趙 芳， 張曉磊， 魏 瑋， 趙治海， 王曉明， 宋國亮

(張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院/國家谷子改良中心張家口雜交谷子分中心/河北省雜交谷子工程技術(shù)研究中心， 河北 張家口 075000)

path analysis; genetic analysis

隨著全球氣候的不斷變化，水資源緊缺問題日益突顯。據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年因干旱導(dǎo)致的糧食減產(chǎn)占減產(chǎn)總量的50%以上，干旱成為影響糧食作物產(chǎn)量的最主要的非生物脅迫。因此，在現(xiàn)代作物科學(xué)研究工作中，提高作物的抗旱性已成為急需解決的關(guān)鍵問題之一[1-2]。谷子(Setarialitalica(L.)Beauv.)具有耐旱、耐貧瘠、籽粒營養(yǎng)豐富、谷草品質(zhì)優(yōu)良等特點(diǎn)，在作物抗旱種質(zhì)資源利用方面具有獨(dú)特的研究?jī)r(jià)值。谷子全基因組測(cè)序的完成為研究谷子功能基因組提供錄入平臺(tái)，發(fā)掘與鑒定谷子抗旱基因資源，探索谷子抗旱機(jī)制對(duì)于促進(jìn)其基因資源的利用和抗旱育種有著極為重要的理論和實(shí)踐意義[4]。

谷子的耐旱性較強(qiáng)，但其耐旱機(jī)制目前尚不明確，且不同品種的抗旱能力存在著明顯的差異。劉婧等[5]利用全生育期干旱法對(duì)68份谷子種質(zhì)資源進(jìn)行抗旱性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫對(duì)穗長的影響大于株高的影響。馮小磊等[6]，通過調(diào)查單株谷重、株高、穗長、分蘗、單穗谷重和草重等農(nóng)藝性狀篩選出適合旱作地區(qū)種植的谷子雜交種DH 2。秦嶺等[7]以-0.5 MPa的PEG-6000作滲透介質(zhì)模擬干旱條件，對(duì)不同生態(tài)區(qū)的谷子品種(系)進(jìn)行種子萌發(fā)耐旱鑒定。根據(jù)萌發(fā)耐旱指數(shù)，將201份谷子品種(系)劃分為極抗旱、抗旱、中度抗旱、不抗旱和極不抗旱5個(gè)等級(jí)。

全生育期抗旱一般采用旱棚、旱池、人工遮蓋或降水量少的干旱地區(qū)田間種植，但此法存在周期長、消耗人力、材料數(shù)量相對(duì)受限等因素，目前在谷子抗旱鑒定中研究應(yīng)用較少[8-9]，但結(jié)果更為可靠[8]?，F(xiàn)有一種在極度干旱地區(qū)鑒定的方法[6,10]，它是指在極干旱地區(qū)田條件下只在播種前澆適量底墑水，覆膜后全生育期不再澆水，最終以株高、穗長、粒重、草重等指標(biāo)評(píng)價(jià)材料的抗旱性，方法相對(duì)簡(jiǎn)單易行。

為了更進(jìn)一步了解谷子的抗旱性，尋找新的抗旱高產(chǎn)育種資源，本研究以張雜谷3號(hào)的341個(gè)RIL群體為材料，通過分析了抽穗期、倒二葉長、倒二葉寬、株高、莖稈粗度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)、有效穗數(shù)、穗頸長度、穗長、穗粗、穗碼數(shù)、碼粒數(shù)、穗重、穗粒重、草重和千粒重等16個(gè)主要農(nóng)藝性狀的遺傳變異，通過相關(guān)性分析、逐步回歸分析、通徑分析和聚類分析等4種分析方法，深度挖掘影響雜交谷子單株穗粒重的重要因子，篩選綜合性狀表現(xiàn)優(yōu)良的株系，為高產(chǎn)雜交谷子的選育提供指導(dǎo)，也為開展重要谷子農(nóng)藝性狀的QTL定位奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

選用張雜谷3號(hào)(不育系A(chǔ) 2×冀張谷1號(hào)×SR 3522)分離341株F20重組自交系群體，于2018年在甘肅敦煌市甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院基地(40°8′N，94°41′E)進(jìn)行，所用材料由張家口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院谷子所提供。

1.2 試驗(yàn)方法

本試驗(yàn)每個(gè)株系種植1個(gè)小區(qū)，每小區(qū)種植4行，行長1 m，行距0.33 m，小區(qū)面積1 m2，中等肥力，覆膜穴播，整個(gè)生育期不澆水，常規(guī)田間管理。

