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        谷子主要農(nóng)藝性狀和品質(zhì)性狀遺傳多樣性分析

        2023-07-10 04:08:08刁玉霖朱康寧張海金張文飛王凱璽吳宏生陳國(guó)秋
        江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2023年11期
        關(guān)鍵詞:主莖谷子農(nóng)藝

        刁玉霖 朱康寧 張海金 張文飛 王凱璽 吳宏生 陳國(guó)秋

        摘要:通過(guò)篩選特異性谷子種質(zhì)資源,為其利用和新品種選育提供參考。對(duì)200份來(lái)源不同的谷子種質(zhì)資源的農(nóng)藝性狀和品質(zhì)性狀進(jìn)行遺傳多樣性分析、聚類分析、主成分分析、相關(guān)性分析,結(jié)果顯示,13個(gè)質(zhì)量性狀葉鞘色、剌毛顏色、幼苗葉姿、幼苗葉色、開(kāi)花期葉姿、穗頸形狀、米色、穗松緊度、穗形、花藥顏色、粒色、刺毛長(zhǎng)度、穗碼密度的遺傳多樣性指數(shù)變幅為0.357~1.207,性狀表型豐富,其余性狀的遺傳多樣性指數(shù)變幅為1.652~2.099。聚類分析將材料分為3個(gè)類群,第Ⅰ類群熟期較長(zhǎng),植株高大,蛋白質(zhì)和脂肪含量較高;第Ⅱ類群產(chǎn)量性狀表現(xiàn)突出;第Ⅲ類群植株較矮。主成分分析選取5個(gè)累積貢獻(xiàn)率為60.9%的主成分進(jìn)行評(píng)價(jià),其中第1主成分的貢獻(xiàn)率最高。相關(guān)性分析結(jié)果顯示,谷子主莖節(jié)數(shù)與穗下節(jié)間長(zhǎng)度極顯著負(fù)相關(guān);主穗直徑與主莖直徑極顯著正相關(guān);單株穗質(zhì)量與單株粒質(zhì)量極顯著正相關(guān);單株粒質(zhì)量與主莖直徑極顯著正相關(guān)。200份谷子種質(zhì)資源遺傳多樣性豐富,分為3個(gè)類群,各類群性狀差異較大,可為創(chuàng)制新品種提供重要資源支撐;篩選出5個(gè)主要性狀,可作為資源評(píng)價(jià)和品種選育著重關(guān)注性狀。

        關(guān)鍵詞:谷子;種質(zhì)資源;農(nóng)藝性狀;品質(zhì)性狀;遺傳多樣性;聚類分析;主成分分析;相關(guān)性分析

        中圖分類號(hào):S326;S515.03文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A文章編號(hào):1002-1302(2023)11-0073-07

        谷子[Setaria italica (L.) Beauv.]是起源于我國(guó)的一種糧飼兼用、耐旱、耐瘠薄的禾本科作物[1],其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高,醫(yī)食同源,具有保健功效[2]。近年來(lái),隨著消費(fèi)者對(duì)雜糧的認(rèn)知度和谷子經(jīng)濟(jì)效益的提高,我國(guó)谷子種植面積持續(xù)擴(kuò)大,基本穩(wěn)定在150萬(wàn)hm2左右[3-5]。在不斷的人工栽培和馴化過(guò)程中,谷子形成了豐富的種質(zhì)資源[6]。種質(zhì)資源是關(guān)系到糧食安全的重要戰(zhàn)略性資源[7-8]。

