241份菊芋種質(zhì)資源地上部性狀的遺傳多樣性分析

田閔玉，郭怡婷，任延靖，韓 睿，田 豐*，趙孟良*

(1.青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院，青海省蔬菜遺傳與生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016；2.青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016；3.省部共建三江源生態(tài)和高原農(nóng)牧業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海大學(xué)，青海 西寧 810016)

菊芋(HelianthustuberosusL.)又稱洋姜、鬼子姜，屬菊科向日葵屬多年生草本植物(2n=102)，原產(chǎn)地北美，18世紀(jì)末自歐洲傳入中國(guó)后在我國(guó)被廣泛種植[1]。菊芋具有很強(qiáng)的抗逆性且適應(yīng)性廣、生物質(zhì)產(chǎn)量高，能源利用方式多樣，是環(huán)境友好型植物[1]。菊芋作為一種新型的多功能經(jīng)濟(jì)作物在全球范圍廣泛種植，種質(zhì)資源也較為豐富，目前有超過2 000份的菊芋種質(zhì)資源在世界范圍內(nèi)30多個(gè)研究機(jī)構(gòu)保存[2]。種質(zhì)資源是作物育種的基因來源，也是作物相關(guān)基礎(chǔ)研究和培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病作物新品種的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)遺傳改良的發(fā)展具有十分重要的意義[3-4]。種質(zhì)資源利用效率和現(xiàn)代種業(yè)的可持續(xù)發(fā)展受種質(zhì)資源的數(shù)量、質(zhì)量、研究深度和廣度的直接影響[5-6]。隨著現(xiàn)代育種技術(shù)對(duì)作物多年的定向選擇導(dǎo)致作物的遺傳基礎(chǔ)越來越狹窄，因此，收集、研究、利用新的種質(zhì)資源非常有必要[7]。植物形態(tài)學(xué)特征能夠直觀反映出其遺傳多樣性，可以較快了解其遺傳多樣性[8-9]。形態(tài)學(xué)或表型性狀檢測(cè)遺傳變異是最直接、最簡(jiǎn)便易行的方法[10]，也是育種研究者進(jìn)行復(fù)雜機(jī)理研究的基礎(chǔ)[11]。研究明晰作物種質(zhì)資源的特性，可為今后高效利用種質(zhì)資源奠定基礎(chǔ)。目前對(duì)我國(guó)菊芋種質(zhì)資源遺傳多樣性研究多限于地下部分塊莖品質(zhì)性狀[12-13]，缺乏地上部分性狀的相關(guān)分析。鑒于此，本研究以241份菊芋種質(zhì)資源為材料，通過測(cè)定菊芋盛花期地上部分的農(nóng)藝性狀指標(biāo)，并采用多樣性分析、聚類分析以及隸屬函數(shù)等方式進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為菊芋種質(zhì)資源評(píng)價(jià)利用及雜交育種中的親本選擇提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用的241份菊芋種質(zhì)資源材料由青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院菊芋研究開發(fā)中心提供，其中來自美國(guó)的種質(zhì)資源220份、泰國(guó)的種質(zhì)資源12份、中國(guó)的種質(zhì)資源9份。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地位于青海省海南藏族自治州貴德縣鄧家村(36°03′N、101°44′E)，海拔2 250 m，種植前施用羊糞2 250 kg/hm2。試驗(yàn)材料于2019年4月中旬種植，采用隨機(jī)區(qū)組種植，小區(qū)面積120 m2，每小區(qū)種植50份種質(zhì)資源，每份種質(zhì)資源種植5株，使用塊莖繁種，采用株距60 cm，行距80 cm進(jìn)行種植。9月中旬待菊芋進(jìn)入盛花期時(shí)進(jìn)行農(nóng)藝性狀的數(shù)據(jù)采集。

1.3 性狀調(diào)查

參照NY/T 2503—2013《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測(cè)試指南 菊芋》[14]的方法，采用卷尺及游標(biāo)卡尺對(duì)菊芋的株高、株幅、葉長(zhǎng)、葉寬、花直徑及花朵數(shù)6個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行測(cè)量，對(duì)葉緣、葉形、莖色和莖絨毛數(shù)4個(gè)質(zhì)量性狀采用目測(cè)觀察法進(jìn)行調(diào)查，并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行賦值。每個(gè)指標(biāo)設(shè)置5次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及處理，分別計(jì)算各性狀的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及變異系數(shù)；各性狀的遺傳多樣性采用Shannon's信息指數(shù)(H')進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算公式H'=-∑PilnPi(其中Pi為某一性狀在i個(gè)級(jí)別出現(xiàn)的頻率)。并采用SPSS 20.0以及R-studio軟件對(duì)各性狀進(jìn)行主成分分析以及聚類分析。最后通過隸屬函數(shù)對(duì)種質(zhì)資源進(jìn)行評(píng)分，計(jì)算公式如下：

R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中：Xi為指標(biāo)測(cè)定值，Xmax、Xmin為所有參試材料某一指標(biāo)的最大值和最小值。

