117份谷子核心种质资源表型性状的遗传多样性分析

解慧芳 牛静 邢璐 王素英 王磊 宋慧 蒋自可

摘要：为研究和创制谷子种质资源，加深对种质进化和分类的认识，以便进一步为遗传育种和性状改良提供依据，以117份国内外谷子种质资源为材料，开展13个表型性状多样性鉴定，并进行了变异系数分析、相关性分析、主成分分析和聚类分析。结果表明，供试谷子种质表型性状变异较丰富，13个性状变异系数范围为7.00%～74.11%，变异系数最大的为单株粒质量（74.11%），表明谷子单株粒质量变异最为丰富。相关性分析表明，单株穗质量、主茎单穗质量和主茎单穗粒质量与叶面积、穗粗呈极显著正相关关系。主成分分析把13个性状综合为5个主成分，累计贡献率达到76.76%，表明5个主成分反映了谷子种质资源大部分的性状信息。第1主成分主要为产量相关性状，表明种质间产量性状差异很丰富，能够为选育高产品种提供丰富的材料来源。聚类分析将117份谷子种质分为5类，第二大类占比最大，占总数的62%，通过比较发现其生育期、株高和节数等性状较高，特别是主茎单穗质量和主茎单穗粒质量，可以作为以生物产量为目标性状的育种材料。

关键词：谷子；
种质资源；
表型性状；
遗传多样性；
变异系数分析；
相关性分析；
主成分分析；
聚类分析

中图分类号：S515.02  文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）13-0076-06

谷子别称粟，属禾本科狗尾草属，是起源于我国的二倍体自花授粉作物，在灿烂的中华农耕文明中起着举足轻重的作用［1］。谷子不仅具有抗旱耐瘠薄等种植特点，还有丰富的营养成分，具有健脾胃和补益虚损等保健功效［2-5］，符合我国居民饮食结构需求，在人民膳食健康的需求中发挥着重要的作用。随着谷子种业的发展，谷子品种遗传改良、种子繁育及品种推广成为谷子发展的重点研究方向。目前，我国保存有多种谷子种质资源，占世界谷子種质资源保有量的80%左右，是占有量最多、研究最深入的国家［6-7］。丰富的种质资源是品种改良的物质基础，种质资源研究为杂交育种提供了基础，遗传多样性分析和相关性研究是种质资源常用的方法。

谷子种质多样性的研究主要集中在产量相关性状，穗长、穗粗、单穗质量、穗粒质量、千粒质量等是影响产量的重要因素［8-9］。赵利蓉等研究发现不同生态区16个谷子品种农艺性状的变异幅度为10.79%～32.61%［10］。魏萌涵等对华北夏谷区谷子农艺性状的研究表明，产量与株高、穗粒质量、单穗质量、出谷率呈正相关，与生育期，穗长、穗粗、千粒质量呈负相关［11］。聚类分析也广泛应用于谷子多样性的划分，相关表型性状的分类可以为种质资源的利用提供参考［12-15］。

了解种质遗传变异的大小以及性状之间的关系，能够加深种质进化和分类的认识，对遗传育种和性状改良都有重要意义。本研究以不同来源的117份谷子核心种质资源为研究对象，对其表型性状进行遗传多样性分析、相关性分析和聚类分析，并对其进行全面评价，以期为谷子资源保护和利用奠定基础，为种质资源创新利用和杂交亲本选配提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料117份，其中野生品种5份、农家品种56份、育成品种36份、国外品种20份，由中国农业科学院作物科学研究所提供（表1）。

1.2 试验设计

试验于2020年在河南省安阳市北关区柏庄镇安阳市农业科学院柏庄试验基地进行，5月20日播种，小区面积为2 m2，种植密度为60万株/hm2，行长为 1 m，行距为40 cm，2行区种植，采用随机区组排列。该基地地势开阔平坦，田间排灌设施齐全，无建筑物、树木等遮阴，田间管理根据当地大田生产习惯实施。

1.3 试验方法

每个小区选取分布均匀且长势一致的10株材料进行表型性状调查，根据谷子种质资源描述规范和数据标准对生育期、节数、株高、主穗长度、叶面积、穗粗、主穗码数、草质量、单株穗质量、主茎单穗质量、主茎单穗粒质量、单株粒质量、千粒质量共13个表型性状进行田间表型性状调查。