        我國(guó)擁有世界上最豐富的谷子種質(zhì)資源。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)國(guó)家種質(zhì)資源庫(kù)中保存谷子種質(zhì)資源30 000余份[9]。種質(zhì)資源遺傳多樣性鑒定工作是種質(zhì)資源研究的重要組成部分,我國(guó)的專家學(xué)者在谷子表型性狀、抗逆性分析、品質(zhì)性狀、理化性質(zhì)等資源鑒定方面開(kāi)展了大量的研究[10-12]。陳彥清等利用空間聚類等方法,分析出了我國(guó)谷子種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀及品質(zhì)性狀的空間分布特點(diǎn)[13];賈小平等利用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法將71份種質(zhì)資源的農(nóng)藝性狀進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),鑒定出10個(gè)表現(xiàn)優(yōu)良的谷子品種(系)[14];王海崗等選用878份谷子核心種質(zhì)的15個(gè)表型性狀評(píng)估遺傳多樣性,通過(guò)聚類分析將全部種質(zhì)分為3類,并明確了谷子表型鑒定的8個(gè)主要指標(biāo)[15]。品質(zhì)性狀遺傳多樣性分析包含蛋白質(zhì)、脂肪、維生素、淀粉含量等指標(biāo)。朱志華等測(cè)定了154份谷子種質(zhì)的粗蛋白、粗脂肪、賴氨酸的含量,鑒定出一批多項(xiàng)、雙項(xiàng)、單項(xiàng)品質(zhì)優(yōu)良的品種[16];王凱璽等通過(guò)農(nóng)藝性狀、抗逆性、籽粒品質(zhì)等指標(biāo)從220份谷子種質(zhì)資源中篩選出適宜遼寧西部種植的種質(zhì)資源[17];眾多學(xué)者通過(guò)種質(zhì)資源的遺傳多樣性分析,篩選出大量抗逆性強(qiáng)、品質(zhì)優(yōu)、產(chǎn)量高的種質(zhì)資源[18-19]。本研究通過(guò)對(duì)200份谷子種質(zhì)資源進(jìn)行遺傳多樣性分析,為今后優(yōu)良基因的挖掘和突破性品種的選育提供理論參考和材料保障。

        1材料和方法

        1.1試驗(yàn)材料

        供試材料為遼寧省旱地農(nóng)林研究所保存的200份谷子種質(zhì)資源(編號(hào)S1~S200),其中包括123份選育品種,34份地方品種,35份品系,8份遺傳材料,詳見(jiàn)表1。

        1.2試驗(yàn)方法

        試驗(yàn)于2021年在遼寧省旱地農(nóng)林研究所試驗(yàn)基地(41°49′N,120°37′E)進(jìn)行。該試驗(yàn)地海拔180.6 m,小區(qū)面積9 m2(行長(zhǎng)5 m,行距0.6 m,3行區(qū)),前茬為高粱,試驗(yàn)地為沙壤土,土壤肥力中等,地勢(shì)平坦,具備灌溉條件,pH值8.23,2021年5—10月總降水量677.98 mm,總?cè)照諘r(shí)數(shù)868.87 h,平均氣溫19.22 ℃。試驗(yàn)田統(tǒng)一播種、管理、收獲,田間管理同大田一致,收獲時(shí)每小區(qū)取20株調(diào)查農(nóng)藝性狀(包括質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀)。

        幼苗期調(diào)查葉鞘色、幼苗色、幼苗葉姿,開(kāi)花期調(diào)查開(kāi)花期葉姿、花藥顏色,灌漿期調(diào)查刺毛長(zhǎng)度、剌毛顏色,成熟期調(diào)查穗形、穗頸形狀、穗松緊度、穗碼密度、主莖長(zhǎng)度、穗下節(jié)間長(zhǎng)度、主莖直徑、主莖節(jié)數(shù)、主穗長(zhǎng)度、主穗直徑、粒色,收獲后考種調(diào)查米色、單株穗重、單株粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量。本研究中調(diào)查農(nóng)藝性狀的方法均按照文獻(xiàn)[20]進(jìn)行。蛋白質(zhì)含量、脂肪含量、淀粉含量的測(cè)定采用近紅外多功能品質(zhì)分析儀(FOSS DS2500F)測(cè)定。

        1.3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

        數(shù)據(jù)整理分析采用Microsoft Excel 2016,將13個(gè)農(nóng)藝性狀中的質(zhì)量性狀進(jìn)行賦值(表2,僅對(duì)本研究中出現(xiàn)的農(nóng)藝性狀表型進(jìn)行賦值。),對(duì)其余10個(gè)農(nóng)藝性狀中的數(shù)量性狀和3個(gè)品質(zhì)性狀進(jìn)行分級(jí),第1級(jí)[Xi<(X-2σ)]至第10級(jí)[Xi≥(X+2σ)],其中:X為性狀平均值,σ為標(biāo)準(zhǔn)差,每0.5σ為1級(jí),并對(duì)總計(jì)26個(gè)農(nóng)藝性狀計(jì)算Shannon多樣性指數(shù)(H′),H′=-∑Pi(ln Pi),其中:Pi為某個(gè)農(nóng)藝性狀第i級(jí)別出現(xiàn)的頻率[21-23]。聚類分析、相關(guān)性分析、主成分分析采用Origin 2021和SPSS v.20進(jìn)行分析和繪圖。

