番茄種質(zhì)資源主要植物學(xué)性狀的遺傳多樣性及相關(guān)性

李云洲， 閆見敏， 須 文， 王 勇， 梁 燕

(1.貴州大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，貴州 貴陽 550025；2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 園藝學(xué)院，陜西 楊凌 712100)

中國是世界第一大番茄生產(chǎn)國，2016年全球番茄總產(chǎn)值約為654億美元，我國約占三分之一。番茄是我國種植面積排名第四的的蔬菜品種，番茄產(chǎn)業(yè)已成為我國蔬菜產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。然而育種家們在追求高產(chǎn)品種的同時(shí)，品種間的遺傳基礎(chǔ)越來越窄，生產(chǎn)上大面積推廣品種往往是幾個(gè)遺傳基礎(chǔ)狹窄、趨近的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種，這種遺傳單一性傾向?qū)ψ匀粸?zāi)害和病蟲害的防御能力較差，災(zāi)害一旦發(fā)生可能造成不可估量的損失和嚴(yán)重后果[1- 2]。培育優(yōu)良品種需要更多優(yōu)異的材料和基因進(jìn)行人工聚合，因此，拓寬現(xiàn)有番茄品種的遺傳基礎(chǔ)，培育遺傳背景豐富的高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種對我國番茄產(chǎn)量的保證和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。種質(zhì)資源遺傳多樣性是育種的基礎(chǔ)，通過遺傳多樣性的研究可以從整體上把握該物種的資源，為使用者提供重要信息。我國對番茄種質(zhì)資源的收集始于20世紀(jì)50年代，但對已收集的番茄種質(zhì)資源多樣性很少報(bào)道[1]，性狀間相關(guān)性也不夠詳細(xì)[3]。為此，筆者等以西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院番茄種質(zhì)資源庫142份資源為材料，分析該番茄群體的遺傳多樣性，為關(guān)聯(lián)分析該番茄群體奠定基礎(chǔ)，也為重測序材料的篩選提供技術(shù)支持，同時(shí)有助于拓寬番茄品種選育材料的遺傳基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝學(xué)院番茄種質(zhì)庫保存的142份番茄種質(zhì)資源。其中，普通番茄(Solanumlycopersicum) 81 份，櫻桃番茄(Solanum.lycopersiconvar.cerasiforme)60份，醋栗番茄(Solanumpimpinellifolium)1份(表1)。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2012年春季在西北農(nóng)林科技大學(xué)園藝試驗(yàn)站(N34°15′43.68″，E108°04′9.10″，海拔447 m)進(jìn)行。2月24日催芽(RXZ智能型人工氣候箱黑暗條件25±2℃)，2月27日將發(fā)芽種子播種穴盤，3月24日分苗，4月28日定植于塑料大棚(有防蟲網(wǎng))，9月3日拔蔓。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)材料種植36株，株距0.4 m，行距0.6 m。成熟期隨機(jī)抽取3株調(diào)查植株性狀，另隨機(jī)選取3株第二或第三序果上3～5個(gè)紅熟期果實(shí)進(jìn)行果實(shí)性狀和品質(zhì)性狀測量。

1.3 測定指標(biāo)及方法

可溶性固形物用手持測糖儀測定，果實(shí)硬度用果實(shí)硬度計(jì)測定，重復(fù)3次。其他性狀的調(diào)查和描述參照《番茄種植資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[4]進(jìn)行。番茄性狀分為質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀2類，其中質(zhì)量性狀描述見表2，計(jì)算各組的分布頻率。數(shù)量性狀每個(gè)性狀指標(biāo)測量3次，最后取其平均值，統(tǒng)計(jì)最小值、最大值、變異幅度、變異系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差、遺傳多樣性指數(shù)H′，并按照Spass5.0軟件自動分級(組)，統(tǒng)計(jì)各級(組)的分布頻率。使用Excel 和SPSS 5.0統(tǒng)計(jì)分析軟件計(jì)算相關(guān)系數(shù)R及繪制相關(guān)圖。

表1142份番茄種質(zhì)資源的編號及來源

注：TTI2201A 醋栗番茄(S.pimpinellifolium)，#為櫻桃番茄(S.l.var.cerasiforme)， 其余為普通番茄(S.lycopersicum)。

Note: TTI2201A ,S.pimpinellifolium;S.l.var.cerasiforme; Others,S.lycopersicum.

