20 个谷子新不育系综合性状分析

张晓磊，冯小磊，宋国亮，张雅莉，史高雷

（1.张家口市农业科学院，河北张家口075000；2.国家谷子改良中心张家口杂交谷子分中心，河北张家口075000；3.河北省杂交谷子工程技术研究中心，河北张家口075000）

谷子是我国北方地区传统的粮食作物，具有耐旱、抗贫瘠等特点，在我国北方旱作农业区发挥着重要的作用[1-3]。同时，谷子脱壳后的小米营养均衡，随着人们生活水平的提高，其在膳食结构调整过程中的作用越来越突出[4-6]。利用杂种优势可以显著提高作物产量，其已在水稻等主粮作物上得到广泛应用[7-8]。谷子杂种优势利用研究最早开始于20 世纪60 年代延安农业科学研究所，首次发现谷子雄性不育材料[9]，随后全国陆续创制选育出一批谷子不育系材料，但因种种原因都未能在生产上得到应用。赵治海[10]选育出的表现明显光温敏特性的不育系材料A2，与冀张谷1 号组配育成世界上第一个谷子两系杂交种，在国家区试中可增产30%以上。随后，章彦俊等[11]将抗拿扑净除草剂特性转育到谷子恢复系中，选育出第一个抗除草剂且可大面积推广应用的张杂谷3 号。先后选育出张杂谷系列杂交谷子品种18 个。随着谷子品种多元化需求，对谷子不育系选育提出了更高的要求。

本研究以张家口市农业科学院2012—2015 年间选育的20 个综合性状较好的谷子高度雄性不育系为试验材料，对其繁种特性、农艺性状、聚类分析等方面进行综合分析，旨在为进一步提升谷子杂交种多元化选育提供技术支撑[12-13]。

1 材料和方法

1.1 材料

供试20 个谷子两系不育系材料为15-1A、15-2A、15-3A、15-4A、15-5A、15-7A、15-9A、15-11A、15-12A、15-14A、15-15A、15-16A、15-17A、15-18A、15-19A、15-26A、15-32A、15-33A、15-34A 和15-35A；谷子恢复系选取目前推广面积较大的杂交谷子品种张杂谷3 号、张杂谷5 号、张杂谷6 号和张杂谷10 号。全部试验材料均由张家口市农业科学院谷子研究所提供。

1.2 方法

2015 年冬于张家口市农业科学院海南南繁基地按照遗传交配设计NCⅡ不完全双列杂交配置80（20×4）份杂交组合；2016 年在张家口沙岭子试验基地对20 个不育系材料和80 份杂交组合进行试验。沙岭子试验基地属于坝下半干旱区丘陵地带，大陆性季风气候。试验用地平整，土壤为褐色壤土。2016 年5 月16 日，采用随机区组设计进行试验播种，3 次重复。小区种植4 行，留苗60 株，种植密度为18 万株/hm2，株行距为16.8 cm×33.3 cm。4 叶期对杂交组合喷施拿捕净除草剂，去除假杂交苗，不育系材料间苗；6 叶期定苗。其他田间管理同当地谷子田常规管理。成熟期每小区除去边行，连续选取8 株进行考种，测定主要农艺性状抽穗期、株有效穗数、株高、穗长、穗脖长、穗粗、茎粗、茎节数、单穗穗质量、单穗穗粒质量、千粒质量。最后测定小区产量。

1.3 数据分析

利用Excel 2016 软件进行数据整理分析；应用SPSS 22.0 统计分析软件进行相关性和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 20 个谷子新不育系的繁种特性分析

从表1 可以看出，20 个谷子新不育系抽穗期变化范围为7 月23 日至8 月9 日，其中，不育系15-3A、15-9A、15-11A 和15-14A 抽穗期为7 月23 日，出苗至抽穗历时58 d；不育系15-33A 抽穗最晚，出苗至抽穗历时75 d。谷子不育系表现为高度雄性不育，无法通过光温变化改变来繁种不育系亲本，只能通过自身繁种[14]。20 个谷子新不育系繁种产量范围为74.28～618.49 kg/hm2，而繁种产量在400 kg/hm2以下的有10 个，说明选育的新不育系大部分既可以通过自身繁种延续下去，又符合谷子杂交种亲本条件。

表1 20 个谷子新不育系的繁种特性分析

2.2 20 个谷子新不育系的主要农艺性状分析

通过对20 个谷子新不育系主要农艺性状的平均值、最大值、最小值、极差、标准差和变异系数进行统计，结果表明（表2），不育系材料中同一性状的标准差间存在着较大差异，其大小表现为株高＞穗长＞穗脖长＞单穗穗质量＞茎节数＞单穗谷质量＞株有效穗数＞穗粗＞千粒质量＞茎粗；其中，标准差最大的是株高（9.99），变化区间为75.80～107.40 cm；标准差最小的是茎粗（0.09），变化区间为0.62～0.88 cm。由于谷子新不育系经过了不同资源的改良，在株高、穗长和穗脖长等性状上存在较大的差异。

