引言

　　土壤干旱是影響農作物生產的最強烈的極端氣候，會導致植被覆蓋度降低，水土流失，生態脆弱 [1-2]。據統計，我國 50% 以上都是干旱、半干旱的土地 [3]。甘肅省位于秦嶺以北、黃河上游三大高原交匯處 [4]，氣候冷涼，干旱頻發，雨熱不同期，是典型的干旱與半干旱區 [5]，水資源短缺限制了當地農作物種植與農業的發展 [6]。谷子抗旱節水、耐瘠薄，是應對環境挑戰的重要戰略儲備作物，在我國種植面積大約為 133.3~140.0 萬 hm²，因具有較厚的細胞壁、較小的葉面積以及發達的根系，谷子對干旱脅迫具有較好的耐受性 [7]，在我國干旱和半干旱地區廣泛分布 [8]。

　　種質資源作為谷子遺傳改良基礎，是遺傳多樣性研究和新品種選育的基礎。我國擁有豐富的谷子種質資源，約占世界谷子種質總量的 70%[9]。研究人員針對山西 [10]、河南 [11]、新疆 [12] 和廣西 [13] 等不同環境進行了谷子種質表型性狀的精準鑒定評價和遺傳多樣性分析，同時結合分子標記進行谷子多樣性分析 [14]、優異資源鑒定 [15] 及抗旱性研究 [16-17]。前人基于表型性狀和分子標記構建了水稻、小麥、玉米、大豆和油菜等作物的骨干或核心種質 [18]，構建以最小資源量覆蓋最全資源群體遺傳多樣性的谷子骨干種質庫，可有效解決龐大種質資源群體研究與高效利用之間的矛盾 [19]。谷子是對光溫反應敏感的作物 [20]，針對當地生態氣候條件和育種現狀，開展谷子種質資源表型性狀鑒定及骨干種質構建，是解決谷子三大主要產區之一的西北干旱半干旱區谷子種質利用效率低和遺傳變異冗余等問題的重要途經。本研究通過對以農家種為主、育成品種和國外引進品種為群體的 871 份谷子種質資源進行表型鑒定，以 17 個表型性狀數據為基礎，構建干旱半干旱地區谷子骨干種質，并對其代表性進行測驗與評價，以期為保障谷子種質資源高效利用與種質創新奠定基礎。

　　1 材料與方法

　　1.1 試驗區概況

　　試驗于 2023 年在甘肅省定西市農業科學研究院科研創新基地和良繁基地兩個基地進行，該地區是典型的雨養旱作農業區，平均海拔 1920m，無霜期 110d，多年平均氣溫 8.6℃，年降水量 330~380mm，年日照時數 2600~2900h，年蒸發量 1420~1500mm;7—9 月降水量占全年降水量的 50% 以上，雨熱不同期，季節性干旱嚴重。創新基地土壤類型為黃綿土，pH 值 8.3，速效氮 57.3mg・kg⁻¹，速效磷 6.98mg・kg⁻¹，速效鉀 133.53mg・kg⁻¹，有機質 2.03%;良繁基地土壤類型為黃綿土，pH 值 8.4，速效氮 51.3mg・kg⁻¹，速效磷 4.02mg・kg⁻¹，速效鉀 144.08mg・kg⁻¹，有機質 1.27%。

　　1.2 試驗材料及試驗設計

　　供試材料為從中國農業科學院作物科學研究所引進的 871 份谷子種質。試驗小區采用隨機排列，不設重復，每份材料種植 2 行，行長 3m，理論留苗密度為 30000 株・667m⁻²，2 個試驗點分別于 4 月 19 日和 4 月 20 日播種，9 月 25 日和 9 月 28 日收獲。結合上年度秋季翻耕施入有機肥 2250kg・hm⁻²，播前施尿素(N)150kg・hm⁻²、磷肥(P₂O₅)240kg・hm⁻²、硫酸鉀(K₂O)90kg・hm⁻²。其他管理措施同當地大田示范。

　　1.3 調查內容及方法

　　根據《谷子種質資源描述規范和數據標準》[21]，生育期間記錄幼苗葉姿(SL)、開花期葉姿(SLF)、穗形(PT)、穗姿(SPN)、抽穗成熟期天數(HTMP)，成熟后每個試驗點隨機選 5 株調查株高(PH)、莖長(MSL)、生育期(GP)、單株干草重(HWP)、谷粒色(HC)、主穗長(MPL)、主穗粗(MPD)、主莖穗重(MPW)、分蘗穗重(TPW)、主莖粒重(GWMP)、分蘗粒重(GWTP)、千粒重(TGW)，共采集 17 個表型性狀進行分析。質量性狀根據其表型進行賦值，數量性狀數據根據 0.5 個標準差為間距進行標準化，分為 10 級(1 級≤-2δ，10 級>+2δ，中間每級間差 0.5δ，為性狀平均值，δ 為標準差)。

