王自力， 張北舉， 李魁印， 陳松樹， 徐如宏， 李魯華， 吳傳喜， 任明見

(1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院/國(guó)家小麥改良中心貴州分中心，貴州貴陽(yáng) 550025； 2.桐梓縣貴粱農(nóng)業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司，貴州遵義 563200)

高粱[(L.) Moench]屬于禾本科高粱屬，是僅次于小麥、水稻、玉米和大麥的世界第五大谷物。具有抗旱澇、耐鹽堿、耐貧瘠等多重抗逆性和適應(yīng)性，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中擁有巨大的發(fā)展空間和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)。高粱主要分布在世界五大洲48個(gè)國(guó)家的熱帶干旱和半干旱地區(qū)，溫帶和寒溫帶也有種植，蘊(yùn)藏著豐富的種質(zhì)資源。在我國(guó)高粱是醬香酒釀制的主要原材料，并且還用于生產(chǎn)飼料、纖維、生物燃料等，無(wú)論是在糧食安全還是在新能源安全上都具有極其重要的戰(zhàn)略意義。種質(zhì)資源是作物育種的基礎(chǔ)，而進(jìn)行遺傳多樣性研究及綜合評(píng)價(jià)對(duì)于了解物種遺傳背景和評(píng)估綜合表現(xiàn)具有推動(dòng)作用，也能為種質(zhì)篩選和優(yōu)異性狀基因挖掘提供便利。近年來(lái)，隨著分子生物學(xué)的快速發(fā)展與應(yīng)用，科研工作者對(duì)于遺傳多樣性的研究也逐漸進(jìn)入分子層面。但表型性狀鑒定是認(rèn)識(shí)作物種質(zhì)資源和培育新品種的基石，具有直接、簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。目前，已有在燕麥、谷子、水稻、陸地棉、海島棉、青稞、花生等作物上進(jìn)行表型性狀遺傳多樣性分析及綜合評(píng)價(jià)的相關(guān)報(bào)道，但對(duì)高粱相關(guān)方面的研究卻鮮見報(bào)道。因此，本研究通過(guò)對(duì)152份不同來(lái)源高粱種質(zhì)資源的13個(gè)表型性狀進(jìn)行研究，并通過(guò)遺傳多樣性分析、聚類分析、主成分分析以及構(gòu)建高粱資源綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)，篩選出綜合表現(xiàn)優(yōu)異的高粱種質(zhì)，以期為高粱種質(zhì)創(chuàng)新和新品種選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用的152份不同來(lái)源的高粱資源，由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所提供(表1)。包括76份國(guó)內(nèi)高粱資源：其中山西省38份、遼寧省9份、云南省7份、河北省6份、陜西省5份、甘肅省4份、河南省2份，安徽省、北京市、黑龍江省、山東省、四川省各1份；76份國(guó)外高粱資源：其中美國(guó)20份、印度13份、日本12份、不詳9份、墨西哥8份、西德6份、英國(guó)2份、泰國(guó)2份，北也門、法國(guó)、捷克、匈牙利各1份。

表1 供試152份高粱種質(zhì)資源名稱與產(chǎn)地

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 于2019—2020年、2020—2021年在貴州大學(xué)國(guó)家小麥改良中心貴州分中心仁懷試驗(yàn)基地進(jìn)行種植(數(shù)據(jù)取2年均值)。試驗(yàn)采取完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每小區(qū)種植10份材料，每份材料播種3行，每行10穴，每穴各播2粒種子，行距、株距均為50 cm，在每個(gè)重復(fù)小區(qū)中隨機(jī)取5株進(jìn)行性狀調(diào)查。

1.2.2 指標(biāo)測(cè)定 試驗(yàn)調(diào)查152份高粱種質(zhì)資源的13個(gè)性狀，調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)參考《高粱種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》，性狀包括株高、莖粗、穗長(zhǎng)、穗形、穗型、粒色、粒形、著殼率。高粱籽粒中的蛋白質(zhì)、脂肪和單寧含量利用近紅外谷物分析儀(Infratec1241型，丹麥FOSS)將每個(gè)品種重復(fù)測(cè)量3次取平均值，直鏈淀粉和支鏈淀粉含量的測(cè)定參考 GB 7648—1987 和 GB/T15683—2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行(部分步驟稍有改進(jìn))。

