青藏高原裸大麥種質資源形態多樣性分析

徐 肖，欒海業，張英虎，盧 健，喬海龍，臧 慧，楊紅燕，沈會權

(江蘇沿海地區農業科學研究所，江蘇 鹽城 224001)

裸大麥，又名青稞，是海拔高至4 000 m地區唯一能成熟的作物，具有適應性廣、早熟、抗逆性強等優點，是高寒、干旱和沿海灘涂地區主要的糧食作物[1]。青藏高原裸大麥區種植面積達35.8×104hm2左右，總量約99.4×104t，至今藏族同胞仍以裸大麥為主食[2]。美國科學家于20世紀80年代研究發現，大麥尤其是裸大麥β-葡聚糖具有降血脂，降膽固醇，預防糖尿病、心腦血管疾病，排毒養顏，提升免疫力等作用，在調節血糖、抵御感染、抗腫瘤等方面也具有功效[3]。裸大麥β-葡聚糖作為非特異性的免疫調節劑，可激活免疫細胞，還能促進細胞生成，激活補體系統，增強抗體產生，調節免疫系統。隨著人們對裸大麥膳食纖維有益人體健康認識的不斷增加，高纖維食品越來越受到消費者的青睞。目前，我國對裸大麥膳食纖維的研發與日本、歐美等發達國家還存在一定的差距，隨著我國人口老齡化的不斷加劇，糖尿病、心腦血管等疾病的預防越來越受到人們的重視。因此，裸大麥膳食纖維的開發具有重要的現實意義和廣闊的市場前景[3]。

裸大麥起源于東方栽培大麥，在距今3 500～4 500年前通過巴基斯坦北部、印度和尼泊爾進入西藏南部[4]。基于裸大麥的重要性及其豐富的種質資源，西藏自治區農牧學院與深圳華大基因科技服務有限公司已共同繪制完成裸大麥基因組圖譜。用于基因組圖譜構建的裸大麥品種是西藏古老的地方品種“拉薩鉤芒”，基因組大小約為4.5 Gbp[5]。青藏高原地區裸大麥種質資源類型和遺傳多樣性較豐富，但關于該地區裸大麥種質資源的研究卻報道不多，胥婷婷[6]對402份青稞種質進行了形態和分子遺傳多樣性研究。本研究以86份青藏高原裸大麥種質資源為材料，利用形態性狀對其遺傳多樣性進行初步分析，將這些裸大麥種質進行綜合評價，以便快速篩選出適合江蘇沿海地區生長的綜合性狀優異的裸大麥種質，為裸大麥種質資源的收集和利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以江蘇沿海地區農業科學研究所收集的86份來自青藏高原地區的裸大麥品種(系)為參試材料。材料名稱見表1。

1.2 試驗設計

于2016年、2017年秋播將試驗材料種植于江蘇沿海地區農業科學研究所南洋實驗農場，試驗采用隨機區組設計，每個品種播種1行，行長1.2 m，行距25 cm，株距3 cm，每行點播40粒，3次重復。因2017年種植材料在次年收獲期出現大面積倒伏，穗發芽嚴重，導致考種數據不可用。

1.3 田間調查與考種

田間調查葉耳顏色、葉片姿勢、株型、穗姿、棱型、小穗密度。收獲時每品種取10株單株室內考種，考種項目包括株高、主穗長、籽粒顏色、籽粒形狀、每穗粒數、千粒重、結實率。調查和考種的主要形態性狀和賦值標準如下。

