作物杂志, 2025, 41(3): 61-69 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2025.03.009

遗传育种·种质资源·生物技术

谷子种质资源表型性状遗传多样性分析

赵雅杰,1, 温蕊1, 贾祎明1, 金晓蕾1, 张永虎,1, 张利俊2, 张彪3, 张慧3, 于立霞4

1内蒙古自治区农牧业科学院,010031,内蒙古呼和浩特

2凉城县科学技术事业发展中心,013750,内蒙古乌兰察布

3清水河县农牧和科技局,011600,内蒙古呼和浩特

4蒙草生态环境(集团)股份有限公司,010070,内蒙古呼和浩特

Analysis of Genetic Diversity of Phenotypic Traits of Foxtail Millet Germplasm Resources

Zhao Yajie,1, Wen Rui1, Jia Yiming1, Jin Xiaolei1, Zhang Yonghu,1, Zhang Lijun2, Zhang Biao3, Zhang Hui3, Yu Lixia4

1Inner Mongolia Academy of Agricultural and Animal Husbandry Sciences, Huhhot 010031, Inner Mongolia, China

2Liangcheng County Science and Technology Development Center, Ulanqab 013750, Inner Mongolia, China

3Qingshuihe County Agriculture and Animal Husbandry and Science and Technology Bureau, Huhhot 011600, Inner Mongolia, China

4Mengcao Ecological Environment (Group) Co., Ltd., Huhhot 010070, Inner Mongolia, China

通讯作者: 张永虎,主要从事谷子育种与栽培研究,E-mail:zhangyonghu0815@126.com

收稿日期: 2024-03-8   修回日期: 2024-04-22   网络出版日期: 2024-08-15

基金资助: 内蒙古科技计划项目(2021GG0375)
内蒙古农牧业创新基金项目(2021CXJJN02)
国家现代农业产业技术体系(CARS-06-14.5-B11)

Received: 2024-03-8   Revised: 2024-04-22   Online: 2024-08-15

作者简介 About authors

赵雅杰,主要从事谷子育种与栽培研究,E-mail:ZYJ19960916@163.com

摘要

对197份谷子种质资源的表型遗传多样性进行分析。结果表明,8个质量性状的遗传多样性指数(H′)范围为0.522~1.246,不同品种间表现出不同程度的多样性;12个数量性状的变异系数范围为7.89%~139.07%,其中大于20.00%的性状有4个,为单株穗重、单株粒重、穗粗和产量,H′范围为0.505~2.080,H′较高(>2.0)的性状有5个,为株高、主穗长、千粒重、抽穗―成熟日数和产量。197份种质资源中综合得分大于0.500的种质有21个,根据表型性状筛选出10份谷子优异种质,为谷子亲本选择及新品种选育提供理论依据。

关键词: 谷子; 种质资源; 表型性状; 遗传多样性

Abstract

The phenotypic genetic diversity of 197 foxtail millet germplasm resources was analyzed. The results showed that the genetic diversity index (H′) range of the eight quality traits was 0.522-1.246, and there were differences among different varieties. The variation coefficients of 12 quantitative traits ranged from 7.89% to 139.07%, among which four traits were greater than 20.00%, followed by panicle weight per plant, grain weight per plant, panicle diameter and yield. The diversity index ranged from 0.505 to 2.080. The five traits with a relatively high H′ (>2.0) included plant height, main panicle length, 1000-grain weight, heading-ripening days and yield. Among 197 germplasm resources, 21 germplasms had a composite score greater than 0.5000, and ten germplasms of foxtail millet were selected as excellent germplasms according to phenotypic traits, which provided theoretical basis for the selection of parents and breeding of new varieties of foxtail millet.

Keywords: Foxtail millet; Germplasm resource; Phenotypic characteristic; Genetic diversity

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本文引用格式

赵雅杰, 温蕊, 贾祎明, 金晓蕾, 张永虎, 张利俊, 张彪, 张慧, 于立霞. 谷子种质资源表型性状遗传多样性分析. 作物杂志, 2025, 41(3): 61-69 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2025.03.009

Zhao Yajie, Wen Rui, Jia Yiming, Jin Xiaolei, Zhang Yonghu, Zhang Lijun, Zhang Biao, Zhang Hui, Yu Lixia. Analysis of Genetic Diversity of Phenotypic Traits of Foxtail Millet Germplasm Resources. Crops, 2025, 41(3): 61-69 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2025.03.009

谷子[Setaria italica (L.) Beauv.]起源于我国,是一种粮饲兼用、耐旱、耐瘠薄的禾本科作物[1],谷子抗旱耐瘠薄,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],是我国北方干旱、半干旱地区重要的特色杂粮作物。中国谷子种植面积常年维持在200万hm2左右,约占全球谷子种植面积的80%,随着农业种植结构的调整,种植面积逐年增加,年总产量在350万t左右[3]

