1個(gè)小麥自然群體穗發(fā)芽抗性與主要農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

成 旭， 史培瑤， 王 磊， 王黎明， 董普輝， 王春平

(1.河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南洛陽 471000； 2.河南浩迪農(nóng)業(yè)科技有限公司，河南洛陽 471000)

穗發(fā)芽(PHS)是指小麥?zhǔn)斋@前因潮濕或陰雨而使麥穗發(fā)芽的現(xiàn)象，小麥成熟期遭遇穗發(fā)芽會(huì)嚴(yán)重影響小麥的產(chǎn)量、品質(zhì)[1]，給小麥生產(chǎn)帶來不利影響。小麥穗發(fā)芽在我國的發(fā)生較為頻繁，在世界范圍內(nèi)的發(fā)生也較為普遍，是影響小麥生產(chǎn)的一種世界性災(zāi)害[2-4]。

小麥穗發(fā)芽受到溫度、水分、光照等環(huán)境因素和穗部性狀等遺傳因素的共同控制[5-6]。前人的研究還發(fā)現(xiàn)，種子休眠水平是影響小麥穗發(fā)芽抗性強(qiáng)弱的一個(gè)主要遺傳因素，休眠期短的品種較易發(fā)生穗發(fā)芽；白皮小麥比紅皮小麥更易發(fā)生穗發(fā)芽；對(duì)赤霉素反應(yīng)強(qiáng)的品種易穗發(fā)芽；小麥的穗部形態(tài)、結(jié)構(gòu)會(huì)影響麥穗的吸水情況，其中吸水量大、吸水迅速的品種穗發(fā)芽情況嚴(yán)重[7-10]。因此，選育和推廣抗穗發(fā)芽的小麥新品種，是應(yīng)對(duì)小麥穗發(fā)芽危害的根本途徑[11]。

目前，鑒定小麥穗發(fā)芽抗性的方法可分為整穗發(fā)芽法、酶反應(yīng)生化標(biāo)記選擇法、大田發(fā)芽法和種子萌發(fā)試驗(yàn)等4類[12-13]，具體包括籽粒顏色、籽粒質(zhì)地、穗型、穗色等形態(tài)指標(biāo)及α-淀粉酶活性、對(duì)外源脫落酸(ABA)的響應(yīng)等生化指標(biāo)，均可用于判斷小麥品種穗發(fā)芽的抗性。另外，開發(fā)已經(jīng)在小麥AL、3BL、4AS和4AL等染色體上發(fā)現(xiàn)的與小麥穗發(fā)芽抗性相關(guān)的數(shù)量性狀座位(QTL)和基因位點(diǎn)的特異分子標(biāo)記也是穗發(fā)芽抗性鑒定的常用技術(shù)。目前開發(fā)的Vp1B3、WMC104、Tamyb10D等分子標(biāo)記已經(jīng)被用于小麥育種時(shí)穗發(fā)芽抗性的篩選[14-16]。

總之，小麥穗發(fā)芽的抗性受到多個(gè)基因調(diào)控[17]，并且環(huán)境也對(duì)其有很大影響。因此，需要綜合各種因素，分析各因素之間的相關(guān)性，更加全面地研究小麥穗發(fā)芽的抗性機(jī)制[18-19]，而開展小麥穗發(fā)芽抗性的研究，分析其因子之間的相關(guān)性，將優(yōu)異穗發(fā)芽抗性相關(guān)基因?qū)胄←湵尘埃瑥亩x育出抗穗發(fā)芽“綠色”小麥新品種是全世界各國研究者廣泛關(guān)注的課題[20]。本研究對(duì)143份小麥材料進(jìn)行了穗發(fā)芽抗性鑒定，通過對(duì)田間穗發(fā)芽小麥粒色、粒型、株高等相關(guān)農(nóng)藝性狀的調(diào)查和分析，研究穗發(fā)芽與各因子之間的相關(guān)性，以期為選育抗穗發(fā)芽綠色小麥新品種提供農(nóng)藝學(xué)篩選與鑒定等方面的參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料是由143份小麥品種(系)構(gòu)成的自然群體(表1)，該群體在2019年10月于河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院農(nóng)場進(jìn)行統(tǒng)一種植，田間管理均按照常規(guī)方法進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 小麥穗發(fā)芽相關(guān)性狀的調(diào)查 2020年5—6月在小麥的成熟期進(jìn)行田間調(diào)查，主要進(jìn)行農(nóng)藝性狀調(diào)查，具體性狀包括小麥株高、穗長、小穗數(shù)、小穗密度、穎殼毛性及穗色。相關(guān)性狀的調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)如下：

