李龍　宋慧　張揚　謝慧芳　邢璐　宋中強(qiáng)　劉金榮

摘要：谷子對光溫反應(yīng)較敏感，為提高谷子跨生態(tài)區(qū)引種的成功率，以全國4個生態(tài)區(qū)的25個谷子品種為試驗材料，在河南省開展主要農(nóng)藝性狀的調(diào)查研究，并對其中9個農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性、主成分及聚類分析。結(jié)果表明，參試材料9個主要農(nóng)藝性狀在華北地區(qū)表現(xiàn)出廣泛的遺傳多樣性，變異系數(shù)在4.71%～32.79%之間。單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量、出谷率、穗粗與產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)。通過主成分分析提取2個主成分，即粒質(zhì)量因子與株型因子，累計貢獻(xiàn)率達(dá)71.173%。粒質(zhì)量因子以單穗粒質(zhì)量、單穗質(zhì)量、產(chǎn)量為主要指標(biāo)，株型因子以株高、成穗率、生育期、穗長為主要指標(biāo)。聚類分析結(jié)果表明，在類間距離為10時可將參試品種分為3個類群，第1類品種株高、生育期及成穗率適中，產(chǎn)量、單穗質(zhì)量與單穗粒質(zhì)量及出谷率較高，其中單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量變異系數(shù)較小，產(chǎn)量因素較穩(wěn)定。第2類品種株高較高，生育期長，成穗率高，產(chǎn)量適中。第3類品種產(chǎn)量、生育期、穗長、穗粗、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量、出谷率均較低，株高表現(xiàn)中等，產(chǎn)量、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量整體變異系數(shù)較大。根據(jù)不同品種的生態(tài)區(qū)來源，結(jié)合聚類分析結(jié)果，從東北春谷區(qū)向華北地區(qū)引種的成功率相對較高，從西北春谷早熟區(qū)引種的成功率相對較低，本研究結(jié)果為跨生態(tài)區(qū)谷子引種提供了依據(jù)。因此，全國4個生態(tài)區(qū)的谷子品種在華北地區(qū)各農(nóng)藝性狀存在較大差異，從全國范圍內(nèi)向華北地區(qū)引種時，應(yīng)優(yōu)先考慮東北春谷區(qū)品種。

關(guān)鍵詞：谷子；生態(tài)區(qū)；農(nóng)藝性狀；主成分分析；聚類分析；相關(guān)性分析

中圖分類號：S515.037文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）14-0090-05

谷子是起源于中國的古老農(nóng)作物，在我國已有超過7 000年的栽培歷史，具有抗旱、耐瘠、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點，籽粒和秸稈均有較高的營養(yǎng)價值，糧飼兼用，是我國北方干旱半干旱地區(qū)重要的農(nóng)作物。隨著種植結(jié)構(gòu)的變化，谷子已成為我國種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的主力軍［1］。谷子在漫長的自然選擇和人工選育的條件下，形成了豐富的遺傳變異，隨后傳播到世界各地也形成了豐富的遺傳多樣性［2-3］。我國根據(jù)生態(tài)氣候不同將谷子種植區(qū)在科研實踐中劃分為4個區(qū)組，包括華北夏谷區(qū)組、東北春谷區(qū)組、西北春谷區(qū)早熟組和西北春谷區(qū)中晚熟組［4］。主成分分析方法能夠有效地將多個相互關(guān)聯(lián)的農(nóng)藝性狀進(jìn)行降維處理，隨后得出幾個相互獨立的主成分，用于分析各個農(nóng)藝性狀在表型性狀中發(fā)揮作用［5］。聚類分析方法能更清晰地了解不同種質(zhì)資源的群體組成及不同種質(zhì)之間的親緣關(guān)系，生產(chǎn)上用于目標(biāo)種質(zhì)的篩選［6］。采用主成分分析與聚類分析相結(jié)合的綜合評價分析方法已在玉米［7-8］、小麥［9-10］、水稻［11］、花生［12］、大豆［13-14］、藜麥［15］等作物種質(zhì)資源分類中廣泛應(yīng)用。本試驗通過對全國4個生態(tài)區(qū)的25個谷子品種在華北地區(qū)9個主要農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性進(jìn)行評價分析，并通過主成分及聚類分析，從多角度分析目前我國主推品種的種質(zhì)資源多樣性及跨生態(tài)區(qū)適應(yīng)性表現(xiàn)，以期為谷子品種選育及跨生態(tài)區(qū)引種提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試的25個參試品種來源于全國4個不同生態(tài)種植區(qū)，其中豫谷18、豫谷35、濟(jì)谷22、冀谷168、冀谷39、中谷9號、中谷2號共7個品種來源于華北夏谷區(qū)，晉谷21、黃金苗、山西紅谷、大同29、金苗K2、赤優(yōu)金苗1號、張雜谷13號、張雜谷16號、隴谷13共9個品種來源于西北春谷早熟區(qū)，長農(nóng)35、長農(nóng)47共2個品種來源于西北春谷中晚熟區(qū)，九谷23、嫩選18、嫩選15、朝谷58、龍谷25、龍谷38、公谷88共7個品種來源于東北春谷區(qū)。

