干旱地区农业研究杂志投稿格式参考范文：基于表型性状的干旱半干旱区谷子骨干种质构建

　　引言

　　土壤干旱是影响农作物生产的最强烈的极端气候，会导致植被覆盖度降低，水土流失，生态脆弱 [1-2]。据统计，我国 50% 以上都是干旱、半干旱的土地 [3]。甘肃省位于秦岭以北、黄河上游三大高原交汇处 [4]，气候冷凉，干旱频发，雨热不同期，是典型的干旱与半干旱区 [5]，水资源短缺限制了当地农作物种植与农业的发展 [6]。谷子抗旱节水、耐瘠薄，是应对环境挑战的重要战略储备作物，在我国种植面积大约为 133.3~140.0 万 hm²，因具有较厚的细胞壁、较小的叶面积以及发达的根系，谷子对干旱胁迫具有较好的耐受性 [7]，在我国干旱和半干旱地区广泛分布 [8]。

　　种质资源作为谷子遗传改良基础，是遗传多样性研究和新品种选育的基础。我国拥有丰富的谷子种质资源，约占世界谷子种质总量的 70%[9]。研究人员针对山西 [10]、河南 [11]、新疆 [12] 和广西 [13] 等不同环境进行了谷子种质表型性状的精准鉴定评价和遗传多样性分析，同时结合分子标记进行谷子多样性分析 [14]、优异资源鉴定 [15] 及抗旱性研究 [16-17]。前人基于表型性状和分子标记构建了水稻、小麦、玉米、大豆和油菜等作物的骨干或核心种质 [18]，构建以最小资源量覆盖最全资源群体遗传多样性的谷子骨干种质库，可有效解决庞大种质资源群体研究与高效利用之间的矛盾 [19]。谷子是对光温反应敏感的作物 [20]，针对当地生态气候条件和育种现状，开展谷子种质资源表型性状鉴定及骨干种质构建，是解决谷子三大主要产区之一的西北干旱半干旱区谷子种质利用效率低和遗传变异冗余等问题的重要途经。本研究通过对以农家种为主、育成品种和国外引进品种为群体的 871 份谷子种质资源进行表型鉴定，以 17 个表型性状数据为基础，构建干旱半干旱地区谷子骨干种质，并对其代表性进行测验与评价，以期为保障谷子种质资源高效利用与种质创新奠定基础。

　　1 材料与方法

　　1.1 试验区概况

　　试验于 2023 年在甘肃省定西市农业科学研究院科研创新基地和良繁基地两个基地进行，该地区是典型的雨养旱作农业区，平均海拔 1920m，无霜期 110d，多年平均气温 8.6℃，年降水量 330~380mm，年日照时数 2600~2900h，年蒸发量 1420~1500mm;7—9 月降水量占全年降水量的 50% 以上，雨热不同期，季节性干旱严重。创新基地土壤类型为黄绵土，pH 值 8.3，速效氮 57.3mg・kg⁻¹，速效磷 6.98mg・kg⁻¹，速效钾 133.53mg・kg⁻¹，有机质 2.03%;良繁基地土壤类型为黄绵土，pH 值 8.4，速效氮 51.3mg・kg⁻¹，速效磷 4.02mg・kg⁻¹，速效钾 144.08mg・kg⁻¹，有机质 1.27%。

　　1.2 试验材料及试验设计

　　供试材料为从中国农业科学院作物科学研究所引进的 871 份谷子种质。试验小区采用随机排列，不设重复，每份材料种植 2 行，行长 3m，理论留苗密度为 30000 株・667m⁻²，2 个试验点分别于 4 月 19 日和 4 月 20 日播种，9 月 25 日和 9 月 28 日收获。结合上年度秋季翻耕施入有机肥 2250kg・hm⁻²，播前施尿素(N)150kg・hm⁻²、磷肥(P₂O₅)240kg・hm⁻²、硫酸钾(K₂O)90kg・hm⁻²。其他管理措施同当地大田示范。

　　1.3 调查内容及方法

　　根据《谷子种质资源描述规范和数据标准》[21]，生育期间记录幼苗叶姿(SL)、开花期叶姿(SLF)、穗形(PT)、穗姿(SPN)、抽穗成熟期天数(HTMP)，成熟后每个试验点随机选 5 株调查株高(PH)、茎长(MSL)、生育期(GP)、单株干草重(HWP)、谷粒色(HC)、主穗长(MPL)、主穗粗(MPD)、主茎穗重(MPW)、分蘖穗重(TPW)、主茎粒重(GWMP)、分蘖粒重(GWTP)、千粒重(TGW)，共采集 17 个表型性状进行分析。质量性状根据其表型进行赋值，数量性状数据根据 0.5 个标准差为间距进行标准化，分为 10 级(1 级≤-2δ，10 级>+2δ，中间每级间差 0.5δ，为性状平均值，δ 为标准差)。

