高 杰 封廣才 李曉榮 李青風 彭 秋

（1貴州省農(nóng)業(yè)科學院旱糧研究所，550006，貴州貴陽；2黔東南州扶貧開發(fā)辦公室，556000，貴州凱里；3楚雄彝族自治州農(nóng)業(yè)科學院，675000，云南楚雄）

高粱是世界第五大禾谷類作物，是C4植物的模式植物[1]，具有光合效率高和抗逆耐瘠等特點[2]，是環(huán)境友好型和資源節(jié)約型作物[3]。隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，高粱在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中擁有巨大的發(fā)展空間和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢，其中，釀酒業(yè)是我國經(jīng)濟發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)之一，也是我國高粱產(chǎn)業(yè)中最具優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿Φ漠a(chǎn)業(yè)之一[4]。貴州省主要利用高粱來釀酒，現(xiàn)階段主要以紅纓子為主推品種，品種比較單一，抗性退化嚴重，因此全面了解貴州高粱種質(zhì)資源的遺傳多樣性信息，可以為雜交親本選擇、高產(chǎn)抗逆新品種選育提供理論基礎。

種質(zhì)資源是遺傳研究與育種應用的基礎，科學有效地評價種質(zhì)資源的遺傳多樣性和遺傳關系是資源鑒定、保護及品種改良等工作的重要內(nèi)容[5]，利用表型性狀開展高粱種質(zhì)資源遺傳多樣性水平評價是現(xiàn)階段行之有效的途徑之一[6-7]。Ayana等[8]分析了來自埃塞俄比亞和厄立特里亞的415份高粱地方品種的表型多樣性，發(fā)現(xiàn)高粱有高度的表型變異。Appa Rao等[9]研究了保存在國際熱帶半干旱地區(qū)作物研究所（International Crops Research Institute for the Semi-Arid Tropics）的2 343份印度高粱地方品種，發(fā)現(xiàn)也存在高度的遺傳變異。陳艷麗等[6]對國內(nèi)外207份高粱種質(zhì)資源的主要農(nóng)藝性狀進行研究，發(fā)現(xiàn)千粒重的多樣性指數(shù)最高，穗形頻率分布較為集中，紡錘形最多。Djè等[10]利用SSR標記分析了來自世界各地分別代表5個不同族的25個栽培高粱種質(zhì)資源的遺傳多樣性，發(fā)現(xiàn)不同分類、不同地理來源的高粱種質(zhì)資源存在著不同的多樣性，其中來自非洲東部地區(qū)的雙色族高粱資源存在著最多的遺傳變異。Li等[11]利用葉綠體基因組SSR標記分析了185個中國高粱地方品種的遺傳多樣性，結(jié)果表明，中國高粱的等位基因和連鎖群具有較低的遺傳多樣性。Zhang等[12]以69個國外高梁品種為對照，利用32個高粱核基因組SSR標記研究了184份中國高粱地方品種的遺傳多樣性，結(jié)果表明中國高粱的平均基因多樣性為0.629，與非洲南部地區(qū)高粱相當。

前人對高粱的遺傳多樣性已做了大量研究，主要是對國內(nèi)外或多區(qū)域種質(zhì)進行的分析，而關于貴州地區(qū)高粱種質(zhì)資源的遺傳多樣性研究尚未見報道，因此，本研究通過對高粱種質(zhì)資源描述型性狀和數(shù)值型性狀的規(guī)范化調(diào)查，考察貴州地區(qū)不同高粱種質(zhì)資源表型多樣性和變異特點，以期為高粱的品種改良、選育及優(yōu)異種質(zhì)材料挖掘提供數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為220份貴州本地高粱種質(zhì)資源（表1），均由貴州省農(nóng)業(yè)科學院旱糧研究所提供。于2017-2018年種植于貴州省農(nóng)業(yè)科學院旱糧研究所試驗基地，試驗地屬于亞熱帶濕潤季風氣候，土壤類型為黏土，土壤有機質(zhì)含量13.9g/kg，全氮1.32g/kg，堿解氮356.48mg/kg，速效磷19.97mg/kg，速效鉀236.59mg/kg，pH值為7.2。采用隨機區(qū)組試驗設計，3次重復，2行區(qū)，行長5m，行寬60cm，小區(qū)面積6m2。栽培管理同大田生產(chǎn)。試驗材料的描述型性狀于田間進行觀測記錄，數(shù)值型性狀每份資源調(diào)查10株，取2年數(shù)據(jù)的平均值進行計算。

