134份皮燕麦种质资源生物学性状遗传多样性分析

孙艳楠, 路耿新, 唐 超, 李冠义, 王欣欣*, 时梓涵, 张明飞

(1. 赤峰市农牧科学研究所, 内蒙古 赤峰 024031; 2. 西北农林科技大学资源环境学院, 陕西 杨凌 712100;3. 赤峰学院, 内蒙古 赤峰 024000)

燕麦(AvenasativaL.)是禾本科(Gramineae)燕麦属(Avena)一年生粮饲兼用型作物,通常分为裸燕麦和皮燕麦两种[1]。燕麦具有耐贫瘠、耐盐碱、适应性广等特性,可大范围推广种植[1-2]。燕麦不仅是一种优质的粮食和经济作物,也是我国优质的饲草资源,在畜牧业发展方面发挥着重要作用[3-5]。

种质资源是作物改良与遗传研究的基础。我国有着丰富的燕麦种质资源,但是由于种质资源利用效率不高、育种技术相对单一等问题,影响着燕麦产业的发展[6]。燕麦种质资源的遗传多样性研究,不仅是了解燕麦种质特性的重要手段,而且有利于燕麦核心种质的创新利用,在燕麦新品种选育以及遗传育种等方面具有十分重要的指导意义[2,7-9]。近年来,随着基础生物学研究的不断深入与生物技术的迅猛发展,分子生物学、基因组学和遗传学等技术方法在燕麦种质资源的遗传多样性分析和评价等研究中被应用并取得了一定的成绩[10-14],但植物的遗传多样性与表型性状之间具有高度的关联性,对于表型性状的描述和鉴定仍然至关重要,所以对植物种质资源表型性状的观测和分析、研究表型性状间的遗传关系,一直是植物种质资源利用及育种工作的重要途径和方法[9,15]。种质资源表型性状的遗传多样性研究在小麦(TriticumaestivumL.)[16]、水稻(OryzasativaL.)[17]、谷子(SetariaitalicaL.)[18]、甜菜(BetavulgarisL.)[19]、老芒麦(ElymussibiricusL.)[20]等多种作物上都有报道。目前,已有多位学者对燕麦种质资源表型性状的遗传多样性进行了分析及鉴定评价,如梁国玲等[2]对590份皮燕麦种质资源的穗部性状进行遗传多样性分析,南铭等[8]和张琦等[9]对不同燕麦种质资源的农艺性状进行遗传多样性分析,均发现所试材料具有丰富的遗传多样性,为燕麦种质资源的进一步发掘利用提供了参考。

近年来,前人利用种间杂交育种技术育成了‘定莜8号’[21]、‘青燕1号’[22]等一系列品质优良的燕麦新品种。但随着产业经济的发展,燕麦新品种的选育也应满足多元化市场的需求,依据不同用途,制定不同育种目标,开展优质专用型燕麦新品种的选育工作[23]。未来我国燕麦产业的潜力巨大,在以种间杂交为主的新品种选育中,需要更加深入分析不同种质资源间的遗传差异,划分燕麦种质的不同类型,以便育种家在实际育种工作中,根据不同的育种目标选择出最优的亲本组配杂交组合,从而提高育种效率[6,23]。因此,本研究以134份皮燕麦种质为研究对象,对其在内蒙古东部地区的性状表现进行了多样性分析、主成分分析和聚类分析,综合评价了燕麦种质资源,研究了134份燕麦种质主要生物学性状间的遗传关系,不仅能更加合理的利用燕麦种质,也能减少在目标育种工作中亲本选择的盲目性,从而为今后燕麦新品种的选育、燕麦种质资源的创新利用等方面的研究提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

参试皮燕麦品种(系)共134份(表1),均由国家燕麦荞麦产业技术体系赤峰综合试验站提供。

表1 参试燕麦种质的编号与名称

1.2 试验地概括及试验设计

试验于2022年在内蒙古自治区赤峰市喀喇沁旗西桥镇农业产业园试验基地(41°51′ N,119°08′ E)进行。该基地气候属于温带半干旱大陆性季风气候,降水主要集中在6—8月,雨热同季,无霜期130天左右,年有效积温2 900℃～3 100℃,年平均气温为6.5℃,年平均降雨量在300～500 mm之间,多年平均蒸发量为1 600～2 500 mm。试验地前茬作物为玉米,耕作层土壤为砂壤土,pH值为7.98,土壤有机质含量为11.2 g·kg-1、速效磷含量为21.3 mg·kg-1、速效氮含量为49 mg·kg-1、速效钾含量为92 mg·kg-1。

