趙 斌，陳曉東，季昌好，朱 斌，王 瑞

（安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所/安徽省農(nóng)作物品質(zhì)改良重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥230031）

遺傳多樣性是生物多樣性的重要組成部分，也是作物種質(zhì)資源及遺傳育種研究的前提和基礎(chǔ)[1]。對(duì)作物種質(zhì)資源進(jìn)行遺傳多樣性分析，有利于挖掘優(yōu)良基因，減少親本選配的盲目性，增加育種的預(yù)見性，從而提高育種成效[2]。大麥（Hordeum vulgareL.）是世界上最早被馴化的農(nóng)作物之一[3]，具有飼用、食用、釀造等多種用途。大麥類型豐富，按棱型可分為二棱和多棱，按種皮特性可分為皮大麥和裸大麥。當(dāng)前，基于分子標(biāo)記技術(shù)評(píng)價(jià)大麥種質(zhì)資源的遺傳多樣性已有諸多報(bào)道[4-7]，但在育種實(shí)踐中往往由于群體較大[1,8-9]、條件受限等原因未能廣泛應(yīng)用。然而，基于農(nóng)藝性狀表型數(shù)據(jù)對(duì)其遺傳多樣性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)更為直觀、經(jīng)濟(jì)，應(yīng)用也更加簡(jiǎn)便。本研究選用國(guó)內(nèi)外不同生態(tài)區(qū)的111份多棱大麥為試驗(yàn)材料，考查7個(gè)主要農(nóng)藝性狀，通過遺傳多樣性指數(shù)、主成分分析及聚類分析等方法評(píng)價(jià)其遺傳多樣性，明確類群間差異。為合理利用多棱大麥種質(zhì)資源，指導(dǎo)親本選配，創(chuàng)新種質(zhì)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

111份多棱大麥供試材料中，國(guó)內(nèi)材料86份，來自青海、西藏、河南、江蘇、云南、新疆等16個(gè)省份；國(guó)外材料25份，來自墨西哥、丹麥、加拿大及美國(guó)。其中多棱裸大麥70份，多棱皮大麥41份（表1）。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017—2018年將111份多棱大麥種質(zhì)種植于安徽省農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)基地（117°25′E、31°89′N），試驗(yàn)地為黏壤土，前茬為大豆，土壤pH值6.5，全氮含量為929.0 mg/kg，硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀含量分別為6.4、6.6、202.1 mg/kg。每份材料種植2行，行長(zhǎng)2.0 m，行距0.25 m，株距3 cm。11月上旬播種，試驗(yàn)地常規(guī)田間管理。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

于大麥成熟期每份材料隨機(jī)取樣15株，按照《大麥種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[10]測(cè)定7個(gè)主要農(nóng)藝性狀：株高、穗下節(jié)間長(zhǎng)、穗長(zhǎng)、單株穗數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒質(zhì)量和千粒質(zhì)量，構(gòu)成表型數(shù)據(jù)庫(kù)。

表1 供試多棱大麥材料名稱、種皮特性及來源地

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

使用Excel 2013軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，計(jì)算各性狀的平均值、最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)。將各個(gè)性狀進(jìn)行10級(jí)分類處理，從［Xi≤μ-2σ］到［Xi≤μ+2σ］，每間隔0.5σ為一級(jí)，分別計(jì)算每一級(jí)的相對(duì)頻率，遺傳多樣性指數(shù)（Shannon-Wiener diversity index，H′）根據(jù)公式H′=-∑Pi㏑Pi求得，式中：Pi為某性狀第i級(jí)別的相對(duì)頻率[11]，i=1,2,3,…,n(n=10)。基于SPSS 25.0軟件進(jìn)行主成分分析和聚類分析，采用歐氏距離估算各材料間遺傳差異，以離差平方和法進(jìn)行聚類。

