燕麥種質資源農藝性狀遺傳多樣性的鑒定評價

張 琦， 魏臻武， 閆天芳， 耿小麗

(揚州大學動物科學與技術學院/揚州大學草業科學研究所，江蘇 揚州 225009)

燕麥(AvenasativaL.)是禾本科燕麥屬植物，通常分為裸粒型燕麥(裸燕麥)和帶稃型燕麥(皮燕麥)兩種[1]。燕麥廣泛種植于世界各地，主產區集中在北半球溫帶地區[2]。到2017年，我國從28個國家共引進了2 099份燕麥種質資源，其中引進較多的國家有加拿大(1 041份)和丹麥(502份)。目前，我國收集并保存了5 282份燕麥種質資源，位居世界第5位[3]。雖然我國的燕麥種質資源豐富，但新品種的育成速度和燕麥生產水平都較為滯后，導致我國燕麥與進口燕麥在各個方面均存在較大差距。優良的飼草品種是飼草產業發展的物質基礎，聯合國糧食與農業組織(Food and Agriculture Organization of the United Nations,FAO)和發達國家對影響農業生產的中眾多因素的評估結果表明，品種貢獻最高，超過30%[4]。雖然我國擁有豐富的飼草種質資源，但是存在利用率低下、改良方法落后、育種效率緩慢的問題亟待解決[5]。

種質資源是燕麥新品種選育的物質基礎，遺傳多樣性很大程度上決定種質資源的豐富度，能夠反映栽培物種的育種水平，用于發現新的基因資源和改良現有品種。燕麥改良的主要方向是培育高產、優質、抗逆等的新品種[6]。通常情況下，植物的遺傳多樣性與表型性狀之間具有高度的關聯。因此，在以皮裸燕麥雜交為主的新品種選育中，想要利用皮燕麥和裸燕麥在農藝性狀和生產性能方面的不同特征，選擇最優的親本和雜交組合，就要深入的分析不同種質間的遺傳差異，歸納出高效的親本選配方法。盡管已有研究利用分子標記、生化技術如同工酶[7-8]、隨機擴增多態性DNA標記(Random amplified polymorphic DNA，RAPD)[9]、限制性內切酶片段長度多態性(Restriction fragment length polymorphism，RFLP)[10]、擴增片段長度多態性(Amplified fragment length polymorphism，AFLP)[11-12]、微衛星(Simple sequence repeats，SSR)[13-14]、表達序列標簽(Expressed sequence tag-simple sequence repeat，EST-SSR)[15-16]和區間簡單重復序列標記(Inter-simple sequence repeat，ISSR)[17]等對燕麥種質資源的遺傳多樣性進行了鑒定和評價。但是基于農藝性狀的測定和比較，仍然是種質資源利用研究的重要方法和依據[18]。

本研究以引自國內外的141個燕麥種質資源為材料，測定相關農藝性狀和籽粒性狀指標，并通過遺傳多樣性指數分析、主成分分析和聚類分析，研究了141份燕麥種質資源的遺傳親緣關系，減少目標育種親本選配的盲目性，更加合理利用燕麥種質資源，從而為燕麥資源新基因的探索、種質創新利用以及江淮地區燕麥種質選擇研究提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本試驗在揚州大學揚子津牧草實驗基地(119°01′～119°54′ E，32°15′～33°25′ N)進行。該基地年平均氣溫為14.8℃，年平均降水量1 005 mm。年平均光照時間2 140 h，無霜期為220 d左右。試驗地0～20 cm土層土壤肥力中等，有機質含量為11.89 g·kg-1，堿解氮含量為88.26 mg·kg-1，速效磷含量為6.04 mg·kg-1，速效鉀含量為42.33 mg·kg-1，土壤pH為7.34。

1.2 試驗材料

供試燕麥種質材料中105份由全國畜牧總站種質資源庫提供，36份由揚州大學草業科學研究所提供。本試驗中的141份燕麥種質資源共包含122份皮燕麥和19份裸燕麥，其中92份來自亞洲、23份來自歐洲、23份來自北美、3份來自澳洲。而92份燕麥中89份來自中國，其中揚州18份、甘肅15份、青海13份、山西10份、四川9份、湖北8份、河北5份、新疆5份、東北4份、山東2份。

