贵州不同地区高粱种质资源表型多样性与聚类分析

高 杰 封广才 李晓荣 李青风 彭 秋

（1贵州省农业科学院旱粮研究所，550006，贵州贵阳；2黔东南州扶贫开发办公室，556000，贵州凯里；3楚雄彝族自治州农业科学院，675000，云南楚雄）

高粱是世界第五大禾谷类作物，是C4植物的模式植物[1]，具有光合效率高和抗逆耐瘠等特点[2]，是环境友好型和资源节约型作物[3]。随着农业产业结构的调整，高粱在农业生产中拥有巨大的发展空间和产业优势，其中，酿酒业是我国经济发展的重要产业之一，也是我国高粱产业中最具优势和发展潜力的产业之一[4]。贵州省主要利用高粱来酿酒，现阶段主要以红缨子为主推品种，品种比较单一，抗性退化严重，因此全面了解贵州高粱种质资源的遗传多样性信息，可以为杂交亲本选择、高产抗逆新品种选育提供理论基础。

种质资源是遗传研究与育种应用的基础，科学有效地评价种质资源的遗传多样性和遗传关系是资源鉴定、保护及品种改良等工作的重要内容[5]，利用表型性状开展高粱种质资源遗传多样性水平评价是现阶段行之有效的途径之一[6-7]。Ayana等[8]分析了来自埃塞俄比亚和厄立特里亚的415份高粱地方品种的表型多样性，发现高粱有高度的表型变异。Appa Rao等[9]研究了保存在国际热带半干旱地区作物研究所（International Crops Research Institute for the Semi-Arid Tropics）的2 343份印度高粱地方品种，发现也存在高度的遗传变异。陈艳丽等[6]对国内外207份高粱种质资源的主要农艺性状进行研究，发现千粒重的多样性指数最高，穗形频率分布较为集中，纺锤形最多。Djè等[10]利用SSR标记分析了来自世界各地分别代表5个不同族的25个栽培高粱种质资源的遗传多样性，发现不同分类、不同地理来源的高粱种质资源存在着不同的多样性，其中来自非洲东部地区的双色族高粱资源存在着最多的遗传变异。Li等[11]利用叶绿体基因组SSR标记分析了185个中国高粱地方品种的遗传多样性，结果表明，中国高粱的等位基因和连锁群具有较低的遗传多样性。Zhang等[12]以69个国外高梁品种为对照，利用32个高粱核基因组SSR标记研究了184份中国高粱地方品种的遗传多样性，结果表明中国高粱的平均基因多样性为0.629，与非洲南部地区高粱相当。

前人对高粱的遗传多样性已做了大量研究，主要是对国内外或多区域种质进行的分析，而关于贵州地区高粱种质资源的遗传多样性研究尚未见报道，因此，本研究通过对高粱种质资源描述型性状和数值型性状的规范化调查，考察贵州地区不同高粱种质资源表型多样性和变异特点，以期为高粱的品种改良、选育及优异种质材料挖掘提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为220份贵州本地高粱种质资源（表1），均由贵州省农业科学院旱粮研究所提供。于2017-2018年种植于贵州省农业科学院旱粮研究所试验基地，试验地属于亚热带湿润季风气候，土壤类型为黏土，土壤有机质含量13.9g/kg，全氮1.32g/kg，碱解氮356.48mg/kg，速效磷19.97mg/kg，速效钾236.59mg/kg，pH值为7.2。采用随机区组试验设计，3次重复，2行区，行长5m，行宽60cm，小区面积6m2。栽培管理同大田生产。试验材料的描述型性状于田间进行观测记录，数值型性状每份资源调查10株，取2年数据的平均值进行计算。

表1 供试的220份贵州地区高粱种质资源Table 1 The 220 sorghum germplasm resources used in Guizhou

续表1 Table 1 (continued)

1.2 试验方法

从高粱出苗－成熟整个生育期进行主要表型数据调查和观测，表型性状调查主要包括生育期、有效分蘖数、节间数、株高、茎粗、穗长、主穗柄长、穗粒重和千粒重9个数值型性状指标以及穗型、穗柄状态、穗形、籽粒包被度、壳色和粒色6个形态描述型性状指标。形态描述型性状指标按照标准要求进行分级赋值，数值型性状指标则无需赋值，对实际测得的数值直接进行统计计算。所有表型数据采集和分级标准见表2。