1.3 數(shù)據(jù)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 高粱種質(zhì)資源遺傳多樣性分析

2.1.1 質(zhì)量性狀的頻率分布和多樣性指數(shù) 對(duì)152份高粱種質(zhì)資源的5個(gè)質(zhì)量性狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表2)發(fā)現(xiàn)，各性狀之間的遺傳多樣性指數(shù)變化范圍為0.719～1.267，平均值為0.89。其中穗型的遺傳多樣性指數(shù)最大，為1.267；粒形的遺傳多樣性指數(shù)最小，為0.719；其他性狀的多樣性指數(shù)排序?yàn)樗胄?粒色>著殼率。穗形以紡錘形的資源最多，帚形的資源最少；穗型以散型最多，中散型資源最少；粒色頻率分布的離散性最高，其中紅色籽粒的高粱資源最豐富，黃色和淺黃色資源均較少；粒形以橢圓形資源最多，卵形資源最少。著殼率低的資源占總資源的74%，而著殼率高的資源僅占7%。由此可見，152份高粱種質(zhì)以紡錘形、散穗、紅色、橢圓形和著殼率低的資源居多。

表2 高粱種質(zhì)資源質(zhì)量性狀的頻率分布和多樣性指數(shù)

2.1.2 數(shù)量性狀的主要參數(shù)和多樣性指數(shù) 對(duì)152份高粱種質(zhì)資源的8個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表3)發(fā)現(xiàn)，各性狀之間的變異系數(shù)以及遺傳多樣性指數(shù)均存在較大差異。多樣性指數(shù)范圍在2.018～2.082之間，均值為2.06。其中單寧含量的多樣性指數(shù)最大，為2.082；莖粗的多樣性指數(shù)最小，為2.018。其余6個(gè)性狀的多樣性指數(shù)排序?yàn)橹竞?直鏈淀粉含量>支鏈淀粉含量>蛋白質(zhì)含量>株高>穗長(zhǎng)。由此可見，這些性狀有著豐富的遺傳多樣性。變異系數(shù)范圍在7.01%～32.20%之間，均值為21.48%。其中直鏈淀粉含量的變異系數(shù)最大，為32.20%；蛋白質(zhì)含量的變異系數(shù)最小，為7.01%。其余6個(gè)性狀的變異系數(shù)排序?yàn)橹旮?單寧含量>穗長(zhǎng)>莖粗>脂肪含量>支鏈淀粉含量。一般變異系數(shù)大于 10% 表示樣本間差異比較大，本研究中有 7 個(gè)性狀(脂肪含量、單寧含量、直鏈淀粉含量、支鏈淀粉含量、株高、莖粗、穗長(zhǎng))的變異系數(shù)大于 10%，表明這些性狀離散程度高，遺傳差異較大。

表3 高粱種質(zhì)資源數(shù)量性狀的主要參數(shù)和多樣性指數(shù)

152份高粱資源的株高變異幅度較大，最高可達(dá)415 cm，最矮僅為64 cm，從中初步篩選出一批優(yōu)異矮稈種質(zhì)資源(表4)。供試材料中有7份特矮稈(株高≤100 cm)，24份矮稈(株高≤150 cm)資源，31份矮稈種質(zhì)均來(lái)自國(guó)外，這些資源對(duì)于選育高粱抗倒伏品種有至關(guān)重要的作用。

