內蒙古不同盟(市)谷子農家種表型比較分析

趙雅杰, 溫 蕊, 賈祎明, 張繼宏, 丁 鑫, 張永虎

(1.內蒙古自治區農牧業科學院, 呼和浩特 010031;2.清水河縣農牧和科技局, 內蒙古 清水河 011699;3.內蒙古準格爾旗農牧局, 內蒙古 準格爾旗 010499)

谷子(SetariaitalicBeauv)起源于中國,屬禾本科狗尾草屬,具有較強的抗旱耐瘠性,是旱作農業的理想作物,我國內蒙古東部、河北及山西大部、陜西北部、甘肅東部和寧夏中部等地為谷子的優勢產區,馴化栽培歷史超過10 000年,種植面積常年穩定在133萬hm2左右[1-2],占世界的90%以上。谷子的秸稈和籽粒具有其他谷類不具備的飼用價值優勢[3],常作為優質飼草在農牧交接地區廣泛種植。近年來,谷子作為低耗水肥的環境友好型作物,迅速發展成為抗旱、耐逆及C4光合途徑研究的模式作物[4]。悠久的種植歷史以及我國多樣的氣候類型造就了豐富的谷子種質資源。我國是世界上谷子資源保存量最豐富的國家,占世界谷子資源保有量的80%[5]。目前,已被鑒定并編錄的谷子種質資源有27 059份,其中,國內26 536份,國外523份;粳質品種24 225份,占89.5%,糯質品種2 834份,占10.5%[6]。我國谷子種質有豐富的遺傳多樣性,具有很高的研究和利用價值。加強對種質資源的鑒定和遺傳多樣性研究及評價,對于了解谷子的起源、進化歷程和分類,正確認識谷子遺傳變異的程度及不同資源材料間的親緣關系具有重要意義,同時有利于育種工作者了解資源材料的全貌,正確選擇親本材料及技術路線[7]。本研究從內蒙古各地引進優良谷子品種,在呼和浩特市進行田間種植鑒定,篩選適應當地氣候的高產優質品種,并對表型性狀進行相關分析,為當地谷子生產提供優良品種,又可為谷子優良品種選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料為內蒙古自治區包頭市、呼和浩特市、鄂爾多斯市、興安盟、通遼市、烏蘭察布市收集的34份谷子資源(表1)。

1.2 方 法

2021年在內蒙古自治區農牧業科學院試驗基地種植參試品種,田間采用順序排列設計,每個材料種植4行,行長4.0 m,行距40 cm,株距8 cm,試驗地土壤肥力中等,灌溉方式為噴灌,其他田間管理同當地大田。幼苗期至成熟期記錄所有材料生長情況。

1.3 性狀考察

播種后,田間記載出苗期、成熟期,并計算生育期。成熟后,每個重復中間行隨機連續選10株,田間調查主莖長度、主莖直徑、主莖節數、穗下節間長度、葉片數、旗葉長度、旗葉寬度;收獲樣株,室內調查主穗長度、主穗直徑、主穗重、主穗粒重、千粒重,并計算主穗粒數。收獲后,測定小區產量,并折算產量。所有性狀考察均按照《谷子農藝性狀形態特征鑒定標準》[8]進行。

1.4 數據分析

用Excel2016軟件進行初步統計,用SPSS23.0軟件進行相關性分析、主成分分析等。

2 結果與分析

2.1 質量性狀遺傳多樣性分析

34份谷子質量性狀分布如圖1所示,多樣性較豐富。葉色為綠色和淺紫色,綠色居多;葉鞘色多為綠色和中等紫色;花藥顏色以黃色居多;刺毛長度多為長毛,短中毛居中;穗碼密度分布較豐富;穗型以紡錘形為主;谷色為白、紅、黃,分布均勻;米色較豐富,分為5種,以黃色為主。