2 結(jié)果與分析

2.1 供試大麥主要農(nóng)藝性狀的變異情況

對(duì)供試的111份多棱大麥種質(zhì)7個(gè)主要農(nóng)藝性狀的變異情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表2），結(jié)果表明，各性狀變異系數(shù)差異較大，由高到低依次是單株粒質(zhì)量（變幅37.8%）、單株粒數(shù)（變幅35.2%）、單株穗數(shù)（變幅33.0%）、穗長(zhǎng)（變幅24.3%）、千粒質(zhì)量（變幅17.8%）、穗下節(jié)間長(zhǎng)（變幅16.9%）和株高（變幅13.7%），表明供試材料在產(chǎn)量構(gòu)成性狀上類型豐富。然而，各性狀遺傳多樣性指數(shù)相近，單株穗數(shù)最小（指數(shù)1.994），穗下節(jié)間長(zhǎng)最大（指數(shù)2.085），平均值為2.0左右，說明供試材料遺傳多樣性水平普遍較高。

（續(xù)表）

2.2 主成分分析

基于主成分分析，算出遺傳相關(guān)矩陣的特征值，并選取前3個(gè)較大的特征值，代表了7個(gè)農(nóng)藝性狀80.000%的變異。入選的3個(gè)特征值、累計(jì)貢獻(xiàn)率及7個(gè)農(nóng)藝性狀的特征向量見表3。第1主成分特征值為2.715，貢獻(xiàn)率為38.788%，反映的主要是產(chǎn)量構(gòu)成因子單株粒質(zhì)量、單株粒數(shù)和單株穗數(shù)。因此，該主成分值越高越好。第2主成分特征值為1.839，貢獻(xiàn)率為26.269%，主要反映了株高、千粒質(zhì)量和穗下節(jié)間長(zhǎng)，但該主成分值不宜太高，否則單株穗數(shù)顯著減少，對(duì)產(chǎn)量不利。第3主成分特征值為1.046，貢獻(xiàn)率為14.943%，如果該主成分值較高，千粒質(zhì)量雖較大，但株高和穗下節(jié)間長(zhǎng)明顯降低，不利于最終產(chǎn)量，因此該主成分值應(yīng)適中為宜。

表2 供試多棱大麥主要農(nóng)藝性狀的變異情況

表3 供試多棱大麥主要農(nóng)藝性狀的主成分分析

2.3 聚類分析

對(duì)7個(gè)農(nóng)藝性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，采用歐氏距離估算各材料間遺傳差異，以離差平方和法進(jìn)行聚類，在歐氏距離系數(shù)為10時(shí)，可將111份品種分為3大類群（圖1），每個(gè)類群的形態(tài)特征見表4。

類群Ⅰ包含44份材料，占供試材料總數(shù)的39.6%，其中青海24份，墨西哥5份，西藏4份，云南3份，新疆2份，美國(guó)、四川、上海、浙江、貴州和北京各1份。這一類群主要表現(xiàn)為高稈、大穗、千粒質(zhì)量高，但單株穗數(shù)和單株粒數(shù)較低，單株粒質(zhì)量居中，以地方農(nóng)家品種居多。

類群Ⅱ包含24份材料，占供試材料總數(shù)的21.6%，其中墨西哥9份，西藏4份，青海、日本各2份，丹麥、加拿大、北京、河南、江蘇、云南、四川各1份。這一類群的數(shù)量最少，表現(xiàn)為矮稈、小穗，單株穗數(shù)、單株粒數(shù)和千粒質(zhì)量均較低，以致單株粒質(zhì)量最低。

類群Ⅲ包含43份材料，占供試材料總數(shù)的38.8%，其中青海9份，墨西哥5份，安徽、河南、西藏、江蘇各4份，湖南3份，甘肅2份，丹麥、北京、云南、貴州、黑龍江、吉林、新疆和浙江各1份。這一類群主要表現(xiàn)為株高、穗長(zhǎng)居中，單株穗數(shù)、單株粒數(shù)多，千粒質(zhì)量高，以致單株粒質(zhì)量最高。該類群以育成品種為主。

