谷子[Setaria italica (L.) Beauv]是起源于我国的禾本科粮饲兼用作物，具有抗旱、耐瘠薄、生育期短和营养价值高等特点，有上万年的栽培历史，是我国北方的传统优势作物和旱作生态农业的主栽作物，同时也是民众膳食结构改善和种植业结构调整的主体作物^[1⇓-3]。从20世纪50年代开始，经过3次全国系统性资源收集，我国保存有各类谷子种质资源28 915份，占世界谷子资源总量的70%^[4]。我国谷子产区主要分布在北方13个省、市、自治区，其中内蒙古、山西和河北种植面积占全国的67.1%^[5]。在生产中，河北、山西和内蒙古登记的谷子品种发挥了重要的作用^[6]。实施谷子品种登记的主要目的是为产业发展提供良种支撑，并为促进行业健康发展提供服务^[7]。谷子登记品种作为推进农业生产现代化的核心，其类型多样化，通过优化品种结构，可以有效支撑谷子产业的发展^[8-9]。农业农村部从2017年开始实施非主要农作物品种登记制度，将谷子列入第1批登记目录，2021年8月底登记的谷子新品种数量达到497个^[3]，截至目前，已登记谷子品种735个^[10]。登记的谷子品种类型多样，是不同生态区生产利用的支撑品种，同时这些品种综合抗性和丰产性较突出，是进一步提升谷子育种水平的宝贵资源。

由于谷子品种培育具有区域化特点，选择和评价适宜的谷子品种是持续提高谷子产量和品质的关键和前提条件^[11]。我国谷子生产区主要划分为3个区域，分别是以内蒙古、山西、甘肃、河北承德、河北张家口等地区为主的西北春谷区，以黑龙江、吉林、辽宁等地区为主的东北春谷区和以河北中南部、河南、山东等地区为主的华北夏谷区^[12]，开展谷子登记品种农艺性状、品质和产量的综合评价可以为谷子品种的合理布局以及谷子的引种与推广提供科学依据^[13]。董晓杰等^[14]通过对2011-2021年东北春谷区选育品种的产量性状及农艺性状进行分析，明确该区域谷子育种现状及存在的问题，为东北春谷区新品种选育、示范推广及资源利用等方面提供了理论指导。路志国等^[15]对2021年参加全国谷子品种区域适应性联合鉴定（华北夏谷区组）试验的22个谷子品种的13个农艺性状进行分析评价，利用变异系数、高稳系数和回归分析法对22个品种进行丰产、稳产及适应性分析，筛选出适宜华北夏谷区种植的优质谷子品种。杨延兵等^[16]对不同生态区谷子品种进行表型鉴定和遗传分析，为优异谷子品种培育及种质资源利用提供了依据。相吉山等^[17]对不同生态区谷子种质资源表型进行比较分析，探讨了我国不同生态区谷子种质资源在内蒙古赤峰地区的性状表现及遗传多样性，为当地的谷子育种及生产实践储备了品种资源并提供了信息指导。

虽然目前已经报道了部分谷子登记品种农艺性状评价的研究，但是针对全国谷子登记品种的整体综合评价尚没有开展，制约了谷子育种效率和水平的持续提升。本研究对全国收集的200份谷子登记品种的农艺性状进行多方面综合鉴定评价，为深入认识谷子品种表型遗传多样性提供基础信息，并为其育种应用提供理论支撑。

试验材料由中国农业科学院作物科学研究所提供，是来自河北、河南、内蒙古、山西、山东、甘肃、辽宁、黑龙江8个省、自治区搜集的2011- 2022年完成登记的谷子品种，包括河北61份、内蒙古83份、山西18份、山东11份、甘肃9份、辽宁12份、黑龙江5份、河南1份，共200份，详见表1。将8个省、区品种按照谷子主要生产区分为3类，其中西北春谷区（内蒙古、山西、甘肃及河北承德）品种114份，东北春谷区（辽宁、黑龙江）品种17份，华北夏谷区（河北、河南、山东）品种69份。需要说明的是未征集到吉林省近2年的登记品种，黑龙江省的登记品种数量也较少，因此东北春谷区的品种数量较少；河北张家口和承德属于西北春谷区^[12]，来自河北地区的品种中有4份来自承德，表1中以河北（承德）作区分。这些品种较大程度地包含了各生态区登记品种的遗传多样性类型。

