64份苦荞种质资源农艺性状遗传多样性分析与综合评价

贾瑞玲 赵小琴 南 铭 陈 富 刘彦明 魏立平 刘军秀 马 宁

（定西市农业科学研究院，743000，甘肃定西）

苦荞（Fagopyrum tartaricun）起源于我国[1]，属于蓼科（Polygonaceae）荞麦属（Fagopyrum Mill）[2-3]，主要分布在我国东北、华北、西北以及西南一带的高寒山区[4]。苦荞具有生育期短且耐瘠薄等特性[5]，常用于救灾备荒及填闲补种[6]，也可用作绿肥[7]。因苦荞富含黄酮及微量元素[8-9]，其作为营养保健食品的功能开发愈来愈受到人们的重视与关注[10-11]。种质资源是培育苦荞新品种的材料基础[12]。为了高效利用苦荞种质资源，李阴藩等[13]利用主成分分析和二维散点排序从100份苦荞种质中筛选出5个综合表现好的理想育种材料。梁诗涵等[14]通过分析研究国内339份苦荞种质特征的遗传多样性，认为苦荞种质的性状特征与其所处的环境条件有一定程度的关联性。李春花等[15]通过对48份云南苦荞种质的总黄酮、蛋白质、总淀粉、粗脂肪和粗纤维含量5个主要品质性状的遗传变异分析研究表明，总黄酮的变异系数最高而总淀粉的最低。本文以西北干旱地区连续2年的试验数据为基础，利用农艺性状分析苦荞种质的遗传多样性，通过将主成分分析[16]和回归分析相结合计算种质资源的综合得分F值[17]，以期探索苦荞种质资源的综合评价方法，为64份苦荞种质材料的高效利用提供客观的参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

64份供试材料（表1）中编号K1～K50的材料引自中国农业科学院，K51～K64为自主从国内征集。

表1 参试的64份苦荞种质资源Table 1 A total of 64 tartary buckwheat germplasms tested in this study

1.2 试验区气候概况

定西市农业科学研究院育种基地（35°32′N，104°42′E）海拔1920m，年平均气温7.2℃，年无霜期140d，年均日照2500h，年降水量400mm，年均蒸发量1500mm，干燥度为2.53，属于典型的温带干旱半干旱大陆性季风气候，雨养农业区。2017-2018年月平均气温7.9℃，年均降水量458.7mm，苦荞生长期间平均气温和降水量基本接近历史平均值，未发生异常的气候现象（图1）。

图1 试验地月均降水量及气温状况Fig.1 Dynamic of monthly mean precipitation and temperature in experiment areas

1.3 试验设计与农艺性状调查

试验于2017-2018年在定西市农业科学研究院育种基地进行。采用随机区组设计，3次重复，小区面积5m2（1m×5m），每份材料种植3行，行距30cm，行长5m，重复间留1m宽过道，周边设保护行。结合秋季翻耕施入有机肥2250kg/hm2，次年5月份播种时施磷肥（P2O5）240kg/hm2，硫酸钾（K2O）90kg/hm2，尿素（N）150kg/hm2。试验用种子经过精选，符合GB 4404.3-2010的要求。播种时，采用人工手锄开沟条播，播种量45kg/hm2，播种深度3～5cm。于分枝期和始花期人工除草2次，其余栽培管理措施同大田。

于成熟期每个小区随机选10株测定株高、主茎粗、主茎节数和主茎分枝数，调查生育期、株型及抗倒性；收获时每小区随机取10株考种，统计粒色、粒形、单株粒重、单株粒数和千粒重等，依据《荞麦种质资源描述规范和数据标准》[18]调查测定农艺性状。

1.4 数据分析

2017-2018年2年间的试验数据经一致性检验显示差异不显著，因此以2年数据平均值进行分析。采用SPSS 22.0进行相关性分析及主成分分析，以各个主成分的特征值作为系数构建用于综合评价的函数式。以欧式距离作为种质间的距离，采用Ward离差平方和法进行聚类分析[19]。采用“Shannon-Wienerˊs多样性指数（Hˊ）”进行遗传多样性评价，计算公式为Hˊ=-∑Pi×lnPi（i=1，2，3，...，n），式中Pi指某个性状第i个级别的出现频率，为便于统计，对质量性状给予赋值[20]；采用变异系数（coefficient of variation，CV）表示不同种质间性状值离散特性[21]。

2 结果与分析

2.1 遗传变异分析

由表2可见，64份苦荞种质5个质量性状的遗传多样性指数波动范围为0.990～2.062，平均值1.302；粒色以深褐色为主（频数为0.367），粒形以长锥和短锥为主（频数分别为0.364和0.367），株型以紧凑型为主（频数为0.363），早熟和中熟 种质占比68.4%，抗倒伏种质占比71.9%，表明供试材料的质量性状变异丰富。

