香蕉種質(zhì)資源葉片表型性狀多樣性分析

趙麗娟，只佳增，張建春，杜 浩，周勁松，劉學(xué)敏，張榮琴

（云南省紅河熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，云南河口 661300）

0 引言

香蕉(Musaspp.)為芭蕉科(Musaccac)芭蕉屬(MusaL.)多年生大型草本植物，是僅次于水稻、小麥、玉米的第四大糧食作物，其出口貿(mào)易量居世界第二，是全球重要的水果作物[1-2]。香蕉起源于東南亞熱帶亞熱帶地區(qū)和太平洋西部，經(jīng)過人類數(shù)千年的馴化傳播，目前，已被廣泛種植，其種植面積超過百萬(wàn)hm2[2-3]。其中，中國(guó)香蕉種植面積為40萬(wàn)hm2，是全球第二大香蕉生產(chǎn)國(guó)[4-5]，香蕉產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對(duì)中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展影響重大，一直以來(lái)香蕉產(chǎn)業(yè)發(fā)展受葉斑病、枯萎病、黃斑弄蝶、花薊馬等病蟲害的制約[6-7]，其中香蕉枯萎病的影響最大，然而現(xiàn)有的化學(xué)防治藥劑在大田實(shí)驗(yàn)中效果不明顯；生物菌防治雖能抑制病原菌的生長(zhǎng)蔓延，但仍未解決如何在不降低拮抗菌的數(shù)量和活力的同時(shí)延長(zhǎng)生物菌肥保質(zhì)期的關(guān)鍵難題[8]。因此選育高抗品種成為發(fā)展香蕉產(chǎn)業(yè)的重要研究方向[9]。目前的香蕉栽培品種是由尖葉蕉(Musa acuminata)和長(zhǎng)梗蕉(Musa balbisiam)種內(nèi)或者種間雜交后代進(jìn)化而成，多為三倍體[10]。三倍體香蕉存在高度不育，品種退化，以及面對(duì)逆境、病蟲害等不利因素時(shí)抗性較弱等問題[11-12]。因此，開展香蕉種質(zhì)資源遺傳多樣性分析，對(duì)尋找抗性材料和香蕉品質(zhì)改良具有重要意義。目前有關(guān)香蕉種質(zhì)資源的研究主要通過形態(tài)學(xué)標(biāo)記、細(xì)胞學(xué)標(biāo)記、生化標(biāo)記、分子標(biāo)記等方法[1,13-14]。形態(tài)學(xué)標(biāo)記較方便直觀是最早使用且沿用至今的方法。1962年Simmonds以25個(gè)核心性狀為依據(jù)首次制定了香蕉形態(tài)學(xué)分類法，該方法成為了當(dāng)時(shí)芭蕉屬野生種質(zhì)分類的主體方法；1996年，國(guó)際香（大）蕉改良網(wǎng)絡(luò)組織出版了香蕉種質(zhì)描述規(guī)范《Descriptors for Banana(Musaspp.)》一書，使形態(tài)分類法成為了香蕉種質(zhì)資源分類的主體方法；2009年黃秉智編著《香蕉種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》，該標(biāo)準(zhǔn)沿用至今，對(duì)香蕉種質(zhì)資源研究的意義重大[12]。根據(jù)形態(tài)學(xué)分類法，姜燕[15]對(duì)中國(guó)主要蕉類進(jìn)行種質(zhì)的鑒定分類，明確其分類地位。賴鐘雄等[16]對(duì)福州野生蕉進(jìn)行植物學(xué)性狀調(diào)查，并將其確定為“AA類群”。龍興等[17]對(duì)廣西野生蕉類種質(zhì)資源進(jìn)行鑒定，結(jié)果表明，供試野生蕉種質(zhì)均為二倍體，均屬芭蕉屬真蕉組(Eumusa)，其中，2份野生蕉種質(zhì)為M.acuminatasubsp.malaccensis種，其余12份歸屬于M.itinerans種。余智城等[18]對(duì)福建漳州香蕉種質(zhì)資源進(jìn)行表型性狀研究得出香牙蕉組根據(jù)假莖高度的不同可被細(xì)分成3小類。馮慧敏等[19]對(duì)12份野生蕉進(jìn)行聚類分析，結(jié)果表明，根據(jù)染色體數(shù)，供試材料聚為2類，第一類為觀賞蕉組和真蕉組，第二類為紅花蕉組，根據(jù)葉柄基部、葉鞘光滑程度、果柄長(zhǎng)短等性狀可將第一類分為2個(gè)亞類。形態(tài)特征是基因的表現(xiàn)型，表型多樣性是物種多樣性的重要表現(xiàn)形式，對(duì)表型多樣性進(jìn)行評(píng)價(jià)是研究種質(zhì)資源的基礎(chǔ)[20]。葉是植物進(jìn)行光合作用制造有機(jī)養(yǎng)料的主要器官[21]，直接影響植物健康生長(zhǎng)和果實(shí)產(chǎn)量。對(duì)香蕉種質(zhì)資源葉片表型性狀進(jìn)行分析，較為全面的了解香蕉葉片表型性狀的多樣性，對(duì)香蕉品種選育意義重大。本研究對(duì)云南省紅河熱帶作物研究所香蕉資源圃保存的香蕉種質(zhì)資源葉型性狀進(jìn)行觀察和測(cè)量；明確其葉片表型多樣性、變異系數(shù)，并將試驗(yàn)所用的香蕉種質(zhì)資源進(jìn)行相關(guān)性分析和聚類分析，以期為云南香蕉品種改良和新品種選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)所用香蕉種質(zhì)資源均保存于云南省紅河熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所香蕉資源圃，資源圃位于22°57′N，103°88′E，海拔93 m；用于調(diào)查的植株均在抽蕾期；觀察、測(cè)定葉片均為第三片葉；且所有植株均栽植于同一地塊，生長(zhǎng)環(huán)境條件一致。供試香蕉種質(zhì)材料共49份，詳細(xì)信息見表1。

