高粱种质资源表型性状多样性分析及综合评价

王自力， 张北举， 李魁印， 陈松树， 徐如宏， 李鲁华， 吴传喜， 任明见

(1.贵州大学农学院/国家小麦改良中心贵州分中心，贵州贵阳 550025； 2.桐梓县贵粱农业发展有限责任公司，贵州遵义 563200)

高粱[(L.) Moench]属于禾本科高粱属，是仅次于小麦、水稻、玉米和大麦的世界第五大谷物。具有抗旱涝、耐盐碱、耐贫瘠等多重抗逆性和适应性，在农业生产中拥有巨大的发展空间和产业优势。高粱主要分布在世界五大洲48个国家的热带干旱和半干旱地区，温带和寒温带也有种植，蕴藏着丰富的种质资源。在我国高粱是酱香酒酿制的主要原材料，并且还用于生产饲料、纤维、生物燃料等，无论是在粮食安全还是在新能源安全上都具有极其重要的战略意义。种质资源是作物育种的基础，而进行遗传多样性研究及综合评价对于了解物种遗传背景和评估综合表现具有推动作用，也能为种质筛选和优异性状基因挖掘提供便利。近年来，随着分子生物学的快速发展与应用，科研工作者对于遗传多样性的研究也逐渐进入分子层面。但表型性状鉴定是认识作物种质资源和培育新品种的基石，具有直接、简便等优点。目前，已有在燕麦、谷子、水稻、陆地棉、海岛棉、青稞、花生等作物上进行表型性状遗传多样性分析及综合评价的相关报道，但对高粱相关方面的研究却鲜见报道。因此，本研究通过对152份不同来源高粱种质资源的13个表型性状进行研究，并通过遗传多样性分析、聚类分析、主成分分析以及构建高粱资源综合评价指标，筛选出综合表现优异的高粱种质，以期为高粱种质创新和新品种选育提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选用的152份不同来源的高粱资源，由中国农业科学院作物科学研究所提供(表1)。包括76份国内高粱资源：其中山西省38份、辽宁省9份、云南省7份、河北省6份、陕西省5份、甘肃省4份、河南省2份，安徽省、北京市、黑龙江省、山东省、四川省各1份；76份国外高粱资源：其中美国20份、印度13份、日本12份、不详9份、墨西哥8份、西德6份、英国2份、泰国2份，北也门、法国、捷克、匈牙利各1份。

表1 供试152份高粱种质资源名称与产地

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 于2019—2020年、2020—2021年在贵州大学国家小麦改良中心贵州分中心仁怀试验基地进行种植(数据取2年均值)。试验采取完全随机区组设计，每小区种植10份材料，每份材料播种3行，每行10穴，每穴各播2粒种子，行距、株距均为50 cm，在每个重复小区中随机取5株进行性状调查。

1.2.2 指标测定 试验调查152份高粱种质资源的13个性状，调查标准参考《高粱种质资源描述规范和数据标准》，性状包括株高、茎粗、穗长、穗形、穗型、粒色、粒形、着壳率。高粱籽粒中的蛋白质、脂肪和单宁含量利用近红外谷物分析仪(Infratec1241型，丹麦FOSS)将每个品种重复测量3次取平均值，直链淀粉和支链淀粉含量的测定参考 GB 7648—1987 和 GB/T15683—2008标准进行(部分步骤稍有改进)。

1.3 数据分析

2 结果与分析

2.1 高粱种质资源遗传多样性分析

2.1.1 质量性状的频率分布和多样性指数 对152份高粱种质资源的5个质量性状进行统计分析(表2)发现，各性状之间的遗传多样性指数变化范围为0.719～1.267，平均值为0.89。其中穗型的遗传多样性指数最大，为1.267；粒形的遗传多样性指数最小，为0.719；其他性状的多样性指数排序为穗形>粒色>着壳率。穗形以纺锤形的资源最多，帚形的资源最少；穗型以散型最多，中散型资源最少；粒色频率分布的离散性最高，其中红色籽粒的高粱资源最丰富，黄色和浅黄色资源均较少；粒形以椭圆形资源最多，卵形资源最少。着壳率低的资源占总资源的74%，而着壳率高的资源仅占7%。由此可见，152份高粱种质以纺锤形、散穗、红色、椭圆形和着壳率低的资源居多。