　　1.4 聚类分析及取样

　　所有品种按植物学性状粒色(白、黄、橙、青、红、黑、褐)分成 7 组。分组取样量由整个组内资源份数的平方根值占各组平方根之和的比例计算。采用 SPSS22.0 软件对分组种质各性状的逐步 UPGMA 聚类分析。遗传距离相同或极相近的材料随机选择，如组内仅一份材料，则该材料直接入选，适当补充极值材料和特殊性状种质。

　　1.5 骨干种质的代表性检测及确认

　　利用 t 测验、F 测验分别检验全部种质和骨干种质 17 个表型性状的均值、方差、变异系数及香农多样性指数是否存在显著差异，卡方检验确定两者的植物学类型组成及 17 个性状的表型分布频率是否一致，表型保留比例(RPR)检测骨干种质是否保留了全部种质的变异。变异系数(CV，%)代表全部种质和骨干种质的离散程度。

　　2 结果与分析

　　2.1 谷子骨干种质的筛选构建

　　全部谷子种质被分成 7 组，UPGMA 法聚类分析后遗传距离相同或极相近的材料随机选择，得到 83 份种质，补充极值材料和特殊性状种质 2 份，提取 9.75% 的干旱半干旱谷子资源构建骨干种质。此骨干种质包含全部种质的植物学类型，其中白粒 21 份(24.706%)、黄粒 49 份(57.647%)、橙粒 3 份(3.530%)、青粒 5 份(5.882%)、红粒 4 份(4.706%)、黑粒 2 份(2.353%)、褐粒 1 份(1.176%)。卡方检验表明，骨干种质粒色代表了全部种质的粒色组成(P=0.991)，骨干种质能代表全部的种质类型。

　　2.2 谷子骨干种质与全部种质的统计分析

　　骨干种质与全部种质之间各表型性状(5 个质量性状和 12 个数量性状)的平均值均无显著差异，且骨干种质的幼苗叶姿、开花期叶姿、抽穗成熟期天数、主茎穗重、分蘖穗重、分蘖粒重、千粒重、谷粒色、单株干草重共 9 个性状的平均值均大于全部种质的平均值。全部种质 5 个质量性状的变异 100% 保留在骨干种质中，除主穗长(保留范围 53.9%)、主穗粗(保留范围 72.1%)和生育期(保留范围 77.8%)外，其余 9 个性状变异范围的 88%~100% 保留在骨干种质中，可见骨干种质对全部种质性状的变异幅度具有良好的代表性。F 测验结果表明，全部种质与骨干种质间除株高的方差差异显著外，其余 16 个性状均为方差齐性。此外，骨干种质中除开花期叶姿、穗形、穗粗、主穗粒重 4 个性状的方差低于全部种质外，其余性状方差均高于全部种质，表明骨干种质遗传冗余度明显减小，变异率更高。

　　2.3 谷子骨干种质与全部种质表型性状的变异系数和多样性指数 H' 比较

　　变异系数和香农多样性指数常用来比较不同样品的表型特征、等位基因的丰富度和均匀度。骨干种质和全部种质 17 个性状的平均变异系数分别为 43.938±8.932 和 43.133±9.692，多样性指数 H' 分别为 2.934±0.333 和 3.017±0.374，骨干种质略高于全部种质，两者相差不大;成对双样本 t 测验结果表明，骨干种质与全部种质间 H' 差异不显著(P=0.873)，且 2 个群体的变异系数差异不显著(P=0.965)。以上结果说明骨干种质保留了全部种质的遗传多样性及变异程度。

　　2.4 谷子骨干种质与全部种质表型性状的分布频率和表型保留比例比较

　　全部种质 17 个性状的表型分级均包含在骨干种质中。对 2 个群体 17 个性状的分布频率进行卡方测验，差异均不显著，表明 2 个样本的性状分布是一致的，骨干种质可代表全部种质的变异。株高、单株干草重的表型保留比例较大，其余 15 个性状的表型保留比例均较适中，表明骨干种质保留了全部种质丰富的变异，且丰度更高。