表1 供試的220份貴州地區(qū)高粱種質(zhì)資源Table 1 The 220 sorghum germplasm resources used in Guizhou

續(xù)表1 Table 1 (continued)

1.2 試驗方法

從高粱出苗－成熟整個生育期進行主要表型數(shù)據(jù)調(diào)查和觀測，表型性狀調(diào)查主要包括生育期、有效分蘗數(shù)、節(jié)間數(shù)、株高、莖粗、穗長、主穗柄長、穗粒重和千粒重9個數(shù)值型性狀指標以及穗型、穗柄狀態(tài)、穗形、籽粒包被度、殼色和粒色6個形態(tài)描述型性狀指標。形態(tài)描述型性狀指標按照標準要求進行分級賦值，數(shù)值型性狀指標則無需賦值，對實際測得的數(shù)值直接進行統(tǒng)計計算。所有表型數(shù)據(jù)采集和分級標準見表2。

表2 高粱種質(zhì)資源6個形態(tài)性狀描述標準Table 2 Description standard on six agronomic characteristics of sorghum germplasm resources

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

根據(jù)形態(tài)描述型性狀的遺傳多樣性的分級和賦值，采用Shannon′s信息指數(shù)（H′）進行描述和評價，計算公式為：H′=-ΣPi×lnPi，其中，Pi表示第i種變異類型出現(xiàn)的頻率，用所有相應性狀H′的平均值表示一組或所有種質(zhì)的遺傳多樣性程度[13]。采用SPSS 19.0進行主成分和聚類分析，采用Excel 2010處理各性狀數(shù)據(jù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 貴州省高粱種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀多樣性

貴州省220份高粱種質(zhì)資源數(shù)值型農(nóng)藝性狀多樣性見表3。220份種質(zhì)平均生育期為124.5d，極大值與極小值之間相差57.0d，有效分蘗數(shù)平均為1.9個，節(jié)間數(shù)為11.3個，株高和莖粗分別為351.9cm和14.2mm。穗部性狀主要有穗長、主穗柄長、穗粒重和千粒重，平均分別為37.5cm、62.9cm、39.3g和19.3g。其中變異系數(shù)最大的為穗粒重，為37.46%，其次為有效分蘗數(shù)。各性狀的多樣性指數(shù)為1.87～2.07，多樣性豐富，其中以有效分蘗數(shù)多樣性指數(shù)最高，為2.07，多樣性指數(shù)排序為有效分蘗數(shù)＞節(jié)間數(shù)＞千粒重＞穗長＞生育期=莖粗=穗粒重＞主穗柄長＞株高。

貴州省220份高粱種質(zhì)描述型性狀多樣性見表4。供試的220份高粱種質(zhì)中，穗部性狀主要有穗型、穗柄狀態(tài)和穗形，其中穗型主要以散穗為主，穗柄狀態(tài)主要以彎為主，穗形主要以傘形為主。籽粒相關性狀有包被度、殼色和粒色，籽粒包被度以包被1/2頻率最高，為46.8%，全裸和全包被占比很小。殼色主要以紅色為主，粒色主要以黃色和褐色為主。6個描述型性狀的遺傳多樣性指數(shù)為0.185～0.796，大小順序為殼色＞包被度＞粒色＞穗形＞穗型＞穗柄狀態(tài)，以殼色多樣性指數(shù)最高。