种质资源是育种工作的物质基础,描述和鉴定农艺性状是种质资源利用研究的重要方法。中国是谷子种质资源最多、研究最深入的国家,目前保存的谷子种质资源有27 000余份,约占世界谷子资源总量的80%[4]。遗传多样性主要指生物种族内基因发生的变化,由基因突变、基因重组和染色体畸变造成,遗传多样性决定了生物多样性。研究种质资源遗传多样性并深入开展特殊类群群体遗传学研究是认识谷子种质资源遗传分型、进行种质创新利用的有效途径[5]。研究学者可以从作物种质资源的遗传多样性判断作物基因的稳定性、进化能力和环境适应能力等,从而采取科学有效的保护措施来保护作物遗传资源及培育新品种[6]。杨延兵等[7]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。袁迪等[8]研究结果表明,200个登记品种遗传多样性丰富,具有很好的育种利用价值,为深入认识谷子表型遗传多样性以及谷子的育种应用奠定了基础。本研究通过对197份种质资源的20个表型农艺性状进行描述和鉴定,计算质量性状和数量性状的遗传多样性,分析其相关性,整体把握资源材料信息,了解谷子品种的遗传基础,为有效利用谷子种质资源进行亲本选择、种质创新及作物改良提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为内蒙古自治区农牧业科学院收集、选育的谷子种质资源197份(表1)。

