中国农业科学 ›› 2023, Vol. 56 ›› Issue (15): 2837-2853.doi: 10.3864/j.issn.0578-1752.2023.15.001
张一中1,2(), 张晓娟1,2, 梁笃1,2, 郭琦1,2, 范昕琦1,2, 聂萌恩3, 王绘艳1,2, 赵文博1,2, 杜维俊4(), 柳青山2()
收稿日期:
2023-03-07
接受日期:
2023-04-27
出版日期:
2023-08-01
发布日期:
2023-08-05
通信作者:
联系方式:
张一中,E-mail:zhyzh225@163.com。
基金资助:
ZHANG YiZhong1,2(), ZHANG XiaoJuan1,2, LIANG Du1,2, GUO Qi1,2, FAN XinQi1,2, NIE MengEn3, WANG HuiYan1,2, ZHAO WenBo1,2, DU WeiJun4(), LIU QingShan2()
Received:
2023-03-07
Accepted:
2023-04-27
Published:
2023-08-01
Online:
2023-08-05
摘要:
【目的】 解析高粱育种材料的表型性状变异规律和遗传多样性,探讨育种材料的综合评价方法,筛选高粱优异种质,为高粱种质创新与新品种选育提供重要依据。【方法】 以263份不同来源的高粱种质为供试材料,2015—2016年在山西榆次对其17个表型性状进行鉴定,采用Shannon-Wiener's多样性指数计算表型性状的遗传多样性,综合运用相关分析、主成分分析、聚类分析和逐步回归等方法对高粱种质进行综合评价,并根据综合评价F值及目标性状筛选出高粱优异种质。【结果】 263份高粱育种材料具有较高的遗传多样性,不同性状的多样性指数分布范围为0.497—2.075,其中,穗形的多样性指数最小,穗柄长的多样性指数最大。不同年份7个数量性状的变异系数有所变化,变幅最小的是生育期,其次是穗长;变幅最大的是单穗粒重,其次是茎粗。育种材料综合评价表明在累计贡献率高于80%时,共发现11个主成分;利用隶属函数法计算表型综合值(F值),高粱育种材料的表型性状综合值(F值)平均为0.464,恢复系L28的F值最高(0.581),保持系72B/DORADO双的F值最低(0.330)。通过逐步回归建立了12个性状(主脉色、穗型、穗形、芒性、颖壳包被度、粒形、株型、茎粗、穗长、单穗粒重、千粒重和生育期)作为自变量的回归方程,可以作为高粱育种材料表型性状的综合评价指标。基于F值进行聚类,将263份供试材料分为6个类群,其中,第Ⅳ类群的33份材料农艺性状优良,平均F值最高,可作为材料创新及杂交育种的亲本材料。【结论】 参试高粱种质表型性状遗传变异较为丰富,遗传多样性高,采用多元统计分析方法综合评价高粱种质是可行的;筛选出优异种质33份。
张一中, 张晓娟, 梁笃, 郭琦, 范昕琦, 聂萌恩, 王绘艳, 赵文博, 杜维俊, 柳青山. 基于表型性状的高粱育种材料遗传多样性分析及综合评价[J]. 中国农业科学, 2023, 56(15): 2837-2853.
ZHANG YiZhong, ZHANG XiaoJuan, LIANG Du, GUO Qi, FAN XinQi, NIE MengEn, WANG HuiYan, ZHAO WenBo, DU WeiJun, LIU QingShan. Genetic Diversity Analysis and Comprehensive Evaluation of Sorghum Breeding Materials Based on Phenotypic Traits[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2023, 56(15): 2837-2853.
