61份小麥異源附加系種質(zhì)的表型多樣性分析

宋全昊， 金 艷， 宋佳靜， 陳 杰， 趙立尚， 白 冬， 陳 亮， 朱統(tǒng)泉

(1.駐馬店市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南駐馬店 463000； 2.國際玉米小麥改良中心，墨西哥埃爾巴丹 6-641 06600；3.西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，陜西楊凌 712100)

小麥作為三大糧食作物之一，為人類糧食安全提供了重要保障。長期以來，育種家通過常規(guī)育種的方法進(jìn)行新品種的選育并取得了可觀的成果，然而個(gè)別骨干親本的大量使用，使地方品種和原始品種急劇減少，造成現(xiàn)有遺傳基礎(chǔ)越來越狹窄。拓寬現(xiàn)有資源的遺傳基礎(chǔ)在當(dāng)前的小麥研究中日漸重要，小麥野生近緣屬物種具有豐富的物種多樣性和遺傳多樣性，其中一些具有抗白粉病、稈銹病、葉銹病和條銹病等抗性基因，還有耐寒、耐旱、抗鹽、分蘗強(qiáng)、多花、品質(zhì)優(yōu)等大量優(yōu)異基因，可為小麥的遺傳改良提供豐富的基因資源。小麥與其近緣屬間雜交的成功，使利用外源染色體中優(yōu)異基因成為現(xiàn)實(shí)，因此外源基因的轉(zhuǎn)移和利用被認(rèn)為是當(dāng)前小麥資源改良的有效途徑。

通過遠(yuǎn)緣雜交的方法將小麥野生近緣屬物種中的1條或者多條染色體導(dǎo)入小麥中，可創(chuàng)制出單體附加、二體附加和多體附加等不同的異源附加系。長穗偃麥草、冰草、黑麥、山羊草、簇毛麥、賴草、鵝觀草等在內(nèi)的多種小麥近緣種附加系已通過染色體工程育成。野生近緣屬物種外源染色體的導(dǎo)入，在保留普通小麥遺傳基礎(chǔ)的情況下，將優(yōu)良的性狀、抗性基因整合到了普通小麥中，使得這些材料在具有普通小麥的特點(diǎn)之外，表達(dá)出部分異源材料的優(yōu)良特性，不僅豐富了小麥的遺傳基礎(chǔ)，也可作為重要的橋梁材料，這對(duì)小麥理論研究和遺傳育種改良具有十分重要的應(yīng)用價(jià)值。

當(dāng)前已經(jīng)有大量研究報(bào)道了野生近緣種向普通小麥轉(zhuǎn)移的應(yīng)用，如陳士強(qiáng)等對(duì)長穗偃麥草附加系、代換系及親本等31份材料進(jìn)行赤霉病菌接種，證明了長穗偃麥草含有赤霉病抗性主效基因且定位于1E和7E染色體，其中7E染色體的短臂具有良好的赤霉病抗性。趙繼新等對(duì)小麥-華山新麥草1Ns二體異源附加系H9021-28-5的研究表明，與親本7182相比，異源附加系H9021-28-5條銹病抗性增強(qiáng)的同時(shí)，品質(zhì)指標(biāo)也得到顯著改善。解睿等研究表明小麥-大賴草異源附加系可用于小麥農(nóng)藝性狀、黃矮病、條銹病和耐熱性的抗性改良。張潔等利用具有高抗條銹病的中國春-簇毛麥附加系和普通小麥中國春雜交產(chǎn)生了小麥-簇毛麥高抗條銹病滲入系CD-3，并將該條銹病抗性基因定位于簇毛麥3V染色體上。但準(zhǔn)確評(píng)價(jià)異源附加系主要農(nóng)藝性狀是利用的基礎(chǔ)，因此本研究對(duì)61份引進(jìn)的小麥異源附加系材料的15個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行綜合分析，以期為這批材料的篩選和利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選用61份不同來源的小麥異源附加系作為試驗(yàn)材料，材料名稱詳見表1，來源于國際小麥玉米改良中心(International Maize and Wheat Improvement Center，CIMMYT)。