不同品种间变异系数也存在差异，其大小表现为株有效穗数＞单穗谷质量＞单穗穗质量＞穗长＞穗粗＞穗脖长＞茎节数＞茎粗＞株高＞千粒质量，其中，变异系数最大的是株有效穗数（51%），变化区间为1.00～3.60 个；最小的是千粒质量（8%）。结果表明，新不育系材料株有效穗数的离散程度最高，在材料间存在着较大差异；而千粒质量则变异幅度较小。因此，在固定区域选育谷子不育系时，其千粒质量可能差异较小。

表2 20 个谷子新不育系主要农艺性状分析

2.3 20 个谷子新不育系配制杂交组合的产量分析

利用张杂谷3 号、张杂谷5 号、张杂谷6 号及张杂谷10 号等4 个杂交谷子恢复系分别与20 个谷子新不育系进行组配，对这20 个不育系所有组合的平均单穗穗粒质量、千粒质量和产量进行分析，结果显示（表3），这20 个不育系与4 个恢复系杂交组合平均单穗穗粒质量变化范围为15.31～25.08 g；平均单穗穗粒质量超过20 g 的不育系依次为15-26A（25.08 g）、15-14A（22.14 g）、15-18A（21.29 g）、15-3A（21.00 g）和15-17A（20.58 g）；平均单穗穗粒质量变异系数变化范围为7%～42%，其中，15-26A 和15-17A 的变异系数较小，在单穗穗粒质量方面具有较强的一般配合力，而15-14A和15-3A 则变异系数较大，具有较高的特殊配合力。平均千粒质量变化范围为2.79～3.18 g，变异系数为3%～9%。

表3 20 个谷子新不育系配制杂交组合产量分析

不同不育系的杂交组合平均产量变化范围为4 654.63～7 745.75 kg/hm2，其中，超过7 000 kg/hm2的不育系有10 个：15-12A、15-9A、15-3A、15-14A、15-35A、15-11A、15-19A、15-34A、15-32A 和15-33A，其产量大小依次为7 745.75、7 700.37、7 673.9、7 658.78、7 556.69、7 189.91、7 131.3、7 099.16、7 082.15、7 070.8 kg/hm2；其中，15-3A、15-19A、15-11A 和15-14A 所组配的杂交组合产量变异系数小于等于10%，与不同恢复系测配中，杂交组合产量变化较小且产量较高，表现出较高的一般配合力；产量超过9 000 kg/hm2的分别为15-35A×张杂谷6 号恢复系（10 249.99 kg/hm2）、15-12A×张杂谷6 号恢复系（9 362.20 kg/hm2）、15-9A×张杂谷5 号恢复系（9 286.58 kg/hm2）和15-34A×张杂谷3 号恢复系（9 256.33 kg/hm2）。这些不育系与不同恢复系测配的产量变化幅度较大，但是可能出现产量较高的组合，表现出较好的特殊配合力。

2.4 20 个谷子新不育系及组合的相关性分析

通过相关性分析发现（表4），20 个谷子新不育系部分性状间存在极显著或显著相关性。其中，株高与穗长（0.616**）、穗粗（0.687**）、茎粗（0.577**）、茎节数（0.825**）和单穗穗质量（0.801**）间呈极显著正相关（P＜0.01）。表明在不育系选育过程中，适当地提高株高可以增加穗粗、穗长和单穗穗质量，将为杂交组合高产奠定遗传基础。穗长与茎节数（0.824**）间呈极显著正相关（P＜0.01），而与穗脖长（-0.688**）和千粒质量（-0.600**）间呈极显著负相关（P＜0.01）。茎节数和单穗穗质量（0.651**）间呈极显著正相关（P＜0.01）。谷子高度雄性不育系要求有较小的自交结实率可以进行亲本繁种，但不能过高，否则会影响最终杂交制种质量。

表4 20 个谷子新不育系及组合主要性状相关性分析

单穗穗粒质量可以反映不育系的不育性。由表4 可知，单穗穗粒质量与其他农艺性状间不存在显著相关性，不育性主要受遗传基因控制，这与前人研究结果相似。另外，对每个新不育系的所有4 个杂交组合的平均单穗穗粒质量、千粒质量和产量与其不育系主要农艺性状相关性进行分析得出，组合单穗穗粒质量与穗脖长（0.466*）和茎粗（0.477*）间呈显著正相关（P＜0.05）；平均杂交组合产量与单穗穗粒质量（-0.603**）间呈极显著负相关，而与茎节数（-0.536*）间呈显著负相关。表明谷子杂交组合产量可能与不育系亲本不育性存在一定的关系。