株高(cm)：10株株高平均。

主穗長(cm)：10株主穗長平均。

每穗粒數：10株單株粒數平均。

千粒重(g)：1 000粒籽粒質量，重復2次取平均值。

葉耳顏色：1，白；2，綠；3，紅；4，紫。

葉片姿勢：1，直立；2，平展；3，下垂。

株型：1，緊湊；2，半緊湊；3，松散。

穗姿：1，直立；2，水平；3，下垂。

棱型：1，二棱；2，中間型；3，六棱。

小穗密度：1，稀；2，密；3，極密。

籽粒顏色：1，黃；2，藍；3，紫；4，褐；5，黑

籽粒形狀：1，長圓形；2，卵圓形；3，橢圓形；4，圓形。

結實率(%)=實粒數/(實粒數+空粒數)×100。

1.4 數據處理

遺傳多樣性指數[7](H’， Shannon-Wiener diversity index)：通過計算參試材料的平均數(μ)和標準差(σ)，將考查的目標性狀均劃分為10級，從第1級[xi<(μ-2σ)]到第10級[xi>(μ+2σ)]，每間隔0.5σ為1級，計算每一級相對頻率pi，從而得到多樣性指數。計算公式為：H′=-∑pilnpi，式中，xi為某性狀第i級別，pi為某性狀第i級別材料份數占總份數的百分比。數量性狀如株高、主穗長等按測量數值進行計算；質量性狀如花色、芒型等予以賦值，賦值標準見1.3節。

表1 青藏高原裸大麥種質資源詳情

Table 1 Details of hulless barley accessions from Qinghai-Tibetan Plateau

編號ID名稱Names編號ID名稱Names1民和長芒青稞Minhechangmangqingke44白91-97-3Bai91-97-32黑青稞Heiqingke45祿曲紫青稞Luquziqingke3二長四短芒白青稞Erchangsiduanmangbaiqingke46矮稈齊Aiganqi4北青3號 Beiqing 347西寧白六棱青稞Xiningbailiulengqingke5藏852270 Zang 85227048白康青Baikangqing686168549長芒藍青稞Changmanglanqingke714-E12350湟源花青稞Huangyuanhuaqingke8ICNBFB-6189EL.3gp51民和四棱藍青稞Minghesilenglanqingke9薩加青稞Sajiaqingke52查襪Chawa10比11-3Bi11-353小金沙龍狗尾Xiaojinshalonggouwei11米麥114 Mimai11454海晏白青稞Haiyanbaiqingke12六棱子長芒白青稞Liulengzichangmangbaiqingke55化隆長芒青稞Hualongchangmangqingke13長青稞Changqingke56福9 Fu914昆侖14 Kunlun1457短白青稞Duanbaiqingke15昆侖15 Kunlun1558達章柴ZDM7558 Dazhangchai ZDM755816湟源藍青稞Huangyuanlanqingke59982017互助白青稞Huzhubaiqingke60涅如姆扎ZDM7701 NierumuzhaZDM770118紅青稞Hongqingke61思開金Sikaijing19西寧紅服泥Xininghongfuni62青6265WDM3344 Qing6265WDM334420無皮青稞Wupiqingke63光芒黃大麥Guangmanghuangdamai21甘孜白六棱Ganzibailiuleng64俄母一號Ermuyihao22選部紫青稞Xuanbuziqingke65H266-323二道眉白青稞Erdaomeibaiqingke66大粒98-714 Dali98-71424長芒白青稞Changmangbaiqingke67權稞青稞Quankeqingke25六通紅六棱Liutonghongliuleng68東元87-14 Dongyuan87-1426藍青稞Lanqingke69拆多1號Zheduo127勾芒白青稞Goumangbaiqingke70東開黑青稞Dongkaiheiqingke28藏青80 Zangqing8071H.vulgare2986187772青皮青稞Qingpiqingke30長身子青稞Changshenziqingke73六棱子青稞Liulengziqingke3135-4074E6932短鉤裸大麥Duangouluodamai75祿曲紫青稞Luquziqingke33藏830563 Zang83056376湟源白六棱青稞Huangyuanbailiulengqingke34六棱子小青稞Liulengzixiaoqingke77湟源白浪散Huangyuanbailangsan35小金新宅黑Xiaojinxinzhaihei78大通雜青稞Datongzaqingke36足捉春青稞Zuzhuochunqingke79康青3號Kangqing337六棱米麥2號Liulengmimai280湟中雜青稞Huangzhongzaqingke38OSC2181大通白六棱Datongbailiuleng39甘青1號Ganqing182長芒紅四棱Changmanghongsileng40珉縣青稞Mingxianqingke83小青稞Xiaoqingke41福8-4Fu8-484李家莊六棱Lijiazhuangliuleng42循化黑青稞Xunhuaheiqingke85門源白四棱Mengyuanbaisileng43南風3號Nanfeng386藏青2000 Zangqing2000

