小偃麦衍生系表型遗传多样性分析及综合评价

常利芳，李欣，郭慧娟，乔麟轶，张树伟，陈芳，畅志坚，张晓军

（山西农业大学农学院，山西 太原 030031）

小麦（Triticum aestivum）是世界三大粮食作物之一，我国是全球最大的小麦生产国和消费国，产量约占全球总产的17%，小麦生产的持续稳定对保障国家粮食安全具有重要意义［1］。作物种质资源及遗传多样性研究是作物基因发掘、遗传改良及新品种培育等研究的重要基础，对各类型种质资源进行遗传多样性系统评价，发掘能够满足现代育种需求和具有应用前景的优异种质，特别是产量等重要目标性状的遗传多样性研究，是当前作物种质资源发展的重要趋势［2］。目前，不同研究者从表型［3-10］、基因组［11-15］和蛋白质水平［16-17］对引进种质、地方品种、审定品种、核心种质以及骨干亲本衍生系等小麦不同类型种质资源的遗传多样性进行了综合分析，为拓宽小麦遗传及育种的遗传基础、提高育种效率以及促进小麦生产提供了重要的材料信息。

表型性状是作物基因型与环境互作后呈现出来的最直观、最易测量的性状，也是其遗传变异的重要体现。即使在分子标记技术迅猛发展的今天，表型性状的鉴定评价依然是种质资源多样性研究的重要内容，应用表型进行遗传多样性分析及评价在小麦［3-10］、水稻（Oryza sativa）［18］、玉米（Zea mays）［19］、棉花（Gossypium）［20］、谷子（Setaria italica）［21-22］和燕麦（Avena sativa）［23］等多种作物中均有报道。马艳明等［3］对134份新疆冬小麦地方品种和54份现代育成品种进行了多年、多环境的农艺性状考察，通过遗传多样性分析、相关分析等方法，解析了新疆冬小麦品种农艺及产量性状遗传多样性演变及其对生态环境的适应性。宋玥等［18］通过对1777份中国普通野生稻（Oryza rufipogon）种质资源抽穗期等5个重要农艺性状进行遗传多样性、主成分和方差分析，发现中国普通野生稻具有丰富的遗传多样性。杨涛等［20］对175份海岛棉（Gossypium barbadense）的12个表型性状进行遗传多样性分析、主成分分析和隶属函数综合评价，发现参试种质资源类型丰富但遗传多样性较差。刘思辰等［22］通过对212份山西谷子种质资源农艺和品质性状进行综合评价，阐明了山西谷子种子的多样性特点和分布规律。这些研究通过对不同类型种质资源表型性状的多样性分析、相关分析、主成分分析、聚类分析以及隶属函数综合评价等综合分析，阐明了不同类型种质资源的遗传多样性水平，为其深入利用提供了理论依据。

偃麦草属（Elytrigia）植物隶属禾本科小麦族，是多年生草本植物，具有抗病、抗逆、多小穗等特点，是小麦遗传改良的优异基因库，其中中间偃麦草（Elytrigia intermedium）和长穗偃麦草（Elytrigia elongata）在小麦遗传改良中应用最为广泛［24-28］。畅志坚等［29］利用染色体异源重组将中间偃麦草、长穗偃麦草片段转移至普通小麦，创制了TAI8045、TAI7047和TAI8335等多个八倍体小偃麦新种质，并将其与普通小麦品种杂交、回交，通过抗病、抗逆等鉴定已经获得一批兼抗小麦白粉病和条锈病、抗赤霉病、耐盐等优异种质，是小麦遗传和育种研究的重要种质资源［30-38］。前期已经利用这些衍生系定位了多个抗病基因或数量性状位点（quantitative trait locus，QTL），但尚未对其开展农艺性状的鉴定评价，本研究以163份小偃麦衍生系为材料，通过对其农艺及产量相关性状的多样性分析、相关分析、聚类分析、主成分分析及综合评价，以期更全面地评价这些衍生系的综合表现，筛选优异种质，为小偃麦种质的进一步深入研究和利用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试的163份小偃麦衍生系分别由TAI7047、TAI8045、TAI8335、TAI8505和TAP8430与普通小麦品种杂交1～2次后自交选育而来。TAI7047、TAI8045、TAI8335和TAI8505是普通小麦与中间偃麦草杂交选育的八倍体小偃麦，TAP8430是普通小麦与十倍体长穗偃麦草杂交选育的八倍体小偃麦。供试材料均由本课题组创制及保存。为筛选早熟高产优异种质，设置对照品种辽春10号，其是由辽宁省农业科学院培育的极早熟大粒优质春麦品种。

