耐鹽堿高粱親緣關(guān)系分析及農(nóng)藝性狀評(píng)價(jià)

周 偉, 余忠浩, 孫思思, 張?jiān)婄? 王昕悅, 史立昕, 麻天龍, 劉 慧, 周亞星

(1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)科爾沁沙地生態(tài)農(nóng)業(yè)國(guó)家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 內(nèi)蒙古 通遼 028000; 2.內(nèi)蒙古工程項(xiàng)目管理有限公司, 呼和浩特 010000)

高粱(sorghumbicolor(L.) Moench)又稱烏禾、蜀黍,為禾本科高粱屬一年生草本植物,是世界第五大禾谷類作物[1]。高粱營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高,用途廣[2-3],具有耐鹽、耐酸、耐旱、耐貧瘠等特性[4-7]。

截至2006年,世界范圍內(nèi)收集和保存的高粱種質(zhì)資源已達(dá)到168 500份,我國(guó)“七五”期間完成了大批量高粱種質(zhì)資源抗病性鑒定、遺傳多樣性的分析以及核心種質(zhì)構(gòu)建[8]。全球土地沙漠化、鹽堿化日益嚴(yán)峻,嚴(yán)重地限制了植物生長(zhǎng)與生產(chǎn)[9],成為阻礙農(nóng)業(yè)發(fā)展的巨大障礙。目前,全球鹽堿地面積為9.544億hm2,我國(guó)鹽堿地總面積為9 913萬hm2,約占我國(guó)國(guó)土面積的10.33%[10],主要集中在西北、東北、華北及濱海等地區(qū)[11-12]。因此,選育耐鹽堿高粱,運(yùn)用高粱獨(dú)特的抗逆能力開發(fā)利用旱地、鹽堿地,是提高地區(qū)經(jīng)濟(jì)收入的一項(xiàng)有效措施[13]。

ISSR分子標(biāo)記具有基因組中豐富度高、多態(tài)性水平高等優(yōu)點(diǎn),不受環(huán)境、組織特異性等因素的影響[14]。張玲麗等[15]對(duì)西農(nóng)979的主要供體利用分子標(biāo)記進(jìn)行了親緣關(guān)系分析,明確了小麥品種西農(nóng)979對(duì)赤霉病的抗性遺傳基礎(chǔ);王升星等[16]對(duì)三大麥區(qū)190份小麥品種親緣關(guān)系進(jìn)行分析,結(jié)果表明,長(zhǎng)江中下游冬麥區(qū)與西南冬麥區(qū)小麥親緣關(guān)系較近;陳業(yè)等[17]利用ISSR分子標(biāo)記對(duì)23種中國(guó)兜蘭屬植物進(jìn)行親緣關(guān)系分析,將23種兜蘭劃分為3個(gè)類群;王英成等[18]對(duì)16個(gè)青貯玉米的13個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)分析,篩選出綜合性狀優(yōu)良適宜推廣種植的品種;潘曉雪等[19]對(duì)106份水稻材料的12個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)分析,篩選出綜合性狀優(yōu)良的種質(zhì)。高粱在我國(guó)具有悠久的種植歷史,但高粱的研究進(jìn)展較其他糧食作物緩慢,在收集和保存的大量種質(zhì)資源中,運(yùn)用分子標(biāo)記等技術(shù)對(duì)其遺傳多樣性的研究較少,種質(zhì)資源利用率低,高粱品種混雜,大部分種質(zhì)資源親緣關(guān)系尚不明確,成為育種工作的極大阻礙。因此,運(yùn)用分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)高粱種質(zhì)資源親緣關(guān)系的確定以及根據(jù)不同的目標(biāo)性狀建立種質(zhì)資源庫(如耐鹽堿高粱核心種質(zhì))對(duì)高粱的發(fā)展極其重要。本研究借助分子標(biāo)記對(duì)17個(gè)耐鹽堿高粱的親緣關(guān)系進(jìn)行研究,將17個(gè)品系進(jìn)行分類,并對(duì)其主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性分析和主成分分析,初步篩選出綜合性狀優(yōu)異的品系,為耐鹽堿高粱種質(zhì)資源利用以及新品種的選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為從高粱核心種質(zhì)庫中篩選的17個(gè)耐鹽堿高粱品系,具體名稱見表1。

表1 耐鹽堿高粱品系名稱及編號(hào)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市科爾沁區(qū)農(nóng)業(yè)高科技示范園區(qū)。年平均氣溫6.8 ℃,≥10 ℃的活動(dòng)積溫年平均值為3 200 ℃,平均無霜期154 d,生長(zhǎng)季降雨量395.3～443.4 mm,土壤為灰色草甸土,分別進(jìn)行農(nóng)藝性狀調(diào)查和ISSR分子標(biāo)記(表2)。

