Genetic diversity analysis and comprehensive evaluation of octoploid Tritipyrum-derived wheat breeding lines based on agronomic traits

doi:10.11686/cyxb2022004

Abstract

Abstract:

Being potential tertiary gene pools， perennial wheatgrasses （Thinopyrum spp.） are recognized sources of genetic variation for wheat （Triticum aestivum） improvement， and wheat-Thinopyrum amphiploids and their derived germplasm have played an important role in increasing the amount of genetic diversity and improving resilience to biotic stress in wheat. In this research， a total of 163 octoploid Tritipyrum-derived breeding lines were evaluated for phenotypic genetic diversity of 13 agronomic traits through diversity analysis， correlation analysis， cluster analysis， principal component analysis and comprehensive multivariate evaluation. It was found that the diversity indexes of five descriptive quality traits ranged from 0.26 to 1.00， with the plant type having the highest diversity. The variation coefficients of 8 yield-related traits ranged from 4.44% to 20.11%， with yield per plant having the highest variation coefficient （20.11%）， followed by effective tiller number （17.37%） and the thousand kernel weight （17.13%）， and with the heading period having the minimum value （4.44%）. The diversity index of measured traits ranged from 1.97 to 2.09， with thousand kernel weight being highest （H'=2.09）， followed by spikelets per spike （H'=2.07）， and the heading date lowest （H'=1.97）. Correlation analysis indicated that the 8 yield-related traits were significantly correlated with each other at the 0.05 or 0.01 probability levels. Systematic cluster analysis based on Euclidean distance of the eight measured yield-related traits demonstrated that the 163 lines were divided into six groups with significant difference among them. Each group had its unique characteristics， and groups I and Ⅲ had favorable yield-related traits therefore represented superior germplasm for yield traits. On principal component analysis， the first four principal components represented 81.12% of the genetic information of the 163 surveyed derived lines， among which thousand kernel weight， spikelet number per spike， spike length， and plant height contributed the most and had a positive contribution to yield improvement. In comprehensive multivariate evaluation of phenotypic traits， based on the D value， the five highest scoring germplasm lines （CH16353， CH1742， CH16370， CH16385 and CH16382） with high thousand kernel weight were screened out for wheat breeding. This study showed that the octoploid Tritipyrum-derived breeding lines are rich in genetic diversity for yield-related traits， and could provide valuable reference for wheatgrass-derived germplasm used in wheat breeding programs.

Key words: wheatgrasses, Tritipyrum germplasm, wheat yield-related trait, genetic diversity, comprehensive evaluation

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Figures/Tables 8

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性状 Trait	频率分布 Frequency			多样性指数 Diversity index （H'）
性状 Trait	1	2	3	多样性指数 Diversity index （H'）
株型 Plant type	0.3313	0.5153	0.1534	1.00
芒形 Awn type	0.7791	0.0736	0.1472	0.67
穗形Spike shape	0.5583	0.4417	0	0.69
粒色 Grain color	0.8098	0.1902	0	0.49
粒质 Grain texture	0.9264	0.0736	0	0.26

性状 Trait	频率分布 Frequency			多样性指数 Diversity index （H'）
性状 Trait	1	2	3	多样性指数 Diversity index （H'）
株型 Plant type	0.3313	0.5153	0.1534	1.00
芒形 Awn type	0.7791	0.0736	0.1472	0.67
穗形Spike shape	0.5583	0.4417	0	0.69
粒色 Grain color	0.8098	0.1902	0	0.49
粒质 Grain texture	0.9264	0.0736	0	0.26

