149份春小麦种质资源遗传多样性分析

摘要：为筛选出高产优质的春小麦新种质资源，丰富黄土高原旱作雨养区春小麦种质资源的遗传多样性，以149份春小麦种质资源为研究对象，通过农艺性状和品质性状研究其遗传多样性，分析性状间相关性，并运用聚类分析法筛选出高产优质的春小麦种质资源。结果表明，149份春小麦种质资源的10个品质性状（籽粒灰分含量、水分含量、蛋白质含量、淀粉含量、降落数值、硬度、容重、湿面筋含量、弱化度、沉降值）的多样性指数介于1.77～2.03，平均值为1.924；5个农艺性状（小穗数、穗长、株高、单株穗数、单株产量）的多样性指数介于1.84～2.04，平均值为1.958。供试春小麦种质各性状具有丰富的多样性，且变异类型丰富，其中单株穗数与单株产量呈极显著正相关；单株产量与蛋白质含量呈极显著负相关，与淀粉含量、湿面筋含量、降落数值呈负相关。通过聚类分析，筛选出了定西53号、10102-1、Mace、EmuRock 等4个性状优良且变异类型丰富的春小麦种质资源。

关键词：春小麦；种质资源；品质性状；遗传多样性指数；聚类分析

中图分类号：S512.1 文献标志码：A 文章编号：2097-2172（2024）06-0531-07

doi：10.3969/j.issn.2097-2172.2024.06.008

Genetic Diversity Analysis of 149 Spring Wheat Germplasm Resources

LI Xuhua， MU Liming， LING Peng

（Dingxi Academy of Agricultural Sciences， Dingxi Gansu 743000， China）

Abstract： To select high-yield and high-quality new germplasm resources of spring wheat and enrich the genetic diversity of spring wheat germplasm resources on the Loess Plateau dry farming and rain-fed areas，149 spring wheat germplasm resources were studied. Their genetic diversity was examined through agronomic and quality traits， correlations among traits were analyzed， and clustering analysis was used to select high-yield and high-quality spring wheat germplasm resources. Results showed that the diversity index of 10 quality traits （grain ash content， moisture content， protein content， starch content， falling number， hardness， bulk density， wet gluten content， weakening degree， sedimentation value） of the 149 spring wheat germplasm resources ranged from 1.77 to 2.03， with an average of 1.924， and the diversity index of 5 agronomic traits （number of spikelets， spike length， plant height， number of spikes per plant， yield per plant） ranged from 1.84 to 2.04， with an average of 1.958.The tested spring wheat germplasm resources exhibited rich diversity in traits and variation types. There was a highly significant positive correlation between the number of spikes per plant and yield per plant， a highly significant negative correlation between yield per plant and protein content， and negative correlations with starch content， wet gluten content， and falling number. Through clustering analysis， 4 spring wheat germplasm resources with excellent traits and rich variation types were selected： Dingxi 53， 10102-1， Mace， and EmuRock.

Key words： Spring wheat; Germplasm resource; Quality trait; Genetic diversity index; Cluster analysis

黄土高原旱作雨养区地域辽阔，土层深厚，气候温和，光照充足，昼夜温差大，光热资源丰富，有利于提高小麦光合效率和干物质积累，非常适合小麦的生长［1 ］，因此小麦是西北黄土高原旱作雨养农业区最主要的粮食作物之一［2 ］。小麦作为重要的粮食作物，如何保证高产稳产是关乎国家粮食安全和粮食供给平衡的重要问题［3 ］。因此，提高小麦种质资源的遗传多样性，根据育种目标和市场需求来选育小麦新品种，对推动黄土高原旱作雨养区小麦产业高质量发展具有重要意义［4 ］。

在育种过程中，种质资源的遗传多样性发挥重要作用。近年来，众多学者就小麦种质资源的遗传多样性开展了研究，总体表现出种质的遗传差异与种质地理来源有关系，不同区域小麦种质资源的遗传特点及遗传基础具有明显差异［5 - 9 ］。当前对于陇中黄土高原旱作区春小麦种质资源的遗传特点研究较少，对新培育的育种资源缺乏综合比较。另外，品质育种的指标测定较为复杂，研究小麦农艺性状与品质性状之间的关系，可在育种过程中利用正相关关系，快速筛选高品质种质资源，是快速选育小麦种质资源最有效的手段。

本研究以149份春小麦种质资源为研究对象，通过农艺形状和品质特性研究其遗传多样性，并分析性状间相关性，同时运用聚类分析法对遗传多样性进行聚类分析，以期筛选出新的高产优质春小麦种质资源，这对推动黄土高原旱作雨养区春小麦产业高质量发展和保障区域粮食安全意义重大。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验在典型黄土高原旱作雨养区定西市农业科学研究院试验基地进行，当地海拔1 920 m，年均气温8.3 ℃，年均降水量386.6 mm，年均日照时数2 600 h，无霜期平均为140 d。春小麦生育期（3月底至7月底）平均气温为13.6 ℃，降水量为210 mm［10 ］。试验地土壤为黄绵土，耕层土壤含全氮0.8 mg/kg、碱解氮86.2 mg/kg、速效磷26.0 mg/kg、速效钾203.0 mg/kg、有机质19.0 g/kg，pH 7.8。