表2 高粱种质资源质量性状的频率分布和多样性指数

2.1.2 数量性状的主要参数和多样性指数 对152份高粱种质资源的8个数量性状进行统计分析(表3)发现，各性状之间的变异系数以及遗传多样性指数均存在较大差异。多样性指数范围在2.018～2.082之间，均值为2.06。其中单宁含量的多样性指数最大，为2.082；茎粗的多样性指数最小，为2.018。其余6个性状的多样性指数排序为脂肪含量>直链淀粉含量>支链淀粉含量>蛋白质含量>株高>穗长。由此可见，这些性状有着丰富的遗传多样性。变异系数范围在7.01%～32.20%之间，均值为21.48%。其中直链淀粉含量的变异系数最大，为32.20%；蛋白质含量的变异系数最小，为7.01%。其余6个性状的变异系数排序为株高>单宁含量>穗长>茎粗>脂肪含量>支链淀粉含量。一般变异系数大于 10% 表示样本间差异比较大，本研究中有 7 个性状(脂肪含量、单宁含量、直链淀粉含量、支链淀粉含量、株高、茎粗、穗长)的变异系数大于 10%，表明这些性状离散程度高，遗传差异较大。

表3 高粱种质资源数量性状的主要参数和多样性指数

152份高粱资源的株高变异幅度较大，最高可达415 cm，最矮仅为64 cm，从中初步筛选出一批优异矮秆种质资源(表4)。供试材料中有7份特矮秆(株高≤100 cm)，24份矮秆(株高≤150 cm)资源，31份矮秆种质均来自国外，这些资源对于选育高粱抗倒伏品种有至关重要的作用。

表4 高粱矮秆种质资源

2.2 高粱种质资源聚类分析

通过系统聚类平均法，在欧氏距离为7时，可将152份高粱材料分为3个亚类(图1)，具体的数量性状特征见表5。第1类包含91份资源，占所有种质资源的59.87%，包括国内73份、国外18份，以红色、椭圆形资源居多。其主要特征是脂肪含量和支链淀粉含量分别在3个类群中最大，但支链淀粉含量的变异系数排名第2；蛋白质含量、脂肪含量、直链淀粉含量、茎粗、穗长的变异系数分别在3个类群中最高，综合性状较好。第2类包含55份资源，占所有种质资源的36.18%，全为国外高粱资源，穗形以纺锤形居多。其主要特征是蛋白质含量、脂肪含量、单宁含量和株高分别在3个类群中最小，但单宁含量和株高的变异系数排名第1；其次直链淀粉含量和茎粗分别在3个类群中最大。第3类包含6份资源，占所有种质资源的3.95%，包括国内外高粱资源各3份，以灰色、卵形资源居多。其主要特征是蛋白质含量、单宁含量、株高和穗长分别在3个类群中最大，但蛋白质、单宁含量和穗长的变异系数最低。其中穗长最长(41.00 cm)的是来自北也门的美国帚用高粱。

表5 高粱种质资源3个类群的数量性状特征

2.3 高粱种质资源主成分分析及综合评价

利用KMO和Bartlett检验法进行因子适用性检验得到KMO值为0.772(>0.65)，Bartlett球形度检验的Sig值为0.00(<0.01)，说明该数据可以用于主成分分析。

通过主成分分析将13个性状转换为6个独立的成分因子(表6)，特征值分别为4.537、1.609、1.272、1.025、0.942和0.830， 方差贡献率分别为34.898%、12.380%、9.781%、7.884%、7.247% 和6.388%，累积贡献率达到78.579%，可以反映出13个性状的大部分信息。主成分1中脂肪含量的贡献率最大，其次是穗型、 蛋白质含量和单宁含量，可以把主成分1作为籽粒品质的综合指标。主成分2中粒形的贡献率最大，其次是着壳率，可以作为籽粒外观因子。主成分3、主成分4分别代表穗长、穗形等穗部形态。成分5是与茎粗和支链淀粉含量相关的因子。成分6中茎粗的贡献率最大，其次是株高，反映的是植株生长信息。

