部麗群，田　玲，趙　璐，楊治偉，趙　娜，金　潤(rùn)，田　蕾，張銀霞，楊淑琴，李培富

(寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院/寧夏優(yōu)勢(shì)特色作物現(xiàn)代分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021)

我國(guó)幅員遼闊，地形復(fù)雜多樣，是世界8個(gè)地理多樣性中心之一[1]。水稻是第一大糧食作物，廣泛分布于東南、西南、東北和西北等地，復(fù)雜的地理環(huán)境使得我國(guó)的水稻具有較高的遺傳和表型多樣性[2-3]。 遺傳多樣性又稱基因多樣性，是生物多樣性的核心，也是物種進(jìn)化的本質(zhì)。遺傳多樣性的喪失會(huì)降低種群對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力，進(jìn)而導(dǎo)致種群生存力下降[4]。寧夏回族自治區(qū)(以下簡(jiǎn)稱寧夏)地處中溫帶，屬于一年一熟耕作制度，積溫相對(duì)不足，制約了農(nóng)作物引種范圍[5]。寧夏引黃灌區(qū)為世界灌溉工程遺產(chǎn)，歷史悠久，對(duì)當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)發(fā)展具有舉足輕重的作用。寧夏水稻種植正是依托在這一基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。水稻作為特色作物大力推廣，不僅能提高當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的經(jīng)濟(jì)收入，也作為人工濕地對(duì)生態(tài)系統(tǒng)有一定影響[6]。目前，寧夏水稻主要分布在北部干旱平原生態(tài)區(qū)的引黃灌區(qū)，種植面積在8萬(wàn)hm2左右，占全區(qū)糧食種植面積的8%左右；總產(chǎn)達(dá)到62萬(wàn)t左右，約占全區(qū)糧食總產(chǎn)的20%[7-8]。近年來(lái)，由于主栽品種及其親本來(lái)源單一，導(dǎo)致遺傳基礎(chǔ)狹窄[9-10]。引進(jìn)外來(lái)稻種資源，尤其是具有豐富遺傳背景的廣適品種，才能滿足日益增長(zhǎng)的育種需求[11]。

遺傳多樣性分析對(duì)有利基因的發(fā)掘及利用具有重要意義，而引進(jìn)外來(lái)種質(zhì)資源是拓寬遺傳基礎(chǔ)、增加遺傳多樣性最直接、有效的方法[12]。研究遺傳多樣性的方法有很多，表型性狀能通過(guò)最直接的外觀性狀反映遺傳多樣性，與微衛(wèi)星標(biāo)記有很高的相似性[13]，尤其當(dāng)研究群體較大時(shí)，表型性狀研究最為簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，應(yīng)用十分廣泛。胡標(biāo)林等[14]利用14個(gè)表型性狀對(duì)1 579份水稻種質(zhì)進(jìn)行遺傳多樣性分析及綜合評(píng)價(jià)，表明不同地區(qū)種質(zhì)間遺傳距離較遠(yuǎn)且表型遺傳多樣性較豐富。徐福榮等[15]利用17個(gè)表型性狀對(duì)40個(gè)水稻品種(系) 進(jìn)行遺傳相似性分析發(fā)現(xiàn)，種內(nèi)遺傳差異較小，粳型品種間遺傳相似性高于秈型。前人對(duì)水稻遺傳多樣性的分析主要集中在資源類型和地理來(lái)源2個(gè)方面[14-18]，對(duì)特定地理環(huán)境下，限定僅適合當(dāng)?shù)胤N植推廣品種的研究還比較少見(jiàn)。本研究是基于寧夏西北干旱區(qū)特殊的地理環(huán)境，從新疆維吾爾自治區(qū)(以下簡(jiǎn)稱新疆)和其他地區(qū)、國(guó)家引進(jìn)358份粳稻材料，利用表型性狀分析遺傳多樣性，以期為進(jìn)一步拓寬寧夏水稻種質(zhì)資源提供科學(xué)依據(jù)。

1　材料和方法

1.1　試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選取來(lái)自新疆和其他地區(qū)、國(guó)家的粳稻材料共358份，其中國(guó)內(nèi)新疆105份、吉林省118份、北京市24份、黑龍江省21份、遼寧省15份、貴州省8份、山西省7份、天津市5份，國(guó)外日本44份、韓國(guó)6份、朝鮮5份。材料名稱及編號(hào)見(jiàn)表1。