1.2 试验设计

149份春小麦种质材料于2021 — 2023年连续种植3 a，采用顺序排序种植，不设重复。每份材料均种植4行，按行距0.3 m、行长1.5 m。3月29日播种，7月下旬成熟收获，田间管理同大田。

1.3 田间观测及室内考种

成熟期每小区随机选取长势均匀、株型一致的10株植株，测量株高和穗长，统计单株穗数和小穗数。收获时每小区随机选取10株测量单株产量。以上数据均重复3次并取平均值。

小麦蜡熟期每小区随机选取40株小麦植株，手工脱粒晒干后用近红外品质分析仪（NIRS DS-2500）测定小麦籽粒灰分含量、水分含量、蛋白质含量、淀粉含量、降落数值、硬度、容重、湿面筋含量、弱化度、沉降值等品质指标。

1.4 统计分析

遗传多样性指数的计算参照李晶等［11 ］的方法。

H′=-∑PilnPi，

式中，H′为遗传多样性指数，Pi为某一性状第i个级别出现的频率。

对供试个春小麦种质资源的农艺性状和品质性状进行相关性分析和主成分分析。以欧式距离作为供试资源间距离进行聚类分析，相关性分析、主成分分析和聚类分析均使用SPSS 19.0统计分析软件。采用Excel 2013软件处理数据并绘图，各指标值均为每份春小麦种质材料3 a测定值的平均值。

2 结果与分析

2.1 品质性状遗传变异分析

从表1可以看出，10个品质性状的多样性指数介于1.77～2.03，平均为1.924，表明各品质性状多样性丰富，遗传基础广。10个品质性状的变异系数介于1.83％～50.64％。其中弱化度的变异系数最高，达到50.64%，即弱化度在小麦种质资源间有很大的差异，变异类型很丰富；降落数值和沉降值的变异系数分别为23.41%和16.44%，即降落数值和沉降值变异类型较为丰富；硬度、湿面筋含量和蛋白质含量的变异系数分别为8.91%、6.00%和5.82%，即这3个性状种质资源间差异相对较小；灰分含量、水分含量、容重、淀粉含量的变异最小，变异系数分别为2.64%、1.83%、3.43%、2.45%，说明这4个性状在种质资源间差异很小，很稳定。

2.2 农艺性状遗传变异分析

分析表2数据可知，供试各春小麦种质资源的5个农艺性状的多样性指数介于1.84～2.04，平均值为1.958。单株产量的变异系数最高，达40.97%，表明单株产量在不同春小麦种质资源间具有很大差异，且变异类型丰富；单株穗数、株高、穗长、小穗数的变异系数介于22.03%～28.27%，即这4个指标的变异类型较为丰富，多样性指数较高。

2.3 品质性状与农艺性状相关性分析

对供试149份春小麦种质资源农艺性状和品质性状的相关性进行分析的结果（表3）表明，穗长与单株产量、株高呈极显著正相关，与单株穗数呈极显著负相关；株高与单株穗数、单株产量均呈极显著负相关；单株穗数与单株产量呈极显著正相关。湿面筋含量与硬度、弱化度呈极显著负相关；沉降值与淀粉含量、降落数值湿面筋含量呈极显著正相关；穗长与淀粉含量、降落数值、湿面筋含量、沉降值呈极显著正相关；小穗数与淀粉含量显著正相关，与湿面筋含量、沉降值均呈极显著正相关；单株穗数与硬度、弱化度呈极显著正相关，与容重、湿面筋含量呈极显著负相关；单株产量与蛋白质含量、水分含量、硬度呈极显著负相关，与淀粉含量、湿面筋含量、降落数值呈负相关但未达显著水平。

2.4 农艺性状和品质性状主成分分析

为了挖掘各性状间起主导作用的综合指标，突出体现重要指标，对149份春小麦种质资源变异系数超过10%的性状进行主成分分析。从图1可以看出，前3个主成分特征值均大于1，能较全面的反应样本的信息。从表4可以看出，在第一主成分中载荷较高的是单株产量、单株穗数、降落数值和弱化度，因此，以提高产量和低α-淀粉酶活性为改良目标时，第一主成分值应适量增大；第二主成分中载荷较高的是沉降值、降落数值，因此，以改善小麦籽粒品质为育种主要目标时应重点关注第二主成分指标。

2.5 小麦种质资源聚类分析

使用组间联结的办法，依据欧氏平方距离对供试小麦种质资源进行系统聚类分析，结果将149份供试春小麦种质资源分为五大类（图2），第Ⅰ类包括定西51号、会宁23号、陇春47号等98份，占全部供试材料的65.77%；第Ⅱ类包括陇春51号、西紫1号、乌春10号等41份，占全部供试材料的27.52％；第Ⅲ类有4份，分别为定西53号、10102-1、Mace、EmuRock ，占全部供试材料的2.68%；第Ⅳ类有2份，分别为乌麦3号、互麦11号，占全部供试材料的1.34％；第Ⅴ类有4份，分别为乌春4号、M0326-7、云9526-10、9624-2，占全部供试材料的2.68％。