1.2 试验设计及性状考察

田间试验分别于2020和2021年在山西农业大学东阳试验基地进行，采用随机区组设计，2次重复，每个材料种植2行，行长2 m，按40粒·行-1播种，常规田间管理。收获后每行取中间10株考察性状数据。

调查性状主要包括株高、有效分蘖数、穗长、穗粒数、每穗小穗数、千粒重、单株产量和抽穗期共8个产量相关的数量性状，以及株型、芒形、穗形、粒色和粒质共5个质量性状。以上性状考察严格按照《小麦种质资源描述规范和数据标准》［39］进行。选取的性状是综合考虑了资源评价和遗传育种的需求，以及性状精准调查的稳定可靠性，从而使结果更可靠和科学。

1.3 数据处理与分析

1.3.1 基本统计分析 将考察的农艺性状分别进行数据分析，对于描述性的质量性状，基于性状赋值分析其多样性指数和各类别性状的频率分布；对于产量相关的数量性状，采用SAS v 9.0软件对表型数据进行统计分析，包括基本统计量的计算（平均值、最大值、最小值、标准差和变异系数）及单因素方差分析，并用SAS软件的PrinComp过程对供试材料的性状观测值进行主成分分析，提取累计方差贡献率超过80%时所包括的主成分；利用SPSS 19.0软件计算供试材料间的欧氏距离，按组内联结法进行系统聚类。

1.3.2 遗传多样性分析 采用Shannon-Wiener多样性指数（H′）进行遗传多样性评价［40］。根据性状平均值（Xi）和标准差（σ）将各个性状的观测值划分为10级，每0.5σ为1级，从第1级（Xi＜x-2σ）到第10级（Xi≥x+2σ），每一组的相对频率用于计算多样性指数。各个等级的分布频率（Pi）的计算公式为：

式中：ni表示某个性状处于第i级的材料个数，N表示材料总数。

式中：Pi表示某性状第i级的分布频率。以上计算均在Excel中完成。

1.3.3 产量性状综合评价 将供试材料表型数据代入每个主成分中，计算各主成分得分，再利用模糊隶属函数对各主成分进行归一化处理，根据各主成分贡献率计算其权重系数，最后计算各种质的综合评价D值［20-21］。计算公式分别如下：

式中：Xi为第i个综合指标，Xmin和Xmax分别为第i个综合指标的最小值和最大值；

式中：Wi表示第i个综合指标在所有综合指标中的权重，Pi为各品种第i个综合指标的贡献率。

2 结果与分析

2.1 小偃麦衍生系表型遗传多样性分析

2.1.1 质量性状 抽穗后调查发现，163份小偃麦衍生系以半松散株型（占比51.53%）、长芒（77.91%）和纺锤形穗（55.83%）为主，遗传多样性指数分别为1.00、0.67和0.69，具有一定的多样性。收获后考察材料的籽粒性状，发现163份品系绝大多数为白粒（80.98%）、硬质（92.64%）材料，多样性指数仅为0.49和0.26，相对较低（表1）。

表1 163份小偃麦衍生系5个质量性状多样性分析Table 1 Genetic diversity of quality traits of 163 octoploid Tritipyrum-derived lines

2.1.2 数量性状 从8个产量相关性状的两年平均值来看（表2），163份小偃麦衍生系的平均株高为76.53 cm，CH0987（110.44 cm）最高，CH9767（44.88 cm）最矮；抽穗期平均为76.56 d，CH4151、CH16375和CH16419最短，均为70.5 d，与早熟品种辽春10号相近（69.5 d）；单株产量平均为7.46 g，CH1762最高（11.39 g），其次是CH1726（10.95 g）；千粒重平均为35.62 g，CH1742（51.8 g）最高，其次是CH16353（51.05 g）和CH16364（51.1 g），均高于对照品种辽春10号（46.6 g）；穗粒数平均为47.39个，CH0987（66.75个）最多；有效分蘖数平均6.23个，CH16371（10.65个）最多，CH16416（4.04个）最少；穗长平均为7.79 cm，CH1343H（11.25 cm）最长，CH7034（3.97 cm）最短；每穗小穗数平均19.49个，CH16446（22.38个）最多。图1为小偃麦衍生系8个产量相关性状两年平均值的频率分布，可以看出，163份衍生系在10个等级上均有分布，多数品系集中在3～7级上，呈近似正态分布。

