不同生态区谷子品种在华北地区农艺性状及适应性评价

李龙　宋慧　张扬　谢慧芳　邢璐　宋中强　刘金荣

摘要：谷子对光温反应较敏感，为提高谷子跨生态区引种的成功率，以全国4个生态区的25个谷子品种为试验材料，在河南省开展主要农艺性状的调查研究，并对其中9个农艺性状进行相关性、主成分及聚类分析。结果表明，参试材料9个主要农艺性状在华北地区表现出广泛的遗传多样性，变异系数在4.71%～32.79%之间。单穗质量、单穗粒质量、出谷率、穗粗与产量呈极显著正相关。通过主成分分析提取2个主成分，即粒质量因子与株型因子，累计贡献率达71.173%。粒质量因子以单穗粒质量、单穗质量、产量为主要指标，株型因子以株高、成穗率、生育期、穗长为主要指标。聚类分析结果表明，在类间距离为10时可将参试品种分为3个类群，第1类品种株高、生育期及成穗率适中，产量、单穗质量与单穗粒质量及出谷率较高，其中单穗质量、单穗粒质量变异系数较小，产量因素较稳定。第2类品种株高较高，生育期长，成穗率高，产量适中。第3类品种产量、生育期、穗长、穗粗、单穗质量、单穗粒质量、出谷率均较低，株高表现中等，产量、单穗质量、单穗粒质量整体变异系数较大。根据不同品种的生态区来源，结合聚类分析结果，从东北春谷区向华北地区引种的成功率相对较高，从西北春谷早熟区引种的成功率相对较低，本研究结果为跨生态区谷子引种提供了依据。因此，全国4个生态区的谷子品种在华北地区各农艺性状存在较大差异，从全国范围内向华北地区引种时，应优先考虑东北春谷区品种。

关键词：谷子；生态区；农艺性状；主成分分析；聚类分析；相关性分析

中图分类号：S515.037文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）14-0090-05

谷子是起源于中国的古老农作物，在我国已有超过7 000年的栽培历史，具有抗旱、耐瘠、适应性强等优点，籽粒和秸秆均有较高的营养价值，粮饲兼用，是我国北方干旱半干旱地区重要的农作物。随着种植结构的变化，谷子已成为我国种植业结构调整的主力军［1］。谷子在漫长的自然选择和人工选育的条件下，形成了丰富的遗传变异，随后传播到世界各地也形成了丰富的遗传多样性［2-3］。我国根据生态气候不同将谷子种植区在科研实践中划分为4个区组，包括华北夏谷区组、东北春谷区组、西北春谷区早熟组和西北春谷区中晚熟组［4］。主成分分析方法能够有效地将多个相互关联的农艺性状进行降维处理，随后得出几个相互独立的主成分，用于分析各个农艺性状在表型性状中发挥作用［5］。聚类分析方法能更清晰地了解不同种质资源的群体组成及不同种质之间的亲缘关系，生产上用于目标种质的筛选［6］。采用主成分分析与聚类分析相结合的综合评价分析方法已在玉米［7-8］、小麦［9-10］、水稻［11］、花生［12］、大豆［13-14］、藜麦［15］等作物种质资源分类中广泛应用。本试验通过对全国4个生态区的25个谷子品种在华北地区9个主要农艺性状的遗传多样性进行评价分析，并通过主成分及聚类分析，从多角度分析目前我国主推品种的种质资源多样性及跨生态区适应性表现，以期为谷子品种选育及跨生态区引种提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试的25个参试品种来源于全国4个不同生态种植区，其中豫谷18、豫谷35、济谷22、冀谷168、冀谷39、中谷9号、中谷2号共7个品种来源于华北夏谷区，晋谷21、黄金苗、山西红谷、大同29、金苗K2、赤优金苗1号、张杂谷13号、张杂谷16号、陇谷13共9个品种来源于西北春谷早熟区，长农35、长农47共2个品种来源于西北春谷中晚熟区，九谷23、嫩选18、嫩选15、朝谷58、龙谷25、龙谷38、公谷88共7个品种来源于东北春谷区。

1.2 试验方法

试验于2021年在河南省安阳市北关区柏庄镇安阳市农业科学院试验基地进行，该基地土壤为壤土，位于 36°6′N，114°2′E，海拔 72.5 m。试验采用随机区组排列，3 次重复，小区长6.0 m，宽 2.4 m，6 行区，行距 0.4 m。试验期间按照国家谷子区域试验标准进行各项农艺性状的统计。生育期是从出苗当日至成熟时的天数。成熟时，在每个小区选择长势一致的行随机选取 10 株谷子，调查株高、穗长、穗粗。收获晾晒后，在室内进行考种，测定单穗质量、单穗粒质量、出谷率，取平均值。小区实收测产。根据每个小区定苗数与成熟时实际收获穗数计算成穗率，成穗率=实际收获穗数/定苗数×100%。