本试验于5月16日进行播种,采用人工条播,每份燕麦种质种植4行,行长5 m,行距25 cm,小区面积5 m2(1 m×5 m),小区间距50 cm,不施肥,不浇水,人工除草。播量165 kg·hm-2,播种深度4～6 cm。

1.3 性状调查与统计

各燕麦材料于成熟期分别随机选取5个单株(重复3次),测定其生物学性状相关指标。依据质量性状赋值表[2](表2)观察并记录其穗型、籽粒饱满度、落粒性、粒型、粒色、芒型、芒色以及芒性等8个质量性状,统计质量性状各类别的频率分布并计算其遗传多样性指数;使用卷尺、游标卡尺、电子天平等工具测量主穗小穗数、主穗籽粒数、主穗籽粒重、主穗穗重、株高、分蘖数、茎节数、穗长、旗叶长度、旗叶宽度、茎粗度和千粒重等12个数量性状,计算数量性状的平均值、极差、标准差、变异系数和遗传多样性指数等指标。

表2 质量性状赋值表

1.4 数据处理

数据运用Excel 2016和SPSS 26.0进行统计分析。为了便于数量化和统计分析,对质量性状予以赋值,数量性状进行分级。多样性指数的计算采用Shannon-weaver信息指数,计算公式:H′=-∑PilnPi(Pi为某一性状第i个级别出现的频率)[2]。采用SPSS 26.0软件对燕麦主要农艺性状进行主成分分析。使用R语言利用Ward法对燕麦种质进行聚类分析并绘制聚类图。

2 结果与分析

2.1 燕麦种质资源生物学性状的多样性表现

134份皮燕麦种质资源的8个质量性状遗传多样性指数平均值为0.838,由图1可知,粒色遗传多样性指数最高(1.443),其次为芒型(0.905)和芒色(0.845),穗型最低(0.582)。由图2可知,参试皮燕麦种质资源的穗型以侧散型居多,频数为0.836;落粒性一般,其中口松种质的频数为0.687;多数种质籽粒饱满,饱满资源的频数为0.664;籽粒粒型以披针形和纺锤型为主,频数分别为0.642和0.336;粒色方面,白色最多,频数为0.493,其次是浅黄色和黄色,频数均为0.149;大部分种质具芒,具芒种质的频数为0.507,其芒型以弯曲居多,频数为0.433,芒色主要是黄色,频数为0.463。

图1 皮燕麦种质资源质量性状的遗传多样性指数

图2 134份皮燕麦种质资源的质量性状频率

对134份皮燕麦种质资源的12个数量性状的遗传多样性进行分析(表3),12个数量性状的遗传多样性指数平均值为2.00,株高和穗长的多样性指数最高为2.06,分蘖数多样性指数最小为1.85,多样性指数由大到小依次是株高和穗长>旗叶宽度>茎粗度>主穗籽粒数>主穗小穗数和千粒重>旗叶长度>主穗穗重>茎节数>主穗籽粒重>分蘖数。12个数量性状的变异系数均大于10%,且不同性状的变异系数存在很大差异,变化幅度为11.17%～53.16%,变异系数由大到小依次为分蘖数>主穗籽粒重>主穗穗重>主穗小穗数>旗叶宽度>主穗籽粒数>旗叶长度>茎节数>千粒重>穗长>茎粗>株高。分蘖数的变异系数最大,为53.16%,变幅为0.4～3.6个,株高的变异系数最小,为11.17%,变幅为78～143 cm。

表3 134份皮燕麦种质资源数量性状的变异分析

2.2 燕麦主要性状的主成分分析

对参试的134份皮燕麦种质的12个性状进行Bartlett球度检验和KMO检验,其结果为KMO=0.764,Sig=0.000,表示数据适合进行主成分分析。由图3所示,各农艺性状对此主成分的影响程度,第一主成分与主穗小穗数、穗重、籽粒数、籽粒重等性状相关性较大,第二主成分与株高和茎节数等性状相关性较大。由表4可知,12个数量性状主成分构成信息在前4个主成分中,累计贡献率达78.328%,其特征值均大于1。前4个主成分包含了参试种质性状的大部分信息,可作为代表进行分析。第一主成分的贡献率为40.451%,特征值为4.854,特征向量中除千粒重和分蘖数载荷为负外,其余均为正。载荷较高的性状有主穗小穗数(0.879)、主穗籽粒数(0.815)、茎粗度(0.740)、穗长(0.730)、主穗穗重(0.722)、主穗籽粒重(0.678),这些性状均与产量有关,可作为产量构成因子。第二主成分的贡献率为18.516%,特征值为2.222,载荷较高且符号为正的农艺性状有株高(0.641)和茎节数(0.521),此类性状与燕麦植株株高有关,可称为株高因子。第三主成分的贡献率为10.919%,特征值为1.310,从载荷数值的大小来看,千粒重(0.517)的载荷值较大且为正,此类性状与籽粒大小有关,可称为籽粒特性因子。第四主成分的贡献率为8.443%,特征值为1.013,分蘖数的载荷数值为0.724,第四类主成分主要反映植株的分蘖数,可称为分蘖因子。