表1 供試小麥異源附加系材料

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料于2018—2019年在西北農(nóng)林科技大學(xué)旱區(qū)農(nóng)業(yè)節(jié)水研究院的試驗(yàn)田(34.7°N，108.4°E)中進(jìn)行初篩，2019—2020年和2020—2021年連續(xù)2個(gè)小麥生長季種植于國家小麥產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系駐馬店試驗(yàn)站(32.59°N，114.2°E)。試驗(yàn)設(shè)置3次重復(fù)，按照完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，行長2.00 m，行距0.30 m，株距0.10 m，每個(gè)重復(fù)各材料種植4行，手工單粒點(diǎn)播，肥水管理與病蟲害防治同大田生產(chǎn)。

1.3 性狀測定

收獲前測定農(nóng)藝性狀，每個(gè)材料隨機(jī)選取10株，調(diào)查性狀包括株高、穗下節(jié)、穗下莖、穗長、旗葉長、旗葉寬、旗葉面積、小穗數(shù)、穗粒數(shù)、單株分蘗、不育小穗數(shù)、生物量、產(chǎn)量、千粒質(zhì)量和收獲系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

全部數(shù)據(jù)調(diào)查匯總后，利用Excel 2013進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)處理，計(jì)算各性狀的均值、最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)偏差、變異系數(shù)和多樣性指數(shù)。利用SPSS 26.0進(jìn)行相關(guān)分析和主成分分析；用RStudio對(duì)性狀進(jìn)行聚類作圖，依據(jù)聚類結(jié)果用SAS 9.2對(duì)不同類群的性狀進(jìn)行多重比較分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要性狀特點(diǎn)及多樣性分析

對(duì)61份小麥異源附加系材料的性狀特點(diǎn)進(jìn)行分析，結(jié)果(表2)表明，這批附加系材料與中國春之間存在明顯的差異。15個(gè)性狀的變異系數(shù)范圍為8.02%～43.38%，平均25.17%。株高的變異系數(shù)最小，為8.02%，其余各性狀均大于株高，其中穗下莖、旗葉面積、分蘗、不育小穗數(shù)、生物量、產(chǎn)量、收獲系數(shù)等7個(gè)性狀的變異系數(shù)較高。說明這批異源附加系材料之間的各項(xiàng)性狀差異較大，尤其是上述的7個(gè)性狀。 多樣性指數(shù)(′)范圍1.62～2.07，平均1.93，其中穗下莖、穗粒數(shù)、不育小穗數(shù)、分蘗、穗下節(jié)、產(chǎn)量、生物量、小穗數(shù)等8個(gè)性狀高于平均值。表明各性狀的綜合變異較大，遺傳類型豐富，尤其是小穗數(shù)、穗粒數(shù)、分蘗、穗下莖、生物量和產(chǎn)量。

表2 主要農(nóng)藝性狀比較

表2(續(xù))

2.2 主要性狀的相關(guān)性分析

對(duì)61份異源附加系材料的主要農(nóng)藝性狀間的相關(guān)性進(jìn)行分析，結(jié)果(表3)表明，株高與其他7個(gè)性狀顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)從大到小依次為穗下莖0.54>小穗數(shù)0.46>穗下節(jié)0.45>產(chǎn)量0.40>穗粒數(shù)0.39>千粒質(zhì)量0.33>生物量0.26。除不育小穗數(shù)和收獲系數(shù)外，其他性狀均與生物量呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為株高0.26、穗下節(jié)0.36、穗下莖0.28、穗長0.26、旗葉面積0.28、小穗數(shù)0.36、穗粒數(shù)0.28、千粒質(zhì)量0.15。產(chǎn)量與8個(gè)性狀呈正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)從高到低依次為生物量0.69>穗粒數(shù)0.54>株高0.40>收獲系數(shù)0.36>穗下節(jié)0.36>穗下莖0.36>小穗數(shù)0.31>千粒質(zhì)量0.29。千粒質(zhì)量與株高呈顯著正相關(guān)，與旗葉面積和分蘗呈負(fù)相關(guān)，說明隨著旗葉面積和分蘗的增加，千粒質(zhì)量逐漸下降；收獲系數(shù)與穗粒數(shù)呈顯著正相關(guān)。