表4 供試大麥3種類群材料7個(gè)農(nóng)藝性狀的平均值差異比較

3 討論與結(jié)論

農(nóng)藝性狀是作物新品種評(píng)價(jià)的直觀依據(jù)，與產(chǎn)量和品質(zhì)密切相關(guān)，對(duì)其多樣性分析是發(fā)掘優(yōu)良基因資源、指導(dǎo)親本選配的必要前提[12]。多棱大麥種質(zhì)資源分布廣泛，遺傳多樣性豐富[13]。本研究多棱大麥7個(gè)農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性指數(shù)均較高，表明供試材料遺傳基礎(chǔ)廣，類型豐富，可能與不同來源地生態(tài)類型差異大有關(guān)。本研究各性狀間變異系數(shù)差別較大，如株高、穗下節(jié)間長(zhǎng)和千粒質(zhì)量的變異系數(shù)較低，而單株粒數(shù)等變異系數(shù)較高，與其他研究結(jié)果[8,14]一致，說明針對(duì)不同性狀篩選優(yōu)良種質(zhì)難度不同，可先以變異系數(shù)較大的單株穗數(shù)、單株粒數(shù)和單株粒質(zhì)量進(jìn)行初選，然后結(jié)合株高、穗下節(jié)間長(zhǎng)和千粒質(zhì)量來篩選優(yōu)良種質(zhì)用作親本。

主成分分析法已在小麥[15]、大豆[16]和燕麥[17]等多種作物上廣泛應(yīng)用，在區(qū)分不同種質(zhì)農(nóng)藝、產(chǎn)量性狀優(yōu)劣以及評(píng)價(jià)特異種質(zhì)方面較為清晰直觀[18]。本研究主成分分析結(jié)果第1主成分為產(chǎn)量因子，第2、3主成分主要反映株高和千粒質(zhì)量，與劉亞楠等研究結(jié)果[8]相似。主成分內(nèi)各性狀之間或相互促進(jìn)、或相互抑制，若以收獲高生物量大麥飼草為目標(biāo)，則應(yīng)適當(dāng)加大第2主成分而降低第3主成分值，但同時(shí)要注意株高與單株穗數(shù)的相互協(xié)調(diào)。

聚類分析已廣泛用于農(nóng)作物種質(zhì)資源分類評(píng)價(jià)和遺傳多樣性分析[19-22]。本研究聚類結(jié)果與劉亞楠等的報(bào)道[8]類似，未將多棱皮大麥和多棱裸大麥完全區(qū)分，也未將不同來源地間材料區(qū)分開來，可能與本研究是基于幾個(gè)主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行聚類有關(guān)，也可能與不同生態(tài)區(qū)間種質(zhì)資源交流加強(qiáng)有關(guān)。本研究類群Ⅲ表現(xiàn)株高適中、豐產(chǎn)性好，主要是育成品種，如92338-1、95033-1、浙3521、華大麥4號(hào)、華大麥10號(hào)、駐2003013-1-8-11-2等種質(zhì)，單株粒質(zhì)量12～14 g，株高80～85 cm，千粒質(zhì)量41 g以上，可作為骨干親本；再?gòu)念惾孩窈廷蛴嗅槍?duì)性地選擇親本進(jìn)行組配，對(duì)目標(biāo)性狀進(jìn)一步改良，以提高育種成效。應(yīng)當(dāng)注意的是，本研究中聚類分析采用的是田間表型數(shù)據(jù)，受環(huán)境條件影響較大，因此，對(duì)于指導(dǎo)親本選配的效果還需在育種實(shí)踐中進(jìn)行驗(yàn)證。

綜上所述，基于農(nóng)藝性狀對(duì)大麥遺傳多樣性評(píng)價(jià)簡(jiǎn)單可行。本研究111份多棱大麥種質(zhì)遺傳多樣性高，各性狀變異差別較大，結(jié)合主成分分析與聚類分析結(jié)果來綜合評(píng)價(jià)親本材料，指導(dǎo)親本選配，有助于更快選育出符合育種目標(biāo)的大麥新品種。