图3 134份皮燕麦主要农艺性状的载荷图

表4 134份皮燕麦主要农艺性状的主成分分析

2.3 燕麦种质资源类群划分

对134份皮燕麦种质资源的20个性状数据进行聚类分析,将参试的燕麦种质资源划分为4个类群(图4),并对各类群燕麦种质的主要性状特征进行了统计分析(表5)。

图4 134份皮燕麦种质资源聚类图

表5 134份皮燕麦种质资源各类群生物学性状的特征

类群Ⅰ包含了17份燕麦种质,约占资源总数的12.69%。这一类群的质量性状表现为:穗型以侧散型为主,粒型分为纺锤形和披针形,粒色以白色为主,无芒或具黄色弯芒,落粒性一般,多数资源籽粒饱满。数量性状表现为:千粒重(27.99 g)和分蘖数(0.98个)较小,但变异系数较大;主穗穗重(3.90 g)、主穗小穗数(57.36 g)、主穗籽粒数(104.45 g)和主穗籽粒重(3.40 g)在这4个类群中均最大,但主穗籽粒数和主穗小穗数的变异系数却最小,分别为5.99%和8.45%。这一类可作为选育特异穗粒的高产型燕麦品种的亲本利用,同时也可以作为核心种质进行保存。

类群Ⅱ包含了44份燕麦种质,约占资源总数的32.84%。这一类群的质量性状表现为:穗型以侧散型为主,粒型主要为纺锤形和披针形,粒色大部分为白色,无芒或具弯芒,芒色主要以黄色为主,落粒性一般,大部分种质籽粒饱满。数量性状表现为:株高(111.89 cm)、茎粗(4.83 mm)、茎节数(4.44节)、旗叶长度(20.73 cm)和旗叶宽度(0.98 cm)均最大,分蘖能力中等,株高和茎粗变异系数较小,分别为9.23%和10.38%;主穗穗重(2.77 g)、主穗小穗数(45.51 g)、主穗籽粒数(80.02 g)、主穗籽粒重(2.38 g)在4个种质群中均排在第二位,其变异系数较小。这一类群可作为选育高杆、高产的粮饲兼用型燕麦品种的优良亲本。

类群Ⅲ包含了21份燕麦种质,约占资源总数的15.67%。这一类的质量性状表现为:穗型基本均为侧散型,粒型全部为披针型,粒色较为丰富,大部分种质不具芒,落粒性较高,籽粒饱满度较好。数量性状表现为:千粒重(31.06 g)、分蘖数(1.56个)较大,但其变异系数均较小,分别为14.14%和43.58%;但主穗穗重、主穗小穗数、主穗籽粒数和主穗籽粒重等性状均较小。这一类群可作为选育大粒专用型燕麦品种的优良亲本。

类群Ⅳ包含了52份燕麦种质,约占资源总数的38.81%。这一类的质量性状表现为:穗型以侧散型为主,粒型以纺锤型和披针形居多,粒色较为丰富,大部分不具芒,落粒性和籽粒饱满度一般。数量性状表现为:株高(99.09 cm)最低,茎节数(3.90节)较小,穗长(19.64 cm)较短,分蘖能力中等,主穗穗重、主穗籽粒数和籽粒重等性状较低。这一类群可作为选育矮杆燕麦品种的亲本。以上4个种质群可在实际育种工作中根据不同的育种目标进行综合分析和筛选。

3 讨论

燕麦种质资源已被广泛应用于燕麦的遗传改良中,是燕麦育种工作的物质基础[2,8-9,24]。本研究对134份皮燕麦种质资源进行多样性分析,结果表明,参试的134份皮燕麦种质资源存在较为广泛的遗传多样性。在质量性状中,粒色的遗传多样性指数最高,这与梁国玲等[2]和王建丽等[25]的研究结果一致,但与南铭等[8]得出的粒色遗传多样性指数最低的结论相反,其原因可能是本研究中参试材料均为皮燕麦,而南铭等研究中试验材料多为粒色差异较小的裸燕麦种质所致。