表4 高粱矮稈種質(zhì)資源

2.2 高粱種質(zhì)資源聚類分析

通過(guò)系統(tǒng)聚類平均法，在歐氏距離為7時(shí)，可將152份高粱材料分為3個(gè)亞類(圖1)，具體的數(shù)量性狀特征見表5。第1類包含91份資源，占所有種質(zhì)資源的59.87%，包括國(guó)內(nèi)73份、國(guó)外18份，以紅色、橢圓形資源居多。其主要特征是脂肪含量和支鏈淀粉含量分別在3個(gè)類群中最大，但支鏈淀粉含量的變異系數(shù)排名第2；蛋白質(zhì)含量、脂肪含量、直鏈淀粉含量、莖粗、穗長(zhǎng)的變異系數(shù)分別在3個(gè)類群中最高，綜合性狀較好。第2類包含55份資源，占所有種質(zhì)資源的36.18%，全為國(guó)外高粱資源，穗形以紡錘形居多。其主要特征是蛋白質(zhì)含量、脂肪含量、單寧含量和株高分別在3個(gè)類群中最小，但單寧含量和株高的變異系數(shù)排名第1；其次直鏈淀粉含量和莖粗分別在3個(gè)類群中最大。第3類包含6份資源，占所有種質(zhì)資源的3.95%，包括國(guó)內(nèi)外高粱資源各3份，以灰色、卵形資源居多。其主要特征是蛋白質(zhì)含量、單寧含量、株高和穗長(zhǎng)分別在3個(gè)類群中最大，但蛋白質(zhì)、單寧含量和穗長(zhǎng)的變異系數(shù)最低。其中穗長(zhǎng)最長(zhǎng)(41.00 cm)的是來(lái)自北也門的美國(guó)帚用高粱。

表5 高粱種質(zhì)資源3個(gè)類群的數(shù)量性狀特征

2.3 高粱種質(zhì)資源主成分分析及綜合評(píng)價(jià)

利用KMO和Bartlett檢驗(yàn)法進(jìn)行因子適用性檢驗(yàn)得到KMO值為0.772(>0.65)，Bartlett球形度檢驗(yàn)的Sig值為0.00(<0.01)，說(shuō)明該數(shù)據(jù)可以用于主成分分析。

通過(guò)主成分分析將13個(gè)性狀轉(zhuǎn)換為6個(gè)獨(dú)立的成分因子(表6)，特征值分別為4.537、1.609、1.272、1.025、0.942和0.830， 方差貢獻(xiàn)率分別為34.898%、12.380%、9.781%、7.884%、7.247% 和6.388%，累積貢獻(xiàn)率達(dá)到78.579%，可以反映出13個(gè)性狀的大部分信息。主成分1中脂肪含量的貢獻(xiàn)率最大，其次是穗型、 蛋白質(zhì)含量和單寧含量，可以把主成分1作為籽粒品質(zhì)的綜合指標(biāo)。主成分2中粒形的貢獻(xiàn)率最大，其次是著殼率，可以作為籽粒外觀因子。主成分3、主成分4分別代表穗長(zhǎng)、穗形等穗部形態(tài)。成分5是與莖粗和支鏈淀粉含量相關(guān)的因子。成分6中莖粗的貢獻(xiàn)率最大，其次是株高，反映的是植株生長(zhǎng)信息。

表6 前6個(gè)主成分的特征值及特征向量描述

通過(guò)高粱種質(zhì)13個(gè)表型性狀所對(duì)應(yīng)的主成分值為系數(shù)構(gòu)建線性方程：

=0709+0807+0693-0593+0413+0685-0350+0605-0108+0771-0633-0412-0496；

=-0078+0175-0010-0315+0213-0169-0084+0032+0448+0015-05460740+0587；

=0220-0127-0447+0363-0517+0015+0105+0625-0088+0272-0286+0203-0035；

=0066-0053+0074-0095-0048-0123+0540+0100+0744-0017+0017-0156-0326；

=0084-0091-0204-0018+0569-0072+0585+0062-0406-0064-0203+0016-0019；

=-0029+0278+0315+0189-0265+0430+0445-0056-0078-0100+0056+0037+0375。

式中：～分別表示蛋白質(zhì)含量、脂肪含量、單寧含量、直鏈淀粉含量、支鏈淀粉含量、株高、莖粗、穗長(zhǎng)、穗形、穗型、粒色、粒形、著殼率的標(biāo)準(zhǔn)化值。利用模糊隸屬函數(shù)將6 個(gè)主成分的得分進(jìn)行歸一化處理后，計(jì)算6個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率權(quán)重(0444、0158、0124、0100、0092、0081)構(gòu)建用于篩選高粱優(yōu)異種質(zhì)的綜合得分值，則值=0444+0158+0124+0100+0092+0081。其中值的大小能夠初步表明該種質(zhì)資源綜合性狀的優(yōu)劣程度。經(jīng)計(jì)算，152份供試高粱種質(zhì)的平均綜合得分為0.527，序號(hào)為152(0.822)、37(0.809)和98(0.808)等10份品種的綜合得分較大(表7)，說(shuō)明這些品種相比其他品種綜合性狀較優(yōu)。