2022年6-10月分别将材料种植于北京市密云区河南寨试验基地（116.8° E，40.33° N）和山西省晋中市东阳试验基地（112.7° E，37.6° N），每份材料种2行，行长3 m。对每份材料的株高、茎粗、茎节数、穗颈长、穗长、穗粗、穗重、穗粒重、千粒重、谷码数、叶长、叶宽共12个农艺性状进行调查，按照《谷子种质资源描述规范和数据标准》^[18]进行测量和记录，用自动考种分析及千粒重仪测量千粒重，性状的选取兼顾了资源和遗传育种研究的需要以及性状精准调查的稳定可靠性等，从而使结果更可靠和实用^[19]。每个性状由同一人测量，3次重复。

采用Excel 2021进行数据整理，计算平均数、变异系数、方差、标准差和遗传多样性指数（H′）。参考前人^[5]的方法计算H′，首先计算参试材料某一性状的总体平均数（X）和标准差（σ），然后从第1级（Xi<X-2σ）到第10级（Xi≥X+2σ）划分为10级，中间每级相差0.5σ，每一级中观察值个体数相对于总个数的比例用于计算H′，H′=-ƩP_i lnP_i，式中，P_i为某一性状第i级别内材料份数占总份数的百分比。利用SPSS软件进行主成分分析，基于主成分分析求得每份材料的综合得分（F值）^[20]，进而对各个品种进行综合评价，用Origin 2021进行相关性分析作图，用R软件（https://www.rstudio.com/products/rstudio/download/）进行聚类分析。

表2表明，株高平均值为105.79 cm，变幅为56.50~154.83 cm，最低的为来自内蒙古的矮金谷，最高的为山西的太选谷21，极差为98.33 cm；茎节数的平均值为10，变幅为5~14，最少的是辽宁的辽风谷7号，最多的是山东的济谷24，极差为9；穗颈长的平均值为27.90 cm，变幅为15.17~42.17 cm，最短的是来自河北的2个品种汇华金米和宫米1号，最长的是来自内蒙古的蒙龙红苗，极差为27.00 cm。总地来看，株高整体变幅较大，不同地区的谷子品种在株高上有明显差异。

由表2可知，与穗部性状相关的农艺性状中穗长的平均值为24.42 cm，变幅为13.50~36.17 cm，最短的是辽宁的辽风谷7号，最长的是甘肃的陇谷16号，极差为22.67 cm；穗粗平均值为27.22 mm，变幅在13.74~38.09 mm，最细的是黑龙江的龙谷26，最粗的是辽宁的辽风谷3号，极差为24.35 mm；穗重平均值为19.78 g，变幅在4.52~29.58 g，最轻的是黑龙江的龙谷26，最重的是内蒙古的毛毛粮，极差为25.06 g；穗粒重平均值为15.96 g，变幅在3.74~23.74 g，最轻的是黑龙江的龙谷26，最重的是内蒙古的毛毛粮，极差为20.00 g；千粒重的平均值为2.82 g，变幅为1.89~3.44 g，最小的是辽宁的朝鑫谷5号，最大的是内蒙古的敖谷1号，极差为1.55 g；谷码数的平均值为96，变幅为44~137，最少的是内蒙古的瑞谷9，最多的是甘肃的陇谷032，极差为93；大部分穗部相关的性状之间的变幅较大，各地区间的品种在穗部性状上具有一定的差异。

叶部性状相关的农艺性状中叶长的平均值为43.51 cm，变幅在25.58~56.83 cm，最短的是来自黑龙江的龙谷26，最长的是河北的磁山黑谷，极差为31.25 cm；叶宽平均值为3.10 cm，变幅为1.83~ 4.08 cm，最小值是黑龙江的龙谷26，最大的是山西的太选谷28，极差为2.25 cm；尽管叶部性状的变幅较大，但变异系数不高，不同谷子品种的叶部性状差异较小，说明少数品种的叶部性状表现特殊。