性状 Traits	年份 Year	平均值 Mean	变幅 Range	标准差 Standard deviation	变异系数 Coefficient of variance （%）	F值 F-value	多样性指数 Diversity index （H'）
株高 PH （cm）	2021	77.01	46.25~111.25	10.09	13.10	67.95***	2.04
	2020	76.07	43.50~109.63	10.72	14.09
	均值 Mean	76.53	44.88~110.44	10.16	13.28
穗长 SL （cm）	2021	7.83	4.00~11.38	1.21	15.46	45.15***	2.05
	2020	7.74	3.94~11.25	1.18	15.25
	均值Mean	7.79	3.97~11.25	1.18	15.15
有效分蘖数 ETN （No.）	2021	6.51	3.57~13.63	1.34	20.58	5.48***	2.04
	2020	5.96	3.50~10.38	1.23	20.64
	均值Mean	6.23	4.04~10.65	1.08	17.34
每穗小穗数 SNS （No.）	2021	19.40	15.71~22.25	1.14	5.88	10.72***	2.07
	2020	19.57	16.13~23.13	1.29	6.59
	均值Mean	19.49	16.94~22.38	1.10	5.64
穗粒数 GNS （No.）	2021	47.03	28.50~69.75	6.19	13.16	14.04***	2.02
	2020	47.68	27.60~69.25	6.56	13.76
	均值Mean	47.39	29.05~66.75	5.39	11.37
千粒重 TKW （g）	2021	34.14	18.20~51.30	7.01	20.53	15.15***	2.09
	2020	37.10	22.60~53.70	6.21	16.74
	均值Mean	35.62	20.60~51.80	6.10	17.13
单株产量 YP （g）	2021	6.99	2.30~13.42	1.89	27.04	4.02***	2.04
	2020	7.93	4.12~13.48	2.02	25.47
	均值Mean	7.46	4.07~11.39	1.50	20.11
抽穗期 HD （d）	2021	75.16	69.00~86.00	3.46	4.60	-	1.97
	2020	77.96	71.00~88.00	3.37	4.32
	均值Mean	76.56	70.50~87.00	3.40	4.44

性状 Traits	年份 Year	平均值 Mean	变幅 Range	标准差 Standard deviation	变异系数 Coefficient of variance （%）	F值 F-value	多样性指数 Diversity index （H'）
株高 PH （cm）	2021	77.01	46.25~111.25	10.09	13.10	67.95***	2.04
	2020	76.07	43.50~109.63	10.72	14.09
	均值 Mean	76.53	44.88~110.44	10.16	13.28
穗长 SL （cm）	2021	7.83	4.00~11.38	1.21	15.46	45.15***	2.05
	2020	7.74	3.94~11.25	1.18	15.25
	均值Mean	7.79	3.97~11.25	1.18	15.15
有效分蘖数 ETN （No.）	2021	6.51	3.57~13.63	1.34	20.58	5.48***	2.04
	2020	5.96	3.50~10.38	1.23	20.64
	均值Mean	6.23	4.04~10.65	1.08	17.34
每穗小穗数 SNS （No.）	2021	19.40	15.71~22.25	1.14	5.88	10.72***	2.07
	2020	19.57	16.13~23.13	1.29	6.59
	均值Mean	19.49	16.94~22.38	1.10	5.64
穗粒数 GNS （No.）	2021	47.03	28.50~69.75	6.19	13.16	14.04***	2.02
	2020	47.68	27.60~69.25	6.56	13.76
	均值Mean	47.39	29.05~66.75	5.39	11.37
千粒重 TKW （g）	2021	34.14	18.20~51.30	7.01	20.53	15.15***	2.09
	2020	37.10	22.60~53.70	6.21	16.74
	均值Mean	35.62	20.60~51.80	6.10	17.13
单株产量 YP （g）	2021	6.99	2.30~13.42	1.89	27.04	4.02***	2.04
	2020	7.93	4.12~13.48	2.02	25.47
	均值Mean	7.46	4.07~11.39	1.50	20.11
抽穗期 HD （d）	2021	75.16	69.00~86.00	3.46	4.60	-	1.97
	2020	77.96	71.00~88.00	3.37	4.32
	均值Mean	76.56	70.50~87.00	3.40	4.44

性状Trait	抽穗期HD	株高PH	穗长SL	有效分蘖数ETN	每穗小穗数 SNS	穗粒数 GNS	千粒重TKW
株高 PH	0.2932***
穗长SL	-0.2306**	0.1635*
有效分蘖数 ETN	0.0837	0.1721*	-0.1042
每穗小穗数SNS	0.5005***	0.1199	0.0879	0.1795*
穗粒数GNS	-0.0072	0.0464	0.3828***	-0.2633***	0.1521
千粒重TKW	-0.5249***	0.2084***	0.2397**	-0.2177**	-0.4902***	0.1300
单株产量YP	-0.2669***	0.1406	0.2403**	0.4269***	-0.0628	0.3386***	0.4668***