109份西瓜育種材料果實性狀的遺傳多樣性分析

王銘 劉江 王長彪 郝科星 侯富恩 張濤 楊晉明

摘 ? ?要：為研究西瓜育種材料間果實性狀的遺傳多樣性，對109份西瓜育種材料的12個果實相關(guān)性狀指標進行變異分析、主成分分析及聚類分析。變異分析結(jié)果表明，12個果實性狀的多樣性指數(shù)變化范圍為0.75～2.04，變異系數(shù)變化范圍為11.73%～60.79%;主成分分析結(jié)果表明，6個果實數(shù)量性狀可歸納為3個主成分，累計貢獻率達83.97%，其中，中心可溶性固形物含量對表型影響較大;聚類分析結(jié)果表明，當歐式距離為47.8時，可以將供試西瓜育種材料按照果形和單瓜質(zhì)量的差異分為4類。上述研究結(jié)果表明，西瓜育種材料的果實性狀具有較豐富的多樣性表現(xiàn)，這將為西瓜雜交育種提供重要的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：西瓜;育種材料;果實性狀;遺傳多樣性

中圖分類號：S651 文獻標識碼：A 文章編號：1673-2871（2020）10-023-06

Abstract： In order to study the genetic diversity of fruit traits of watermelon breeding materials， the variation analysis， principal component analysis and clustering analysis of 12 fruit related traits were investigated for 109 watermelon breeding materials. The results of variance analysis showed that the diversity index of 12 fruit related traits ranged from 0.75 to 2.04， the coefficient of variation changed from 11.73% to 60.79%. Principal component analysis suggested that 6 fruit related traits were summarized into three principal components， and the cumulative contribution rate was 83.97%， the central soluble solids content has great influence on phenotype. In addition， the 109 watermelon breeding materials were divided into four groups according to the difference of fruit shape and single fruit weight in Euclidean distance 47.8. The results indicate that the fruit related traits in watermelon germplasms have rich diversity， which will lay a basis for watermelon genetic improvement and cross breeding parental selection.

Key words： Watermelon; Breeding lines; Fruit traits; Genetic diversity

西瓜（Citrullus lanatus）起源于非洲，屬于葫蘆科（Cucurbitaceae）西瓜屬（Citrullus），西瓜屬包含4個種：西瓜種[Citrullus lanatus （Thunb.） Matsum. & Nakai]、藥西瓜種[C. Colocynthis （L.） Schrad]、缺須西瓜種[C. Ecirrhosus Cogn.]和諾典西瓜種[C. naudinianus （Sond.） Hook.f][1-2]。西瓜種包括毛西瓜亞種（ssp. lanatus）、普通西瓜亞種（ssp. vulgaris）、黏籽西瓜亞種（ssp. mucosospermus）[3-5]。西瓜是世界十大水果之一，在世界各地廣泛種植，我國是第一大西瓜生產(chǎn)國和消費國[6]。近年來，隨著人們生活水平的提高，人們對西瓜產(chǎn)品的需求正在從高品質(zhì)向“新、奇、特”等多樣性方向轉(zhuǎn)變，這就需要育種工作者掌握豐富的西瓜育種材料來適應(yīng)現(xiàn)代西瓜產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。西瓜果實性狀的差異往往決定西瓜品質(zhì)的好壞，因此，通過形態(tài)學方法調(diào)查西瓜果實品質(zhì)，然后進行西瓜果實性狀的遺傳分析，了解西瓜育種材料親緣關(guān)系遠近，有助于西瓜育種及遺傳改良。目前，在甜瓜、南瓜等園藝作物中已經(jīng)進行了較多關(guān)于種質(zhì)資源遺傳多樣性的相關(guān)研究[7-8]。西瓜果實的果皮顏色、果實形狀、果肉顏色、可溶性固形物含量等性狀都具有豐富的多樣性。為了研究國內(nèi)外783份西瓜種質(zhì)資源的24個表型性狀的遺傳多樣性，潘存祥等[9]采用了變異系數(shù)、多樣性指數(shù)和聚類分析等方法進行分析。紀海波等[10]對768份西瓜種質(zhì)資源材料的11個質(zhì)量性狀和13個數(shù)量性狀進行了多樣性分析、相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析。還有趙衛(wèi)星、郭祿芹、李清、于玉紅等[11-14]也進行了相關(guān)研究工作，研究結(jié)果表明，西瓜種質(zhì)資源的多樣性指數(shù)較大，具有豐富的遺傳多樣性。

