花生地方品种骨干种质代表性评价与耐旱性鉴定

闫彩霞成 波李春娟郑奕雄韩柱强陈 静单世华

花生(ArachishypogaeaL., 2n=4x= 40)又名落花生、长生果、地豆等,属蝶形花科落花生属,一年生草本植物,起源于玻利维亚南部和阿根廷北部地区。我国收集保存于种质库中的花生资源已达7400余份。其中,地方品种4000余份,遗传多样性丰富,是花生品种选育的主要亲本来源。

小麦[1]、糜子[2]、棉花[3]等陆续构建了骨干种质,极大地方便了一些多年多点数量性状的取得和抗病、抗逆性状的鉴定。对骨干种质的代表性进行评价,确保其能最大程度地代表整个资源的遗传多样性,是实现种质资源利用最大化的前提。董俊丽等[2]利用模糊隶属函数法和主成分分析评价了糜子骨干种质的遗传多样性,并进行了表型鉴定,筛选出综合性状较好的宁糜15号。张小娟[3]利用52对核心引物评价了95份棉花骨干种质的遗传多样性,聚类分析表明亲缘关系与系谱来源较为吻合。这为骨干种质的深入评价和有效利用开拓了新的途径。

花生抗旱性是受多基因控制的数量性状,与种质的植物学特征、农艺性状及基因型等密切相关。干旱胁迫发生时,花生植株形态与生理生化特性均会做出响应。叶片萎蔫为植株形态上的变化,是直观性评价指标[4-6]。抗旱系数为品种的综合反应结果,是准确性评价指标[7-9]。花生抗旱性鉴定以PEG2000模拟干旱或旱棚人为控制干旱最为常见,因自然降雨的不确定性,鲜有在真实大田生长环境下进行抗旱性鉴定。山东海阳地处胶东半岛地区,2015-2016年花生生长季持续干旱,为自然条件下筛选全生育期抗旱花生种质提供了有利条件。

本研究以171份花生骨干种质为材料,利用均值符合率等5个参数和主成分分析评价其对全部种质的代表性,萎蔫指数和抗旱系数相结合评价抗旱性,为花生抗旱育种提供优异基因资源。

1 材料与方法

1.1 材料和数据

以171份中国花生地方品种骨干种质为研究对象,占全部种质的6.24%,对全部种质的遗传代表性达82.4%,对初选骨干种质的遗传代表性达99.2%。涉及生育期、百果质量、百仁质量、出仁率、株高、株型、开花习性、分枝型、植物学类型等9个农艺性状和粗蛋白含量、粗脂肪含量、油酸含量、亚油酸含量等4个品质性状。

1.2 骨干种质的代表性评价和确认

参照Hu等[10]和Wang等[11]的方法,比较骨干种质、初选骨干种质和全部种质13个性状数据的均值差异百分率(mean difference percentage,MD%)、方差差异百分率(variance difference percentage,VD%)、极差符合率(coincidence rate of range,CR%)、变异系数变化率(variable rate in coefficient of variation,VR%)和香农指数变化率(variable rate of Shannon's diversity index,DR%),对其进行代表性评价。利用主成分分析(principal component analysis)比较三个群体基于第1、2主成分的二维样品分布图,确认全部种质的遗传结构是否被保留在骨干种质中。

1.3 骨干种质的抗旱性鉴定

试验于2015-2016年在山东省海阳市发城镇无灌溉条件试验田进行,当地可灌溉田为对照(图1),将骨干种质分别于5月3日和5月1日种植,三次重复,随机区组设计。于饱果成熟期(8月25日-9月5日)午后14:00时和18:00点分别统计冠层萎蔫指数(wither index,WI),每3 d调查1次。萎蔫指数分为6级:0-无萎蔫;1-轻微萎蔫(萎蔫出现在个别植株上,傍晚即恢复正常);2-萎蔫(一半的植株或较多的植株萎蔫,傍晚基本恢复正常);3-明显萎蔫(多数植株萎蔫,傍晚还有轻微萎蔫);4-严重萎蔫(叶片灼伤或大部分植株叶片卷曲,傍晚还有中度萎蔫);5-完全萎蔫(叶片黄化、褐化或大部分叶片死亡和脱落,傍晚不能恢复)。抗旱系数(drought resistance coefficient,DC)的计算公式为:DC=YD/YP(YD为干旱胁迫下的单株仁质量,YP为正常生长条件下的单株仁质量)[12]。根据冠层萎蔫指数和抗旱系数两个指标评价骨干种质的抗旱性。

2 结果与分析

2.1 骨干种质的代表性评价

对骨干种质、初选骨干种质和全部种质的DR%、VR%、CR%、VD%及MD%等5个参数进行比较,骨干种质与初选骨干种质、全部种质的MD%分别为15.38%和7.69%,VD%分别为0和7.69%,CR%分别为91.25%和83.84%。可见,骨干种质对初选骨干种质和全部种质的变异幅度均有良好代表性。与初选骨干种质和全部种质相比,骨干种质DR%分别为99.70%和102.48%,VR%分别为83.38%和104.15%(表1),表明骨干种质保留了初选骨干种质和全部种质的遗传变异,且丰度较高。

图1 2015-2016年试验进行期间海阳的月降雨量Fig.1 Monthly precipitation at the study site Haiyang from 2015 to 2016

表1 骨干种质13个性状的均值差异百分率、方差差异百分率,极差符合率、香农指数变化率及变异系数变化率Table 1 The MD%, VD%, CR%, DR% and VR% for thirteen traits in key germplasm,primary key germplasm and entire collection