1.3 数据分析

采用 Microsoft Excel 2010整理和分析数据。采用 SPSS 25.0 进行相关性分析和主成分分析，对不同农艺性状进行聚类分析（欧氏距离-组间联接） 并比较。采用 Shannon-Wiener多样性指数（H′）进行遗传多样性评价。

2 结果与分析

2.1 不同谷子品种农艺性状的遗传多样性

由表1可知，供试材料9个主要农艺性状的变异系数在4.71%～32.79%之间，其中生育期的变异系数最小，为4.71%，产量的最大为32.79%，其次为单穗粒质量，为29.03%。变异系数反映样本间的差异大小，25个主推品种中僅生育期、株高、出谷率的变异系数小于10%，其他农艺性状的变异系数均大于 10%，说明这些品种之间存在较大差异，品种类型丰富。遗传多样性指数H′表现为生育期最大，为3.218，最小为产量，为3.163。各主推品种的农艺性状的遗传多样性指数H′均大于3.00，且产量、单穗质量、单穗粒质量的变异系数超过25%，表现出较强的多样性，且这些农艺性状与产量因素密切相关。

2.2 不同谷子品种农艺性状间的相关性分析

由表2可知，产量与单穗质量、单穗粒质量、出谷率、穗粗呈极显著正相关，与生育期、株高相关性不大；生育期与穗长、穗粗、单穗质量呈显著或极显著正相关；穗长与穗粗、单穗质量、成穗率呈显著正相关；穗粗与单穗质量、单穗粒质量呈极显著正相关；单穗粒质量与出谷率呈极显著正相关。说明各农艺性状中单穗粒质量、单穗质量、出谷率、穗粗高的品种整体产量较高，穗长的品种表现出穗粗、单穗质量整体偏高，对产量的影响不显著，但穗粗的品种整体单穗质量、单穗粒质量均较高，且最终产量较高。农艺性状中生育期、株高、成穗率这些性状对产量影响较小，且株高与产量表现出一定负相关性；株高与穗长表现出一定的正相关关系，但株高高的品种整体单穗质量、单穗粒质量及出谷率均表现较低。

2.3 不同谷子品种农艺性状间的主成分分析

通过SPSS 25.0软件对25个主推谷子品种9个主要农艺性状的主成分进行分析，通过降维分析得出各主成分的特征值及贡献率。由表3可知，第1个主成分的特征值为4.204，贡献率为46.707%，其中单穗粒质量、单穗质量、产量为主要指标，此类性状主要与粒质量有关，因此将第1主成分命名为粒质量因子，此因子可作为谷子综合评价、引种、选育考虑的首要指标。第2主成分的特征值为2.202，贡献率为24.466%，其中株高、成穗率、生育期、穗长为主要指标，此类性状主要与株型有关，因此将第2主成分命名为株型因子。前2个主成分因子的累计贡献率达71.173%。因此，这2个主成分因子在农艺性状变异中起较大作用。

2.4 不同谷子品种农艺性状间的聚类分析

从图1和表4可以看出，在组间距离为10时，将25个主推品种分为3类。第1类（Ⅰ）为冀谷168、中谷2号、豫谷35、嫩选18、济谷22、中谷9号、朝谷58、豫谷18、冀谷39、张杂谷16号、张杂谷13号、九谷23、赤优金苗1号、公谷88、金苗K2共15个品种，此类品种株高、生育期及成穗率适中，产量、单穗质量与单穗粒质量及出谷率较高，其中单穗质量、单穗粒质量变异系数较小，产量因素较稳定。此类品种7个来源于华北夏谷区，4个东北春谷区，4个西北春谷早熟区，分别占此类型品种的比例为46.66%、26.67%、26.67%，同时分别占参试各生态区总品种数量的比例为100%、57.14%、44.44%。第2类（Ⅱ）为黄金苗、长农47、长农35、龙谷38、晋谷21、嫩选15共6个品种，此类品种株高高，生育期长，成穗率高，并且单穗质量、单穗粒质量的变异系数较大。此类品种2个来源于西北春谷早熟区，2个西北春谷中晚熟区，2个东北春谷区，均占33.33%，同时分别占参试各生态区总品种数量的比率为22.22%、100%、28.57%。第3类（Ⅲ）为山西红谷、龙谷25、陇谷13、大同29，此类品种产量、生育期、穗长、穗粗、单穗质量、单穗粒质量、出谷率均较低，株高表现中等。此类品种产量、单穗质量、单穗粒质量整体变异系数较大，均来源于西北春谷早熟区，占比100%，同时分别占参试各生态区总品种数量的比率为44.44%。