表7 10份優(yōu)異高粱種質(zhì)資源的綜合得分

3 討論與結(jié)論

遺傳多樣性是進(jìn)行遺傳研究的基礎(chǔ)，通過(guò)對(duì)種質(zhì)資源進(jìn)行遺傳多樣性分析可以從整體上把握種質(zhì)的應(yīng)用潛力以及利用價(jià)值。本研究通過(guò)遺傳多樣性分析發(fā)現(xiàn)質(zhì)量性狀的多樣性指數(shù)值為0.719～1.267，均值為0.89。其中穗型的多樣性指數(shù)值最大，為1.267，其次是穗形和粒色。與趙香娜等對(duì)甜高粱種質(zhì)資源研究得出粒色遺傳多樣性最高的結(jié)果有所不同，可能是由于試驗(yàn)材料的差異造成的。數(shù)量性狀的變異系數(shù)為7.01%～32.20%，其中直鏈淀粉含量、株高、單寧含量的變異系數(shù)較大，分別為32.20%、31.55%、28.81%。遺傳多樣性指數(shù)為2.018～2.082，均值為2.06，其中遺傳多樣性指數(shù)較大的有單寧含量為2.082，脂肪含量為2.078，直鏈淀粉含量為2.076。數(shù)量性狀的遺傳多樣性明顯大于質(zhì)量性狀，這與周瑜等研究結(jié)果相同。研究結(jié)果說(shuō)明供試材料擁有較大的遺傳差異，這有利于拓寬遺傳基礎(chǔ)以及高粱優(yōu)異種質(zhì)的篩選。

聚類分析是將未知類別的樣本按照一定的規(guī)則劃分成若干個(gè)類族，把相似(距離相近)的樣本聚在同一個(gè)類簇，不相似的樣本分為不同類簇，從而揭示樣本之間內(nèi)在的性質(zhì)以及相互之間的聯(lián)系規(guī)律。本研究通過(guò)聚類分析將152份不同來(lái)源的高粱種質(zhì)劃分為3個(gè)亞類，第1類主要特征為中稈、脂肪和支鏈淀粉含量高，綜合性狀較優(yōu)，可作為優(yōu)質(zhì)資源創(chuàng)新利用；第2類主要特征為矮稈、莖粗、直鏈淀粉含量高，單寧含量低，可作為矮稈育種和食品工業(yè)的資源；第3類主要特征為高稈、穗長(zhǎng)，可從中篩選適合工藝制品(帚等)的資源。不同類群間遺傳差異相對(duì)較大，可在品種改良過(guò)程中起到優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)的作用，該分類結(jié)果可為不同育種目標(biāo)選種提供參考和選擇依據(jù)。

主成分分析是利用降維的思想來(lái)簡(jiǎn)化原有信息的工作量，通常用于分析最多樣化領(lǐng)域的數(shù)據(jù)。本研究通過(guò)主成分分析發(fā)現(xiàn)，提取出的前6個(gè)主成分因子能夠反映出籽粒品質(zhì)、籽粒外觀、穗部形態(tài)和植株生長(zhǎng)特性等大部分信息，可以有效降低數(shù)據(jù)冗余，簡(jiǎn)化工作量。依據(jù)各個(gè)性狀在主成分中的貢獻(xiàn)率權(quán)重來(lái)計(jì)算綜合得分(值)，按照得分大小進(jìn)行篩選，將各種質(zhì)資源的綜合性狀表現(xiàn)數(shù)據(jù)化，有效降低了主觀誤差，提高了評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確率。此方法已在多種作物中進(jìn)行應(yīng)用，因此采用綜合得分對(duì)高粱種質(zhì)資源進(jìn)行評(píng)價(jià)是較為可靠的。