12个数量性状的遗传多样性指数平均值为2.00,说明各数量性状遗传差异较大,供试材料的遗传基础较为广泛,这为燕麦的种质拓展和创新提供了保证。本研究发现12个数量性状中株高、穗长和旗叶宽度等性状遗传多样性指数较高,这与张坤等[26]研究得出的主穗小穗数和主穗粒重遗传多样性指数较高的结论、与南铭等[8]和王娟等[15]得出的单株粒重的遗传多样性指数最高的结论均不一致,这可能是因为观测性状、资源种类与数量以及种植区域的差异等导致的。张琦等[9]研究表明,当变异系数大于10%时,种质资源间的性状差异较大。本研究中,各数量性状变异系数变幅较大,为11.17%～53.16%,变异系数较大的性状是分蘖数和主穗籽粒重,这与张向前等[27]研究得出的单株分蘖数变异系数最大的结论一致,同时与南铭等[8]和张坤等[26]研究得出的单株粒重的变异系数最大的结论基本一致。本研究对134份皮燕麦种质资源的12个数量性状和8个质量性状的差异进行了客观地评价分析,结果表明参试皮燕麦种质资源的具有丰富的遗传多样性,为燕麦种质资源的科学分类提供了评价方法,同时为燕麦性状改良提供了丰富的亲本材料,为燕麦种质资源的合理利用提供依据。

主成分分析结果表明前4个主成分因子的特征值均大于1,累计贡献率达78.328%,包含了参试种质性状的大部分信息。第一主成分与籽粒产量有关,在育种工作中要重点关注主穗小穗数、主穗籽粒数、穗长、主穗籽粒重,必要时可进行单独选择,而千粒重和分蘖数的选择则要适中,这与王建丽等[25]的研究结果基本一致。第二主成分与株高有关,饲用燕麦育种时可以适当选择第二主成分值高的种质。第三主成分和籽粒特性有关,千粒重过大反而会影响相关产量性状,因此,在育种时要根据育种目标适度把握,若想培育大粒专用型燕麦则可适当的选择籽粒特性值高的种质。第四主成分与分蘖能力有关,分蘖数过多会影响产量,因此在育种过程中要综合考量,注意分蘖数的选择,这与张向前等[27]的研究结论相一致。根据以上信息,在亲本选择过程中可对燕麦种质的不同性状进行特异性或差异性选择,从而提高种质性状的筛选效率,同时为燕麦亲本选配提供科学依据。

聚类分析结果表明,134份皮燕麦种质资源被划分为4个种质群,种质群间性状具有明显差异,方便选取差异较大的种质材料作为亲本利用,从而提高育种效率。类群Ⅰ的种质主穗穗重、小穗数、籽粒数和籽粒重等性状较大,这一类群与产量相关的穗部性状表现突出;类群Ⅱ的种质株高、茎粗、主穗穗重、小穗数、籽粒数、籽粒重等性状较大,这一类群属于粮饲兼用型种质资源;类群Ⅲ的种质千粒重较大,属于大粒型种质资源;类群Ⅳ的种质则表现为矮杆。这些不同类型的燕麦种质为育种工作提供了丰富的育种材料,在实际育种工作中可以根据不同的育种目标选择相对应的种质材料。针对现有的燕麦种质资源,应充分利用各种生物技术和方法对燕麦种质资源丰富的表型多态性进行更深入的鉴定分析,挖掘和利用优异燕麦种质的育种潜力,为燕麦性状的遗传改良提供更加全面的依据[28-30]。

4 结论

134份皮燕麦种质资源各生物学性状的遗传多样性较为丰富,株高和穗长的遗传多样性指数最高;变异系数最大的性状是分蘖数和主穗籽粒重。主成分分析结果显示:4个主成分因子累计贡献率达78.328%,第一、二、三和四主成分分别与籽粒产量、株高、籽粒特性和分蘖能力有关。聚类分析将134份皮燕麦种质资源划分为4类,其中类群Ⅰ可作为高产、特异穗粒育种目标的亲本;类群Ⅱ可作为粮饲兼用、高杆育种目标的亲本;类群Ⅲ可作为大粒专用型育种目标的亲本;类群Ⅳ可作为矮杆育种目标的亲本。在实际育种工作中可以依据不同的育种目标来选择相关性状对应的亲本去配制杂交组合,使燕麦育种在亲本的选择上减少盲目性,更趋科学,从而快速育出高产优质的燕麦新品种。