3 结论与讨论

我国谷子种质资源丰富，本研究通过对全国4个生态种植区25个品种在华北地区的9个农艺性状进行分析，结果表明，这25个品种各农艺性状的多样性指数H′均大于3.00。同时，各农艺性状的变异系数均较高，其中，产量、单穗粒质量、单穗质量的变异系数较大，分别为32.79%、29.03%、26.95%，说明这些参试品种整体多样性丰富，在育种亲本选择时具有较高的利用价值，这与王海岗等对国内外谷子种质资源遗传多样性的研究结果［16］基本一致。生育期與出谷率的变异系数最小，分别为4.71%和5.79%，这与杨慧卿等的分析结果［17］一致。谷子各农艺性状和产量之间存在一定相关性，李明昊等对冀东地区不同谷子品种农艺性状的研究发现，穗粒质量、千粒质量、穗长、出谷率均与产量呈正相关关系，穗粒质量、千粒质量与株高呈负相关关系［18］；吕建珍等研究发现，单穗质量与穗粒质量的相关系数达到了极显著水平，穗长与产量无显著相关性［19］；魏萌涵等分析得出，穗粒质量、单穗质量、出谷率与产量之间呈现出正相关关系［20］。本试验结果表明，产量与单穗质量、单穗粒质量、出谷率、穗粗呈极显著正相关，与生育期、株高相关性不大。穗粗与产量的相关性大于穗长与产量的相关性，产量、单穗质量、单穗粒质量与株高表现出一定的负相关性，这与前人的研究结果［18-20］基本一致。

本研究通过主成分分析对参试的25个谷子品种的农艺性状指标进行了综合分析，并采用聚类分析对参试品种进行了聚类分析。结果从9个农艺性状中共提取到2个主成分，其中第1主成分中单穗粒质量、单穗质量、产量为主要指标，此类性状主要与粒质量有关，即粒质量因子，贡献率为46.707%。第2主成分中株高、成穗率、生育期、穗长为主要指标，此类性状主要与株型有关，即株型因子。这2个因子的累计贡献率达71.173%。丁银灯等研究指出各主成分因子贡献率反映了育种中各性状的选择方向和潜力，因此，在对谷子高产品种选育的过程中，应重点考虑粒质量因子，其次还要考虑到株型因子［21］。从聚类结果得出，在类间距离为10时可将参试品种分为3类，可根据不同育种目标加以选择利用。第1类品种株高、生育期及成穗率适中，产量、单穗质量与单穗粒质量及出谷率较高，其中单穗质量、单穗粒质量变异系数较小，产量因素较稳定。第2类品种株高高，生育期长，成穗率高，产量适中，并且单穗质量、单穗粒质量的变异系数较大。第3类品种产量、生育期、穗长、穗粗、单穗质量、单穗粒质量、出谷率均较低，株高表现中等。此类品种产量、单穗质量、单穗粒质量整体变异系数较大。因此，第1类品种在华北地区整体适应性强，适合在华北夏谷区种植推广。

本研究还根据不同品种的生态区来源，结合聚类分析结果，将不同生态区品种在华北地区引种种植的成功率做出一定分析。其中，第1类品种中华北夏谷区本地品种占比较高，达46.66%，占该区参试品种的100%。东北春谷区品种占此类品种的比例达26.67%，占该区参试品种的57.14%。因此在华北地区从东北春谷区引种的成功率相对较高。第3类品种均来自于西北春谷早熟区，占该区参试品种的比率达44.44%，从该区引种的成功率相对较低。因此，在谷子新品种选育过程中，根据不同育种目标，重点考虑主因子，兼顾辅因子。在跨生态区引种或筛选目标种质资源时还要根据不同生态区、不同类型品种提高引种的成功率。

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收稿日期：2022-07-01

基金项目：国家重点研发计划（编号：2019YFD1001701-2、2019YFD1000702-8）；河南省现代农业产业技术体系建设专项资金（编号：Z2020-14-01）；现代农业产业技术体系建设专项（编号：CARS-07-13.5-B25）。

作者简介：李 龙（1989—），男，河南浚县人，硕士，研究实习员，研究方向为谷子栽培与遗传育种。E-mail：15150530272@163.com。

通信作者：刘金荣，研究员，研究方向为谷子遗传育种。E-mail：Liujinrong63@sohu.com。