2 結(jié)果與分析

2.1 菊芋種質(zhì)資源質(zhì)量性狀的多樣性分析

對(duì)241份菊芋種質(zhì)資源的4個(gè)質(zhì)量性狀的多樣性分析結(jié)果顯示(表1)，其多樣性指數(shù)分布在0.74～1.29，平均多樣性指數(shù)為1.08。其中，葉緣的多樣性指數(shù)最低(0.74)，葉形、莖色以及莖絨毛數(shù)的多樣性指數(shù)均大于1.0，葉形的多樣性指數(shù)最高(1.29)。在241份菊芋種質(zhì)資源中，葉緣以鋸齒形為主，占總資源量的73.86%；葉形以闊卵形葉片最少，僅占總資源數(shù)的8.71%，其他不同形狀分布較為平均；莖色以綠色為主，占總資源量的43.15%；莖絨毛數(shù)以中等數(shù)量居多，達(dá)到總資源量的46.89%，此外還有3份莖桿光滑的資源，占總資源量的1.24%。4個(gè)質(zhì)量性狀中葉緣的變異系數(shù)最大(55.74%)，莖絨毛數(shù)的變異系數(shù)最小(33.92%)。

表1 菊芋質(zhì)量性狀賦值、分布及多樣性分析

2.2 菊芋種質(zhì)資源數(shù)量性狀的差異性分析

對(duì)241份菊芋種質(zhì)資源的6個(gè)數(shù)量性狀差異性分析(表2)，由表2可知，6個(gè)數(shù)量性狀的變異系數(shù)在16.22%～36.62%，平均22.61%，其中單株花朵數(shù)的變異系數(shù)最高(36.62%)，葉長(zhǎng)、葉寬和花直徑的變異系數(shù)較小，均低于20%，說明241份菊芋種質(zhì)資源中花朵數(shù)的變異性最豐富；241份菊芋種質(zhì)資源的6個(gè)數(shù)量性狀中，花朵數(shù)、株高和株幅的極差很大，花朵數(shù)極差高達(dá)339.70個(gè)，株高和株幅的極差分別達(dá)到226.50 cm和115.06 cm。綜合各數(shù)量性狀的極差和變異系數(shù)分析，這6個(gè)數(shù)量性狀之間存在較為明顯的遺傳差異。

表2 菊芋地上部數(shù)量性狀表型的差異性分析

2.3 相關(guān)性分析

對(duì)241份菊芋種質(zhì)資源的10個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性分析(表3)表明，株高與株幅呈極顯著正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為0.610，株高與葉長(zhǎng)、葉寬、花直徑也呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)介于0.378～0.482；花朵數(shù)與株幅之間呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.640，說明菊芋植株的株幅越大其花朵數(shù)越多；花直徑與葉長(zhǎng)、葉寬呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.360、0.269；此外，葉長(zhǎng)、葉寬、花朵數(shù)之間兩兩呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.278～0.667，其中葉長(zhǎng)與葉寬的相關(guān)系數(shù)最高(0.667)。

表3 性狀的相關(guān)分析

2.4 主成分分析

對(duì)241份菊芋種質(zhì)資源的10個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析(表4)，以特征值大于1.0為標(biāo)準(zhǔn)提取出4個(gè)主成分值，其方差貢獻(xiàn)率分別為32.64%、19.70%、12.30%、10.66%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為75.30%，說明這4個(gè)主成分基本可以代表原始變量的大部分信息。第1個(gè)主成分特征值為3.26，方差貢獻(xiàn)率最大，占主導(dǎo)地位，其中株高、株幅、葉寬、花朵數(shù)作用均達(dá)到0.7以上；第2個(gè)主成分特征值為1.97，方差貢獻(xiàn)率為19.70%，其主要作用性狀為葉長(zhǎng)(0.86)、花直徑(0.67)以及葉型(0.66)；第3個(gè)主成分的特征值為1.23，方差貢獻(xiàn)率為12.30%，主要性狀為株幅(0.73)、莖色(0.44)；第4個(gè)主成分特征值為1.07，方差貢獻(xiàn)率為10.66%，起主要作用的指標(biāo)為葉緣(0.88)。

表4 菊芋農(nóng)藝性狀的主成分分析

2.5 聚類分析

對(duì)241份菊芋種質(zhì)資源的10個(gè)農(nóng)藝性狀指標(biāo)進(jìn)行聚類分析(圖1)表明，241份菊芋資源在歐式距離為10處可劃分為2大類群；第I類群包含HT-147、HT-215等13份菊芋資源，此類群中主要特征為株高高，葉片大(葉長(zhǎng)且寬大)，莖桿絨毛多，花朵大，莖桿呈現(xiàn)紫色；第II類群在歐式距離為5處分為3個(gè)亞類群，其中II-1類群包含91份菊芋資源，該類群的資源總體表現(xiàn)為株高低、葉片小，莖絨毛少，花直徑小，莖桿多為淺紫色的特征；II-2類群包含85份菊芋資源，該類群的資源總體表現(xiàn)為株高高、葉片大、莖絨毛多，花直徑大，莖桿多呈現(xiàn)綠色的特征；II-3類群包含52份菊芋資源，此類群的資源總體表現(xiàn)為植株矮小，葉片小，葉片多呈現(xiàn)闊卵形，莖絨毛少，花直徑小的特征。綜上可知，株高、葉長(zhǎng)、葉寬、莖桿絨毛數(shù)以及莖桿顏色這5個(gè)指標(biāo)在資源分類時(shí)起主要作用，此外花直徑也起到一定作用。