农艺性状的变异系数分析结果（表2）表明，千粒重变异系数最小，为9.12%，穗粒重变异系数最大，为21.96%；200份登记品种中农艺性状H′平均值为2.0354，株高最低，为1.9578，穗颈长最高，为2.0866，以上结果说明200份登记品种整体上具有丰富的多样性和差异性。

我国谷子种植按照各地气候环境的不同，将谷子主要生产区划分为西北春谷区、东北春谷区和华北夏谷区3个区，各区域农艺性状统计结果详见表3，3个区域来源的品种穗粒重的变异系数最大，其次是穗重，其中东北春谷区的最高，穗重和穗粒重变异系数分别为36.85%和37.37%，远高于西北春谷区和华北夏谷区的穗重和穗粒重的变异系数。千粒重变异系数相对较低，西北春谷区为8.93%，东北春谷区为12.02%，华北夏谷区为7.40%。东北春谷区选育的登记品种12个农艺性状变异系数最高，说明东北春谷区的品种多样性更为丰富。

从农艺性状表现上看，西北春谷区品种的平均株高、穗颈长、穗长和千粒重在3个生态区中最高，如株高平均值为108.60 cm，极差达到了98.33 cm。东北春谷区品种的平均株高、茎粗、茎节数、穗长、穗粗、穗重、穗粒重、叶长和叶宽为3个生态区中最小。华北夏谷区品种的平均茎粗、茎节数、穗粗、穗重、穗粒重、谷码数、叶长和叶宽在3个生态区中最大。西北春谷区和东北春谷区的谷码数平均值一致，平均值94，华北夏谷区的谷码数最大，为101。

将谷子登记品种分别种植在北京密云和山西晋中2个环境，表4显示，与密云相比，晋中平均株高降低了13.49 cm，茎粗增加了1.26 mm，茎节数增加了3，穗颈长减少了5.29 cm，穗长增加了3.00 cm，穗粗增加了0.81 mm，穗重减少了1.56 g，穗粒重减少了4.34g，千粒重增加了0.05 g，叶长增长了5.84 cm，叶宽增长了0.22 cm。黑龙江的登记品种龙谷26在两地穗重和穗粒重都是最低的；辽风谷7号的茎节数在两地均最少。穗颈长和穗粗变异系数变化稍大，其他性状变异系数较小。

图1表明，12个农艺性状中穗重与穗粒重呈极显著正相关，相关性系数最高，为0.97；穗颈长与茎粗负相关系数最高，为-0.35。穗长与其他性状均呈显著正相关。茎节数与穗颈长呈显著负相关，与其他性状均呈显著正相关。穗颈长与穗粗、谷码数、穗重、穗粒重、茎节数、叶宽、茎粗等大部分性状均呈显著负相关。株高与茎节数相关系数最高，为0.64，与叶长、穗长、穗颈长、千粒重呈显著正相关。茎粗除与株高、千粒重相关性不显著外，与其他性状均显著相关；叶长与千粒重和穗颈长相关性不显著，与其他性状均呈显著正相关；叶宽与株高相关性不显著，与其他性状均显著相关，其中与千粒重和穗颈长显著负相关；穗粗与株高和谷码数相关性不显著，与千粒重和穗颈长显著负相关；千粒重与大部分性状相关性不显著；穗重和穗粒重与千粒重和株高均相关性不显著，与穗颈长呈显著负相关，与其他性状呈显著正相关。

对12个农艺性状进行了主成分分析，表5结果显示，前4个主成分累计贡献率达到72.20%，第1主成分贡献率最大，达到35.26%；穗重、茎粗、穗粒重和叶长的载荷较高，分别为0.803、0.781、0.754和0.712；第2主成分贡献率为16.35%，株高、穗颈长和千粒重载荷最大，分别为0.754、0.687和0.656；第3主成分贡献率为10.61%，穗粒重载荷最大，为0.532；第4主成分贡献率为9.98%，穗长载荷值最大，为0.565。