表3 高粱種質(zhì)數(shù)值型性狀變異及多樣性指數(shù)Table 3 Variations and diversity indexes of numerical characteristics in sorghum germplasms

2.2 貴州省不同地區(qū)高粱種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀多樣性比較

貴州各地區(qū)高粱種質(zhì)農(nóng)藝性狀差異見表5。從變異幅度來看，各地區(qū)高粱的有效分蘗數(shù)、殼色和粒色均存在較大變異，分別大于30.00%、34.00%和31.00%。黔南、黔西南、黔東南和黔西地區(qū)高粱種質(zhì)的籽粒包被度也存在較大變異，分別為41.13%、38.52、47.21%和37.06%。從多樣性指數(shù)來看，黔中和黔西地區(qū)高粱種質(zhì)以莖粗多樣性指數(shù)最高，分別為1.92和1.96。黔南地區(qū)以節(jié)間數(shù)和穗粒重多樣性最豐富，多樣性指數(shù)分別為2.06和2.03。黔西南和黔東南地區(qū)高粱種質(zhì)有效分蘗數(shù)的多樣性指數(shù)最高，分別為2.05和2.00。此外，黔西南地區(qū)高粱種質(zhì)的穗長和主穗柄長，黔東南地區(qū)穗粒重和千粒重多樣性也比較豐富。黔北地區(qū)高粱種質(zhì)的穗長和主穗柄長多樣性指數(shù)最高，分別為1.95和2.09。

表5 貴州不同地區(qū)高粱種質(zhì)農(nóng)藝性狀差異Table 5 Changes of agronomic characters of sorghum germplasm in different areas of Guizhou province

2.3 貴州省高粱種質(zhì)資源數(shù)值型性狀的相關性分析

220份貴州高粱種質(zhì)的9個數(shù)值型性狀的相關性分析結(jié)果（表6）顯示，部分農(nóng)藝性狀之間存在顯著的關聯(lián)性。生育期與節(jié)間數(shù)、株高、莖粗均呈極顯著正相關；節(jié)間數(shù)與株高、莖粗均呈極顯著正相關，與主穗柄長、千粒重均呈極顯著負相關；株高與莖粗、主穗柄長均呈極顯著正相關；莖粗與主穗柄長呈極顯著負相關，與穗粒重呈極顯著正相關；穗長與主穗柄長呈極顯著正相關；主穗柄長與千粒重呈顯著正相關；穗粒重與千粒重呈極顯著正相關。

表6 高粱種質(zhì)數(shù)值型性狀的相關性分析Table 6 Correlation analysis of numerical characteristics in sorghum germplasms

2.4 貴州省高粱種質(zhì)資源聚類分析

在歐氏距離為8.0處，可將220份種質(zhì)分為3個類群（圖1和表7）。第Ⅰ類群包含211份種質(zhì)，主要表現(xiàn)為穗側(cè)散、穗傘形或帚形、穗柄彎、生育期短、分蘗力強、穗長和穗粒重小等特點，可作為中早熟側(cè)散型高粱育種的基礎材料；第Ⅱ類群包含8份種質(zhì)，主要表現(xiàn)為穗周散、帚形，穗柄直，生育期、分蘗力、節(jié)間數(shù)、穗長和穗粒重居中等特點；第Ⅲ類群僅含1份種質(zhì)，主要表現(xiàn)為穗中緊、穗棒形、穗柄直、生育期長、分蘗力弱、節(jié)間數(shù)多、植株高大粗壯、主穗短、穗柄長和穗粒重大等特點。整體來看，貴州地區(qū)高粱種質(zhì)資源株高普遍偏高，均在3m以上，都屬于高稈型種質(zhì)，應引入矮稈資源加以改良。3個類群高粱的千粒重均為20g左右，均屬于小粒型高粱，可用于酒用小粒糯高粱的資源改良。