　　2.5 谷子骨干种质与全部种质表型性状的相关性分析

　　对骨干种质与全部种质的 17 个表型性状进行相关性分析发现，骨干种质几乎保留了全部种质的显著相关关系，全部种质中有 60 对性状极显著相关，骨干种质中与全部种质相关性表现一致的有 57 对，其中 40 对在骨干种质中保持了极显著相关性。由此可知，构建的骨干种质具有较小的遗传冗余且较好地保持了全部种质的表型相关性，同时保留了全部种质各性状间的遗传关联。在育种实践中，可利用种质不同性状间的极显著相关性来筛选与易测量性状极显著相关的难测量性状。

　　2.6 谷子骨干种质的确认

　　对骨干种质与全部种质进行主成分分析发现，骨干种质第 1、2 主成分的累计贡献率分别为 22.95%、39.54%，而全部种质第 1、2 主成分的累计贡献率分别为 17.63%、33.42%;其中骨干种质第 1 主成分贡献率较高的性状有株高、主茎粒重、主穗长、茎长、主茎穗重，第 2 主成分贡献率较高的性状有分蘖粒重、分蘖穗重、单株干草重;全部种质中与之对应的贡献率较高的性状分别有主茎粒重、主茎穗重、穗姿、主穗长、株高、分蘖穗重、分蘖粒重、单株干草重。为基于第 1、2 主成分的骨干种质与全部种质的样品分布，全部种质中样品存在重叠，表明群体的遗传背景相似性高、遗传冗余程度高;构建的骨干种质包含了全部种质周围材料，保留了全部种质的分布特征，且重叠程度显著降低，说明骨干种质具有较好的代表性，且去除了全部种质的大部分遗传冗余。

　　由 5 个质量性状和 12 个数量性状表型分布的直方图可知，幼苗叶姿、开花期叶姿、穗姿、穗形和谷粒色在全部种质和骨干种质中的分布吻合度非常高，穗形存在一定程度的变异，但分布频率一致;生育期、抽穗成熟期天数、株高、茎长、主穗长、主穗粗、主茎穗重、主茎粒重、千粒重、单株干草重共 10 个性状在全部种质和骨干种质中均表现出广泛的变异，除分蘖穗重和分蘖粒重外大部分基本符合正态分布，且所有性质变异的分布频率较为一致。因此，构建的骨干种质很好地覆盖了全部种质的遗传多样性和群体结构，确保了骨干种质的有效性。

　　3 讨论

　　3.1 作物骨干种质构建取样策略选择

　　不同作物的生长环境和自身遗传多样性不同，在骨干种质构建时，因材料分组 [22-23]、取样规模 [24-25]、取样方法 [26] 存在一定差异，选择合适的分组方法对骨干种质构建尤为重要，常见的分组方法主要是基于植物学分类、地理分布和生态区等进行。李华等 [22] 对 780 份云南松分别按地理分布和种源分组后聚类分析构建了核心种质，比较后发现地理分布角度构建的种质子集在种质资源采集、保存和更新方面更具优势。张曦等 [23] 基于 SNP 标记和表型数据将陆地棉种质分为 3 种类群，通过聚类分析分别构建了陆地棉基因型和表型初级核心种质。研究表明，确定合理的取样规模是骨干种质构建的重要环节，通常取样比例为 5%~30%，且大多集中在 10% 左右 [24]。徐海明等 [25] 研究认为，构建骨干种质的取样比例需根据总资源群体的大小确定，原始种质数量大的取样比例应偏小，反之取样比例应偏大。

　　毛名义等 [26] 通过对 6 种取样规模及组内 2 种取样方法比较，确定了 10% 的取样规模和组内聚类法最适宜保持表型保留比例及遗传多样性，基于禾颖尖颜色差异构建禾初级核心种质，且显示组内取样方法中聚类法较随机取样能提升核心种质变异的均匀度与丰富度。本研究基于植物学性状将 871 份谷子种质分为 7 组，组内在 UPGMA 聚类基础上随机取样，构建了占全部种质的 9.8% 的骨干种质，基本符合构建骨干种质的材料分组、取样方法和取样规模以农艺性状为基础数据构建骨干种质将资源归类系统分组取样，能以最小的重复有效代表最大的遗传多样性 [27]。UPGMA 聚类法能较好地保留原种质遗传多样性、变异系数、极差符合率及表型保留比例;优先取样与随机取样相结合，则在尽可能地获得原种质无偏差样本的同时保存原种质的极差 [28]。故系统分组 + UPGMA 聚类法 + 类内随机或优先取样相结合，是以农艺性状为基础构建骨干种质的常见方法。