表2 ISSR-PCR反應(yīng)體系構(gòu)成

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

ISSR分子標(biāo)記分析通過擴(kuò)增條帶在瓊脂糖凝膠上出現(xiàn)與否分別用1或0來標(biāo)記。根據(jù)條帶信息建立“1”和“0”矩陣,使用IBM SPSS stastistic19軟件進(jìn)行聚類分析,構(gòu)建17個(gè)耐鹽堿高粱品系的親緣關(guān)系樹狀圖,以及各性狀間相關(guān)性分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 耐鹽堿高粱ISSR-PCR相關(guān)分析

2.1.1ISSR-PCR擴(kuò)增分析

本試驗(yàn)共篩選出5條引物。其中,引物UBC840:GAGAGAGAGAGAGAGACTT多態(tài)性最好,圖1為UBC840引物擴(kuò)增產(chǎn)物的電泳結(jié)果。

注:M為Marker 2 000 bp;1～17為高粱品系編號(hào)。下同。

2.1.2聚類分析

利用分子標(biāo)記檢測(cè)數(shù)據(jù)構(gòu)建類平均聚類法樹狀圖譜,結(jié)果(圖2)顯示,在遺傳相似系數(shù)為0.75處,耐鹽堿高粱材料被分為兩大類。第1類包含7份材料,分別為TP1012、HH64、TW32、MM21、BK33、AM2、7982,其中:AM2、7982、MM21以及BK33的親緣關(guān)系較近,HH64和BSE85的親緣關(guān)系較近,而TP1012與HH64和BSE85的親緣關(guān)系稍遠(yuǎn),AM2、7982、MM21、BK33、HH64、BSE85、TP1012的遺傳相似系數(shù)均在0.85以上。第2類包含10份材料,分別為MK39、SL93、AT53、SW72、1056、S8、WS912、TT656、NM9、7107,在遺傳相似系數(shù)為0.85處又分出3個(gè)分支,每個(gè)分支中TT656和7107親緣關(guān)系最近,TT656、7107和S8親緣關(guān)系較近,與S8親緣關(guān)系較遠(yuǎn);AT53和SW72親緣關(guān)系最近,AT53、SW72和SL93親緣關(guān)系較近,與SL93親緣關(guān)系較遠(yuǎn);WS912與NM9親緣關(guān)系最近,MK39與1056親緣關(guān)系最近。

圖2 耐鹽堿高粱ISSR聚類分析

2.2 耐鹽堿高粱農(nóng)藝性狀相關(guān)分析

2.2.1參試品系各性狀比較

供試耐鹽堿高粱各性狀比較結(jié)果見表3。株高最高的是7982,為368.07 cm,最低的是TW32,為88.67 cm;莖粗最粗的是MM21,為2.27 cm,最細(xì)的是TP1012,為1.17 cm;生育期最長(zhǎng)的是SW72,為131.46 d,最短的是SL93,為100.67 d;葉傾角最大的是NM9,為49.66°,最小的是TT656,為19.44°;穗長(zhǎng)最長(zhǎng)的是HH64,為31.00 cm,最短的是1056,為21.17 cm;穗柄長(zhǎng)最長(zhǎng)的是AM2,為31.43 cm,最短的是7107,為16.60 cm;穗重最重的是S8(131.33 g),遠(yuǎn)高于其他品種,穗重100 g以上的還有TT656和7107,MK39、AT53和HH64穗重較重,TP1012、AM2和1056穗重最輕,分別為59.00 g、53.33 g和53.00 g;穗粒重最重的是S8,為111.33 g,HH64和TT656穗粒重較重,分別為83.00 g、89.67 g,NM9穗粒重最輕,為47.67 g;千粒重最重的是WS912,為37.54 g,AT53、MM21和S8千粒重較重,分別為36.11 g、35.00 g和35.34 g,1056千粒重最輕,為16.70 g;MK39、SL93、AT53、SW72、TW32和7982的殼色為黑色;TP1012、HH64、MM21、BK33、AM2、1056、S8、WS912、TT656、NM9和7107的殼色為紅色;MM21的粒色為白色,HH64的粒色為灰白色,AT53和SW72的粒色為灰色,其他品系均為褐色;BK33的粒形為長(zhǎng)橢圓,TP1012、AT53、SW72、HH64、MM21和1056的粒形為圓形,其他品系的粒形均為橢圓形。綜合比較之后,初步篩選出株高較高、莖粗粗壯、穗長(zhǎng)較長(zhǎng)、穗重較重、穗粒重較重、千粒重較重的優(yōu)異耐鹽堿高粱品系(AT53、SW72、HH64、S8、WS912和TT656)。

表3 參試耐鹽堿高粱農(nóng)藝性狀匯總

2.2.2相關(guān)性分析

對(duì)12個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果(表4)表明,株高與莖粗呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.633 3。株高與葉傾角、穗柄長(zhǎng)呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.483 8和0.539 4。莖粗與生育期呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.607 7。穗長(zhǎng)與粒色呈顯著負(fù)相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.555 7。穗重與穗粒重呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.968 3。粒色與粒形呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.603 6。