用SPSS 21.0統計軟件進行聚類和主成分分析，在聚類過程中，種質間距離為歐氏距離，聚類方法采用離差平方和法。

2 結果與分析

2.1 青藏高原裸大麥種質資源主要性狀表現

由表2可知，參試材料主穗長的遺傳多樣性指數最高(2.05)，株型的遺傳多樣性指數最低(0.47)，變幅為0.47～2.05。說明青藏高原裸大麥種質資源的遺傳多樣性較為豐富，且株高與主穗長的遺傳多樣性較高，而株型與葉耳顏色的遺傳多樣性較低，數量性狀的遺傳多樣性普遍高于質量性狀。遺傳多樣性較低的質量性狀中，絕大多數(83.72%)葉耳顏色為白色，少數為綠色或紫色；絕大多數(82.56%)株型為半緊湊，其余為松散。

2.2 青藏高原裸大麥種質資源不同性狀形態多樣性

表2 青藏高原裸大麥種質資源主要性狀遺傳多樣性指數

Table 2 Genetic diversity of main characters of hulless barley accessions from Qinghai-Tibetan

性狀Character遺傳多樣性指數Genetic diversity性狀Character遺傳多樣性指數Genetic diversityAC0.50GC1.04LBP0.86GS0.92PT0.47PH2.04EP0.85SL2.05ET0.92GPS2.01SD0.59TKW1.87SF1.62

AC，葉耳顏色；LBP，葉片姿態；PT，株型；EP，穗姿；ET，棱型；SD，小穗密度；SF，結實率；GC，籽粒顏色；GS，籽粒形狀；PH，株高；SL，主穗長；GPS，每穗粒數；TKW，千粒重。下同。

AC， Auricle colour; LBP， Leaf orientation; PT， Plant type; EP， Spike posture; ET， Rowed type; SD， Spike density; SF， Setting rate; GC， Grain color; GS， Grain shape; PH， Plant height; SL， Spike length; GPS， Grain number per spike; TKW， Thousand-kernel weight. The same as below.

對86份材料5個主要數量性狀的基本統計分析結果(表3)表明，不同材料間差異很大，表現出顯著的形態多樣性。除結實率外，其余4個主要農藝性狀的變異系數均較大。表明在這4個

性狀上供選擇的育種材料很豐富。其中，變異系數最大的性狀是主穗長(33.08%)，變異系數最小的性狀是株高(10.56%)。其余兩性狀分別是每穗粒數(25.11%)與千粒重(13.73%)。說明青藏高原裸大麥種質資源在主穗長與每穗粒數上差異較大，在株高與千粒重上差異較小。

2.3 裸大麥種質主要性狀間的相關性

86份裸大麥種質13個主要農藝性狀的相關分析結果見表4：葉耳顏色與葉片姿態呈極顯著正相關，與棱型呈顯著負相關；株型與小穗密度、結實率均呈顯著負相關；穗姿與千粒重呈顯著正相關；棱型與穗姿、主穗長呈顯著負相關，與每穗粒數呈極顯著正相關；小穗密度與籽粒形狀呈極顯著正相關，與棱型、結實率均呈顯著正相關；籽粒顏色與千粒重呈顯著正相關，與主穗長呈顯著負相關；籽粒形狀與千粒重、結實率均呈極顯著正相關；千粒重與結實率呈顯著正相關；主穗長與每穗粒數呈極顯著正相關；株高與籽粒顏色呈極顯著正相關，與結實率、每穗粒數呈顯著負相關。

2.4 青藏高原裸大麥種質資源的聚類分析

表3 青藏高原裸大麥種質資源數量性狀形態多樣性統計

Table 3 Statistical morphological diversity of quantitative traits of hulless barley accessions from Qinghai-Tibetan

性狀Character平均值Mean最大值Max最小值Min標準差s變異系數CV/%PH/cm121.65147.0088.0012.8510.56SL/cm6.5010.062.942.1533.08GPS54.3679.2020.8013.6525.11TKW/g18.3525.1511.352.5213.73SF/%91.21100.0074.834.554.99