表1   197份谷子种质资源基本信息

Table 1  Basic information of 197 foxtail millet germplasm resources

编号
Number
种质名称
Germplasm name
选育单位/来源地
Breeding unit/origin
编号
Number
种质名称
Germplasm name
选育单位/来源地
Breeding unit/origin
1矮88中国河南郑州50蒙谷2号[小香米(纺锤)×15K1206]中国内蒙古呼和浩特
2蒙草谷1号(181-10)中国内蒙古赤峰51蒙红谷1号(农家红谷×15K1214)中国内蒙古呼和浩特
3陇谷13中国甘肃兰州52蒙谷3号[小香米(纺锤)×创1-38-16H]中国内蒙古呼和浩特
4大同29中国山西大同53蒙白米1号[黑米谷(朱砂谷)×金苗K1]中国内蒙古呼和浩特
5峰红4号中国内蒙古赤峰54L5023(农家红谷×15K1214)中国内蒙古呼和浩特
6黄金苗中国内蒙古赤峰553-24[小香米(纺锤)×15K3528]中国内蒙古呼和浩特
7公矮2号中国吉林长春5600020566中国国家种质资源库
8衡谷20中国河北衡水57峰红3号中国内蒙古赤峰
9豫谷18中国河南安阳58峰黑谷中国内蒙古赤峰
10龙谷38中国黑龙江哈尔滨59赤谷5号中国内蒙古赤峰
11山西红谷中国山西60赤谷16中国内蒙古赤峰
12长农35中国山西长治61冀谷41中国河北石家庄
13晋谷21中国山西吕梁622017M001中国河北石家庄
14金苗K1中国内蒙古赤峰63冀谷35中国河北石家庄
15燕谷18中国辽宁朝阳64冀谷36中国河北石家庄
16济谷22中国山东济南65冀谷39中国河北石家庄
17九根齐中国内蒙古鄂尔多斯66大同27中国山西大同
18大白谷中国内蒙古乌兰察布67大同32中国山西大同
19赤草6号中国内蒙古赤峰68大同34中国山西大同
20朝谷58中国辽宁朝阳69大同37中国山西大同
21红钙谷中国内蒙古乌兰察布70晋谷23中国山西大同
22冀谷45中国河北石家庄71晋谷33中国山西大同
23九谷23中国吉林吉林72中谷9号中国北京
24中谷2号中国北京73峰红2号中国内蒙古赤峰
25公谷88中国吉林长春74峰红5号中国内蒙古赤峰
26嫩选18中国黑龙江齐齐哈尔75赤优抗谷1号中国内蒙古赤峰
278311中国河北张家口76赤优抗谷2号中国内蒙古赤峰
28齐新谷1号中国黑龙江齐齐哈尔77峰红谷中国内蒙古赤峰
29沁州黄中国内蒙古呼和浩特78公矮5号中国吉林长春
30汾选3号中国山西吕梁79赤谷10号中国内蒙古赤峰
31蒙黑谷1号(峰黑谷×20121500330)中国内蒙古呼和浩特80衡谷19中国河北衡水
32蒙谷4号(晋谷21×15K1214)中国内蒙古呼和浩特81衡谷21中国河北衡水
33L4033(长农35×15K1420)中国内蒙古呼和浩特82龙谷25中国黑龙江哈尔滨
34L4035(长农35×15K1422)中国内蒙古呼和浩特83龙谷29中国黑龙江哈尔滨
35蒙谷5号(豫谷18×金苗K1)中国内蒙古呼和浩特84龙谷31中国黑龙江哈尔滨
36蒙红谷2号(农家红谷×15K1214)中国内蒙古呼和浩特85龙谷39中国黑龙江哈尔滨
37L5002(农家红谷×15K1206)中国内蒙古呼和浩特86晋谷34中国山西太原
38L5003(00020566×创1-38-16H)中国内蒙古呼和浩特87晋谷36中国山西太原
39L5013(小香米×创1-38-16H)中国内蒙古呼和浩特88晋谷52中国山西太原
40蒙红谷3号(农家红谷×15K1214)中国内蒙古呼和浩特89晋谷59中国山西太原
413-23(农家红谷×15K1214)中国内蒙古呼和浩特90晋谷60中国山西太原
42L5021(农家红谷×15K1214)中国内蒙古呼和浩特91长农36中国山西长治
43L5022(农家红谷×15K1214)中国内蒙古呼和浩特92长农38中国山西长治
44蒙谷6号(小香米×冀谷35)中国内蒙古呼和浩特93长农40中国山西长治
45蒙谷7号(公矮2号×安16h-8283)中国内蒙古呼和浩特94长农44中国山西长治
463-14[小香米(纺锤)×安13-5150]中国内蒙古呼和浩特95晋谷29中国山西吕梁
47蒙谷1号(18H1435)中国内蒙古呼和浩特96糜子亮中国辽宁铁岭
486-5叶绿鞘紫中国内蒙古呼和浩特97锦谷5号中国辽宁锦州
49公矮2号×安16h-8283中国内蒙古呼和浩特98延夏谷1号中国陕西延安
100毛爪子谷子中国山东临沂150冀谷46中国河北石家庄
101黄那糯中国湖南湘西151嫩选15中国黑龙江齐齐哈尔
102一窝蚕谷子中国山东东营152赤优金苗1号中国内蒙古赤峰
103狗尾粟中国广东惠州153金苗K2中国内蒙古赤峰
104(Y8)谷子中国内蒙古兴安盟154长农47中国山西长治
105黄壳狗尾粟(糯粟)中国海南海口155冀谷38中国河北石家庄
106黔南农家种中国贵州156冀早谷1号中国河北石家庄
107昭和糯日本157赤谷6中国内蒙古赤峰
108(Y9)谷子中国内蒙古兴安盟158冀谷40中国河北石家庄
109本地谷子中国内蒙古通辽159赤谷17中国内蒙古赤峰
110大乌谷中国河北张家口160晋谷51号中国山西太原
111小乌谷子中国河北张家口161冀杂金苗1号中国河北石家庄
112吨谷中国山西太原162冀杂金苗2号中国河北石家庄
113济谷20中国山东济南163九谷25中国吉林吉林
114赤谷6号中国内蒙古赤峰164承13-1126中国河北承德
115毛毛谷中国内蒙古赤峰165晋谷44号中国山西吕梁
116朝谷14中国辽宁朝阳166晋谷40号中国山西吕梁
117农2中国内蒙古鄂尔多斯167龙谷26中国黑龙江哈尔滨
118赤谷4号中国内蒙古赤峰168汾选8号中国山西吕梁
119A2中国河北张家口169承17-M922中国河北承德
120黄金谷中国内蒙古赤峰170赤优金苗4号中国内蒙古赤峰
121济白米1号中国山东济南171承15-M328中国河北承德
122赤谷7号中国内蒙古赤峰172赤209-3中国内蒙古赤峰
123赤121-31(赤谷16×金丰谷)中国内蒙古赤峰173青珍珠中国山西吕梁
124大金苗中国内蒙古赤峰174赤谷K3中国内蒙古赤峰
125峰优谷18中国内蒙古赤峰175大和尚中国内蒙古清水河
126农1中国内蒙古阿拉善盟176陇绿谷中国甘肃兰州
127赤谷27中国内蒙古赤峰177丰谷2号中国河北石家庄
128赤231-9中国内蒙古赤峰178丹谷2号中国甘肃兰州
129朝谷13中国辽宁朝阳179绿野谷中国内蒙古赤峰
130陇谷4号中国甘肃兰州180峰红6号中国内蒙古赤峰
131红粘谷中国黑龙江黑河181赤谷K1中国内蒙古赤峰
132大小穗红谷中国山东济南182长谷4号中国山西长治
133鸟谷中国山东济南183赤89-4中国内蒙古赤峰
134坝91-0628中国河北张家口184赤谷K2中国内蒙古赤峰
135龙选一号中国黑龙江黑河185张家口(早)中国河北张家口
136嫩选五号中国黑龙江齐齐哈尔186赤135-28中国内蒙古赤峰
137黄粘谷中国黑龙江黑河18760天还仓中国内蒙古赤峰
138红苗粘谷中国辽宁抚顺188赤84-49中国内蒙古赤峰
139黄粘谷中国黑龙江黑河189长生13中国山西长治
140昭农四号中国内蒙古赤峰190峰红7号中国内蒙古赤峰
141延谷二号中国陕西延安191赤62-26中国内蒙古赤峰
142晋谷6号中国山西吕梁192赤79-19中国内蒙古赤峰
143张农15号中国河北张家口193赤264-7中国内蒙古赤峰
144簿地高中国河北遵化194赤优金谷中国陕西榆林
145四留钱中国河北唐山195赤1509中国内蒙古赤峰
146黄毛谷中国北京196赤114-7中国内蒙古赤峰
147钻头白中国北京197赤205-25中国内蒙古赤峰
148黄苗大滑皮中国北京