本課題組經(jīng)過多年創(chuàng)制和收集西瓜種質(zhì)資源，目前已經(jīng)有500余份不同類型的西瓜育種材料。了解這些育種材料的遺傳關(guān)系可以更好地進行利用和創(chuàng)新工作。筆者對其中具有代表性且可溶性固形物含量較高的109份西瓜育種材料的果實性狀多樣性進行分析，這些材料為目前西瓜育種所用的主流材料，包括不同果形、不同花色和不同瓤色等各種類型材料。這些材料的共同點是可溶性固形物含量較高、具有較強的抗病性，通過本試驗可以為這些西瓜種質(zhì)資源的利用和遺傳改良提供重要依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

109份供試材料均為本課題組通過多年多代自交選擇獲得的純系材料，包括不同花色和不同瓤色，其中美國2份、日本5份、中國臺灣8份、中國北京35份、中國河南52份、中國新疆5份、中國寧夏2份（表1）。

1.2 方法

試驗于2017—2019年在山西省農(nóng)業(yè)科學院東陽試驗基地進行，試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，3年進行3次重復(fù)，每年每份材料定植20株，株行距為0.4 m×2.0 m，雙蔓整枝，每株留1果，常規(guī)栽培管理，開花期進行人工套袋授粉。每份材料隨機選取5株進行性狀記載及調(diào)查。各個性狀數(shù)據(jù)為3次重復(fù)的平均值。

1.3 果實性狀調(diào)查

西瓜成熟采收后，參照《西瓜種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》[15]對西瓜材料的果實品質(zhì)相關(guān)性狀進行調(diào)查統(tǒng)計。調(diào)查6個質(zhì)量性狀（果粉、果實形狀、果皮底色、果皮覆紋形狀、果肉顏色、果肉質(zhì)地）和6個數(shù)量形狀（單瓜質(zhì)量、縱徑、橫徑、果皮厚度、中心可溶性固形物含量、邊部可溶性固形物含量）。質(zhì)量性狀按照表2進行分級。數(shù)量性狀利用直尺、電子秤、手持測糖儀進行測量，取5個單瓜的平均值。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

對供試西瓜材料的6個質(zhì)量性狀按照《西瓜種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》進行分級和數(shù)量化賦值，然后統(tǒng)計各性狀的頻率分布、變異系數(shù)和多樣性指數(shù)。將6個數(shù)量性狀的測量值在Excel中計算出最大值、最小值、平均值、標準差、變異系數(shù)和多樣性指數(shù)。

多樣性指數(shù)的計算方法潘存祥等[9]的方法，將6個數(shù)量性狀根據(jù)平均值、標準差分為10級，1級Xi<（x-2δ），10級Xi≥（x-2δ），（其中i表示級數(shù)，x表示平均值，δ表示標準差），中間每級相差0.5δ。統(tǒng)計各性狀在10個級別中的分布頻率，每級的相對頻率（Pi）用于計算多樣性指數(shù)。采用 Shannon-weaver 遺傳多樣性指數(shù)來衡量性狀遺傳多樣性大小。計算公式為 ：H=-ΣPilnPi。其中 Pi為某性狀第i級內(nèi)材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比，ln為自然對數(shù)。

用SPSS統(tǒng)計分析軟件，通過相關(guān)性檢驗、提取主成分和公因子、因子旋轉(zhuǎn)等步驟進行數(shù)量性狀的主成分分析。再使用SPSS統(tǒng)計分析軟件采用歐式距離法計算各樣品間的遺傳距離并使用離差平方和法對樣品進行聚類。

2 結(jié)果與分析

2.1 西瓜果實性狀的多樣性和變異性分析

2.1.1 果實質(zhì)量性狀頻率統(tǒng)計 對109份西瓜育種材料的6個質(zhì)量性狀按照表2進行賦值分級，并計算頻率分布（表3）。由表3可知，這些西瓜育種材料涵蓋了大部分西瓜類型。其中，果實表面有果粉的23份，占21.1%，無果粉的86份，占78.9%;果實形狀以圓形為主，共61份，占55.9%，近圓形9份，占8.3%，橢圓形21份，占19.3%，長橢圓形18份，占16.5%;果實表皮底色以綠色為主，共48份，占44%，深綠色4份，占3.7%，墨綠色23份，占21.1%，黃色5份，占4.6%，淺黃色4份，占3.7%;果皮覆紋形狀類型以網(wǎng)條和齒條為主，分別為34份和45份，占31.2%和41.3%，光皮無條帶22份，占20.2%，網(wǎng)紋7份，占6.4%，斑點1份，占0.9%;果肉顏色以紅色和大紅為主，分別為39份和36份，占35.8%和33.1%，粉紅8份，占7.3%，橘紅1份，占0.9%，黃色21份，占19.2%，橘黃4份，占3.7%;從果肉質(zhì)地來看，除質(zhì)地為軟的類型較少外，其余4種質(zhì)地類型材料的數(shù)量相差無幾，各占21.1%～24.8%。

