我们常吃的小米，学名叫“谷子”，早在一万一千年前就出现在中国北方，是由随处可见的青狗尾草驯化而来的（图1）。它被誉为“五谷之长”，不仅历史文化悠久，还特别“坚强”——耐干旱、耐高温、耐贫瘠，是干旱地区的“生存高手”。

图1 青狗尾草和谷子对比图

       作为C4植物，谷子的光合效率超高，就像自带“能量加速器”，能高效固定二氧化碳，在各种恶劣环境中也能茁壮成长。尽管谷子的种植面积在过去几十年有所下降（图2），但依然是我国杂粮家族里的“明星成员”。

图2 1978—2018年间谷子种植面积、总产和单产变化趋势

       我国是全球谷子种质资源最丰富的“宝库”！截至2024年，国家作物种质库已保存超过3万份谷子种质资源。面对这么多“种子选手”，如何找出最优秀的那些，帮助培育出更好的品种呢？这就引出了我们今天的主题——谷子优异种质鉴定，通过对新引进国外谷子资源与国内谷子地方品种开展农艺和品质性状测定以及基于SNP标记（单核苷酸多态性）的遗传多样性研究，旨在研究国内外谷子资源的特性差异并挖掘综合性状优良的优异种质资源。

一、看看谷子“长啥样”
       研究人员对来自国内外的谷子资源进行了全面“体检”，从叶鞘颜色到穗长、从株高到单株产量，足足测了14项形态特征与生物学特性指标！
       结果发现，这些谷子“选手”在数量性状上差异显著，遗传多样性非常丰富。其中，来自我国山东的“半月硬”、英国的“Y-190”和我国山西的“大白谷I”数量性状综合评价入前三，堪称“三强选手”。有趣的是，8个数量性状中，除了穗粗和千粒重之间有点“小别扭”（轻微负相关），其他性状之间都呈现“友好合作”的正相关关系。国内外谷子种质在基本农艺性状上，并没有明显差距。

二、尝尝谷子“品质如何”
       谷子的品质可不只是“看起来不错”，它还包括加工品质（糙米率等）、蒸煮食味品质（黏性等)、营养品质(蛋白质等）等多个方面。研究人员对国内外谷子种质的蛋白质、脂肪、淀粉、胶稠度等10项品质指标进行了对比分析。
       结果发现，粗蛋白和粗脂肪的多样性最丰富，说明不同谷子“口味”差异大。国外品种在粗蛋白、淀粉含量和粒色b*等方面，与国内品种有明显区别，这意味着它们在欧洲大陆长期种植过程中形成了特殊的品质性状，可为我国谷子品质育种提供可利用亲本材料。

三、给谷子“分个队”
       为了探索不同种质之间基于表型数据的亲缘关系，结合上述数量性状、品质性状数据，使用R语言对参试材料进行聚类分析（表1），结果显示研究的240份国内外谷子可分成四个“家族”：
       1.第Ⅰ类。10位成员，以高纤维素、高淀粉和高碱消指数为特色，是“健康粗粮组”。
       2.第Ⅱ类。70位成员，蛋白质含量高，但其他方面稍弱，属于“偏科型选手”。
       3.第Ⅲ类。47位成员，穗长、穗粒重表现突出，是“高产实力派”，而且胶稠度、碱消值以及粗脂肪含量也最高，可谓“全能型选手”。
       4.第Ⅳ类。113位成员，除稠度较低，其余性状较为均衡，是“稳定发挥组”。

表1 基于农艺性状和品质性状的聚类分析

四、追溯谷子的“全球旅行史”
       基于SNP的亲缘关系分析证实了谷子种质资源存在丰富的遗传多样性，进化树分析可将国外引进资源和国内地方品种分为2类（图3），说明谷子起源于中国，但在欧洲长期种植的过程中，它们逐渐形成了有别于国内品种的遗传特征，有些甚至可能是从中国引种后“本地化”培育的。国外资源的引进对于丰富我国谷子种质资源遗传多样性， 为谷子育种提供更多可利用亲本材料具有重要意义。

图3 基于SNP标记的国内外谷子资源进化树分析（红色代表国内谷子，黄色代表国外谷子）

五、谷子资源研究铺就种质创新之路
       从形态到品质，从表型到基因，国内外谷子资源农艺、品质性状差异分析以及遗传多样性研究不仅让我们更好地了解了谷子的“前世今生”，也为培育更高产、更优质、更抗逆的谷子新品种提供了宝贵资源。
       每一粒谷子，都可能藏着一个惊喜。而我们，正走在发掘这些惊喜的路上……

参考文献：
薛亚鹏, 辛旭霞, 王若楠, 于筱菡, 刘少雄, 王瑞云, 刘敏轩. 国内外谷子资源农艺、品质性状差异分析以及遗传多样性研究. 作物学报, 2024, 50(10): 2468-2482.

科学审核：刁现民（中国农业科学院作物科学研究所研究员）

作者简介

       刘敏轩，博士，国家谷子高粱产业技术体系岗位科学家，中国农业科学院作物科学研究所副研究员，硕士生导师，中国作物学会粟类作物专业委员会委员，中国农学会杂粮分会委员。主要从事谷子、高粱、黍稷等杂粮作物种质资源收集保存、鉴定评价以及优异基因资源发掘等研究工作。近年来，主持和参与农业农村部谷子高粱种质资源安全保存、精准鉴定以及普查收集专项，财政部和农业农村部现代农业产业技术体系建设专项，国家重点研发计划项目，国家自然科学基金项目等项目11项；合作选育谷子糜子新品种4个，植物新品种权1项，申请发明专利5项，软件著作权2项；在Nature Genetic、Scientific Data、《作物学报》等国内外期刊发表文章50多篇，主编/参编专著2部，参与制定地方标准2项。培养研究生13名，指导进修、实习人员10余名。

来源: 中国作物学会

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