1.3 農(nóng)藝性狀調(diào)查

田間性狀調(diào)查參照《谷子種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[11]進(jìn)行，田間觀察記載抽穗期，于灌漿期田間測(cè)量倒二葉長、倒二葉寬、株高、莖稈粗度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)、成穂莖數(shù)、穗頸長度、穗長、穗粗，成熟收獲時(shí)每小區(qū)連續(xù)取 10 株調(diào)查穗重、穗粒重、單株草重、穗碼數(shù)、碼粒數(shù)、千粒重等指標(biāo)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010軟件對(duì)各性狀的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用SAS 8.1軟件(SAS Institutie，美國)的ANOVA程序進(jìn)行數(shù)據(jù)方差分析，用F測(cè)驗(yàn)進(jìn)行親本間各農(nóng)藝性狀的差異比較，用Duncan’s 法進(jìn)行各類群間農(nóng)藝性狀差異的顯著性檢驗(yàn)和多重比較分析。農(nóng)藝性狀之間的Pearson相關(guān)性分析、主要農(nóng)藝性狀對(duì)單株籽粒質(zhì)量的逐步多元回歸、通徑分析采用SPSS 19.0軟件完成。應(yīng)用SAS軟件中的組建聯(lián)接進(jìn)行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本及RIL群體主要農(nóng)藝性狀的評(píng)價(jià)

親本主要農(nóng)藝性狀的方差分析表明(表1)，父本的倒二葉長、株高和莖稈粗度高于A 2，但差異不明顯。父本的穂重和穗粒重顯著高于A 2(p<0.01)。父本成穂莖數(shù)顯著低于A 2(p<0.01)。父本的抽穗期和單株草重低于A 2，差異不明顯。兩親本的倒二葉寬、伸長節(jié)節(jié)數(shù)、穂頸長度、穂長、穂粗、穂碼數(shù)、碼粒數(shù)和千粒重等8個(gè)性狀差異不明顯(p>0.05)。

RIL群體中各個(gè)主要農(nóng)藝性狀存在較大差異(表1)。成穂莖數(shù)的變異系數(shù)最大(40.43%)，碼粒數(shù)(35.86%)次之，千粒重(7.91%)最小。RIL群體16個(gè)農(nóng)藝性狀的偏度和峰度基本小于1，呈現(xiàn)出典型的數(shù)量性狀特征，所有性狀值呈連續(xù)性且類似正態(tài)分布(圖1)，表明所調(diào)查的性狀均為多基因控制的數(shù)量性狀。除了倒二葉寬、伸長節(jié)節(jié)數(shù)、單株草重和千粒重外，其他12個(gè)性狀均存在明顯的超親分離現(xiàn)象。在RIL群體中，抽穗期、倒二葉長、株高、莖稈粗度、成穂莖數(shù)和穂重的平均值介于雙親之間，倒二葉寬、伸長節(jié)節(jié)數(shù)、單株草重平均值低于雙親，而穗頸長度、穂長、穗粗、穂碼數(shù)、碼粒數(shù)和千粒重平均值均大于雙親。

表1 親本和重組自交系群體主要農(nóng)藝性狀的表型變異Table 1 Phenotypic variation of main agronomic traits in parents and RILs

2.2 RIL群體主要性狀的相關(guān)性分析

由 RIL 群體各農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析可知，穗粒重與抽穗期、成穂莖數(shù)、單株草重和穂重均呈極顯著正相關(guān)，與倒二葉長、莖稈粗度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)和千粒重呈極顯著負(fù)相關(guān)。說明育種中應(yīng)選擇生育期較長，分蘗較多，單株草重和穗重較重的材料。同時(shí)，抽穗期與倒二葉長、莖稈粗度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)、穗碼數(shù)、單株草重和穗粒重均呈極顯著正相關(guān)，與成穂莖數(shù)、穗頸長度、穗粗、碼粒數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)；成穂莖數(shù)與穗頸長度、穂粗、穗重、穗粒重均呈極顯著正相關(guān)，與抽穗期、倒二葉長、倒二葉寬、株高、莖稈粗度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)、碼粒數(shù)和千粒重呈極顯著負(fù)相關(guān)；單株草重與抽穗期、倒二葉長、穗碼數(shù)、穗粒重均呈極顯著正相關(guān)，與碼粒數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)；穗重與成穂莖數(shù)、單株草重、穗粒重均呈極顯著正相關(guān)，與倒二葉長、莖稈粗度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)和千粒重呈極顯著負(fù)相關(guān)(表2)。

