紫蘇種質(zhì)資源表型多樣性研究

肖 宇， 魏國(guó)江， 王曉飛， 劉淑霞， 孫 力， 關(guān)向軍， 徐海軍

(黑龍江省科學(xué)院大慶分院， 黑龍江 大慶 163319)

紫蘇(Perillafrutescens(L.) Britt)屬唇形科紫蘇屬紫蘇種一年生短日照草本經(jīng)濟(jì)植物，被衛(wèi)生部首批頒布認(rèn)定為食品、藥品中60種中藥之一[1]。紫蘇是良好的食用植物，無論是作為傳統(tǒng)的中藥材，還是作為現(xiàn)代良好食材，紫蘇都具有良好的加工附加值，紫蘇被賦予了一種新的用途，成為健康食用植物[2]。黑龍江省紫蘇資源和品種匱乏，遺傳多樣性差，類型單一，更缺乏商用型資源和品種，為了增加紫蘇遺傳多樣性，廣泛搜集資源并進(jìn)行表型及遺傳分析、鑒定和分類，成為黑龍江省資源利用和品種選育的前提[3]。

對(duì)植物進(jìn)行表型性狀調(diào)查及分類是研究種質(zhì)資源最客觀、有效的方法。胡建斌等[4]對(duì)我國(guó)257份有代表性的甜瓜種質(zhì)資源的20個(gè)形態(tài)性狀進(jìn)行調(diào)查分析，研究其遺傳多樣性。而通過對(duì)具有典型植物學(xué)性狀、不同生態(tài)區(qū)域的紫蘇屬植物種系分類進(jìn)行研究，為紫蘇屬植物的種群結(jié)構(gòu)、遺傳多樣性和進(jìn)化分類系統(tǒng)研究及種質(zhì)資源的保護(hù)與開發(fā)利用提供依據(jù)[5-8]。近十年來，貴州省、甘肅省、河北省、黑龍江省對(duì)紫蘇種質(zhì)資源進(jìn)行品種選育，收到了良好的效果[9-11]。但是紫蘇品種種類缺乏、種子質(zhì)量參差不齊等問題，嚴(yán)重降低紫蘇產(chǎn)量和質(zhì)量。因此，紫蘇種植業(yè)迫切需要優(yōu)良的品種，來解決當(dāng)前制約產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展的瓶頸問題。

本研究選取90份紫蘇試驗(yàn)材料，對(duì)種子大小、子葉大小、葉片顏色、蒴口絨毛、花色、株型、熟性、株高、總穗數(shù)、千粒重、單株籽粒重等生物學(xué)性狀進(jìn)行調(diào)查和數(shù)據(jù)整理分析，為豐富和創(chuàng)新黑龍江省紫蘇種質(zhì)資源，以及品種選育提供理論和物質(zhì)基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)地概況

田間試驗(yàn)在黑龍江省大慶市東風(fēng)農(nóng)場(chǎng)試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)地土壤質(zhì)地為壤土，土壤有機(jī)質(zhì)3.5%，pH=7.3，速效氮121.2 mg·kg-1，速效磷3.4 mg·kg-1，速效鉀141.0 mg·kg-1。

氣候?yàn)楹疁貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，半干旱類型，晝夜溫差大，十年九春旱，降雨多集中在7、8月份，全年降水量350～400 mm，年平均氣溫2.4 ℃，全年大于10 ℃活動(dòng)積溫2 600～2 700 ℃，無霜期120～130 d。

1.2 試驗(yàn)材料

從貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料研究所、甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院院生物技術(shù)研究所、吉林省吉林市、黑龍江省各市縣共引進(jìn)紫蘇資源90份。詳見表1。

表1 紫蘇資源編號(hào)及來源

1.3 資源表型性狀調(diào)查與分析

采用田間種植方法，壟作，壟寬0.65 m，每份資源種植10 m2。每份材料間隔1壟，步道寬1.2 m。5月1日人工播種，穴播，每穴播種10～15粒，播種深度1.5～2.0 cm，播種后及時(shí)鎮(zhèn)壓。土壤干旱時(shí)需坐水種。生育期間進(jìn)行正常的田間管理，適時(shí)收獲。進(jìn)行生育期調(diào)查及資源評(píng)價(jià)項(xiàng)目調(diào)查。