2.1.2 果實性狀變異分析 筆者以109份西瓜育種材料為研究對象，將12個果實性狀（6個質(zhì)量性狀和6個數(shù)量性狀）指標進行統(tǒng)計分析（表4）。結(jié)果表明，這12個果實性狀中果實形狀的變異系數(shù)最大，為60.79%，其次變異范圍較大的還有果皮覆紋類型、果肉質(zhì)地、果肉顏色、單瓜質(zhì)量、果粉，變異系數(shù)分別為38.42%、38.09%、35.74%、34.32%、33.84%。近年來，由于我們的育種目標主要是選擇可溶性固形物含量較高的品種，因此中心可溶性固形物含量和邊部可溶性固形物含量的變異系數(shù)都比較小，分別為11.73%和14.81%。12個果實性狀的多樣性指數(shù)變幅為4.52～4.68，其中果肉顏色多樣性指數(shù)最大，為2.04，橫徑的多樣性指數(shù)最小，為0.75。

2.2 西瓜果實數(shù)量性狀的主成分分析

筆者通過對6個西瓜果實數(shù)量性狀進行主成分分析，以特征值大于1為標準，將6個性狀歸納為3個主成分來代表果實性狀的主要遺傳信息。由表5可知，第一主成分的貢獻特征值最大，為39.65%，其中除中心可溶性固形物含量的載荷符號為負外，其余5個性狀的載荷符號都是正向，說明在其他性狀都適宜的情況下中心可溶性固形物含量的高低是影響西瓜果實品質(zhì)的主要性狀。第二主成分的貢獻特征值為28.89%，其中除單瓜質(zhì)量為負向載荷外，其余5個性狀的載荷符號都是正向，說明在這5個性狀水平相當?shù)那闆r下單瓜質(zhì)量是影響西瓜果實產(chǎn)量的主要性狀。第三主成分的貢獻特征值為15.43%，其中縱徑和果皮厚度為負載荷，其他4個性狀的載荷符號為正向，說明在其他性狀水平相當?shù)那闆r下，縱徑和果皮厚度是影響西瓜外觀品質(zhì)的主要性狀。這3個主成分的累計貢獻特征值達83.97%。

2.3 西瓜果實性狀的聚類分析

在SPSS中，采用歐式距離法和離差平方和法，將109份西瓜育種材料依據(jù)12個果實性狀進行聚類分析。由圖1可以看出，當歐式距離為47.8時，可以將109份西瓜育種材料分為4類。

第1類（Ⅰ）為圓形類型（包括圓形和近圓形）中的大果類型，共 35份材料，其中有30份來自中國北京和中國河南，其余5份引自于日本、中國新疆、中國寧夏和中國臺灣。單瓜質(zhì)量基本都大于2 kg，平均值達3.1 kg左右。果肉顏色中紅色類型和黃色類型基本各占一半。果皮底色以淺綠和綠色為主。果實的縱徑和橫徑平均值分別為18.9 cm和18.5 cm。中心可溶性固形物含量平均為11%，邊部可溶性固形物含量平均為9.1%。

第2類（Ⅱ）為圓形類型（包括圓形和近圓形）中的小果類型，共38份材料，其中16份來自中國河南，13份來自中國北京，中國臺灣2份，中國新疆2份，日本2份，美國2份。單瓜質(zhì)量基本在2 kg以下，最小為0.77 kg，平均1.47 kg。果肉顏色基本全為紅色類型。果皮底色除2份為黃色類型外其余36份為綠色類型。果實的縱徑和橫徑平均值分別為14.8 和14.4 cm。中心可溶性固形物含量平均為11.5%，邊部可溶性固形物含量平均為9.9%。

第3類（Ⅲ）為橢圓類型（包括橢圓形和長橢圓型）中的小果類型，共24份材料，其中10份來自中國河南，9份來自中國北京，1份來自中國臺灣，2份來自中國新疆，1份來自中國寧夏，1份來自日本。單瓜質(zhì)量平均為1.82 kg。果肉顏色為紅色和大紅。果皮底色有6份黃色類型，18份綠色類型。果實的縱徑和橫徑平均值分別為19.7 cm和14.3 cm。中心可溶性固形物含量平均為11.3%，邊部可溶性固形物含量平均為9.7%。

第4類（Ⅳ）為橢圓類型（包括橢圓形和長橢圓型）中的大果類型，共12份材料，其中6份來自中國河南，3份來自中國北京，2份來自中國臺灣，1份來自日本。單瓜質(zhì)量都在2.5 kg以上，平均值為2.89 kg。果肉顏色中有2份黃色類型，其余10份為紅色類型。果皮底色包括淺綠和綠色，其中以綠色為主。果實的縱徑和橫徑平均值分別為27.5 cm和14.5 cm。中心可溶性固形物含量平均為11%，邊部可溶性固形物含量平均為9.2%。

