名优谷子晋谷21 号杂交群体米色与主要农艺性状相关性分析

马贵芳 ，王宇杰 ，韩尚玲 ，韩渊怀 ，2，李红英 ，2，侯思宇 ，2

（1.山西农业大学农学院，山西太谷030801；2.山西农业大学农业生物工程研究所，山西太谷030801）

谷子（Setaria italica）为单子叶植物纲禾本科狗尾草属，其去壳之后被称为小米[1-2]。谷子是世界上古老的农作物之一[3]，主要分布在亚洲和欧洲北部[4-5]，具有抗旱、耐瘠、生育期短等特点，是我国北方干旱半干旱地区的重要农作物之一[6]。谷子富含蛋白质、脂肪、糖类、维生素等多种功能营养成分，具有较高的营养价值[7]。同时，谷子具有清热解渴滋阴补肾、调理肠胃的功效，长期食用可降低患糖尿病的风险[8]。小米的米色直接反映谷子的质量，是消费者选购小米的重要标准。相关研究表明，不同米色谷子品种，其营养品质差异明显，小米的米色与其蒸煮后米饭的色泽、香味、适口性呈极显著正相关，即米色越黄，米饭的香味、色泽、适口性越好[9]，则市场消费者就有购买的偏好，所以米色不仅能影响消费者的直观选择，还是评价小米品质的重要准则[10]。近年来，在谷子品质相关研究中，小米米色形成的机制成为当前谷子育种的热点，而加大这方面的研究将有利于进一步提升谷子的品质，推动谷子新种质的选育及带动相关产业的发展。

前期研究表明，米色b 值与小米籽粒黄色呈显著正相关，b 值成为考量米色偏黄的重要指标，即米色b 值越大则米粒颜色越金黄润泽，其外观品质越好[11]。目前，国内外对于谷子农艺性状的分析主要集中在产量性状上[12-13]，对于米色及其与其他农艺性状关联分析的研究几乎为空白。

本研究通过色差仪（美国 Xrite VS450）[14]对109 个单株进行米色测定，拟通过关联分析解析杂交群体中米色与多个重要的农艺性状之间的关系，从而推断影响米色品质性状的主要因素，旨在为将来通过杂交育种提高谷子米色品质奠定一定理论和应用基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试所有杂交亲本及晋谷21 号×GBS 杂交组合产生的F2群体种子均由山西农业大学农业生物工程研究所提供（以晋谷21 号为杂交父本、GBS 为杂交母本）。

1.2 试验设计

供试材料在山西农业大学申奉地区试验站种植。该地区位于山西省晋中市太谷县（112.615°E，37.438°N）。播种方式为人工条播，试验田规格为行长2.0 m、株距0.2 m、行距0.3 m，F1收获的每个单穗的籽粒种植在同一试验田内，每隔50 行种植亲本作为保护行。

1.3 调查项目及方法

于播种之日起，对其整个生长期进行观察。待抽穗完全后，在每行随机选取3 株长势均一的健康植株，调查株高、穗长、第三节间粗、第四节间粗、主茎节数、倒一叶宽、倒二叶宽、倒三叶宽、穗下节间长等9 个田间农艺性状。

收获完全成熟谷穗，适当风干后，测定单株穗质量、单株粒质量、千粒质量等产量性状。其中，千粒质量测定使用数粒仪随机数取1 000 粒风干种子，并称其质量（精确到0.01 g）。并且对种子脱米前后单位容积的质量进行称量（精确到0.01 g）。

待田间农艺性状和产量性状测量完毕后，运用色差仪进行米色分析。色差仪参数中，以L 值表示颜色的明度、a 值表示颜色的绿红值、b 值表示颜色的蓝黄值。在试验中事先设定容差范围，通过判断不同颜色的L、a、b 值是否在容差范围内，进而判断样品品质是否合格。在色差仪的工作原理中，b 值大表示偏黄，b 值小表示偏蓝。

1.4 数据处理

试验测定并收集了109 个单株的谷子F2杂交群体的12 个农艺性状和3 个米色品质相关性状。数据采用Microsoft Office Excel 2016 进行后续分析；采用SPSS 20.0 软件的分析工具栏执行双变量分析，选择Pearson 相关系数对数据进行相关性分析；主成分分析以品种为固定因子，其他农艺性状为变量，选择数据降维进行因子分析得到相关变量矩阵，利用R 语言ggplot 包绘制载荷散点二维图；并针对与b 值有显著影响的因子提取进行回归分析。

