不同播期对谷子DUS测试性状的影响

焦雄飞, 于晋, 冯乐勇, 郭耀东, 樊丽生

（山西农业大学玉米研究所, 山西忻州 03400）

谷子（Setaria italica L.）是起源于中国的古老农作物之一, 在我国已有7 000多年的栽培历史, 是我国北方丘陵地区的主栽作物, 具有抗逆性强、生育期短等特点, 被誉为“旱地农业的绿洲”[1]。谷子营养价值非常丰富, 随着人们生活水平的提高, 膳食结构也在不断的发生变化, 对谷子的需求量也逐年提高。我国谷子遗传多样性丰富, 保存在国家种质资源库中的谷子资源有2.7万份[2-4]。丰富的种质资源为谷子优良品种选育提供了基础, 随着育种技术的不断发展, 谷子品种层出不穷, 为了更好地进行市场推广, 对谷子新品种权的保护也成为了迫切需要完善的工作。

我国于1997年3月颁布实施《中华人民共和国植物新品种保护条例》, 1999年4月23日开始接受植物新品种权的申请[5], 规定授权品种必需具备新颖性、特异性、一致性、稳定性和适当的命名。对植物新品种进行特异性（distinctness）、一致性（uniformity）和稳定性（stability）评价（简称DUS测试）是我国植物新品种授予品种权的必要条件和重要依据。在DUS测试过程中, 由于测试性状是由1个特定的基因型或基因型组合决定的, 在特定环境条件下应表现出足够的一致性和重复性, 对于测试性状的描述是由基因型表达和环境条件相互作用的结果。在其他的作物中已经进行了大量的试验, DUS标准也很完善, 因此为了统一谷子的DUS测试标准, 需要通过不同的种植对比试验为测试性状状态和描述提供示例和校正的依据[6]。目前, 前人对谷子的研究多集中于品种选育[7]、抗性鉴定[8-10]和品质分析[11-12], 通过种植对比试验来探究谷子DUS测试性状变化的研究较少, 并且由于谷子的生长受环境影响较大, 这会给谷子的DUS测试带来一定的问题, 因此, 通过播期试验可以适当减小此类问题, 大大提高DUS测试的速度和准确性。

农业农村部植物新品种测试忻州分中心是承担谷子DUS测试的主要机构之一, 在多年的谷子性状测试中, 发现在技术规程、测试水平、体系建设等方面还存在一些影响测试准确性、高效性的因素, 如同一谷子品种在不同时间种植, 其DUS测试结果可能不同, 为了保证DUS测试的高效性, 需要通过一系列试验对测试结果进行适当的校准, 以更加符合实际的结果, 适应谷子育种技术创新和种业发展需求, 更好地为我国谷子种业发展保驾护航。因此, 本研究在忻州设置3个不同播期, 研究播期对谷子DUS测试性状的影响, 明确各个性状的差异, 旨在为不同测试区科学地筛选合适的标准品种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料及试验设计

供试谷子品种15份（表1）, 其中来源于山西的春谷材料5份, 来源于山东的夏谷材料5份, 来源于河北的杂交谷材料5份。测试周期为1个独立的生长周期, 设3个播期处理, 分别为5月10日、5月20日、5月30日。按照品种、播期进行裂区试验设计（播期为主区, 品种为副区）, 采取随机区组设计。小区行距为40 cm, 株距夏谷为3~5 cm, 春谷为5~7 cm, 杂交谷为10~12 cm。每个试验均设3次重复, 每个小区植株不少于300株。田间管理按当地大田生产管理的方式进行, 各小区田间管理措施严格一致。

表1 试验材料Table 1 Materials of this study

常规种和杂交种由于分蘖不同等原因, 采取不同的种植密度。为了降低不同密度对性状的影响, 将春谷（杂交种）和春谷（常规种）分成独立的2组进行观测和分析。

1.2 观测性状及方法

性状考察按照NY/T 2425—2013《植物品种特异性、一致性和稳定性测试指南谷子》[13]的要求, 在谷子苗期、开花期和成熟期等阶段对31个表型性状（表2）进行测试。对于质量性状、假质量性状（性状状态的范围部分是连续的）及目测型数量性状, 通过群体观测给予相应指标值；对于测量型数量性状, 随机选取20个具代表性植株进行测量, 取其平均值。

