甜高粱种质资源多样性及主要农艺参数聚类分析

邵初阳， 何晓兰， 徐照龙， 张大勇， 黄益洪， 卫培培， 许 玲， 刘晓庆，郭士伟， 彭 陈， 葛婷婷， 王 为

(1.山东农业大学生命科学院，山东 泰安 271018;2.江苏省农业科学院农业生物技术研究所/江苏省农业生物学重点实验室，江苏 南京 210014;3.江苏沿海地区农业科学研究所，江苏 盐城 224002)

高粱［Sorghum bicolor(L.)Moench］是世界范围内第五大重要作物［1-4］，甜高粱又叫芦粟、甜秆、糖高粱等，是普通高粱的一个变种。甜高粱有2个光合产物贮藏库，一个是穗部的籽粒，含有淀粉、蛋白质、脂肪等营养物质;一个是茎秆薄壁细胞中的糖，含有葡萄糖、果糖和蔗糖等［5］。甜高粱可产 6.0×104～7.5×104kg/hm2富含糖分的茎秆和 2.8×103～4.5×103kg/hm2粮食，是世界上生物学产量最高的作物［6］。研究甜高粱种质资源的遗传多样性，不仅有助于了解甜高粱资源的遗传背景及资源间的亲缘关系，为种质资源的利用与开发提供信息，且有助于对种质资源进行区划，为不同地域生态环境间的引种以及杂交优势的利用提供指导［7-9］。

目前，对高粱资源的遗传评价主要利用表型性状和分子标记进行分析。如 Lekgari等［10］用SSR、SRAP以及形态学标记对142个甜高粱种质资源分别进行聚类分析，3种聚类群有很好的互补性，以农艺性状的测定与分析为基础，通过SSR标记对群体来源进一步细化，再通过SRAP标记对群体育种来源再精细化。余传涨等［11］采用52个SSR标记对41个高粱品种进行遗传多样性分析，通过聚类分析将41个高粱品种分为2个类群。虽然多数籽粒高粱归在第1类群，而甜高粱主要归在第2类群，但无法清晰地划分2类高粱之间的遗传界限。相对于分子标记，表型性状较直观，是遗传多样性分析的基础。Hugo等［12］认为运用分子标记对高粱进行遗传多样性及群体结构的分析，必须优先对更大的群体进行表型评价。杜光辉等［13］认为在育种过程中，应首先筛选出适合在本地生长的表现优良的种源，根据农艺性状划分不同类型，再分析杂交亲本的分子遗传关系，根据育种目标选择合理的杂交组合。

近年来，中国多个地区与研究单位进行了甜高粱种质资源的引进，多采用表型性状对引进资源进行初步的鉴定与分析［14-19］，也筛选到一批适合各地区利用的优质甜高粱资源，如冯国郡等［17］采用多样性指数、变异系数和聚类分析等方法，对国内外72份甜高粱种质资源的24个性状进行遗传多样性研究，结果表明新疆现有甜高粱资源拥有丰富的遗传多样性，聚类分析可将72份资源划分为四大类。宋旭东等［15］对196份甜高粱材料进行了糖锤度测定及综合评价，结果表明，糖锤度≥21%的材料49份，其中4份高糖锤度材料可以根据育种目标和生产需求进行性状改良，筛选和培育综合性状优良的材料，有直接应用于生产的可能。

目前未见南京及其周边地区甜高粱种质资源的相关研究报道。本研究通过测定88份甜高粱品种的主要农艺性状并对其遗传多样性进行分析，以期为南京以及周边地区开发利用甜高粱资源奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料

供试甜高粱资源88份，为中国农业科学院作物科学研究所、江苏省农业科学院、江苏省沿海地区农业科学研究所、黑龙江农业科学院等单位提供(表1)。2013年在江苏省南京市江苏省农业科学院农业生物技术研究所试验基地种植。从每小区中随机选取具有代表性的3株进行性状测定，其平均数用作统计分析。