圖1 內蒙古34份谷子種質質量性狀多樣性分布

2.2 各材料主要性狀表現

34份材料主要性狀見表2。各材料生育期平均為(123±11.56)d,株高平均為(186.43±23.05)cm,穗長平均為(28.72±4.64)cm,莖粗平均為(9.61±1.71)mm,穗粗平均為(29.96±5.71)mm,穗頸長平均為(29.71±5.79)cm,出谷率平均為(84±4)%,單穗重平均為(29.92±8.86)g,單穗粒重平均為(24.91±7.89)g,千粒重平均為(8.40±0.37)g,產量平均為(140.1±43.59)kg/667 m2。從變異系數來看,34個材料各性狀間大小為:單穗粒重、產量、單穗重、谷碼數、穗頸長、穗粗、莖粗、株高、穗長、千粒重、生育期,產量構成因子變異系數較大,說明遺傳較豐富。

表2 34份材料主要性狀

2.3 34份谷子種質資源相關性分析

對各材料的12個性狀進行相關性分析,結果(表3)表明,多個性狀間顯著相關。株高與節間數呈極顯著正相關,與穗頸長呈顯著正相關,與谷碼數呈顯著負相關;穗長、單穗重、出谷率與單穗粒重呈極顯著正相關;單穗重與產量呈顯著正相關;生育期與產量、谷碼數、莖粗、節間數等呈顯著正相關,但與穗頸長和千粒重呈顯著負相關,說明生育期越長,品種的生物量和產量越高,但穗頸變長,植株壓力變大,籽粒成熟度變差,千粒重降低。出苗-抽穗的時間與穗長、穗頸長、出谷率、千粒重呈顯著負相關關系;抽穗-成熟的時間與單穗重呈顯著正相關,單穗重與產量呈顯著正相關,綜合來看,生育期、農藝性狀、產量性狀間存在顯著相關性。

表3 34份谷子材料15個性狀間的相關性分析

2.4 供試材料主要性狀主成分分析

對15個性狀進行主成分分析,提取出4個主成分,累積貢獻率為70.487%(表4)。第一主成分特征值為4.113,貢獻率為27.422%,特征值中生育期、出苗-抽穗時間、莖粗、谷碼數有較高的載荷,稱第一主成分為生育時期構成因子,在選育過程應選擇生育期適當的品種,在種植過程中前期應注意降水量對莖粗、谷碼數的影響。第二主成分特征值為3.468,貢獻率為23.122%,特征值中單穗重、單穗粒重、穗長、抽穗-成熟時間為載荷較大的正向特征向量值,稱第二主成分為產量構成因子,單穗重、單穗粒重直接影響到產量。第三主成分特征值為1.745,貢獻率為11.633%,特征值中株高、節間數為主要正向特征向量,稱第三主成分為植株株高構成因子,為提高植株抗倒伏能力,選育過程中應適當降低株高。第四主成分特征值為1.247,貢獻率為8.310%,各性狀特征值均占比較小且均勻,稱第四主成分為生物量構成因子,由各特征向量值可看出,拔節期對節間數的影響較大,從而影響株高。

主成分得分情況見表5。Y-3、Y-7、Y-11、Y-16、Y-17得分較高,其中Y-3、Y-16、Y-17產量較高但生育期較長,株高較高,后期選育過程中需在保證產量的情況下盡量降低株高。

表5 34份材料主成分得分情況

2.5 34份材料各性狀聚類分析

將34份材料各性狀進行聚類分析,結果見圖2。當歐氏距離為20時,將34份材料分為三大類,第Ⅰ大類包含22份材料,該類群特征為株高、穗頸長偏高,生育期、產量適中;第Ⅱ大類包含3份材料,其中Y-17、Y-30產量較高,生育期均在130 d左右,Y-30株高低于100 cm,穗頸較短,但產量仍達到173.23 kg/667 m2,說明該品種較適宜本地種植;第Ⅲ大類包含9份材料,多數產量均低于120 kg/667 m2,且生育期均較長,不適宜本地種植,其中Y-22、Y-25產量較高,生育期在130 d左右,株高在140 cm左右,較適宜本地種植。

