云南省不同生態區糯玉米種質資源數量性狀變化與多樣性

隆文杰 武曉陽 周國雁 陳丹 伍少云 蔡青

摘要：為了解云南省糯玉米地方種質資源數量性狀在滇中溫暖、滇西北冷涼、滇南暖熱和滇東北溫涼4個生態區之間的變化與多樣性差異，采用SPSS 22.0分析了物候性狀、株高及穗位高、子粒產量性狀及品質性狀等共16個性狀的變異系數和Shannon-Wiener多樣性指數在4個生態區之間的差異，并對參試材料進行聚類分析。結果表明，滇東北生態區的株高及穗位高的變異系數顯著高于其他3個生態區，滇中生態區玉米穗粗、軸粗、千粒重、穗行數和含油量的變異系數顯著高于滇東北生態區。株高、穗位高、穗長和軸粗的多樣性指數在4個生態區之間有顯著差異，且滇南生態區的最大，滇中生態區的次之，滇東北生態區的最小;其余12個性狀在滇南生態區的多樣性指數雖然多數較滇中生態區的更高，但差異不顯著;除抽雄至散粉時間、散粉至吐絲時間和全生育期3個性狀外，另外9個性狀的多樣性指數在滇東北與滇西北生態區之間的差異也顯著不同，且為滇西北生態區高于滇東北生態區。聚類分析結果顯示，參試材料能被劃分為2個類群，第Ⅰ類群包括了43份材料，第Ⅱ類群只有5份材料。

關鍵詞：糯玉米;地方品種;數量性狀;多樣性;生態區;云南省

中圖分類號：S513;S326? ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2019）21-0035-07

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2019.21.006

Abstract： To understand the changes and the diversity differences of quantitative traits of waxy maize landraces collected from four maize ecological regions of Yunnan including warm central ecological region， cold northwestern ecological region， warm and hot southern ecological region and warm and cool northeastern ecological region， the differences of the variation coefficients and the Shannon-Wiener index of 16 traits， including phenological traits， plant height and ear height， grain yield traits and quality traits， in four maize ecological regions were calculated by SPSS 22.0， and cluster map was constructed to analyze the origin relationship between experimental materials. The results showed that the variation coefficients of plant height and ear height in northeastern maize ecological region were significantly higher than the other three. The variation coefficients of ear diameter， cob diameter， 1 000-kernel weight， number of rows per ear and fat content in central maize ecological region were significantly higher than northeastern maize ecological region. There were significantly different among the four maize ecological regions in diversity index of plant height， ear height， ear length and cob diameter， and the largest one was southern maize ecological region， next followed by central maize ecological region， and northeastern maize ecological region was the smallest. The diversity index of the other 12 traits in southern maize ecological region were higher than those in central maize ecological region， but the difference was not significant. Besides the days from tasseling to anthesis， the days from anthesis to silking and the days from sowing to maturity， the diversity index of other 9 traits in northwestern maize ecological region were significantly higher than northeastern maize ecological region. Cluster analysis showed that the experiment materials could be divided into two groups. The groupⅠcontained 43 materials， and the groupⅡ contained only 5 materials.

Key words： waxy maize; landraces; quantitative traits; diversity; ecological region; Yunnan province