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1.2 试验方法

试验在内蒙古自治区农牧业科学院试验田进行,采用顺序排列,不设重复,每份材料种植4行,行长4 m,行距40 cm。播种后记载出苗期、抽穗期和成熟期,并计算生育期,田间调查8个质量性状,成熟期每份材料重复随机选5株,调查株高、主茎长、主穗长、穗粗、单株穗重、单株粒重、单株粒数和千粒重等12个数量性状。性状调查依据《谷子种质资源描述规范和数据标准》[9]。为便于统计,对8个质量性状分别赋值(表2)。

表2   形态多样性指标及赋值标准

Table 2  Morphological diversity indicators and evaluation criteria

编号Number性状Characteristic描述标准Description standard
1
幼苗叶片颜色
1:黄绿色,2:绿色,3:浅紫色,4:深紫色
2
幼苗叶鞘颜色
1:绿色,2:浅紫色,3:中等紫色
3
株型
1:上冲,2:半上冲,3:平展,4:下披
4
穗型
1:圆锥,2:纺锤,3:圆筒,4:棍棒,5:鸭嘴,6:猫爪
5刺毛长短1:极短,3:短,5:中,7:长
6谷码松紧1:松,2:中,3:紧
7
籽粒颜色
1:白色,2:黄色,3:红色,4:褐色,5:灰色6:黑色
8
颖果颜色
1:白色,2:灰绿色,3:浅黄色,4:中等黄色,5:灰色

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1.3 数据处理

利用SPSS 23.0计算12个数量性状的最小值、最大值、平均值、标准差、变异系数以及8个质量性状的分布频率;采用Shannonʼs遗传多样性指数(H′)描述和评价遗传多样性指数,其计算公式为:H′=-ƩPi×lnPiPi为某性状第i个级别的出现频率)。对表型数据进行相关性及主成分等分析。

2 结果与分析

2.1 谷子种质质量性状的多样性分析

197份谷子种质8个质量性状的H′范围为0.522~1.246(表3),不同品种间存在较大差异,相同性状在品种间也表现出不同程度的多样性。幼苗叶色以绿色为主(0.832),幼苗叶鞘颜色以绿色为主(0.838),株型以半上冲为主(0.604),穗型以纺锤形为主(0.599),刺毛长短以短毛为主(0.421),谷码松紧以中为主(0.619),籽粒颜色以黄色为主(0.563),颖果颜色以中等黄色为主(0.528)。8个质量性状的H′排序为刺毛长短>籽粒颜色>穗型>株型>颖果颜色>谷码松紧>幼苗叶鞘颜色>叶片颜色,其中穗型、刺毛长短、籽粒颜色等表型性状的H′较高,而叶片颜色和幼苗叶鞘颜色的H′较低,表明供试材料的穗型、刺毛长短和籽粒颜色等质量性状的变异丰富。

表3   8个质量性状的遗传多样性分析

Table 3  Genetic diversity analysis of eight quality traits

性状描述标准
Characteristic description
standard
叶片颜色
Leaf
color
幼苗叶鞘颜色
Larval
color
株型
Plant
type
穗型
Panicle
type
刺毛长短
Length
of seta
谷码松紧
Panicle
compactness
籽粒颜色
Grain
color
颖果颜色
Cargopsis
color
10.1420.8380.2990.1420.2640.1120.2590.046
20.8320.0660.6040.5990.6190.563
30.0250.0960.0560.2080.4210.2690.0910.401
40.0410.0360.0410.528
50.0050.2390.0300.025
60.0100.015
70.071
H′0.5220.5530.9571.1031.2460.8951.1910.938

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2.2 谷子种质数量性状的变异及多样性分析

197份谷子的12个数量性状的变异系数范围为7.89%~139.07%(表4),其中大于20.00%的性状有4个,依次为单株穗重、单株粒重、穗粗和产量;H′范围为0.505~2.080,H′>2.0的性状有5个,分别为株高、主穗长、千粒重、抽穗―成熟日数和产量。

表4   12个数量性状的遗传多样性分析

Table 4  Genetic diversity analysis of 12 quantitative traits

性状
Characteristic
平均值
Mean
最小值
Minimum
最大值
Maximum
标准差
Standard deviation
极差
Range
变异系数
Coefficient of variation (%)
H′
株高Plant height (cm)148.2877.60203.4027.66125.8018.652.050
单株穗重Panicle weight per plant (g)25.558.0963.708.7755.6134.331.994
单株粒重Grain weight per plant (g)20.003.85117.4810.29113.6351.421.800
出谷率Grain output (%)75.4521.6591.8311.6370.1815.411.765
主穗长Main panicle length (cm)24.1413.5736.474.2122.9017.422.080
穗粗Panicle diameter (cm)3.050.9831.194.2430.21139.070.505
千粒重1000-grain weight (g)3.041.474.250.412.7813.532.031
出苗―抽穗日数Days of emergence-heading (d)74.9548.00103.008.4955.0011.331.994
抽穗―成熟日数Days of heading-ripening (d)52.3934.0092.007.2858.0013.902.009
生育日数Days of reproductive (d)127.3497.00151.0010.0454.007.891.935
茎粗Stem diameter (mm)8.585.6913.731.528.0417.731.979
产量Yield (kg/hm2)5701.88340.6811 043.422052.3710 702.7435.992.076