表1 供试的88份甜高粱资源Table 1 The 88 sweet sorghum accessions used in this study

1.2 方法

1.2.1 测定方法 甜高粱株高(X1)、茎粗(X2)、茎节数(X3)和茎秆鲜质量(X4)的测定参照《高粱种质资源描述规范和数据标准》［20］。出汁率(X5)测定:用上海金鹊机械设备有限公司生产的电动甘蔗榨汁机进行一次性榨汁，出汁率=(整株茎秆鲜质量 －整株茎秆渣质量)/整株茎秆鲜质量 ×100%。整株锤度(X6)测定:使用日本ATAGOPAL-1数显锤度计测定，用蒸馏水将锤度计调零，测定整株混合汁液。始花期(X7)测定:记录单株第一个小穗开花的日期并挂牌，计算出播种期到始花期之间的天数。以上测定均设3次重复。

1.2.2 数据统计分析方法 相关性分析:利用EXCEL 2003软件对测定结果进行整理和分类，利用SPSS 17.0软件中的双变量相关性分析对株高、茎粗、茎节数、茎秆鲜质量、出汁率、整株锤度及始花期7个农艺性状进行相关分析。

遗传多样性分析:利用Shannon-weaver遗传多样性指数来衡量群体遗传多样性大小。首先，利用株高、茎粗、茎节数、茎秆鲜质量、出汁率、整株锤度及始花期性状数据，根据平均数(x)和标准差(σ)将每份材料分为10级，从第1级Xi＜(x－2σ)到第10级Xi≥(x+2σ)，每0.5σ标准差为1级。然后，计算每一组的相对频率(pi=某一性状第i级别内材料份数/总份数)。最后，计算遗传多样性指数，计算公式为:H'= － ∑piln pi［15］。

主成分分析:利用SPSS 17.0软件进行主成分分析。对7个数量性状数据的平均值进行降维主成分提取分析［21］。

聚类分析:利用SPSS 17.0软件进行聚类分析并制作树状图。对7个数量性状数据进行标准化转化处理，采用欧氏距离可变类平均法进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 南京地区甜高粱基本生长状况

在整个生育时期，供试的88个甜高粱品种生长有较明显的差异，13号甜高粱、58号甜高粱等早熟品种叶部蚜害与靶斑病发生较重，籽粒虫害较重，尤其紧穗型材料，而晚熟品种基本到10月下旬，甚至11月上旬籽粒才成熟，病虫害发病率较低。2013年7月32日南京经历一次台风，对早熟品种影响较大，其中大甜秆、甜秆茭、甜选173、BABUSH、MN-2765及JUAR-3等资源正值拔节抽穗期，倒伏较严重。8月高温干旱，其中甜高粱(平陆)、甜高粱(编号13)等品种病虫害较重，而甜高粱(彭水)和洋高粱(宁陕)出现叶片皱缩黄化的缺水症状，明显不耐干旱。BABUSH中后期虽然长得高大粗壮，但根部难以支持，出现较严重的倒伏。

对88份甜高粱品种的始花期、株高、茎粗、茎节数、茎秆鲜质量、出汁率和全株锤度进行了测定，结果显示各品种之间均存在较大差异(表2)。始花期最短的宁甜选4，仅57 d，最长的甜秆高粱(石泉)为138 d，相差81 d;株高最低的甘蔗芦稷(编号17)为1.39 m，最高的盐甜选5为4.95 m，相差3.56 m;茎粗最细的甜高粱(编号1)为1.30 cm，最粗的黑穗芦稷(编号73)为3.46 cm，相差2.43 cm;茎节数最少的甜高粱(编号 1)为 4.67，最多的 JUAR-3为21.67，相差17.00;茎秆鲜质量最轻的甜选116为112.17 g，最大的 BABUSH 为1 368.43 g，相差1256.26 g;出汁率最少的芦稷(编号35)和扫帚芦稷(编号78)的出汁率都为0，最多的盐甜选6为38.19%，相差38.19%;锤度最低的芦稷(编号35)和扫帚芦稷，锤度都为 0，最高的盐甜选 6为16.53%，相差16.53%(表2)。

2.2 主要农艺性状遗传多样性分析

供试甜高粱资源的株高、茎粗、茎节数、茎秆鲜质量、出汁率、全株锤度以及始花期均存在较大的遗传多样性(表3)。茎秆鲜质量的变异幅度最大，变异系数达52.51%，其次为整株锤度，变异系数也高达38.14%。生育期的变异幅度最小，为22.64%。各性状的多样性指数值均较大，其中茎节数的多样性指数最大，为2.03，出汁率的多样性指数最低，为1.83。表明供试的88份甜高粱资源拥有丰富的遗传多样性，可供挖掘的价值很高。

