甜椒核心種質(zhì)資源比較構建研究

劉子記，曹振木，朱　婕，申龍斌（.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院熱帶作物品種資源研究所/農(nóng)業(yè)部華南作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點開放實驗室，海南　儋州　57737；.海南大學園藝園林學院，?？凇?708）

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甜椒核心種質(zhì)資源比較構建研究

劉子記1，曹振木1，朱婕2，申龍斌1
（1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院熱帶作物品種資源研究所/農(nóng)業(yè)部華南作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點開放實驗室，海南儋州571737；2.海南大學園藝園林學院，?？?70228）

摘要：構建核心種質(zhì)可大幅提高種質(zhì)資源利用效率。以410份甜椒種質(zhì)資源為材料，基于8個性狀表型數(shù)據(jù)，采用混合線性模型分析方法無偏地預測基因型值，利用馬氏距離計算種質(zhì)間遺傳距離，分別采用兩種聚類方法（最短距離法和類平均法）和兩種取樣方法（隨機取樣法和偏離度取樣法），按照25%抽樣比率構建甜椒核心種質(zhì)庫。采用均值、方差、極差和變異系數(shù)4個指標評價不同取樣和聚類構建核心種質(zhì)庫水平。結(jié)果表明，最短距離法能極顯著增加性狀方差和變異系數(shù)，明顯優(yōu)于類平均法；偏離度取樣法優(yōu)于隨機取樣法；基于馬氏距離、最短距離法和偏離度取樣方法獲取的102份甜椒核心種質(zhì)資源能代表原群體遺傳多樣性。該研究可為甜椒種質(zhì)資源有利基因發(fā)掘和新品種選育奠定基礎。

關鍵詞：甜椒；基因型值；聚類方法；取樣方法；核心種質(zhì)

劉子記,曹振木,朱婕,等.甜椒核心種質(zhì)資源比較構建研究[J].東北農(nóng)業(yè)大學學報, 2016, 47(1): 21-29.

Liu Ziji, Cao Zhenmu, Zhu Jie, et al. Comparative study on the construction of sweet pepper core collection[J]. Journal of Northeast Agricultural University, 2016, 47(1): 21-29. (in Chinese with English abstract)

辣椒（Capsicum spp.，2n=2x=24）在植物學分類上屬茄科（Solanaceae）辣椒屬（Capsicum）1年或多年生草本植物[1]，原產(chǎn)于中南美洲[2]，于明代傳入中國。辣椒屬包括5個栽培種，分別為1年生辣椒（Capsicum annum）、灌木狀辣椒（Capsicum frutes?cens）、中國辣椒（Capsicum chinense）、下垂辣椒（Capsicum baccatum）和茸毛辣椒（Capsicum pubes?cens）[3]。甜椒（Capsicum annuum L. var. grossum Sendt.）屬1年生辣椒，果實不辣而略帶甜味，以果實特有色澤和營養(yǎng)成分成為世界性蔬菜作物[4-5]。大量研究表明，甜椒果實含有豐富維生素A[6]、維生素C、類胡蘿卜素[7]及鈣、鐵等礦物質(zhì)，可保護生物有機體免受氧化傷害[8-9]，預防壞血病并提高機體免疫力。

種質(zhì)資源蘊含極其豐富的遺傳變異和性狀的有利基因，不僅是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和育種工作物質(zhì)基礎，更是生物學研究重要材料[10]。常規(guī)育種、遠緣雜交、倍性育種、輻射育種和遺傳工程等均離不開種質(zhì)資源。種質(zhì)資源數(shù)量和質(zhì)量，及其遺傳特性研究的深度與廣度是決定育種效果的重要條件。植物育種的重大突破，均與重要種質(zhì)資源發(fā)現(xiàn)與利用有關。隨種質(zhì)資源不斷收集和積累，種質(zhì)資源庫管理費用不斷提高，且篩選特異種質(zhì)材料難度加大。辣椒作為世界性蔬菜作物，具有豐富的遺傳多樣性[11]，但大多數(shù)種質(zhì)資源未得到有效利用[12]。Frankel和Brown于1984年最早提出構建核心種質(zhì)理念[13]。對種質(zhì)資源深入評價與鑒定，并建立核心種質(zhì)，有利于種質(zhì)庫管理，可促進種質(zhì)資源深入利用，大幅提高種質(zhì)資源利用效率。近年來，核心種質(zhì)研究蓬勃發(fā)展，先后對菜豆[14]、玉米[15]、水稻[16-17]、花生[18]、大豆[19]、橄欖[20]、短柄草[21]等多種作物構建核心種質(zhì)庫。園藝作物核心種質(zhì)研究起步較晚，甜椒核心種質(zhì)研究鮮有報道。