每份紫蘇種質(zhì)材料隨機(jī)選取8份，按照《蘇子種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[12]進(jìn)行性狀調(diào)查。選用12個(gè)形態(tài)性狀和5個(gè)數(shù)量性狀對(duì)紫蘇資源進(jìn)行表型多樣性調(diào)查。觀察測(cè)量17個(gè)形態(tài)學(xué)質(zhì)量性狀有種皮顏色、種子大小、子葉大小、葉片顏色、葉片大小、葉形、葉脈顏色、蒴口絨毛、花色、株型、穗型、熟性、株高、分枝數(shù)、總穗數(shù)、千粒重、單株籽粒重。收獲期田間取樣8株，對(duì)株高、分枝數(shù)、總穗數(shù)、千粒重、單株籽粒重等5個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行測(cè)量。對(duì)形態(tài)學(xué)質(zhì)量性狀進(jìn)行分類賦值(表2)。

表2 紫蘇種質(zhì)資源調(diào)查的分類及其賦值

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理利用SPSS 22軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 紫蘇種質(zhì)資源的表型性狀

通過紫蘇的質(zhì)量性狀數(shù)據(jù)分析(見表3)，種子顏色以灰色和栗色為主，所占頻率為37.8%和22.2%。種子大小以小粒為主，所占頻率為71.1%。子葉大小以大葉為主，所占頻率為90%，小葉所占頻率為10%。葉片顏色以淺綠為主，所占頻率為70%，綠色所占頻率為23.3%，紫色所占頻率為6.7%。葉片中大葉所占頻率為58.9%，特大型葉所占頻率較小。葉形以卵圓形頻率最高，為54.4%，卵形所占頻率為45.6%。葉脈顏色中綠色和紫色所占頻率分別為66.7%和33.3%。蒴口絨毛以密集型為主，分布頻率為57.8%，絨毛稀少型頻率為42.2%?；ㄉ邪咨ㄕ贾饕l率為90.0%，紫色花頻率為8.9%，紅色花頻率為1.1%。株型分為平頂型、塔型、傘型3種類型，頻率分別為16.7%、74.4%、8.9%，株型以平頂型、塔型為主。穗型主要以長(zhǎng)穗型為主，分別頻率為77.8%，短穗型所占頻率為22.2%。熟性特征以早熟類型較多，所占頻率為41.1%，其次是晚熟，所占頻率為38.9%，中熟類型所占頻率為20%。

表3 紫蘇種質(zhì)表型性狀頻率分布

2.2 紫蘇資源數(shù)量性狀變異

由表4可見，90份紫蘇資源數(shù)量性狀存在很大的差異，株高、分枝數(shù)等5個(gè)數(shù)量性狀的變異系數(shù)為19.01%～28.66%，差異顯著。千粒重為0.90～5.76 g，其變異系數(shù)為28.66%，表明單株千粒重遺傳多樣性最為豐富；其次是單株總穗數(shù)，為41.17～238.00個(gè)，其變異系數(shù)為26.01%；株高為25.15～174.00 cm，變異系數(shù)為19.59%；分枝數(shù)為4.54～32.00個(gè)，變異系數(shù)為19.01%；單株籽粒重為5.07～50.20 g，變異系數(shù)為16.48%。綜合表明，紫蘇種質(zhì)資源每個(gè)數(shù)量性狀間具有顯著差異，不同參試材料其性狀之間也具有明顯的多樣性。

表4 紫蘇種質(zhì)表型數(shù)量性狀分析

2.3 紫蘇資源表型性狀聚類

由圖1可見，可將90份紫蘇參試材料劃分為三大類群。其中，第Ⅰ類有54份，代表資源有HZ 3-1和HZ 5。這類材料數(shù)量最多，類型較多，株高最高，總穗數(shù)最多，千粒重最高，穗型長(zhǎng)，屬于晚熟型；第Ⅱ類有28份，代表資源有Z 9和Z 2早，葉色淺綠色，葉形呈卵型，葉脈顏色呈綠色，花色以白色為主，屬于早熟型；第Ⅲ類有8份，代表資源有HZ 57和豐香2號(hào)，種子顏色為褐色，子葉最小，葉脈顏色為紫色，花色以紫色為主，株型為傘型，穗型短小，株高最矮，主莖分枝數(shù)最少，總穗數(shù)最少，千粒重最小，單株籽粒重最大，屬于中熟型。