方差分析表明（表2），163份小偃麦衍生系7个产量相关性状（除抽穗期未作统计外）的F值均达极显著水平，证明这些品种间表型效应差异有统计学意义。从两个年度均值的变异系数来看，不同性状的变异系数差异较大，变异系数为4.44%～20.11%，平均为13.06%。其中单株产量（20.11%）、有效分蘖数（17.34%）和千粒重（17.13%）的变异较大，表明163份衍生系这3个性状的变异类型丰富；而每穗小穗数（5.64%）和抽穗期（4.44%）相对较小，表明供试材料的每穗小穗数、抽穗期变异程度较低。

遗传多样性指数（H′）大小显示，各性状具有丰富的多样性，多样性指数为1.97～2.09，平均为2.04。除了抽穗期（1.97）最低外，其余性状的多样性指数均大于2.0。与变异系数大小排序不同，多样性指数以千粒重（2.09）为最高，其次是每穗小穗数（2.07）和穗长（2.05），株高、单株产量和有效分蘖数的多样性指数均为2.04，表明163份衍生系的千粒重、每穗小穗数和穗长具有较高的多样性和频率分布平衡性（图1）。此外，相比5个质量性状的多样性指数（表1），8个产量相关性状的多样性明显较高。

图1 163份小偃麦衍生系8个产量相关性状的频率分布Fig.1 Frequency distribution of 8 yield-related traits of 163 octoploid Tritipyrum-derived lines

在同一生态环境下连续两年的表型性状比较反映了种质资源的稳定性，2020和2021年小偃麦衍生系产量相关性状t测验表明，抽穗期、有效分蘖数、千粒重和单株产量差异极显著（P＜0.01），株高和每穗小穗数差异显著（P＜0.05），受环境影响较大，而穗粒数、穗长受环境影响相对较小。同时，两年间8个产量相关性状的变异系数略有不同，但趋势基本一致，都是单株产量和有效分蘖数变异较大，抽穗期变异系数最小（表2）。

表2 163份小偃麦衍生系产量相关性状多样性分析Table 2 Genetic diversity analysis of 8 yield-related traits in 163 octoploid Tritipyrum-derived lines

2.2 相关分析

相关分析表明，8个产量相关性状间存在不同程度的相关性（表3）。其中，单株产量与穗长、有效分蘖数、穗粒数和千粒重呈极显著正相关（P＜0.01），相关系数最高为千粒重（r=0.4668），与抽穗期呈极显著负相关；千粒重与株高和穗长呈极显著正相关，与抽穗期、有效分蘖数和每穗小穗数呈极显著负相关；穗粒数与穗长呈极显著正相关，与有效分蘖数呈极显著负相关；有效分蘖数与株高和每穗小穗数呈显著正相关（P＜0.05）；抽穗期与株高和每穗小穗数呈极显著正相关，与穗长、千粒重和单株产量呈极显著负相关；株高与穗长和有效分蘖数呈显著正相关，与千粒重呈极显著正相关。可见，小偃麦衍生系的产量相关性状间相互影响、相互关联，单株产量受千粒重和有效分蘖数影响较大，在育种应用时要充分协调各性状间的关系。

表3 163份小偃麦衍生系8个产量性状的相关系数Table 3 Correlative coefficient of 8 yield-related traits of 163 octoploid Tritipyrum-derived lines

2.3 聚类分析

基于8个产量相关性状对163份小偃麦衍生系进行聚类分析，在欧氏距离为17.5时划分为6大类群（图2）。由表4可以看出，第Ⅰ类群包含42个衍生系，占25.77%，平均穗粒数最多，属于多粒类型；第Ⅱ类群包含18个衍生系，占11.04%，平均每穗小穗数和穗粒数最少，单株产量低于第Ⅰ类群；第Ⅲ类群共24个衍生系，占14.72%，千粒重、单株产量、株高和穗长均为最高，属于大穗大粒高产品系；第Ⅳ类群包含29个衍生系，占17.79%，抽穗期最长，株高偏高，千粒重较低，属于晚熟品系；第Ⅴ类群包括12个衍生系，平均单株产量最低，穗粒数较少，千粒重最低，株高较低，综合表现差；第Ⅵ类群包括38个衍生系，占23.31%，主要为矮秆类型，平均株高64.28 cm，其余性状综合表现较第Ⅰ、Ⅲ类衍生系稍差。

图2 163份小偃麦衍生系基于8个产量相关性状的聚类分析Fig.2 Cluster analysis of 163 octoploid Tritipyrum-derived lines based on 8 yield-related traits

表4 6个类群产量相关性状表现Table 4 Performance of yield-related traits of six groups based on cluster analysis