1.3 試驗設計

本試驗采用人工條播種植，播種前20天，進行翻耕(15～20 cm)。2017年10月3日進行種植，每份燕麥種質種植3行，行長3 m，行距30 cm，小區面積4.5(3×1.5) m2。小區間距1 m。播量12 g·m-2，播種深度5～8 cm，3次重復。分別乳熟期(2018年5月15日左右)和完熟期(2018年6月1日左右)進行取樣和測定農藝性狀和種質性狀指標。

1.4 測定指標及方法

1.4.1農藝性狀測定 按照《燕麥種質資源描述規范和數據標準》[19]于乳熟期在每個小區內采用5點取樣法隨機選取10株燕麥，帶回實驗室測定每株燕麥燕麥株高(Plant height)、分蘗數(Number of tiller)、穗長(Length of spikelet)、旗葉長(Length of leaf)、莖粗(Stem thick)、輪層數(Number of ear layer)、穗粒數(Number of spikelet)、千粒重(Thousand grain weight)、單株鮮重(Fresh weight of plant)，將其在105℃下殺青30 min，然后在80℃下烘干48 h至恒重，測定其單株干重。

1.4.2籽粒性狀測定 于完熟期各小區隨機挖取10株帶回試驗室考種，按照《燕麥種質資源描述規范和數據標準》[19]測定燕麥籽粒的皮/裸性狀(Hulled/Naked)、有無麥芒(Awn/Awnless)、粒型(Grain type)、粒色(Grain color)。

表1 參試燕麥種質的名稱與來源

1.5 數據處理

本試驗使用Excel 2013軟件對原始數據進行處理，通過SPSS 19.0軟件對數據進行統計和分析。使用Shannon-Weaver指數進行遺傳多樣性指數分析：遺傳多樣性指數H′=-∑PiLnPi(Pi為此物種個體數占總個體數比例)[20]。為了方便對質量性狀進行統計分析，將質量性狀賦值進行計算。利用R 3.4.1語言使用Ward法對燕麥種質進行聚類和繪制圓形聚類分析圖。通過SPSS 19.0軟件對主要農藝性狀進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 燕麥種質資源形態多樣性

對141份燕麥的種質性狀進行遺傳多樣性分析(表2)發現，141種質資源中皮燕麥占絕大多數，占比高達87%，而裸燕麥僅占比13%。粒色上，白色最多，占比76%；其次為褐色，占比17%；黃色和黑色相近且占比最少。粒型上，紡錘型為絕大多數，占參試材料的91%，長筒型和橢圓形各占5%和4%。麥芒方面，56%的材料表現為無芒，其余44%的材料為有芒。在這4個質量性狀中，遺傳多樣性指數最高的是粒色，為1.08。

由表3可知，燕麥的平均株高為131.64 cm。其中‘CF008186’株高最高為192.60 cm，‘AS172 2639’的株高最低僅有63.4 cm。6%的燕麥株高低于100 cm，110～130 cm之間的燕麥種質最多約占50%，株高高于150 cm的燕麥占10%。在分蘗數方面，53%的種質分蘗數在3～4個之間，34%的種質分蘗數在4～5之間，9%的分蘗數為5～6，僅有2個燕麥種質的分蘗數為7。各個燕麥種質之間的莖粗差異極大，9%的種質莖粗在0.3～0.4 cm個之間，27%的種質在0.4～0.5 cm之間，34%在0.5～0.6 cm之間，28%的莖粗為0.6～0.7 cm，4個燕麥種質的莖粗在0.8～0.9，分別為‘CF015038’、‘AS1722713’、‘AS1722636’、‘CF014935’。各種質燕麥旗葉長差距極大，在11.05 cm～37.54 cm之間，19%的種質葉長為10～20 cm，73%的種質在20～30 cm，8%的葉長在30～40 cm之間，其中‘CF008427’旗葉最長可達37.54 cm，‘CF014594’最短僅有11.05 cm。在穗長方面，‘CF008188’穗長最長有51.74 cm，‘CF008449’最短只有23.38 cm，141份燕麥種質的穗長在這個區間內均勻分布。在穗粒數上，‘CF003687’最多為單株144.4粒，‘CF014584’最少單株僅有33.6粒。本研究中10個性狀的變異系數均大于10%，說明141份燕麥種質資源材料間形態差異較大，種質資源遺傳類型豐富，有利于特異種質材料的篩選。遺傳多樣性分析表明，多樣性指數最高的性狀是莖粗，為2.64；其次是單株鮮重，為2.55；遺傳多樣性指數的排序為莖粗>單株鮮重>單株干重>穗長>輪層數>千粒重>葉長>穗粒數>株高>分蘗數。