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株高变幅为77.60~203.40 cm,极差为125.80 cm,晋谷36最高,公谷88最低;单株穗重变幅为8.09~ 63.70 g,极差为55.61 g,黄金苗最大,龙选1号最小;单株粒重变幅为3.85~117.48 g,极差为113.63 g,蒙谷3号最大,黄那糯最小;主穗长变幅为13.57~ 36.47 cm,极差为22.90 cm,陇谷4号最大,大小穗红谷最小,穗粗变幅为0.98~31.19 cm,极差为30.21 cm,L5023(农家红谷×15K1214)最大,晋谷52号最小;千粒重变幅为1.47~4.25 g,极差2.78 g,陇谷4号最大,黄那糯最小;产量变幅为340.68~11 043.42 kg/hm2,极差为10 702.74 kg/hm2,黄苗大滑皮产量最高,黄那糯产量最低。以上结果表明,197份谷子种质资源数量性状差异较大,具有丰富的遗传多样性。

2.3 谷子种质性状相关性分析

表5可知,株高与出谷率、茎粗呈极显著负相关,与穗粗、千粒重呈显著负相关;千粒重与单穗粒重、单株穗重、出谷率、主穗长和穗粗呈极显著正相关关系;单株穗重与抽穗―成熟日数呈极显著正相关关系;产量与单株粒重、单株穗重、出谷率呈极显著正相关关系。

表5   主要性状相关性分析

Table 5  Correlation analysis of main traits

性状
Characteristic
株高
Plant
height
单株
穗重
Panicle
weight
per plant
单株
粒重
Grain
weight
per plant
出谷率
Grain
output
主穗长
Main
panicle
length
穗粗
Panicle
diameter
千粒重
1000-
grain
weight
出苗―
抽穗日数
Days of
emergence-
heading
抽穗―
成熟日数
Days of
heading-
ripening
生育日数
Days of
reproductive
茎粗
Stem
diameter
产量
Yield
株高Plant height1.000
单株穗重Panicle weight per plant0.0351.000
单株粒重Grain weight per plant-0.1250.706**1.000
出谷率Grain output-0.293**0.170*0.345**1.000
主穗长Main panicle length0.1040.353**0.322**0.223**1.000
穗粗Panicle diameter-0.175*0.1050.0640.0010.1071.000
千粒重1000-grain weight-0.179*0.282**0.280**0.345**0.298**0.198**1.000
出苗―抽穗日数
Days of emergence-heading
0.055-0.038-0.081-0.304**-0.141*0.021-0.186**1.000
抽穗―成熟日数
Days of heading-ripening
-0.1300.190**0.081-0.0360.0380.201**0.334**-0.197**1.000
生育日数Days of reproductive-0.0470.106-0.010-0.283**-0.0920.163*0.0850.703**0.559**1.000
茎粗Stem diameter-0.207**0.414**0.361**0.225**0.201**0.268**0.166*0.232**0.0800.254**1.000
产量Yield0.1240.348**0.356**0.405**0.1170.0750.112-0.1110.061-0.0500.1351.000

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2.4 谷子种质性状主成分分析

对197份谷子种质资源的20个表型性状进行主成分分析(表6),遵循主成分累计贡献率≥60%的原则,前7个主成分累计贡献率达64.279%,包含了质量性状和数量性状的绝大部分信息,可作为谷子表型性状评价的综合指标。

表6   谷子种质资源主要农艺性状的主成分分析

Table 6  Principal component analysis of main agronomic traits of foxtail millet germplasm resources