表1 供試材料名稱及來(lái)源地

1.2 調(diào)查方法

試驗(yàn)于2020—2021年在云南省紅河熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所香蕉資源圃內(nèi)進(jìn)行，18個(gè)性狀調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)參考《香蕉種質(zhì)資源描述規(guī)范》[22]；4個(gè)數(shù)量性狀（葉柄長(zhǎng)、葉片長(zhǎng)度、葉片寬度、葉形比）用卷尺進(jìn)行測(cè)量并計(jì)算，14個(gè)質(zhì)量性狀通過賦值法進(jìn)行分級(jí)（表2）。

表2 香蕉種質(zhì)資源葉片表型質(zhì)量性狀的賦值描述

續(xù)表2

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel軟件對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總及整理，計(jì)算質(zhì)量性狀的頻率分布和遺傳多樣性指數(shù)(H')，以及數(shù)量性狀的最大值(Max)、最小值(Min)、平均值(X)、標(biāo)準(zhǔn)差(S)、變異系數(shù)(CV)、頻率分布和遺傳多樣性指數(shù)(H')。變異系數(shù)計(jì)算見公式(1)[23]。

遺傳多樣性指數(shù)采用Shannon-Weaver信息指數(shù)，計(jì)算見公式(2)。

其中Pi為某一性狀第i級(jí)出現(xiàn)的頻率[24]。計(jì)算數(shù)量性狀遺傳多樣性指數(shù)時(shí)，首先對(duì)數(shù)量性狀進(jìn)行分級(jí)，根據(jù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)差將測(cè)定數(shù)據(jù)分為10級(jí)，分級(jí)區(qū)間在[X-2s,X+2s]，相連兩級(jí)間相差0.5 s，根據(jù)種質(zhì)數(shù)量在區(qū)間內(nèi)的頻次分布，計(jì)算出頻率，并進(jìn)一步計(jì)算多樣性指數(shù)[25]。用SPSS21.0軟件完成數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析、主成分分析及聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 香蕉種質(zhì)資源葉型性狀多樣性分析