表2 试验中观测的性状Table 2 Observed character in this experiment 续表Continued

表2 试验中观测的性状Table 2 Observed character in this experiment

1.3 统计分析

利用Excel 2018软件进行数据整理；采用SPSS 22.0软件对测量型数量性状的观测结果进行变异系数的计算和单因素方差分析。

2 结果与分析

2.1 播期对谷子质量性状和假质量性状的影响

由图1可知, 在不同播期条件下, 其仅有的1个质量性状（胚乳类型）保持不变, 表明播期对谷子的质量性状的表达无影响。

在不同播期条件下, 有5个假质量性状保持不变（图1）, 幼苗叶姿、花药颜色、植株颜色、籽粒颜色和颖果颜色在14个品种中的表达结果保持不变, 猫耳叶顶端形状、刚毛长度、穗颈姿态和穗形状在13个品种上的表达结果保持不变。仅1个性状的差异, 且有2个播期的性状可再现。

图1 不同播期下质量性状及假质量性状变异的品种占比Fig.1 Proportion of varieties with variant of qualitative and pseudo-qualitative characteristics at different sowing dates

由于某些假质量性状在测试指南规定的观测时期内表达尚不充分, 如幼苗叶姿的差异体现为该品种幼苗出苗不齐；刚毛颜色、花药颜色观测时期为1/2穗开花期, 该阶段一般维持3~5 d, 有些品种刚开花时颜色为黄色, 但是随着光照时间的累加, 到全穗开花时刚毛全部变为紫色[6]；籽粒颜色、颖果颜色也随着光照有变化。当前谷子测试指南品种类型未将杂交种与常规种区分, 如幼苗猫耳叶顶端形状的差异体现为幼苗中夹杂着不育系母本, 杂交种穗颈姿态、穗形状在田间实际观察中存在一致性问题, 综合上述因素判定为无显著影响。由此可见, 播期对谷子假质量性状无显著影响。

2.2 播期对谷子目测数量性状的影响

在幼苗叶枕花青甙显色性状中, 所有品种在3个播期内都没有发生变化；对于穗码密度, 有3个品种播期间性状发生了变化, 且都出现了重现；对于刚毛长度, 有5个品种发生了变化, 其中济糯谷2号的刚毛长度在3个播期内都发生了变化, 张杂3号的刚毛长度在不同播期间相差为4 mm（图2）。因此, 播期对目测数量性状的影响程度不同, 其影响程度从大到小分别为刚毛长度＞穗码密度＞幼苗叶枕花青甙显色。

图2 不同播期下15个品种目测型数量性状的变化Fig.2 Variation of visual observation characteristics of 15 varieties under different sowing dates

2.3 不同播期对谷子测量型数量性状的影响

从图3可知, 谷子不同播期间各性状的变异系数呈现很大差异。总体来看, 各性状平均变异系数由大到小分别为成穗茎数＞出谷率＞单码籽粒数＞单穗重＞穗颈长度＞穗粗度＞茎秆粗度＞穗长度＞倒2叶宽度＞抽穗期＞伸长节节间数＞倒2叶长度＞茎秆长度。其中, 成穗茎数的平均变异系数最大, 为45.38%, 有2个品种（济糯谷2号和济谷20）的变异系数甚至超过了50%, 说明这2个品种受环境影响较大。单码籽粒数的变异系数在品种间的波动最大, 表明该性状受品种及环境的互作效应较大, 表现不稳定。而倒2叶长度的变异系数在品种间的波动最小。在所有品种中, 春谷的长农39号和杂交谷的张杂13号在穗颈长度、穗粗度、穗粗度、穗码籽粒数、单穗重和出谷率的变异系数都大于平均数, 说明这2个品种的穗部性状易受环境影响。

图3 不同播期下15个品种测量型数量性状的变异系数Fig.3 Coefficient of variation of the quantitative traits of 15 varieties under different sowing dates