表1　外引水稻品種名稱及編號(hào)

續(xù)表1　外引水稻品種名稱及編號(hào)

續(xù)表1　外引水稻品種名稱及編號(hào)

注：16001—16105是新疆材料，16106—16358是其他地區(qū)、國(guó)家材料。

1.2　試驗(yàn)方法

1.2.1表型性狀的測(cè)定試驗(yàn)于2016—2017年在寧夏大學(xué)水稻育種基地進(jìn)行。于4月15日在塑料大棚育苗，5月15日插秧定植。按編號(hào)順序種植，3行區(qū)，株距 0.1 m，行距0.3 m，田間管理按常規(guī)進(jìn)行。根據(jù)《稻種資源形態(tài)農(nóng)藝性狀鑒定方法》，共考察32個(gè)農(nóng)藝性狀，包括葉鞘色、葉片色、葉枕色、莖節(jié)色、節(jié)間色、穎尖色、芒色、芒分布、芒長(zhǎng)、葉片早衰、落粒性、莖節(jié)包露、谷粒形狀、穗類型、劍葉角度以及落粒性等16個(gè)質(zhì)量性狀和株高、穗長(zhǎng)、每穗總粒數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)、結(jié)實(shí)率、著粒密度、一次枝梗數(shù)、二次枝梗數(shù)、谷粒長(zhǎng)、谷粒寬、谷粒長(zhǎng)寬比、籽?？傎|(zhì)量、千粒質(zhì)量、單穗質(zhì)量、穗數(shù)以及分蘗數(shù)等16個(gè)數(shù)量性狀。抽穗期調(diào)查質(zhì)量性狀，成熟后每份材料隨機(jī)選取3株考種調(diào)查數(shù)量性狀。

1.2.2數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析對(duì)不同質(zhì)量性狀進(jìn)行頻率分布和遺傳多樣性指數(shù)分析。使用Excel 2010對(duì)不同數(shù)量性狀進(jìn)行極大值、極小值、極差、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)的統(tǒng)計(jì)分析，使用SPSS 23.0進(jìn)行方差分析及標(biāo)準(zhǔn)化處理。參照趙香娜等[19]的方法，將16個(gè)數(shù)量性狀的數(shù)據(jù)分為10級(jí)，每級(jí)相差0.5δ。各性狀的Shannon’s information index (H′) 計(jì)算公式如下。

其中，n為表型分類數(shù)目，Pi表示第i種變異類型出現(xiàn)頻率。

利用SAS 9.4軟件分別對(duì)新疆和其他地區(qū)、國(guó)家水稻資源的數(shù)量性狀進(jìn)行主成分分析?；?6個(gè)表型性狀，采用 UPGMA(非加權(quán)配對(duì)算術(shù)平均)法對(duì)358份水稻種質(zhì)資源進(jìn)行聚類分析，用 MEGA 7.0繪制聚類結(jié)果的環(huán)形圖。

2　結(jié)果與分析

2.1　外引水稻種質(zhì)資源不同質(zhì)量性狀的頻率分布和遺傳多樣性分析

如表2所示，對(duì)16個(gè)質(zhì)量性狀進(jìn)行頻率分布和多樣性指數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，新疆與其他地區(qū)、國(guó)家水稻種質(zhì)資源的遺傳多樣性指數(shù)差異最大的性狀是葉片早衰，新疆資源的葉片早衰頻率遠(yuǎn)高于其他地區(qū)、國(guó)家；兩者的倒伏性和穗型2個(gè)性狀的遺傳多樣性指數(shù)完全相同，并且倒伏性的遺傳多樣性指數(shù)最高，為0.90；谷粒形狀、芒長(zhǎng)、芒分布、穎尖色、莖節(jié)包露、芒色和落粒性等7個(gè)性狀在新疆水稻種質(zhì)資源中遺傳多樣性指數(shù)更高，劍葉角度在其他地區(qū)、國(guó)家水稻種質(zhì)資源中的遺傳多樣性指數(shù)更高；葉鞘色、葉片色、葉枕色、莖節(jié)色和節(jié)間色等5個(gè)性狀的遺傳多樣性指數(shù)較低，不能很好地描述材料間的差異。調(diào)查結(jié)果表明，新疆水稻種質(zhì)資源各質(zhì)量性狀的平均遺傳多樣性指數(shù)是0.51，其他地區(qū)、國(guó)家是0.40。所有供試材料的倒伏性遺傳多樣性指數(shù)最高，新疆和其他地區(qū)、國(guó)家水稻種質(zhì)資源在葉片早衰、芒長(zhǎng)、芒分布、莖節(jié)包露和劍葉角度等5個(gè)農(nóng)藝性狀方面差異最明顯，其他地區(qū)、國(guó)家水稻種質(zhì)資源的劍葉角度更豐富。

