35份人工合成六倍体小麦的综合评价

宋全昊 金 艳 宋佳静 陈 杰 赵立尚 白 冬 陈 亮 朱统泉

（1驻马店市农业科学院，463000，中国河南驻马店；2国际玉米小麦改良中心，6-641 06600，墨西哥埃尔巴丹；3西北农林科技大学农学院，712100，中国陕西咸阳）

小麦在保障国家粮食安全中具有重要的地位[1]。普通小麦（Triticum aestivum，AABBDD）由四倍体小麦（Triticum turgidum，AABB）和二倍体山羊草（Aegilops tauschii，DD）自然杂交、染色体加倍进化而成[2]。在长期驯化过程中，随着小麦产量的提高，人们对目标基因进行选择的同时也丢失了许多有利基因，使现代小麦的遗传基础狭窄[3]。近年来，尤其在新品种选育过程中个别骨干亲本的大量使用，使我国的小麦生产取得了巨大进步，同时也导致当前的品种遗传多样性大幅度降低，限制了小麦产量潜力的进一步提升[4]。

许多学者[4-5]对小麦农艺性状和遗传多样性等方面做了大量研究。郝晨阳等[6]对我国育成小麦品种的遗传多样性进行分析，表明育成品种间平均遗传距离以20世纪50年代最大（0.731），以后逐渐减小。曹廷杰等[7]根据90k SNP标记对河南省2000-2013年审定的96个小麦品种进行了遗传多样性和遗传基础分析，表明河南省近年的小麦品种遗传多样性不够丰富，多数品种亲缘关系较近，两两品种间遗传相似系数的平均值为0.719。王江春等[8]对山东省历经9次更换的66个小麦品种的2145个组合进行了亲缘系数分析，表明山东小麦品种间的遗传差异日趋狭窄，遗传多样性逐渐降低。詹克慧等[9]对黄淮麦区129份种质资源进行了分析计算，黄淮麦区供试小麦品种平均遗传多样性指数偏低，为0.449，平均相似性系数较高，为0.596。遗传基础狭窄成为制约黄淮麦区小麦育种进一步提升的瓶颈。

小麦野生近缘种中存在大量可用于小麦改良的优势位点。因此，发掘并利用小麦野生近缘种中的优异基因，有利于拓宽栽培小麦的遗传基础。人工合成六倍体小麦是由四倍体小麦（2n=28）和二倍体山羊草（2n=14）杂交及染色体加倍而成，是利用具有丰富遗传变异的粗山羊草与硬粒小麦来改良普通栽培小麦的良好桥梁[10]，目前已被国际玉米小麦改良中心（International Maize and Wheat Improvement Center，CIMMYT）在多个国家和科研单位应用于小麦品质和产量等重要农艺性状的遗传改良。早在2003年，四川省农业科学院就利用人工合成六倍体小麦育成高抗条锈病品种川麦42，在四川省区域试验中平均产量超过对照35%。川麦42及其衍生品种的育成使我国小麦育种上了一个新台阶，说明可以将人工合成六倍体小麦的抗病基因和优质基因等有利基因性状转育到普通小麦中，从而选育出抗病性强和优质稳定的品系[11]。

运用人工合成六倍体小麦可以同时改良位于不同染色体区域的多个遗传位点，包含抗性和品质等方面，从而在现代育种中具有优势[12]，提高小麦的品质和产量[11,13]。人工合成六倍体小麦的遗传类型丰富，缺乏综合的、定量的多性状统计分析，育种家们对其优缺点信息掌握和利用不足，怎样能够针对性地利用人工合成六倍体小麦的有利性状来改良普通栽培品种，提高其利用效率，就需要对不同性状间的相互关系及材料间的遗传多样性进行大量的探索和分析[14]。故此，本研究对新引进的35份人工合成六倍体小麦的11个农艺性状和8个品质性状进行综合分析，并进行聚类分析，了解这些材料的农艺性状、品质参数和遗传多样性特征，明确其利用价值，为这批材料的筛选和利用提供理论依据，促进小麦种质资源创新和在黄淮麦区遗传育种中的应用。