　　1.4 聚類分析及取樣

　　所有品種按植物學性狀粒色(白、黃、橙、青、紅、黑、褐)分成 7 組。分組取樣量由整個組內資源份數的平方根值占各組平方根之和的比例計算。采用 SPSS22.0 軟件對分組種質各性狀的逐步 UPGMA 聚類分析。遺傳距離相同或極相近的材料隨機選擇，如組內僅一份材料，則該材料直接入選，適當補充極值材料和特殊性狀種質。

　　1.5 骨干種質的代表性檢測及確認

　　利用 t 測驗、F 測驗分別檢驗全部種質和骨干種質 17 個表型性狀的均值、方差、變異系數及香農多樣性指數是否存在顯著差異，卡方檢驗確定兩者的植物學類型組成及 17 個性狀的表型分布頻率是否一致，表型保留比例(RPR)檢測骨干種質是否保留了全部種質的變異。變異系數(CV，%)代表全部種質和骨干種質的離散程度。

　　2 結果與分析

　　2.1 谷子骨干種質的篩選構建

　　全部谷子種質被分成 7 組，UPGMA 法聚類分析后遺傳距離相同或極相近的材料隨機選擇，得到 83 份種質，補充極值材料和特殊性狀種質 2 份，提取 9.75% 的干旱半干旱谷子資源構建骨干種質。此骨干種質包含全部種質的植物學類型，其中白粒 21 份(24.706%)、黃粒 49 份(57.647%)、橙粒 3 份(3.530%)、青粒 5 份(5.882%)、紅粒 4 份(4.706%)、黑粒 2 份(2.353%)、褐粒 1 份(1.176%)。卡方檢驗表明，骨干種質粒色代表了全部種質的粒色組成(P=0.991)，骨干種質能代表全部的種質類型。

　　2.2 谷子骨干種質與全部種質的統計分析

　　骨干種質與全部種質之間各表型性狀(5 個質量性狀和 12 個數量性狀)的平均值均無顯著差異，且骨干種質的幼苗葉姿、開花期葉姿、抽穗成熟期天數、主莖穗重、分蘗穗重、分蘗粒重、千粒重、谷粒色、單株干草重共 9 個性狀的平均值均大于全部種質的平均值。全部種質 5 個質量性狀的變異 100% 保留在骨干種質中，除主穗長(保留范圍 53.9%)、主穗粗(保留范圍 72.1%)和生育期(保留范圍 77.8%)外，其余 9 個性狀變異范圍的 88%~100% 保留在骨干種質中，可見骨干種質對全部種質性狀的變異幅度具有良好的代表性。F 測驗結果表明，全部種質與骨干種質間除株高的方差差異顯著外，其余 16 個性狀均為方差齊性。此外，骨干種質中除開花期葉姿、穗形、穗粗、主穗粒重 4 個性狀的方差低于全部種質外，其余性狀方差均高于全部種質，表明骨干種質遺傳冗余度明顯減小，變異率更高。

　　2.3 谷子骨干種質與全部種質表型性狀的變異系數和多樣性指數 H' 比較

　　變異系數和香農多樣性指數常用來比較不同樣品的表型特征、等位基因的豐富度和均勻度。骨干種質和全部種質 17 個性狀的平均變異系數分別為 43.938±8.932 和 43.133±9.692，多樣性指數 H' 分別為 2.934±0.333 和 3.017±0.374，骨干種質略高于全部種質，兩者相差不大;成對雙樣本 t 測驗結果表明，骨干種質與全部種質間 H' 差異不顯著(P=0.873)，且 2 個群體的變異系數差異不顯著(P=0.965)。以上結果說明骨干種質保留了全部種質的遺傳多樣性及變異程度。

　　2.4 谷子骨干種質與全部種質表型性狀的分布頻率和表型保留比例比較

　　全部種質 17 個性狀的表型分級均包含在骨干種質中。對 2 個群體 17 個性狀的分布頻率進行卡方測驗，差異均不顯著，表明 2 個樣本的性狀分布是一致的，骨干種質可代表全部種質的變異。株高、單株干草重的表型保留比例較大，其余 15 個性狀的表型保留比例均較適中，表明骨干種質保留了全部種質豐富的變異，且豐度更高。