作物不同品種在相同種植環境下表現出的性狀差異是對其選擇與利用的關鍵依據，而準確觀察和發現這種差異，特別是益于種植者目測的變化，是對其生產利用的前提。云南省糯玉米地方種質資源分布廣泛，農家品種數量眾多，約占收集、保存的地方玉米種質資源樣品數的10%以上，達400多份，且類型多樣，子粒顏色變化豐富，是開展糯玉米科學研究的寶貴基因資源。結合國家農業基礎性長期性科技工作重點任務主要糧食作物種質資源精準鑒定，調查、采集云南省糯玉米地方種質資源的重要性狀數據，如發育或物候性狀、株高及穗位高、子粒產量性狀、品質性狀等，分析其在不同生態區之間的差異，有助于對其開展進一步的保護、選擇與利用等研究。有關云南省糯玉米地方種質資源的多樣性已有一些研究和報道。伍少云等[1，2]通過研究云南省玉米種質資源的類型、品種和子粒顏色的多樣性，認為玉溪市、紅河州、文山州、臨滄市和普洱市等5州（市） 是其品種多樣性的行政區域或中心，而滇南和滇中則是其品種多樣性的生態區域或中心;粒型以硬粒居多，少有馬齒或半馬齒型。子粒顏色有黃、白、烏、紫、紅、黑、花及紅血絲和黃血絲等，但以白色為主，黃色次之，紅色和烏色較少，紅、花、紫、黑等彩色糯質玉米也主要分布在滇南生態區。張建華等[3]分析了322份云南省糯玉米地方材料的8個數量性狀和9個品質性狀，將云南省糯玉米劃分為多穗型糯玉米（包括勐海四路糯類型和雙穗型糯玉米）、馬齒型糯玉米、普通小糯玉米、普通二糯玉米和普通大糯玉米5類6個生態型，各性狀的變異系數從大到小依次為雙穗率、穗位高、千粒重、株高、主莖葉片數、穗長、穗粗和生育期。吳渝生等[4]用61對SSR引物研究了16份代表云南省不同生態區域的糯玉米地方種質的遺傳多樣性，發現其遺傳多樣性不僅較高，而且能被劃分成海拔2 400～ 3 300 m、1 700～2 200 m 和1 000～1 300 m的3個類群，以及滇西北、滇東北、滇西-滇中、滇南、滇東南-滇西南5個亞群，這些類群、亞群與云南省不同地勢的海拔變化走向、氣候等生態條件有一定聯系。張金渝等[5]利用SSR標記研究了37份云南省糯玉米地方品種的遺傳多樣性和親緣關系，將其劃分為5大類群13小類群，發現大多數糯玉米地方品種資源與常見5大雜種優勢群的遺傳距離都較遠，可單獨形成多個類群，并認為云南省糯玉米地方種質資源具有廣泛的遺傳基礎。然而，過去研究與報道的云南省糯玉米地方種質資源品種或性狀的多樣性多是基于行政區劃，如州（市）、縣（市、區），以Shannon-Wiener多樣性指數高低進行的定性描述。如某州或縣的多樣性指數比另外一個州或縣的多樣性指數高，就認為前者的多樣性比后者的多樣性更豐富，但是，二者的多樣性差異在統計學上可能是不顯著或不明顯的，也就是兩者的多樣性水平是相同的。另外，分子生物學，特別是分子標記技術雖然已廣泛應用于糯玉米種質資源的各種研究[6-9]，但是表型性狀研究仍是探討其多樣性、挖掘優異種質資源的有效手段[10]，尤其當參與多樣性研究的材料數及性狀數眾多時，表型性狀觀測更是一種省時、省力、操作簡便的快捷方法。本研究結合國家農業基礎性長期性科技工作重點任務主要糧食作物種質資源精準鑒定獲得的云南省糯玉米地方種質資源的重要性狀數據，如生育期、穗長、行粒數、千粒重和穗行數等，利用變異系數和Shannon-Wiener指數為評價指標，探討這些重要性狀的變異系數、多樣性指數在滇中溫暖區、滇西北冷涼區、滇南暖熱區和滇東北溫涼區[11]4個生態區之間在統計學的差異性，為有針對性保護、選擇和利用性狀多樣性更明顯豐富的玉米生態區的云南省糯玉米種質資源提供理論依據。

1? 材料與方法

1.1? 試驗材料及其篩選

首先，依據玉米種質資源數據質量控制規范[12]對田間試驗設計的要求，即隨機區組、重復2～3次、行長3～5 m、行距60～80 cm、株距30～50 cm、每份材料種植30～50株及試驗地面積，確定參試材料的數量。然后，根據云南省糯玉米地方種質資源占保存的云南省地方玉米種質資源樣品數的比例（10%）確定不同州（市）、縣（市、區）的參試材料數。再根據子粒顏色、Waxy基因等位變異類型（如D10和D7等）確定具體的參試樣品。最后，篩選出48份材料（表1）參與種植和觀測試驗。這些參試材料覆蓋了云南全省16個州（市）的37個縣（市、區）及滇中溫暖區、滇西北冷涼區、滇南暖熱區和滇東北溫涼區4個玉米生態種植區，子粒顏色則包含了白、黃、紅、烏、紫、黑、黃血絲7色。

1.2? 試驗方法

1.2.1? 田間試驗設計? 田間試驗被安排在位于云南省昆明市嵩明縣小街鎮墩白村的云南省農業科學院嵩明試驗基地（25°21′23″N，103°06′39″E）。該試驗基地的氣候條件為熱帶高原季風氣候，年平均氣溫15 ℃，年均日照時間2 200 h，年均降水量1 035 mm。試驗參照玉米種質資源數據質量控制規范[12]及本地習慣的栽培方法，隨機區組，寬窄行種植，行長3 m，寬行距1 m，窄行距0.4 m;2行區、每區28株，重復3次。2018年5月播種，按當地習慣管理，6月開始采集田間相關性狀數據，9月上旬至10月下旬根據不同種質成熟期適時收獲。然后，在室內采集子粒產量及品質性狀數據。