2.3.1 不同播期对谷子叶部数量性状的影响 由图4可知, 在倒2叶长度这一性状中, 春谷品种晋谷35号、夏谷品种济谷19和杂交谷品种张杂13号在3个播期下无显著差异, 其余12个品种均存在显著差异（P＜0.05）, 并且杂交谷中的张杂3号和张杂5号在不同播期下存在极显著差异（P＜0.01）；在倒2叶宽度中, 春谷公矮2号和杂交谷张杂5号在不同播期下的差异不明显, 但其余13个品种均存在显著性差异（P＜0.05）, 且春谷和杂交谷中各有1个品种差异极显著（P＜0.01）, 分别是农大8号和张杂6号。此外, 春谷中的晋谷21号、长农39号和农大8号, 夏谷中的济糯谷2号、济谷17、济谷20和济谷21, 杂交谷中的张杂3号、张杂5号和张杂6号在2个叶部性状中均存在显著差异（P＜0.05）, 说明这些品种在叶部性状上受环境影响较大。

图4 播期对谷子叶部数量性状的影响Fig.4 Effects of sowing dates on the quantitative characteristics of the leaves of the millet

2.3.2 不同播期对谷子茎部数量性状的影响 从图5可以看出, 有14个品种的茎秆长度和伸长节节间存在显著差异（P＜0.05）；只有夏谷品种济糯谷2号的茎秆长度在不同播期下差异不明显, 而春谷品种晋谷35号、长农39号和农大8号在不同播期下的差异极显著（P＜0.01）；有13个品种在茎秆粗度上存在显著差异；有12个品种的成穗茎数存在显著差异（P＜0.05）。在伸长节节间数上, 只有杂交谷的张杂3号在不同播期下无显著差异（P＜0.05）, 而春谷品种的晋谷21号、晋谷35号和公矮2号、夏谷品种的济糯谷2号和杂交谷中的张杂10号在不同播期下存在极显著差异（P＜0.01）；在茎秆粗度上, 夏谷品种济谷19和张杂5号在不同播期下差异不明显, 而春谷品种晋谷21号、长农39号、农大8号和公矮2号, 夏谷中济谷21, 杂交谷中张杂10号和张杂13号在不同播期下差异极显著（P＜0.01）；在成穗茎数上, 夏谷中济谷17和济谷19, 杂交谷中张杂13号在不同播期下无显著差异, 其余品种都存在显著性差异（P＜0.05）。除此之外, 夏谷济谷20和济谷21, 杂交谷品种张杂6号、张杂10号和全部春谷品种在茎部的4个性状中都有显著差异（P＜0.05）, 说明这些品种在茎部性状中受环境影响较大。

图5 播期对谷子茎部数量性状的影响Fig.5 Effects of sowing dates on the quantitative traits of the grain stems

2.3.3不同播期对谷子穗部数量性状的影响 从图6可以看出, 15个品种中, 在穗粗度和穗单码籽粒数上均有13个品种在不同播期下差异显著（P＜0.05）, 而在穗颈长度中所有品种在不同播期下差异显著（P＜0.05）, 在穗长度上有14个品种在不同播期下差异显著（P＜0.05）, 出谷率和单穗重中均有12个品种在不同播期下差异显著（P＜0.05）。在穗颈姿态上, 春谷品种晋谷35号, 夏谷品种济谷17和济谷20, 杂交谷品种张杂3号和张杂6号在不同播期下差异极显著（P＜0.01）；在穗长度上, 春谷品种晋谷35号、长农39号、农大8号和公矮2号, 杂交谷品种张杂3号和张杂10号在不同播期下差异极显著（P＜0.01）, 只有春谷品种晋谷21号和和夏谷品种济谷17无明显差异；在穗粗度上, 春谷的长农39号和晋谷35号在不同播期下无显著差异, 而夏谷的公矮2号、济谷17和济谷20, 杂交谷的张杂6号在不同播期下差异极显著（P＜0.01）；在单码籽粒数上, 只有夏谷济谷17和济谷1 9在不同播期下差异不显著（P＞0.0 5）, 而春谷中的农大8号, 夏谷中的公矮2号和济谷2 0、杂交谷的张杂3号、张杂5号、张杂1 0号和张杂1 3号在不同播期下差异极显著（P＜0.0 1）；在单穗重上, 春谷的公矮2号和夏谷的济谷2 1在不同播期下差异不显著, 而春谷的晋谷3 5号、夏谷的农大8号和济糯谷2号, 杂交谷的张杂谷3号在不同播期下差异极显著（P＜0.0 1）；在出谷率上, 春谷、夏谷和杂交谷各有1个品种在不同播期下差异不显著（P＞0.0 5）, 分别是晋谷2 1号、济谷1 9和张杂6号。而春谷的晋谷3 5号和农大8号还有夏谷中的济糯谷2号在不同播期下差异极显著（P＜0.0 1）。除此之外, 春谷中的农大8号, 夏谷中的济糯谷2号和济谷2 0, 杂交谷中的张杂3号、张杂5号、张杂1 0号和张杂1 3号在6个穗部性状中都差异显著（P＜0.0 5）, 说明这7个品种在谷子穗部形状上受环境影响较大。