2.2 骨干种质的确认

利用SPSS 22.0对全部种质、初选骨干种质和骨干种质进行主成分(PCA)分析,得到基于第1、2主成分的二维空间聚类图(图2),全部种质中有大量样品集中在散点分布图下方的左右两侧,存在着严重的相互重叠,表明这些样品有较高的遗传相似性,群体的遗传冗余程度高。9.4%的平方根法取样后,初选骨干种质样品分布的重叠程度得到了显著降低;6.2%的骨干种质进一步剔除了遗传背景相似的种质,与初选骨干种质类似,仍呈现全部种质的分布特征,且有较多外围个体入选,空间分布均匀。因此,骨干种质很好地保留了初选骨干种质和全部种质的遗传多样性和群体结构,确保了骨干种质的有效性。

2.3 骨干种质的抗旱性筛选

从171份骨干种质中筛选出13份抗旱花生种质,抗旱系数介于0.50～0.86,萎蔫指数0～2(表2)。其中,多粒型种质2份、珍珠豆型种质2份、龙生型种质5份、普通型种质3份、中间型种质1份。匍匐或半匍匐型种质较多,占抗旱种质的近70%,生育期相对较长。直立型种质占抗旱种质的30%,生育期较短。抗旱系数与萎蔫指数并不完全一致,抗旱系数最高的阜花3号和临县花生,萎蔫指数分别为1和2。抗旱系数较低的天津2和江津小花生,萎蔫指数均为0。

总体来说,抗旱系数较高,萎蔫程度也较低。这些种质在两年间表现非常稳定,为抗旱稳产优异种质。

图2 全部种质、初选骨干种质和骨干种质的样品主成分分布图Fig.2 Principal component plots for entire collection, primary key germplasm and key germplasm

表2 筛选到的13份抗旱系数＞0.5的抗旱花生种质及其萎蔫指数Table 2 Thirteen peanut landraces screened with DC≥0.5 and WI≤2

3 讨 论

3.1 骨干种质的评价与确认

骨干种质的评价就是检验其对原有群体的代表性。一般认为,当骨干种质的均值差异百分率小于20%,极差符合率大于80%,就可认为该骨干种质能够代表原有群体的遗传多样性[10]。均值差异百分率、方差差异百分率越小,极差符合率、香农指数变化率和变异系数变化率越大,骨干种质的代表性越强[10]。

本研究中骨干种质与全部种质的均值差异百分率、方差差异百分率、极差符合率、变异系数变化率和香农指数变化率分别为7.69%、7.69%、83.84%、104.15%、102.48%,表明所选骨干种质能代表全部种质的遗传多样性,且丰度较高。同时,也从表型水平上证明“逐步UPGMA聚类+个体优先取样”是一种较适宜的构建花生骨干种质策略。

主成分分析中的第 1、第2主成分的累积贡献率大约为50%,可用作二维平面的X坐标、Y坐标,近似地描述样品在几何空间的分布。因此,基于主成分的样品分布图既可反映个体的遗传相似程度,又可反映分析群体的遗传结构[13],目前已被广泛应用于入选种质的代表性评价和综合评价中。Xu等[14]通过核心种质与原种质分布特征的比较,直观地评价了海岛棉核心种质的代表性。刘娟等[15]采用主坐标图确认了利用ISSR分子标记构建新疆野杏核心种质的有效性。本研究所构建的中国花生地方品种骨干种质较好地保留了初选骨干种质和全部种质的分布特征,有效地避免了两个群体的遗传冗余,确保了骨干种质的有效性。

3.2 骨干种质的抗旱性鉴定与评价指标的选择

干旱是限制我国花生产量提高最主要的逆境因素,其引起的花生减产率平均在20%以上,测定叶片萎蔫指数是最直观、最简单易行的方法,方便进行大规模的品种鉴定。前人借助叶片萎蔫指数对很多作物进行了抗旱性鉴定[4-6],以初步判定品种抗旱性的强弱,大大减少了工作量。本研究从171份花生地方品种骨干种质中筛选到萎蔫指数0级的种质12份(7.0%)、1级34份(19.9%)、2级22份(12.9%),占全部种质的39.8%,表明利用地方品种筛选耐旱种质是可行的。干旱系数是干旱胁迫对作物影响的最终结果,是品种抗旱性鉴定的可靠指标,因此利用抗旱系数做了进一步鉴定。171份骨干种质的抗旱系数介于0.02～0.86之间,远低于其他研究者的鉴定结果[16-18]。抗旱系数最高的32个种质(≥0.3)中,萎蔫指数≤2级的种质有29份,其余3份的萎蔫指数均为3级,与利用萎蔫指数筛选的结果较为吻合,也很好地印证了利用萎蔫指数对抗旱花生种质进行初步鉴定的准确性和实用性。同时,萎蔫指数≥3.0级种质的抗旱系数均小于0.3,也表明了试验点全生育期干旱胁迫程度的严重性,筛选的抗旱种质有更大的育种利用价值。筛选的13份抗旱种质中近70%为匍匐或半匍匐种质,与前人的研究结果极为相似[19]。

4 结 论

171份骨干种质对全部种质的MD%、VD%、CR%、DR%和VR%分别达7.69%、7.69%、83.84%、104.15%、102.48%,骨干种质代表了全部种质的遗传变异。主成分分析证实了骨干种质很好地保留了全部种质的群体结构。筛选到抗旱系数≥0.5、萎蔫指数≤2的抗旱花生种质13份。本研究构建的骨干种质具有很好的代表性,筛选的抗旱种质可用于花生抗旱育种。