149份春小麥種質資源遺傳多樣性分析

摘要：為篩選出高產優質的春小麥新種質資源，豐富黃土高原旱作雨養區春小麥種質資源的遺傳多樣性，以149份春小麥種質資源為研究對象，通過農藝性狀和品質性狀研究其遺傳多樣性，分析性狀間相關性，并運用聚類分析法篩選出高產優質的春小麥種質資源。結果表明，149份春小麥種質資源的10個品質性狀（籽粒灰分含量、水分含量、蛋白質含量、淀粉含量、降落數值、硬度、容重、濕面筋含量、弱化度、沉降值）的多樣性指數介于1.77～2.03，平均值為1.924；5個農藝性狀（小穗數、穗長、株高、單株穗數、單株產量）的多樣性指數介于1.84～2.04，平均值為1.958。供試春小麥種質各性狀具有豐富的多樣性，且變異類型豐富，其中單株穗數與單株產量呈極顯著正相關；單株產量與蛋白質含量呈極顯著負相關，與淀粉含量、濕面筋含量、降落數值呈負相關。通過聚類分析，篩選出了定西53號、10102-1、Mace、EmuRock 等4個性狀優良且變異類型豐富的春小麥種質資源。

關鍵詞：春小麥；種質資源；品質性狀；遺傳多樣性指數；聚類分析

中圖分類號：S512.1 文獻標志碼：A 文章編號：2097-2172（2024）06-0531-07

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2024.06.008

Genetic Diversity Analysis of 149 Spring Wheat Germplasm Resources

LI Xuhua， MU Liming， LING Peng

（Dingxi Academy of Agricultural Sciences， Dingxi Gansu 743000， China）

Abstract： To select high-yield and high-quality new germplasm resources of spring wheat and enrich the genetic diversity of spring wheat germplasm resources on the Loess Plateau dry farming and rain-fed areas，149 spring wheat germplasm resources were studied. Their genetic diversity was examined through agronomic and quality traits， correlations among traits were analyzed， and clustering analysis was used to select high-yield and high-quality spring wheat germplasm resources. Results showed that the diversity index of 10 quality traits （grain ash content， moisture content， protein content， starch content， falling number， hardness， bulk density， wet gluten content， weakening degree， sedimentation value） of the 149 spring wheat germplasm resources ranged from 1.77 to 2.03， with an average of 1.924， and the diversity index of 5 agronomic traits （number of spikelets， spike length， plant height， number of spikes per plant， yield per plant） ranged from 1.84 to 2.04， with an average of 1.958.The tested spring wheat germplasm resources exhibited rich diversity in traits and variation types. There was a highly significant positive correlation between the number of spikes per plant and yield per plant， a highly significant negative correlation between yield per plant and protein content， and negative correlations with starch content， wet gluten content， and falling number. Through clustering analysis， 4 spring wheat germplasm resources with excellent traits and rich variation types were selected： Dingxi 53， 10102-1， Mace， and EmuRock.

Key words： Spring wheat; Germplasm resource; Quality trait; Genetic diversity index; Cluster analysis

黃土高原旱作雨養區地域遼闊，土層深厚，氣候溫和，光照充足，晝夜溫差大，光熱資源豐富，有利于提高小麥光合效率和干物質積累，非常適合小麥的生長［1 ］，因此小麥是西北黃土高原旱作雨養農業區最主要的糧食作物之一［2 ］。小麥作為重要的糧食作物，如何保證高產穩產是關乎國家糧食安全和糧食供給平衡的重要問題［3 ］。因此，提高小麥種質資源的遺傳多樣性，根據育種目標和市場需求來選育小麥新品種，對推動黃土高原旱作雨養區小麥產業高質量發展具有重要意義［4 ］。

