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        芝麻種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性分析

        2023-05-08 06:23:26莊秋麗黃玉波李偉峰王瑞霞楊光宇高樹廣
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2023年6期
        關(guān)鍵詞:主莖類群芝麻

        莊秋麗, 黃玉波, 李偉峰, 王瑞霞, 楊光宇, 高樹廣

        (周口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,河南周口 466001)

        芝麻(SesamumindicumL.)屬胡麻科胡麻屬,是世界上最古老的馴化油料作物[1],是我國五大油料作物之一,因其含有高油、高蛋白以及豐富的其他營養(yǎng)[1-2],已經(jīng)成為一種重要的食物或飼料原料[1]。同時(shí),隨著國家對油料作物的日益重視以及人們生活水平的大幅提高,芝麻的市場需求呈現(xiàn)不斷增長態(tài)勢[3]。

        對芝麻種質(zhì)資源進(jìn)行收集、評價(jià)與創(chuàng)新利用,是保護(hù)芝麻種質(zhì)資源、推動(dòng)芝麻產(chǎn)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的重要基礎(chǔ)[4]。另外,芝麻育種的成效很大程度上取決于掌握、發(fā)掘和利用芝麻種質(zhì)資源的程度[5],其中優(yōu)良種質(zhì)資源的篩選與利用在芝麻新品種選育中起著非常重要的作用[6]。我國芝麻種植區(qū)域廣闊,根據(jù)生態(tài)氣候條件、地理位置,芝麻分為黃淮、江淮、華南、東北、西北、華北六大產(chǎn)區(qū)[3],其中黃淮、江淮和華南地區(qū)是我國芝麻主產(chǎn)區(qū)。河南省周口市屬黃淮白芝麻主產(chǎn)區(qū),其位于南陽、駐馬店、周口和商丘芝麻優(yōu)勢區(qū)域帶,本區(qū)域的典型特點(diǎn)是芝麻種植區(qū)域與全國僅有的砂姜黑土的分布區(qū)域較為一致,砂姜黑土有機(jī)質(zhì)含量和養(yǎng)分含量較高,是本區(qū)域芝麻高產(chǎn)、高油的重要條件保障。本區(qū)域芝麻單產(chǎn)水平居全國首位,產(chǎn)量可突破1 500 kg/hm2。開展本區(qū)域芝麻種質(zhì)資源的試種、歸類與篩選研究,為選擇適合本區(qū)域種植的芝麻種質(zhì)和培育芝麻新品種提供材料支撐,同時(shí)也豐富了黃淮區(qū)域推廣栽種的芝麻品種類型,對黃淮芝麻生態(tài)區(qū)的穩(wěn)定、健康發(fā)展具有重要意義。

        1 材料與方法

        1.1 試驗(yàn)材料

        參試芝麻種質(zhì)資源294份,由河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院芝麻研究中心提供,其來源情況見表1。

        表1 芝麻種質(zhì)資源的來源及數(shù)量

        1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與性狀調(diào)查

        參試材料于2016年6月13日在周口市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗(yàn)田(黏質(zhì)潮土)播種。點(diǎn)播種植,單行區(qū),行長5 m,行距0.4 m,株距0.17 m,密度為15萬株/hm2,2次重復(fù)。定期進(jìn)行田間除草、治蟲、防病,于2016年9月16日收獲結(jié)束。

        田間調(diào)查參照《芝麻種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》,重點(diǎn)選取的性狀指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化[7]見表2。

        表2 芝麻種質(zhì)資源鑒定項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)

        1.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理及統(tǒng)計(jì)分析

        2 結(jié)果與分析

        2.1 芝麻種質(zhì)資源生育時(shí)期的遺傳多樣性分析

        由表3可知,初花期在7月28日之前的資源數(shù)量為56個(gè),終花期較早的資源數(shù)量為58個(gè),說明初花期與終花期在種質(zhì)資源間具有一致性。遺傳多樣性分析結(jié)果(表4)顯示,初花期遺傳多樣性指數(shù)較高,而變異系數(shù)較小。因此可以將初花期作為芝麻新品種選育過程中的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo),將盛花期和終花期作為參考指標(biāo)。