表1
高粱材料10个质量性状的赋值标准"
性状 Traits | 赋值标准Value-determined criteria | ||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|
1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | |
分蘖性T | 无None | 弱Weak | 中Medium | ||||
主脉色MVC | 白脉White | 黄脉Yellow | 蜡脉Wax | ||||
穗型PAT | 紧Compact | 中紧 Semi-compact | 中散 Semi-loose | 侧散 Side drooping | 周散 Spreading drooping | ||
穗形PS | 纺锤形 Fusiform | 牛心形 Cordate | 圆筒形 Cylindrical | 棒形 Clavate | 杯形 Cup-shaped | 球形 Globular | 伞形 Umbelliform |
颖壳色GC | 白色White | 黄色Yellow | 灰色Grey | 红色Red | 褐色Brown | 黑色Black | |
芒性A | 无芒Awnless | 有芒Awned | |||||
颖壳包被度 GRCV | 包被1/4 Covered 1/4 | 包被1/2 Covered 1/2 | 包被3/4 Covered 3/4 | ||||
粒色GRCL | 白White | 灰白Grey-white | 浅黄Light yellow | 黄Yellow | 橙Orange | 红Red | 黑Black |
粒形GS | 圆形 Globose | 椭圆形 Elliptic | 卵形 Ovate | 长圆形 Long-globose | |||
株型PLT | 平展型 Flat exhibition | 中间型 Intermediate | 紧凑型 Compact type |
表2
263份高粱材料的质量性状变化及分布特征"
性状 Traits | 分类 Type | 百分比 Percentage (%) | 多样性指数 H′ | 性状 Traits | 分类 Type | 百分比 Percentage (%) | 多样性指数 H′ | |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
分蘖性 T | 无None | 62.7 | 0.844 | 颖壳色 GC | 白色White | 0.4 | 1.452 | |
弱Weak | 30.1 | 黄色Yellow | 3.8 | |||||
中Medium | 7.2 | 灰色Grey | 29.3 | |||||
主脉色 MVC | 白脉White | 32.3 | 1.324 | 红色Red | 28.1 | |||
黄脉Yellow | 41.8 | 褐色Brown | 28.1 | |||||
蜡脉Wax | 25.9 | 黑色Black | 10.3 | |||||
芒性 A | 无芒Awnless | 62.7 | 0.660 | |||||
穗型 PAT | 紧Compact | 36.5 | 1.183 | 有芒Awned | 37.3 | |||
中紧Semi-compact | 41.1 | 颖壳包被度 GRCV | 包被1/4 Covered 1/4 | 69.6 | 0.705 | |||
中散Semi-loose | 18.6 | 包被1/2 Covered 1/2 | 27.8 | |||||
侧散Side drooping | 0.4 | 包被3/4 Covered 3/4 | 2.6 | |||||
周散Spreading drooping | 3.4 | 粒色 GRCL | 白White | 19.8 | 1.051 | |||
穗形 PS | 纺锤形Fusiform | 89.7 | 0.497 | 灰白Grey-white | 6.5 | |||
牛心形Cordate | 1.9 | 浅黄Light yellow | 1.1 | |||||
圆筒形Cylindrical | 1.9 | 黄Yellow | 0.4 | |||||
棒形Clavate | 3.4 | 橙Orange | 4.2 | |||||
杯形Cup-shaped | 0.4 | 红Red | 66.1 | |||||
球形Globular | 1.9 | 黑Black | 1.9 | |||||
伞形Umbelliform | 0.8 | 粒形 GS | 圆形Globose | 38.8 | 1.313 | |||
株型 PLT | 平展型Flat exhibition | 64.6 | 0.872 | 椭圆形Elliptic | 13.3 | |||
中间型Intermediate | 24.0 | 卵形Ovate | 19.8 | |||||
紧凑型Compact type | 11.4 | 长圆形Long-globose | 28.1 |
表3
263份高粱材料的数量性状变化及分布特征"