表2 番茄種質(zhì)資源質(zhì)量性狀描述分組

遺傳多樣性指數(shù)：H′=-∑pilnpi，式中，pi為某一性狀第i級(組)內(nèi)材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比，ln為自然對數(shù)[5- 6]。

2 結(jié)果與分析

2.1 質(zhì)量性狀的遺傳多樣性

從表3看出，番茄資源主要質(zhì)量性狀中，果型、胎座膠狀物顏色、葉裂刻、果皮色、果頂形狀和莖葉茸毛的遺傳多樣性指數(shù)均大于1，其中，果形遺傳多樣性指數(shù)最高，為1.44；株型遺傳多樣性指數(shù)最低，為0.04。成熟果色是番茄質(zhì)量性狀評價(jià)的重要指標(biāo)，其遺傳多樣性指數(shù)為0.88。紅色果分布頻率為67.1%，粉色果分布頻率25.0%，黃色果分布頻率5.0%，紫色果分布頻率0.7%，綠色果分布頻率2.1%。

在番茄果型質(zhì)量性狀中，圓形性狀分布頻率最高，為48.8%；長圓形性狀分布頻率最小，為4.7%。胎座膠狀物顏色為黃綠色的分布頻率最高，為45.2%；黃白色分布頻率最少，為1.6%。葉裂刻淺的分布頻率高達(dá)49.2%，無葉裂刻的僅為9.2%。番茄果皮色為黃色的分布頻率為58.3%，紫色和粉色的分布頻率較低，均為2.2%。果頂形狀為圓平的分布頻率最多，為61.9%；果頂凸尖的分布頻率最少，為4.3%。番茄莖葉茸毛較長的占大多數(shù)，分布頻率為88%(長稀 56.3%，長密31.7%)；莖葉茸毛較短的占少數(shù)，分布頻率為12%(短稀4.9%，短密7.0%)。

花梗離層是番茄果實(shí)的重要性狀，其有無決定番茄收獲的難易程度，尤其在機(jī)械采摘番茄過程中，高達(dá)95.4%的番茄種質(zhì)資源有花梗離層，僅4.6%番茄材料無花梗離層。

2.2 數(shù)量性狀的遺傳多樣性

142份番茄種質(zhì)資源數(shù)量性狀的變異系數(shù)平均值為45.94%。心室數(shù)的遺傳多樣性指數(shù)最小，為2.41；果橫徑的遺傳多樣性指數(shù)最高，為4.79(表4)。

按照反應(yīng)離散程度的變異系數(shù)大小，將番茄數(shù)量性狀變異進(jìn)行粗略分級(CV<10%為弱變異，CV=10%～100%為中等變異，CV>100%強(qiáng)變異)，結(jié)果表明，番茄種質(zhì)資源數(shù)量性狀屬強(qiáng)變異的有單花序花數(shù)(CV=131.57%) 和單花序果數(shù)(CV=118.05%)，其余均為中等變異數(shù)量性狀。說明番茄在進(jìn)化過程中，自然環(huán)境與人為定向選擇對番茄植株產(chǎn)量性狀產(chǎn)生較大的影響。

2.3 主要表型性狀的相關(guān)性

2.3.1 單株產(chǎn)量 單株產(chǎn)量與首花節(jié)位(0.315**)、單花序花數(shù)(0.357**)、單花序果數(shù)(0.380**)、果柄長度(0.406**)、果梗洼大小(0.526**)、果橫徑(0.536**)、果縱徑(0.417**)、果實(shí)硬度(0.414**)、單果重(0.577**)、果肉厚(0.414**)及心室數(shù)(0.349**)呈極顯著正相關(guān)，與葉片寬(0.190*)、第二花序節(jié)位(0.204*)、去皮果實(shí)硬度(0.212*)呈顯著正相關(guān)；而與果型指數(shù)(-0.254**)、可溶性固形物含量(-0.282**)呈極顯著負(fù)相關(guān)。說明葉片寬大、首花節(jié)位越高、單花序越多、座果率越高以及可溶性固形物含量越低是高產(chǎn)番茄品種的特性。

