洪 益，朱 娟，于國琦，姚佳延，楊天賜，呂 超，郭寶健，許如根

(植物功能基因組學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省作物基因組學(xué)與分子育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇糧食作物現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心/揚(yáng)州大學(xué)農(nóng)業(yè)科技發(fā)展研究院，江蘇揚(yáng)州 25009)

大麥(L.)是世界上第四大禾谷類作物，根據(jù)用途不同，可分為飼用、啤用和食用大麥。千粒重是大麥產(chǎn)量構(gòu)成因素之一，也是衡量籽粒大小的一個(gè)重要指標(biāo)。籽粒大小與其長度、寬度、長寬比及厚度等粒型性狀有關(guān)。不同用途大麥對籽粒大小要求不同，啤用大麥和食用麥仁大麥要求籽粒大而飽滿，茶用大麥以小粒為宜。大麥籽粒大小與棱型、著粒密度及籽粒的皮裸等性狀有關(guān)，與水稻、小麥等作物一樣也受生態(tài)條件和栽培技術(shù)影響。陳曉東等研究認(rèn)為，大麥粒重與棱型有關(guān)，與皮裸無關(guān)，二棱大麥粒長大于六棱大麥，皮大麥粒長大于裸大麥，而粒寬與皮裸的關(guān)系不顯著；張新忠等研究表明，二棱大麥粒長、粒寬、粒重均高于六棱大麥；董明輝等研究發(fā)現(xiàn)，水稻粒位影響灌漿與粒重。適當(dāng)遲播有利于大麥千粒重的提高。但有試驗(yàn)結(jié)果顯示，隨著播種期推遲，大麥籽粒長度與長寬比增加，而粒厚、粒寬以及千粒重顯著降低。千粒重穩(wěn)定性不僅是一個(gè)重要的產(chǎn)量性狀，而且與酶活性、蛋白質(zhì)含量等啤用品質(zhì)密切相關(guān)。如啤酒大麥粒重與β-淀粉酶活性及蛋白質(zhì)組分含量呈極顯著相關(guān)；播期推遲會降低粒重和籽粒蛋白質(zhì)含量。不同大麥品種(系)籽粒性狀對土壤營養(yǎng)、播期等反應(yīng)不同，因此對大麥種質(zhì)資源籽粒性狀評價(jià)和篩選有助于大麥產(chǎn)量和品質(zhì)的提高。本研究以不同來源的185份大麥品種(系)為材料，通過多年多點(diǎn)試驗(yàn)，測定分析了大麥籽粒大小性狀的遺傳多樣性與穩(wěn)定性，以期為大麥品種粒形與粒重改良提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以185份來源不同的大麥品種(系)為材料，其中二棱皮大麥94份，二棱裸大麥3份，六棱皮大麥66份，六棱裸大麥22份(表1)。

表1 參試品種(系)的基本信息表Table 1 Basic information of varieties(lines)

(續(xù)表1 Continued table 1)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2018年10月將參試材料種植于揚(yáng)州大學(xué)實(shí)驗(yàn)農(nóng)場(E1801)和大中農(nóng)場農(nóng)科所(E1802)，行長0.6 m，株距6 cm，行距25 cm，每行點(diǎn)播10粒種子，3次重復(fù)。2019年10月將參試材料種植于揚(yáng)州大學(xué)遺傳育種試驗(yàn)田(E1901)、鹽城南洋試驗(yàn)場(E1902)、大中農(nóng)場農(nóng)科所(E1903)、臨海農(nóng)場農(nóng)科所(E1904)，采用穴播方式，每穴8粒種子，行長1.5 m，穴距30 cm，3次重復(fù)。2019年11月，在揚(yáng)州大學(xué)遺傳育種試驗(yàn)田進(jìn)行晚播試驗(yàn)(E1905)，采用點(diǎn)播方式種植大麥材料，行長 0.4 m，行距25 cm，株距4 cm，每行點(diǎn)播10粒種子，3次重復(fù)。

1.3 性狀測定

成熟后，每品種(系)隨機(jī)收30穗左右，脫粒、曬干、去雜，利用萬深SC-G型自動考種儀測定各品種(系)千粒重、粒長、粒寬和籽粒長寬比。

1.4 數(shù)據(jù)分析

1.4.1 描述性統(tǒng)計(jì)

利用SPSS 21.0和R語言處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算各品種(系)籽粒性狀的最小值、最大值、均值、變異系數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差，并進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析。根據(jù)參試材料籽粒大小性狀表型的均值μ和標(biāo)準(zhǔn)差σ，將其劃分為10級，從第1級(<-2)到第10級(>+2)每間隔0.5 σ為一級，計(jì)算每一級相對頻率，從而得到遺傳多樣性指數(shù)′。′=-∑ln，式中為某性狀第級別材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比。