2 结果与分析

2.1 F2 杂交群体主要农艺性状一般描述性统计

对晋谷21 号×GBS 杂交群体 F2进行农艺性状及产量性状调查统计，结果表明（表1），株高极大值为195.17 cm，极小值为102.67 cm；穗长极大值为35.00 cm，极小值为15.17 cm；第三节间粗与第四节间粗极大值分别为8.68、8.75 mm，极小值分别为4.26、4.35 mm，这2 个性状之间的差异并不明显；节间数极大值为15 个，极小值为8 个；倒一叶宽、倒二叶宽和倒三叶宽的最大值分别为38.73、40.22、37.19 mm，最小值分别为 15.46、19.40、19.99 mm，这几个性状的极差显著且不同性状之间差异较大；穗下节间长的极差为20.60 cm，相对较大；同时，单株穗质量（36.16 g）和单株粒质量（32.09 g）的极差也相对较大；千粒质量、脱米前单位容重和脱米后单位容重这几个性状的极差较小，差异不明显。所测量的农艺性状变异系数从大到小的顺序是穗下节间长（29.4%）＞脱米后单位容重（22.0%）＞千粒质量（21.6%）＞脱米前单位容重（17.6%）＞单株粒质量（16.4%）＞单株穗质量（14.1%）＞倒一叶宽（13.4%）＞穗长（13.2%）＞第三节间粗（12.2%）＞倒三叶宽（11.9%）＞节间数（11.5%）＞第四节间粗（11.4%）＞株高（11.3%）＞倒二叶宽（11.1%）＞b 值（10.1%）。大部分性状的变异系数相对较小，变异范围均小于20%，但穗下节间长、脱米后单位容重和千粒质量这3 个性状的变异范围较大，均大于20%。

表1 主要农艺性状及米色b 值的统计分析

2.2 F2 杂交群体主要农艺性状间及其与米色值间的相关性分析

前期研究表明，田间性状与产量性状之间具有一定的相关性，而米色与农艺性状之间的相关性目前尚不清楚，为了进一步明确其关系，本研究对米色与田间性状及产量性状进行Pearson 相关性分析，其结果列于表2。

表2 谷子 F2 杂交群体田间农艺性状与米色b 值之间的相关性分析

从表2 可以看出，谷子主要农艺性状之间存在一定的相关性，其中，株高与节间数（r＝0.467，P＜0.01）、穗长与第三节间粗（r＝0.531，P＜0.01）和第四节间粗（r＝0.549，P＜0.01）、穗长与节间数（r＝0.414，P＜0.01）、节间数与倒一叶宽（r＝0.246，P＜0.01）之间存在极显著的正相关关系；大部分田间农艺性状和b 值之间呈现负相关关系，且相关系数的绝对值极小，为弱相关或不相关。

表3 产量性状与米色b 值之间的相关性分析

由表3 可知，谷子的产量性状之间也存在一定的相关性，其中，单株穗质量与脱米前单位容重（r＝-0.238，P＜0.01） 和脱米后单位容重（r＝-0.211，P＜0.01）之间均存在极显著的负相关关系；单株穗质量与单株粒质量（r＝0.970，P＜0.01）、脱米前单位容重与脱米后单位容重（r＝0.902，P＜0.01）、脱米后单位容重与 b 值（r＝0.254，P＜0.01）之间均呈极显著正相关。

2.3 F2 杂交群体主要农艺性状与米色值主成分分析

主成分分析法是在基本不损失原有信息的前提下，把原来的多个有一定关系的变量经过一定的数学处理转换成新的互相不相关或相关性很低的几个综合变量，然后再对这些综合变量进行分析[15]。为了更加充分地表达米色与农艺性状之间的关系，本研究对F2杂交群体的12 个田间农艺性状以及与米色品质相关的3 个性状进行主成分分析，其结果列于表4。

从表4 可以看出，前9 个主成分的贡献率分别为 27.696%、15.774%、11.965%、9.985%、8.353%、6.621%、5.393%、4.027%、3.191%，累积贡献率达到93.004%。而二维的PCA 图则可显示出前2 个主成分的累计贡献率达到43.47%，其可用来概括109 个谷子品种性状的大部分信息。在15 个性状中，倒一叶宽、倒二叶宽、倒三叶宽、穗长、第三节间粗、第四节间粗的特征向量值很接近，这可能是由于叶片中光合作用积累光合产物从源到库、根部性状增粗有助于营养吸收和运输，从而影响穗长性状，也可能只是由于数据上的相近使这些性状的特征向量值接近。株高、穗下节间长、节间数、单株粒质量和单株穗质量在同一空间维度上，暗示株高、穗下节间长和节间数性状与产量性状之间有一定的相关性。同时，b 值、脱米前单位容重和脱米后单位容重的特征向量在一个维度上。由主成分分析得出的结果与相关性分析得出的结论是相符的。而千粒质量单独在一个向量维度上，暗示该性状可能受到其他农艺性状的影响较小，或者影响因子较为复杂（图1）。