表2　外引水稻種質(zhì)資源不同質(zhì)量性狀的頻率分布和遺傳多樣性指數(shù)

注：葉片早衰:1.早衰，2.不早衰；倒伏性：1.直，2.斜，3.倒，4.伏；穗型：1.散穗，2.密穗，3.半直立穗；谷粒形狀：1.短圓，2.闊卵，3.橢圓，4.細(xì)長(zhǎng)；芒長(zhǎng)：1.短芒，2.中芒，3.長(zhǎng)芒，4.無(wú)芒；芒分布：1.稀，2.中，3.密，4.無(wú)；穎尖色：1.稈黃，2.紅棕，3.紫黑；莖節(jié)包露：1.露，2.包；芒色：1.稈黃， 2.紅棕，3.紫黑， 4.無(wú)芒；落粒性：1.難；2.中，3.易；劍葉角度：1.小，2.中，3.大；葉鞘色：1.綠，2.紫；葉片色：1.綠，2.紫；葉枕色：1.綠，2.紫；莖節(jié)色：1.綠，2.紫；節(jié)間色：1.綠，2.紫。

2.2　外引水稻種質(zhì)資源不同數(shù)量性狀的變異和遺傳多樣性分析

對(duì)新疆和其他地區(qū)、國(guó)家外引水稻種質(zhì)資源16個(gè)數(shù)量性狀的遺傳變異進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。絕大多數(shù)材料株高低于110 cm，說(shuō)明已經(jīng)導(dǎo)入矮化或半矮化基因[20]。二次枝梗數(shù)、分蘗數(shù)、每穗總粒數(shù)和穗數(shù)變異幅度較大，標(biāo)準(zhǔn)差較大，變異程度較高。其中，變異系數(shù)最大的是二次枝梗數(shù)(32.22%)，最小的是谷粒寬(6.82%)，說(shuō)明二次枝梗數(shù)的變異程度最大，而谷粒寬最穩(wěn)定。株高、穗長(zhǎng)、結(jié)實(shí)率、谷粒長(zhǎng)和谷粒寬的變異系數(shù)都低于10%，說(shuō)明這些性狀的離散程度較小，穩(wěn)定性較高。

表3　外引水稻種質(zhì)資源不同數(shù)量性狀的變異分析

新疆和其他地區(qū)、國(guó)家外引水稻種質(zhì)資源不同數(shù)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)，如圖1所示。新疆水稻種質(zhì)資源的遺傳多樣性指數(shù)為1.76～2.08，平均為1.95，其中谷粒寬的遺傳多樣性指數(shù)最高，谷粒長(zhǎng)寬比的遺傳多樣性最低；其他地區(qū)、國(guó)家外引水稻種質(zhì)資源的遺傳多樣性指數(shù)為1.84～2.12，平均為2.02，籽?？傎|(zhì)量的遺傳多樣性指數(shù)最高，谷粒長(zhǎng)寬比的遺傳多樣性指數(shù)最低。

圖1　外引水稻種質(zhì)資源數(shù)量性狀的遺傳多樣性

2.3　外引水稻種質(zhì)資源的主成分分析

對(duì)新疆和其他地區(qū)、國(guó)家外引水稻種質(zhì)資源的16個(gè)數(shù)量性狀分別進(jìn)行主成分分析，根據(jù)Kaiser準(zhǔn)則選取5個(gè)特征根及相應(yīng)的特征向量。由表4可知，新疆水稻資源的主效因子為穗長(zhǎng)、株高、千粒質(zhì)量、籽粒總質(zhì)量、谷粒長(zhǎng)和單穗質(zhì)量，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到84.66%；其他地區(qū)、國(guó)家水稻資源的主效因子為籽?？傎|(zhì)量、每穗實(shí)粒數(shù)、單穗質(zhì)量、穗長(zhǎng)、株高和結(jié)實(shí)率，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到84.60%，基本可以代表原始指標(biāo)中絕大部分遺傳信息[21]。