表2 苦荞种质质量性状的遗传多样性Table 2 Genetic diversity of tartary buckwheat quality traits

由表3可知，64份苦荞种质8个数量性状间的差异均达到显著水平，表明各种质资源间遗传变异较大，亲缘关系较远，遗传多样性较为丰富；尤其是主茎粗、主茎节数、单株粒数和单株粒重差异较大，变异系数依次为30.6%、27.6%、25.7%和24.9%。单株粒重的遗传多样性指数最高，为13.630，表明单株粒重在这64份种质资源中发生了最广泛的变异，可选择的亲本范围最大。生育期的变异系数和遗传多样性指数最低，分别为9.5%和2.807，千粒重的次之分别为12.3%和3.155，表明这2个性状的变异性较小[22]，是苦荞种质中能相对稳定遗传的数量性状，对亲本选择与种质创新的影响最小。

表3 苦荞种质数量性状的遗传多样性Table 3 Genetic diversity of tartary buckwheat quantitative traits

2.2 表型性状间相关性分析

由表4可知，64份苦荞种质11个表型性状间存在一定的相关性。生育期与株高、主茎节数、千粒重呈极显著的正相关，表明苦荞生育期越长，植株越高，主茎节数越多，籽粒的成熟度越好，籽粒越饱满，因而千粒重越大；但株高与抗倒性呈极显著负相关，表明植株越高抗倒性越差。千粒重与单株粒重呈显著正相关，与单株粒数呈极显著的负相关，而单株粒重与单株粒数呈极显著正相关，表明单株粒数越多，单株粒重会相应增高，但千粒重反而下降，这可能是由苦荞的无限生长习性和落粒性较强的生物学特性造成的，实际生产中，当70%～80%的籽粒成熟时就要及时收获以免落粒，由于籽粒没有全部成熟，瘪粒多，这可能是导致单株粒数增多、单株粒重相应增高而千粒重不高的重要原因。粒形与株型呈显著负相关，表明株型结构在限制苦荞植株纵向发育的同时，为植株横向发育提供营养空间，提高了籽粒内在的品质和质量，这与李阴藩等[13]和汪灿等[23]的研究结论较为相似。

表4 苦荞种质主要表型性状间的相关性分析Table 4 Correlative coefficient in mainly phenotypic traits of tartary buckwheat

2.3 主成分分析及综合评价

主成分分析是利用降维思想把多个性状指标综合转化成少数几项指标进而获得最主要信息的、对多因素复杂问题进行有效分析的方法之一。对64份苦荞种质的11个表型性状标准化后进行主成分分析，得到各主成分的特征值和贡献率（表5），按照各主成分累计贡献率≥85%的原则，选择累计贡献率87.580%的前6项主成分进行综合分析。第1主成分特征值为3.066，贡献率为27.874%，负有最高载荷的特征向量是生育期，主要反映的是生育期和株高、主茎节数的关系，其次是生育期和千粒重的关系，因此称第1主成分为生育期因子；特征向量之间的关系表明生育期越长植株越高，主茎节数越多，千粒重越大，这与相关性分析结果一致。第2主成分特征值为2.006，贡献率为18.240%，单株粒重和单株粒数贡献最大，其次是株型，这类性状主要与单株产量有关，因此称第2主成分为单株产量因子；特征向量之间的关系表达的信息为单株粒重和单株粒数较高的品种，株型较松散。第3主成分特征值为1.461，贡献率为13.286%，主要反映的是株高和主茎分枝数、株型的关系，因此称第3主成分为株高因子；特征向量之间的关系表明植株越高，分枝越多，株型越松散。第4主成分特征值为1.356，贡献率为12.325%，粒形具有最高载荷，因此称第4主成分为粒形因子；向量之间的关系为粒形不仅与株型呈负相关，而且与生育期、单株粒重、单株粒数及千粒重呈负相关，表明生育期越长籽粒越饱满，熟相越好，但由于落粒单株上分布的籽粒数越少，单株产量越低[20]。第5主成分特征值为0.939，贡献率为8.535%，主茎分枝数负有最高载荷，因此称第5主成分为主茎分枝因子；指标向量之间的关系表明主茎分枝越多，株型越松散，抗倒性越强，籽粒越饱满，但千粒重和单株粒重越低即单株产量越低。第6主成分特征值为0.805，贡献率为7.320%，抗倒性贡献最大，因此称第6主成分为抗倒性因子；指标向量之间的关系表明抗倒性越强的种质材料，其主茎粗壮且分枝较多。

表5 64份参试资源11个农艺性状的主成分分析Table 5 Principal component analysis in 11 agronomic traits of 64 tartary buckwheat germplasms