性状
Characteristic
主成分PCA
1234567
株高Plant height-0.317-0.0320.1040.7350.128-0.120-0.036
单株穗重Panicle weight per plant0.6780.257-0.0560.4300.039-0.116-0.151
单株粒重Grain weight per plant0.7420.086-0.1150.301-0.059-0.019-0.002
出谷率Grain output0.655-0.375-0.055-0.111-0.1990.3360.142
主穗长Main panicle length0.536-0.0730.2610.1890.057-0.4980.033
穗粗Panicle diameter0.2760.293-0.058-0.2570.202-0.041-0.328
千粒重1000-grain weight0.5660.1390.380-0.1150.2050.1820.173
出苗―抽穗日数Days of emergence-heading-0.2630.671-0.3450.037-0.338-0.1850.244
抽穗―成熟日数Days of heading-ripening0.2340.4530.326-0.1900.5930.270-0.077
生育日数Days of reproductive-0.0530.896-0.055-0.1070.1440.0390.150
茎粗Stem diameter0.5420.398-0.238-0.118-0.314-0.112-0.276
产量Yield0.457-0.079-0.2250.4890.1080.3510.058
叶片颜色Leaf color-0.0240.4150.481-0.096-0.2880.112-0.233
幼苗叶鞘颜色Larval color-0.024-0.0900.6680.153-0.2640.252-0.100
株型Plant type0.489-0.257-0.244-0.497-0.240-0.043-0.059
穗型Panicle type-0.3320.035-0.2990.0310.339-0.027-0.464
刺毛长短Length of seta0.033-0.351-0.024-0.2650.417-0.0710.257
谷码松紧Panicle compactness-0.3140.180-0.0830.106-0.2200.6400.010
粒色Grain color-0.0770.0860.641-0.085-0.163-0.3230.116
颖果颜色Cargopsis color0.1050.332-0.1210.0410.080-0.0060.555
特征值Eigenvalue3.3202.4671.8421.6151.3241.2671.020
贡献率Contribution rate (%)16.59912.3369.2088.0776.6216.3375.102
累计贡献率Cumulative contribution rate (%)16.59928.93538.14346.22052.84059.17764.279

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表6可知,第1主成分贡献率为16.599%,单株穗重、单株粒重和出谷率特征向量绝对值较高;第2主成分贡献率为12.336%,生育期、出苗―抽穗日数和抽穗―成熟日数特征向量绝对值较高;第3主成分贡献率为9.208%,籽粒颜色、幼苗叶鞘颜色特征向量绝对值较高;第4主成分贡献率为8.077%,株高特征向量绝对值较高;第5主成分贡献率为6.621%,刺毛长短特征向量绝对值较高;第6主成分贡献率为6.6337%,主穗长特征向量绝对值较高;第7主成分贡献率为5.102%,颖果颜色特征向量绝对值较高。

由各主成分综合得分情况(表7)可知,197份种质资源综合得分大于0.5000的有21个,其中陇谷4号、蒙谷3号、大同32、3-23(农家红谷× 15K1214)、大同37、大同34、沁州黄、陇谷13、陇绿谷和L5022(农家红谷×15K1214)综合排名居前10位。

表7   197份种质资源主成分分析综合得分

Table 7  Comprehensive scores of principal component analysis of 197 germplasm resources

编号
Number
综合得分
Composite score
排名
Ranking
编号
Number
综合得分
Composite score
排名
Ranking
编号
Number
综合得分
Composite score
排名
Ranking
1-0.240814716-0.4578174310.220059
20.0083101170.578014320.046190
30.64938180.107777330.233556
40.458929190.440332340.173769
50.05058920-0.1251129350.025899
60.589812210.543917360.145572
7-0.3832164220.06368637-0.2683153
8-0.0330111230.10467838-0.3322162
90.26355524-0.127713139-0.0468114
10-0.157013425-0.0240110400.552516
11-0.2323146260.051288410.76284
120.135674270.479624420.417635
130.485022280.041791430.639510
140.125676290.67637440.323344
15-0.0037104300.417834450.395038
460.32264597-0.4020170148-0.1991139
470.440431980.4829231490.172570
480.47302599-0.43121711500.099979
490.556015100-0.0858120151-0.2311145
500.206362101-1.1358195152-0.2676152
510.468126102-0.2486149153-0.0967121
520.81812103-0.5524180154-0.0349112
530.205963104-0.7040186155-0.2755155
540.518318105-0.72791871560.028197
550.300847106-0.9269192157-0.0576117
56-0.3035157107-0.7288188158-0.0173108
57-0.2495150108-0.32291611590.516019
580.033595109-0.5662181160-0.0197109
59-0.1092125110-0.22451441610.035393
600.178968111-0.12551301620.092181
61-0.0548116112-0.3762163163-0.2581151
620.229457113-0.44661731640.203865
63-0.2821156114-0.01711071650.441330
640.0261981150.0319961660.221658
65-0.0537115116-0.58451821670.459228
660.5137201170.00321021680.084484
670.772031180.596311169-0.1140126
680.67716119-1.1435196170-0.1472132
690.715751200.0960801710.158271
700.419233121-0.44051721720.288049
71-0.01581051220.3897391730.191466
72-0.1769137123-0.0646118174-0.1201128
730.129075124-0.45851751750.279451
740.034594125-0.38721671760.64819
75-0.1886138126-0.11941271770.335042
76-0.32261601270.2811501780.346040
770.074585128-0.38531661790.460127
780.183567129-0.01661061800.335841
790.2761521300.890811810.215561
80-0.2028141131-0.76071901820.506321
810.272253132-0.7433189183-0.3187159
820.058087133-0.2409148184-0.5241178
83-0.0706119134-0.64491831850.037392
84-0.2187143135-1.2998197186-0.2118142
85-0.1002122136-0.9980193187-0.4780176
860.398437137-0.16711351880.218460
870.587413138-0.54021791890.399336
88-0.1765136139-0.3165158190-0.3921169
890.266954140-0.27341541910.140273
900.291048141-0.1998140192-0.1483133
910.0185100142-0.6875185193-0.1036124
920.087883143-0.6567184194-0.0420113
93-0.0033103144-0.38971681950.321546
940.204764145-1.0373194196-0.1034123
950.328943146-0.82031911970.091282
96-0.3834165147-0.4871177