以最少數(shù)量遺傳資源包含最大限度遺傳多樣性，是構建核心種質(zhì)關鍵問題。作物性狀表型受基因型和環(huán)境條件控制，準確度量不同遺傳材料間遺傳差異是有效構建核心種質(zhì)前提。本研究采用混合線性模型預測性狀的基因型效應值，比較不同取樣和聚類方法優(yōu)劣，有效構建甜椒核心種質(zhì)，以期為甜椒種質(zhì)資源高效利用和新品種選育提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1供試種質(zhì)材料和基因型值預測

供試甜椒種質(zhì)資源共410份，其中12份來自山東，13份來自河北，26份來自湖南，30份來自山西，22份來自甘肅，20份來自新疆，24份來自江蘇，15份來自福建，35份來自廣東，34份來自云南，38份來自海南，18份來自廣西，15份來自美國，11份來自英國，18份來自墨西哥，10份來自法國，11份來自泰國，5份來自日本，22份來自巴西，8份來自格林納達，10份來自河南，13份來自四川（見表1）。不同種質(zhì)間株高、葉片、果實等性狀存在顯著差異。

將410份甜椒種質(zhì)資源按田間行列編號順序種植，以一定間隔穿插對照種質(zhì)，連續(xù)三年試驗，按照文獻[22]調(diào)查株高、株幅、首花節(jié)位、果縱徑、果橫徑、果柄長、果肉厚和單果重。采用朱軍提出的混合線性統(tǒng)計分析模型，利用調(diào)整無偏預測法無偏預測性狀基因型效應值[23]。

1.2遺傳距離計算與聚類分析

采用馬氏距離基于基因型預測值計算不同種質(zhì)間遺傳距離，假設共有n份種質(zhì)資源，采用m個性狀聚類。第i個種質(zhì)與第j個種質(zhì)基因型效應向量分別為giT= (gi1, gi2,…gim)；gjT= (gj1, gj2,…gjm)，則第i個種質(zhì)與第j個種質(zhì)間馬氏距離計算公式為Dij2=(gi-gj)TVG-1(gi-gj)[24]。基于甜椒種質(zhì)間遺傳距離，分別采用最短距離法和不加權類平均法聚類分析[25]。

1.3抽樣和核心種質(zhì)遺傳變異評價

分別采用隨機取樣[26]、偏離度取樣[27]和25%抽樣比率構建甜椒核心種質(zhì)庫，本研究采用均值、方差、極差和變異系數(shù)4個指標評價核心資源庫構建水平，分別利用F測驗和t測驗分析方差和均值差異性。

表1甜椒種質(zhì)資源來源Table 1 Origin of sweet pepper germplasm

續(xù)表

2結(jié)果與分析

2.1比較兩種聚類方法構建甜椒核心種質(zhì)

根據(jù)性狀基因型值，采用馬氏距離、偏離度取樣法和25%抽樣比率，分別基于兩種聚類方法（最短距離法和類平均法）構建核心種質(zhì)。結(jié)果表明，利用最短距離法和類平均法構建核心種質(zhì)均值與原群體無顯著差異。與原群體相比，8個性狀方差均得到不同程度提高。利用最短距離法構建核心種質(zhì)，所有8個性狀方差與原群體差異達極顯著水平。采用類平均法構建核心種質(zhì)，5個性狀（株幅、果縱徑、果橫徑、果肉厚、單果重）方差與原群體差異達極顯著水平，果柄長方差與原群體無顯著差異。最短距離法構建的核心種質(zhì)6個性狀保存原群體極差，類平均法構建的核心種質(zhì)5個性狀保存原群體極差。最短距離法和類平均法均能提高性狀變異系數(shù)，采用最短距離法構建核心種質(zhì)變異系數(shù)均大于類平均法（見表2）。綜上結(jié)果，采用最短距離法聚類分析構建的甜椒核心種質(zhì)具有相對較大遺傳變異，優(yōu)于類平均法。