        表3 芝麻生育時(shí)期的調(diào)查結(jié)果及標(biāo)準(zhǔn)化處理

        表4 芝麻種質(zhì)資源生育時(shí)期遺傳多樣性分析

        2.2 芝麻種質(zhì)資源數(shù)量性狀的多樣性分析

        31份國外芝麻種質(zhì)資源和2份不知來源的材料至少來自11個(gè)國家,261份國內(nèi)資源來自16個(gè)省份,其數(shù)量性狀的變異狀況可想而知。通過變異及多樣性分析(表5),發(fā)現(xiàn)294份供試材料的空梢尖長度的CV最大,為45.85%,其余各數(shù)量性狀的CV變化范圍在12.98%~25.50%之間,單株產(chǎn)量、單株蒴果數(shù)和單株表觀生物學(xué)產(chǎn)量的CV次之,分別為25.50%、24.48%、23.52%,株高的CV最小,為12.98%。遺傳多樣性分析結(jié)果表明,供試材料株高的I最高,為2.086,始蒴高度次之,為2.056;主莖果軸長度最小,為0.927,其他數(shù)量性狀的I都較高,變化范圍為1.955~2.056,株高、始蒴高度、主莖節(jié)間數(shù)、主莖節(jié)間距、單株產(chǎn)量及小區(qū)產(chǎn)量的I均大于2,但變幅不大,表明供試材料具有較豐富的多樣性,可為芝麻的品種選育提供豐富的親本材料。

        表5 芝麻種質(zhì)資源數(shù)量性狀的遺傳多樣性分析

        2.3 國內(nèi)外芝麻種質(zhì)資源數(shù)量性狀的遺傳多樣性差異

        通過對國內(nèi)外不同種質(zhì)資源數(shù)量性狀的變異及遺傳多樣性進(jìn)行分析(表6),發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外種質(zhì)資源各性狀的CV的變化具有一致性,均表現(xiàn)為空梢尖長度最大,分別為46.89%和35.61%,其余性狀的變異幅度較小,國外材料資源的表觀生物學(xué)產(chǎn)量、單株產(chǎn)量和小區(qū)產(chǎn)量的CV高于國內(nèi)資源。國外材料資源的I變幅不大(變化范圍1.848~2.002),其中主莖果軸長度的I最高,為2.002,而國內(nèi)材料資源主莖果軸長度的I最小,為1.073,其他性狀的I均較高,且高于國外材料資源,表明國內(nèi)外種質(zhì)資源均具有較豐富的遺傳多樣性。因此,根據(jù)育種目標(biāo)可選取合適的種質(zhì)作為芝麻品種選育的親本材料。

        2.4 芝麻種質(zhì)資源質(zhì)量性狀的遺傳多樣性分析

        由表7可知,材料資源質(zhì)量性狀的I變化范圍為0.129~0.604,每葉腋間蒴果數(shù)的I最高,為0.604,花冠顏色的最小,為0.129。從CV來看,葉腋間蒴果數(shù)和莖稈茸量的CV最大,為71.42%,其次是株型,為34.9%,花冠顏色CV最小,僅為8.52%。根據(jù)表5、表7,數(shù)量性狀的I高于質(zhì)量性狀,而質(zhì)量性狀的CV高于數(shù)量性狀,說明數(shù)量性狀的多樣性更為豐富,質(zhì)量性狀的變化更大。

        表7 芝麻種質(zhì)資源質(zhì)量性狀遺傳多樣性分析

        2.5 芝麻種質(zhì)資源數(shù)量性狀的主成分分析

        對株高等9個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行主成分分析(表8),結(jié)果表明,前3個(gè)因子的累計(jì)貢獻(xiàn)率為81.181%,說明主要信息重點(diǎn)集中在前3個(gè)因子。第1因子特征值4.561,貢獻(xiàn)率50.679%,所有數(shù)量性狀的載荷均為正向,因此隨著單株表觀生物學(xué)產(chǎn)量的增加,與產(chǎn)量相關(guān)的各性狀均有不同程度增加,從而影響芝麻產(chǎn)量。其中,載荷較高的性狀有單株表觀生物學(xué)產(chǎn)量、株高、主莖節(jié)間數(shù)和單株產(chǎn)量,特征向量值分別為0.904、0.822、0.805和0.775,這4個(gè)性狀與小區(qū)產(chǎn)量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(表9),因此,在一定范圍內(nèi)這4個(gè)性狀的值越大,芝麻產(chǎn)量越高,而始蒴高度的特征向量值較小,對產(chǎn)量的影響相對較小。