通过对6个主成分因子得分进行三维空间构象分析（图2），结果显示11个表型性状指标均包含在三维空间构象图中具有显著贡献的4个层次内，说明这些性状都是决定苦荞种质特征及产量差异的重要农艺指标。

图2 苦荞种质6个主成分的三维空间构象图Fig.2 3-D conformation of tartary buckwheat according to six principal component factors

以每个农艺性状所对应的主成分值为系数构建综合评价函数式：

第1主成分值F1=0.947x1+0.678x2-0.115x3+0.911x4+0.078x5+0.86x6+0.179x7-0.281x8+0.064x9+0.047x10+0.067x11；

第2主成分值F2=0.039x1-0.047x2+0.188x3+0.091x4+0.288x5+0.004x6+0.916x7+0.9x8+0.099x9-0.434x10+0.173x11；

第3主成分值F3=-0.079x1+0.525x2+0.299x3+0.001x4+0.431x5-0.225x6+0.048x7+0.167x8-0.317x9+0.434x10-0.732x11；

第4主成分值F4=-0.083x1+0.248x2-0.582x3+0.044x4+0.047x5-0.088x6-0.249x7-0.173x8+0.705x9-0.551x10-0.209x11；

第5主成分值F5=-0.008x1-0.059x2-0.503x3+0.018x4+0.758x5-0.105x6-0.156x7-0.066x8+0.234x9-0.102x10+0.045x11；

第6主成分值F6=-0.031x1-0.024x2+0.485x3+0.032x4+0.365x5+0.025x6-0.142x7-0.145x8-0.381x9-0.030x10+0.496x11；

综合得分值F=[α1/(α1+α2+α3+α4+α5+α6)]F1+[α2/(α1+α2+α3+α4+α5+α6)]F2+[α3/(α1+α2+α3+α4+α5+α6)]F3+[α4/(α1+α2+α3+α4+α5+α6)]F4+[α5/(α1+α2+α3+α4+α5+α6)]F5+[α6/(α1+α2+α3+α4+α5+α6)]F6=0.3183F1+0.2082F2+0.1517F3+0.1408F4+0.0975F5+0.0836F6，式中α1～α6为各主成分对应的特征向量值，根据上述函数式计算出各种质资源的综合得分F值，对供试种质给予定量化描述，F值越高，综合性状越优良。经计算，64份供试种质平均综合得分值为0.5830，K25和K33等20份苦荞种质资源的综合得分F值（表6）最高，表明其综合表现最好。

表6 20份优异苦荞种质资源的综合得分Table 6 Comprehensive scores of 20 tartary buckwheat germplasm resources

以综合得分F值为因变量，农艺性状值为自变量进行一元逐步回归线性分析，得到回归方程y=0.385x1-0.364x7+0.24x2+0.183x5+0.278x4+0.181x6+0.102x9，式中x1、x2、x4、x5、x6、x7和x9分别代表生育期、株高、主茎节数、主茎分枝数、千粒重、单株粒重和粒形，相关系数R=0.992，决定系数R2=0.984，表明这7个自变量可以决定综合得分F值总变异量的98.4%，F值为158.157，表明构建的综合评价函数式可用于64份苦荞种质的综合分析评价，可靠度达98.4%。

为判断综合得分F值能否全面准确地反映种质材料的表型性状，将苦荞种质的生育期、株高、主茎节数、千粒重和单株粒重等11个性状与其综合得分F值进行了相关性分析（表7），可见F值与生育期、株高、主茎节数、千粒重和单株粒数5个重要性状呈极显著相关关系，与主茎分枝数呈显著相关关系，进一步证明F值可以作为苦荞种质资源的综合评价指标。

表7 表型性状与综合得分（F值）间的相关性Table 7 Correlation between phenotypic traits and comprehensive scores(F-value)

2.4 供试苦荞种质聚类分析

为深入研究64份苦荞种质的亲缘关系，对11个表型性状按照系统聚类Ward法在欧式距离为8时，将材料划分为5个类群（图3）。类群Ⅰ有6份材料，分别为K51、K52、K53、K54、K55和K56，植株主茎分枝数少，属早熟矮秆种质；类群Ⅱ有9份材料，即K57、K58、K59、K60、K61、K62、K63、K64和K8，属早熟中秆种质，该类群种质的千粒重最低；类群Ⅲ仅有K2、K4和K48 3份材料，属晚熟高秆种质，该类群种质株型松散，主茎粗壮且分枝多，但抗倒性差，可判定成特异种质；类群Ⅳ有11份材料，即K5、K30、K39、K40、K41、K44、K45、K46、K47、K49 和 K50，属晚熟中秆种质，抗倒性较好，适于抗倒伏亲本的选择；类群Ⅴ有35份材料，占供试种质的54.69%，属晚熟中高秆种质，该类群种质质量性状的表型最为丰富，而且影响产量的2个主要因素千粒重和单株粒重 均较高，适于以高产为育种目标的亲本选择（表8）。