1.2.2? 品質性狀測定? 品質性狀，如蛋白質含量、含油量和淀粉含量，采用近紅外光譜分析儀（Perten，DA7250）測定。

1.3? 數據統計分析方法

對于參試材料某性狀的總變異系數和多樣性指數的計算，首先將所有參試材料所有重復的某性狀觀測值看作一個整體，即不分生態區和重復，用Excel 2007計算出平均值（x）和標準差（s）。對于不同的玉米生態區內某性狀的變異系數和多樣性指數的計算，首先以不同的玉米生態區作為獨立的分析或計算單位，用Excel 2007分別計算出每重復內所有參試材料每性狀觀測值的平均值和標準差。然后，將性狀觀測值按1級≤x-2s、10級≥x+2s劃分為10級，中間每級間隔0.5個標準差。參照張叢卓等[13]的方法計算每性狀每重復的變異系數（CV），CV=s/x ×100%，參照董昕等[14]的方法計算每性狀每重復的Shannon-Wiener多樣性指數（H′）。H′=-ΣPilnPi，式中，Pi為分析單位內某性狀第i級的材料數占該單位內參試材料總數的比值。最后，利用SPSS 22.0對每個性狀在4個玉米生態區3個重復的變異系數和多樣性指數開展單因素方差分析，并以SNK法進行差異顯著性多重比較、以平方歐式距離[15]及組間聯接法進行聚類分析。

2? 結果與分析

2.1? 參試材料的變異系數

由表2可知，參試材料總體（將所有參試材料視為一個整體，不分生態種植區或來源，也不分重復）的性狀變異系數變化在1.6%～67.4%，以散粉至吐絲時間的變異系數最大，為67.4%，其次為抽雄至散粉時間（50.6%）和禿尖長（46.2%），最小的為淀粉含量（1.6%）。

SPSS單因素方差分析和多重比較結果（表3）顯示，滇東北生態區玉米株高（24.3%）及穗位高（49.1%）的變異系數顯著高于其他3個生態區;滇中生態區玉米穗粗的變異系數（14.3%）顯著高于滇東北生態區（4.8%）;滇中生態區玉米軸粗的變異系數（14.5%）顯著高于滇東北（5.4%）和滇西北生態區（7.4%）;4個玉米生態種植區的千粒重的變異系數都有顯著差異，以滇中玉米生態區的最高（22.9%），滇東北玉米生態區的最低（4.1%）;各生態區之間玉米穗行數的變異系數也存在顯著差異，除滇南與滇西北和滇中玉米生態區之間無顯著差異外，其他均存在顯著差異，變異系數以滇中生態區的最大（18.1%），滇東北生態區的最?。?.7%）;各生態區之間含油量的變異系數也有顯著差異，除滇南生態區（6.5%）和滇西北生態區（4.7%）之間無顯著差異外，其他均存在顯著差異，以滇中生態區的最大（8.6%），滇東北玉米生態區的最?。?.8%）;其余9個性狀的變異系數在4個生態區之間無顯著差異。這說明來自滇東北溫涼生態區的糯玉米地方種質資源的株高和穗位高的變化范圍較其他3個生態區的大;而來自滇中溫暖生態區的糯玉米地方種質的穗粗和軸粗、千粒重、穗行數、含油量變化范圍寬。

