苦荞品种(系)类分析

苦荞品种（系）类分析

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苦荞品种（系）聚类分析-农学论文

苦荞品种（系）聚类分析

赵建栋1,2，李秀莲2，史兴海2，陈稳良2，高伟2

（1山西省农业科学院农作物品种资源研究所，太原030031；2农业部黄土高原作物基因资源与种质创制重点实验室，太原030031）

摘要：为了直观地揭示苦荞品种（系）间的遗传差异和类群农艺性状特点，并发掘其中的良好资源，避免杂交育种过程中选配亲本的盲目性。对来自全国11 个荞麦育种单位的45 个苦荞品种（系）的6 个主要农艺性状，进行主成分和聚类分析。结果表明：应用主成分分析将6 个性状简化为3 个主成分，其累计贡献率为83%。采用聚类分析，将45 个苦荞品种（系）在2.76 水平上聚为4 大类：髙秆、中产、小粒型；中秆、高产、大粒型；中秆、低产、小粒型和髙秆、中产、中粒型。其中第2 类综合性状表现较好，是良好的品种或良好的育种材料。苦荞品种（系）间遗传差异与原产地和地理距离无任何必然的联系，杂交育种选配亲本时，除考虑性状互补、地理距离等因素外，还应考虑其遗传差异（不同类群）。

关键词：苦荞；品种（系）；农艺性状；聚类分析

中图分类号：S517 文献标志码：A 论文编号：cjas16030019

基金项目：国家燕麦荞麦产业技术体系“分子育种岗位专项资金”(CARS-08-A-1-3)；山西农科院“十三五”育种工程项目“适于机械收获的荞麦新品种选育”(16yzgc035)。

第一作者简介：赵建栋，男，1966 年出生，山西平遥人，副研究员，本科，主要从事荞麦资源与育种研究工作。通信地址：030031 山西省太原市小店

区龙城大街81 号，E-mail：[emailprotected]。

通讯作者：李秀莲，女，1964 年出生，山西山阴人，研究员，本科，学士，主要从事荞麦育种和栽培研究工作。通信地址：030031 太原市龙城大街81 号

山西农科院作物科学研究所，E-mail：[emailprotected]。

收稿日期：2016-03-22，修回日期：2016-06-22。

0 引言

苦荞[Fagopyrum tataricum(L.) Gaerth]译为鞑靼荞麦，属蓼科(Polygonaceae)荞麦属(Fagopyrum Gaerth)，英文名tartary buckwheat，为荞麦属中仅有的两个栽培种之一[1]。苦荞子粒富含其他粮食作物子粒中所缺如的功能因子—芦丁和叶绿素，具有明显的降血脂、降血糖、降尿糖作用，对糖尿病有特效，对高血脂、脑血管硬化、心血管病、高血压有很好的预防和治疗作用[2]；还具有增强机体免疫力、防癌、抗癌作用。因此中国非常重视苦荞新品种选育工作并取得了很大成就。20 世纪末至2015 年底，全国共育成通过国家、省（区）鉴（审、认）的苦荞品种38 个，其中利用引种、单株选择、株系集团选择、理化诱变方法育成36 个品种，占育成品种总数的94.7%。这些品种遗传背景狭窄，没有大的突破。利用广泛应用于其他作物育种中的杂交方法育成2 个品种，仅占育成品种的5.3%。究其原因，除苦荞花器小、雄蕊多、茎秆脆难去雄的原因外，杂交亲本选配失当和杂交后代选择不准确也是主要原因。

能直观地反映作物品种资源间的遗传差异及类群性状特点的、对育种工作有很大意义的主成分和聚类分析研究，已广泛应于粮食作物的水稻[3]、小麦[4-5]、玉米[6-7]、高粱[8]和经济作物的棉花[9-10]、大豆[11-12]、向日葵[13]、

亚麻[14]、芝麻[15]、甘蔗[16]、香蕉[17]以及蔬菜作物中的芥菜[18]、黄瓜[19]、花椰菜[20]和扁豆[21]中，在粮药兼用作物的薏苡[22]和苦荞中的应用也有报道。高金峰等[23]利用相关分析、主成分分析和聚类分析等方法对西藏80份苦荞资源的7个主要农艺性状进行了分析，表明西藏苦荞资源可以分为株高较矮大粒型、株高中等小粒型、植株矮小大粒型和植株高大茎秆粗壮型4 个大类。李春花等[24]利用主成分分析和聚类分析法，表明云南苦荞资源可分为生育期长型、生育期中等和生育期短型3 大类，其中第2类综合性状表现较好。但对来自全国苦荞主产区的栽培资源进行聚类分析的报道还很少。本研究对来自全国11 个苦荞育种单位的45 个苦荞品种（系）的6 个农艺性状进行主成分和聚类分析，以了解品种（系）间的遗传差异和类群特点，为合理利用苦荞资源、筛选苦荞杂交亲本、合理选择育种后代提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验材料系全国11 个荞麦育种单位提供的45 个苦荞品种（系）（表1）。

1.2 试验地点与方法

试验在山西省农业科学院农作物品种资源研究所榆次东阳基地进行，于2014 年6 月15 日播种，随机区组排列，3 次重复，小区面积（长2.5 m×宽2.0 m）5.0 m2。收获时每小区随机取样10株，考察6个主要农艺性状：株高、主茎节数、主茎分枝、二级分枝、单株粒重和千粒重。用DPS统计软件分析主成分，用欧氏距离计算遗传距离，用最短距离法进行聚类。