2.1.1 質(zhì)量性狀多樣性分析 由表3可看出，14個(gè)質(zhì)量性狀的H'為0.269～1.455，均值為0.97。其中，葉柄基部邊緣形狀多樣性指數(shù)最高(1.455)，其次是葉柄基部邊緣顏色(1.454)，二者的頻率分布均表現(xiàn)出較高的離散程度，表明該批香蕉種質(zhì)葉柄基部邊緣形狀類型和葉柄邊緣顏色豐富。葉背蠟粉的多樣性指數(shù)為1.314，種質(zhì)性狀類型分布相對(duì)均勻。葉柄槽性狀多樣性指數(shù)為1.309，表型性狀頻次分布主要為開張且邊緣外翻。葉鞘蠟粉(1.183)、葉柄基部斑塊顏色(1.175)、葉柄基部斑塊(1.055)3個(gè)性狀多樣性指數(shù)接近，說(shuō)明它們的多樣性和豐富度接近。葉片基部形狀(0.906)、葉片基部對(duì)稱性(0.834)、葉背中脈顏色(0.722)、葉翼干枯類型(0.683)、葉片波紋(0.616)、葉姿(0.572)、葉面中脈顏色(0.269)7個(gè)性狀的多樣性指數(shù)均小于1，說(shuō)明所評(píng)價(jià)的香蕉種質(zhì)在這些性狀上的多樣性程度相對(duì)較低。表型性狀頻率分布顯示類型比較集中的幾個(gè)性狀中，葉面中脈顏色以綠色為主，占比93.88%，葉姿以開張為主，占比79.53%，葉背中脈顏色以淺綠色為主，占比73.47%。

表3 香蕉種質(zhì)資源葉片表型質(zhì)量性狀的分布頻率

2.1.2 數(shù)量性狀多樣性分析 由表4可知，4個(gè)數(shù)量性狀的H'為1.88～2.24，均值為2.11，說(shuō)明4個(gè)數(shù)量性狀均具有豐富的遺傳多樣性。4個(gè)數(shù)量性狀變異系數(shù)范圍在19.29%～33.46%，變異系數(shù)由大到小依次為葉柄長(zhǎng)(33.46%)、葉形比(20.62%)、葉片寬(20.47%)、葉片長(zhǎng)(19.29%)表明所評(píng)價(jià)的香蕉種質(zhì)在4個(gè)數(shù)量性狀上的變異幅度較大，多樣性程度較高。

表4 香蕉種質(zhì)資源葉片表型性狀遺傳多樣性分析

2.2 香蕉種質(zhì)資源表型性狀的相關(guān)性分析

對(duì)49份香蕉種質(zhì)的18個(gè)性狀進(jìn)行雙變量相關(guān)性分析（表5），結(jié)果顯示，31對(duì)性狀相關(guān)性達(dá)到極顯著水平(P＜0.01)，18對(duì)性狀相關(guān)性達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。其中，葉翼干枯類型、葉形比、葉柄長(zhǎng)兩兩呈極顯著正相關(guān)；葉鞘蠟粉、葉背蠟粉、葉面中脈顏色兩兩呈極顯著或顯著正相關(guān)；葉柄基部邊緣形狀和葉柄槽形狀分別與葉翼干枯類型、葉片長(zhǎng)、葉形比、葉柄長(zhǎng)極顯著正相關(guān)，且二者互為極顯著正相關(guān)；葉姿和葉背蠟粉分別與葉片波紋、葉片寬極顯著正相關(guān)，且二者互為顯著正相關(guān)；葉片基部形狀僅與葉片基部對(duì)稱性極顯著正相關(guān)，與葉片波紋極顯著負(fù)相關(guān)；葉柄邊緣顏色僅與葉柄基部斑塊顏色顯著負(fù)相關(guān)，葉片基部對(duì)稱性僅與葉片基部形狀極顯著相關(guān)；葉背中脈顏色與葉片寬極顯著負(fù)相關(guān)，葉片寬與葉形比極顯著負(fù)相關(guān)，葉背中脈顏色與與葉形比極顯著正相關(guān)。18個(gè)性狀間存在不同程度的相關(guān)性，彼此之間互相影響關(guān)系密切。