表2 谷子RIL群體各農(nóng)藝性狀的相關(guān)分析Table 2 Correlation analysis of agronomic traits in RILs of millet

2.3 單株穗粒重對(duì)農(nóng)藝性狀的逐步回歸分析

以穗粒重 (Y) 為因變量，以抽穗期(X1)、倒二葉長(X2)、倒二葉寬(X3)、株高(X4)、莖稈粗度(X5)、伸長節(jié)節(jié)數(shù)(X6)、成穂莖數(shù)(X7)、穗頸長度(X8)、穗長(X9)、穗粗(X10)、穗碼數(shù)(X11)、碼粒數(shù)(X12)、單株草重(X13)、穗重(X14)、千粒重(X15)為自變量進(jìn)行多元逐步回歸分析，刪除偏回歸參數(shù)不顯著的自變量，根據(jù)回歸系數(shù)輸出結(jié)果 (表 3) 獲得的最優(yōu)的線性回歸方程：

Y=-0.693-0.181X4+2.096X7+0.271X9+0.191X10+0.175X14+1.032X15。該方程擬合度R2為0.920，即該方程可解釋穗粒重92.0% 的表型變異，說明株高、成穂莖數(shù)、穂長、穂粗、穗重和千粒重是影響穗粒重的主要因素，其中成穂莖數(shù)、穂長、穂粗、穂重和千粒重每增加1個(gè)單位，穗粒重平均分別增加2.096、0.271、0.191、0.175 g和1.032 g，而株高每增加1個(gè)單位，穗粒重減少 0.181 g。

表3 單株穗粒重對(duì)農(nóng)藝性狀的多元回歸分析Table 3 Multiple regression analysis of the kernel weight of spike per plant to agronomic traits

2.4 主要農(nóng)藝性狀對(duì)穗粒重的通徑分析

為明確雜交谷子14個(gè)農(nóng)藝性狀對(duì)單株穗粒重的具體作用，參照宋小園等[12]方法進(jìn)行通徑分析，計(jì)算出各性狀的間接通徑系數(shù)，結(jié)果表明(表4)，這14個(gè)性狀對(duì)穗粒重的直接貢獻(xiàn)大小依次為：千粒重、穂重、成穂莖數(shù)、穂粗、穂長、抽穗期、倒二葉寬、倒二葉長、穂頸長度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)、碼粒數(shù)、莖稈粗度、穂碼數(shù)和株高。其中千粒重、穂重、成穂莖數(shù)、穂粗、穂長和抽穗期對(duì)穗粒重的正向直接作用，直接通徑系數(shù)分別為0.826、0.192、0.077、0.062、0.051和0.011，而株高、倒二葉寬、穂碼數(shù)、莖稈粗度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)、碼粒數(shù)、穂頸長度和倒二葉長對(duì)穗粒重是負(fù)向直接作用，通徑系數(shù)分別為-0.123、-0.043、-0.026、-0.022、-0.022、-0.021、-0.021、-0.018和-0.005。說明千粒重大、穗重較重、分蘗多、穗比較粗和長、生育期較長是雜交谷子穗粒重大的主要表現(xiàn)特征。

表4 谷子單株粒質(zhì)量與主要農(nóng)藝性狀的通徑分析Table 4 Path analysis of grain weight per plant and main agronomic traits in millet

2.5 RIL群體農(nóng)藝性狀的聚類分析

基于16個(gè)農(nóng)藝性狀的表型值對(duì)RIL群體的聚類分析顯示，在歐式距離為25.0處可劃分為六類(圖2)，各類群主要農(nóng)藝性狀平均值統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表5)。第Ⅰ類群包括269份材料，其主要特征是抽穗期63.2 d；倒二葉長均值為40.53 cm；倒二葉寬均值為2.79 cm；株高、莖稈粗度、穂頸長度和穂粗的均值為77.13 cm、10.42 mm、26.68 cm、36.43 mm，在六大類群中均排名第2位；伸長節(jié)節(jié)數(shù)、成穂莖數(shù)、穂長、穂碼數(shù)和單株草重的均值為15.92節(jié)、2.4個(gè)、23.85 cm、80.37、75.54 g，在六大類群中均排名第3位；穗粒重和千粒重的均值為60.89 g、3.2 g，排名第4位。綜合分析這些性狀，該類群中生育期較長，屬中晚熟類型，植株較高，莖稈較粗，穂頸較長，穂較粗，但產(chǎn)量較低。

表5 不同類群間農(nóng)藝性狀聚類統(tǒng)計(jì)Table 5 Cluster analysis of agronomic traits among different groups