2.4 主成分分析

基于8个产量相关性状的主成分分析表明（表5），前4个主成分涵盖了163份衍生系81.12%的遗传信息量。主成分矩阵显示，第1主成分特征值为2.3423，贡献率为29.28%，特征向量值有正有负，以千粒重和抽穗期的载荷较大，且抽穗期为负向效应；第2主成分特征值为1.7192，贡献率为21.49%，每穗小穗数的载荷最大；第3主成分特征值为1.4049，贡献率为17.56%，穗长载荷最大；第4主成分特征值为1.0230，贡献率为12.79%，株高载荷最大。总的来看，千粒重、每穗小穗数、穗长和株高均对提高产量有正效应，而抽穗期对产量提高有负效应。

表5 163份小偃麦衍生系产量性状的主成分分析Table 5 Principal components analysis based on 8 yield-related traits of 163 octoploid Tritipyrum-derived lines

2.5 小偃麦衍生系产量性状综合评价

将8个产量性状分别代入4个主成分，获得每个材料的4个主成分得分，第1主成分的线性方程为：y1j=-0.4925x1j+0.0162x2j+0.303x3j-0.1138x4j-0.3752x5j+0.221x6j+0.5603x7j+0.3858x8j。利用模糊隶属函数将4个主成分得分归一化处理，根据4个主成分贡献率计算得相应的权重系数（0.3609、0.2649、0.2165、0.1577），进而计算得到各材料的综合评价D值，按D值对材料进行综合排序，D值越高，表型性状综合评价越好（表6）。结果表明，163份小偃麦衍生系的平均D值为0.5079，以CH16353的D值为最高（0.8112），其次为CH1742（0.7260）、CH16370（0.7241）、CH16385（0.7236）和CH16382（0.7200），均属于第Ⅲ类群大穗大粒高产种质，而第Ⅵ类群的CH9767（0.1110）、CH7034（0.1483）和CH1343（0.2350）列最后3名，综合表现较差。

表6 163份小偃麦衍生系综合评价Table 6 Comprehensive evaluation of 163 octoploid Tritipyrum-derived lines

相关分析表明，除了穗粒数（r=0.074）和有效分蘖数（r=0.077）外，6个产量性状与D值均呈极显著相关（P＜0.01），其中，每穗小穗数（r=-0.308）和抽穗期（r=-0.313）与之呈极显著负相关，而株高（r=0.699）、千粒重（r=0.811）、单株产量（r=0.513）、穗长（r=0.333）均与之呈极显著正相关，可见千粒重与株高在综合评价中比较重要。

3 讨论

作物种质资源具有丰富的遗传多样性，经过数千年在世界不同区域驯化利用中的人工选择，形成了表型性状的多样性，构成育种家选育作物新品种的物质基础［41］。现代育种降低了作物的遗传多样性，导致作物改良的遗传基础越来越狭窄，搜集、创制、筛选、评价和利用各类型种质资源，不断拓宽小麦育种的遗传基础是选育优异种质、提高育种效率的重要途径［40，42-43］。小麦野生近缘植物是小麦育种及遗传改良的宝贵野生资源库，通过远缘杂交创制了许多新型小麦种质资源，八倍体小偃麦及其衍生种质在提高小麦的遗传多样性及其抗病、品质等性状的改良上发挥了重要作用［30，44］。本研究综合评价了163份小偃麦衍生系的表型特征及遗传多样性，发现小偃麦衍生系农艺及产量性状具有丰富的遗传多样性，为小偃麦种质用于小麦遗传育种提供了理论依据和材料基础。

续表Continued Table

变异系数和遗传多样性指数是评价种质资源多样性的重要指标，分别代表了不同类型种质资源表型性状的变异范围和变异类型的丰度及分布均匀度［40，45］。本研究对来源于中间偃麦草和长穗偃麦草的小偃麦衍生系进行了遗传多样性评价，163份衍生系的质量性状及产量性状均表现出丰富的遗传多样性（表1，2），尤其是产量性状。8个产量相关性状的变异系数为4.44%～20.11%，变异范围略小于易腾飞等［4］的261份审定品种、柴永峰等［5］的146份CIMMYT引进种质、马国江等［6］的128份抗旱冬小麦新种质和曾潮武等［10］的128份中亚引进春小麦种质资源［4-6，10］；多样性指数为1.97～2.09，平均值为2.04，遗传多样性指数明显高于前人报道的各类种质资源［4-6，9-10］，即小偃麦衍生系产量性状具有更加丰富的遗传多样性。考察的8个产量相关性状中，以千粒重（2.09）的遗传多样性最为丰富，与易腾飞等［4］报道的审定品种、曾潮武等［10］的中亚引进种质结果一致，但不同于柴永峰等［5］报道的CIMMYT引进种质和马国江等［6］报道的抗旱新种质，这可能与不同种质资源类型有关。从质量性状上来看，5个性状遗传多样性指数排序为：株型（1.00）＞穗型（0.69）＞芒型（0.67）＞粒色（0.49）＞粒质（0.26），明显低于8个产量相关性状的多样性，与李晶等［7］和张彦军等［14］的研究结果一致，在高粱（Sorghum bicolor）［46］和水稻［47］等作物中也发现质量性状的遗传多样性指数低于产量性状。