        2結(jié)果與分析

        2.1質(zhì)量性狀遺傳多樣性

        由表3可知,200份谷子種質(zhì)資源中,葉鞘色和幼苗色均以綠色為主,幼苗葉姿和開(kāi)花期葉姿均以半上舉為主,穗頸形狀76.5%為彎曲,穗松緊度以中型居多,穗碼密度中疏最多,占38%,其次為中密;谷穗主要呈紡錘形,刺毛短的居多,占58%,刺毛大多呈綠色,其中50.5%的谷子花藥為橙色,粒色和米色均以黃色居多。

        質(zhì)量性狀的Shannon多樣性指數(shù)能夠較直觀地體現(xiàn)某一性狀在不同級(jí)別上的具體分布情況,13個(gè)質(zhì)量性狀的Shannon多樣性指數(shù)變幅為0.357~1.207,平均值為0.75,其中穗碼密度多樣性指數(shù)最大,葉鞘色最小,大部分的質(zhì)量性狀體現(xiàn)出來(lái)豐富的遺傳多樣性。

        2.2數(shù)量性狀和品質(zhì)性狀遺傳多樣性

        由表4可知,谷子數(shù)量性狀和品質(zhì)性狀變異系數(shù)在4.0%~25.3%之間,平均為16.6%,其中大于20%的性狀有4個(gè),依次為單株粒質(zhì)量、單株穗質(zhì)量、主莖直徑、脂肪含量,農(nóng)藝性狀多樣性指數(shù)在 1.652~2.099之間;多樣性指數(shù)較高(>2.0)的性狀有9個(gè),分別為單株穗質(zhì)量、單株粒質(zhì)量、主莖長(zhǎng)度、主穗直徑、脂肪含量、蛋白質(zhì)含量、穗下節(jié)間長(zhǎng)度、主莖直徑、千粒質(zhì)量,多樣性指數(shù)最小的性狀為主莖節(jié)數(shù)。

        全生育期變幅為99~120 d,極差為21 d,生育期最長(zhǎng)的品種為九谷20(S57),最短的品種有蘇子糧(S18)、黑谷子(S36)、嫩選15(S77)等14份資源。主莖長(zhǎng)度變幅為73.0~187.0 cm,極差為 114 cm,隴谷13(S74)最高,195(S39)最矮。穗下節(jié)間長(zhǎng)度變幅為11.0~35.0 cm,極差為24 cm,最長(zhǎng)為朝谷12號(hào)(S1)、蘇子糧(S18)和龍鳳谷(S38)等,最短為赤谷10(S182)。主莖直徑變幅為4.8~15.4 mm,主莖直徑最大值為錦谷20-1(S153),最小值為峰谷12(S184)。主莖節(jié)數(shù)變幅為10~17個(gè),極差為7個(gè),主莖節(jié)數(shù)最多的為龍谷42(S122),最少的為朝谷14號(hào)(S3)、195(S39)、峰優(yōu)谷6號(hào)(S46)等。主穗長(zhǎng)度變幅為7~43 cm,極差為 36 cm,最長(zhǎng)為長(zhǎng)穗谷(S58),最短為長(zhǎng)農(nóng)51號(hào)(S145)。主穗直徑變幅為12.7~46.7 mm,極差為34 mm,最大為天粟金米1號(hào)(S148),最小為汕谷5(S193)。單株穗質(zhì)量變幅為9.4~43.4 g,極差為34,單株穗質(zhì)量最大為公谷89(S109),最小為魯谷1(S197)。單株粒質(zhì)量變幅為7.6~36.4 g,極差為28.8 g,單株粒質(zhì)量最大為赤優(yōu)金谷(S49),最小為魯谷1(S197)。千粒質(zhì)量變幅為1.9~4.0 g,極差為2.1 g,千粒質(zhì)量最大為紅谷子(S161),最小為九谷20(S57)。蛋白質(zhì)含量變幅為8.7%~16.4%,極差為7.7,蛋白質(zhì)含量最高為晉谷12(S196),最低為冀谷42(S87)。脂肪含量變幅為1.1%~5.8%,極差4.7百分點(diǎn),脂肪含量最高為綠谷子(S162),最低為赤谷20(S174)。淀粉含量變幅為60.4%~86.8%,極差26.4,淀粉含量最高為豫谷36(S142),最低為濟(jì)白米1號(hào)(S53)。