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3 讨论

丰富的种质资源涵盖了巨大的基因背景差异,种质资源遗传多样性分析是育种突破的关键,形态学标记是鉴定种质资源遗传变异最简单直观的方法,在遗传多样性研究及育种材料的选择中有着重要作用[10]。了解谷子品种农艺性状特点及其之间的关联性,有助于育种目标性状的确定,再配以优良的栽培管理技术,有利于最大程度地发挥谷子品种内在生产潜力[11]。李晓宁等[12]对15份谷子品种的9个农艺性状进行变异分析,其变异幅度为9.65%~131.25%,各农艺性状的变异系数从大到小依次为倒伏系数、单穗重、秆重、单株有效分蘖数、产量、穗长、株高、千粒重和生育期。本研究197份谷子的12个数量性状的变异系数范围为7.89%~139.07%,H′范围为0.505~ 2.080,8个质量性状的H′范围为0.522~1.246,遗传多样性结果表明,多数质量性状H′低于数量性状,这与前人[13]在谷子中的研究结果一致;较高的变异系数表明197份谷子的离散程度较高,表明谷子种质遗传基础较广,存在丰富的遗传变异[14],197份材料在同一生态种植条件下,不同性状在不同材料间表现出不同程度的多样性,充分说明种质资源间的遗传多样性可以为谷子品种改良提供丰富的亲本材料。

在12个数量性状相关性分析中,各性状间部分显著或极显著,说明其紧密关联,遗传复杂性有待在育种实践中验证;单株穗重与单穗粒重相关性达0.706,且均与产量呈显著正相关关系,说明可以通过田间选择单穗来有效提高产量,出苗―抽穗日数与生育期相关性为0.703,且呈极显著相关,说明在出苗―抽穗阶段对谷子水分利用及生长速率的控制对改善谷子生育期具有重要意义。

本研究对197份谷子品种20个表型性状综合得分进行种质资源评价,该方法已在王海岗等[15]对山西谷子种质资源表型性状的综合评价中得到应用。综合评价结果显示,有21份谷子资源综合得分大于0.5000,这与刘思辰等[16]在山西谷子的性状综合研究中F值得分为0.521结果相近。本研究中排名前10的种质分别来自内蒙古、山西和甘肃等地,可作为本生态区特异种质在谷子新品种选育中加以利用。

4 结论

本研究对197份谷子种质资源的20个表型性状进行鉴定分析,得到陇谷4号、蒙谷3号、大同32、大同37、大同34、沁州黄、陇谷13和陇绿谷等适宜本生态区种植的优良品种,筛选出的品种均在产量构成因子方面具有突出优势,适宜用于本生态区谷子品种改良,可作为谷子品质和特色育种的资源材料。

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本研究对国内外124份谷子种质资源进行表型及SSR遗传多样性分析。表型性状分析表明,幼苗叶姿、穗颈2个质量性状变异较丰富;单株秆重、单株生物产量、单穗重3个数量性状变异系数较大,遗传多样性指数较高,表现出丰富的遗传多样性。表型性状聚类采用Ward法,在遗传距离7.0处分为6大类群,各类群性状差异明显。SSR遗传多样性分析表明,52对引物在124份材料中共扩增特异性条带52条,平均遗传相似系数0.834,变化范围为0.615~0.962。聚类分析表明,遗传相似系数为0.746时,124份材料被分为4大类群,第Ⅰ、Ⅱ类群均来自中国河北;第Ⅲ类群来自哈萨克斯坦;第Ⅳ类群占参试材料的87.90%,没有明显的地理聚类特征。但遗传相似系数为0.843、0.870时,进一步可分9个亚群、7个亚亚群,材料又基本按地区聚为一类。表型性状及SSR聚类分析均存在明显的地理聚类特征,结合表型性状鉴定出12份适宜新疆种植的谷子优异种质。