        表8 芝麻種質(zhì)資源數(shù)量性狀的主成分分析

        第2因子特征值為1.596,累計(jì)貢獻(xiàn)率為17.733%。第2因子特征值為正向且較大的性狀有始蒴高度和株高,分別為0.645和0.514,而小區(qū)產(chǎn)量和單株產(chǎn)量的載荷也是較高,但特征向量值為負(fù)向,分別是-0.593和-0.501,此類型因子主要反映在一定范圍內(nèi),隨著始蒴高度和株高的增加,芝麻產(chǎn)量下降。因此,在育種過程中應(yīng)該適當(dāng)控制株高和始蒴高度,以達(dá)到高產(chǎn)目的。

        第3因子特征值為1.149,累計(jì)貢獻(xiàn)率為12.769%。此因子主要反映始蒴高度的影響情況,始蒴高度的增加,一定程度上能夠增加芝麻產(chǎn)量,但同時(shí)導(dǎo)致與產(chǎn)量相關(guān)性較高(表9)的主莖果軸長度、主莖節(jié)間數(shù)和單株蒴果數(shù)下降,因此在育種及生產(chǎn)中要綜合各方面因素,選擇合適的始蒴高度。

        表9 芝麻種質(zhì)資源產(chǎn)量與其他數(shù)量性狀間的相關(guān)性分析

        2.6 芝麻種質(zhì)資源數(shù)量性狀的聚類分析

        利用SPSS 21.0對 294份芝麻種質(zhì)資源的9個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行聚類分析,樹狀分析結(jié)果(圖1)表明,在遺傳距離為7.5時(shí),將資源分為3個(gè)類群(表10)。

        表10 芝麻種質(zhì)資源各類群數(shù)量性狀特征

        第Ⅰ類群包含102份資源,株高、始蒴高度、主莖果軸長度、主莖節(jié)間數(shù)、空梢尖長度、單株表觀生物學(xué)產(chǎn)量和單株產(chǎn)量在3個(gè)類群中均是最高,單株蒴果數(shù)和小區(qū)產(chǎn)量相對較高,株高的CV最小(6.91%),而單株產(chǎn)量和小區(qū)產(chǎn)量的CV在3個(gè)類群體中最大。由此可以看出,該類群屬于典型的高稈、高腿、相對高產(chǎn)種質(zhì),而單株產(chǎn)量和小區(qū)產(chǎn)量的穩(wěn)定性較差。第Ⅱ類群包含83份資源,單株蒴果數(shù)和小區(qū)產(chǎn)量最高,始蒴高度最小,主莖節(jié)間數(shù)、單株產(chǎn)量和小區(qū)產(chǎn)量的CV最小,其余各性狀均處于中等水平,說明該類群株型結(jié)構(gòu)較為合理,具有一定的產(chǎn)量潛力。第Ⅲ類群包含109份資源,其主要特征是株高最小,始蒴高度中等,其余性狀均是最小,單株蒴果數(shù)的變異系數(shù)最小,株高、始蒴高度、空梢尖長度和主莖果軸長度變異系數(shù)最大,其余性狀變異中等。