表4　外引水稻種質(zhì)資源16個(gè)數(shù)量性狀的特征向量及貢獻(xiàn)率

第1主成分特征值分別為6.05(新疆)、5.86(其他地區(qū)、國(guó)家)，貢獻(xiàn)率分別為37.93%(新疆)、36.61%(其他地區(qū)、國(guó)家)。每穗總粒數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)以及二次枝梗數(shù)特征向量的絕對(duì)值較大，新疆分別為0.39、0.36、0.35，其他地區(qū)、國(guó)家分別為0.40、0.39、0.38。這些性狀與籽粒數(shù)量有關(guān)，為稻谷產(chǎn)量因子，即第1主成分可作為粒數(shù)多、二次枝梗多的品種的描述指標(biāo)。

第2主成分特征值分別為2.37 (新疆)、2.49(其他地區(qū)、國(guó)家)，貢獻(xiàn)率分別為14.53%(新疆)、15.58%(其他地區(qū)、國(guó)家)。谷粒長(zhǎng)和谷粒長(zhǎng)寬比為主要指標(biāo)，新疆特征向量分別為0.56、0.49，其他地區(qū)、國(guó)家分別為-0.44 、-0.42，可見(jiàn)第2主成分為谷粒形狀因子。但新疆水稻資源的第2主成分是長(zhǎng)粒品種的描述指標(biāo)，其他地區(qū)、國(guó)家資源第2主成分為圓粒品種的描述指標(biāo)。

第3主成分特征值分別為2.11 (新疆)、2.34(其他地區(qū)、國(guó)家)，貢獻(xiàn)率分別為12.88%(新疆)、14.64%(其他地區(qū)、國(guó)家)。新疆水稻資源的主要指標(biāo)為谷粒寬(0.55)、千粒質(zhì)量(0.48)，其他地區(qū)、國(guó)家水稻資源的主要指標(biāo)為籽?？傎|(zhì)量(0.53)，可見(jiàn)第3主成分為粒質(zhì)量因子。

第4主成分特征值分別為1.79(新疆)、1.59(其他地區(qū)、國(guó)家)，貢獻(xiàn)率分別為11.28%(新疆)、9.94%(其他地區(qū)、國(guó)家)。新疆水稻資源的主要指標(biāo)為籽?？傎|(zhì)量(0.62)，其他地區(qū)、國(guó)家資源的主要指標(biāo)為谷粒寬(0.52)。

第5主成分特征值分別為1.24(新疆)、1.25(其他地區(qū)、國(guó)家)，貢獻(xiàn)率分別為8.04%(新疆)、7.83%(其他地區(qū)、國(guó)家)。結(jié)實(shí)率為主要指標(biāo)，新疆特征向量為-0.74，其他地區(qū)、國(guó)家為0.85。

第1主成分中，穗數(shù)和分蘗數(shù)在全部材料中均為負(fù)值，應(yīng)提高品種的穗數(shù)和分蘗數(shù)。第2主成分中，其他地區(qū)、國(guó)家水稻資源千粒質(zhì)量的特征向量為-0.40，但籽粒總質(zhì)量為0.28，可見(jiàn)雖然千粒質(zhì)量較小但因籽粒數(shù)量較多，可協(xié)調(diào)各個(gè)粒質(zhì)量指標(biāo)。第5主成分中，新疆水稻資源結(jié)實(shí)率的特征向量為-0.74，應(yīng)引起育種家的高度重視，在育種過(guò)程中應(yīng)選育結(jié)實(shí)率較高的品種，以提高水稻產(chǎn)量。

2.4　新疆和其他地區(qū)、國(guó)家外引水稻種質(zhì)資源聚類分析

利用UPGMA法進(jìn)行聚類分析，如圖2所示，358份粳稻材料分為五大類群。

第1類群包含201份材料，占總材料的56.15%。其中，新疆材料65份，占新疆材料總數(shù)的61.90%。此類群的每穗總粒數(shù)(151.64粒)和每穗實(shí)粒數(shù)(129.33粒)高于全部材料平均值(131.77粒和113.34粒)，主要得益于此類群二次枝梗數(shù)(26.21個(gè))多于全部材料平均值(21.79個(gè))。此類群的特征主要是穗粒數(shù)較多、枝梗數(shù)較多。