表1 1個(gè)由143份小麥品種(系)構(gòu)成的自然群體

株高：從地面到穗頂(不連芒)的高度，平均測定5～10株，單位為cm。穗色：根據(jù)穗部蠟質(zhì)情況，分為黃綠、白蠟2種顏色。穗長：在所選材料中隨機(jī)選擇3穗，測量其穗基部第1個(gè)小穗到穗頂部(不包括麥芒)的長度，測量后取其平均值。小穗數(shù)：在所選材料中隨機(jī)選擇3穗，測量其小穗數(shù)量，測量后取其平均值。小穗密度：在所選材料中隨機(jī)選擇3穗，測量其小穗數(shù)，取其平均值，計(jì)算公式：小穗密度=小穗數(shù)/穗長。2020年6月中旬進(jìn)行供試小麥材料的室內(nèi)考種，即在收獲后調(diào)查籽粒的相關(guān)性狀，考察內(nèi)容包括籽粒顏色、粒型、籽粒質(zhì)地及千粒質(zhì)量。相關(guān)性狀與調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)如下：籽粒顏色，目測分紅色、白色2種；粒型，分為長粒型(穗子各面基本均勻一致)、橢圓型(穗部上小、下大，或者分枝呈現(xiàn)圓錐狀)2種；籽粒質(zhì)地，分為軟質(zhì)和硬質(zhì)，一般取100粒，用小刀橫切小麥中部，觀察斷面，硬粒率大于70%視為硬質(zhì)，小于30%則視為軟質(zhì)；千粒質(zhì)量，每份材料隨機(jī)取5份，每份200粒，稱質(zhì)量，取其平均值，乘以5即為千粒質(zhì)量。

1.2.2 小麥穗發(fā)芽率的鑒定 采用成熟期延遲收獲法鑒定穗發(fā)芽情況：每份供試小麥材料收獲后立即脫粒，每份材料用數(shù)粒板隨機(jī)數(shù)取200粒，分揀出200粒中的穗發(fā)芽籽粒，穗發(fā)芽率=穗發(fā)芽籽粒數(shù)/200×100%。依次重復(fù)3次，最終的穗發(fā)芽率為3次重復(fù)之和的平均值。按此方法對(duì)143份供試材料進(jìn)行穗發(fā)芽率的調(diào)查。

表2 部分小麥材料的穗發(fā)芽率及其他農(nóng)藝性狀

2 結(jié)果與分析

2.1 小麥主要農(nóng)藝性狀與穗發(fā)芽率的相關(guān)性分析

對(duì)小麥株高、穗長、小穗密度、千粒質(zhì)量等農(nóng)藝性狀與穗發(fā)芽率進(jìn)行相關(guān)分析。由圖1可以看出，穗發(fā)芽率與株高、穗長、小穗密度、千粒質(zhì)量的相關(guān)系數(shù)分別為-0.251、-0.179、0.134、-0.012，其中，株高、穗長與穗發(fā)芽率呈顯著負(fù)相關(guān)，千粒質(zhì)量與穗發(fā)芽率的相關(guān)性最弱，小穗密度與穗發(fā)芽率呈正相關(guān)，說明小麥株高、穗長、小穗密度、千粒質(zhì)量各個(gè)性狀與小麥的穗發(fā)芽率之間存在相互影響、相互制約的關(guān)系。

在143份供試小麥材料中，白粒小麥的平均穗發(fā)芽率為40.40%，紅粒小麥的平均穗發(fā)芽率為35.00%，橢圓粒型的小麥平均穗發(fā)芽率為39.60%，長粒小麥的平均穗發(fā)芽率為36.80%，軟質(zhì)小麥的平均穗發(fā)芽率為36.20%，硬質(zhì)小麥的平均穗發(fā)芽率為39.30%。由此可知，粒色、粒型、籽粒質(zhì)地均與穗發(fā)芽率相關(guān)，其中，相較于紅粒小麥，白粒小麥對(duì)穗發(fā)芽的抗性較弱，長粒小麥的穗發(fā)芽率低于橢圓粒型小麥，軟質(zhì)小麥的穗發(fā)芽率低于硬質(zhì)小麥；穗色與穗發(fā)芽率無相關(guān)性。