表2兩種聚類方法構建甜椒核心種質(zhì)與原群體間遺傳變異比較Table 2 Comparison of genetic variation between initial collection and core collections constructed based on two kinds of cluster strategies in sweet pepper

2.2比較兩種取樣方法構建的甜椒核心種質(zhì)

根據(jù)性狀基因型值，采用馬氏距離、非加權類平均法和25%抽樣比率，分別基于兩種取樣方法（隨機取樣和偏離度取樣）構建核心種質(zhì)。結(jié)果表明，利用隨機取樣和偏離度取樣法構建核心種質(zhì)均值與原群體無顯著差異。利用偏離度取樣法構建核心種質(zhì)，8個性狀方差均大于隨機取樣法構建核心種質(zhì)和原群體，其中5個性狀（株幅、果縱徑、果橫徑、果肉厚、單果重）方差與原群體差異達極顯著水平，2個性狀（株高、首花節(jié)位）方差與原群體差異達顯著水平。采用隨機取樣法構建核心種質(zhì)僅首花節(jié)位方差與原群體差異達顯著水平，其余性狀方差與原群體無顯著差異。采用偏離度取樣法構建核心種質(zhì)5個性狀極差與原群體一致，采用隨機取樣法構建核心種質(zhì)3個性狀極差與原群體一致。偏離度取樣法和隨機取樣法構建核心種質(zhì)8個性狀變異系數(shù)均高于原群體，采用偏離度取樣法構建核心種質(zhì)，7個性狀變異系數(shù)高于隨機取樣法，僅果柄長變異系數(shù)略低于隨機取樣法（見表3）。綜合以上分析結(jié)果表明，采用偏離度取樣法構建甜椒核心種質(zhì)具有相對較大的遺傳變異，優(yōu)于隨機取樣法。

表3兩種取樣方法構建的甜椒核心種質(zhì)與原群體間遺傳變異比較Table 3 Comparison of genetic variation between initial collection and core collections constructed based on two kinds of sampling strategies in sweet pepper

2.3甜椒核心種質(zhì)構建

采用馬氏距離、最短距離法聚類、偏離度取樣法和25%抽樣比率，構建甜椒核心種質(zhì)。核心種質(zhì)均值與原群體無顯著差異。所有8個性狀方差均極顯著大于原群體。核心種質(zhì)6個性狀保存原群體極差，2個性狀極差略低于原群體。核心種質(zhì)所有8個性狀變異系數(shù)均高于原群體（見表4）。綜上分析，獲取的102份甜椒核心資源能代表原群體遺傳多樣性。甜椒核心種質(zhì)編號為：SP10、SP16、SP17、SP26、SP30、SP31、SP32、SP36、SP37、SP40、SP50、SP55、SP56、SP62、SP68、SP74、SP75、SP76、SP79、SP81、SP87、SP92、SP93、SP100、SP104、SP106、SP107、SP108、SP114、 SP118、SP119、SP121、SP123、SP131、SP142、SP143、SP145、SP152、SP155、SP158、SP160、SP165、SP177、SP178、SP180、SP182、SP196、SP205、SP206、SP208、SP214、SP219、SP225、SP237、SP241、SP242、SP243、SP257、SP259、SP261、SP262、SP263、SP265、SP266、SP270、SP275、SP276、SP279、SP285、SP301、SP312、SP314、SP315、SP318、SP319、SP322、SP324、SP327、SP329、SP332、SP333、SP336、SP339、SP341、SP346、SP354、SP355、SP359、SP361、SP364、SP365、SP368、SP373、SP376、SP381、SP382、SP383、SP386、SP391、SP393、SP399、SP404。

表4甜椒核心種質(zhì)與原群體間遺傳變異比較Table 4 Comparison of genetic variation between initial collection and core collections in sweet pepper