1.2 試驗方法

試驗于2021年在河南省安陽市北關(guān)區(qū)柏莊鎮(zhèn)安陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗基地進(jìn)行，該基地土壤為壤土，位于 36°6′N，114°2′E，海拔 72.5 m。試驗采用隨機(jī)區(qū)組排列，3 次重復(fù)，小區(qū)長6.0 m，寬 2.4 m，6 行區(qū)，行距 0.4 m。試驗期間按照國家谷子區(qū)域試驗標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行各項農(nóng)藝性狀的統(tǒng)計。生育期是從出苗當(dāng)日至成熟時的天數(shù)。成熟時，在每個小區(qū)選擇長勢一致的行隨機(jī)選取 10 株谷子，調(diào)查株高、穗長、穗粗。收獲晾曬后，在室內(nèi)進(jìn)行考種，測定單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量、出谷率，取平均值。小區(qū)實收測產(chǎn)。根據(jù)每個小區(qū)定苗數(shù)與成熟時實際收獲穗數(shù)計算成穗率，成穗率=實際收獲穗數(shù)/定苗數(shù)×100%。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用 Microsoft Excel 2010整理和分析數(shù)據(jù)。采用 SPSS 25.0 進(jìn)行相關(guān)性分析和主成分分析，對不同農(nóng)藝性狀進(jìn)行聚類分析（歐氏距離-組間聯(lián)接） 并比較。采用 Shannon-Wiener多樣性指數(shù)（H′）進(jìn)行遺傳多樣性評價。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同谷子品種農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性

由表1可知，供試材料9個主要農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)在4.71%～32.79%之間，其中生育期的變異系數(shù)最小，為4.71%，產(chǎn)量的最大為32.79%，其次為單穗粒質(zhì)量，為29.03%。變異系數(shù)反映樣本間的差異大小，25個主推品種中僅生育期、株高、出谷率的變異系數(shù)小于10%，其他農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)均大于 10%，說明這些品種之間存在較大差異，品種類型豐富。遺傳多樣性指數(shù)H′表現(xiàn)為生育期最大，為3.218，最小為產(chǎn)量，為3.163。各主推品種的農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性指數(shù)H′均大于3.00，且產(chǎn)量、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量的變異系數(shù)超過25%，表現(xiàn)出較強(qiáng)的多樣性，且這些農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量因素密切相關(guān)。

2.2 不同谷子品種農(nóng)藝性狀間的相關(guān)性分析

由表2可知，產(chǎn)量與單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量、出谷率、穗粗呈極顯著正相關(guān)，與生育期、株高相關(guān)性不大；生育期與穗長、穗粗、單穗質(zhì)量呈顯著或極顯著正相關(guān)；穗長與穗粗、單穗質(zhì)量、成穗率呈顯著正相關(guān)；穗粗與單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)；單穗粒質(zhì)量與出谷率呈極顯著正相關(guān)。說明各農(nóng)藝性狀中單穗粒質(zhì)量、單穗質(zhì)量、出谷率、穗粗高的品種整體產(chǎn)量較高，穗長的品種表現(xiàn)出穗粗、單穗質(zhì)量整體偏高，對產(chǎn)量的影響不顯著，但穗粗的品種整體單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量均較高，且最終產(chǎn)量較高。農(nóng)藝性狀中生育期、株高、成穗率這些性狀對產(chǎn)量影響較小，且株高與產(chǎn)量表現(xiàn)出一定負(fù)相關(guān)性；株高與穗長表現(xiàn)出一定的正相關(guān)關(guān)系，但株高高的品種整體單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量及出谷率均表現(xiàn)較低。