        2.3聚類分析

        對(duì)不同谷子種質(zhì)資源的農(nóng)藝性狀和品質(zhì)性狀聚類分析(圖1),結(jié)果表明,歐氏距離為36.7時(shí),將200份谷子種質(zhì)資源劃分為3類。各類群性狀平均值見(jiàn)表5,第Ⅰ類群包含61份材料,占30.5%,該類群生育期較長(zhǎng),主莖長(zhǎng)度、主穗長(zhǎng)度較高,主莖節(jié)數(shù)較大, 千粒質(zhì)量較大,蛋白質(zhì)和脂肪含量較高,可作為高蛋白質(zhì)和高脂肪遺傳材料進(jìn)一步研究。第Ⅱ類群包含127份材料,占63.5%,主莖直徑、主穗直徑較大,單株穗質(zhì)量和單株粒質(zhì)量均較大,增產(chǎn)潛力較大,可作為產(chǎn)量性狀研究的種質(zhì)資源研究材料。第Ⅲ類群包含12份材料,占6%,主莖長(zhǎng)度、主莖節(jié)均最低,主穗長(zhǎng)最小,該類群可以作為抗倒伏品種選育的遺傳材料。

        2.4主成分分析

        利用SPSS軟件對(duì)13個(gè)谷子農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析,選取特征值>1的因子。由表6可知,前5個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為60.9%,可反映全部信息的大部分信息,其中第1主成分的貢獻(xiàn)率最高,第5個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率最低。

        第1主成分的特征值為2.397,貢獻(xiàn)率為18.438%,其中全生育期、主莖長(zhǎng)度、穗下節(jié)間長(zhǎng)度的載荷較高,分別為0.590、0.587、0.353,這些性狀主要與生育期和株高相關(guān);第2主成分的特征值為1.750,貢獻(xiàn)率為13.459%,其中主莖直徑、主莖節(jié)數(shù)、主穗長(zhǎng)度的載荷較高,分別為0.525、0.508、0.359,這些性狀主要與莖粗和穗長(zhǎng)性狀相關(guān);第3主成分特征值為1.499,貢獻(xiàn)率為11.529%,其中單株穗質(zhì)量和單株粒質(zhì)量的載荷較高,分別為0.497和0.468,此類性狀主要與穗部產(chǎn)量相關(guān);第4主成分特征值為1.178,貢獻(xiàn)率為9.036%,其中蛋白質(zhì)和脂肪含量的載荷較高,分別為0.588和0.465,此類性狀主要與谷子品質(zhì)相關(guān);第5主成分特征值為1.093,貢獻(xiàn)率為8.409%,其中千粒質(zhì)量和蛋白質(zhì)含量的載荷較高,分別為0.315和0.476,此類性狀主要與產(chǎn)量性狀和蛋白質(zhì)含量相關(guān)。

        2.5主要數(shù)量性狀和品質(zhì)性狀相關(guān)性分析

        由表7可知,谷子主莖節(jié)數(shù)與主莖長(zhǎng)度極顯著正相關(guān),與穗下節(jié)間長(zhǎng)度極顯著負(fù)相關(guān);主穗長(zhǎng)度與穗下節(jié)間長(zhǎng)度極顯著負(fù)相關(guān);主穗直徑與主莖長(zhǎng)度極顯著負(fù)相關(guān),與主莖直徑極顯著正相關(guān);單株穗質(zhì)量與主穗直徑極顯著正相關(guān);單株粒質(zhì)量與主莖直徑、主穗直徑、單株穗質(zhì)量極顯著正相關(guān);千粒質(zhì)量與主穗長(zhǎng)度、單株穗質(zhì)量、單株粒質(zhì)量極顯著正相關(guān);脂肪含量與蛋白質(zhì)含量極顯著正相關(guān);淀粉含量與脂肪含量極顯著負(fù)相關(guān)。