表2 燕麥種質資源4個質量性狀的遺傳多樣性分析

表3 燕麥種質資源10個數量性狀的遺傳多樣性分析

2.2 燕麥主要性狀的主成分分析

首先對10個農藝性狀進行Bartlett球度檢驗(P<0.05)和KMO檢驗(0.647)發現數據適合進行主成分分析[5]。對141份燕麥種質進行主成分分析，結果顯示，前4個特征值的累計貢獻率達69.609%，包含了所有種質農藝性狀的大部分信息，可作為代表進行分析。由表4可知，第1主成分特征值為3.127，貢獻率為27.312%。單株干重特征向量值為最大(0.882)，說明單株干重對第1主成分影響最大，其次是單株鮮重(0.880)、莖粗(0.810)，因此第1主成分可作為燕麥草產量因子。第2主成分的特征值為1.558，貢獻率為17.735%。穗長特征向量值正值最大(0.691)，其次是分蘗(0.592)、株高(0.551)，因此第2主成分為形態因子。第3主成分的特征值為1.166，貢獻率為12.728%。千粒重特征向量值為正值最大(0.637)，因此第3主成分為籽粒特性因子。第4主成分的特征值為1.110，相應的貢獻率為11.834%，第4主成分中輪層數特征向量值為正值最大(0.551)，因此第4主成分為籽粒產量因子。

表4 燕麥主要農藝性狀的主成分分析

2.3 燕麥種質群劃分及歸類

聚類分析可以明確燕麥種質資源的不同類型，方便選取差異較大的種質材料，為親本的選擇提供理論依據。對141份燕麥種質資源材料進行聚類分析，分析結果將141份燕麥種質劃分為3大類(圖1)，并對各種質群性狀進行了統計分析(表5)。

圖1 燕麥種質資源聚類圖

種質群Ⅰ包含88份種質，包括87個皮燕麥和1個裸燕麥，其中53份來自中國(揚州本地品種10份)，35份來自國外。該類群粒形均為紡錘型，粒色分為白色和褐色兩種；在10個數量性狀中，其主要特征是株高最低、莖粗最細、旗葉和穗長最短、單株鮮重和干重最小、穗粒數最少。這一類群中的燕麥種質可以作為選育矮桿、特異穗粒品種的優良親本。

種質群Ⅱ包含36份，包括35份皮燕麥和1份裸燕麥，其中18份來自中國(揚州本地品種5份)，17份來自國外。該類群粒形以紡錘型為主，粒色以白色為主。該類群植株最高，株高平均為139 cm，分蘗能力最強，單株分蘗數為4.64個，莖粗最高平均為0.68 cm，同時其單株鮮重和單株干重在3個種質群中處于最高水平。這一類群可以作為選育高桿、高產品種的優良親本。

種質群Ⅲ包含17份燕麥材料，均為來自我國的裸燕麥，包括青海、山西、四川、內蒙古、甘肅、揚州等地，其中揚州本地3份。該類群旗葉長和穗長均高于其他兩個種質群，分別為26.89 cm，38.63 cm。輪層數和千粒重均低于其他種質群，其余各數量性狀介于另外兩個種質群之間，該種質群可作為選育飼用籽粒品種的親本。以上3個種質群可在實際育種工作中根據選育目標進行綜合分析和篩選。

表5 燕麥種質資源各種質群性狀的特征

3 討論

種質資源是新品種選育的基礎，而分析種質資源的遺傳背景和遺傳多樣性是育種突破的關鍵。隨著草地農業的發展，不同的生產目標也對新品種創新提出了新的要求。為了選育適宜內蒙古地區生產的燕麥新品種，田青松等[21]以‘永492’和父本‘歇里·努瓦爾’進行種間雜交選育出了高產燕麥飼草新品種‘蒙飼燕2號’。為了解決燕麥在南方生長不能抽穗結實和種植范圍窄的生產問題，楊才等[22]利用溫室加代的措施，通過3種間聚合雜交，育成了株高55～140 cm，生育期65～100 d的燕麥新品種。但由于近年來作物育種所用的種質資源主要集中在骨干親本上[23-25]，導致育成品種農藝性狀的變異幅度較為狹窄，因此研究燕麥種質資源的多樣性對燕麥遺傳育種具有重要意義[26-27]。