表4 性状的主成分分析

2.4 F2 杂交群体米色值与相关农艺性状回归分析

表5 b 值影响因素的回归分析

表6 b 值影响因素的逐步回归分析

通过SPSS 软件进行回归分析，分析b 值与田间农艺性状和产量性状之间的回归关系，结果显示（表5），脱米前单位容重对应的P值为0.019＜0.05，脱米后单位容重对应的P值为0.008＜0.01，故脱米前谷子的单位容重对b 值有显著影响，脱米后的单位容重对b 值具有极显著影响，脱米后单位容重越大，b 值越大。并且根据表6 可以得出一个回归方程：b值＝9.124×脱米后单位容重＋29.718。

3 结论与讨论

我国是小米消费大国，大部分消费者根据最直观的视觉感受来选购小米，但有关米色的研究并不多，因此谷子品质育种进程缓慢。前期研究发现，小米米色的形成是由多基因控制的，其内在的遗传关系十分复杂，并且特别容易被外界环境所影响[16]。赵海云等[17]对晋谷21 号的米质与环境因素关系的研究表明，小米的品质与种植地区的海拔、降雨量以及所施的肥料等外界因素有关，海拔越高，小米越金黄，雨水充沛的地方小米适口性更好。本研究通过对109 个谷子杂交F2单株的米色值及农艺性状和产量性状进行分析发现，影响米色变化的重要性状为谷子脱米前后的单位容重，这为深入研究谷子米色品质形成的机制指出了新的研究方向。

变异系数可反映单位均值的离散程度，某一性状的变异系数越大，则说明这一性状在不同测量材料中的表现差异越大。本研究结果表明，变异系数大的是穗下节间长、脱米后单位容重和千粒质量，表明这3 个性状的遗传差异较大，推测其可能受环境影响较大；变异系数较小的是脱米前单位容重、单株粒质量、单株穗质量、倒一叶宽、穗长、倒三叶宽、第三节间粗、节间数、株高、第四节间粗、倒二叶宽、b 值，其变异系数均小于20%，说明这些性状在群体中存在较小的遗传变异。相关性分析结果表明，田间农艺性状和b 值之间普遍都呈现出负相关，但相关系数的绝对值极小，相关性不显著。脱米后的单位容重与b 值呈极显著正相关。前人研究表明，谷子生长发育受多种环境因素影响[18]，因此，在分析影响米色的因素时容易产生复杂的互作问题，以至于不同的试验研究得出不同的结论。本研究中，选用主成分分析结合相关性分析方法，通过对F2杂交群体的14 个性状与米色品质相关性状b 值进行分析，结果表明，b 值与脱米后单位容重呈显著正相关关系。同时利用回归分析得出，脱米后单位容重对b 值具有极显著影响（P＜0.01），脱米后单位容重越大，b 值越大，回归方程为：b值＝9.124×脱米后单位容重＋29.718。综上所述，本研究初步推测谷子脱米后单位容重越高其米色越好。容重不仅是粮食检验中的一项重要指标，其高低可间接反映粮食质量的好坏[19]。禾璐等[20]研究表明，小米米色越黄，则香味越浓、适口性越好。本研究也推测，谷子单位容重与小米口感或食用品质之间存在某种关联，但尚需进一步证实。

本试验中所选用的亲本分别为晋谷21 号和GBS，其中，晋谷21 号集优质、高产于一体，米色金黄透明，营养品质及适口品质优良[21]；GBS 为谷子雄性不育系，米色较差。用GBS 与晋谷21 号杂交可能会获得超亲优势的杂交子代单株。本研究结果表明，在F2群体中有15 个单株的米色要高于晋谷21 号，有19 个单株米色接近晋谷21 号，其余75 个单株的米色均低于晋谷21 号。同时分析也发现，米色高于晋谷21 号的15 个单株的脱米后单位容重均很高，这可能是由亲本晋谷21 号的脱米后单位容重与米色性状存在遗传连锁所致。相反，米色测定值低于晋谷21 号的品系，其脱米后单位容重明显较低，这可能是受杂交另一亲本GBS 遗传背景的影响。该杂交群体的表型分离，进一步揭示了脱米后单位容重与米色性状存在遗传连锁的关系。该研究结果可为将来进一步改良谷子米色品质与稳产、丰产的谷子品种提供新的方向和思路。同时，这些米色好且农艺性状理想的单株可作为潜在的高产优质谷子新品种选育的材料来源。选育优质米色上佳的谷子品种，对开拓山西省小米销售市场，推进谷子产业的蓬勃发展具有积极的作用。