对每一类种质资源的性状进行统计分析（表5）发现，第Ⅰ类种质资源的蛋白质含量、湿面筋含量、沉降值均高于其他4类；第Ⅲ类种质资源的小穗数、株高、单株穗数、单株产量、降落数值、硬度、弱化度均高于其他4类；第Ⅳ类种质资源的水分含量、淀粉含量、容重均高于其他4类，弱化度仅比第Ⅱ类高13.8%，比其他3个类群低；第Ⅴ类种质资源的穗长高于其他4类。因小穗数、单株穗数均与小麦产量构成因素直接相关，单株产量与总产量直接相关，而第Ⅲ类种质资源的小穗数9.13个、单株穗数2.85个、单株产量3.21 g均为最高，因此认为第Ⅲ类种质资源为产量优良资源。第Ⅰ类资源蛋白质含量174.7 g/kg、湿面筋含量361.6 g/kg、沉降值34.23 mL，均为最高，因此认为第Ⅰ类种质资源为强筋种质资源；第Ⅳ类种质资源淀粉含量最高，蛋白质含量仅高于第Ⅲ类资源，湿面筋含量和沉降值均较低，因此认为第Ⅳ类种质资源为弱筋种质资源。

对每类种质资源各性状的变异程度进行分析，发现第Ⅱ类种质资源株高、单株产量的变异系数高于其他4类；第Ⅲ类种质资源单株穗数、水分含量、蛋白质含量、淀粉含量、湿面筋含量的变异系数高于其他4类；第Ⅳ类种质资源穗长、灰分含量、容重、弱化度、沉降值的变异系数高于其他4类；第Ⅴ类种质资源小穗数、降落数值、硬度的变异系数高于其他4类。综上所述，第Ⅲ类小麦种质资源为产量优良资源，同时其蛋白质含量、淀粉含量、湿面筋含量3个重要的品质指标的变异系数分别为8.45%、2.86%、8.31%，均高于其他4类，可在利用第Ⅲ类的定西53号、10102-1、Mace、EmuRock这4份春小麦种质资源性状特点和变异特点将其作为今后的育种材料。

3 讨论与结论

丰富的遗传基础是品种选育的前提，变异系数表示性状的多样性水平，遗传多样性指数反映品种遗传变异的大小［12 ］。本研究表明，供试的149份春小麦种质资源品质性状的多样性指数介于1.77～2.03，平均值为1.924。降落数值变异系数为23.41%，仅次于弱化度；沉降值的变异系数为16.44%，仅低于弱化度和降落数值的变异系数；灰分含量、水分含量、容重、淀粉含量的变异较小，变异系数介于1.83%～3.43%。小穗数、穗长、株高、单株穗数、单株产量等5个农艺性状的多样性指数介于1.84～2.04，平均值为1.958。许娜丽［13 ］研究发现，小麦农艺性状的变异系数明显高于品质性状的变异系数，沉降值和降落数值的变异系数较大，容重和水分含量的变异系数较小；崔文礼等［14 ］对黄淮麦区35个小麦品种（系）品质性状比较分析表明，沉淀值的变异系数较大。以上结论均与本研究一致。

性状间的相关性研究有助于了解性状间的相互关系，筛选与目标性状紧密关联的指标性状，可提高方案制定效率［15 ］。有研究表明，产量与蛋白质和沉淀值或湿面筋多呈显著或极显著负相关性［16 - 18 ］。张喜平等［19 ］对天水市农业科学研究所选育的天选系列54份冬小麦新品系的研究表明，穗粒数与产量极显著相关，籽粒产量与蛋白质、湿面筋含量、沉降值呈显著负相关，即提高产量可能会使品质变劣，高产与优质较难同步改良。本研究也表明，单株产量与蛋白质含量呈极显著负相关，与淀粉含量、湿面筋含量、降落数值呈负相关。陆晴等［20 ］研究表明，成穗数与小麦产量具有显著相关性（R=0.623）。本研究表明，单株穗数与单株产量呈极显著正相关。曹俊梅等［21 ］对新疆近年来部分中晚熟冬小麦新品系产量和品质性状的关系研究结果表明，主穗粒重与湿面筋显著正相关，成穗数与湿面筋呈极显著负相关，千粒重与湿面筋呈显著正相关。在后续的育种工作中，可充分利用形态指标与品质指标之间的相关性筛选优质种质资源，提高育种工作效率。

供试149份春小麦种质资源各性状具有丰富的多样性，变异类型丰富，品种改良的潜力大。对试验结果分析得出，单株穗数与单株产量呈极显著正相关；单株产量与蛋白质含量呈极显著负相关，与淀粉含量、湿面筋含量、降落数值呈负相关。通过聚类分析将供试149份春小麦种质资源分为5类，其中第Ⅲ类的定西53号、10102-1、Mace、EmuRock等 4份春小麦种质资源的小穗数、单株穗数、单株产量均最高，蛋白质含量、淀粉含量、湿面筋含量变异系数均最高，是性状优良且变异类型丰富的春小麦种质资源，可在今后的育种工作中加以利用。

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