1.3 计算公式

遗传相关系数[25]、遗传相关矩阵[26]、遗传距离[27]的计算公式分别见公式(1)、(2)、(3)。

2 结果和分析

2.1 方差分析

对45 个苦荞品种（系）6 个性状进行方差分析，结果表明，株高、主茎节数、一级分枝、二级分枝和单株粒重差异均达到极显著水平，千粒重达显著水平（表2），说明45 个苦荞品种（系）间农艺性状差异明显、类型多样。

2.2 性状间的遗传相关

对45 个苦荞品种（系）6 个性状进行相关分析，结果表明，苦荞一级分枝与单株粒重间存在显著正相关，二级分枝与单株粒重间存在极显著正相关，株高也与单株粒重间存在微弱的正相关。主茎节数、千粒重都与单株粒重间存在微弱的负相关（表3）。说明可以通过一级分枝、二级分枝对单株粒重进行间接选

择。

2.3 主成分分析

对苦荞6 个数量性状进行主成分分析，选取λ≥0.9的3 个特征根作为苦荞的主成分（表4），3 个入选的主成分的累计贡献率为83.0%，已经包含了大部分信息。

结果表明，苦荞第一主成分的特征向量值为2.4265，方差贡献率为40%，其对应的特征向量主要为0.5051（主茎节数）、0.4510（株高）和0.3443（千粒重），其他性状皆为负值。因此，第一主成分是以主茎节数为主的丰产株型因子。苦荞第二主成分的特征向量值为1.6548，方差贡献率为28%，其对应的特征向量主要为0.5583（单株粒重）和0.5361（二级分枝），其他性状皆为较小的正值。苦荞第三主成分的特征向量值为0.9289，方差贡献率为15%，其对应的特征向量主要为0.5954（千粒重）。综观上述分析，在进行苦荞新品种选育时，应以第一主成分的主茎节数为主的丰产株型为主导,兼顾单株粒重和千粒重，对于其他性状将不宜苛求。

2.4 品种间的遗传距离

在主成分分析的基础上，计算出45 个苦荞品种两两间的遗传距离（欧氏

距离）。其中系统间最短距离平方根为：

2.5 聚类分析

用最短距离法进行系统聚类，在距离值2.76 处截取分类界限，得到45 个苦荞品种（系）的聚类结果（图1、表5、表6）。

聚类分析结果表明，45 个苦荞品种（系）可分为4大类，第1类包括29个品种（系），属髙秆、多节位、少分枝、中产、小粒型，遍布全国11 个苦荞育种单位，南方北方都有，分布范围最广；第2类包括7 个品种（系），属中秆、多节位、中分枝、高产、大粒型，除‘榆6-21’外，主要分布在南方；第3类包括4个品种（系），属中秆、中节位、多分枝、低产、小粒型，除‘蜜蜂头1 号’外，主要分布在南方；第4 类包括4 个品种（系），属高秆、多节位、少分枝、中产、中粒型，全部分布在南方。

3 讨论与结论

本研究利用主成分分析，将45 个苦荞品种（系）的6 个性状简化为3 个综合指标，苦荞新品种选育时，应以主茎节数（株高）、单株粒重和千粒重为主要依据。与李秀莲等[28]推荐的标准相一致。在主成分分析的基础上，将45 个苦荞品种（系）聚为4 类：第1 类平均株高121.2 cm、单株粒重3.3、千粒重17.9 g，属髙秆、中产、小粒型；第2 类平均株高102.6 cm、单株粒重7.6 g、千粒重21.6 g，属中秆、高产、大粒型，是优良品种或选育优良品种的理想资源。事实上7 个品种（系）中的2 个品种‘榆6-21’和‘凤凰苦荞’分别通过青海省和国家审定，也证明了这一点。第3 类平均株高89.6 cm、单株粒重1.3 g、千粒重18.1 g，属中秆、低产、小粒型；第4类平均株高136.7 cm、

单株粒重3.6 g、千粒重19.9 g，属高秆、中产、中粒型。

研究结果还表明，从品种原产地看，来源于同一地区的不同品种，存在着遗传差异。例如‘榆5-7’（5 号）和‘榆6-21’（6 号），同产于陕西省榆林，但分属两个类群2 和3。从地理远近看，来自陕西省的‘79-22’（7 号）与来自四川省的‘额曲’（40 号）间的地理距离，远远超过同样来自贵州省的‘90-2’（19 号）与‘赫章黑苦荞’（21 号）之间的地理距离，但前两者都属1 个类群(1)，后两者则分数2 个类群2 和3。可见品种间的遗传差异与地理距离间并无必然的联系。与李秀莲等[29]的研究结论一致。选配杂交亲本时除考虑性状互补、地理距离外，还应考虑其遗传差异（不同类群）。

本研究只分析了45个苦荞品种（系）的6个农艺性状，对其重要的生育期性状未作分析，若要更加深入了解苦荞品种（系）及其亲缘关系，需增加生育期、单株粒数、有效花序数等性状并结合现代分子生物技术鉴定，对其做出更加客观准确地评价。

主成分和聚类分析，不仅应用于直观揭示苦荞品种（系）间的遗传差异和类群农艺性状特点及发掘有益基因，而且能够应用于苦荞资源遗传多样性、苦荞资源整理与归类及苦荞起源中心学说方面的研究，但必须结合原产地、植物学性状、生物学特性并利用现代分子生物技术鉴定多个方面，应用于起源学说方面的研究，还应该考虑苦荞资源（包括野生资源）收集的相对全面，结合古文字记载和荞食文化等其它方面的研究。

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