表2 高粱种质资源6个形态性状描述标准Table 2 Description standard on six agronomic characteristics of sorghum germplasm resources

1.3 数据统计分析

根据形态描述型性状的遗传多样性的分级和赋值，采用Shannon′s信息指数（H′）进行描述和评价，计算公式为：H′=-ΣPi×lnPi，其中，Pi表示第i种变异类型出现的频率，用所有相应性状H′的平均值表示一组或所有种质的遗传多样性程度[13]。采用SPSS 19.0进行主成分和聚类分析，采用Excel 2010处理各性状数据。

2 结果与分析

2.1 贵州省高粱种质资源农艺性状多样性

贵州省220份高粱种质资源数值型农艺性状多样性见表3。220份种质平均生育期为124.5d，极大值与极小值之间相差57.0d，有效分蘖数平均为1.9个，节间数为11.3个，株高和茎粗分别为351.9cm和14.2mm。穗部性状主要有穗长、主穗柄长、穗粒重和千粒重，平均分别为37.5cm、62.9cm、39.3g和19.3g。其中变异系数最大的为穗粒重，为37.46%，其次为有效分蘖数。各性状的多样性指数为1.87～2.07，多样性丰富，其中以有效分蘖数多样性指数最高，为2.07，多样性指数排序为有效分蘖数＞节间数＞千粒重＞穗长＞生育期=茎粗=穗粒重＞主穗柄长＞株高。

贵州省220份高粱种质描述型性状多样性见表4。供试的220份高粱种质中，穗部性状主要有穗型、穗柄状态和穗形，其中穗型主要以散穗为主，穗柄状态主要以弯为主，穗形主要以伞形为主。籽粒相关性状有包被度、壳色和粒色，籽粒包被度以包被1/2频率最高，为46.8%，全裸和全包被占比很小。壳色主要以红色为主，粒色主要以黄色和褐色为主。6个描述型性状的遗传多样性指数为0.185～0.796，大小顺序为壳色＞包被度＞粒色＞穗形＞穗型＞穗柄状态，以壳色多样性指数最高。

表3 高粱种质数值型性状变异及多样性指数Table 3 Variations and diversity indexes of numerical characteristics in sorghum germplasms

2.2 贵州省不同地区高粱种质资源农艺性状多样性比较

贵州各地区高粱种质农艺性状差异见表5。从变异幅度来看，各地区高粱的有效分蘖数、壳色和粒色均存在较大变异，分别大于30.00%、34.00%和31.00%。黔南、黔西南、黔东南和黔西地区高粱种质的籽粒包被度也存在较大变异，分别为41.13%、38.52、47.21%和37.06%。从多样性指数来看，黔中和黔西地区高粱种质以茎粗多样性指数最高，分别为1.92和1.96。黔南地区以节间数和穗粒重多样性最丰富，多样性指数分别为2.06和2.03。黔西南和黔东南地区高粱种质有效分蘖数的多样性指数最高，分别为2.05和2.00。此外，黔西南地区高粱种质的穗长和主穗柄长，黔东南地区穗粒重和千粒重多样性也比较丰富。黔北地区高粱种质的穗长和主穗柄长多样性指数最高，分别为1.95和2.09。

表5 贵州不同地区高粱种质农艺性状差异Table 5 Changes of agronomic characters of sorghum germplasm in different areas of Guizhou province

2.3 贵州省高粱种质资源数值型性状的相关性分析

220份贵州高粱种质的9个数值型性状的相关性分析结果（表6）显示，部分农艺性状之间存在显著的关联性。生育期与节间数、株高、茎粗均呈极显著正相关；节间数与株高、茎粗均呈极显著正相关，与主穗柄长、千粒重均呈极显著负相关；株高与茎粗、主穗柄长均呈极显著正相关；茎粗与主穗柄长呈极显著负相关，与穗粒重呈极显著正相关；穗长与主穗柄长呈极显著正相关；主穗柄长与千粒重呈显著正相关；穗粒重与千粒重呈极显著正相关。

表6 高粱种质数值型性状的相关性分析Table 6 Correlation analysis of numerical characteristics in sorghum germplasms

