新疆谷子种质资源评价及产业研究进展

冯国郡,胡相伟,赵 云,于 明,张述功,周道良

(1.新疆农业科学院粮食作物研究所,乌鲁木齐 830091,2.玛纳斯县祥和农机有限责任公司,新疆玛纳斯县 832200)

0 引 言

【研究意义】谷子具有耗水少、抗旱耐瘠、营养丰富均衡、粮饲兼用等特点[1-5]。谷子因其较小的二倍体基因组、自花授粉、高繁殖系数、较小的株高和易于操作栽培方法,以及生育周期短、易于快速繁殖等特点,近年来作为 C4 和抗旱耐逆研究的模式系统越来越受到植物遗传学界的关注[6]。1949年至2014年,谷子在新疆昌吉、塔城、博州、伊犁等地零星种植,产品自给自足;市场上销售的小米基本从内蒙古、陕西、东北、山西等地调入,每年交易量约3×104t左右。2015年以后,由于品种和栽培技术的成熟以及大型企业和农业合作组织的主导参与,谷子种植面积呈现逐年增长的态势,目前年均1.33×104hm2(20万亩)以上,种植区域主要分布在北疆的昌吉、塔城、伊犁、博州、阿勒泰等地区,南疆的巴州、喀什、阿克苏等地区。新疆目前有大型小米加工厂3个,年加工能力均在2×104t以上,还有若干小型小米加工厂。小米市场主要分为农产品批发市场、超市、电子商务等类型。新疆谷子主要以初级加工为主,小米产品60%～70%为新疆本地消费,其余30%～40%销往广州、成都、上海、河南等省(市)。【前人研究进展】谷子(SetariaitalicaBeauv.)又称为粟,去壳后称为小米,属禾本科黍族狗尾草属。谷子起源于中国黄河流域[7],新石器时代中早期完成驯化,成为农耕文化的主栽作物[8-11]。我国北方粟种植呈上升趋势,并逐步成为主粮作物[6]。粟在中国北方地区驯化后,向西经甘肃河西走廊传入新疆地区,河西走廊地区是粟通往新疆的关键节点;新疆地区也被认为是粟黍旱作农业向西扩张的通道[13]。源自中国的粟黍和源自西亚的小麦/大麦在我国新疆形成的粟黍-小麦/大麦农业[14]。粟是在我国新疆种植较早的一种粮食作物[14-16],远古时期新疆的农牧业格局是以粟黍-小麦/大麦-畜牧为特征的混合经济。其后, 小麦和粟黍在新疆出现的频次都显著增加[17],畜牧渔猎经济逐步被农业加畜牧业的混合经济取代[14]。南疆地区除了宜于粮食种植外, 又多了瓜果蔬菜[19]。黍、粟、青稞、小麦、桃、稗子、小獐毛和苦豆子等 8 种,粟是新疆的主要粮食作物,随时间推移,小麦、玉米和水稻等高产作物种植逐渐扩大,而粟、高粱、黍等作物的种植则减少[20-22]。【本研究切入点】有关新疆谷子产业研究进展方面的文献很少。需汇总新疆谷子现状及研究进展。【拟解决的关键问题】收集谷子国内外相关文献,汇总并对比分析,为新疆谷子产业发展提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

检索国内外谷子产业发展和相关文献资料、数据及实地调研的方法。

1.2 方 法

运用统计计量学方法汇总并分析。

2 结果与分析

2.1 新疆谷子研发现状

研究表明,2007～2022年收集引进国内外谷子种质资源2 886份,国内主要来自北京、河北、山西、内蒙古、黑龙江、吉林、河南、甘肃、陕西、新疆等省(市、自治区);国外主要来自日本、朝鲜、印度、肯尼亚、匈牙利、罗马尼亚、荷兰、法国、德国、美国。其中进行抗旱谷子鉴定研究1 742份,进行耐盐碱鉴定50份,筛选出抗旱谷子31份,耐盐谷子4份。

2.2 谷子种质资源遗传多样性

研究表明,以 274 份谷子种质资源为材料,利用聚类分析和主成分分析方法,对参试资源 16 个农艺性状的遗传多样性进行综合评价,结果表明,参试材料的 11 个数量性状的遗传多样性指数均大于 2. 000,在新疆表现出广泛的遗传多样性。基于种质资源间形态标记的遗传差异,将 274 份谷子种质资源聚类并划分为 6 大类群。对9 个数量性状的主成分分析表明,单株秆重、株高、主穗直径3 个主成分因子累计贡献率 70.41%,各主成分因子性状载荷值反映了育种中各性状的选择方向及潜力[23]。