图3 64份苦荞种质资源的聚类情况Fig.3 Dendrogram of 64 tartary buckwheat germplasms

表8 各苦荞种质类群的形态学性状分析Table 8 Analysis of morphological traits of tartary buckwheat germplasm resources in different clusters

3 讨论

3.1 苦荞种质的遗传多样性与评价方法

科学客观地分析评价种质资源是培育作物新品种的基础[24]。苦荞种质资源遗传多样性分析评价主要以形态学标记、细胞学标记和分子标记等方法为主，尤其近年来随着分子技术的日趋成熟，利用AFLP[25]、RFLP、SSR[26]和ISSR等分子标记对苦荞种质资源进行遗传多样性分析的研究报道逐年增多[27]，虽然分子标记分析具有操作快速和有效避免自然环境干扰的特点，但不能反映种质资源在产量、环境胁迫与适应性等方面的特征，因此，目前对种质资源的描述和鉴定评价仍然主要依靠农艺表型性状，并且表型性状是荞麦等农作物新品种DUS测试的重要依据[28-29]。

本文以2017和2018年连续2年在典型的干旱半干旱气候区（甘肃省定西市农业科学研究院育种基地）种植的64份苦荞种质资源为对象进行遗传多样性研究，保证了分析数据的全面性和稳定性，并在归类划分质量性状与数量性状的基础上，结合应用变异系数和Shannon-Wienerˊs多样性指数有效区分了种质间的差异。64份苦荞种质资源5个质量性状的遗传多样性指数在0.990～2.062，平均为1.247；8个数量性状的遗传多样性指数在2.087～13.630，平均值为4.826，尤其单株粒重的遗传多样性指数最高，为13.630，主茎粗的变异系数最高达30.6%，说明不同苦荞材料间的遗传差异较大，遗传多样性丰富，遗传基础广泛，为种质资源的拓展应用及种质创新提供了保证。同时，通过主成分分析和一元逐步回归分析对表型性状进行降维，并计算综合得分F值，将各种质资源的综合性状表现数据化，减少主观误差，提高评价的准确率[30]。研究结果表明，将主成分分析与逐步回归分析相结合所建立的拟合度较好的回归方程，可以有效筛选出关键的性状评价指标，降低数据分析的难度。综合得分F值与生育期、株高、主茎节数、千粒重和单株粒重等重要农艺性状均极显著相关，可作为苦荞种质资源主要的评价指标，该方法为苦荞种质资源评价及育种工作提供参考。

3.2 64份苦荞种质的综合评价

本文对表型性状间的相关性研究建立在大群体样本和连续2年试验数据基础上，结果显示有11对性状呈显著或极显著的相关性，表明这11对性状间的关联较为紧密，反映了种质遗传的不可预知性及复杂性，从而增加了根据表型性状进行育种选择的盲目性。主成分分析把64份材料的11个性状降维成能代表原总信息量87.580%的6个主成分，说明这11个性状均是影响苦荞种质特征的重要成分，6个主成分因子对苦荞种质特征的贡献由高到低依次是：生育期＞单株产量＞株高＞粒形＞主茎分枝数＞抗倒性，各主成分的载荷值较为客观地反映了该性状对于选择不同育种目标的潜力。

以6个主成分因子系数为参数构建的综合函数评价模型，经回归分析可靠度达98.4%，将苦荞种质材料的遗传变异分析从定性水平提升到定量水平进行评价筛选；由不同基因控制的8个数量性状和3个质量性状由于受到种质基因型及生长环境的双重影响，在西北干旱的自然条件下农艺表现不尽相同，因此对64份不同来源种质材料的表型性状采用Ward离差平方和法分析聚成5大类群，而综合得分F值最高的20份种质主要集中在类群Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ，表明基于6个主成分的综合得分F值和根据表型性状进行的聚类分析对种质评价的结果高度一致，可以精确地解释种质材料间的遗传差异，类群Ⅲ中综合得分高的K2主茎粗壮、分枝多，但抗倒性差，类群Ⅳ中综合得分高且亲缘关系较远的K30和K44抗倒性好[31]，类群Ⅴ中综合得分最高的K25、K33、K10和K37的千粒重及单株粒重指标良好，适于以高产为目标的亲本选择，也为杂交亲本的配制提供了参考依据。

4 结论

筛选出的K25、K33、K2、K10、K37、K30和K44这7份综合表现各异且遗传差异较大的种质资源可作为选育不同目标新品种的亲本材料。然而，对表型性状的选择和观测鉴定易受栽培条件及生态环境影响，具有一定局限性，若结合市场需要，可对其在品质方面的遗传多样性进行深一步的研究，以满足食药同源保健功能育种开发的新目标。