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骨干谷子品种对谷子产业发展发挥了重要的作用,为了解其优异性状遗传基础及利用价值,选用来源于不同生态区的12个骨干谷子品种,进行表型鉴定和遗传差异分析。结果表明,12个来源于不同生态区的骨干品种在株高、穗长、穗粗、穗下节间长、单穗重、生育期以及黄色素含量等方面差异较大。79对SSR多态性标记共检测到258个多态性变异位点,平均3.265 8个;SSR标记多态性(PIC)的变幅为0.141 1~0.711 6,平均为0.510 1;其中PIC>0.5的SSR标记有50对,占多态性标记的63.3%。12份材料的遗传距离变幅为0.140 2~0.801 1,平均为0.473 7;来自华北夏谷区的豫谷1号和沧谷4号遗传距离最近,而沧谷4号和来自内蒙高原的地方品种金香玉距离最远;总体而言,华北夏谷区品种和西北早熟春谷区品种遗传距离相对较大。相似性系数为0.594时,12个品种可聚为两类,华北夏谷区的豫谷1号、矮88、冀谷19号、沧谷4号和济谷12聚为一类,来自西北春谷早熟区、晚熟区和东北春谷区的7个品种聚为一类,聚类分析结果和品种的生态类型具有较高的一致性。群体结构分析和聚类分析的结果相似,华北夏谷区品种和春谷区品种之间存在基因交流。总之,不同生态区来源品种间遗传差异较大,同一生态区来源品种遗传差异较小;华北夏谷区骨干品种之间遗传差异较春谷区品种遗传差异相对较小;华北夏谷区品种和西北早熟春谷区品种间遗传差异较大,丰富华北夏谷区遗传变异,应加强与西北早熟春谷区品种之间的交流。本研究结果为优异谷子品种培育及种质资源利用提供了一定依据。

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以274份谷子种质资源为材料,利用聚类分析和主成分分析方法,对参试资源16个农艺性状的遗传多样性进行综合评价。结果表明,参试材料的11个数量性状的遗传多样性指数均大于2.000,在新疆表现出广泛的遗传多样性。基于种质资源间形态标记的遗传差异,将274份谷子种质资源聚类并划分为6大类群。第Ⅰ类群(105份材料)生育期较短,属早熟类型,但其它性状表现一般;第Ⅱ类群(19份材料)出苗-抽穗日数最小,全生育期最短 ,早熟性明显,穗下节间长度相对其他类群较长; 第Ⅲ类群(10份材料)生育期较短,主穗长相对较长,其余性状表现均处于较低水平;第Ⅳ类群(58份材料)主穗长、单穗重在各类群中处于较高水平,生育期相对较短;第Ⅴ类群(26份材料)生育期最长,属晚熟类型,仅主穗长度最小外其余性状均表现突出;第Ⅵ类群(56份材料)生育期相对较长,属中晚熟类型,株高较低。9个数量性状的主成分分析结果表明,前3个主成分因子(单株秆重、株高、主穗直径)累计贡献率达70.41%,各主成分因子性状载荷值反映了育种中各性状的选择方向及潜力。综合评价谷子种质资源农艺性状,为新疆谷子资源收集、评价和利用提供一定的科学依据。

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中国农业科学, 2020, 53(11):2137-2148.

DOI:10.3864/j.issn.0578-1752.2020.11.001      [本文引用: 1]

【目的】通过对山西谷子地方品种种质资源农艺性状和品质性状进行综合评价,分析山西谷子种质资源的多样性特点和分布规律,为种质资源的评价和新品种选育提供参考。【方法】利用变异系数、Shannon-Weaver多样性指数对212份山西谷子种质资源的15个性状进行多样性分析和性状差异分析,采用聚类分析、主成分分析、相关性分析以及逐步回归分析对山西谷子种质资源进行综合评价和鉴定指标筛选。【结果】212份山西谷子种质资源多样性指数范围为0.92—2.15,除粒色外,均大于1.00;变异系数范围为3.35%—38.66%,株高、穗长、茎长、茎粗、穗粗、节数、码数、码粒数、单穗重、穗粒重、千粒重、直/支比和粒色变异比较丰富,淀粉和蛋白质变化较小。聚类分析把山西谷子种质资源分为3个类群:第一类群北部品种,来源地包括大同和朔州;第二类群中部品种,来源地包括阳泉、太原、晋中和榆次;第三类群南部品种,来源地包括临汾和运城,与山西地理分布吻合;北部品种中单穗重、穗粒重和千粒重等性状的平均值更高,南部品种中码粒数、单穗重、千粒重、蛋白质、淀粉和直/支比表现出更高的变异性。主成分分析把15个性状归为9个主成分,累计贡献率为89.26%,表明9个主成分包含了谷子表型性状的大部分信息。山西谷子种质资源表型性状的综合得分F值均值为0.521,临汾的黄疙瘩最高(0.709),大同的牛毛黄最低(0.315)。15个性状和综合得分F值的相关性分析表明,10个农艺性状(株高、穗长、茎长、茎粗、穗粗、节数、码数、码粒数、单穗重和穗粒重)与F值呈极显著正相关,直/支比与F值也呈极显著正相关。采用逐步回归分析法筛选出9个性状,分别为株高、穗长、茎长、码数、码粒数、单穗重、蛋白质、直/支比和粒色。【结论】山西谷子地方品种表型多样性丰富,山西谷子资源划分为南部品种、中部品种和北部品种,划分结果与地理来源吻合。直/支比可作为评价指标引入到谷子种质资源的综合评价中。筛选出9个性状可以作为谷子种质资源性状评价指标。山西谷子南部资源多样性更丰富,可作为谷子品质和特色育种的资源库。

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