在育種過程中，種質資源的遺傳多樣性發揮重要作用。近年來，眾多學者就小麥種質資源的遺傳多樣性開展了研究，總體表現出種質的遺傳差異與種質地理來源有關系，不同區域小麥種質資源的遺傳特點及遺傳基礎具有明顯差異［5 - 9 ］。當前對于隴中黃土高原旱作區春小麥種質資源的遺傳特點研究較少，對新培育的育種資源缺乏綜合比較。另外，品質育種的指標測定較為復雜，研究小麥農藝性狀與品質性狀之間的關系，可在育種過程中利用正相關關系，快速篩選高品質種質資源，是快速選育小麥種質資源最有效的手段。

本研究以149份春小麥種質資源為研究對象，通過農藝形狀和品質特性研究其遺傳多樣性，并分析性狀間相關性，同時運用聚類分析法對遺傳多樣性進行聚類分析，以期篩選出新的高產優質春小麥種質資源，這對推動黃土高原旱作雨養區春小麥產業高質量發展和保障區域糧食安全意義重大。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

試驗在典型黃土高原旱作雨養區定西市農業科學研究院試驗基地進行，當地海拔1 920 m，年均氣溫8.3 ℃，年均降水量386.6 mm，年均日照時數2 600 h，無霜期平均為140 d。春小麥生育期（3月底至7月底）平均氣溫為13.6 ℃，降水量為210 mm［10 ］。試驗地土壤為黃綿土，耕層土壤含全氮0.8 mg/kg、堿解氮86.2 mg/kg、速效磷26.0 mg/kg、速效鉀203.0 mg/kg、有機質19.0 g/kg，pH 7.8。

1.2 試驗設計

149份春小麥種質材料于2021 — 2023年連續種植3 a，采用順序排序種植，不設重復。每份材料均種植4行，按行距0.3 m、行長1.5 m。3月29日播種，7月下旬成熟收獲，田間管理同大田。

1.3 田間觀測及室內考種

成熟期每小區隨機選取長勢均勻、株型一致的10株植株，測量株高和穗長，統計單株穗數和小穗數。收獲時每小區隨機選取10株測量單株產量。以上數據均重復3次并取平均值。

小麥蠟熟期每小區隨機選取40株小麥植株，手工脫粒曬干后用近紅外品質分析儀（NIRS DS-2500）測定小麥籽粒灰分含量、水分含量、蛋白質含量、淀粉含量、降落數值、硬度、容重、濕面筋含量、弱化度、沉降值等品質指標。

1.4 統計分析

遺傳多樣性指數的計算參照李晶等［11 ］的方法。

H′=-∑PilnPi，

式中，H′為遺傳多樣性指數，Pi為某一性狀第i個級別出現的頻率。

對供試個春小麥種質資源的農藝性狀和品質性狀進行相關性分析和主成分分析。以歐式距離作為供試資源間距離進行聚類分析，相關性分析、主成分分析和聚類分析均使用SPSS 19.0統計分析軟件。采用Excel 2013軟件處理數據并繪圖，各指標值均為每份春小麥種質材料3 a測定值的平均值。

2 結果與分析

2.1 品質性狀遺傳變異分析

從表1可以看出，10個品質性狀的多樣性指數介于1.77～2.03，平均為1.924，表明各品質性狀多樣性豐富，遺傳基礎廣。10個品質性狀的變異系數介于1.83％～50.64％。其中弱化度的變異系數最高，達到50.64%，即弱化度在小麥種質資源間有很大的差異，變異類型很豐富；降落數值和沉降值的變異系數分別為23.41%和16.44%，即降落數值和沉降值變異類型較為豐富；硬度、濕面筋含量和蛋白質含量的變異系數分別為8.91%、6.00%和5.82%，即這3個性狀種質資源間差異相對較小；灰分含量、水分含量、容重、淀粉含量的變異最小，變異系數分別為2.64%、1.83%、3.43%、2.45%，說明這4個性狀在種質資源間差異很小，很穩定。