1.4 数据分析

采用Excel 2010进行数据整理和变异分析，使用SPSS Statistics 23 软件进行相关性分析和主成分分析，利用Origin 2018进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 117份谷子表型性状的多样性比较

由表2可知，117份材料的13个表型性状的变异系数范围为7.00%～74.11%，变异系数最大的为单株粒质量，最小的是生育期，均值为38.5%。其中单株穗质量、主茎单穗质量、主茎单穗粒质量、单株粒质量的变异系数均高于50%，说明穗质量、粒质量相关表型性状表现出更好的变异性；
节数、株高、穗粗、千粒质量、主穗长度、叶面积、主穗码数变异系数在20%～40%之间，草质量的变异系数为48.08%。以上分析表明117份谷子种质资源具有丰富的遗传多样性，品种间性状差异较大，适宜进行品种比较分析和品种鉴定评价。

2.2 117份谷子表型性状的相关性分析

相关性分析是检验性状间相关程度的重要方法，对育种性状的选择具有重要意义。由表3可知，谷子生育期、节数、株高等13个表型性状之间存在不同程度相关性。其中生育期、节数、株高、主穗长度、叶面积和草质量之间呈极显著正相关；
产量构成因素单株穗质量、主茎单穗质量和主茎单穗粒质量与叶面积、穗粗呈极显著正相关关系；
单株穗质量和主茎单穗质量越高单株粒质量和千粒质量越高，且达到极显著水平。与生育期、株高、叶面积相关性最高的均为节数，其中与节数相关性最高的为株高；
与主穗长度相关性最高的为生育期；
与穗粗相关性最高的为主茎单穗粒质量；
与主穗码数相关性最高的为穗粗；
与草质量相关性最高的为单株穗质量，与单株穗质量相关性最高的为主茎单穗质量；
与单株粒质量相关性最高的为主茎单穗粒质量。单株穗质量与主茎单穗质量的相关性系数接近于1，这主要是因为谷子植株多为单株，少有分蘖。

2.3 117份谷子表型性状的主成分分析

本研究对117份谷子品种的13个表型性状进行主成分分析（表4），提取了5个主要成分，结果显示，前5个主成分的累计贡献率达76.76%，它们的特征值均大于1，表明前5个主成分代表了谷子表型性状的大部分信息，可以作为谷子性状评价的综合指标。第1主成分的特征值为4.536，其贡献率最大，为34.89%，其中，主茎单穗质量、主茎单穗粒质量、单株穗质量分值较高，说明第1主成分主要是与产量穗质量相关的性状。第2主成分特征值为2.191，贡献率为16.85%，节数、叶面积、株高和生育期分值较高，说明第2主成分主要是谷子农艺性状的综合反映。第3主成分特征值为1.190，贡献率为9.15%，主穗码数和穗粗分值较高，反映了谷子穗型相关性状。第4主成分特征值为1.062，贡献率为8.17%，千粒质量的分值较高。第5主成分特征值为1.001，贡献率为7.70%，主穗长度的分值较高。总的来说， 前2个主成分主要反映的是谷子产量和农艺性状有关的情况。

2.4 117份谷子表型性状的聚类分析

根据性状变异对117份谷子种质进行系统的聚类分析（图1），分析发现种质聚类与地里位置关系不明显，主要由表型性状进行聚类。根据表型性状可将参试种质分为五大类。第1类包括37个品种，占总数的32%左右。第2类包括73个品种，占总数的62%左右，第3类包括1个品种，第4类包括5个品种，第5类包括1个品种。第2类品种的生育期、株高和节数等性状高于第1类品种，尤其是主茎单穗质量和主茎单穗粒质量差异较大，结果说明第2类品种可以作为选育高产的目标亲本加以利用。由聚类分析结果可知，各类种质资源品种类型较为混乱，这可能是近年来育种材料的来源丰富导致，育种过程中加强了农家种、国外品种及野生种的利用。