性状 Traits | 平均值 Mean | 标准差 SD | 最大值 Maxnus | 最小值 Minnus | 中间值 Medium | 变异系数 CV (%) | Shapiro-Wilk正态性检验 W | 正态性检验P值Pw | F值 F-value | 多样性指数 H′ |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
株高 PH (cm) | 125.29 | 27.52 | 268.83 | 69.50 | 125.15 | 21.97 | 0.946 | 0.0001 | 145.64** | 1.671 |
茎粗 SD (cm) | 1.66 | 0.37 | 2.83 | 0.67 | 1.67 | 22.29 | 0.997 | 0.9504 | 24.81** | 1.944 |
穗长 PAL (cm) | 26.59 | 3.87 | 40.58 | 14.98 | 26.10 | 14.55 | 0.971 | 0.0001 | 33.36** | 1.806 |
穗柄长PEL (cm) | 33.37 | 6.46 | 49.17 | 17.26 | 33.00 | 19.36 | 0.989 | 0.0443 | 17.35** | 2.075 |
单穗粒重GWPS (g) | 66.95 | 18.59 | 124.87 | 25.15 | 65.82 | 27.77 | 0.991 | 0.085 | 10.64** | 1.899 |
千粒重 TGW (g) | 28.54 | 5.57 | 45.13 | 15.87 | 28.10 | 19.52 | 0.994 | 0.325 | 355.08** | 2.025 |
生育期 PD (d) | 120.82 | 6.77 | 142.00 | 101.00 | 121.00 | 5.60 | 0.990 | 0.067 | 46.63** | 1.895 |
表4
不同类型高粱7个数量性状的比较"
类型 Type | 性状 Traits | 株高 PH (cm) | 茎粗 SD (cm) | 穗长 PAL (cm) | 穗柄长 PEL (cm) | 单穗粒重 GWPS (g) | 千粒重 TGW (g) | 生育期 PD (d) |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|
地方品种Landrace (17) | 平均值Mean | 151.30 | 1.29 | 25.08 | 37.08 | 55.42 | 26.81 | 118.62 |
标准差SD | 55.57 | 0.30 | 4.00 | 6.89 | 15.58 | 5.03 | 10.24 | |
变异系数 CV (%) | 36.73 | 23.26 | 15.95 | 18.58 | 28.11 | 18.76 | 8.63 | |
变幅Range | 80.83—268.83 | 0.85—2.00 | 14.98—30.90 | 21.50—46.45 | 32.30—96.71 | 18.18—35.33 | 103—142 | |
恢复系Restorer (163) | 平均值Mean | 129.46 | 1.67 | 25.46 | 31.32 | 69.98 | 28.78 | 121.52 |
标准差SD | 24.37 | 0.34 | 2.86 | 5.52 | 19.06 | 5.53 | 6.47 | |
变异系数 CV (%) | 18.82 | 20.36 | 11.23 | 17.62 | 27.24 | 19.21 | 5.32 | |
变幅Range | 69.70—210.00 | 0.82—2.45 | 18.90—33.50 | 17.30—47.90 | 25.15—124.87 | 15.90—45.10 | 102—139 | |
保持系Maintainer (83) | 平均值Mean | 111.96 | 1.73 | 29.13 | 36.69 | 62.94 | 28.46 | 119.53 |
标准差SD | 17.22 | 0.39 | 4.10 | 6.48 | 16.41 | 5.65 | 6.28 | |
变异系数 CV (%) | 15.38 | 22.54 | 14.07 | 17.66 | 26.07 | 19.85 | 5.25 | |
变幅Range | 69.50—146.00 | 0.67—2.83 | 19.90—40.58 | 19.76—49.17 | 25.33—121.07 | 15.92—43.90 | 101—138 |
表5
2015—2016年数量性状年度间变异"
性状 Traits | 2015 | 2016 | ||||
---|---|---|---|---|---|---|
平均值 Mean | 标准差 SD | 变异系数 CV (%) | 平均值 Mean | 标准差 SD | 变异系数 CV (%) | |
株高PH (cm) | 124.39 | 26.30 | 21.14 | 126.18 | 30.35 | 24.05 |
茎粗SD (cm) | 1.69 | 0.47 | 27.81 | 1.64 | 0.37 | 22.56 |