表4 青藏高原裸大麥種質資源主要農藝性狀的相關性

Table 4 Correlative coefficient of agronomic traits in hulless barley accessions from Qinghai-Tibetan

性狀TraitsACLBPPTEPETSDGCGSTKWSLSFGPSLBP0.418**PT0.064-0.014EP0.1290.1190.118ET-0.201*-0.123-0.076-0.239*SD0.057-0.169-0.246*0.0760.247*GC-0.020.006-0.084-0.0070.0650.141GS0.0220.101-0.1210.095-0.0260.279**0.18TKW0.03700.1520.0690.212*-0.0710.0880.201*0.501**SL0.1330.1860.1240.068-0.241*-0.183-0.218*-0.27*0.047SF0.0920.074-0.198*0.06-0.1140.208*0.0710.333**0.211*-0.032GPS-0.066-0.1080.0820.0630.311**0.11-0.067-0.058-0.1880.32**-0.015PH-0.0740.1850.118-0.175-0.109-0.0960.329**-0.1220.001-0.008-0.208*-0.208*

*和**分別代表在0.05和0.01水平上差異顯著。

* and ** indicated significant difference at 0.05 and 0.01 level， respectively.

以13個主要農藝性狀(5個數量性狀、8個質量性狀)為指標，基于馬氏距離的類平均法，使用R語言對86份青藏高原裸大麥種質進行聚類分析，結果如圖1所示。86份裸大麥種質在馬氏距離10處可聚為4類。

第Ⅰ類群包括5份材料，該類群材料基本為二棱種質資源，因此表現為植株較高，平均穗長為4個類群中最長，平均穗粒數為4個類群中最少，穗粒重較高，株型均呈半緊湊，穗姿均呈直立型，結實率較高，屬于大穗型品種，綜合表現一般。

第Ⅱ類群包括20份材料，該類群材料為六棱或中間型資源，表現為株高適中、穗較長、穗粒數最多、穗粒重一般、結實率較高，綜合表現較好。

第Ⅲ類群包括24份材料，該類群材料表現為矮稈，平均穗長為4個類群中最短，穗粒重一般，穗粒數較少，結實率一般，綜合表現一般。

第Ⅳ類包括37份材料，該類群材料為六棱或中間型品種，其特征為植株最高，結實率最低，千粒重最低，穗粒數適中，綜合表現較差。

2.5 青藏高原裸大麥種質資源的主成分分析與種質評價

裸大麥種質各性狀間存在不同程度的相關性，因此為消除性狀間相關性的影響，本研究利用主成分分析進行種質評價。按照累計貢獻率大于70%的原則，提取前7個主成分即可概括全部性狀的大部分生物學信息(表5)。

1～86為材料編號，與表1同。ID of hulless barley accessions 1-86 were the same as that in table 1.圖1 青藏高原裸大麥種質聚類圖Fig.1 UPGMA clustering dendrogram of hulless barley accessions from Qinghai-Tibetan Plateau

第一主成分的貢獻率為16.547%，籽粒形狀、千粒重、小穗密度和結實率的特征向量值最大，且均為正值。籽粒越飽滿，千粒重、小穗密度和結實率的增加均有利于高產，故在實際應用中應保持較高狀態。

第二主成分的貢獻率為15.112%，棱型的特征向量值最大，棱型值為負。棱型增加，每穗粒數增加，主穗長減少，不利于大穗大粒的形成，因而在實際應用中應保持第二主成分適中。

第三主成分貢獻率為12.594%，籽粒顏色、每穗粒數和株高的特征向量值最大，每穗粒數的值為正，籽粒顏色和株高值為負。每穗粒數的增加有利于高產，株高的降低減少倒伏性，籽粒顏色加深，穗長減少，不利于高產，故實際應用時應選擇此成分適中偏高的。

第四主成分貢獻率為9.170%，株型的特征向量值較大，且為正值。株型松散易造成倒伏，不利于高產，故實際應用時此主成分應略小為好。

第五主成分貢獻率為8.924%，葉耳顏色和葉片姿態的特征向量值較大，且均為正值，葉耳顏色的加深，葉姿下垂，不易促進光照的吸收，不利于高產。故實際應用時此主成分也應略小為好。