应用SSR分子标记研究新疆谷子种质资源的遗传多样性,从分子水平明确新疆谷子种质资源遗传多样性的特点、亲缘关系和遗传背景等,为谷子分类研究和杂交亲本选配提供理论依据。采用UPGMA法进行聚类分析,在遗传相似数为0.75处,124份谷子种质资源被划分为4个类群。聚类结果说明,同一区域谷子育成品种的亲缘关系较近,被聚在一类,遗传基础较为狭窄,通过加强不同种质间的组配利用及特异亲本类型的创制对于谷子遗传育种改良至关重要。结合表型性状分析和分子标记分析,基本明确各品种间的亲缘关系,构建新疆谷子核心种质,选择并推荐一批优异谷子资源供育种利用。表型性状及 SSR 聚类分析均存在明显的地理聚类特征,结合表型性状鉴定出 12 份适宜新疆种植的谷子优异种质。包括植株矮秆、抗倒伏、产量表现较高的豫谷 18、公谷 76 号、中谷 2号和大同 34 号 4 份材料,这些材料适宜在北疆地区种植,矮秆有利于机械作业,具有明显的增产潜力,其中豫谷 18、中谷 2 号在新疆复播表现优异,平均生育期 93 d、88 d,平均株高 89. 8 cm、103. 5 cm,平均产量 5 250 kg /hm2、5 175 kg /hm2; 济谷 14、晋汾09、龙 34、长 24,此 4 份材料生物产量较高,适宜北疆地区作为饲草种植;龙 33、小红谷、公谷 69 号、陇谷 12 号,该 4 份材料生育期较短,籽粒产量及生物产量都较高,适宜在新疆北疆沿天山一带冷凉地区种植[24]。

2.3 新品种选育及优异基因挖掘

研究表明,新疆谷子目前为自育与联合选育相结合。主要采用杂交选育、诱变等常规手段,分子标记为辅。目前有抗除草剂高代材料2 000份,苗头组3个,参加国家联合鉴定品种1个。2007～2011年在新疆乌鲁木齐、昌吉州奇台、木垒、博州博乐市、克拉玛依市、阿勒泰福海县、塔城额敏县对150个品种进行多年多点品种鉴定,筛选出8个品种参加自治区2012～2013年谷子区域试验,3个品种参加2014年生产试验,2015年自治区品种审定委员会登记品种豫谷18。另有3个品种待登记。对425 份核心谷子资源进行不同物候期的干旱胁迫,调查测定形态、产量等农艺性状,筛选鉴定出不同物候期的谷子抗旱种质。通过对谷子全基因组测序,结合表型数据进行全基因组关联分析(GWAS),寻找与抗旱性相关的 SNP 位点、优异等位变异。

2016～2018年新疆南北疆推广中谷2号、豫谷18等谷子品种1.409×104hm2(21.136万亩),平均单产达到414.7 kg/667m2;项目期分别在南北疆建立7个核心示范区,核心示范区总面积219 hm2(3 285亩),单产522.8 kg/667m2;创建高产田2个,面积共26.67 hm2(400亩),产量580.0 kg/667m2;北疆玛纳斯新湖农场2016年13.33 hm2(200亩)连片产量达680.5 kg。

南疆主要为麦后复播谷子,生育期90 d以内。2014年起在喀什、和田、阿克苏等地进行春播、复播种植。2015在喀什莎车等巴旦杏树林套种近千亩谷子,4月1日播种,8月10日成熟,生育期120 d左右,平均单产297.6 kg/667m2。除了春播,当地也利用热量资源丰富进行复播种植。2015～2017年在喀什泽普进行品种筛选试验和高产栽培技术试验及机械改装配套,试验品种45个,筛选出较好的品种有冀谷38号、豫谷1号、衡谷13号、衡谷17号、保谷23、冀谷37号、冀谷36号、中谷2、安13-5415、豫谷19号、豫谷18号、豫谷31号、豫谷32号、安11-5365,品种折合单产产量在393.1～469.3 kg/667m2,生育期在88～91 d,株高83.4～103.0 cm,生物产量在2 027.2～3 151.6 kg/667m2,干草重在536.0～800.4 kg/667m2,这些品种抗倒伏、抗病虫害较好;饲草专用品种跑死马和饲草229生物产量分别为3 132.5 kg/667m2和2 070.1 kg/667m2,其它性状表现均较好。2016年泽普3.33 hm2(50亩)示范田平均单产386.6 kg/667m2;2017年对泽普县依克苏乡文托皮恰村17.67 hm2(265亩)谷子示范点进行了实地测产验收,种植品种为豫谷18号,田间长势良好,穗行整齐,株高平均为1.05 m,穗数34 087株/667m2,实测产量为313.0 kg/667m2。2018～2022年连续5年在喀什疏勒县库木西力克乡进行豫谷18号20 hm2(300亩)以上高产示范方建设,由2018年313.4 kg/667m2到2021年最高358.0 kg/667m2,产量提升了12.5%。