穗长PAL (cm) | 25.96 | 4.25 | 16.37 | 27.20 | 3.94 | 14.49 |
穗柄长PEL (cm) | 32.74 | 6.88 | 21.01 | 33.98 | 7.08 | 20.83 |
单穗粒重GWPS (g) | 64.30 | 21.76 | 33.84 | 69.60 | 21.99 | 31.59 |
千粒重TGW (g) | 27.91 | 5.88 | 21.07 | 29.16 | 6.76 | 23.18 |
生育期PD (d) | 120.18 | 7.04 | 5.86 | 121.15 | 7.02 | 5.79 |
表6
高粱育种材料17个表型性状的相关系数"
性状 Trait | 分蘖性T | 主脉色MVC | 穗型 PAT | 穗形 PS | 颖壳色GC | 芒性 A | 颖壳包被度GRCV | 粒色GRCL | 粒形 GS | 株型 PLT | 株高 PH | 茎粗 SD | 穗长PAL | 穗柄长PEL | 单穗 粒重GWPS | 千粒重TGW |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
主脉色MVC | -0.052 | |||||||||||||||
穗型PAT | 0.152* | -0.071 | ||||||||||||||
穗形PS | -0.011 | 0.087 | 0.142* | |||||||||||||
颖壳色GC | 0.076 | 0.131* | -0.017 | -0.140* | ||||||||||||
芒性A | 0.093 | -0.048 | 0.059 | 0.060 | -0.054 | |||||||||||
颖壳包被度GRCV | 0.003 | -0.017 | 0.149* | 0.017 | -0.076 | 0.159* | ||||||||||
粒色GRCL | 0.056 | -0.087 | 0.121* | 0.079 | 0.140* | 0.166* | 0.114 | |||||||||
粒形GS | -0.042 | 0.028 | -0.058 | -0.141* | 0.109 | 0.009 | -0.066 | 0.238* | ||||||||
株型PLT | 0.094 | -0.184* | 0.158* | -0.084 | -0.040 | -0.082 | -0.056 | -0.022 | 0.052 | |||||||
株高PH | 0.252** | -0.099 | 0.192* | -0.001 | 0.072 | 0.181** | 0.044 | -0.024 | 0.019 | 0.069 | ||||||
茎粗SD | -0.154* | 0.107 | -0.131* | -0.056 | 0.147* | -0.136* | -0.066 | -0.148* | 0.070 | -0.113 | 0.029 | |||||
穗长PAL | 0.003 | 0.042 | 0.077 | -0.064 | 0.095 | -0.219* | -0.118 | -0.264** | -0.090 | -0.066 | 0.027 | 0.379** | ||||
穗柄长PEL | 0.133* | 0.064 | 0.072 | -0.008 | -0.024 | -0.104 | 0.055 | -0.228* | -0.093 | 0.012 | 0.136* | -0.026 | 0.358** | |||
单穗粒重GWPS | -0.103 | 0.117 | -0.089 | -0.043 | 0.103 | -0.003 | -0.157* | -0.104 | 0.157* | -0.035 | 0.321** | 0.432** | 0.194** | 0.019 | ||
千粒重TGW | -0.017 | 0.082 | -0.183** | -0.091 | 0.165** | 0.015 | -0.207** | 0.005 | 0.284** | -0.043 | 0.114 | 0.119 | 0.006 | 0.020 | 0.365** | |
生育期PD | 0.081 | 0.159** | -0.186** | 0.039 | 0.082 | -0.066 | -0.094 | -0.216** | -0.008 | 0.200** | 0.409** | 0.369** | 0.203** | 0.105 | 0.423** | 0.072 |
表7
17个表型性状前11个主成分的特征向量、特征根、方差贡献率及累计贡献率"
性状 Traits | 特征向量 1 PV1 | 特征向量 2 PV2 | 特征向量 3 PV3 | 特征向量 4 PV4 | 特征向量 5 PV5 | 特征向量 6 PV6 | 特征向量 7 PV7 | 特征向量 8 PV8 | 特征向量 9 PV9 | 特征向量10 PV10 | 特征向量11 PV11 |
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