第Ⅱ類群包括60份材料，其主要特征是抽穗期60.9 d；倒二葉長均值為40.8 cm；倒二葉寬均值為2.9 cm；株高、莖稈粗度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)和穗粗的均值為83.45 cm、10.71 mm、15.92節(jié)、39.78 mm，排第1位；碼粒數(shù)的均值為219.9，排第2位；千粒重的均值為3.28 g，排第3名；穗頸長度、穂長和穂碼數(shù)均值為25.56 cm、23.39 cm、72.89，排第4位；成穂莖數(shù)、穗長、單株草重、穗粒重的均值為1.84個(gè)、61.78 g、55.92 g，排第5位；穂重的均值為70.63 g，排第6位。綜合分析這些性狀，該類群中生育期中等，屬中熟類型，植株最高、莖稈最粗、伸長節(jié)節(jié)數(shù)最多、穗最粗，但穗重、穗粒重在各類群中處于較低水平。

第Ⅲ類群包括8份材料，其主要特征是抽穗期73.3 d；倒二葉長均值為42.68 cm；倒二葉寬均值為2.71 cm；穗碼數(shù)和單株草重均值為86.32、119.67 g，排第1 位；穂頸長度和千粒重的均值分別為25.88 cm、3.21 g，排第3位；莖稈粗度、成穂莖數(shù)和穂重的均值為9.79 mm、2.25個(gè)、80.22 g，排第4位；株高、伸長節(jié)節(jié)數(shù)和穂長均值為63.61 cm、15.25節(jié)、22.87 cm，排第5位；穗粗、碼粒數(shù)和穗粒重的均值為33.62 mm、56.42、48.98 g，在6大類群中均排6位。綜合分析這些性狀，該類群中生育期最長，屬晚熟類型，穗碼數(shù)最多，單株草重最重，產(chǎn)量最低。

第Ⅳ類群包括2份材料，其主要特征是抽穗期58.7 d，倒二葉長均值為41.25 cm；倒二葉寬均值為2.9 cm；穂頸長度和碼粒數(shù)的均值為33 cm、356.33，在6大類群中均排第1位；伸長節(jié)節(jié)數(shù)和穂長的均值為16節(jié)、24.95 cm，排第2位；穂重和穗粒重的均值為80.22 g、61.88 g，排第3位；株高、穂粗和單株草重的均值為74.22 cm、35.69 mm、65.08 g，排第4位；莖稈粗度和千粒重的均值為9.36 mm、3.13 g，排第5位；成穂莖數(shù)和穂碼數(shù)的均值為1.33個(gè)、62.25，排第6位。綜合分析這些性狀，該類群中生育期較短，屬早熟類型，穂頸最長，碼粒數(shù)最多，分蘗最少，產(chǎn)量屬中等水平。

第Ⅴ類群包括1份材料，其主要特征是抽穗期59 d；倒二葉長均值為37.97 cm；倒二葉寬3 cm；成穂莖數(shù)、穂長、穂重和穗粒重的均值為3.33個(gè)、28.57 cm、173.6 g、122.27 g，排第1位；穂粗和單株草重的均值為37.94 mm、114.05 g，排第2位；株高、莖稈粗度和穂碼數(shù)的均值為78.7 cm、10.11 mm、80.33，排第3位；伸長節(jié)節(jié)數(shù)和碼粒數(shù)的均值為15.67節(jié)、179.67，排第4位；穂頸長度的均值為24.4 cm，排第5位；千粒重的均值為2.86 g，排第6位。綜合分析這些性狀，該類群中生育期較長，屬晚熟類型，分蘗最多、穂最長、穂重和穗粒重最重，但千粒重最輕，產(chǎn)量屬上等水平。

第Ⅵ類群包括1份材料，其主要特征是抽穗期36 d；倒二葉長為46.6 cm，倒二葉寬為2.6 cm；千粒重均值分別為3.52 g，在6大類群中均排第1位；成穂莖數(shù)、穂重、穗粒重為2.5個(gè)、111.48 g、94.26 g，在6大類群中排均第2位；碼粒數(shù)的均值為183，在6大類群中均排第3位；穂粗和穂碼數(shù)的均值為34.16 mm、67，在6大類群中均排第5位；株高、莖稈粗度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)、穂頸長度和穂長的均值為61.33 cm、6.55 mm、13.33節(jié)、16.03 cm、19.63 cm，在6大類群中均排第6位。綜合分析這些性狀，該類群中生育期最短，屬早熟類型，千粒重最大，分蘗較多，穂重和穗粒重較大，產(chǎn)量屬中上等水平。