2.2? 參試材料的多樣性指數

參試材料各性狀總的多樣性指數為1.64～2.03（表4），最高為淀粉含量和穗位高，最低為穗粗，說明前者的多樣性最為豐富，而后者最為貧乏。

方差和多重比較分析結果（表5）表明，玉米株高、穗位高、穗長和軸粗4個性狀的多樣性指數在4個生態區之間都存在顯著差異，且滇南生態區的最大（1.917 0、1.977 3、2.000 8和1.842 9），滇中生態區的次之（1.630 2、1.737 3、1.816 6和1.497 3），滇東北生態區的最?。?.693 1、0.693 1、0.693 1和0.693 1）。其他12個性狀雖然在滇南生態區的多樣性指數多數較滇中生態區的更高，但二者之間無顯著差異;除抽雄至散粉時間、散粉至吐絲時間和全生育期外，另外9個性狀的多樣性指數在滇東北與滇西北生態區之間有顯著差異，且為滇西北生態區的多樣性指數高于滇東北生態區。這說明滇南玉米生態種植區是株高、穗位高、穗長和軸粗4性狀（即高度性狀）的多樣性中心，而滇南和滇中玉米生態區同時是抽雄至散粉時間、散粉至吐絲時間、吐絲至成熟時間、全生育期、千粒重、穗行數和行粒數等12性狀（即物候、產量和品質性狀）的多樣性中心。所以，云南省糯玉米地方種質資源各性狀在4個生態種植區的多樣性趨勢為滇南暖熱生態區≥滇中溫暖生態區>滇西北冷涼態區>滇東北溫涼生態區。

2.3? 聚類分析

基于16個數量性狀觀察數據，用SPSS 22.0以平方歐式距離和組間聯接法對48份參試材料進行聚類，結果（圖1）顯示，在歐氏距離25處參試材料可被分為2個類群，第Ⅰ類群包括43份材料，占參試材料總數的89.6%，第Ⅱ類群僅包括18-27（南華糯玉米）、18-46（廣南本地矮棵糯）、18-2（元江哈嘠梯糯）、18-16（勐海四路玉米）和18-42（漾濞黃糯玉米）5份材料。當歐氏距離為6時，第Ⅰ類群可再分為4個亞群（Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3和Ⅰ-4）。

對不同群或亞群材料的性狀觀測值進行均值統計發現（表6），第I類群材料以晚熟、高稈、大穗、大粒等為主要特征，而第Ⅱ類群材料具有早熟、矮稈、小穗、小粒等特征。

對第Ⅰ類群4個亞群的材料各性狀觀測值進行均值統計（表7）發現，Ⅰ-1亞群的主要特點為早熟、矮稈、穗粒數少、蛋白質含量較高，Ⅰ-2亞群有散粉至吐絲時間較短、晚熟、高稈、高穗位、千粒重較輕的特點，Ⅰ-3亞群抽雄至散粉時間較長，Ⅰ-4亞群有散粉至吐絲時間較長、千粒重較重的特征。

3? 討論

之前對云南省糯玉米品種或性狀進行的多樣性研究大都是從地理位置，如滇南、滇西南、滇中、滇西北和滇東北等，以多樣性指數高低進行的定性描述。本研究以性狀變異系數和多樣性指數作為指標，以滇中溫暖、滇西北冷涼、滇南暖熱和滇東北溫涼4個生態區[11]作為分析單元或范圍，從統計學角度分析了這兩個指標在不同玉米生態區之間的差異顯著性，不僅證明云南省糯米玉種質資源重要農藝性狀的多樣性在滇南與滇中生態區之間無明顯差異，而且發現不同的重要農藝性狀有不同的多樣性分布中心。其中，滇南暖熱生態區是株高、穗位高、穗長和軸粗性狀的多樣性中心，滇南暖熱及滇中溫暖生態區則是生長發育或物候性狀，如抽雄至散粉時間、散粉至吐絲時間、吐絲至成熟時間、全生育期，子粒產量性狀，如禿尖長、穗粗、千粒重、穗行數和行粒數等，品質性狀，如蛋白質含量、油分含量和淀粉含量等性狀的多樣性中心。因而在伍少云等[1，2]提出的滇南及滇中生態區是云南省糯玉米品種多樣性分布中心的基礎上，進一步從統計學上證明此兩個生態區還是云南省糯玉米數量性狀變化、多樣性分布的中心。這對重點或有針對性地保護、研究和利用來自這兩個玉米生態區的糯玉米種質資源具有指導性或建設性作用。

本試驗所用云南省糯玉米地方種質資源在基于16個數量性狀的觀測值上被分成兩大類群。分析發現，占參試材料總數89.6%的第Ⅰ類群的43份材料都有晚熟、稈高、穗大、粒大等特點，這與張建華等[3]提及的91.27%以上的云南省糯玉米都有植株高大、生育期中等偏長、穗大粒大等特點是一致的。而第Ⅱ類群的5份材料表現出早熟、矮稈、小穗、小粒等特點，又與吳渝生等[4]判斷小穗型糯玉米的植株矮小、穗小粒小的特點一致。這說明本研究將來自4個生態區的48份糯玉米地方品種劃分成兩大類群是符合其各自特點的，是合適的。

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