第六主成分貢獻率為7.271%，穗長的特征向量值最大，且為正值，穗長增長，每穗粒數增加，有利于產量的提高，故在實際應用中應選擇此成分適中偏高的品種。

表5 青藏高原裸大麥主成分分析的特征值與貢獻率

Table 5 Eigenvalue and rate of contribution of PCA in hulless barley accessions from Qinghai-Tibetan Plateau

性狀TraitsZ1Z2Z3Z4Z5Z6Z7AC0.1380.5470.188-0.2800.410-0.433-0.015LBP0.1410.636-0.060-0.1650.488-0.055-0.278PT-0.3190.309-0.0380.605-0.164-0.264-0.221EP0.2240.3760.3520.331-0.218-0.3510.447ET-0.024-0.6680.0810.1890.403-0.181-0.390SD0.496-0.4110.2240.0150.271-0.2110.310GC0.399-0.106-0.4980.2980.3320.0800.350GS0.796-0.0060.0570.150-0.0860.069-0.275TKW0.6190.296-0.0410.428-0.1280.181-0.270SL-0.3770.4620.3940.1540.2280.4990.107SF0.5660.0560.295-0.265-0.0310.3740.055GPS-0.246-0.2540.5950.3950.4060.1730.062PH-0.1170.169-0.7540.1720.3030.1500.178特征值Eigenvalue2.1511.9651.6371.1921.1600.9450.895百分率Rate of contribution/%16.54715.11212.5949.1708.9247.2716.886累計百分率Accumulative rate of contribution/%16.54731.65844.25253.42262.34769.61776.503

第七主成分貢獻率為6.886%，穗姿的特征向量值最大，且為正值，穗姿下垂，千粒重較重，每穗粒數較多，有利于高產，故在實際應用中應選擇此成分偏高的品種。

2.6 基于主成分的M值綜合評價

對裸大麥種質13個主要農藝性狀數值進行標準化處理，獲得前7個主成分得分，將這7個主成分得分進行歸一化處理，以貢獻率計算各主成分權重系數，分別為0.216 3、0.197 5、0.164 6、0.119 9、0.116 6、0.095 0和0.090 0，利用前7個主成分的得分值與其對應的權重乘積之和作指標，得到每份種質材料的綜合得分(即M值)，對各種質材料進行綜合評價，M值越高，綜合性狀表現越好。裸大麥種質材料綜合性狀得分排前10位的分別為：小青稞、循化黑青稞、福9、藏830563、青6265WDM3344、9820、昆侖14、ICNBFB-6189EL.3gp、查襪、足捉春青稞。這些種質綜合表現較好，可加以利用。

3 討論

3.1 青藏高原裸大麥種質主要性狀的表現及其遺傳多樣性

種質資源的遺傳多樣性是育種工作的基礎，近些年為了提高育種水平，育種家逐步注重提高育種基礎材料的遺傳多樣性，以擴大育成品種的遺傳基礎[8-9]。遺傳多樣性指數已被廣泛應用于各類作物的多樣性評價中，尤其是水稻、小麥和棉花等核心種質的多樣性評價[10-12]。潘志芬等[13]和吳昆侖[14]對青藏高原青稞進行了遺傳多樣性分析，結果表明，青藏高原青稞遺傳基礎較廣，具有豐富的遺傳多樣性。原紅軍等[15]研究認為，西藏青稞育成品種遺傳多樣性大于西藏野生大麥，也大于西藏青稞地方品種。胥婷婷[6]以來源于青藏和云貴高原的402份青稞種質為材料，利用42對SSR標記結合6個農藝性狀分析了這些青稞種質資源的遺傳多樣性，結果發現：402份青稞種質在農藝性狀上表現出豐富的遺傳多樣性，西藏青稞的多樣性最為豐富，其次是青海青稞；主成分分析說明株高對千粒重和產量有較為重要的影響；采用聚類取樣法、隨機取樣法和最小距離逐步取樣法，從402份青稞種質中篩選出50份具有較高遺傳多樣性的青稞種質作為核心種質。本研究結果表明，86份裸大麥主要農藝性狀遺傳多樣性指數均較高，數量性狀的遺傳多樣性指數(1.62～2.05)高于質量性狀(0.47～1.04)，說明本次引進的青藏裸大麥資源具有較高的豐富度和均勻度，遺傳多樣性廣泛，且數量性狀遺傳變異更加豐富。8個質量性狀中，籽粒顏色多樣性指數最大，這與夏騰飛等[16]的研究結果一致。本研究超過一半(59.30%)的種質資源籽粒為褐色，近三分之一(31.40%)種質資源籽粒為黃色，紫色籽粒占4.65%，籽粒顏色為藍色和黑色的最少，各占2.33%。各數量性狀的變異系數中，主穗長和每穗粒數相對較高，分別為33.08%、25.11%，說明這些性狀具有較大的選擇范圍，利用現有資源育成大穗大粒型、產量高的品種或品系成為可能。