2.3 主要农艺性状相关性分析

对始花期、茎秆鲜质量、株高、茎粗、茎节数、出汁率和整株锤度7个主要数量农艺性状进行了相关性分析，结果显示:这7个性状之间都呈极显著正相关。株高与茎粗、茎节数和茎秆鲜重的相关系数分别达0.618 0、0.698 4及0.761 8，比与出汁率、锤度和始花期的相关性要高，锤度与出汁率的相关系数为0.685 7，较与其他性状的的相关系数高。始花期与茎粗、茎节数和茎秆鲜质量相关系数分别为0.607 1、0.680 0和0.596 2(表 4)，高于始花期与其他性状的相关系数。

表2 甜高粱的主要农艺性状Table 2 Major agronomic traits of sweet sorghum

续表2 Continued

表3 甜高粱遗传多样性分析Table 3 Analysis of genetic diversity of sweet sorghum

表4 甜高梁各性状间的相关系数Table 4 Correlation coefficient among major agronomic traits in sweet sorghum

2.4 甜高粱各性状对生物量影响的主成分分析

不同甜高粱材料的农艺性状值比较离散，利用主成分分析可以将离散的数据标准化处理，以便对样品的相似性进行明显的评价。从始花期、茎秆鲜质量、株高、茎粗、茎节数、出汁率和锤度7个特征根中选取了2个较大的特征根及相应的2个特征向量。第Ⅰ主成分的贡献率为64.947%，第Ⅱ主成分的贡献率为18.285%，前 2个主成分的累计贡献率高达83.232%。完全符合主成分分析的要求，故取前2个主成分作为分析的有效成分(表5)。第1主成分与株高、茎粗、茎节数、茎秆鲜质量及始花期这5个性状值相关性都较高，分别为 0.80、0.82、0.90、0.95 及0.80，与出汁率和锤度的相关系数略低，为0.64和0.67，表明第Ⅰ主成分可大部分说明甜高粱的生物量。第Ⅱ主成分与出汁率和锤度相关系数较高，分别为0.65和0.62，与其他性状都呈负相关，且相关系数绝对值较小，表明主成分2主要反应茎秆汁液情况(表6)。

表5 2个主成分的特征值以及贡献率Table 5 Eigen values of two principal components and their contributions

表6 2个主成分的各因子载荷矩阵Table 6 Loading matrix of each principal component

2.5 对88个甜高粱材料农艺性状的综合分析

表6为2个主成分的各因子载荷矩阵，表7为2个主成分得分系统矩阵，据此可获得各因子的得分公式，如下:F1=0.17X1+0.18X2+0.20X3+0.21X4+0.14X5+0.15X6+0.18X7

F2=－0.23X1－0.34X2－0.15X3－0.10X4+0.61X5+0.57X6－0.08X7

根据 F1和F2值，各品种的综合得分:F=∑WiFi=0.649 47F1+0.182 85F2［19］

根据算出的F值，对88个甜高粱材料进行排序(表8)，并且利用系统分析方法的类间平均法进行聚类分类，可将88份材料分为6类(图1)。以各类群主要农艺性状的平均值为参考，对其特征进行分析，结果显示这6类群之间存在较大差异(表9)。

Ⅰ类群仅1份材料BABUSH，而其余的5个类群从属一个大亚群。BABUSH与其他5类群的材料遗传距离较远，其株高、茎粗、茎节数及茎秆鲜质量在6个类群中最高，综合性状排序位于第一位，但锤度仅为8.73%，出汁率也低于30.00%，且该材料有易倒伏的缺点。

Ⅱ和Ⅲ类群共40份材料，始花期较短，都不足3个月，且植株低矮，单株茎秆鲜质量不足500 g。尤其第Ⅱ群，平均株高仅有2.08 m，茎秆鲜质量仅达175.04 g，且锤度平均值仅达5.35%。综合性状排序倒数几位的材料都在该群，如甜什高粱、甜秆茭以及盐甜选5等。但从Ⅱ类群中可选择到锤度高的早熟密植型材料，如甜选35、甜选37及甜选39。