表3 主要農(nóng)藝性狀相關(guān)性比較

2.3 主要性狀的主成分分析

將供試材料的主要性狀進(jìn)行降維因子分析，結(jié)果(表4)表明，前5個(gè)主成分所構(gòu)成的信息量為總信息量的78.32%，其中前3個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率達(dá)62.5%，反映了全部信息中的大部分信息。根據(jù)特征值和各主成分的貢獻(xiàn)率可以看出，第一主成分的特征值為4.76，主要貢獻(xiàn)率為31.71%，對(duì)應(yīng)的特征向量以穗下節(jié)、小穗數(shù)、穗長、穗粒數(shù)影響較大；第二主成分的特征值為3.10，主要貢獻(xiàn)率為20.66%，對(duì)應(yīng)的特征向量以葉面積負(fù)值最大(-0.695)，其次是產(chǎn)量(0.625)；第三主成分的特征值為1.52，主要貢獻(xiàn)率為10.14%，以生物量和分蘗為主要值，收獲系數(shù)為 -0.453；第四主成分的特征值為1.26，主要貢獻(xiàn)率為8.41%，對(duì)應(yīng)的特征向量以千粒質(zhì)量最大，分蘗為-0.430；第五主成分的特征值為1.11，主要貢獻(xiàn)率為7.41%，特征向量以收獲系數(shù)最大；特征值與因子相互關(guān)系的碎石圖(圖1)，從側(cè)面反映前5個(gè)主成分基本上代表了供試異源附加系資源的15個(gè)原始性狀指標(biāo)的絕大部分信息。

表4 各主要農(nóng)藝性狀的主成分分析

2.4 聚類分析

利用15個(gè)性狀的數(shù)據(jù)對(duì)61份異源附加系進(jìn)行聚類分析，材料可分為4個(gè)類群(圖2)。類群Ⅰ包含8、17、14、43等32個(gè)系，占52.46%； 類群Ⅱ包含26、19、47等15個(gè)系，占24.59%；類群Ⅲ包含5、3、48等8個(gè)系，占13.11%；類群Ⅳ包含61、53、1等6個(gè)系， 占9.84%。 按照聚類結(jié)果對(duì)不同類群的性狀

特點(diǎn)進(jìn)行分析(表5)，第Ⅰ類群材料表現(xiàn)為穗長最短，旗葉面積最小，小穗數(shù)、穗粒數(shù)、生物量產(chǎn)量相對(duì)較少，不育小穗數(shù)最多。第Ⅱ類群材料表現(xiàn)為株高及相關(guān)的穗下節(jié)、穗下莖最低，生物量和收獲產(chǎn)量最低，收獲系數(shù)最高。第Ⅲ類群材料表現(xiàn)為千粒質(zhì)量和分蘗最多，生物量和產(chǎn)量相對(duì)較多。第Ⅳ類群材料表現(xiàn)為株高、穗下節(jié)、穗下莖、旗葉面積、穗長、穗粒數(shù)、生物量、產(chǎn)量最大，但千粒質(zhì)量和收獲系數(shù)最低。因此，在資源的改良應(yīng)用中，應(yīng)注意不同類群異源附加系材料的特征進(jìn)行篩選利用，結(jié)合本試驗(yàn)結(jié)果在這批小麥異緣附加系中應(yīng)重點(diǎn)應(yīng)用第Ⅲ類群和第Ⅳ類群對(duì)小麥的資源進(jìn)行農(nóng)藝性狀的改良。