　　2.5 谷子骨干種質與全部種質表型性狀的相關性分析

　　對骨干種質與全部種質的 17 個表型性狀進行相關性分析發現，骨干種質幾乎保留了全部種質的顯著相關關系，全部種質中有 60 對性狀極顯著相關，骨干種質中與全部種質相關性表現一致的有 57 對，其中 40 對在骨干種質中保持了極顯著相關性。由此可知，構建的骨干種質具有較小的遺傳冗余且較好地保持了全部種質的表型相關性，同時保留了全部種質各性狀間的遺傳關聯。在育種實踐中，可利用種質不同性狀間的極顯著相關性來篩選與易測量性狀極顯著相關的難測量性狀。

　　2.6 谷子骨干種質的確認

　　對骨干種質與全部種質進行主成分分析發現，骨干種質第 1、2 主成分的累計貢獻率分別為 22.95%、39.54%，而全部種質第 1、2 主成分的累計貢獻率分別為 17.63%、33.42%;其中骨干種質第 1 主成分貢獻率較高的性狀有株高、主莖粒重、主穗長、莖長、主莖穗重，第 2 主成分貢獻率較高的性狀有分蘗粒重、分蘗穗重、單株干草重;全部種質中與之對應的貢獻率較高的性狀分別有主莖粒重、主莖穗重、穗姿、主穗長、株高、分蘗穗重、分蘗粒重、單株干草重。為基于第 1、2 主成分的骨干種質與全部種質的樣品分布，全部種質中樣品存在重疊，表明群體的遺傳背景相似性高、遺傳冗余程度高;構建的骨干種質包含了全部種質周圍材料，保留了全部種質的分布特征，且重疊程度顯著降低，說明骨干種質具有較好的代表性，且去除了全部種質的大部分遺傳冗余。

　　由 5 個質量性狀和 12 個數量性狀表型分布的直方圖可知，幼苗葉姿、開花期葉姿、穗姿、穗形和谷粒色在全部種質和骨干種質中的分布吻合度非常高，穗形存在一定程度的變異，但分布頻率一致;生育期、抽穗成熟期天數、株高、莖長、主穗長、主穗粗、主莖穗重、主莖粒重、千粒重、單株干草重共 10 個性狀在全部種質和骨干種質中均表現出廣泛的變異，除分蘗穗重和分蘗粒重外大部分基本符合正態分布，且所有性質變異的分布頻率較為一致。因此，構建的骨干種質很好地覆蓋了全部種質的遺傳多樣性和群體結構，確保了骨干種質的有效性。

　　3 討論

　　3.1 作物骨干種質構建取樣策略選擇

　　不同作物的生長環境和自身遺傳多樣性不同，在骨干種質構建時，因材料分組 [22-23]、取樣規模 [24-25]、取樣方法 [26] 存在一定差異，選擇合適的分組方法對骨干種質構建尤為重要，常見的分組方法主要是基于植物學分類、地理分布和生態區等進行。李華等 [22] 對 780 份云南松分別按地理分布和種源分組后聚類分析構建了核心種質，比較后發現地理分布角度構建的種質子集在種質資源采集、保存和更新方面更具優勢。張曦等 [23] 基于 SNP 標記和表型數據將陸地棉種質分為 3 種類群，通過聚類分析分別構建了陸地棉基因型和表型初級核心種質。研究表明，確定合理的取樣規模是骨干種質構建的重要環節，通常取樣比例為 5%~30%，且大多集中在 10% 左右 [24]。徐海明等 [25] 研究認為，構建骨干種質的取樣比例需根據總資源群體的大小確定，原始種質數量大的取樣比例應偏小，反之取樣比例應偏大。

　　毛名義等 [26] 通過對 6 種取樣規模及組內 2 種取樣方法比較，確定了 10% 的取樣規模和組內聚類法最適宜保持表型保留比例及遺傳多樣性，基于禾穎尖顏色差異構建禾初級核心種質，且顯示組內取樣方法中聚類法較隨機取樣能提升核心種質變異的均勻度與豐富度。本研究基于植物學性狀將 871 份谷子種質分為 7 組，組內在 UPGMA 聚類基礎上隨機取樣，構建了占全部種質的 9.8% 的骨干種質，基本符合構建骨干種質的材料分組、取樣方法和取樣規模以農藝性狀為基礎數據構建骨干種質將資源歸類系統分組取樣，能以最小的重復有效代表最大的遺傳多樣性 [27]。UPGMA 聚類法能較好地保留原種質遺傳多樣性、變異系數、極差符合率及表型保留比例;優先取樣與隨機取樣相結合，則在盡可能地獲得原種質無偏差樣本的同時保存原種質的極差 [28]。故系統分組 + UPGMA 聚類法 + 類內隨機或優先取樣相結合，是以農藝性狀為基礎構建骨干種質的常見方法。