1 材料与方法

1.1 供试材料

35份人工合成六倍体小麦（表1）引自国际玉米小麦改良中心，来源于四倍体小麦Langdon与35份不同的Ae.tauschii杂交后染色体加倍。

表1 试验材料Table 1 Materials used in this study

1.2 试验设计

试验材料于2018-2019年在陕西省杨凌示范区西北农林科技大学旱区农业节水研究院的试验田（108°24′E，37°24′N）进行初步筛选，于 2019-2020和2020-2021年连续2个小麦生长季种植于国家小麦产业技术体系驻马店试验站（114°12′E，32°35′N）。设置3次重复，行长2.00m，行距0.30m，株距0.10m，各材料每个重复种植4行，手工单粒点播，肥水管理与病虫害防治同大田生产。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 农艺性状 于收获前每个材料随机选取10株，调查11个主要农艺性状，包括株高（plant height，PH）、穗下节长（length of the first internodes under the spike，UIL）、穗下茎长（distance from spike to flag leaf ligule，DSL）、穗长（spike length，SL）、旗叶面积（flag leaf area，FLA）、单株分蘖数（tiller number per plant，TN）、穗粒数（grain number per spike，GNPS）、生物量（biomass per ten plant，BMPP）、收获系数（harvest index，HI）、产量（biological yield per ten plant，GYPP）和千粒重（1000-kernel weight，TKW）。

1.3.2 籽粒品质性状 籽粒收获晒干后，用近红外漫反射光谱分析仪（DA7200，瑞典）测定籽粒的8个品质性状，包括水分含量（%）、蛋白含量（%）、面筋含量（%）、淀粉含量（%）、纤维素含量（%）、硬度、SDS沉降值（mL）和Zeleny沉降值（mL），每份材料每个重复测定5次。

1.4 数据处理

利用Excel计算各性状的平均值、最大值、最小值、标准偏差、变异系数和多样性指数。利用SPSS 26.0进行主成分分析，用RStudio进行聚类作图，用SAS 9.2进行多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 主要农艺和产量性状特点及多样性分析

根据35份人工合成六倍体小麦材料的农艺和产量性状（表2）进行多样性分析，结果（表3）表明，11个性状的变异系数为7.46%～32.29%，平均值为15.36%。穗长的变异系数最小，为7.46%，其中7个性状的变异系数高于平均值，分别为产量（32.29%）、生物量（24.32%）、旗叶面积（22.37%）、穗下茎长（15.66%）。多样性指数（H′）为1.85～2.04，平均值为1.98。其中旗叶面积的多样性指数最小，为1.85，6个性状的多样性指数高于平均值，分别是千粒重、穗长、穗粒数、穗下节长、生物量和穗下茎长。以上结果表明这批人工合成六倍体小麦部分农艺和产量性状的变异程度较大，遗传类型丰富。穗下茎长、生物量和产量等性状的变异较大，而千粒重、穗长和穗粒数等性状的多样性较为丰富。

表2 人工合成六倍体小麦2019-2020和2020-2021年的农艺和产量性状均值Table 2 The mean values of agronomic and yield traits in synthetic hexaploid wheat lines in 2019-2020 and 2020-2021

表3 人工合成六倍体小麦主要农艺性状、产量性状、品质指标及多样性指数Table 3 The main agronomic traits,yield traits,grain quality and diversity indexes of synthetic hexaploid wheat

2.2 品质性状特点及多样性分析

根据材料的籽粒品质性状（表4）进行多样性分析，结果（表3）表明，8个性状变异系数有所差异，范围在2.80%～17.55%，平均值为10.19%。其中SDS（17.55%）、硬度（17.14%）、Zeleny（13.93%）、纤维（13.07%）和蛋白质（10.71%）的变异系数大于平均值，表明这批人工合成六倍体小麦材料在这5个性状上存在明显的差异。面筋含量的变异系数最小，为2.80%，其次是水分（2.85%）和淀粉（3.49%），说明这批人工合成六倍体小麦种质资源的这3个品质指标的变异程度较小。所有品质性状的多样性指数变化范围为1.87～2.04，平均值为1.96，淀粉、蛋白质、水分和面筋的多样性指数高于平均值，硬度的多样性指数最低，除了硬度指标和Zeleny沉降值偏低，其余6个性状的多样性指数均高于或接近平均值。人工合成六倍体小麦的蛋白质含量较高，平均值为14.90%，变异系数是10.71%，多样性指数是2.00；面筋含量的平均值是63.06%，变异系数和多样性指数分别是2.80%和1.98。说明人工合成六倍体小麦整体的蛋白质和面筋含量较高。

表4 人工合成六倍体小麦在2019-2020和2020-2021年的籽粒品质性状均值Table 4 The mean values of grain quality traits in synthetic hexaploid wheat lines in 2019-2020 and 2020-2021