Ⅳ和Ⅴ类群生物量较大，但平均始花期偏长。其中第Ⅳ群平均茎秆鲜质量达951.65 g，平均锤度在6个类群中最高，出汁率仅次于第Ⅴ类群，该类群材料占总材料的14.77%。综合性状排前几名的材料都在该群，如宁甜选6、宁甜选3及黑穗芦稷(编号73)等;第Ⅴ类群，平均株高达3.66 m，仅次于BABUSH。出汁率在6个类群中最高，平均茎秆鲜质量达761.33 g，平均始花期早Ⅳ类群10.27 d。

第Ⅵ类群，占总资源的27.27%，其各项指标都低于Ⅳ和Ⅴ类群，但高于Ⅱ和Ⅲ类群，处于中等水平。生物量不低，生育期135 d左右，能从中选择到符合南京小麦茬口的甜高粱材料，如甜选33、甜选61及甜选133等。

总体来看，从Ⅱ和Ⅲ类群可以选出适合密植的早熟中秆材料，如甜选35、甜选37及甜选39等;从Ⅳ和Ⅴ类群中可选出植株高大，锤度高的材料，如甜选160、宁甜选6及黑穗芦稷等;从Ⅵ类群可以选出生育期适中材料，如甜选33、甜选61及甜选133等。这些材料可作为南京及周边地区推广示范品种或作亲本材料。

表7 2个主成分得分系统矩阵Table 7 System matrix of each principal component scoring

3 讨论

茎秆含糖量是甜高粱作为能源材料的一个最重要的性状。宋旭东等［15］发现甜高粱茎秆内部有的实心多汁，有的空心少汁，即使是糖锤度相同的品种，也会因实心多汁、空心少汁的原因出现生物学产量不同的结果，而导致加工效率的不一样。在我们的试验中也发现这一现象，甜高粱的整株锤度与出汁率的相关系数达极显著水平，但部分甜高粱不符合这一规律，如甜高粱(编号8)的出汁率为27.16%，而整株锤度只有3.50%;Rio出汁率也偏低，为24.42%，但整株锤度最高达15.77%，因此在甜高粱选育过程中，对锤度与出汁率要兼顾考虑。此外，与赵香娜等［19］的测定锤度方法一致，我们也采用小型压榨机进行一次性压榨，压榨率偏低，但本试验中每个样品采取同一标准操作，所得结果可以充分体现资源材料出汁率的差异。

表8 甜高粱综合性状排序Table 8 The ranking of comprehensive traits o f sweet sorghum

图1 88份甜高粱材料聚类分析Fig.1 Dendrogram of 88 sweet sorghum cultivars by clustering analysis

表9 各类群甜高粱农艺性状平均值Table 9 Average values of agronomic traits in each group

刘洋等［16］认为锤度与生育期、单株鲜质量、株高以及茎粗相关性不显著，而本研究结果与其完全相反，甜高粱整株锤度与始花期、茎秆鲜质量、株高、茎粗、茎节数以及出汁率都呈极显著相关。这可能与南京地区的气候环境以及播种期有关。6月初播种，早熟矮秆材料在9月份已陆续成熟，南京早秋依然处于高温期，昼夜温差小，不利早熟品种糖分的积累，且植株旺盛生长期恰逢高温高湿的气候条件，病虫害发病较重，而晚熟材料几乎不发病，另外，中晚熟材料在10－11月份才陆续成熟，后期昼夜温差很大，有利高秆晚熟材料糖分的积累。

本研究中甜选35、甜选44、甜选90等始花期都不到90 d，其整株锤度分别为9.87%、8.97%及9.20%，与刘洋等［16］的研究结果差异较大。原因可能是我们用整株榨汁液来测定不同材料锤度的方法有关，另外，也可能与南京当年的环境条件及播期有相当大的关系。陈展宇等［22］研究发现在半干旱生境下，甜高粱品种茎秆锤度较半湿润生境下均有不同程度增加，差异达显著水平。我们对中晚熟品种Rio进行分期播种试验，发现播期对锤度有明显影响，5月21日播种的锤度较5月30日播种的低20.12%。

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