聚类分析可以明确种质资源的差异和分类，使育种家能够根据育种目标选择相应亲本，被广泛用于各类种质资源评价研究中［18-23，45-47］。本研究基于8个产量性状欧氏距离将163份小偃麦种质划分为6个类群（图2），各类群各有特点，特别是第Ⅰ、Ⅲ类群材料，产量性状相对突出（表4）。第Ⅰ类群主要是多粒种质，其中CH1675（63.88个）穗粒数最多，其次是CH16343（59.5个），可作多粒种质使用。第Ⅲ类群的品系主要是大穗大粒种质类型，其中CH1742的千粒重最高（51.8 g），其次是CH16353（51.05 g）和CH16364（51.1 g），均高于对照辽春10号（46.6 g），可作为大粒亲本用于小麦育种或用于千粒重QTL/基因遗传研究。第Ⅰ类群的CH16375和第Ⅲ类群的CH16419抽穗期均为70.5 d，与早熟品种辽春10号（69.5 d）相近，可以作为早熟亲本用于育种研究。第Ⅵ类主要是矮秆种质，其中品系CH9767株高仅有44.88 cm，可作矮秆类型资源使用。此外，前期研究结果表明，第Ⅰ类 群 的 品 系CH1302抗 白 粉 病［33］，第Ⅲ类 群 的 品 系CH16371、CH16373、CH16374、CH16375、CH16378和CH16432高抗赤霉病［37］，这些产量优异的衍生系也为小麦育种提供了优异的抗病抗逆资源。

基于表型数据主成分分析结合隶属函数法进行综合评价在小麦［48-49］、棉花［20，45］、谷子［21-22］、水稻［47］和燕麦［23］等多个作物种质资源研究中都有应用，为育种家和研究者提供了更直观、便捷、量化的参考。本研究基于8个产量性状的主成分分析结果，通过计算主成分得分和隶属函数值，结合主成分的权重获得综合评价D值（表6），并且相关分析表明，6个产量性状与D值均呈极显著相关（P＜0.01），说明D值可作为小偃麦衍生系产量性状的综合评价指标。163份小偃麦衍生系的D值平均为0.5079，最大为CH16353（0.8112），略低于杜晓宇等［48］的黄淮南片新育成品种的最大D值（0.85）。依据D值大小对种质进行排序，从中筛选出了5个综合性状优良的大粒种质：CH16353、CH1742、CH16370、CH16385和CH16382，可以直接用作小麦育种亲本。此外，163份小偃麦衍生系中，D值排名前20的衍生系都是第Ⅲ类群优异种质，排名后20的多是第Ⅴ和Ⅵ类群综合表现差的种质，与聚类分析结果相互印证，评价结果更加可靠。

本研究基于同一地点两个年份的表型数据对163份小偃麦衍生系的遗传多样性进行了初步分析，为这些资源的深入利用提供了理论依据，但表型性状数据容易受环境因素影响，反映的遗传信息也有限，为更加准确反映材料间的遗传关系，今后将进行更多环境的表型精准鉴定，并进一步利用单核苷酸多态性标记（single nucleotide polymorphism，SNP）技术结合更多环境以及更多性状的表型数据，进行全基因组关联分析，深度挖掘小偃麦衍生系的优异种质和优异QTL/基因，为促进小麦的遗传改良提供更多的理论和材料基础。

4 结论

本研究综合评价了163份小偃麦衍生系的表型特征及遗传多样性，发现小偃麦衍生系农艺及产量性状具有丰富的遗传多样性，特别是产量相关性状；聚类分析将163份衍生系划分为6个类群，其中第Ⅰ、Ⅲ类群为产量性状优异种质；结合主成分分析和隶属函数综合评价D值，筛选出综合性状排名前5的衍生系为CH16353、CH1742、CH16370、CH16385和CH16382，为小麦育种及遗传研究提供了材料基础。