2.4 新疆小米及谷草品质检测

研究表明,新疆生产的小米色泽金黄、口感粘香,主要营养成分蛋白、淀粉、脂肪、硒等含量超过国内多个省(市、自治区)。以豫谷18小米为例,北疆克拉玛依相比较原产地河南安阳,蛋白质含量高出14.0%,淀粉含量高出5.77%,粗脂肪含量高出115.2%,硒含量高出189.4%。喀什泽普小米相比较原产地,蛋白质含量高出12.1%,淀粉含量高出18.02%,粗脂肪含量高出89.9%,硒含量高出48.2%;喀什疏勒小米较原产地蛋白质含量高出21.8%,粗脂肪含量高出67.7%,硒含量高出252.9%。表1

表1 新疆小米与原产地营养成分比较

谷子作为粮饲兼用作物收获籽粒后的秸秆粗蛋白含量 4.53%～5.34%, 粗脂肪含量 1.12%～1.36%,虽然低于豆科植物, 但是明显高于其他禾谷类作物,尤其是可消化成分高, 其饲喂价值接近豆科牧草[25]。对于不收获籽粒的专用谷子饲草品质, 如美国的Golden German 谷子品种其干草的粗蛋白含量为9.7%～13.0%[26], 肉牛获得同等收益其食用谷草的成本低得多[27-28]。我国谷子品种豫谷18抽穗期全株收获粗蛋白含量13.22%,高于美国专用谷草;成熟期去掉籽粒后检测秸秆的粗蛋白、粗脂肪、粗灰分、总磷、总钙等,其粗蛋白高于吴宝华等[25]研究结果,与智慧等[29]对47个品种谷子品种饲用品质检测成分相比,均处于中等偏上水平,尤其是泽普复播谷子秸秆钙含量超过最高水平。表2

表2 豫谷18谷草营养成分(干基)

2.5 新疆谷子精量播种期的研制改进

研究表明,新疆谷子播种从人工条播、机械条播,发展到机械半精量播种、精量点播,精量点播又采取限量版控制、弯头控制、槽轮取种等措施不断改进,使精量点播效果更加精确,由之前每穴下种0～20粒且不均匀现象,到目前精准可控,可按照需求下种1～2粒、3～4粒、 5～6粒、7～8粒。将统的槽轮条播改为穴播盘穴播,由粗放变为半精量播种,这种穴播盘改变了谷子种植播种模式。由于谷子流动性较大,颗粒太小,一般穴播盘由于制造精度不高, 缝隙较大,易产生跑漏现象。对此采用了减少缝隙,提高加工精度,在穴播盘的动盘、定盘之间加装密封O型圈的办法加以解决。

采用在接种管与定盘进种口处加限量板或限种盒的方法,对种子流量加以控制。

采用减小直径、减少弯头转角的接种管限种,对进种有一定的控制作用,但随穴播盘工作中震动及转速不匀的状况下,仍不能较好的限制存种面高低。

采用一套新式限量进种:在穴播盘动盘中心位置设置可调槽轮,随穴播盘同步转动,定盘上设置限量进种护瓦。在穴播盘外部调整槽轮的进种槽大小设置进种量,从而精确控制穴播盘内部存种面高低,使取种器始终在较低的种面取种,提高取种器取种的稳定性。

3 讨 论

“山西小米”、“延安小米”、“敖汉小米”的品牌价值和影响力攀升[4]。 新疆谷子高产栽培技术分为三个阶段:2010年之前北疆春播沟灌或漫灌高产栽培技术,南疆林果田套播谷子漫灌技术,谷子主要为起垄条播,生育期浇水2～4次,为大水顺沟漫灌,肥料在浇水前施入苗侧或洒施水中;2011～2014年应用滴灌条播覆膜水肥一体化技术,一般用小麦或油菜等播种机调试再加炒熟籽粒、混配饲料、细沙等进行播种,以减少间苗定苗工作量;2015年起推广精量点播水肥一体化全机械化栽培技术,将精量点播、铺膜、铺滴灌带、覆土、镇压一次性完成,施肥也是随着滴灌定量滴在植株侧15～20 cm处,做到均匀精准[30-31]。南北疆谷子田主要杂草由稗草、狗尾草、藜、反枝苋、马齿苋和苘麻等组成;并筛选出防效较好的除草剂[32-33]。

4 结 论

采用UPGMA法进行聚类分析,在遗传相似数为0.75 处,124份谷子种质资源被划分为4个类群。通过SSR聚类分析,结合表型性状筛选鉴定出12份适宜新疆不同生态区种植的谷子优异种质。目前,即主要采用杂交选育、诱变等常规手段,分子标记为辅。新疆目前登记谷子新品种1个,待登记品种3个;集成覆膜滴灌、精量点播、水肥一体化、化控除草等关键技术,发布自治区地方标准2项,研发6部高产高效栽培技术规程,大幅度提升南北疆谷子产量。新疆生产的小米色泽金黄、口感粘香,主要营养成分蛋白、淀粉、脂肪、硒等含量均超过国内多个省(市、自治区)。新疆小麦、玉米、棉花等生产上使用的中耕机、割晒机、联合收获机经过改装调整可应用于谷子田间管理和收获等环节,结合研制出的谷子精量穴播器,使新疆谷子生产从播种到收获实现全程机械化。