1.4.2 穩(wěn)定性分析

AMMI 模型是聯(lián)合方差分析與主成分分析，具有可加可乘分量的一個(gè)數(shù)學(xué)模型。該模型的方程以及穩(wěn)定性參數(shù)計(jì)算公式如下：

式中，是第個(gè)品種(系)的性狀在第個(gè)環(huán)境下第次重復(fù)表型值，為性狀表型的平均值，為第個(gè)品種(系)的基因型主效應(yīng)，為第個(gè)環(huán)境的環(huán)境主效應(yīng)，為基因型和環(huán)境互作下第個(gè)主成分特征值，為基因型和環(huán)境互作下第個(gè)主成分的基因型得分，為基因型和環(huán)境互作下第個(gè)主成分的環(huán)境得分，為殘差，為試驗(yàn)誤差，和分別代表品種(系)和環(huán)境的穩(wěn)定性參數(shù)。值越小則表明品種(系)穩(wěn)定性越高，值越高則表明環(huán)境對品種的判別力越高。是每個(gè)主成分所解釋的變異占全部主成分所解釋變異的百分比，即權(quán)重。

1.4.3 穩(wěn)定性綜合評價(jià)

TOPSIS評價(jià)法是根據(jù)有限評價(jià)對象與理想化目標(biāo)的接近程度排序的方法，是對現(xiàn)有對象的相對優(yōu)劣的評價(jià)，又叫優(yōu)劣解距離法。相關(guān)計(jì)算包括以下公式：

2 結(jié)果與分析

2.1 大麥籽粒大小

二棱大麥粒長、粒寬及千粒重在7個(gè)環(huán)境下均大于六棱大麥，籽粒長寬比均小于六棱大麥(表2)。籽粒大小各性狀表現(xiàn)因環(huán)境而異，其差異程度與性狀有關(guān)，千粒重在環(huán)境間差異最大。

表2 不同試點(diǎn)大麥籽粒大小的表現(xiàn)Table 2 Performance of barley grain size in different environments

由表3可知，所有環(huán)境下六棱大麥籽粒大小性狀的變異系數(shù)均高于二棱大麥；不同環(huán)境下，相同棱型大麥的粒寬變異系數(shù)均較??；千粒重變異系數(shù)均最大，其變異系數(shù)在不同環(huán)境間的變化范圍也最大，二棱大麥千粒重變異系數(shù)變化范圍為7.52%～25.27%，六棱大麥千粒重變異系數(shù)變化范圍為13.42%～28.70%。粒長和籽粒長寬比的變異系數(shù)在不同環(huán)境間相對比較穩(wěn)定。二棱大麥粒長、粒寬、籽粒長寬比、千粒重遺傳多樣性指數(shù)(′)分別為1.54、1.28、1.48、1.38，六棱大麥分別為1.80、 1.51、 2.02、1.38。

表3 不同試點(diǎn)大麥籽粒大小的變異系數(shù)與遺傳多樣性Table 3 Coefficients of variation and genetic diversity index of barley grain size in different environments

從各性狀等級頻次分布(圖1)看，六棱大麥的千粒重和粒寬變化范圍分別為23.73～ 33.43 g和2.79～3.14 mm，均集中分布在3、4級；二棱大麥的千粒重和粒寬變化范圍分別為 43.14～52.80 g和3.50～3.85 mm，均集中分布在7、8級。六棱大麥籽粒長度和長寬比分別分布在 1～10級和2～10級范圍內(nèi)，而二棱大麥比分別集中分布在4～8級和2～7級范圍內(nèi)。

圖1 不同棱型大麥籽粒大小的各等級頻次分布

方差分析(表4)表明，二棱大麥和六棱大麥千粒重、粒長、粒寬以及籽粒長寬比的品種(系)、環(huán)境以及品種(系)與環(huán)境互作效應(yīng)均達(dá)到極顯著水平，說明大麥籽粒大小不僅受自身遺傳因素控制，還與環(huán)境條件有關(guān)。

表4 大麥籽粒大小的方差分析(F值)Table 4 Analysis of variance of barley grain size(F value)

2.2 大麥籽粒大小性狀的相關(guān)性

由表5可知，二棱大麥和六棱大麥的千粒重與粒長、粒寬及粒長與籽粒長寬比之間均呈極顯著正相關(guān)，粒寬與籽粒長寬比呈極顯著負(fù)相關(guān)。二棱大麥粒長與粒寬之間無顯著相關(guān)性，千粒重與籽粒長寬比呈極顯著負(fù)相關(guān)；六棱大麥中粒長與粒寬呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.25，千粒重與籽粒長寬比之間無顯著相關(guān)性。這說明這些性狀之間或多或少存在信息重疊，因此大麥籽粒大小穩(wěn)定性分析有必要采用綜合評價(jià)方法。