2.2 小麥主要農(nóng)藝性狀與穗發(fā)芽率的主成分分析

采用SPSS 數(shù)據(jù)處理軟件對(duì)供試143份小麥材料的6個(gè)主要性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，得出特征值與特征值累計(jì)百分率，得到表3和表4。表中各特征值大小表現(xiàn)了各綜合指標(biāo)遺傳方差的大小，各特征值累計(jì)百分率則代表了各有關(guān)綜合指標(biāo)對(duì)總遺傳方差貢獻(xiàn)的百分率[21-22]。

從表3可以看出，成分1(小麥株高)的特征值為2.337，對(duì)總變異的貢獻(xiàn)率達(dá)到38.950%，是變異的主要來源。由表4可得，成分1所對(duì)應(yīng)的特征變量中，載荷值中穗長最大，其次為株高，都是正值。此類性狀都與株型有關(guān)，故稱株型因子為第1主成分。另外，在此主成分中，小穗密度的載荷負(fù)值最大，次之為穗發(fā)芽率，說明穗發(fā)芽率與株高、穗長呈負(fù)相關(guān)，與小穗密度呈正相關(guān)，這與相關(guān)分析結(jié)果一致。因此，在育種過程中應(yīng)選擇株高偏高、穗長相對(duì)適中的品種，協(xié)調(diào)各性狀指標(biāo)，在保持小麥產(chǎn)量的同時(shí)，降低穗發(fā)芽率。

表3 入選成分的特征值及特征值的累積百分比

表4 各成分的因子荷載矩陣

成分2(小麥穗長)的特征值為1.217，對(duì)總變異的貢獻(xiàn)率為20.283%，在其對(duì)應(yīng)的特征變量中，載荷較高且符號(hào)為正的有小穗數(shù)、小穗密度，此類性狀與籽粒數(shù)量有關(guān)，故稱第2主成分為籽粒數(shù)量因子。在此主成分中，穗發(fā)芽率的載荷負(fù)值最大，說明穗發(fā)芽率與小穗數(shù)、小穗密度呈負(fù)相關(guān)。因此，育種過程中小麥籽粒數(shù)量越多，穗發(fā)芽的可能性就越高，不應(yīng)一味追求多籽粒。

成分3(小麥小穗數(shù))的特征值為1.008，對(duì)總變異的貢獻(xiàn)率達(dá)16.801%，在其對(duì)應(yīng)的特征變量中，只有千粒質(zhì)量的載荷較高且為正值，此性狀與籽粒質(zhì)量有關(guān)，故稱第3主成分為粒質(zhì)量因子。在此成分中，穗發(fā)芽率的載荷負(fù)值最大，說明穗發(fā)芽率與千粒質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)。因此，在育種過程中要選擇粒質(zhì)量適宜的小麥籽粒，對(duì)減輕穗發(fā)芽損害而言可能有一定幫助。

2.3 供試小麥品種穗發(fā)芽率聚類分析

以穗發(fā)芽率為變量，用SPSS對(duì)供試小麥品種進(jìn)行聚類分析。用歐氏距離、組間連接法進(jìn)行聚類分析，以閾值5將143份小麥品種分為六大類群(表5)。第Ⅰ類群含有44個(gè)品種，分成2個(gè)亞類。其中第1亞類包含25個(gè)品種，穗發(fā)芽率在9.57%～17.32%之間，平均穗發(fā)芽率為13.17%，這25個(gè)品種中穗發(fā)芽率最低的為偃展03114，穗發(fā)芽率最高的為丹麥118；第2亞類包含19個(gè)品種，穗發(fā)芽率在0.42%～8.03%之間，平均穗發(fā)芽率為5.14%，19個(gè)品種中穗發(fā)芽率最低的為7G，穗發(fā)芽率最高的為SN20150380。此亞類所含品種的穗發(fā)芽率均低于其他類群，是所有類群里穗發(fā)芽率最低的一類。第Ⅱ類群包括21個(gè)品種，穗發(fā)芽率在18.10%～30.16%之間，平均穗發(fā)芽率為24.24%，這類群中穗發(fā)芽率最低、最高的品種分別為周麥98165、嵩優(yōu)5218。第Ⅲ類群包括9個(gè)品種，穗發(fā)芽率在49.16%～57.95%之間，平均穗發(fā)芽率為53.54%。第Ⅳ類群包括32個(gè)品種，穗發(fā)芽率在31.85%～57.95%之間，平均穗發(fā)芽率為42.74%，穗發(fā)芽率最低、最高的分別為節(jié)燕普3號(hào)、許科918。第Ⅴ類群包括10個(gè)品種，穗發(fā)芽率在86.03%～99.11%之間，平均穗發(fā)芽率為90.97%，此類群的穗發(fā)芽率極高，其中穗發(fā)芽率最高的品種中育9398的穗發(fā)芽率為99.11%，接近100%。第Ⅵ類群包括27個(gè)品種，穗發(fā)芽率在60.40%～80.80%之間，平均穗發(fā)芽率為70.33%。