3討論與結(jié)論

種質(zhì)資源對高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆新品種選育具有重要意義[28-29]。核心種質(zhì)構建可提高種質(zhì)資源利用效率和種質(zhì)庫管理水平。核心種質(zhì)由種質(zhì)庫中一部分材料組成，以最少數(shù)量遺傳資源包含最大限度遺傳多樣性[30]，同時又能反映整個種質(zhì)資源群體遺傳結(jié)構，是評價和利用種質(zhì)資源切入點。核心庫中入選的遺傳材料間均存在生態(tài)上或遺傳上的距離，覆蓋整個種質(zhì)庫內(nèi)遺傳變異[31]。農(nóng)藝性狀多數(shù)為數(shù)量性狀，與環(huán)境存在互作，基于農(nóng)藝性狀的遺傳分類不能準確度量基因型間遺傳差異。所得遺傳分類不能真實反映種質(zhì)資源固有遺傳結(jié)構[32]。采用合理統(tǒng)計模型及統(tǒng)計分析方法預測基因型值，可有效排除試驗誤差、環(huán)境效應、基因型與環(huán)境互作效應。本研究采用混合線性模型無偏預測性狀基因型值，利用基因型值的聚類分析，結(jié)果更具可靠性。

聚類分析作為一種重要多變量分析工具，常應用于種質(zhì)資源遺傳多樣性分析[33]。為確保構建核心庫盡可能多地保存原有種質(zhì)資源遺傳變異，首先要對原種質(zhì)群體遺傳分類，明確不同材料間遺傳關系。本研究結(jié)果表明，采用最短距離法的聚類分析構建甜椒核心種質(zhì)，所有性狀方差和變異系數(shù)均大于類平均法，種質(zhì)間具有相對較大遺傳變異，優(yōu)于類平均法。

完成種質(zhì)群體遺傳分類后，需要根據(jù)分類結(jié)果采用一定抽樣比率和策略對各類群抽樣，抽樣策略直接關系核心庫優(yōu)劣。胡晉等[26]和徐海明等[27]分別提出多次聚類隨機取樣和偏離度取樣方法。本文以甜椒種質(zhì)資源為研究對象，比較隨機取樣和偏離度取樣策略構建核心種質(zhì)庫水平。偏離度取樣法構建核心種質(zhì)方差均大于隨機取樣法，7個性狀變異系數(shù)高于隨機取樣法，核心種質(zhì)大部分保存原群體極差，優(yōu)于隨機取樣法。因此核心種質(zhì)是否有效保存原有種質(zhì)群體遺傳變異，可利用各性狀均值、方差、極差、變異系數(shù)等參數(shù)評價；并且核心種質(zhì)各性狀均值與極差應與原群體無顯著差異，方差和變異系數(shù)大于原群體[34]。

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Comparative study on the construction of sweet pepper core collection

LIU Ziji, CAO Zhenmu, ZHU Jie, SHEN Longbin(1. Tropical Crops Genetic Resources Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences/Key Laboratory of Crop Gene Resources and Germplasm Enhancement in Southern China, Ministry of Agriculture, Danzhou Hainan 571737, China; 2. School of Horticulture and Landscape Architecture, Hainan University, Haikou 570228, China)

Abstract:Core collection construction could greatly improve the utilization efficiency of genetic resources. Taking 410 sweet pepper germplasm as tested materials, genotypic values of eight traits were unbiasedly predicted by using linear mixed model analysis method. Genetic distances among accessions were calculated using Mahalanobis distance based on genotypic values. The core collections of sweet pepper were constructed with 25% sampling ratio by using two cluster methods (single linkage and UPGMA) and two sampling strategies (random sampling and deviation sampling), respectively. The core collections derived from different sampling strategies and cluster methods were evaluated with the mean, variance, range and coefficient of variation. The results showed that the single linkage cluster method could significantly increase the variances and coefficients of variation of eight traits, obviously better than UPGMA; the deviation sampling was better than the random sampling. Total 102 core accessions of sweet pepper, selected based on Mahalanobis distance, single linkage cluster and deviation sampling, could represent thebook=47,ebook=27genetic diversity of the initial collection. This study laid the foundation for the identification of favorable genes and breeding of new varieties in sweet pepper.

Key words:sweet pepper; genotype value; cluster method; sampling strategy; core collection

作者簡介：劉子記（1982-），男，副研究員，博士，研究方向為蔬菜分子生物學及遺傳育種。E-mail：liuziji1982@163.com

基金項目：中國熱帶農(nóng)業(yè)科學院院本級基本科研業(yè)務費專項資金（1630032015003）

收稿日期：2015-07-15

中圖分類號：S641.3

文獻標志碼：A

文章編號：1005-9369（2016）01-0021-09