表5 各類群農(nóng)藝性狀的統(tǒng)計(jì)比較結(jié)果

3 討論

3.1 小麥異緣附加系的主要性狀特點(diǎn)

長期的人工選擇，導(dǎo)致育成小麥品種表現(xiàn)出了高度的遺傳相似性，不但降低了小麥品種的適應(yīng)性，而且使當(dāng)前的小麥產(chǎn)量水平很難取得突破性進(jìn)展。如何拓寬小麥資源是當(dāng)前急需解決的重要問題，小麥異源附加系既具有普通小麥的基本特性，又含有大量的野生優(yōu)異基因，可以豐富小麥的資源遺傳基礎(chǔ)。但同時(shí)，異源附加系還具有攜帶外源不良基因等缺點(diǎn)，使其難以在生產(chǎn)上直接利用，因此對(duì)其主要性狀的特征進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，有利于充分明確其優(yōu)缺點(diǎn)，進(jìn)而提高利用的側(cè)重點(diǎn)。本研究通過對(duì)61份多種類型的異源附加系材料的主要性狀進(jìn)行綜合評(píng)估，15個(gè)性狀的變異系數(shù)為8.02%～43.38%，均值為25.17%，遠(yuǎn)高于張婷等對(duì)263份黃淮麥區(qū)小麥品種統(tǒng)計(jì)的5個(gè)農(nóng)藝性狀變異系數(shù)4.21%～15.09%。多樣性指數(shù)為1.62～2.07，平均1.93，生物量和產(chǎn)量的變異系數(shù)和多樣性指數(shù)分別為40.57%、1.98和41.76%、1.99。此外，田間調(diào)查表明供試材料具有植株高大、分蘗強(qiáng)等特點(diǎn)，與之前任天恒等培育的一個(gè)小麥-黑麥易位系T956-13的分蘗力強(qiáng)、生長繁茂有一定的一致性。初步表明這批材料類型多樣，遺傳變異豐富，可以為今后的育種提供豐富的資源材料。

3.2 相關(guān)性評(píng)價(jià)的應(yīng)用

相關(guān)分析有效揭示了主要性狀之間的關(guān)系，本研究得出多個(gè)農(nóng)藝性狀與株高呈正相關(guān)關(guān)系，表明了較高的植株，其穗下莖較長、穗下節(jié)較長，小穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量也較大，其生物量和產(chǎn)量也相對(duì)較高，但收獲系數(shù)卻相對(duì)較低；除不育小穗數(shù)和收獲系數(shù)外，生物量與其他性狀均正相關(guān)，其中與穗下節(jié)和小穗數(shù)的相關(guān)性最大(相關(guān)系數(shù)為0.36)；產(chǎn)量與8個(gè)性狀呈顯著正相關(guān)關(guān)系。雖然產(chǎn)量與生物量和株高的相關(guān)系數(shù)較大，但較高的生物量會(huì)伴隨較低的收獲系數(shù)和較高植株帶來的倒伏風(fēng)險(xiǎn)，因此在利用異源附加系提高產(chǎn)量的時(shí)候要注意株高及相關(guān)性狀的控制，提高小穗數(shù)和穗粒數(shù)是改良普通小麥的有效途徑。本研究與解睿等研究表明大賴草H染色體有增加小穗數(shù)、劉登才等研究表明長穗偃麥草的 4E 染色體對(duì)增加小穗數(shù)有很強(qiáng)的效應(yīng)較為一致；但與郭軍等發(fā)現(xiàn)長穗偃麥草 1Ee染色體不僅降低了旗葉長和寬，還降低了穗粒數(shù)、小穗數(shù)和千粒質(zhì)量等性狀不盡相同，分析原因可能是因?yàn)椴煌芯咳藛T利用的野生資源不同。