2.3 不同谷子品種農(nóng)藝性狀間的主成分分析

通過SPSS 25.0軟件對25個主推谷子品種9個主要農(nóng)藝性狀的主成分進(jìn)行分析，通過降維分析得出各主成分的特征值及貢獻(xiàn)率。由表3可知，第1個主成分的特征值為4.204，貢獻(xiàn)率為46.707%，其中單穗粒質(zhì)量、單穗質(zhì)量、產(chǎn)量為主要指標(biāo)，此類性狀主要與粒質(zhì)量有關(guān)，因此將第1主成分命名為粒質(zhì)量因子，此因子可作為谷子綜合評價、引種、選育考慮的首要指標(biāo)。第2主成分的特征值為2.202，貢獻(xiàn)率為24.466%，其中株高、成穗率、生育期、穗長為主要指標(biāo)，此類性狀主要與株型有關(guān)，因此將第2主成分命名為株型因子。前2個主成分因子的累計貢獻(xiàn)率達(dá)71.173%。因此，這2個主成分因子在農(nóng)藝性狀變異中起較大作用。

2.4 不同谷子品種農(nóng)藝性狀間的聚類分析

從圖1和表4可以看出，在組間距離為10時，將25個主推品種分為3類。第1類（Ⅰ）為冀谷168、中谷2號、豫谷35、嫩選18、濟(jì)谷22、中谷9號、朝谷58、豫谷18、冀谷39、張雜谷16號、張雜谷13號、九谷23、赤優(yōu)金苗1號、公谷88、金苗K2共15個品種，此類品種株高、生育期及成穗率適中，產(chǎn)量、單穗質(zhì)量與單穗粒質(zhì)量及出谷率較高，其中單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量變異系數(shù)較小，產(chǎn)量因素較穩(wěn)定。此類品種7個來源于華北夏谷區(qū)，4個東北春谷區(qū)，4個西北春谷早熟區(qū)，分別占此類型品種的比例為46.66%、26.67%、26.67%，同時分別占參試各生態(tài)區(qū)總品種數(shù)量的比例為100%、57.14%、44.44%。第2類（Ⅱ）為黃金苗、長農(nóng)47、長農(nóng)35、龍谷38、晉谷21、嫩選15共6個品種，此類品種株高高，生育期長，成穗率高，并且單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量的變異系數(shù)較大。此類品種2個來源于西北春谷早熟區(qū)，2個西北春谷中晚熟區(qū)，2個東北春谷區(qū)，均占33.33%，同時分別占參試各生態(tài)區(qū)總品種數(shù)量的比率為22.22%、100%、28.57%。第3類（Ⅲ）為山西紅谷、龍谷25、隴谷13、大同29，此類品種產(chǎn)量、生育期、穗長、穗粗、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量、出谷率均較低，株高表現(xiàn)中等。此類品種產(chǎn)量、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量整體變異系數(shù)較大，均來源于西北春谷早熟區(qū)，占比100%，同時分別占參試各生態(tài)區(qū)總品種數(shù)量的比率為44.44%。

3 結(jié)論與討論

我國谷子種質(zhì)資源豐富，本研究通過對全國4個生態(tài)種植區(qū)25個品種在華北地區(qū)的9個農(nóng)藝性狀進(jìn)行分析，結(jié)果表明，這25個品種各農(nóng)藝性狀的多樣性指數(shù)H′均大于3.00。同時，各農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)均較高，其中，產(chǎn)量、單穗粒質(zhì)量、單穗質(zhì)量的變異系數(shù)較大，分別為32.79%、29.03%、26.95%，說明這些參試品種整體多樣性豐富，在育種親本選擇時具有較高的利用價值，這與王海崗等對國內(nèi)外谷子種質(zhì)資源遺傳多樣性的研究結(jié)果［16］基本一致。生育期與出谷率的變異系數(shù)最小，分別為4.71%和5.79%，這與楊慧卿等的分析結(jié)果［17］一致。谷子各農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量之間存在一定相關(guān)性，李明昊等對冀東地區(qū)不同谷子品種農(nóng)藝性狀的研究發(fā)現(xiàn)，穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量、穗長、出谷率均與產(chǎn)量呈正相關(guān)關(guān)系，穗粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量與株高呈負(fù)相關(guān)關(guān)系［18］；呂建珍等研究發(fā)現(xiàn)，單穗質(zhì)量與穗粒質(zhì)量的相關(guān)系數(shù)達(dá)到了極顯著水平，穗長與產(chǎn)量無顯著相關(guān)性［19］；魏萌涵等分析得出，穗粒質(zhì)量、單穗質(zhì)量、出谷率與產(chǎn)量之間呈現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系［20］。本試驗結(jié)果表明，產(chǎn)量與單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量、出谷率、穗粗呈極顯著正相關(guān)，與生育期、株高相關(guān)性不大。穗粗與產(chǎn)量的相關(guān)性大于穗長與產(chǎn)量的相關(guān)性，產(chǎn)量、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量與株高表現(xiàn)出一定的負(fù)相關(guān)性，這與前人的研究結(jié)果［18-20］基本一致。