分蘖性T | -0.076 | -0.212 | 0.554 | -0.172 | 0.166 | -0.428 | 0.008 | -0.284 | 0.047 | 0.195 | 0.319 |
主脉色MVC | 0.275 | 0.049 | -0.195 | 0.353 | 0.439 | -0.299 | 0.222 | 0.172 | -0.524 | -0.147 | 0.238 |
穗型PAT | -0.273 | -0.320 | 0.429 | -0.109 | 0.292 | 0.418 | 0.291 | 0.099 | -0.031 | -0.195 | 0.129 |
穗形PS | -0.134 | -0.173 | 0.058 | 0.504 | 0.010 | 0.089 | 0.696 | 0.025 | 0.125 | 0.121 | -0.182 |
颖壳色GC | 0.264 | 0.276 | 0.132 | -0.173 | 0.614 | -0.059 | -0.097 | -0.382 | -0.031 | -0.269 | -0.325 |
芒性A | -0.229 | 0.191 | 0.450 | 0.391 | -0.145 | -0.078 | -0.211 | 0.167 | 0.206 | -0.458 | 0.301 |
颖壳包被度GRCV | -0.304 | -0.163 | 0.185 | 0.328 | 0.207 | 0.277 | -0.512 | 0.303 | -0.275 | 0.131 | -0.212 |
粒色GRCL | -0.368 | 0.496 | 0.274 | 0.081 | 0.346 | 0.219 | 0.076 | -0.083 | 0.206 | 0.239 | -0.060 |
粒形GS | 0.127 | 0.608 | 0.137 | -0.244 | 0.128 | 0.102 | 0.031 | 0.337 | -0.053 | 0.414 | 0.270 |
株型PLT | 0.198 | 0.066 | -0.177 | 0.629 | 0.244 | -0.185 | -0.204 | 0.000 | 0.441 | 0.119 | 0.014 |
株高PH | 0.304 | -0.123 | 0.779 | 0.045 | -0.196 | 0.005 | -0.036 | -0.047 | -0.095 | 0.024 | -0.176 |
茎粗SD | 0.670 | 0.031 | -0.150 | 0.090 | 0.055 | 0.460 | -0.101 | -0.128 | 0.027 | -0.008 | 0.191 |
穗长PAL | 0.521 | -0.466 | -0.128 | -0.215 | 0.268 | 0.214 | -0.023 | 0.071 | 0.331 | -0.056 | 0.182 |
穗柄长PEL | 0.227 | -0.558 | 0.108 | -0.195 | 0.220 | -0.268 | -0.054 | 0.487 | 0.134 | 0.118 | -0.173 |
单穗粒重GWPS | 0.716 | 0.204 | 0.224 | 0.062 | -0.194 | 0.220 | 0.102 | 0.122 | -0.068 | -0.121 | -0.038 |
千粒重TGW | 0.415 | 0.489 | 0.123 | -0.179 | -0.047 | -0.259 | 0.155 | 0.356 | 0.174 | -0.170 | -0.216 |
生育期PD | 0.687 | -0.130 | 0.228 | 0.308 | -0.152 | -0.071 | -0.053 | -0.238 | -0.135 | 0.282 | -0.019 |
特征值E | 2.600 | 1.783 | 1.686 | 1.397 | 1.166 | 1.083 | 1.034 | 0.966 | 0.842 | 0.794 | 0.705 |
方差贡献率CR (%) | 15.294 | 10.488 | 9.919 | 8.218 | 6.860 | 6.372 | 6.085 | 5.683 | 4.955 | 4.673 | 4.147 |
累计贡献率CCR (%) | 15.294 | 25.783 | 35.702 | 43.920 | 50.780 | 57.153 | 63.237 | 68.920 | 73.875 | 78.548 | 82.695 |
表8
不同类型代表性高粱材料的F值"
排名 Ranking | 恢复系 Restorer | F值 F-value | 保持系 Maintainer | F值 F-value | 地方品种 Landrace | F值 F-value |
---|---|---|---|---|---|---|
1 | L28 | 0.581 | 泸45B Lu 45B | 0.572 | 澳洲红高粱 Australian red sorghum | 0.541 |