圖2 34份材料各性狀聚類分析

3 結論與討論

內蒙古種類繁多的谷子品種為谷子育種提供了基因資源和理論基礎,因此,谷子品種資源的豐富程度是育種及進行相關科學研究的重要物質基礎。谷子種質資源的來源很廣泛,包括本地種植的農家品種,經過育種家改良過的選育品種、有特色的育成品系或材料、國內外引進的種植材料以及經過人工誘變育成的新品種等。不同來源谷子品種間農藝性狀存在明顯差異。了解谷子品種各農藝性狀特點及其之間的相互關聯性,有助于育種目標性狀的確定,結合良種繁育,再配以優良的栽培管理技術,有利于發揮谷子品種內在的生產潛力[9]。張霞和馮永忠[10]對10份谷子品種的6個農藝性狀進行變異分析,6個農藝性狀的變異幅度為5.69%～76.16%,各農藝性狀的變異系數由大到小依次為白化病、穗粒質量、單穗質量、穗長、穗粗、千粒質量。本研究表明,葉色、葉鞘色、花藥顏色、刺毛長度、穗碼密度、穗型、谷色、米色等表型性狀多樣性較豐富,說明34份材料具有豐富的遺傳多樣性。15個農藝性狀的變異幅度為4.74%～31.69%,各農藝性狀變異系數由大到小依次為單穗粒重、產量、單穗重、谷碼數、穗頸長、穗粗、莖粗、株高、穗長、千粒重、生育期,西北春谷早熟區谷子品種生育期延長、株高增加、抗倒性降低等因素直接影響產量的提高,同時也不利于谷子機械化生產的發展[11],本研究中,生育期變異系數較小,說明這34份材料很難通過改變生育期來提高產量,而株高變異系數居中,可根據合理栽培及良種繁育適當降低株高,以提高產量。

谷子產量是由多個農藝性狀和環境條件共同作用的結果,產量組成因素關系復雜,不同地區、不同試驗點等因素都會對結果產生影響[12-15]。此外,中國谷子種質資源十分豐富,截止2008年,國家種質資源庫已保存種質超過27 000份,居世界首位[16]。近年來,研究者針對谷子的農藝性狀開展大量相關研究,利用不同的分析方法分析不同谷子品種的株高、莖粗、穗長、穗粗、穗粒數等農藝性狀與產量的關系[17-19],從而實現谷子的增產增效,改良和優化谷子品種的選育。徐峰等[20]研究表明,參試品種15個表型性狀觀察值均符合正態分布,對這些性狀間的相關系數進行分析,發現生育期、農藝性狀、產量性狀間存在顯著相關性,其中生育期、主莖長度、主莖直徑、葉片數、主穗重、主穗粒數、主穗粒重、千粒重這8個性狀與產量均極顯著正相關。本研究表明,穗長、單穗重、出谷率與單穗粒重呈極顯著正相關;單穗重與產量呈顯著正相關;生育期與產量、谷碼數、莖粗、節間數等呈顯著正相關,但與穗頸長和千粒重呈顯著負相關,說明生育期越長,品種的生物量和產量越高,但穗頸變長,植株壓力變大,籽粒成熟度變差,千粒重降低。出苗-抽穗的時間與穗長、穗頸長、出谷率、千粒重具有顯著負相關關系,而穗頸變長導致千粒重降低,導致產量降低,因此需在拔節期注意降水量,控制長勢,抽穗-成熟的時間與單穗重呈顯著正相關,單穗重與產量呈顯著正相關,因此灌漿時期尤為重要,為提高產量的關鍵時期,該時期控制病蟲害及積極應對不確定環境因素的影響對產量的提高起到至關重要的作用。

聚類分析可以觀察每一簇數據的特征,集中對特定的聚簇集合作進一步分析,主成分分析可以更好地將多個性狀歸納為幾個代表性因子,以反映參試品種的綜合表現。本研究將34份參試品種的15個性狀進行主成分分析、聚類分析,分為三大類群,歸納為農藝性狀構成因子、產量構成因子、植株株高構成因子、生物量因子等4個主成分,綜合各個主成分得知,在選育過程中應選擇生育期適當的品種,在種植過程中前期應注意降水量對莖粗、谷碼數的影響,為提高植株抗倒伏能力,選育過程中應適當降低株高以提高產量,綜合分析,篩選出生育期適當,株高適宜,產量較高的適宜本地區種植的材料3份,分別為:源自烏蘭察布市的紅谷子(Y-22)、烏蘭察布市的黃谷子(Y-25)、通遼市的香山白毛毛谷(Y-30)。本試驗結果可為優良谷子種質資源篩選和雜交親本選配提供參考依據。