本研究通過主成分分析對參試的25個谷子品種的農(nóng)藝性狀指標(biāo)進(jìn)行了綜合分析，并采用聚類分析對參試品種進(jìn)行了聚類分析。結(jié)果從9個農(nóng)藝性狀中共提取到2個主成分，其中第1主成分中單穗粒質(zhì)量、單穗質(zhì)量、產(chǎn)量為主要指標(biāo)，此類性狀主要與粒質(zhì)量有關(guān)，即粒質(zhì)量因子，貢獻(xiàn)率為46.707%。第2主成分中株高、成穗率、生育期、穗長為主要指標(biāo)，此類性狀主要與株型有關(guān)，即株型因子。這2個因子的累計貢獻(xiàn)率達(dá)71.173%。丁銀燈等研究指出各主成分因子貢獻(xiàn)率反映了育種中各性狀的選擇方向和潛力，因此，在對谷子高產(chǎn)品種選育的過程中，應(yīng)重點考慮粒質(zhì)量因子，其次還要考慮到株型因子［21］。從聚類結(jié)果得出，在類間距離為10時可將參試品種分為3類，可根據(jù)不同育種目標(biāo)加以選擇利用。第1類品種株高、生育期及成穗率適中，產(chǎn)量、單穗質(zhì)量與單穗粒質(zhì)量及出谷率較高，其中單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量變異系數(shù)較小，產(chǎn)量因素較穩(wěn)定。第2類品種株高高，生育期長，成穗率高，產(chǎn)量適中，并且單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量的變異系數(shù)較大。第3類品種產(chǎn)量、生育期、穗長、穗粗、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量、出谷率均較低，株高表現(xiàn)中等。此類品種產(chǎn)量、單穗質(zhì)量、單穗粒質(zhì)量整體變異系數(shù)較大。因此，第1類品種在華北地區(qū)整體適應(yīng)性強(qiáng)，適合在華北夏谷區(qū)種植推廣。

本研究還根據(jù)不同品種的生態(tài)區(qū)來源，結(jié)合聚類分析結(jié)果，將不同生態(tài)區(qū)品種在華北地區(qū)引種種植的成功率做出一定分析。其中，第1類品種中華北夏谷區(qū)本地品種占比較高，達(dá)46.66%，占該區(qū)參試品種的100%。東北春谷區(qū)品種占此類品種的比例達(dá)26.67%，占該區(qū)參試品種的57.14%。因此在華北地區(qū)從東北春谷區(qū)引種的成功率相對較高。第3類品種均來自于西北春谷早熟區(qū)，占該區(qū)參試品種的比率達(dá)44.44%，從該區(qū)引種的成功率相對較低。因此，在谷子新品種選育過程中，根據(jù)不同育種目標(biāo)，重點考慮主因子，兼顧輔因子。在跨生態(tài)區(qū)引種或篩選目標(biāo)種質(zhì)資源時還要根據(jù)不同生態(tài)區(qū)、不同類型品種提高引種的成功率。

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收稿日期：2022-07-01

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（編號：2019YFD1001701-2、2019YFD1000702-8）；河南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項資金（編號：Z2020-14-01）；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項（編號：CARS-07-13.5-B25）。

作者簡介：李 龍（1989—），男，河南浚縣人，碩士，研究實習(xí)員，研究方向為谷子栽培與遺傳育種。E-mail：15150530272@163.com。

通信作者：劉金榮，研究員，研究方向為谷子遺傳育種。E-mail：Liujinrong63@sohu.com。