　　閆彩霞等 [29] 根據種植區和植物學類型對 2741 份花生分組，組內進行 UPGMA 聚類分析，類內隨機取樣構建了 259 份材料的中國花生地方品種骨干種質。劉艷陽等 [30] 將 5020 份芝麻種質資源標準化的表型數據根據地理來源分組，組內比例法聚類抽樣構建初級核心種質，再結合 SSR 分子標記進行 UPGMA 逐步聚類，構建了 501 份芝麻核心種質。潘英華等 [31] 將普通野生水稻按照地理分布分組，再利用 SSR 分子標記數據進行雙重 UPGMA 聚類，構建了包含 351 份種質的廣西普通野生稻核心種質。李金龍等 [32] 對 1287 份甜蕎種質資源按地理來源分組，表型數據結合 SSR 分子標記進行多次 UPGMA 聚類分析，遴選出 530 份甜蕎初級核心種質。

　　李萌等 [33] 對 1285 份山西省高粱地方品種進行不同的取樣方式、取樣比例和聚類方法相組合的比較，確定了 “多次聚類偏離度取樣法 + 15% 取樣比例 + 歐氏距離 + 最長距離法” 組合，構建了含 198 份材料的高粱地方核心種質。本研究通過對 871 份谷子種質材料的 17 個表型性狀進行標記，根據植物學性狀分組，組內采用 UPGMA 聚類基礎上隨機取樣的方法，得到 83 份種質，補充極值材料種質 2 份，構建了包含 85 份材料的骨干種質，既保留了原種質的無偏差樣本又補充了特殊材料。骨干種質占全部種質的 9.8%，基本符合核心種質的取樣規模并通過 t 檢驗、F 檢驗分布頻率等對骨干種質與全部種質的表型性狀進行比較分析，結果顯示兩者基本無顯著差異，且骨干種質很好地保留了全部種質的表型相關性。

　　3.3 干旱半干旱區谷子骨干種質的評價與確認

　　方差、變異系數、香農多樣性指數、表型保留比例等參數是衡量作物骨干種質的重要指標，用于檢驗骨干種質的代表性和有效性 [25]，評價方法則主要有 z 檢驗、χ² 檢驗、極值、變幅、標準差等。郝曉鵬等 [34] 通過 t 檢驗與 χ² 測驗對 156 份普通菜豆資源核心種質的可靠性進行了驗證。閆彩霞等 [27] 利用表型相關性分析和主成分分析評價與確認構建了 259 份花生骨干種質。

　　本研究對構建的骨干種質與全部種質通過 t 測驗結果表明骨干種質變異系數大于全部種質但兩者差異不顯著(P=0.965)，兩種質間香農多樣性指數 H' 差異不顯著(P=0.837)，且兩者的 H' 和變異系數相似大部分性狀的變異范圍均保留在骨干種質中，說明骨干種質有效保留了全部種質的遺傳多樣性，變異度顯著提高;卡方測驗結果表明，骨干種質的 17 個表型性狀與全部種質間無顯著差異，表型保留比例得到了穩定保持，表明骨干種質保留了全部種質豐富的變異，代表了全部種質的遺傳多樣性;表型相關性在骨干種質與全部種質中基本保持一致，說明取樣未改變各性狀間固有的相關性。利用主成分分析和直方圖進一步確認了骨干種質的遺傳冗余較小，離散程度和分布特點與全部種質一致，分布頻率與全部種質較符合，驗證了骨干種質良好的代表性和有效性。

　　4 結論

　　對 871 份供試谷子材料的 17 個表型性狀進行調查收集，根據種質籽粒顏色分組，在組內 UPGMA 聚類基礎上隨機取樣，構建了含 85 份占全部資源 9.8% 的干旱半干旱地區谷子骨干種質。經測驗，骨干種質與全部種質的香農多樣性指數差異(P=0.873)及 2 個群體的變異系數差異不顯著(P=0.965)，分布頻率一致，其中 15 個性狀的表型保留比例均較適中。骨干種質很好地保持了全部種質的資源表型相關性，17 個表型性狀在全部種質中有 60 對性狀極顯著相關，而骨干種質中有 57 對與全部種質相關性表現一致，其中 40 對在骨干種質中保持了極顯著相關性;同時進一步利用主成分分析和直方圖結果確認了骨干種質的群體結構和遺傳多樣性與全部種質一致。因此，本研究構建的谷子骨干種質在干旱半干旱地區具有很好的代表性。

趙小琴;賈瑞玲;劉軍秀;文殷花;劉彥明;師麗麗;張娟寧;馬 寧,定西市農業科學研究院,202501