　　闫彩霞等 [29] 根据种植区和植物学类型对 2741 份花生分组，组内进行 UPGMA 聚类分析，类内随机取样构建了 259 份材料的中国花生地方品种骨干种质。刘艳阳等 [30] 将 5020 份芝麻种质资源标准化的表型数据根据地理来源分组，组内比例法聚类抽样构建初级核心种质，再结合 SSR 分子标记进行 UPGMA 逐步聚类，构建了 501 份芝麻核心种质。潘英华等 [31] 将普通野生水稻按照地理分布分组，再利用 SSR 分子标记数据进行双重 UPGMA 聚类，构建了包含 351 份种质的广西普通野生稻核心种质。李金龙等 [32] 对 1287 份甜荞种质资源按地理来源分组，表型数据结合 SSR 分子标记进行多次 UPGMA 聚类分析，遴选出 530 份甜荞初级核心种质。

　　李萌等 [33] 对 1285 份山西省高粱地方品种进行不同的取样方式、取样比例和聚类方法相组合的比较，确定了 “多次聚类偏离度取样法 + 15% 取样比例 + 欧氏距离 + 最长距离法” 组合，构建了含 198 份材料的高粱地方核心种质。本研究通过对 871 份谷子种质材料的 17 个表型性状进行标记，根据植物学性状分组，组内采用 UPGMA 聚类基础上随机取样的方法，得到 83 份种质，补充极值材料种质 2 份，构建了包含 85 份材料的骨干种质，既保留了原种质的无偏差样本又补充了特殊材料。骨干种质占全部种质的 9.8%，基本符合核心种质的取样规模并通过 t 检验、F 检验分布频率等对骨干种质与全部种质的表型性状进行比较分析，结果显示两者基本无显著差异，且骨干种质很好地保留了全部种质的表型相关性。

　　3.3 干旱半干旱区谷子骨干种质的评价与确认

　　方差、变异系数、香农多样性指数、表型保留比例等参数是衡量作物骨干种质的重要指标，用于检验骨干种质的代表性和有效性 [25]，评价方法则主要有 z 检验、χ² 检验、极值、变幅、标准差等。郝晓鹏等 [34] 通过 t 检验与 χ² 测验对 156 份普通菜豆资源核心种质的可靠性进行了验证。闫彩霞等 [27] 利用表型相关性分析和主成分分析评价与确认构建了 259 份花生骨干种质。

　　本研究对构建的骨干种质与全部种质通过 t 测验结果表明骨干种质变异系数大于全部种质但两者差异不显著(P=0.965)，两种质间香农多样性指数 H' 差异不显著(P=0.837)，且两者的 H' 和变异系数相似大部分性状的变异范围均保留在骨干种质中，说明骨干种质有效保留了全部种质的遗传多样性，变异度显著提高;卡方测验结果表明，骨干种质的 17 个表型性状与全部种质间无显著差异，表型保留比例得到了稳定保持，表明骨干种质保留了全部种质丰富的变异，代表了全部种质的遗传多样性;表型相关性在骨干种质与全部种质中基本保持一致，说明取样未改变各性状间固有的相关性。利用主成分分析和直方图进一步确认了骨干种质的遗传冗余较小，离散程度和分布特点与全部种质一致，分布频率与全部种质较符合，验证了骨干种质良好的代表性和有效性。

　　4 结论

　　对 871 份供试谷子材料的 17 个表型性状进行调查收集，根据种质籽粒颜色分组，在组内 UPGMA 聚类基础上随机取样，构建了含 85 份占全部资源 9.8% 的干旱半干旱地区谷子骨干种质。经测验，骨干种质与全部种质的香农多样性指数差异(P=0.873)及 2 个群体的变异系数差异不显著(P=0.965)，分布频率一致，其中 15 个性状的表型保留比例均较适中。骨干种质很好地保持了全部种质的资源表型相关性，17 个表型性状在全部种质中有 60 对性状极显著相关，而骨干种质中有 57 对与全部种质相关性表现一致，其中 40 对在骨干种质中保持了极显著相关性;同时进一步利用主成分分析和直方图结果确认了骨干种质的群体结构和遗传多样性与全部种质一致。因此，本研究构建的谷子骨干种质在干旱半干旱地区具有很好的代表性。

赵小琴;贾瑞玲;刘军秀;文殷花;刘彦明;师丽丽;张娟宁;马 宁,定西市农业科学研究院,202501