2.6 隸屬函數(shù)分析

通過計(jì)算分析241份菊芋種質(zhì)資源的隸屬函數(shù)均值可知(表5)，供試菊芋種質(zhì)資源的隸屬函數(shù)均值介于0.21～0.72，其中隸屬函數(shù)均值大于等于0.70的有4份，分別是HT-230(0.72)、HT-214(0.71)、HT-213(0.71)及HT-226(0.70)，該4份種質(zhì)資源均屬于第I類群，株高、葉長(zhǎng)及葉寬等表型性狀具有較大優(yōu)勢(shì)；隸屬函數(shù)均值小于0.30的有6份，分別為HT-132(0.21)、HT-109(0.25)、HT-175(0.26)、HT-48(0.29)、HT-100(0.29)及HT-131(0.29)，均屬于第Ⅱ-3亞類群，其表型特征較小，其中HT-132、HT-131以及HT-175在株高上表現(xiàn)明顯矮小。

表5(續(xù))

表5(續(xù))

3 討論與結(jié)論

圍繞菊芋種質(zhì)資源前人已做相關(guān)[15-17]研究。為進(jìn)一步豐富菊芋種質(zhì)資源庫，本研究主要對(duì)美國(guó)、泰國(guó)引進(jìn)的菊芋種質(zhì)資源進(jìn)行了農(nóng)藝性狀的調(diào)查分析。遺傳多樣性指數(shù)作為評(píng)價(jià)不同種質(zhì)間性狀變異的一個(gè)綜合指標(biāo)，其值越高說明性狀越豐富、越均勻[18]。其中，變異系數(shù)和多樣性指數(shù)代表的含義有所差別，變異系數(shù)表示變異范圍的大小，而多樣性指數(shù)不僅表示變異范圍，還對(duì)數(shù)量的多少進(jìn)行了反映[19]。在實(shí)際應(yīng)用中，常常將兩者配合使用從不同方面來表示多樣性。本研究對(duì)241份菊芋種質(zhì)資源的10個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行分析，其質(zhì)量性狀的遺傳變異系數(shù)普遍大于數(shù)量性狀的遺傳變異系數(shù)，其原因可能是質(zhì)量性狀通過賦值進(jìn)行整合計(jì)算，賦值相差較多，因此變異系數(shù)相對(duì)較大。其數(shù)量性狀中花朵數(shù)的遺傳變異系數(shù)達(dá)到36.62%，說明241份資源中花朵數(shù)量的變異性最豐富的。與現(xiàn)有的資源進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)此批資源中HT-205、HT-134、HT-203及HT-40四份資源的單株花朵數(shù)量均超過300個(gè)，且其他性狀表現(xiàn)也較好，符合觀賞型菊芋專用品種的選育要求。

主成分分析法可以通過降維的方法利用新特征代替原先繁雜的舊特征，將作物各性狀間復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系轉(zhuǎn)化為較少的幾個(gè)主成分，最大限度地將各個(gè)舊特征完整的表達(dá)出來，是現(xiàn)代育種常用的一種輔助手段[20-21]。已被應(yīng)用于水稻[22]、棉花[23]、大豆[24]、玉米[25]、小麥[26]等作物。本研究對(duì)241份菊芋種質(zhì)資源的10個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析時(shí)提取出4個(gè)主成分因子，分別包含株高、株幅、葉長(zhǎng)、葉寬、花直徑以及花朵數(shù)中的因子，能夠客觀地表示菊芋的資源特征，且對(duì)菊芋種質(zhì)資源進(jìn)行聚類分析時(shí)這幾個(gè)因子也起到重要作用。在聚類分析歐式距離為10處將菊芋種質(zhì)資源分為2大類群，其中第I類群的菊芋種質(zhì)資源總體上均表現(xiàn)為地上部生物量大，符合牧草型專用菊芋品種育種的要求，且此類資源的菊芋在隸屬函數(shù)評(píng)價(jià)分析中整體得分較高，同樣具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此后續(xù)可加大該類資源在牧草型菊芋品種方面的應(yīng)用研究。

綜上可知，本研究通過地上部農(nóng)藝性狀、聚類分析、隸屬函數(shù)分析等評(píng)價(jià)方式分析了241份菊芋種質(zhì)資源，最終篩選出4份觀賞型菊芋資源(HT-205、HT-134、HT-203及HT-40)，牧草型菊芋資源13份，對(duì)豐富我國(guó)菊芋種質(zhì)資源的多樣性及菊芋專用品種的選育奠定了基礎(chǔ)。另外本研究?jī)H對(duì)地上部的10個(gè)性狀進(jìn)行了調(diào)查研究，后續(xù)還需結(jié)合塊莖產(chǎn)量、品質(zhì)等性狀進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)。