2.3.2 果實(shí)硬度 果實(shí)硬度與去皮果實(shí)硬度(0.707**)、果肉厚(0.305**)、單花序果數(shù)(0.260**)、單株產(chǎn)量(0.414**)呈極顯著正相關(guān)，與首花節(jié)位(0.226*)呈顯著正相關(guān)。說明外表皮的韌性、果肉厚對果實(shí)硬度影響極大。

2.3.3 果柄長度 果柄長度與座果率(-0.448**)、可溶性固形物含量(-0.304**)呈極顯著負(fù)相關(guān)，與果橫徑(0.465**)、果縱徑(0.478**)呈極顯著正相關(guān)。

2.3.4 可溶性固形物 可溶性固形物與單花序花數(shù)(0.405**)、單花序果數(shù)(0.487**)、株高(0.281**)呈極顯著正相關(guān)，與果橫徑(-0.663**)、果縱徑(-0.665**)、心室數(shù)(-0.381**)、單株產(chǎn)量(-0.282**)等呈極顯著負(fù)相關(guān)。

3 結(jié)論與討論

研究對來自國內(nèi)外142份番茄種質(zhì)資源的47個(gè)主要農(nóng)藝/植物學(xué)性狀進(jìn)行遺傳多樣性和相關(guān)性分析，結(jié)果表明，雖然番茄為自花授粉植物，但其仍具有極為豐富的遺傳多樣性。番茄種質(zhì)資源的變異較為豐富，20個(gè)數(shù)量性狀變異系數(shù)分布在17.22%～131.57%，數(shù)量性狀遺傳多樣性指數(shù)分布在2.41～4.79；27個(gè)質(zhì)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)分布在0.04～1.39，群體變異豐富，該群體可以應(yīng)用于番茄全基因組關(guān)聯(lián)分析，同時(shí)可為番茄育種提供寶貴的資源。育種過程中結(jié)合番茄性狀間的相關(guān)性進(jìn)行選擇性利用，一般而言，葉片寬大、首花節(jié)位越高、單花序越多、座果率越高以及可溶性固形物含量越低是高產(chǎn)番茄品種的特性；外表皮的韌性、果肉厚對果實(shí)硬度影響極大；可溶性固形物與單花序花數(shù)、單花序果數(shù)、株高呈極顯著正相關(guān)，但是與果橫徑、果縱徑、心室數(shù)、單株產(chǎn)量等呈極顯著負(fù)相關(guān)。

本研究群體包含60櫻桃番茄(S.lycopersoconvar.cerasiforme)、81個(gè)普通番茄(S.lycopersicum)和1個(gè)醋栗番茄(S.pimpinellifolium)。櫻桃番茄(S.lycopersiconvar.cerasiforme)的基因結(jié)構(gòu)被描述為普通番茄(S.lycopersicum)與醋栗番茄(S.pimpinellifolium)的鑲嵌體[7]。與櫻桃番茄、普通番茄相比，醋栗番茄果實(shí)更小(櫻桃番茄單果重小于20 g，醋栗番茄單果重小于5 g)，心室數(shù)為2～3個(gè)，糖含量、可溶性固形物和可滴定酸含量高。在其他報(bào)道的番茄群體中同樣存在醋栗番茄心室數(shù)少，而含糖量高[8-9]。