表4 參試耐鹽堿高粱各植株性狀相關(guān)性分析

2.2.3主成分分析

對(duì)供試材料的12個(gè)主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析,得到12個(gè)性狀遺傳相關(guān)矩陣的特征值和特征向量(表5～表8)。其中前5個(gè)主成份特征值大于1,且累積貢獻(xiàn)率達(dá)85.374 2%。選取前5個(gè)主成分來代替12個(gè)性狀指標(biāo)進(jìn)行分析。第1主成分主要為株高、莖粗、葉傾角等主要反映與產(chǎn)量有關(guān)的植株體性狀;第2主成分主要為生育期、莖粗、穗長(zhǎng)等,主要反映高粱的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量;第3主成分主要為粒重、穗粒重、殼色等;第4主成分主要為穗長(zhǎng)和殼色;第5主成分主要為穗長(zhǎng)和穗柄長(zhǎng)。

表5 農(nóng)藝性狀主成分分析

表6 各性狀的特征根與特征向量

表7 主成分分析因子得分

表8 各性狀載荷矩陣

3 討 論

提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)主要有遺傳改良和環(huán)境改善兩種途徑[20],在優(yōu)化鹽堿地高粱品種各農(nóng)藝性狀中遺傳改良是關(guān)鍵。高粱作為第一個(gè)完成三系配套的農(nóng)作物具有極高的雜種優(yōu)勢(shì),高粱雜種優(yōu)勢(shì)的利用也成為高粱育種的首要方法,采用分子標(biāo)記技術(shù)研究不同耐鹽堿高粱的親緣關(guān)系對(duì)組配雜交組合十分重要。本研究應(yīng)用ISSR分子標(biāo)記技術(shù)進(jìn)行聚類分析,有效得出耐鹽堿高粱品系間的親緣關(guān)系并進(jìn)行科學(xué)劃分。

聚類分析可以幫助育種工作者有效地組配親本,選擇差異互補(bǔ)的親本,更好地發(fā)揮雜種優(yōu)勢(shì)[21]。聚類分析將17份耐鹽堿高粱種質(zhì)資源分為兩大類,這兩類種質(zhì)間存在相互區(qū)別的特征,可供育種者選擇利用。第1類株高較高,莖粗較粗,生育期較長(zhǎng),穗長(zhǎng)和穗柄長(zhǎng)較長(zhǎng),殼色多為紅色,粒色多為褐色,AM2和1056為灰白色和白色,粒形以圓形和橢圓形為主;第2類葉傾角較大,穗重、穗粒重和千粒重較重,殼色為紅色和黑色,粒色多為褐色和灰色,粒形多為橢圓形,其中綜合性狀較優(yōu)的有6個(gè)品系(AT53、SW72、HH64、S8、WS912和TT656)屬于第2類,說明第2類綜合性狀較好,具有較高的利用價(jià)值,可作為耐鹽堿高粱育種的優(yōu)質(zhì)親本。

本研究表明,在選擇育種目標(biāo)時(shí),應(yīng)注重對(duì)不同性狀的選擇,以穗重、穗粒重、株高和穗柄長(zhǎng)為主要改良目標(biāo),莖粗、生育期和粒色為輔,最大可能地獲得遺傳穩(wěn)定的優(yōu)良品系。這與張一中[22]的研究結(jié)果基本一致。

多元統(tǒng)計(jì)的主成分分析中,前5個(gè)主成分是決定耐鹽堿高粱種質(zhì)多樣性的主要因素。其中第1主成分大的種質(zhì)具有莖稈粗壯的特點(diǎn),這與王官等[23]的研究相一致;但第2主成分大的種質(zhì)具有生育期長(zhǎng)的特點(diǎn),這與其研究存在差別,可能是由于耐鹽堿高粱和甜高粱品種間的差異而導(dǎo)致。從貢獻(xiàn)率來看,第1主成分的貢獻(xiàn)率最大,主要為株高、莖粗、葉傾角等農(nóng)藝性狀,通過對(duì)農(nóng)藝性狀間相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)第1主成分中的株高與莖粗、生育期與莖粗、粒色與粒形等也呈極顯著相關(guān),說明這些性狀不僅相關(guān)性高,對(duì)其改良也較易進(jìn)行。在育種中著重關(guān)注第1主成分能更好地改良種質(zhì)。

4 結(jié) 論

本研究通過ISSR分子標(biāo)記進(jìn)行親緣關(guān)系分析,將17份耐鹽堿高粱品系分為兩大類,第1類包括TP1012、HH64、TW32、MM21、BK33、AM2和7982,第2類包括MK39、SL93、AT53、SW72、1056、S8、WS912、TT656、NM9和7107。并對(duì)其主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行分析,初步篩選出6份優(yōu)異的耐鹽堿高粱,分別為AT53、SW72、HH64、S8、WS912和TT656。