2.4 贵州省高粱种质资源聚类分析

在欧氏距离为8.0处，可将220份种质分为3个类群（图1和表7）。第Ⅰ类群包含211份种质，主要表现为穗侧散、穗伞形或帚形、穗柄弯、生育期短、分蘖力强、穗长和穗粒重小等特点，可作为中早熟侧散型高粱育种的基础材料；第Ⅱ类群包含8份种质，主要表现为穗周散、帚形，穗柄直，生育期、分蘖力、节间数、穗长和穗粒重居中等特点；第Ⅲ类群仅含1份种质，主要表现为穗中紧、穗棒形、穗柄直、生育期长、分蘖力弱、节间数多、植株高大粗壮、主穗短、穗柄长和穗粒重大等特点。整体来看，贵州地区高粱种质资源株高普遍偏高，均在3m以上，都属于高秆型种质，应引入矮秆资源加以改良。3个类群高粱的千粒重均为20g左右，均属于小粒型高粱，可用于酒用小粒糯高粱的资源改良。

3 讨论

遗传多样性反映物种对多变环境的适应性，是生命进化的结果[6]。丰富、高产、优质、抗逆基因源是品种改良和新品种选育的基础[14-15]。通过种质资源遗传多样性的研究，可以从整体上把握该种质的可利用信息。表型性状是植物生长最直观的表现，是检验遗传变异最简单的方法[6，16]。由于通常所记载的植物表型一般来自基因的表型，因此表型差异在很大程度上能够反映出种质间的本质差异[17]。前人对高粱的遗传多样性已经做了大量的研究，认为高粱种质资源遗传变异丰富[6，8-10]。本研究通过对贵州地区220份高粱资源的表型多样性分析，发现贵州地区高粱资源平均多样性指数为1.37，其中数值型性状多样性指数较高，平均为2.00，描述型性状多样性指数较低，平均为0.428，可能与该地区高粱多以侧散、伞形、红壳居多有关。分区域来看，黔东南地区变异系数和多样性指数最高，分别为28.56%和1.52，可能与黔东南各区县海拔不同以及小气候更多变有关。

图1 220份高粱种质资源的表型聚类分析Fig.1 The clustering figure of 220 sorghum germplasms based on phenotypic characters

表7 3个类群9个数值型性状的平均值Table 7 The mean values of nine numerical characteristics in three groups

本研究利用聚类分析将参试的220份高粱种质划分为3个类群，不同地区的高粱资源表型变异较大，同一地区并没有完全聚在一起，说明地域不一定能将资源进行完整划分，这与Ayana等[8]的研究结果一致。前人对贵州酒用糯高粱的遗传多样性研究表明，贵州省白酒用糯高粱具有较高的遗传相似性，利用UPGMA聚类不能将此类资源清晰地划分[2，18]。而本研究划分了3个类群，其中第Ⅰ类群包含了绝大多数高粱种质，共211份材料，也说明贵州地区高粱多样性丰度较低。贵州地区高粱种质株高绝大多数在3m以上，茎秆细弱。前人的研究表明株高与倒伏率呈显著正相关[19]，因此对贵州地区的高粱材料加以利用的首要前提是降低株高。贵州地区高粱主要用于酿酒，小粒糯质的本地糯高粱是酿酒的优质原料。本研究显示，贵州地区高粱千粒重在20g左右。

研究生物遗传多样性的方法经历了形态标记、细胞学标记、生化标记以及DNA分子标记[20]。形态标记简单直观，但是也存在很多缺陷，如多态性差、标记少和易受环境影响等，很难准确有效地对种质资源进行区分，尤其是资源相似性较高的情况下，就更加难以辨别[21]。随着生物技术的发展，高粱种质资源的遗传多样性研究应逐渐将性状与标记相结合，以便更好地为品种选育和资源保存提供有用信息。

4 结论

综上所述，贵州地区糯高粱种质资源多以侧散、伞形、红壳居多，遗传多样性指数偏低。从不同地区来看，黔东南地区变异系数和多样性指数最高，可能是由于区县间的海拔与小气候不同所致。贵州地区的高粱种质资源利用的首要前提是降低株高，充分发挥其小粒糯质的优势，结合生物技术手段，服务于贵州高粱产业的健康发展。