3.3 主成分分析的應(yīng)用

在種質(zhì)資源材料的評(píng)價(jià)方面因其農(nóng)藝性狀較多、群體較大且各性狀間存在著或多或少的相關(guān)性，僅靠人工經(jīng)驗(yàn)根據(jù)表型直觀的評(píng)選，難度較大，且會(huì)增加較大的主觀性。主成分分析法可以避免上述問題，較為科學(xué)地對(duì)品系的綜合性狀進(jìn)行評(píng)價(jià)，目前廣泛應(yīng)用于小麥資源的評(píng)價(jià)。莊萍萍等對(duì)來自15個(gè)國家 (地區(qū)) 的 81 份波斯小麥進(jìn)行了農(nóng)藝性狀主成分分析，結(jié)果表明前4個(gè)主成分 (分蘗因子、粒重因子、穗粒數(shù)因子、抽穗期因子)對(duì)變異的貢獻(xiàn)率達(dá)85.61%。本研究將61份異源附加系的主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析，前5個(gè)主成分所構(gòu)成的信息量為總信息量的78.32%，基本上代表了供試異源附加系資源的15個(gè)原始性狀指標(biāo)的絕大部分信息。揭示了各主成分包含的性狀是相互聯(lián)系的，因此在育種工作中應(yīng)根據(jù)育種目標(biāo)充分考慮各農(nóng)藝性狀之間的相互關(guān)系，加強(qiáng)對(duì)相應(yīng)主成分因子的選擇。根據(jù)主成分分析的結(jié)果綜合考慮，這批材料應(yīng)以穗下節(jié)和穗長較長，小穗數(shù)和穗粒數(shù)較大，生物量、分蘗和千粒質(zhì)量適度，收獲系數(shù)高，葉面積適度為好，這與莊萍萍等的研究結(jié)果較為一致。

3.4 聚類分析的應(yīng)用

聚類分析已經(jīng)應(yīng)用于育種材料的親本選配、種質(zhì)資源的分類以及品種間遺產(chǎn)差異性分析等研究。顏澤洪等通過對(duì)67個(gè)小麥異源(黑麥)重組系進(jìn)行聚類分析，結(jié)果表明來源于黑麥的這些重組系之間遺傳差異較大，共聚為4類。本研究的聚類結(jié)果并沒有因附加系來源于相同近緣種屬而聚為同一類，如來源相同的編號(hào)1～8，其中2、6、7、8聚為第Ⅰ類群，3、4、5聚為第Ⅲ類群，1聚為第Ⅳ類群，證明野生近緣種的遺傳差異較大，因來源不同或者來源相同但附加的染色體不同，其遺傳變異也較大，農(nóng)藝性狀也表現(xiàn)出了復(fù)雜多樣性。聚類結(jié)果客觀地反映了材料間的農(nóng)藝性狀差異，對(duì)異源附加系進(jìn)行分類匯總，為對(duì)普通小麥種質(zhì)資源的農(nóng)藝及產(chǎn)量性狀的改良奠定了基礎(chǔ)。因此依據(jù)分類，在今后利用時(shí)可根據(jù)親本各性狀的聚類結(jié)果考慮其遺傳距離，進(jìn)行優(yōu)勢互補(bǔ)。

4 結(jié)論

對(duì)這批新引進(jìn)的穩(wěn)定小麥異源附加系材料進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)表明：這批材料遺傳變異較大，類型豐富；較高的植株伴隨著較低的收獲系數(shù)，可以通過選擇多小穗數(shù)和穗粒數(shù)的材料來克服；主成分分析后，前5個(gè)主成分所構(gòu)成的信息量為總信息量的78.32%，反映了全部信息中的大部分信息；根據(jù)15個(gè)農(nóng)藝性狀可將61份異源附加系分為4類，不同群組之間農(nóng)藝性狀存在差異，育種中可重點(diǎn)利用第Ⅲ類群的高千粒質(zhì)量和多分蘗，以及第Ⅳ類群的多穗粒、高生物量、高產(chǎn)量等優(yōu)點(diǎn)對(duì)普通小麥嘗試改良，用于拓寬種質(zhì)資源。