六大類群的穗發(fā)芽率排序?yàn)榈冖躅惾?第Ⅵ類群>第Ⅲ類群>第Ⅳ類群>第Ⅱ類群>第Ⅰ類群第1亞類>第Ⅰ類群第2亞類。第Ⅴ類群的平均株高為68.80 cm，第Ⅵ類群的平均株高為 71.00 cm，第Ⅲ類群的平均株高為71.27 cm，第Ⅱ類群的平均株高為72.24 cm，第Ⅰ類群第1亞類的株高為73.00 cm，第Ⅰ類群第2亞類的株高為76.63 cm。穗發(fā)芽率最低的類群所包含的小麥品種的株高明顯比其他類群高。由此可見，株高越高，穗發(fā)芽率越低，這與上述相關(guān)性、主成分分析所得結(jié)論一致，即穗發(fā)芽率和株高呈負(fù)相關(guān)。

表5 143份小麥材料的類群組成

3 討論和結(jié)論

本研究將143份供試小麥品種穗發(fā)芽率與主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果表明，小麥粒色、粒型、粒質(zhì)、株高、穗長、小穗密度均與小麥的穗發(fā)芽率相關(guān)，千粒質(zhì)量與小麥的穗發(fā)芽率有一定的相關(guān)性，但相關(guān)性不強(qiáng)，穎殼的毛性、穗色與小麥穗發(fā)芽率無相關(guān)性。小穗密度越低，穗發(fā)芽率越低；株高越高，穗發(fā)芽率越低。由此說明，小麥穗發(fā)芽的發(fā)生是一個(gè)復(fù)雜的生理反應(yīng)，多個(gè)因素均會(huì)影響其進(jìn)程[23]。因此，在選育抗穗發(fā)芽小麥時(shí)，應(yīng)該綜合考慮各因子之間的關(guān)系，適當(dāng)選育具有一定株高、較低小穗密度的小麥品種。在選育抗穗發(fā)芽品種時(shí)，143份材料中的紅粒小麥的穗發(fā)芽率低于白粒小麥，就本試驗(yàn)結(jié)果來看，紅粒小麥對(duì)穗發(fā)芽的抗性要強(qiáng)于白粒小麥。

主成分分析是在原來的基本情況下，用很少且各部分之間無相關(guān)性的指標(biāo)取代原來較多且之間互相相關(guān)的指標(biāo)，將多個(gè)指標(biāo)的分析變得簡單明了，同時(shí)反映數(shù)量性狀較為全面的情況，可對(duì)親本品種進(jìn)行鑒定，根據(jù)需要進(jìn)行主成分篩選[24-26]。本研究通過主成分分析將143份供試小麥品種的6個(gè)性狀分成3個(gè)主成分，即株型因子、籽粒數(shù)量因子、粒質(zhì)量因子，它們的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到了76.034%。通過聚類分析，可以將143份供試小麥品種分為六大類，第Ⅰ類中的第2亞類為穗發(fā)芽抗性品種，其平均穗發(fā)芽率為5.14%，穗發(fā)芽率較低；第Ⅴ類為穗發(fā)芽高感品種，平均穗發(fā)芽率達(dá)90.97%。上述因子綜合反映了小麥穗發(fā)芽的相關(guān)遺傳信息，結(jié)合相關(guān)性分析，可以篩選出抗穗發(fā)芽的優(yōu)質(zhì)小麥品種如第2亞類群中的白粒小麥煙麥361、濟(jì)麥20、濟(jì)麥98等加以繁殖推廣，從而加速小麥抗穗發(fā)芽育種研究的進(jìn)展。