3 讨论与结论

作物表型性狀是种质遗传多样性比较直接有效的性状指标，为选育品种提供一定的数据参考。通过对不同谷子种质遗传多样性分析发现，品种间性状变异广泛，但是其变异系数较低，其中单株穗质量和单株粒质量的变异系数相对较［8，15-19］。本研究通过对117份谷子材料的13个表型性状进行分析也得到了类似的研究结果，不同谷子间的表型性状变异较为丰富，其中主茎单穗粒质量和单株粒质量的变异系数较大，分别为68.44%、74.11%，结果表明，尽管种子产量形状受环境因素的影响较大，但是种子形成和分配主要取决于作物自身的遗传特性，相对稳定。其他表型性状的变异范围在7.00%～59.83%之间，较王海岗等对878份谷子的研究变异性较大，遗传多样性更为丰富［16］。谷子品种变异较为丰富，不仅能够较好地代表谷子资源的遗传多样性，在优质品种筛选和培育中也有较好的利用价值。

本研究对117份谷子材料13个表型性状进行了相关分析，发现生育期、节数、株高、主穗长度、叶面积和草质量之间呈极显著正相关，且单株穗质量、主茎单穗质量和主茎单穗粒质量与叶面积、穗粗呈极显著正相关关系。赵芳等研究表明单株穗粒质量与穗质量、单株草质量呈极显著正相关关系［15］，王欢欢等研究也表明穗粒质量与单穗质量、穗粗呈正相关关系［20］，但魏萌涵等研究表明，穗粗与单穗质量和穗粒质量呈负相关关系［11］，这可能与研究所选用的材料来源不同相关。

主成分分析和聚类分析是评估作物遗传多样性和筛选优异种质资源中普遍的一种分析方法，通过此方法能够反映作物种质间的遗传差异和相关性状特点，在作物中已经得到广泛应用［8，16，21-26］。本研究通过对13个表型性状进行主成分分析，提取了前5个主成分，反映了谷子主要表型性状76.76%的遗传信息，第1主成分主要为产量相关性状，表明种质间产量性状差异交丰富，能够为选育高产品种提供丰富的材料来源，在前人研究中也得到相似的研究结果［13，15］。根据谷子的表型性状进行聚类分析，将种质聚类为五大类，第二大类品种，占总数的62%左右，主要由农家品种和育成品种构成，通过比较发现其生育期、株高和节数等性状较高，特别是主茎单穗质量和主茎单穗粒质量，可以作为以生物产量为目标性状的育种材料。此外，本研究发现在第2聚类中河北省的品种较多，可能由于地域位置和环境相似，有较好的育种和研究价值［27］。

通过对117份谷子的13个表型性状进行统计分析，表明不同种质间存在较大的变异系数和丰富的遗传多样性。通过主成分分析和聚类分析提取了主要主成分和品种聚类，为核心种质的应用以及新品种的选育和培育提供了参考。

参考文献：

［1］Yang X Y，Wan Z W，Perry L，et al. Early millet use in Northern China［J］. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2012，109（10）：3726-3730.

［2］章洁琼，刘 辉，邹 军，等. 不同小米品种理化品质及感官品质分析与评价［J］. 中国粮油学报，2022，37（5）：70-78.

［3］王军锋，周显青，张玉荣. 小米的营养特性与保健功能及产品开发［J］. 粮食加工，2012，37（3）：60-63.

［4］李暮男，兰凤英. 小米的营养成分及保健功能研究进展［J］. 河北北方学院学报（自然科学版），2017，33（7）：56-60.

［5］刘宇杰，陈银焕，杨修仕，等. 小米营养及功能成分研究进展［J］. 粮食与油脂，2020，33（5）：1-3.

［6］刘 旭，黎 裕，曹永生，等. 中国禾谷类作物种质资源地理分布及其富集中心研究［J］. 植物遗传资源学报，2009，10（1）：1-8，171，169.

［7］贾冠清，刁现民. 谷子［Setaria italica （L.） P.Beauv.］作为功能基因组研究模式植物的发展现状及趋势［J］. 生命科学，2017，29（3）：292-301.

［8］田伯红. 谷子地方品种和育成品种的遗传多样性研究［J］. 植物遗传资源学报，2010，11（2）：224-228.