本研究對不同來源的141份燕麥種質資源進行了農藝性狀多樣性分析，結果表明，莖粗的多樣性指數最高，其次是單株鮮重和單株干重，分蘗數和株高的多樣性指數較低，單株鮮重的變異系數最高，其次為單株干重和千粒重，分蘗數和穗長的變異系數較低。遺傳多樣性指數反應了種質資源間性狀的多樣性，而變異系數的大小與某個性狀的變幅呈正相關[28]。研究表明，當變異系數在10%以上時，種質資源間的性狀存在顯著差異[29]，本研究中燕麥種質資源10個數量性狀的變異范圍在17.01%～41.79%之間，均大于10%，表明參試燕麥品種間存在豐富的遺傳多樣性，可以為燕麥品種改良工作提供了豐富、優良的親本材料。

主成分分析可有效的簡化選擇程序、把握綜合性狀[30]，已廣泛應用于玉米(Zeamays)、小麥(Triticumaestivum)等許多農作物性狀的評價和篩選中[31-32]。本研究，4個主成分因子的特征值表明，參試種質和性狀指標對于主成分分析結果具有一定影響，前4個主成分因子的累計貢獻率達69.609%，包含了近一半以上的性狀信息。根據這些信息，可對燕麥種質不同農藝性狀進行差異性和特異性選擇，提高篩選種質性狀的效率。

采用聚類分析可以劃分燕麥種質資源的不同類型，方便選取差異較大的種質材料，為雜交親本的選配提供參考依據[33]，目前已被廣泛運用于許多作物種質資源的分類與遺傳多樣性研究上。通過聚類分析將141份燕麥種質資源劃分為具有明顯性狀差異的3個種質群，可為不同育種目標的選擇提供參考，以期提高育種效率。3個種質群中種質群Ⅰ的種質資源株高最矮，莖粗最細，單株鮮重和干重最小，輪層數、分蘗數和穗長處于中間水平，可以用來選育矮桿抗倒伏、特異穗粒品種。種質群Ⅱ為植株高大、莖稈最粗、單株分蘗數最多、千粒重最大、單株鮮重和干重最大的燕麥種質資源，可作為選育高產飼草品種的優良親本。種質群Ⅲ的種質資源均為裸燕麥，該種質群的旗葉最長、穗長最長，由于均為裸燕麥，千粒重最小，其余各農藝性狀較為均衡，可作為選育飼用籽粒品種的優良親本。不同來源的燕麥種質遺傳基礎之間存在差異，而同一地理來源的燕麥種質之間并沒有聚為一類，表明不同材料間的遺傳差異與地理位置沒有明顯的相關性，這與齊冰潔、南銘的研究結果一致[2,5]。

本研究通過分析141份燕麥種質資源的遺傳多樣性，從農藝性狀上鑒定出了一批優異的種質材料，但由于農藝性狀易受環境條件和人為因素的影響而發生改變，因此應結合分子標記技術對這些燕麥種質資源進行更加深入的測定，以標記和驗證其農藝性狀的結果，并與常規育種手段相結合，更加有效的利用其育種潛力，為燕麥農藝性狀的遺傳改良提供可靠依據。

4 結論

141份不同來源的燕麥種質資源之間遺傳多樣性較為豐富，莖粗、單株鮮重和千粒重這3個飼草產量相關性狀的多樣性指數較高。主成分分析結果顯示：4個主成分因子累計貢獻率達69.609%，第1主成分反映單株鮮重和莖粗，與飼草產量有關；第2主成分與穗長、分蘗和株高等形態性狀有關;第3主成分與籽粒特性有關；第4主成分與籽粒產量有關。通過聚類分析將141份種質資源分為3類，種質群Ⅰ株高最矮，莖粗最細，單株鮮重和干重最小;種質群Ⅱ為植株高大、莖稈最粗、單株分蘗數最多、千粒重最大、單株鮮重和干重最大;種質群Ⅲ旗葉和穗長最長，在實際應用中可以依據不同的育種目標選擇親本材料。