3 討 論

從上述試驗結(jié)果可以看出，根據(jù)聚類結(jié)果可以直觀反映育種材料間的親緣關(guān)系，為雜交親本的選擇提供參考，提高育種效率。

變異系數(shù)是反映遺傳多樣性的一個重要參數(shù)，它表示某一性狀的離散程度，變異系數(shù)越大表明該性狀的變異程度就越大。紀海波等[10]對786份西瓜種質(zhì)資源表型性狀進行了遺傳研究，24個性狀的變異系數(shù)均值為32.41%。郭祿芹等[12]對167份西瓜種質(zhì)材料的遺傳多樣性進行分析，18個性狀變異系數(shù)變化范圍為16.43%～90.73%，平均值為34.12%。于玉紅等[14]對154份西瓜育種材料果實性狀進行了主成分分析和聚類分析。14個果實性狀的變異系數(shù)的變幅范圍為 8.42%～62.51%，平均值為 28.38%。在本研究中，12個果實性狀變異系數(shù)的變幅范圍為11.73%～60.79%，其中，中心可溶性固形物含量和邊部可溶性固形物含量的變異系數(shù)都比較小，這可能與筆者近年來把選擇含糖量較高的品種作為育種目標有關(guān)系。從總體來看，本研究試驗結(jié)果與前人研究結(jié)果相符，表明本課題組的西瓜育種材料在果實性狀方面多樣性程度較高，這將為我們培育不同瓤色、不同花色和不同形狀的西瓜新品種提供材料支撐。

由于西瓜果實數(shù)量性狀之間存在一定的相互關(guān)聯(lián)，難以分析單個性狀在表型性狀構(gòu)成中的作用[16]，主成分分析可以將較多的變量綜合為少數(shù)幾個公共因子達到降維的效果，因此可用主成分分析方法來評價果實各數(shù)量性狀指標對果實綜合性狀的影響。王志強等[17]將6個數(shù)量性狀綜合成為3個主成分，累計貢獻率為84.30%。于玉紅等[14]將8個性狀歸為4個主成分，累計貢獻率為83.80%。李清等[13]將12個果實性狀歸納為3個主成分，3個主成分的累計貢獻率為71.99%。筆者通過對西瓜果實的6個數(shù)量性狀進行主成分分析，將6個性狀歸納為3個主成分，累計貢獻率為83.97%。這6個果實性狀與西瓜的果實品質(zhì)密切相關(guān)，因此，在對西瓜某個果實品質(zhì)性狀進行研究時，要綜合考慮其他性狀間的相互作用。

聚類分析是將品種資源根據(jù)它們綜合性狀之間的相近程度進行分類[18]。陳萍等[19]根據(jù)單果質(zhì)量、含糖量和果皮厚度將119份西瓜種質(zhì)材料聚類分為10類。蘇玉環(huán)等[20]基于果實性狀采用系統(tǒng)聚類法將試樣材料分為4大類。趙衛(wèi)星等[11]以綜合成分中的4個主要因子為指標進行聚類分析，將56份西瓜品種按照果形大小分為了4類。筆者以12個果實性狀（6個數(shù)量性狀和6個質(zhì)量性狀）為指標對109份西瓜育種材料進行聚類分析，當歐式距離為47.8時，這些西瓜育種材料可以分為4類。其中2類為不同形狀的小果類型，另外2類為不同形狀的大果類型。其中2類西瓜小果類型育種材料的可溶性固形物含量高于另外2類西瓜大果型育種材料的可溶性固形物含量。筆者通過對西瓜育種材料果實性狀進行鑒定與分析，了解了育種材料具有豐富的多樣性，進而為西瓜的種質(zhì)創(chuàng)新和雜交親本的選擇等方面提供一定的借鑒意義[13-14]。

根據(jù)多樣性分析、變異性分析、主成分分析及聚類分析結(jié)果，了解到這109份西瓜育種材料具有豐富的遺傳多樣性，可以為西瓜種質(zhì)創(chuàng)新和雜交親本選擇時提供可靠依據(jù)。根據(jù)不同的育種目標，可以精準選擇雙親，減少盲目性，提高育種效率。小果型西瓜的可溶性固形物含量普遍較高，但是抗性較差，大果型西瓜一般具有較強的抗性，因此，可以通過將兩種類型的材料雜交然后進行連續(xù)回交創(chuàng)制可溶性固形物含量高且抗性較強的新育種材料。

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