        3討論

        豐富的種質(zhì)資源類型涵蓋了巨大的基因背景差異,種質(zhì)資源遺傳多樣性分析是育種突破的關(guān)鍵[24]。農(nóng)藝性狀和品質(zhì)性狀的多樣性分析能夠?yàn)橘Y源利用和種質(zhì)創(chuàng)新起到重要作用。本研究以200份谷子種質(zhì)資源為試材,對(duì)總計(jì)26個(gè)性狀進(jìn)行了鑒定,其中包含13個(gè)質(zhì)量性狀、10個(gè)數(shù)量性狀、3個(gè)品質(zhì)性狀。從遺傳多樣性的角度分析了200份材料的特點(diǎn),結(jié)果顯示,13個(gè)質(zhì)量性狀的多樣性指數(shù)在0.357~1.207之間,其中穗碼密度多樣性指數(shù)最高;13個(gè)農(nóng)藝性狀和品質(zhì)性狀的變異系數(shù)變幅為4.0%~25.3%,其中單株粒質(zhì)量變異系數(shù)最大,各個(gè)性狀的差異較大。由此可見(jiàn), 各個(gè)谷子種質(zhì)間差異較大,來(lái)源廣泛,類型豐富,為篩選特異性種質(zhì)資源提供了大量的材料基礎(chǔ)。

        多位學(xué)者對(duì)谷子的農(nóng)藝性狀進(jìn)行遺傳多樣性分析[24-26],但結(jié)合品質(zhì)性狀綜合分析的較少,本研究聚類分析結(jié)果表明,各類群差異較大,第Ⅰ類群熟期較長(zhǎng),植株高大,并且蛋白質(zhì)和脂肪含量較高;第Ⅱ類群產(chǎn)量性狀表現(xiàn)突出;第Ⅲ類群包含的材料植株較矮,可作為抗倒伏和適宜機(jī)械化收獲材料進(jìn)行遺傳研究。主成分分析結(jié)果表明,13個(gè)性狀分為5個(gè)主成分,5個(gè)主成分分別與株高、穗長(zhǎng)、穗部產(chǎn)量性狀、品質(zhì)性狀、產(chǎn)量相關(guān)。相關(guān)性分析結(jié)果顯示,主莖節(jié)數(shù)與穗下節(jié)間長(zhǎng)度極顯著負(fù)相關(guān);主穗直徑與主莖直徑極顯著正相關(guān);單株穗重與單株粒質(zhì)量極顯著正相關(guān);單株粒質(zhì)量與主莖直徑極顯著正相關(guān)。這與王海崗等的研究結(jié)果[12]一致,主穗長(zhǎng)度與穗下節(jié)間長(zhǎng)度極顯著負(fù)相關(guān),這與彭小偉等的研究結(jié)果[27]不一致,可能是材料和環(huán)境的不同造成的。

        數(shù)量性狀在不同的環(huán)境和不同的年份都可能表現(xiàn)出不同的結(jié)果,該研究的性狀結(jié)果可能受到環(huán)境因素的影響,排出環(huán)境影響的有效方法就是進(jìn)行多年多點(diǎn)的鑒定,并且要結(jié)合利用分子標(biāo)記進(jìn)行遺傳學(xué)分析,能夠更加直接和準(zhǔn)確地反映不同材料基因組DNA間的差異。在研究方法的利用和選擇上也需提升和改進(jìn),應(yīng)采取基于表型性狀、多種方法相結(jié)合的手段,實(shí)現(xiàn)高效、準(zhǔn)確的鑒定種質(zhì)資源的特性,為育種材料提供完整準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)結(jié)果。

        4結(jié)論

        200份谷子種質(zhì)資源遺傳多樣性豐富,變異幅度大,分成三大類群,各類群性狀差異較大,特異性狀表現(xiàn)突出,可為創(chuàng)制新品種提供重要資源支撐。篩選出5個(gè)主要性狀,可作為資源評(píng)價(jià)和品種選育著重關(guān)注的性狀。

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