2.4 紫蘇資源各形態(tài)性狀相關(guān)性

對(duì)90份紫蘇資源形態(tài)性狀間的相關(guān)性分析表明，種皮顏色分別與葉形、千粒重呈極顯著負(fù)相關(guān)；種子大小與葉片大小呈顯著正相關(guān)，與葉形、葉脈顏色、穗型、熟性、株高、總穗數(shù)、千粒重表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)；子葉大小與葉片顏色、單株籽粒重表現(xiàn)為極顯著負(fù)相關(guān)，與葉脈顏色呈負(fù)相關(guān)，與穗型、株高、分枝數(shù)、總穗數(shù)、千粒重呈極顯著正相關(guān)；葉片顏色與子葉大小、蒴口絨毛、穗型、株高、分枝數(shù)表現(xiàn)為極顯著負(fù)相關(guān)，與葉形、葉脈顏色、花色、熟性、單株籽粒重表現(xiàn)為極顯著正相關(guān)，與葉片大小表現(xiàn)顯著正相關(guān)；葉片大小與蒴口絨毛呈顯著負(fù)相關(guān)，分別與葉形、葉脈顏色、株型、熟性、單株籽粒重、呈極顯著正相關(guān)，與總穗數(shù)呈顯著正相關(guān)；葉形與蒴口絨毛呈極顯著負(fù)相關(guān)，分別與葉脈顏色、熟性、總穗數(shù)、千粒重、單株籽粒重呈極顯著正相關(guān)，與株型呈顯著正相關(guān)；葉脈顏色分別與蒴口絨毛、分枝數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)，與花色、熟性、單株籽粒重呈極顯著正相關(guān)，與總穗數(shù)呈顯著正相關(guān)；蒴口絨毛分別與熟性、單株籽粒重呈極顯著負(fù)相關(guān)，與千粒重呈顯著負(fù)相關(guān)，與分枝數(shù)呈顯著正相關(guān)；花色分別與分枝數(shù)、千粒重呈極顯著和性狀負(fù)相關(guān)，與熟性、單株籽粒重呈極顯著正相關(guān)；穗型與株高、分枝數(shù)、總穗數(shù)、千粒重呈極顯著正相關(guān)；熟性與分枝數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，分別與總穗數(shù)、單株千粒重呈極顯著正相關(guān)；株高分別與分枝數(shù)、總穗數(shù)、千粒重呈極顯著正相關(guān)；分枝數(shù)分別與總穗數(shù)、千粒重呈極顯著和顯著正相關(guān)，與單株籽粒重呈極顯著負(fù)相關(guān)；總穗數(shù)與千粒重呈極顯著正相關(guān)。各性狀相關(guān)分析表明，種皮顏色越深千粒重越小。種子越大葉片、株高、總穗數(shù)、千粒重、千粒重越大，生育期延長(zhǎng)。子葉越大葉片和葉脈顏色越淺，單株籽粒重越低。因此，根據(jù)性狀相關(guān)性為紫蘇品種改良和應(yīng)用提供依據(jù)(見表5)。

表5 紫蘇種質(zhì)資源各形態(tài)性狀的相關(guān)系數(shù)

2.5 紫蘇資源表型性狀主成分分析

在主成分的特征性狀構(gòu)成中，前4個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為69.792%，表明其集中了表型性狀的主要信息。第Ⅰ主成分的特征值為3.488，貢獻(xiàn)率為26.829%，其特征向量中分枝數(shù)、株高、穗型、總穗數(shù)、子葉大小性狀指標(biāo)載荷較高，這些性狀與其表達(dá)的主要生物學(xué)信息有關(guān)。因此，第Ⅰ主成分分枝數(shù)、株高、穗型、子葉大小、總穗數(shù)構(gòu)成因子，特征向量關(guān)系說明共5個(gè)變量承載的較多。第Ⅱ主成分的特征值為2.892，其貢獻(xiàn)率為22.250%，其特征向量中熟性、單株籽粒重、葉片大小、葉片顏色性狀指標(biāo)有較高的載荷。第Ⅲ主成分的特征值為1.517，其貢獻(xiàn)率為11.673%，特征向量中種子顏色、千粒重2個(gè)變量載荷最高。第Ⅳ主成分的特征值為1.175，其貢獻(xiàn)率為9.040%，特征向量中株型載荷較重。4個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為69.792%，說明4個(gè)主因子分析是可行的(見表6、表7)。

