耐鹽堿高粱親緣關系分析及農藝性狀評價

周 偉, 余忠浩, 孫思思, 張詩琪, 王昕悅, 史立昕, 麻天龍, 劉 慧, 周亞星

(1.內蒙古民族大學科爾沁沙地生態農業國家民委重點實驗室, 內蒙古 通遼 028000; 2.內蒙古工程項目管理有限公司, 呼和浩特 010000)

高粱(sorghumbicolor(L.) Moench)又稱烏禾、蜀黍,為禾本科高粱屬一年生草本植物,是世界第五大禾谷類作物[1]。高粱營養價值較高,用途廣[2-3],具有耐鹽、耐酸、耐旱、耐貧瘠等特性[4-7]。

截至2006年,世界范圍內收集和保存的高粱種質資源已達到168 500份,我國“七五”期間完成了大批量高粱種質資源抗病性鑒定、遺傳多樣性的分析以及核心種質構建[8]。全球土地沙漠化、鹽堿化日益嚴峻,嚴重地限制了植物生長與生產[9],成為阻礙農業發展的巨大障礙。目前,全球鹽堿地面積為9.544億hm2,我國鹽堿地總面積為9 913萬hm2,約占我國國土面積的10.33%[10],主要集中在西北、東北、華北及濱海等地區[11-12]。因此,選育耐鹽堿高粱,運用高粱獨特的抗逆能力開發利用旱地、鹽堿地,是提高地區經濟收入的一項有效措施[13]。

ISSR分子標記具有基因組中豐富度高、多態性水平高等優點,不受環境、組織特異性等因素的影響[14]。張玲麗等[15]對西農979的主要供體利用分子標記進行了親緣關系分析,明確了小麥品種西農979對赤霉病的抗性遺傳基礎;王升星等[16]對三大麥區190份小麥品種親緣關系進行分析,結果表明,長江中下游冬麥區與西南冬麥區小麥親緣關系較近;陳業等[17]利用ISSR分子標記對23種中國兜蘭屬植物進行親緣關系分析,將23種兜蘭劃分為3個類群;王英成等[18]對16個青貯玉米的13個農藝性狀進行相關分析,篩選出綜合性狀優良適宜推廣種植的品種;潘曉雪等[19]對106份水稻材料的12個農藝性狀進行相關分析,篩選出綜合性狀優良的種質。高粱在我國具有悠久的種植歷史,但高粱的研究進展較其他糧食作物緩慢,在收集和保存的大量種質資源中,運用分子標記等技術對其遺傳多樣性的研究較少,種質資源利用率低,高粱品種混雜,大部分種質資源親緣關系尚不明確,成為育種工作的極大阻礙。因此,運用分子標記技術對高粱種質資源親緣關系的確定以及根據不同的目標性狀建立種質資源庫(如耐鹽堿高粱核心種質)對高粱的發展極其重要。本研究借助分子標記對17個耐鹽堿高粱的親緣關系進行研究,將17個品系進行分類,并對其主要農藝性狀進行相關性分析和主成分分析,初步篩選出綜合性狀優異的品系,為耐鹽堿高粱種質資源利用以及新品種的選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為從高粱核心種質庫中篩選的17個耐鹽堿高粱品系,具體名稱見表1。

表1 耐鹽堿高粱品系名稱及編號

1.2 試驗設計

試驗地位于內蒙古自治區通遼市科爾沁區農業高科技示范園區。年平均氣溫6.8 ℃,≥10 ℃的活動積溫年平均值為3 200 ℃,平均無霜期154 d,生長季降雨量395.3～443.4 mm,土壤為灰色草甸土,分別進行農藝性狀調查和ISSR分子標記(表2)。

表2 ISSR-PCR反應體系構成

1.3 數據統計分析

ISSR分子標記分析通過擴增條帶在瓊脂糖凝膠上出現與否分別用1或0來標記。根據條帶信息建立“1”和“0”矩陣,使用IBM SPSS stastistic19軟件進行聚類分析,構建17個耐鹽堿高粱品系的親緣關系樹狀圖,以及各性狀間相關性分析和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 耐鹽堿高粱ISSR-PCR相關分析