3.2 不同大麥種質資源統計學

劉亞楠等[17]對全球97份二棱大麥種質研究發現，主穗長與主穗粒數呈極顯著正相關，穗長增長，主穗粒數增多。夏騰飛等[16]研究認為，青藏高原裸大麥每穗實粒數和千粒重呈極顯著正相關，株高與每穗實粒數呈顯著負相關，本研究結果與此一致。方彥杰等[18]研究47份美國大麥種質資源發現，株高與穗粒數呈極顯著正相關，本研究表明，株高與每穗粒數呈顯著負相關。原因可能是青藏高原位于高海拔地區，鹽城位于沿海地區，生態環境的差異導致種植于鹽城的部分青藏高原裸大麥種質株高增加，植株養分源有限，每穗粒數減少，這一現象基本符合“源庫流理論”。

尚毅等[19]對浙江省裸大麥地方品種聚類研究發現，裸大麥和皮大麥分別聚為一大類，與品種地理來源沒有聯系。賈巧君等[20]研究發現，浙江赤霉病抗性不同的大麥地方品種聚類與品種來源地無關，原因是浙江省面積小，各區域有著相同或相似的生長環境或氣候條件，或各地方品種間的頻繁交流，導致這些地方品種的地域程度降低。Chen等[21]對上海的大麥地方品種研究發現，二棱大麥和六棱大麥分別聚為一類，表明二棱品種與六棱品種有遺傳差異，與本研究結果類似。

3.3 大麥種質不同評價方法的比較

本研究通過對引進的86份青藏高原裸大麥種質資源農藝性狀綜合鑒定和評價，以期篩選出生態適應性、高產、優質、抗逆性等方面適宜于江蘇沿海地區生長的優良品系材料。優質的大麥種質，應具有優良的表型性狀和品質。表型性狀雖受環境影響，但性狀的表型鑒定比較直觀；分子標記鑒定結果比較可靠，但同一性狀往往由多個基因控制，基因又有主效和微效之分，很難利用少數幾個標記準確鑒定某一性狀的表型。表型性狀的變異在一定程度上仍能反映出各類群的親緣關系和表型特征。

本研究運用的馬氏距離類平均法聚類可消除性狀間相關性對聚類結果的影響[22]，本文將86份裸大麥種質資源分為4類，第Ⅰ類群種質最少，第Ⅳ類的種質最多。第Ⅰ類是二棱種質，為高稈大穗大粒型，第Ⅱ類種質為矮稈多粒長穗型，第Ⅲ類種質為短穗型，第Ⅳ類種質為高稈多粒型。Ⅰ、Ⅳ類種質高稈性狀需要改良，第Ⅲ類種質雖為短穗型，穗粒數少，產量低，但從豐富基因來看，可作為個別性狀的改良親本。

M值評價法可為育種家提供更直觀、更方便的參考指標，為今后裸大麥種質資源的收集和利用提供了理論依據。同時，本研究利用M值評價法篩選出的10份裸大麥種質，對江蘇地區青稞育種工作中親本的高效選擇具有一定的指導意義。