醋栗番茄和櫻桃番茄是改良番茄果實(shí)品質(zhì)性狀的有利資源，尤其對于改進(jìn)果實(shí)硬度、糖酸含量，但是果實(shí)大小(Fruit size)與可溶性固形物(Soluble solids)、糖含量(Sugar content)[10]呈極顯著負(fù)相關(guān)，這將阻止兩個(gè)性狀的同時(shí)改進(jìn)。確定這些性狀的基因位點(diǎn)將更好地幫助育種家使用這些資源。目前，確定植物基因位點(diǎn)的主要方法有QTL(Quantitative trait loci)[11-15]和關(guān)聯(lián)分析/連鎖不平衡分析(Association mapping or Linkage disequilibrium，LD)[10]2種。通過QTL定位到番茄果實(shí)大小、果實(shí)形狀等質(zhì)量性狀[11,16-22]，一些控制果實(shí)性狀的QTL基因已經(jīng)被克隆，如FW2.2[23]。Lin5是主要控制果實(shí)糖含量的基因[24]，Lcn2.1是主要控制心室數(shù)的基因[25]。與QTL相比，LD作圖精確度高，可以同時(shí)檢測同一座位的多個(gè)等位基因等諸多位點(diǎn)[26-27]，目前已應(yīng)用于玉米、小麥、擬南芥、油菜及芝麻等多種植物的研究[28-43]。而以番茄為材料的關(guān)聯(lián)分析報(bào)道較少，將來可以將該方法應(yīng)用于番茄育種中，但是關(guān)聯(lián)作圖一般以現(xiàn)有的自然群體為材料[27]，群體變異類型越豐富，分析效果越好，且需要的群體數(shù)量也相對較少，而本試驗(yàn)所用的番茄群體中數(shù)量性狀的變異豐富，平均變異系數(shù)45.94%，說明參試材料的主要農(nóng)藝/植物學(xué)性狀有較大變異幅度，包含較多的變異類型，可以作為番茄關(guān)聯(lián)分析的自然群體。

可溶性固形物是決定鮮食番茄果實(shí)風(fēng)味與品質(zhì)的重要因素，是由糖和酸等多種成分組成的混合物，本研究發(fā)現(xiàn)櫻桃番茄可溶性固形物含量較普通番茄高，這一現(xiàn)象可以用植物學(xué)中的庫源關(guān)系來解釋，櫻桃番茄果實(shí)小，即其“庫”小，普通番茄果實(shí)大，即其“庫”大，而櫻桃番茄和普通番茄的“源”(葉片長寬)差異不大，因此櫻桃番茄更有利于碳水化合物的累積，而碳水化合物又是可溶性固形物的重要組成部分，因此櫻桃番茄可溶性固形物含量高于普通番茄。徐明磊等[44]研究發(fā)現(xiàn)，番茄可溶性糖與可溶性固形物的相關(guān)性達(dá)72%，與有機(jī)酸相關(guān)性達(dá)54%，糖和有機(jī)酸又是葉片光合作用的主要產(chǎn)物，因此兩項(xiàng)研究互相印證櫻桃番茄可溶性固形物含量高的原因。

有研究表明，野生番茄中存在控制番茄品質(zhì)和抗病的相關(guān)基因[45]，但關(guān)于這方面報(bào)道還存在一定差異[43,46-50]。SUN等[43]以普通番茄(S.lycopersicum)S0805為母本，醋栗番茄(S.pimpinellifolium) S0801為父本，得到214個(gè)株系的F2：3群體，定位到2個(gè)QTL與可溶性固形物相關(guān)，分別位于1(SSR67)和4(SSR111)染色體上，2個(gè)QTL與單果重相關(guān)，分別位于4(SSR300)和7(SSR45)染色體；4個(gè)QTL與番茄紅素相關(guān)，分別在4(SSR146，SSR111)和9(SSR110，SSR237)染色體；1個(gè)QTL(SSR111)與可滴定酸相關(guān)；3個(gè)與果實(shí)pH相關(guān)，分別在1(LEaat004)、7(SSR304)和10(SSR85)染色體。而本試驗(yàn)群體包含的野生醋栗番茄其可溶性固形物含量高，有利于利用關(guān)聯(lián)分析作圖精細(xì)定位控制番茄可溶性固形物的QTL。