2.2 農藝性狀遺傳變異分析

分析表2數據可知，供試各春小麥種質資源的5個農藝性狀的多樣性指數介于1.84～2.04，平均值為1.958。單株產量的變異系數最高，達40.97%，表明單株產量在不同春小麥種質資源間具有很大差異，且變異類型豐富；單株穗數、株高、穗長、小穗數的變異系數介于22.03%～28.27%，即這4個指標的變異類型較為豐富，多樣性指數較高。

2.3 品質性狀與農藝性狀相關性分析

對供試149份春小麥種質資源農藝性狀和品質性狀的相關性進行分析的結果（表3）表明，穗長與單株產量、株高呈極顯著正相關，與單株穗數呈極顯著負相關；株高與單株穗數、單株產量均呈極顯著負相關；單株穗數與單株產量呈極顯著正相關。濕面筋含量與硬度、弱化度呈極顯著負相關；沉降值與淀粉含量、降落數值濕面筋含量呈極顯著正相關；穗長與淀粉含量、降落數值、濕面筋含量、沉降值呈極顯著正相關；小穗數與淀粉含量顯著正相關，與濕面筋含量、沉降值均呈極顯著正相關；單株穗數與硬度、弱化度呈極顯著正相關，與容重、濕面筋含量呈極顯著負相關；單株產量與蛋白質含量、水分含量、硬度呈極顯著負相關，與淀粉含量、濕面筋含量、降落數值呈負相關但未達顯著水平。

2.4 農藝性狀和品質性狀主成分分析

為了挖掘各性狀間起主導作用的綜合指標，突出體現重要指標，對149份春小麥種質資源變異系數超過10%的性狀進行主成分分析。從圖1可以看出，前3個主成分特征值均大于1，能較全面的反應樣本的信息。從表4可以看出，在第一主成分中載荷較高的是單株產量、單株穗數、降落數值和弱化度，因此，以提高產量和低α-淀粉酶活性為改良目標時，第一主成分值應適量增大；第二主成分中載荷較高的是沉降值、降落數值，因此，以改善小麥籽粒品質為育種主要目標時應重點關注第二主成分指標。

2.5 小麥種質資源聚類分析

使用組間聯結的辦法，依據歐氏平方距離對供試小麥種質資源進行系統聚類分析，結果將149份供試春小麥種質資源分為五大類（圖2），第Ⅰ類包括定西51號、會寧23號、隴春47號等98份，占全部供試材料的65.77%；第Ⅱ類包括隴春51號、西紫1號、烏春10號等41份，占全部供試材料的27.52％；第Ⅲ類有4份，分別為定西53號、10102-1、Mace、EmuRock ，占全部供試材料的2.68%；第Ⅳ類有2份，分別為烏麥3號、互麥11號，占全部供試材料的1.34％；第Ⅴ類有4份，分別為烏春4號、M0326-7、云9526-10、9624-2，占全部供試材料的2.68％。

對每一類種質資源的性狀進行統計分析（表5）發現，第Ⅰ類種質資源的蛋白質含量、濕面筋含量、沉降值均高于其他4類；第Ⅲ類種質資源的小穗數、株高、單株穗數、單株產量、降落數值、硬度、弱化度均高于其他4類；第Ⅳ類種質資源的水分含量、淀粉含量、容重均高于其他4類，弱化度僅比第Ⅱ類高13.8%，比其他3個類群低；第Ⅴ類種質資源的穗長高于其他4類。因小穗數、單株穗數均與小麥產量構成因素直接相關，單株產量與總產量直接相關，而第Ⅲ類種質資源的小穗數9.13個、單株穗數2.85個、單株產量3.21 g均為最高，因此認為第Ⅲ類種質資源為產量優良資源。第Ⅰ類資源蛋白質含量174.7 g/kg、濕面筋含量361.6 g/kg、沉降值34.23 mL，均為最高，因此認為第Ⅰ類種質資源為強筋種質資源；第Ⅳ類種質資源淀粉含量最高，蛋白質含量僅高于第Ⅲ類資源，濕面筋含量和沉降值均較低，因此認為第Ⅳ類種質資源為弱筋種質資源。