2 | 河南R Henan R | 0.579 | 铁10612 Tie 10612 | 0.571 | 吉林农家种 Jilin landraces | 0.502 |
3 | 58R/L17R | 0.574 | 10337B | 0.567 | 小白高粱 Samll white sorghum | 0.502 |
4 | 泸恢101/L17R Luhui 101/L17R | 0.574 | XJ1B | 0.567 | 黄粒高粱 Yellow grain sorghum | 0.456 |
5 | L17R | 0.563 | 7B大粒/TB-2 7B Dali/TB-2 | 0.564 | 朝ZK1R Chao ZK1R | 0.452 |
6 | 低秆资源/L17R Diganziyuan/L17R | 0.561 | 10361B | 0.561 | 青壳洋 Qingkeyang | 0.438 |
7 | 60R/L17R | 0.560 | 2087/TB | 0.558 | 非洲高粱2 Hegari 2 | 0.416 |
8 | 44F/L17R | 0.555 | 10480B | 0.548 | LR418 | 0.404 |
9 | 304-1 | 0.549 | L2B | 0.546 | 黄种皮 Yellow seed coat | 0.402 |
10 | HS122 | 0.546 | T239/2087 B | 0.522 | L矮-2 L low-2 | 0.398 |
11 | 吉16 Ji 16 | 0.543 | 7B大粒/TB-1 7B Dali/TB-1 | 0.520 | LR417 | 0.395 |
12 | 吉34 Ji 34 | 0.543 | 7B大粒B//气死糜子/原8801B白 7BDaliB//Qisimizi/Yuan8801B-White | 0.520 | IS-1139C | 0.394 |
13 | 优0-30 You 0-30 | 0.542 | Y60B | 0.506 | M60826 | 0.385 |
14 | R083012 | 0.540 | 2087/V4低 2087/V4-Low | 0.506 | LR416 | 0.372 |
15 | 黑恢1 Heihui 1 | 0.539 | 3268B | 0.503 | 非洲高粱1 Hegari 1 | 0.362 |
表9
17个表型性状与表型综合值(F值)的相关系数"
性状 Traits | 相关系数 Correlation coefficient | 性状 Traits | 相关系数 Correlation coefficient | |
---|---|---|---|---|
分蘖性T | -0.077 | 株型PLT | 0.369** | |
主脉色MVC | 0.258** | 株高PH | 0.251** | |
穗型PAT | -0.004 | 茎粗SD | 0.493** | |
穗形PS | 0.178** | 穗长PAL | 0.194** | |
颖壳色GC | 0.206** | 穗柄长PEL | -0.037 | |
芒性A | 0.145* | 单穗粒重GWPS | 0.607** | |
颖壳包被度GRCV | 0.554** | 千粒重TGW | 0.468** | |
粒色GRCL | -0.074 | 生育期PD | 0.401** | |
粒形GS | 0.313** |
表10
不同类群表型数量性状的平均表现"
类群 Group | Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ | Ⅳ | Ⅴ | Ⅵ | |
---|---|---|---|---|---|---|---|
Ⅰ-1 | Ⅰ-2 | ||||||
份数Number | 83 | 1 | 4 | 34 | 33 | 31 | 77 |
株高PH (cm) | 122.83 | 292.33 | 220.92 | 155.19 | 157.12 | 82.98 | 114.28 |
茎粗SD (cm) | 1.61 | 0.93 | 1.20 | 1.44 | 1.49 | 1.24 | 1.33 |
穗长PAL (cm) | 26.73 | 25.00 | 26.72 | 25.14 | 26.76 | 23.97 | 25.93 |
穗柄长PEL (cm) | 34.39 | 40.67 | 36.88 | 33.84 | 33.94 | 29.03 | 35.46 |
单穗粒重GWPS (g) | 83.24 | 69.03 | 61.68 | 68.93 | 99.62 | 44.38 | 54.41 |
千粒重TGW (g) | 29.40 | 29.13 | 25.97 | 27.72 | 30.72 | 26.20 | 26.00 |
生育期PD (d) | 123 | 120 | 130 | 123 | 126 | 114 | 119 |
F值F-value | 0.486 | 0.456 | 0.432 | 0.466 | 0.512 | 0.419 | 0.439 |
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