第2類群包含5份材料，此類群的株高(115.24 cm)、穗長(zhǎng)(20.08 cm)明顯高于全部材料的平均值(91.21 cm和17.85 cm)，但結(jié)實(shí)率(65.84%)小于全部材料的平均值(86.36%)。此類群全部為高稈、大穗，但結(jié)實(shí)率較低的品種。

第3類群包含32份材料，其中新疆材料4份。此類群的每穗總粒數(shù)(85.05粒)、每穗實(shí)粒數(shù)(75.34粒)、著粒密度(4.94粒/cm)和二次枝梗數(shù)(11.19個(gè))均大幅度小于平均值，說(shuō)明此類群著粒密度較稀、穗粒數(shù)較少。

第4類群包含118份材料，占總材料的32.96%。其中，新疆材料36份，占新疆材料總數(shù)的34.29%。此類群的每穗總粒數(shù)(110.27粒)和每穗實(shí)粒數(shù)(96.69粒)少于全部材料平均值但高于第3類群。

第5類群包含2份材料，與其他材料親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，遺傳差異較大。

▲表示新疆水稻資源圖2　基于16個(gè)數(shù)量性狀的358份水稻材料的聚類分析

3　結(jié)論與討論

陳小龍等[22]利用16個(gè)表型性狀對(duì)60份寧夏粳稻資源進(jìn)行表型評(píng)價(jià)和遺傳多樣性分析發(fā)現(xiàn)，遺傳多樣性指數(shù)變幅為 1.644(結(jié)實(shí)率)～2.092(劍葉長(zhǎng))，變幅較小，平均為 1.957，低于本試驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明外引水稻資源遺傳多樣性高于寧夏粳稻資源。李振嬌等[23]利用18個(gè)表型性狀對(duì)269份水稻資源進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，二次枝梗數(shù)的變異系數(shù)最高，谷粒寬的變異系數(shù)最低，質(zhì)量性狀的平均遺傳多樣性指數(shù)為0.34，數(shù)量性狀的平均遺傳多樣性指數(shù)為 1.99，與本研究結(jié)果基本一致。

本試驗(yàn)通過(guò)對(duì)外引自新疆和其他地區(qū)、國(guó)家的358份水稻種質(zhì)資源進(jìn)行表型性狀遺傳多樣性分析，綜合評(píng)價(jià)了外引水稻種質(zhì)資源間的遺傳差異。新疆和其他地區(qū)、國(guó)家水稻種質(zhì)資源的二次枝梗數(shù)、每穗總粒數(shù)、每穗實(shí)粒數(shù)、單穗質(zhì)量、分蘗數(shù)的變異系數(shù)、方差和標(biāo)準(zhǔn)差較大，說(shuō)明變異程度較高，離散程度較大[24]。新疆水稻種質(zhì)資源質(zhì)量性狀的平均遺傳多樣性指數(shù)為0.51，其他地區(qū)、國(guó)家為0.40。新疆水稻種質(zhì)資源數(shù)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)為1.76(谷粒長(zhǎng)寬比)～2.08(谷粒寬)，平均為1.95；其他地區(qū)、國(guó)家為1.84(谷粒長(zhǎng)寬比)～2.12(籽?？傎|(zhì)量)，平均為2.02，其他地區(qū)、國(guó)家水稻種質(zhì)資源數(shù)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)均高于新疆材料，但差異不大。對(duì)數(shù)量性狀進(jìn)行主成分分析，根據(jù)Kaiser準(zhǔn)則新疆材料選取5個(gè)特征根及相應(yīng)的特征向量，主效因子為穗長(zhǎng)、株高、千粒質(zhì)量、籽?？傎|(zhì)量、谷粒長(zhǎng)和單穗質(zhì)量，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到84.66%，其他地區(qū)、國(guó)家材料選取5個(gè)特征根及相應(yīng)的特征向量，主效因子為籽?？傎|(zhì)量、每穗實(shí)粒數(shù)、單穗質(zhì)量、穗長(zhǎng)、株高和結(jié)實(shí)率，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到84.60%。根據(jù)UPGMA聚類法，將參試材料劃分為5類，新疆材料均勻分布于所有類群，表明參試材料來(lái)自不同地區(qū)，有一定遺傳差異。以后的育種工作中應(yīng)拓寬引種渠道，大力引進(jìn)外地品種，以期豐富寧夏水稻的遺傳背景。