图6 播期对谷子穗部性状的影响Fig.6 Effects of sowing dates on the characteristics of grain spikes

3 讨论

本研究表明, 播期对谷子的质量性状、假质量性状和目测数量性状均无显著影响（图1~2）。这与刘迪发等[14]和陈海荣等[15]研究结果一致。由于质量性状、假质量性状和目测型数量性状是由单基因或少数基因控制的, 所以其受环境影响较小, 因此在进行谷子DUS测试时, 可以将质量性状、假质量性状以及目测型数量性状作为测试的一项重要指标。

本研究对谷子DUS测试性状的13个数量性状的变异系数进行了分析, 发现播期对谷子成穗茎数的影响最大, 对茎秆长度这一性状的影响最小（图3）。故推测成穗茎数在进行DUS测试时易受外界环境影响, 此时就有必要使用标准品种说明或者是调减成穗茎数所占DUS测试中的比例权重。而茎秆长度所受外界环境影响最小, 可能不需要提供标准品种, 其所占DUS测试中的比例也应该适当提升。在进行DUS测试时应根据此类实验来调整各个性状的比例权重或是对标准品种进行增删, 可以极大地提高DUS测试的准确性以及减少测试量。

通过进一步分析得知, 播期对不同品种谷子数量性状的影响程度也是不同的, 在同一性状中, 有些品种存在极显著差异, 而另一些品种都不存在显著性差异, 此类现象存在于所有测量型数量性状中（图3~5）, 在对谷子的测量型数据进行分析时发现, 同一性状中, 无论是播期试验指标数据的变化差异还是不同品种在播期后差异显著个数, 春谷受到的播期影响都是最小的, 其次是夏谷, 受播期影响最大的是杂交谷。测量型数量性状是由多基因控制的性状, 所以其在DUS测试中很容易受到外界环境的影响, 并且由于各生态区的谷子经过长时间的自然选择, 其基因型发生了较大变化, 所以播期对不同品种的谷子影响程度是不同的。在之后的DUS测试中, 如果测试品种的一些性状需要用标准品种进行说明的话, 标准品种的选用应该尽量选择同一生态区或相邻生态区的谷子品种, 以此来增加DUS测试的可行性和可信性。

国际植物新品种保护联盟（International Union for the Protection of New Varieties of Plants, UPOV）对测试性状选择的基本要求是在品种间表现出足够的差异, 能够用于判定特异性, 且性状表达相对稳定[16]。通过不同播期对谷子品种DUS测试性状的研究, 表明播期是影响谷子品种DUS测试性状的重要因素。在本研究中, 不同播期条件下, 表型性状的观察结果出现减少或增加, 变化规律不稳定, 这可能和当地环境变化有一定的关系, 需进一步加以验证。试验结果显示, 不同品种对播期变化的反应强度也各不相同, 为不同类型谷子品种的合理种植、管理和测试带来一定的困难。因此, 对于不同播期下谷子DUS测试数量性状结果的校正有待进一步试验、统一和规范。