［9］杨天育，黄相国，何继红，等. 谷子遗传资源多样性研究进展［J］. 西北农业学报，2003，12（1）：43-47.

［10］赵利蓉，马 珂，张丽光，等. 不同生态区谷子品种农艺性状和品质分析［J］. 作物杂志，2022（2）：44-53.

［11］魏萌涵，解慧芳，邢 璐，等. 华北地区谷子产量与农艺性状的综合评价分析［J］. 作物杂志，2018（4）：42-47.

［12］相吉山，张恒儒，刘 涵，等. 不同生态区谷子种质资源表型比较分析［J］. 中国农业科技导报，2020，22（9）：31-41.

［13］任芹勇，樊巧利，李 涛，等. 65份谷子品种农艺性状聚类和相关性［J］. 分子植物育种，2017，15（12）：5178-5188.

［14］丁银灯，聂石辉，王 仙，等. 谷子主要育成品种在新疆的遗传多样性研究［J］. 植物遗传资源学报，2018，19（2）：232-242.

［15］赵 芳，魏 玮，张晓磊，等. 224个谷子品种农艺性状聚类和相关性分析［J］. 种子，2022，41（1）：74-83.

［16］王海岗，贾冠清，智 慧，等. 谷子核心种质表型遗传多样性分析及综合评价［J］. 作物学报，2016，42（1）：19-30.

［17］王晓娟，祁旭升，王兴荣，等. 甘肃省谷子地方种质资源遗传多样性分析［J］. 干旱地区农业研究，2009，27（6）：129-133，153.

［18］孙加梅，王雪梅，王东建，等. 谷子种质资源遗传多样性研究［J］. 山东农业科学，2013，45（3）：33-37，60.

［19］杨慧卿，王根全，郝晓芬，等. 山西省谷子地方种质资源表型多样性分析［J］. 江苏农业科学，2022，50（13）：20-25.

［20］王欢欢，贾亚涛，许鹏飞，等. 谷子主要农艺性状与产量的关系［J］. 山西农业科学，2014，42（7）：657-659，754.

［21］胡标林，万 勇，李 霞，等. 水稻核心种质表型性状遗传多样性分析及综合評价［J］. 作物学报，2012，38（5）：829-839.

［22］魏添梅，昌小平，闵东红，等. 小麦抗旱品种的遗传多样性分析及株高优异等位变异挖掘［J］. 作物学报，2010，36（6）：895-904.

［23］姚坚强，鲍坚东，朱金庆，等. 中国糯玉米wx基因种质资源遗传多样性［J］. 作物学报，2013，39（1）：43-49.

［24］王 瑗，郁万文，周 凯，等. 苦豆子表型性状多样性分析及综合评价［J］. 广西植物，2019，39（9）：1147-1158.

［25］李洪立，胡文斌，洪青梅，等. 火龙果种质资源果实特性的遗传多样性分析［J］. 热带亚热带植物学报，2019，27（4）：432-438.

［26］李 伟，王 攀，其其格，等. 蓝莓种质资源表型多样性研究［J］. 北京林业大学学报，2020，42（2）：124-134.

［27］祁 娟，曹文侠，闫伟红. 披碱草属野生居群表型多样性及其与环境关系研究［J］. 西北植物学报，2013，33（5）：1027-1033.

猜你喜欢 单穗主茎谷子 金荞麦收集系株型相关性状遗传变异分析安徽农业大学学报(2022年3期)2022-10-25玉米出籽率相关性状的QTL初定位分析西北农业学报(2022年9期)2022-10-08微胚乳玉米主要品质性状和产量性状的相关及通径分析西南农业学报(2022年1期)2022-03-15打谷子当代陕西(2021年21期)2022-01-19甘蓝型油菜双主茎YD 4899的选育及表型性状比较分析种子(2021年7期)2021-08-19玉米自交系京92改良后代单穗粒重的杂种优势研究北京农学院学报(2020年1期)2020-03-09籼粳杂交稻稻曲病病情分级标准研究中国稻米(2018年1期)2018-03-20马铃薯品种‘荷兰15号’主茎密度与植株性状及块茎产量的关系中国马铃薯(2017年1期)2017-03-02谷子栽培技术现代农业(2015年5期)2015-02-28