2.5 20 个谷子新不育系的聚类分析结果

聚类分析结果显示，在欧氏距离为13.26 处，20 个谷子新不育系可分成3 个类群，第Ⅰ类群包括7 个，分别是15-18A、15-26A、15-16A、15-35A、15-15A、15-17A、15-19A；第Ⅱ类群包括5 个，分别是15-1A、15-33A、15-4A、15-34A、15-32A；第Ⅲ类群包括8 个，分别是15-3A、15-11A、15-9A、15-2A、15-12A、15-14A、15-7A、15-5A（图1、表5）。其中，第1 类为植株长势强壮类型，在株高、穗粗、茎粗、茎节数、单穗穗质量、单穗穗粒质量和组合平均单穗质量等方面较高，其中，穗粗分别是类群Ⅱ和类群Ⅲ的1.18、1.32 倍，而单穗穗质量则分别是类群Ⅱ和类群Ⅲ的1.31、1.55 倍；类群Ⅱ中不育系的平均株有效穗数最高；达到2.12 个，而类群Ⅰ和类群Ⅲ分别只有1.14、1.25 个。通过与恢复系测配发现，杂交组合平均产量最高的是类群Ⅲ中的不育系，平均产量达7 170.77 kg/hm2，分别比类群Ⅰ、类群Ⅱ高出523.46、672.56 kg/hm2。

表5 各类群主要农艺性状特征分析

3 结论与讨论

3.1 20 个谷子新不育系综合农艺性状分析

与水稻、玉米、高粱等主要粮食作物不同，谷子杂种优势利用的研究起步较晚。尽管20 世纪60 年代延安市农业科学研究所已发现谷子雄性不育系材料，但是直到赵治海等[15-16]选育出综合性状优良的谷子两系不育系A2 之后，才创制出多个适宜春播或夏播生态类型区种植的杂交种，谷子杂交种才得到较大面积的推广。随着谷子品种多元化的需求，对谷子杂交种选育提出了更高的要求[17-18]。本研究的试验材料为近年来选育的20 个综合性状较好的谷子不育系，其不育系不育遗传背景与不育系A2 相同，不育系亲本繁种靠自交结实，不育度过低会导致繁种成本高而无法应用；而不育度过高会影响杂交种制种质量，选育不育度适中的新不育材料才能应用于生产中。这20 个谷子新不育系的繁种产量为74.28～618.49 kg/hm2，其中，繁种产量低于400 kg/hm2的新不育系有10 个，完全符合谷子杂交种亲本条件。另外，不育系材料中同一性状的标准差间存在着较大差异，其大小为株高＞穗长＞穗脖长＞单穗穗质量＞茎节数＞单穗谷质量＞株有效穗数＞穗粗＞千粒质量＞茎粗。由于新不育系都是经过不同地域、不同类型的谷子遗传资源改良而成，因此，在主要农艺性状上存在较大的差异。通过对主要农艺性状进行相关性分析发现，部分性状间存在极显著或显著相关。单穗穗粒质量可以反映不育系的不育性。不育系材料的单穗穗粒质量与其他农艺性状间不存在显著相关性，不育性主要受遗传控制，这与前人研究结果相似。

3.2 20 个谷子新不育系组配组合杂种优势分析

亲本配合力在亲本选育和组合选配中发挥着十分重要的作用。利用现推广面积较大的谷子杂交种张杂谷3 号、张杂谷5 号、张杂谷6 号和张杂谷10 号的恢复系与新不育系进行组配，同一不育系的所有组合平均单穗穗粒质量超过20 g 的不育系有5 个，其中，15-26A 和15-17A 不育系分别与不同恢复系配制组合时，变化较小，说明其单穗穗粒质量方面具有较强的一般配合力；而15-14A 和15-3A不育系变化范围较大，具有较强的特殊配合力。20 个谷子新不育系所组配的杂交组合在产量性状方面差异较大。同一不育系的所有组合平均产量最低为4 654.63 kg/hm2，而最高则达到7 745.75 kg/hm2。表明谷子新不育系的选育和杂交组合的选配对产量提升有着至关重要的作用。组合平均产量超过7 000 kg/hm2的不育系有10 个，有些不育系与不同恢复系的组合间产量差异较小，如15-3A、15-19A、15-11A 和15-14A 表现出较好的一般配合力；而有些不育系只有特定的几个组合产量超高，如15-35A 和张杂谷6 号恢复系组配的产量高达10 249.99 kg/hm2，表现出较高的特殊配合力，有利于选育出超高产的谷子杂交种。谷子杂交种选育目标主要以高产、优质及抗逆为主。本研究通过对不育系进行改良，并对其主要农艺性状及组配能力进行分析，其结果可以为优化杂交组合方案、提升育种进程[19-20]提供一定的理论依据。