表6 前6个主成分的特征值及特征向量描述

通过高粱种质13个表型性状所对应的主成分值为系数构建线性方程：

=0709+0807+0693-0593+0413+0685-0350+0605-0108+0771-0633-0412-0496；

=-0078+0175-0010-0315+0213-0169-0084+0032+0448+0015-05460740+0587；

=0220-0127-0447+0363-0517+0015+0105+0625-0088+0272-0286+0203-0035；

=0066-0053+0074-0095-0048-0123+0540+0100+0744-0017+0017-0156-0326；

=0084-0091-0204-0018+0569-0072+0585+0062-0406-0064-0203+0016-0019；

=-0029+0278+0315+0189-0265+0430+0445-0056-0078-0100+0056+0037+0375。

式中：～分别表示蛋白质含量、脂肪含量、单宁含量、直链淀粉含量、支链淀粉含量、株高、茎粗、穗长、穗形、穗型、粒色、粒形、着壳率的标准化值。利用模糊隶属函数将6 个主成分的得分进行归一化处理后，计算6个主成分的贡献率权重(0444、0158、0124、0100、0092、0081)构建用于筛选高粱优异种质的综合得分值，则值=0444+0158+0124+0100+0092+0081。其中值的大小能够初步表明该种质资源综合性状的优劣程度。经计算，152份供试高粱种质的平均综合得分为0.527，序号为152(0.822)、37(0.809)和98(0.808)等10份品种的综合得分较大(表7)，说明这些品种相比其他品种综合性状较优。

表7 10份优异高粱种质资源的综合得分

3 讨论与结论

遗传多样性是进行遗传研究的基础，通过对种质资源进行遗传多样性分析可以从整体上把握种质的应用潜力以及利用价值。本研究通过遗传多样性分析发现质量性状的多样性指数值为0.719～1.267，均值为0.89。其中穗型的多样性指数值最大，为1.267，其次是穗形和粒色。与赵香娜等对甜高粱种质资源研究得出粒色遗传多样性最高的结果有所不同，可能是由于试验材料的差异造成的。数量性状的变异系数为7.01%～32.20%，其中直链淀粉含量、株高、单宁含量的变异系数较大，分别为32.20%、31.55%、28.81%。遗传多样性指数为2.018～2.082，均值为2.06，其中遗传多样性指数较大的有单宁含量为2.082，脂肪含量为2.078，直链淀粉含量为2.076。数量性状的遗传多样性明显大于质量性状，这与周瑜等研究结果相同。研究结果说明供试材料拥有较大的遗传差异，这有利于拓宽遗传基础以及高粱优异种质的筛选。

聚类分析是将未知类别的样本按照一定的规则划分成若干个类族，把相似(距离相近)的样本聚在同一个类簇，不相似的样本分为不同类簇，从而揭示样本之间内在的性质以及相互之间的联系规律。本研究通过聚类分析将152份不同来源的高粱种质划分为3个亚类，第1类主要特征为中秆、脂肪和支链淀粉含量高，综合性状较优，可作为优质资源创新利用；第2类主要特征为矮秆、茎粗、直链淀粉含量高，单宁含量低，可作为矮秆育种和食品工业的资源；第3类主要特征为高秆、穗长，可从中筛选适合工艺制品(帚等)的资源。不同类群间遗传差异相对较大，可在品种改良过程中起到优势互补的作用，该分类结果可为不同育种目标选种提供参考和选择依据。

主成分分析是利用降维的思想来简化原有信息的工作量，通常用于分析最多样化领域的数据。本研究通过主成分分析发现，提取出的前6个主成分因子能够反映出籽粒品质、籽粒外观、穗部形态和植株生长特性等大部分信息，可以有效降低数据冗余，简化工作量。依据各个性状在主成分中的贡献率权重来计算综合得分(值)，按照得分大小进行筛选，将各种质资源的综合性状表现数据化，有效降低了主观误差，提高了评价的准确率。此方法已在多种作物中进行应用，因此采用综合得分对高粱种质资源进行评价是较为可靠的。