2.1.1ISSR-PCR擴增分析

本試驗共篩選出5條引物。其中,引物UBC840:GAGAGAGAGAGAGAGACTT多態性最好,圖1為UBC840引物擴增產物的電泳結果。

注:M為Marker 2 000 bp;1～17為高粱品系編號。下同。

2.1.2聚類分析

利用分子標記檢測數據構建類平均聚類法樹狀圖譜,結果(圖2)顯示,在遺傳相似系數為0.75處,耐鹽堿高粱材料被分為兩大類。第1類包含7份材料,分別為TP1012、HH64、TW32、MM21、BK33、AM2、7982,其中:AM2、7982、MM21以及BK33的親緣關系較近,HH64和BSE85的親緣關系較近,而TP1012與HH64和BSE85的親緣關系稍遠,AM2、7982、MM21、BK33、HH64、BSE85、TP1012的遺傳相似系數均在0.85以上。第2類包含10份材料,分別為MK39、SL93、AT53、SW72、1056、S8、WS912、TT656、NM9、7107,在遺傳相似系數為0.85處又分出3個分支,每個分支中TT656和7107親緣關系最近,TT656、7107和S8親緣關系較近,與S8親緣關系較遠;AT53和SW72親緣關系最近,AT53、SW72和SL93親緣關系較近,與SL93親緣關系較遠;WS912與NM9親緣關系最近,MK39與1056親緣關系最近。

圖2 耐鹽堿高粱ISSR聚類分析

2.2 耐鹽堿高粱農藝性狀相關分析

2.2.1參試品系各性狀比較

供試耐鹽堿高粱各性狀比較結果見表3。株高最高的是7982,為368.07 cm,最低的是TW32,為88.67 cm;莖粗最粗的是MM21,為2.27 cm,最細的是TP1012,為1.17 cm;生育期最長的是SW72,為131.46 d,最短的是SL93,為100.67 d;葉傾角最大的是NM9,為49.66°,最小的是TT656,為19.44°;穗長最長的是HH64,為31.00 cm,最短的是1056,為21.17 cm;穗柄長最長的是AM2,為31.43 cm,最短的是7107,為16.60 cm;穗重最重的是S8(131.33 g),遠高于其他品種,穗重100 g以上的還有TT656和7107,MK39、AT53和HH64穗重較重,TP1012、AM2和1056穗重最輕,分別為59.00 g、53.33 g和53.00 g;穗粒重最重的是S8,為111.33 g,HH64和TT656穗粒重較重,分別為83.00 g、89.67 g,NM9穗粒重最輕,為47.67 g;千粒重最重的是WS912,為37.54 g,AT53、MM21和S8千粒重較重,分別為36.11 g、35.00 g和35.34 g,1056千粒重最輕,為16.70 g;MK39、SL93、AT53、SW72、TW32和7982的殼色為黑色;TP1012、HH64、MM21、BK33、AM2、1056、S8、WS912、TT656、NM9和7107的殼色為紅色;MM21的粒色為白色,HH64的粒色為灰白色,AT53和SW72的粒色為灰色,其他品系均為褐色;BK33的粒形為長橢圓,TP1012、AT53、SW72、HH64、MM21和1056的粒形為圓形,其他品系的粒形均為橢圓形。綜合比較之后,初步篩選出株高較高、莖粗粗壯、穗長較長、穗重較重、穗粒重較重、千粒重較重的優異耐鹽堿高粱品系(AT53、SW72、HH64、S8、WS912和TT656)。

表3 參試耐鹽堿高粱農藝性狀匯總

2.2.2相關性分析

對12個農藝性狀進行相關性分析,結果(表4)表明,株高與莖粗呈極顯著正相關,相關系數為0.633 3。株高與葉傾角、穗柄長呈顯著正相關,相關系數分別為0.483 8和0.539 4。莖粗與生育期呈極顯著正相關,相關系數為0.607 7。穗長與粒色呈顯著負相關,相關系數為-0.555 7。穗重與穗粒重呈極顯著正相關,相關系數為0.968 3。粒色與粒形呈極顯著正相關,相關系數為0.603 6。