3 討論

遺傳多樣性反映物種對多變環(huán)境的適應性，是生命進化的結(jié)果[6]。豐富、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆基因源是品種改良和新品種選育的基礎[14-15]。通過種質(zhì)資源遺傳多樣性的研究，可以從整體上把握該種質(zhì)的可利用信息。表型性狀是植物生長最直觀的表現(xiàn)，是檢驗遺傳變異最簡單的方法[6，16]。由于通常所記載的植物表型一般來自基因的表型，因此表型差異在很大程度上能夠反映出種質(zhì)間的本質(zhì)差異[17]。前人對高粱的遺傳多樣性已經(jīng)做了大量的研究，認為高粱種質(zhì)資源遺傳變異豐富[6，8-10]。本研究通過對貴州地區(qū)220份高粱資源的表型多樣性分析，發(fā)現(xiàn)貴州地區(qū)高粱資源平均多樣性指數(shù)為1.37，其中數(shù)值型性狀多樣性指數(shù)較高，平均為2.00，描述型性狀多樣性指數(shù)較低，平均為0.428，可能與該地區(qū)高粱多以側(cè)散、傘形、紅殼居多有關。分區(qū)域來看，黔東南地區(qū)變異系數(shù)和多樣性指數(shù)最高，分別為28.56%和1.52，可能與黔東南各區(qū)縣海拔不同以及小氣候更多變有關。

圖1 220份高粱種質(zhì)資源的表型聚類分析Fig.1 The clustering figure of 220 sorghum germplasms based on phenotypic characters

表7 3個類群9個數(shù)值型性狀的平均值Table 7 The mean values of nine numerical characteristics in three groups

本研究利用聚類分析將參試的220份高粱種質(zhì)劃分為3個類群，不同地區(qū)的高粱資源表型變異較大，同一地區(qū)并沒有完全聚在一起，說明地域不一定能將資源進行完整劃分，這與Ayana等[8]的研究結(jié)果一致。前人對貴州酒用糯高粱的遺傳多樣性研究表明，貴州省白酒用糯高粱具有較高的遺傳相似性，利用UPGMA聚類不能將此類資源清晰地劃分[2，18]。而本研究劃分了3個類群，其中第Ⅰ類群包含了絕大多數(shù)高粱種質(zhì)，共211份材料，也說明貴州地區(qū)高粱多樣性豐度較低。貴州地區(qū)高粱種質(zhì)株高絕大多數(shù)在3m以上，莖稈細弱。前人的研究表明株高與倒伏率呈顯著正相關[19]，因此對貴州地區(qū)的高粱材料加以利用的首要前提是降低株高。貴州地區(qū)高粱主要用于釀酒，小粒糯質(zhì)的本地糯高粱是釀酒的優(yōu)質(zhì)原料。本研究顯示，貴州地區(qū)高粱千粒重在20g左右。

研究生物遺傳多樣性的方法經(jīng)歷了形態(tài)標記、細胞學標記、生化標記以及DNA分子標記[20]。形態(tài)標記簡單直觀，但是也存在很多缺陷，如多態(tài)性差、標記少和易受環(huán)境影響等，很難準確有效地對種質(zhì)資源進行區(qū)分，尤其是資源相似性較高的情況下，就更加難以辨別[21]。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，高粱種質(zhì)資源的遺傳多樣性研究應逐漸將性狀與標記相結(jié)合，以便更好地為品種選育和資源保存提供有用信息。

4 結(jié)論

綜上所述，貴州地區(qū)糯高粱種質(zhì)資源多以側(cè)散、傘形、紅殼居多，遺傳多樣性指數(shù)偏低。從不同地區(qū)來看，黔東南地區(qū)變異系數(shù)和多樣性指數(shù)最高，可能是由于區(qū)縣間的海拔與小氣候不同所致。貴州地區(qū)的高粱種質(zhì)資源利用的首要前提是降低株高，充分發(fā)揮其小粒糯質(zhì)的優(yōu)勢，結(jié)合生物技術(shù)手段，服務于貴州高粱產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。