表6 主因子變異數(shù)統(tǒng)計(jì)表

表7 旋轉(zhuǎn)元件矩陣表

3 討 論

3.1 紫蘇資源表型性狀多樣性

種質(zhì)資源的遺傳多樣性主要代表群體內(nèi)個(gè)體基因組成的差異，遺傳多樣性的表現(xiàn)主要通過多數(shù)基因組合實(shí)現(xiàn)[13-15]。種質(zhì)資源遺傳差異大小直接影響性狀遺傳改良和研究利用的效果，新品種的選育或新材料創(chuàng)新依賴于優(yōu)異基因的發(fā)掘與利用[16-18]。植物不同性狀變異幅度是物種特有的遺傳特性，是生物多樣性的具體表現(xiàn)，也是反映某一物種資源豐富程度的重要指標(biāo)[18]，因此，種質(zhì)資源群體應(yīng)保持一定的豐富度和多樣性。大量學(xué)者在不同作物中利用不同研究方法對(duì)收集種質(zhì)資源的遺傳多樣性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)、核心種質(zhì)資源庫(kù)構(gòu)建、以提高種質(zhì)資源利用效率[19-21]。

本研究通過對(duì)90份紫蘇種質(zhì)資源12個(gè)質(zhì)量性狀進(jìn)行分析比較。根據(jù)12個(gè)質(zhì)量性狀的分布頻率，其種子顏色、子葉大小、葉片顏色及熟性等性狀變異系數(shù)較大，各性狀差異明顯，各紫蘇種質(zhì)資源之間存在明顯的多樣性。為今后紫蘇資源多類型用途的品種選育提供親本材料。

3.2 紫蘇資源多樣性的利用前景

本研究利用SPSS聚類分析方法對(duì)90份紫蘇種質(zhì)的17個(gè)性狀進(jìn)行了聚類，分為三大類，各類的特征差異明顯[22]。第Ⅰ類54份，多為黑龍江省和吉林省搜集的地方品種和少部分育成品種，生育期在120 d左右，適于第一、第二積溫帶，該類型加以系統(tǒng)選育可應(yīng)用于生產(chǎn)。第Ⅱ類28份，生育期90～100 d，通過馴化可以在第三至第五積溫帶種植。栽培上應(yīng)合理密植，增加群體產(chǎn)量。第Ⅲ類8份，此類材料適于在溫室、大棚等保護(hù)地栽培。其中z 84、zs 85、zs 86是紫葉材料，色素含量高，可直接用于紅色素紫蘇的商業(yè)種植。根據(jù)聚類分析結(jié)果和實(shí)際調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)籌分析資源，對(duì)資源利用和品種選育具有很好的前瞻性。

主成分分析是將多個(gè)變量轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)綜合因子，每個(gè)主成分基本上又能反映原始變量的大部分信息，其所含信息互不重復(fù)。依據(jù)各因子的貢獻(xiàn)率大小確定其重要性，因此將主成分分析用于對(duì)紫蘇資源的生物學(xué)性狀進(jìn)行評(píng)價(jià)和篩選，可最大限度的簡(jiǎn)化相關(guān)性狀選擇程序。90份參試紫蘇種質(zhì)資源材料各性狀類型差異較大，各主成分性狀的載荷值反映了主要性狀的育種選擇潛力[2]。

由于紫蘇表型性狀的鑒定易受外界環(huán)境條件的影響，其表型性狀表現(xiàn)不穩(wěn)定，因此，還應(yīng)結(jié)合分子標(biāo)記鑒定方法對(duì)紫蘇種質(zhì)資源和品種進(jìn)行遺傳鑒定，為紫蘇新品種選育和雜種優(yōu)勢(shì)的利用提供依據(jù)，促進(jìn)雜種優(yōu)勢(shì)利用最大化[23]。

4 結(jié) 論

通過對(duì)紫蘇種質(zhì)資源的研究，了解種質(zhì)類型多樣性，對(duì)不同性狀進(jìn)行差異化選擇可為資源改良利用和雜交品種選育提供原始材料，優(yōu)良的種質(zhì)通過系統(tǒng)選育改良后可以直接利用。