        3 結(jié)論與討論

        作物的遺傳多樣性是衡量群體內(nèi)個(gè)體差異的重要指標(biāo),同時(shí)也是種質(zhì)創(chuàng)新的基礎(chǔ)[9]。對種質(zhì)資源進(jìn)行田間鑒定,對資源農(nóng)藝性狀進(jìn)行描述是研究種質(zhì)資源特征的基本方法和途徑[10]。本研究通過對294份芝麻種質(zhì)資源的生育時(shí)期和15個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行遺傳多樣性分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn), 初花期的CV較大,I較高;9個(gè)數(shù)量性狀CV都大于10%,范圍在12.98%~71.42%,葉腋間蒴果數(shù)和莖稈茸量的CV最大,為71.42%,空梢尖長度的CV次之,為45.85%, 株高的CV最小,為12.98%; 花冠顏色的CV和I最小,質(zhì)量性狀的CV高于數(shù)量性狀。株高的I最高,為2.086,始蒴高度次之,主莖果軸長度I最小,與產(chǎn)量性狀具有較高正相關(guān)關(guān)系的主莖節(jié)間數(shù)、單株蒴果數(shù)和單株表觀生物學(xué)產(chǎn)量的I都較高,表明可以利用現(xiàn)有種質(zhì)資源培育具有一定高產(chǎn)潛力的芝麻新品種。孫銘等的研究表明,一般CV大于10%表示樣本間差異較大[11]。韓俊梅等對200份芝麻種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性分析結(jié)果表明,單株蒴果數(shù)的CV最大,主莖果軸長度的I最高,莖稈茸毛量I最高,蒴果棱數(shù)的最小[3]。王郅琪等研究認(rèn)為,黑芝麻地方種質(zhì)資源CV最大的為空梢尖長度[12]。崔宏亮等對新疆芝麻種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀的研究結(jié)果表明,空梢尖長CV最大(49.82%)[13]。呂偉等的研究結(jié)果表明,花冠顏色的CV最小,但其I相對較高,芝麻種質(zhì)資源的株高和單株蒴果數(shù)的I最高[14]。

        對分別來自國外和國內(nèi)的芝麻種質(zhì)資源進(jìn)行變異和遺傳多樣性分析,發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外種質(zhì)資源的空梢尖長度變異最大,分別為46.89%和35.61%;國外材料資源各性狀的I變幅較小,其中主莖果軸長度的I最高,而國內(nèi)材料資源主莖果軸長度的I最小,其他性狀的I均高于國外材料資源。主成分分析從9個(gè)數(shù)量性狀中重點(diǎn)提取出2個(gè)主要因子,分別是單株表觀生物學(xué)產(chǎn)量和始蒴高度,但是各因子的特征值不同,其作用大小也不同[3];9個(gè)數(shù)量性狀的聚類分析結(jié)果顯示,遺傳距離為7.5時(shí),可以把294份材料資源分為3個(gè)類群。第Ⅰ類群材料各性狀都是3個(gè)類群中最高或相對較高的,該類群屬于典型的高稈、高腿、相對高產(chǎn)種質(zhì),而單株產(chǎn)量和小區(qū)產(chǎn)量的穩(wěn)定性較差,因此,可作為高產(chǎn)選育目標(biāo)的種質(zhì)資源。第Ⅱ類群為單株蒴果數(shù)和小區(qū)產(chǎn)量最高,始蒴高度最小,其余各性狀大小處于中等水平,該類群株型結(jié)構(gòu)較為合理,具有一定的產(chǎn)量潛力,可以直接應(yīng)用于生產(chǎn)[15]。第Ⅲ類群材料的主要特征是株高最小,始蒴高度中等,其余性狀均是最小,相對于類群Ⅰ,此類型資源雖然植株矮小,平均單株表觀生物量是類群Ⅰ的69.98%,而產(chǎn)量卻是類群Ⅰ的83.83%,因此類群Ⅲ是品種選育的優(yōu)良親本材料,同時(shí)此類型也是典型的利于機(jī)械化收獲的品種資源。

        綜上所述,通過分析芝麻種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性,以及對其進(jìn)行主成分分析和聚類分析,發(fā)現(xiàn)優(yōu)異種質(zhì)資源,株型結(jié)構(gòu)合理、產(chǎn)量穩(wěn)定的材料資源可以直接用于生產(chǎn),同時(shí)也為不同育種目標(biāo)提供合適親本材料。然而,目前盡管DNA 分子標(biāo)記技術(shù)是區(qū)分芝麻不同種質(zhì)資源最可靠的方法[16],但是農(nóng)藝性狀的多樣性分析作為一種能夠?yàn)椴牧腺Y源的分子生物學(xué)分析提供基礎(chǔ)信息的基本環(huán)節(jié),也是必不可少的。

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