表4 參試耐鹽堿高粱各植株性狀相關性分析

2.2.3主成分分析

對供試材料的12個主要農藝性狀進行主成分分析,得到12個性狀遺傳相關矩陣的特征值和特征向量(表5～表8)。其中前5個主成份特征值大于1,且累積貢獻率達85.374 2%。選取前5個主成分來代替12個性狀指標進行分析。第1主成分主要為株高、莖粗、葉傾角等主要反映與產量有關的植株體性狀;第2主成分主要為生育期、莖粗、穗長等,主要反映高粱的經濟產量;第3主成分主要為粒重、穗粒重、殼色等;第4主成分主要為穗長和殼色;第5主成分主要為穗長和穗柄長。

表5 農藝性狀主成分分析

表6 各性狀的特征根與特征向量

表7 主成分分析因子得分

表8 各性狀載荷矩陣

3 討 論

提高作物的產量和品質主要有遺傳改良和環境改善兩種途徑[20],在優化鹽堿地高粱品種各農藝性狀中遺傳改良是關鍵。高粱作為第一個完成三系配套的農作物具有極高的雜種優勢,高粱雜種優勢的利用也成為高粱育種的首要方法,采用分子標記技術研究不同耐鹽堿高粱的親緣關系對組配雜交組合十分重要。本研究應用ISSR分子標記技術進行聚類分析,有效得出耐鹽堿高粱品系間的親緣關系并進行科學劃分。

聚類分析可以幫助育種工作者有效地組配親本,選擇差異互補的親本,更好地發揮雜種優勢[21]。聚類分析將17份耐鹽堿高粱種質資源分為兩大類,這兩類種質間存在相互區別的特征,可供育種者選擇利用。第1類株高較高,莖粗較粗,生育期較長,穗長和穗柄長較長,殼色多為紅色,粒色多為褐色,AM2和1056為灰白色和白色,粒形以圓形和橢圓形為主;第2類葉傾角較大,穗重、穗粒重和千粒重較重,殼色為紅色和黑色,粒色多為褐色和灰色,粒形多為橢圓形,其中綜合性狀較優的有6個品系(AT53、SW72、HH64、S8、WS912和TT656)屬于第2類,說明第2類綜合性狀較好,具有較高的利用價值,可作為耐鹽堿高粱育種的優質親本。

本研究表明,在選擇育種目標時,應注重對不同性狀的選擇,以穗重、穗粒重、株高和穗柄長為主要改良目標,莖粗、生育期和粒色為輔,最大可能地獲得遺傳穩定的優良品系。這與張一中[22]的研究結果基本一致。

多元統計的主成分分析中,前5個主成分是決定耐鹽堿高粱種質多樣性的主要因素。其中第1主成分大的種質具有莖稈粗壯的特點,這與王官等[23]的研究相一致;但第2主成分大的種質具有生育期長的特點,這與其研究存在差別,可能是由于耐鹽堿高粱和甜高粱品種間的差異而導致。從貢獻率來看,第1主成分的貢獻率最大,主要為株高、莖粗、葉傾角等農藝性狀,通過對農藝性狀間相關性分析,發現第1主成分中的株高與莖粗、生育期與莖粗、粒色與粒形等也呈極顯著相關,說明這些性狀不僅相關性高,對其改良也較易進行。在育種中著重關注第1主成分能更好地改良種質。

4 結 論

本研究通過ISSR分子標記進行親緣關系分析,將17份耐鹽堿高粱品系分為兩大類,第1類包括TP1012、HH64、TW32、MM21、BK33、AM2和7982,第2類包括MK39、SL93、AT53、SW72、1056、S8、WS912、TT656、NM9和7107。并對其主要農藝性狀進行分析,初步篩選出6份優異的耐鹽堿高粱,分別為AT53、SW72、HH64、S8、WS912和TT656。