表5 不同棱型大麥籽粒大小的相關(guān)性Table 5 Correlation of barley grain size with different row types

2.3 大麥籽粒大小及其穩(wěn)定性評價(jià)

利用AMMI模型對品種(系)與環(huán)境交互作用中主成分分析的顯著性進(jìn)行值檢驗(yàn)，結(jié)果(表6)表明,千粒重、粒長、粒寬前5個(gè)互作乘積項(xiàng)達(dá)顯著水平，各主成分累積貢獻(xiàn)率分別為 94.90%、90.00%、95.10%，長寬比前4個(gè)主成分互作乘積項(xiàng)達(dá)顯著水平，累積貢獻(xiàn)率為86.80%。

表6 大麥籽粒大小的AMMI模型分析(F值)Table 6 AMMI model analysis of barley grain size(F value)

由AMMI模型雙標(biāo)圖(圖2)可知，不同試點(diǎn)對籽粒大小各性狀的判別力存在差異，其中鹽城南洋試驗(yàn)場(e4)對品種(系)千粒重、粒寬及籽粒長寬比穩(wěn)定性的判別力最強(qiáng)。

e1:E1801; e2:E1802; e3:E1901; e4:E1902; e5:E1903; e6:E1904; e7:E1905.

從圖3、圖4來看，六棱大麥千粒重的穩(wěn)定性顯著高于二棱大麥，而粒長和籽粒長寬比的穩(wěn)定性顯著低于二棱大麥，粒寬穩(wěn)定性與二棱大麥差異不顯著；裸大麥除千粒重的穩(wěn)定性顯著高于皮大麥，其余性狀穩(wěn)定性與皮大麥無顯著差異。

圖3 不同棱型大麥籽粒大小性狀的穩(wěn)定性

圖4 皮裸大麥籽粒大小性狀的穩(wěn)定性

根據(jù)顯著IPCA得分計(jì)算大麥籽粒大小性狀的穩(wěn)定性參數(shù)(表7)。諸城米大麥、川52209、長毛大麥、大麥、駐3、短芒大麥、裸大麥、威縣春大麥、光頭大麥、華矮11等品種(系)的千粒重值小，其穩(wěn)定性較好；川52209、7204、矮稈-1、2004-日引4號、揚(yáng)農(nóng)啤8號、揚(yáng)飼麥3號、莆大麥8號、寧晉大麥、花11、揚(yáng)0187等品種(系)的粒長值小，穩(wěn)定性較好；短芒大麥、川52209、大麥、鄂大麥9706、AcBurman、駐3、華矮11、頭等老麥、石家莊大麥、長毛大麥等品種(系)粒寬的值小，穩(wěn)定性較好；華矮11、花11、2004-日引3號、AcBurman、駐9505-1-3、黃長芒、短芒大麥、駐97022、諸城米大麥、2004-日引1號等品種(系)的籽粒長寬比值小，穩(wěn)定性較好。所有大麥品種(系)中，川52209粒長、粒寬、千粒重均有較高的穩(wěn)定性。

表7 籽粒大小穩(wěn)定性表現(xiàn)較好的品種(系)的Di值及綜合得分Table 7 Di values and scores of grain size for barley varieties(lines) with better stability

根據(jù)指標(biāo)性質(zhì)，將大麥籽粒大小與穩(wěn)定性參數(shù)分為正向與負(fù)向指標(biāo)。通過R語言基于熵權(quán)法計(jì)算，千粒重、粒長、粒寬及千粒重穩(wěn)定性、粒長穩(wěn)定性、粒寬穩(wěn)定性的權(quán)重依次為 32.99%、 13.78%、31.65%、8.92%、4.58%、8.08%。利用TOPSIS模型對供試材料的籽粒大小及其穩(wěn)定性進(jìn)行綜合評價(jià)。其中，中花22、揚(yáng)農(nóng)啤6號、浙大96-6、莆大麥8號、QS、川52209、駐7、揚(yáng)引02、鹽引1號×浙農(nóng)大3號、周選1號等品種(系)綜合得分較高，均為二棱皮大麥，其籽粒大且穩(wěn)定；米大麥、長芒裸大麥、三月黃、裸麥、裸大麥、洋大麥、長陽米麥、烏米麥、禿和尚露仁大麥、短芒大麥等品種(系)綜合得分偏低，主要原因是因?yàn)檫@些品種(系)均為六棱地方裸大麥，籽粒偏小，但穩(wěn)定性尚可。