2.3 主成分分析

将供试材料的19个性状进行降维因子分析，结果（表5）表明，前5个主成分所构成的信息量为总信息量的82.84%，其中前3个主成分的贡献率达69.14%，反映了全部信息中的大部分信息。根据特征值和各主成分的贡献率可以看出，第1主成分的特征值为7.60，贡献率为39.99%，对应的特征向量以淀粉含量、株高、穗下节长、千粒重的正值和以蛋白质、面筋、硬度的负值影响较大；第2主成分的特征值为3.43，贡献率为18.06%，对应的特征向量以产量最大（0.76），其次是穗长（0.69）；第3主成分的特征值为2.11，贡献率为11.09%，以SDS和Zeleny沉降值为主要值；第4主成分的特征值为1.41，贡献率为7.43%，对应的特征向量以穗粒数最大，其次是穗长和分蘖数；第5主成分的特征值为1.19，贡献率为6.27%，特征向量以穗下茎长最大（0.44）。

表5 人工合成六倍体小麦各主要性状的主成分分析Table 5 Principal component analysis of main traits in synthetic hexaploid wheat

特征值与因子相互关系的碎石图（图1）从侧面反映前5个主成分基本上代表了供试材料19个性状的绝大部分信息。

图1 主要性状主成分的特征值与因子相互关系碎石图Fig.1 Scree plot of correlation between eigenvalues of the principal components for main traits

2.4 聚类分析

根据11个农艺及产量性状和8个品质性状对35份人工合成六倍体小麦材料进行聚类分析，可分为4个类群（图2）。类群Ⅰ包含SHW1、SHW4、SHW8和SHW9等14个品系，占比40.00%；类群Ⅱ包含SHW3、SHW5、SHW7和SHW14等12个品系，占比34.29%；类群Ⅲ包含SHW2、SHW6和SHW11共3个品系，占比8.57%；类群Ⅳ包含SHW19、SHW20和SHW21等6个品系，占比17.14%。

图2 基于农艺、产量性状和品质指标对35份人工合成六倍体小麦的聚类分析Fig.2 Cluster diagram of 35 synthetic hexaploid wheats based on agronomic traits,yield traits and grain quality

按照聚类结果对不同类群的性状特点进行多重比较（表6），不同类群间的农艺和产量性状差异较大，除穗下茎长和旗叶面积外，其他性状间存在显著性差异。品质性状在各类群之间的差异不显著。类群Ⅰ表现为穗下茎和面筋含量最高，淀粉含量最低，产量、生物量、千粒重和收获系数相对较高。类群Ⅱ表现为蛋白质含量、淀粉含量和纤维含量最低，分蘖最少，产量和千粒重等相对较低。类群Ⅲ表现为株高、穗下节长、穗长、分蘖数、穗粒数、生物量、收获系数、千粒重和产量最大，硬度、SDS和Zeleny沉降值最低。此类群的材料产量等相关性状较好，但是株高相关指标是应用的不利因素。类群Ⅳ表现为农艺和产量性状的株高、穗下节长、穗下茎长、穗长、旗叶面积、穗粒数、产量、千粒重和收获系数，品质指标的水分含量、面筋含量最低。蛋白质含量、纤维含量、淀粉含量、硬度和Zeleny沉降值最高。因此，在资源的改良应用中，应根据不同类群中人工合成六倍体小麦材料的特征进行筛选利用。

表6 各类群性状聚类的统计分析Table 6 Statistical analysis of traits of different groups

3 讨论

3.1 人工合成麦的主要性状特点

我国从CIMMYT引进了大量的人工合成六倍体小麦或衍生系，在抗病性、高分子量谷蛋白亚基组成及加工品质等方面做了一些初步研究[15-16]。蒋永超等[17]通过对春小麦种质资源与黑龙江省育成品种农艺性状的遗传多样性分析表明，引进种质资源农艺性状变异系数（20.61%）和多样性指数（2.44）均高于黑龙江省小麦育成品种的平均值（17.91%和1.95）。本研究通过对35份人工合成小麦材料的主要性状进行综合评估，11个主要农艺和产量性状的变异系数为7.46%～32.29%，平均值为15.36%，多样性指数（H′）为1.85～2.04，平均值为1.98，远高于张婷等[18]对263份黄淮麦区小麦品种株高、穗长、小穗数、穗粒数和千粒重5个主要性状的变异范围（4.21%～15.09%）。证明人工合成小麦材料的整体变异幅度较大，供试材料的遗传多样性高，与张帅等[19]研究发现的小麦农艺性状的变异系数总体一致。人工合成小麦的籽粒品质优良，本试验材料的蛋白质平均含量（14.90%）和面筋平均含量（63.06%）高于当前黄淮麦区的品种审定指标中的强筋标准，表明这批人工合成麦材料遗传变异丰富，今后可尝试在黄淮麦区的育种中加以利用，丰富现有资源的遗传基础。对于变异系数和遗传多样性指数较大的优良性状，可以通过选择目标亲本等方法加以利用。