基于主成分分析计算出各主成分的权重系数，最后计算各个品种的F值，利用F值对200份品种进行综合评价，F值越高，综合农艺性状越好。分析结果（表6）显示，排名前20的品种中属于西北春谷区的登记品种最多，包括太选谷28、太选谷25、金苗K3、陇谷16号、赤优金谷、晋品谷5号、赤谷25、陇谷18号、瑞谷11、太选谷29、中敖谷9号、陇谷029、毛毛粮和太选谷19共14个品种；来自华北夏谷区的有4个，分别为冀谷37、衡谷29号、衡谷36号和天粟4号；来自东北春谷区的最少，有2个，分别为朝谷22和朝谷27。200个登记品种中排名后5位的分别为来自西北春谷区的鑫谷5号、中优谷7以及来自东北春谷区的龙谷37、辽风谷7号、龙谷26。

根据12个农艺性状对200份登记品种进行聚类分析，图2和表7结果显示，200份品种划分为4个类群。类群Ⅰ有57个品种（西北春谷区43个、华北夏谷区11个，东北春谷区3个），大部分农艺性状平均值偏高。类群Ⅰ中来自西北春谷区的太选谷25 F值最高，陇谷13号F值最低，这一类群整体F值在4个类群中较高。

类群Ⅱ有19个品种（华北夏谷区9个，西北春谷区8个，东北春谷区2个），这一类群的品种数量最少，其叶长、谷码数和茎节数平均值在4个类群中最大。类群Ⅱ中东北春谷区的潮谷27 F值最高，西北春谷区的陇谷12号F值最低。

类群Ⅲ和Ⅳ农艺性状的平均值和F值相对较低。类群Ⅲ有90个品种（西北春谷区41个，华北夏谷区40个，东北春谷区9个），株高、穗颈长、千粒重和茎节数的平均值在4个类群中较低。类群Ⅲ F值最高的是西北春谷区的赤优金谷，最低的是来自东北春谷区的龙谷37。

类群Ⅳ有34个品种（西北春谷区22个，华北夏谷区9个，东北春谷区3个），其中茎粗、叶长、叶宽、穗长、穗长、谷码数、穗重、穗粒重和茎节数等大部分表型的平均值在4个类群中最低，类群Ⅳ中F值最高的为西北春谷区的中敖谷9号，最低的为中优谷7。

谷子登记品种作为种质评价和利用的基础，遗传多样性可为基因资源的发掘提供必要信息，其农艺性状是育种家进行育种实践和复杂性状机理解析的重要依据^[21]。农艺性状描述可作为种质资源研究和新品种保护、审定、登记的基本方法和途径，国内外学者针对多种作物搜集的种质资源和申请品种保护的新品种进行了遗传多样性评价、核心种质库构建、性状关联分析等研究^[6,22]。王海岗等^[19]通过遗传种质的多样性评估说明我国谷子资源的表型遗传多样性丰富，且株高、穗长、茎粗和单穗粒重等8个性状可作为谷子表型鉴定的主要指标。本研究发现200份谷子登记品种遗传多样性在不同农艺性状之间存在差异，12个农艺性状调查分析结果显示我国谷子登记品种变异系数范围在9.12%~21.96%，H′平均值为2.0354。多数农艺性状的平均值统计结果显示，晋中地区的结果高于密云地区，且2个试点的农艺性状的变异系数均有一定变化，其中变化较大的农艺性状为穗颈长和穗粗，这些性状可能受对环境敏感的多基因调控。

拓宽谷子遗传基础可以选择亲缘关系较远的亲本，这是构建丰富遗传变异的后代群体的有效方法^[23]。本研究中谷子登记品种来自我国西北春谷区、东北春谷区和华北夏谷区3个主要谷子产区。其中东北春谷区登记品种的农艺性状变异系数比西北春谷区和华北夏谷区的高，穗重和穗粒重的变异系数高于西北春谷区和华北夏谷区，且株高平均值较低，因此可以将东北春谷区品种作为降低株高和改良穗部性状的优异亲本来源。考虑本研究中东北春谷区收集到的材料数量较少，此结论还有待通过大批量材料调查验证。西北春谷区登记品种数量多，大多数农艺性状平均值变幅比东北春谷区和华北夏谷区大，可供选择育种材料农艺性状范围较为广泛。华北夏谷区登记品种的茎粗、穗重、穗粒重和谷码数的平均值高于西北春谷区和东北春谷区的品种，可作为改良抗倒伏或产量相关基因的亲本来源。3个生态区登记品种的农艺性状与种植环境关系密切，农艺性状调查分析一定程度上反映了当地选育品种的偏好，这些材料可作为构建丰富遗传变异群体和改良品种性状的基础。由于我国谷子的育种水平整体较低，通过杂交育种开展选择和进步的空间还很大，培育出更多有突破性品种的可能性很大，并且其难度要远低于水稻和小麦等选择瓶颈已很大的主要农作物^[19]。谷子登记品种目前在生产上应用最多，具有更多符合育种需求的性状基因，在育种改良性状上，选取合适的登记品种作为亲本远比选用其他种质资源可以更加快速地达到育种家期望的效果。