3 討 論

育種工作者為了滿足生產(chǎn)需要而創(chuàng)造遺傳變異，通常把農(nóng)藝性狀作為谷子種質(zhì)資源鑒定評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。郭德仁等[13]對(duì)谷子雜交種F1、F2早熟性遺傳進(jìn)行研究分析，發(fā)現(xiàn)在F2群體中抽穗期分離趨勢(shì)以中間型為主并趨于早熟親本。馬金豐等[14]以嫩選15和大金苗雜交組合F2群體為研究材料，該組合中株高、穗長、節(jié)數(shù)、莖長穗粗等主要農(nóng)藝性狀的偏度和峰度幾乎都小于1，呈正態(tài)分布。各農(nóng)藝性狀之間均呈顯著性正相關(guān)。劉曉輝等[15]對(duì)谷子8個(gè)組合F2代的6個(gè)性狀遺傳變異進(jìn)行分析，F(xiàn)2群體普遍存在超親遺傳現(xiàn)象，其穗重、碼數(shù)、千粒重和株高等性狀分離均呈單峰曲線，近似于正態(tài)分布。本研究結(jié)果顯示，RIL群體親本成穂莖數(shù)、穂重和穗粒重存在極顯著差異。RIL群體中16個(gè)主要農(nóng)藝性狀變異豐富，分布頻率呈近似正態(tài)分布，普遍表現(xiàn)雙向超親分離，表明所調(diào)查性狀均是受微效多基因控制的數(shù)量性狀。

農(nóng)藝性狀相關(guān)性分析表明，穗粒重與抽穗期、成穂莖數(shù)、單株草重和穂重均呈極顯著正相關(guān)，與倒二葉長、莖稈粗度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)和千粒重呈極顯著負(fù)相關(guān)。這與張艾英等[16]和李會(huì)霞等[17]利用谷子種質(zhì)資源分析農(nóng)藝性狀相關(guān)性的結(jié)論基本一致。說明在該區(qū)域可以通過適當(dāng)延長生育期來提高谷子的結(jié)實(shí)性及成穗數(shù)，進(jìn)而達(dá)到提高產(chǎn)量的目的。但是生產(chǎn)實(shí)踐中，谷子性狀遺傳和表型相關(guān)存在一個(gè)極其復(fù)雜的關(guān)系，單一性狀作為有效相關(guān)選擇十分困難，在育種中需要對(duì)多種相關(guān)性狀進(jìn)行綜合考慮，既對(duì)主要目的性狀選擇嚴(yán)格把關(guān)，又要兼顧其他優(yōu)良性狀[14]。

產(chǎn)量構(gòu)成因子之間遺傳關(guān)系復(fù)雜，不能僅憑相關(guān)系數(shù)的大小判斷影響產(chǎn)量的主要因素。本研究中，穗粒重與農(nóng)藝性狀的多元回歸分析表現(xiàn)出良好的擬合度(R2=0.920)，表明本研究調(diào)查的性狀基本上涵蓋了影響穗粒重的主要性狀。進(jìn)一步通徑分析表明，千粒重、穂重、成穂莖數(shù)、穂粗、穂長、抽穗期、倒二葉寬、倒二葉長、穂頸長度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)、碼粒數(shù)、莖稈粗度、穂碼數(shù)和株高是影響單株穗粒重的主要因素，其中抽穗期、成穂莖數(shù)、穂長、穂粗、穂重和千粒重對(duì)穗粒重的正向直接作用較大，而倒二葉長、倒二葉寬、株高、莖稈粗度、伸長節(jié)節(jié)數(shù)、穂頸長度、穂碼數(shù)和碼粒數(shù)通過對(duì)單株穗粒重的負(fù)向間接作用較大，說明生育期較長、分蘗較多、穂較長較粗、穂重和千粒重較大是旱地高產(chǎn)谷子的育種目標(biāo)。這與趙禹凱等[18]的研究結(jié)果基本一致。

在遺傳分離群體中易于獲得超親和具有良好綜合性狀的株系，是篩選有較高育種價(jià)值株系的有效資源。本試驗(yàn)基于農(nóng)藝性狀的表型值，在歐式距離為25.0處將RIL群體的341個(gè)株系聚類為六類，平均值分析結(jié)果表明，第Ⅴ類群的1個(gè)株系的平均成穂莖數(shù)、穂長、穗粒重和穗重質(zhì)量最高，第Ⅵ類群的1個(gè)株系的千粒重、穗粒重和穗重等性狀綜合表現(xiàn)良好，因此這兩個(gè)類群可用于西北旱地高產(chǎn)谷子的育種實(shí)踐。