對每類種質資源各性狀的變異程度進行分析，發現第Ⅱ類種質資源株高、單株產量的變異系數高于其他4類；第Ⅲ類種質資源單株穗數、水分含量、蛋白質含量、淀粉含量、濕面筋含量的變異系數高于其他4類；第Ⅳ類種質資源穗長、灰分含量、容重、弱化度、沉降值的變異系數高于其他4類；第Ⅴ類種質資源小穗數、降落數值、硬度的變異系數高于其他4類。綜上所述，第Ⅲ類小麥種質資源為產量優良資源，同時其蛋白質含量、淀粉含量、濕面筋含量3個重要的品質指標的變異系數分別為8.45%、2.86%、8.31%，均高于其他4類，可在利用第Ⅲ類的定西53號、10102-1、Mace、EmuRock這4份春小麥種質資源性狀特點和變異特點將其作為今后的育種材料。

3 討論與結論

豐富的遺傳基礎是品種選育的前提，變異系數表示性狀的多樣性水平，遺傳多樣性指數反映品種遺傳變異的大小［12 ］。本研究表明，供試的149份春小麥種質資源品質性狀的多樣性指數介于1.77～2.03，平均值為1.924。降落數值變異系數為23.41%，僅次于弱化度；沉降值的變異系數為16.44%，僅低于弱化度和降落數值的變異系數；灰分含量、水分含量、容重、淀粉含量的變異較小，變異系數介于1.83%～3.43%。小穗數、穗長、株高、單株穗數、單株產量等5個農藝性狀的多樣性指數介于1.84～2.04，平均值為1.958。許娜麗［13 ］研究發現，小麥農藝性狀的變異系數明顯高于品質性狀的變異系數，沉降值和降落數值的變異系數較大，容重和水分含量的變異系數較小；崔文禮等［14 ］對黃淮麥區35個小麥品種（系）品質性狀比較分析表明，沉淀值的變異系數較大。以上結論均與本研究一致。

性狀間的相關性研究有助于了解性狀間的相互關系，篩選與目標性狀緊密關聯的指標性狀，可提高方案制定效率［15 ］。有研究表明，產量與蛋白質和沉淀值或濕面筋多呈顯著或極顯著負相關性［16 - 18 ］。張喜平等［19 ］對天水市農業科學研究所選育的天選系列54份冬小麥新品系的研究表明，穗粒數與產量極顯著相關，籽粒產量與蛋白質、濕面筋含量、沉降值呈顯著負相關，即提高產量可能會使品質變劣，高產與優質較難同步改良。本研究也表明，單株產量與蛋白質含量呈極顯著負相關，與淀粉含量、濕面筋含量、降落數值呈負相關。陸晴等［20 ］研究表明，成穗數與小麥產量具有顯著相關性（R=0.623）。本研究表明，單株穗數與單株產量呈極顯著正相關。曹俊梅等［21 ］對新疆近年來部分中晚熟冬小麥新品系產量和品質性狀的關系研究結果表明，主穗粒重與濕面筋顯著正相關，成穗數與濕面筋呈極顯著負相關，千粒重與濕面筋呈顯著正相關。在后續的育種工作中，可充分利用形態指標與品質指標之間的相關性篩選優質種質資源，提高育種工作效率。

供試149份春小麥種質資源各性狀具有豐富的多樣性，變異類型豐富，品種改良的潛力大。對試驗結果分析得出，單株穗數與單株產量呈極顯著正相關；單株產量與蛋白質含量呈極顯著負相關，與淀粉含量、濕面筋含量、降落數值呈負相關。通過聚類分析將供試149份春小麥種質資源分為5類，其中第Ⅲ類的定西53號、10102-1、Mace、EmuRock等 4份春小麥種質資源的小穗數、單株穗數、單株產量均最高，蛋白質含量、淀粉含量、濕面筋含量變異系數均最高，是性狀優良且變異類型豐富的春小麥種質資源，可在今后的育種工作中加以利用。

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