3 討 論

3.1 不同類型大麥籽粒大小的多樣性

籽粒大小一直是育種家改良和選育大麥理想品種最直觀的性狀。大麥按棱型和皮裸特性分為二棱大麥、六棱大麥和皮大麥、裸大麥。本研究結(jié)果表明，六棱大麥千粒重、粒長、粒寬均低于二棱大麥，而變異系數(shù)均高于二棱大麥，這與張新忠等的研究結(jié)果一致；不同試點(diǎn)粒長變異系數(shù)差異最小，千粒重變異系數(shù)差異最大，表明粒長受環(huán)境影響較小，而千粒重受環(huán)境影響較大。粒長、粒寬與千粒重均呈極顯著正相關(guān)，但粒寬與千粒重的相關(guān)系數(shù)顯著大于粒長與千粒重的相關(guān)系數(shù)，表明粒寬對粒重的貢獻(xiàn)比粒長的貢獻(xiàn)高，這與陳曉東等、張新忠等、 Lai等研究結(jié)果一致。二棱大麥粒長與粒寬無顯著相關(guān)性，六棱大麥粒長與粒寬呈顯著正相關(guān)，這可能是因?yàn)榭刂屏ｉL與粒寬的基因在二棱大麥和六棱大麥之間存在差異。Ayoub等以二棱大麥與六棱大麥構(gòu)建DH群體進(jìn)行QTL定位，結(jié)果表明，在二棱大麥亞群中檢測到籽粒性狀相關(guān)QTL，六棱大麥亞群中檢測不到。

3.2 大麥籽粒大小穩(wěn)定性的評價(jià)

關(guān)于作物性狀穩(wěn)定性評價(jià)方法很多，張澤等和吳為人等提出了分析作物品種基因型與環(huán)境互作穩(wěn)定性的AMMI模型。該模型與雙標(biāo)圖在水稻、玉米、小麥、大麥等作物品種穩(wěn)定性評價(jià)方面廣泛應(yīng)用。研究表明，六棱大麥籽粒平均灌漿速率及最終干物質(zhì)積累量顯著低于二棱大麥，且穗著粒密度大，同化物分配量小，籽粒較小，易受環(huán)境影響，千粒重變幅大，穩(wěn)定性低。本研究中，大麥籽粒大小的穩(wěn)定性在性狀間存在差異；不同皮裸大麥粒長、粒寬穩(wěn)定性差異均不顯著，粒長穩(wěn)定性在不同棱型間存在差異，粒寬穩(wěn)定性在棱型間無差異，可能是控制粒長的基因效應(yīng)大小受棱型影響或存在互作。禾谷類作物產(chǎn)量構(gòu)成要素包括穗數(shù)、穗粒數(shù)和粒重。高千粒重品種在適宜的耕作條件下具有較高產(chǎn)量，但作為多基因控制的數(shù)量性狀，粒重受環(huán)境影響較大。路玉彥等研究認(rèn)為，高溫脅迫會導(dǎo)致啤酒大麥千粒重顯著降低，單株產(chǎn)量減少。本研究中，參試品種(系)千粒重在不同環(huán)境間存在顯著差異，粒重穩(wěn)定對于高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。粒型是由籽粒長寬厚共同作用形成的三維結(jié)構(gòu)，粒長、粒寬、粒厚穩(wěn)定能夠更好地維持籽粒大小及其均一性，這對啤用外觀品質(zhì)尤為重要。蛋白質(zhì)含量和酶活性是衡量啤酒大麥品質(zhì)性狀的重要指標(biāo)，在釀酒過程中α-淀粉酶、β-淀粉酶等協(xié)同水解淀粉，產(chǎn)生可溶性物質(zhì)和可發(fā)酵性糖，穩(wěn)定的酶活性可大大提高淀粉水解速率和糖化力；籽粒蛋白質(zhì)含量過高，麥芽β-葡聚糖含量和單寧含量偏高，啤酒風(fēng)味穩(wěn)定性變差、口感粗重、過濾速度變慢，嚴(yán)重影響麥芽品質(zhì)。因?yàn)榍ЯＶ刂苯雨P(guān)系到籽粒蛋白質(zhì)含量和酶活性，千粒重已被列入啤酒大麥定級的行業(yè)指標(biāo)。本研究根據(jù)籽粒大小及各性狀穩(wěn)定性對參試品種(系)綜合評價(jià)，認(rèn)為川52209籽粒大且穩(wěn)定，可作為優(yōu)質(zhì)啤酒大麥粒型改良的種質(zhì)資源。