭控制、槽輪取種等措施不斷改進,使精量點播效果更加精確,由之前每穴下種0～20粒且不均勻現象,到目前精準可控,可按照需求下種1～2粒、3～4粒、 5～6粒、7～8粒。將統的槽輪條播改為穴播盤穴播,由粗放變為半精量播種,這種穴播盤改變了谷子種植播種模式。由于谷子流動性較大,顆粒太小,一般穴播盤由于制造精度不高, 縫隙較大,易產生跑漏現象。對此采用了減少縫隙,提高加工精度,在穴播盤的動盤、定盤之間加裝密封O型圈的辦法加以解決。

采用在接種管與定盤進種口處加限量板或限種盒的方法,對種子流量加以控制。

采用減小直徑、減少彎頭轉角的接種管限種,對進種有一定的控制作用,但隨穴播盤工作中震動及轉速不勻的狀況下,仍不能較好的限制存種面高低。

采用一套新式限量進種:在穴播盤動盤中心位置設置可調槽輪,隨穴播盤同步轉動,定盤上設置限量進種護瓦。在穴播盤外部調整槽輪的進種槽大小設置進種量,從而精確控制穴播盤內部存種面高低,使取種器始終在較低的種面取種,提高取種器取種的穩定性。

3 討 論

“山西小米”、“延安小米”、“敖漢小米”的品牌價值和影響力攀升[4]。 新疆谷子高產栽培技術分為三個階段:2010年之前北疆春播溝灌或漫灌高產栽培技術,南疆林果田套播谷子漫灌技術,谷子主要為起壟條播,生育期澆水2～4次,為大水順溝漫灌,肥料在澆水前施入苗側或灑施水中;2011～2014年應用滴灌條播覆膜水肥一體化技術,一般用小麥或油菜等播種機調試再加炒熟籽粒、混配飼料、細沙等進行播種,以減少間苗定苗工作量;2015年起推廣精量點播水肥一體化全機械化栽培技術,將精量點播、鋪膜、鋪滴灌帶、覆土、鎮壓一次性完成,施肥也是隨著滴灌定量滴在植株側15～20 cm處,做到均勻精準[30-31]。南北疆谷子田主要雜草由稗草、狗尾草、藜、反枝莧、馬齒莧和苘麻等組成;并篩選出防效較好的除草劑[32-33]。

4 結 論

采用UPGMA法進行聚類分析,在遺傳相似數為0.75 處,124份谷子種質資源被劃分為4個類群。通過SSR聚類分析,結合表型性狀篩選鑒定出12份適宜新疆不同生態區種植的谷子優異種質。目前,即主要采用雜交選育、誘變等常規手段,分子標記為輔。新疆目前登記谷子新品種1個,待登記品種3個;集成覆膜滴灌、精量點播、水肥一體化、化控除草等關鍵技術,發布自治區地方標準2項,研發6部高產高效栽培技術規程,大幅度提升南北疆谷子產量。新疆生產的小米色澤金黃、口感粘香,主要營養成分蛋白、淀粉、脂肪、硒等含量均超過國內多個省(市、自治區)。新疆小麥、玉米、棉花等生產上使用的中耕機、割曬機、聯合收獲機經過改裝調整可應用于谷子田間管理和收獲等環節,結合研制出的谷子精量穴播器,使新疆谷子生產從播種到收獲實現全程機械化。