结合主成分分析与综合得分对种质资源进行综合评价，这一方法已在植物遗传多样性评价中得到应用^[24]。本文基于对谷子登记品种的12个性状进行主成分分析，通过计算表型性状F值来评价我国200份谷子登记品种，研究结果可为育种家和研究者提供直观清晰的利用途径参考。评价结果显示，F值最高的前20个品种中，西北春谷区的品种有14个，东北春谷区的品种仅有2个，这与西北春谷区选育品种较多和东北春谷区选育品种较少有一定关系，另外由于地域条件、环境气候的不同导致了谷子不同品种的生态学特征和农艺性状差异^[25]。来自西北春谷区的太选谷28的F值最高，来自东北春谷区的龙谷26的F值最低；龙谷26的茎粗、穗粗、叶长、穗重和穗粒重是所有品种中最低的。东北春谷区的品种F值普遍偏低，可能与种植环境有一定关系。

解慧芳等^[26]提出谷子表型性状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，其中与茎节数相关性最高的为株高，与穗重相关性最高的为穗粒重。本研究中12个农艺性状之间的部分相关性结果与该研究结果一致。降低谷子株高、选育中矮秆品种是当前谷子育种的重要方向，在所有登记品种中，来自西北春谷区的矮金谷和来自东北春谷区的辽风谷7号尽管F值不高，但它们的株高、茎节数值都相对较低，可作为降低株高的优异亲本。除此之外，穗重与穗粒重呈极显著正相关，相关性系数最高，这2个性状在育种上与谷子产量密不可分，来自西北春谷区的登记品种毛毛粮的穗重和穗粒重最高，在改良谷子产量上可以优先考虑。穗颈长和大部分农艺性状都呈显著负相关，其中与茎粗的负相关性系数最高，茎粗与谷子是否抗倒伏具有一定关联性，西北春谷区茎粗最粗的是瑞谷11，穗颈长较短，F值排在前十，可作为改良谷子抗倒性的优异亲本。

聚类分析将谷子登记品种基于农艺性状分为4个类群，西北春谷区、东北春谷区和华北夏谷区的大部分登记品种都聚在了类群Ⅲ，类群Ⅲ的株高、穗颈长的平均值在4个类群中最低；穗粗、穗重和穗粒重的平均值在4个类群中最高。育种工作中降低谷子株高、提高产量一直是育种家培育品种的主要目标，类群Ⅲ中包含了来自3个主要生产区可用于改良此类性状的大部分材料。类群Ⅰ中西北春谷区的登记品种占多数，此类群中株高、茎粗、叶宽、穗颈长、穗长和千粒重等农艺性状平均值较高，反映出大部分来自西北春谷区的登记品种的表型特征以及西北春谷区选育品种的偏好。类群Ⅱ中所包含登记品种数量最少，此类群中的谷码数和茎节数是4个类群中平均值最高的。类群Ⅳ的谷码数、穗重和穗粒重的平均值在4个类群中最低，育种中改良产量性状时可避免选择此类群中的材料。本研究通过农艺性状分类为研究者高效筛选育种中所需的目标亲本提供参考。

登记品种在农业生产中发挥着重要的基础性作用，本研究对3个谷子主要生产区选育的200份谷子登记品种的研究结果显示，200个登记品种遗传多样性丰富，筛选出了综合得分较高的前20个登记品种，通过聚类分析将200个品种分为4个类群，类群Ⅰ有57个品种，大部分农艺性状偏高；类群Ⅱ只有19个品种，但其叶长、谷码数、茎节数平均值在4个类群中最大；类群Ⅲ和类群Ⅳ各农艺性状偏低。