3.2 主成分分析的应用

在种质资源材料的评价方面因其农艺性状较多、群体较大且各性状间存在着或多或少的相关性，仅靠人工经验根据表型直观评选的难度较大，且会增大主观性。主成分分析的方法可以在不损失或者很少损失原有信息的前提下，将较多的彼此相关的指标换算成新的个数较少的且彼此独立的综合指标，可以较为科学地对品系的综合性状进行评价，是小麦资源评价的有效方法[20]。庄萍萍等[21]对来自15个国家（地区）的81份波斯小麦进行了农艺性状主成分分析，表明前4个主成分（分蘖因子、粒重因子、穗粒数因子和抽穗期因子）对变异的贡献率达85.61%。本研究对35份人工合成六倍体小麦的主要性状进行主成分分析，前5个主成分所构成的信息量为总信息量的82.84%，基本上代表了供试人工合成六倍体小麦资源的19个原始性状指标的绝大部分信息。揭示了各主成分包含的性状是相互联系的，因此在育种工作中应根据育种目标充分考虑各农艺性状之间的相互关系，加强对相应主成分因子的选择。第1主成分对应了淀粉含量、株高、穗下节长、千粒重的正值和以蛋白质、面筋、硬度的负值影响较大；因此在考虑该成分对应的性状时要结合利用目的来选择材料，在选择千粒重较大的材料时其品质可能受到负面影响。根据主成分分析的结果综合考虑，这批材料应以穗下节长和穗长较长，小穗数和穗粒数较大，生物量、分蘖数和千粒重适度，收获系数高为好。

3.3 聚类分析的应用

聚类分析在多种作物种质资源分类方面得到应用，对于科学评价材料优劣的真实性收到了较好的效果。通过聚类分析既可以看出类群间的相互关系，又可以了解类群内各品系的亲疏远近，且参与聚类分析的性状越多越能综合反映种质资源的实际情况[22-23]。聚类分析为小麦品种改良中的亲本选择提供了依据，可以根据育种目标选择同类型的材料作为亲本选配组合，以便发挥农艺性状对小麦产量的最大作用。如武玉国等[5]通过聚类分析的方法对黄淮麦区175个品种进行聚类，共分为6类，证明黄淮冬麦区小麦材料的遗传信息在品种间存在交流，可能是相邻地区育种目标相似，资源材料交流较多，导致品种的地域性差异较小。陈国跃等[24]对96份人工合成六倍体小麦的醇溶蛋白进行聚类分析，划分为4个类群，类群间的关系基本反映了合成双二倍体的亲缘关系。本研究中，对35份人工合成小麦进行聚类分析，不同类群间的多个性状存在显著差异，品质性状类群间虽差异不显著，但蛋白质含量、面筋含量和沉降值等均较高，表明这批人工合成六倍体小麦的品质性状较为优良，可用作普通小麦品质性状改良的种质资源。在这批人工合成六倍体小麦中可利用类群Ⅰ和Ⅲ对普通小麦进行农艺和产量性状改良，利用类群Ⅳ对普通小麦的品质进行改良。

4 结论

35份人工合成六倍体小麦材料农艺和产量性状的变异系数为7.46%～32.29%，平均值为15.36%；多样性指数1.85～2.04，平均值为1.98。品质性状的变异系数为2.80%～17.55%，平均值为10.19%；多样性指数1.87～2.04，平均值为1.96。主成分分析表明，前5个主成分的信息量为总信息量的82.84%，反映了全部信息中的大部分。根据测定的11个农艺和产量性状及8个品质性状可将35份人工合成六倍体小麦分为4个类群，不同类群之间性状存在差异。类群Ⅰ的穗下茎长、蛋白质和淀粉含量低，类群Ⅲ的产量及相关性状高，类群Ⅳ的蛋白质含量、纤维含量、淀粉含量和硬度等指标高，可以根据各类群材料的特点针对性地加以利用。