表5 49份香蕉種質(zhì)葉片表型性狀相關(guān)性

2.3 香蕉種質(zhì)資源葉片表型性狀的主成分分析

對(duì)49份香蕉種質(zhì)資源的18個(gè)葉型性狀進(jìn)行主成分分析（表6），結(jié)果表明，前6個(gè)主成分貢獻(xiàn)率分別為25.31%、19.31%、11.40%、10.40%、6.73%、5.64%，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)78.80%，表明這6個(gè)主成分代表了18個(gè)葉片表型性狀的大多數(shù)信息。第1主成分主要由葉柄槽形狀、葉柄基部邊緣形狀、葉翼干枯類型、葉柄長(zhǎng)4個(gè)性狀決定，貢獻(xiàn)率最大。第2主成分中葉姿、葉背蠟粉、葉片寬的特征向量較高，是該主成分的主要性狀。第3主成分中葉鞘蠟粉、葉面中脈顏色的特征向量較大，說(shuō)明該主成分由這3個(gè)性狀決定。第4、5、6主成分中分別是葉片基部對(duì)稱性、葉鞘蠟粉、葉柄邊緣顏色的特征向量最高，為各主成分的主要貢獻(xiàn)指標(biāo)。

表6 香蕉種質(zhì)資源葉片表型性狀的主成分分析

2.4 香蕉種質(zhì)資源葉片表型性狀的聚類分析

采用離差平方和法（Ward法）對(duì)49份香蕉種質(zhì)資源進(jìn)行基于歐式遺傳距離的聚類分析（圖1）。結(jié)果表明：在歐氏遺傳距離為10處可將供試材料分為4個(gè)類群，第I類群為野生蕉和觀賞蕉，共4份，占供試材料的8.16%，該類群主要表現(xiàn)為葉姿直立、葉柄基部斑塊呈棕褐色、葉柄基部有葉翼且抱緊、葉片基部明顯不對(duì)稱、葉形比最大，其中，葉姿、葉柄基部斑塊顏色、葉柄基部邊緣形狀為該類群明顯區(qū)別于其他類群的主要性狀；第II類群多為大蕉和粉蕉，共14份，占供試材料的28.57%，主要特征為葉姿開張、葉翼不干枯、葉片最長(zhǎng)、最寬、葉柄最長(zhǎng)；第III類群共13份，占供試材料的26.53%，其葉形比和葉柄長(zhǎng)處于居中水平，為除第I類群外的所有野生蕉，其中包括1份‘紅蕉’，1份‘美葉芭蕉’；第IV類群為香牙蕉，共18份，占供試材料的36.73%，主要表現(xiàn)為葉姿開張、葉柄槽開張且邊緣外翻、葉柄邊緣顏色多為淺紅至紫、葉翼干枯、葉柄最短、葉形比最小，該類群最顯著的特征為葉柄槽開張且邊緣外翻（表7）。

圖1 49份香蕉種質(zhì)聚類分析圖

表7 香蕉種質(zhì)資源各類群葉型性狀特征和平均數(shù)

續(xù)表7

3 討論與結(jié)論

表型性狀是基因與環(huán)境共同影響的結(jié)果，表型性狀的變異分析、相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析可以較為全面地了解種質(zhì)資源的多樣性[26]。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)是評(píng)價(jià)種質(zhì)資源多樣性的一個(gè)重要指標(biāo)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于種質(zhì)資源多樣性分析[27]。本研究利用其對(duì)香蕉種質(zhì)葉片表型性狀進(jìn)行多樣性分析發(fā)現(xiàn)數(shù)量性狀的平均多樣性指數(shù)遠(yuǎn)高于質(zhì)量性狀的平均多樣性指數(shù)，且單個(gè)數(shù)量性狀的多樣性指數(shù)均高于各質(zhì)量性狀的多樣性指數(shù)。這與李峰等[28]對(duì)67份慈姑種質(zhì)資源進(jìn)行表型多樣性分許，發(fā)現(xiàn)葉片形狀、球莖形狀、球莖皮色的多樣性指數(shù)均低于其他數(shù)量性狀多樣性指數(shù)的結(jié)果相似；與王治會(huì)等[29]通過對(duì)35份茶樹種質(zhì)資源的21個(gè)芽葉表型性狀進(jìn)行多樣性研究，發(fā)現(xiàn)數(shù)量型性狀的平均多樣性指數(shù)高于描述性性狀平均多樣性指數(shù)的結(jié)果一致。究其原因可能是數(shù)量性狀易受環(huán)境因素影響，與質(zhì)量性狀相比不夠穩(wěn)定，從而導(dǎo)致數(shù)量性狀變異更豐富，多樣性指數(shù)較高。變異系數(shù)反映了各性狀數(shù)據(jù)的離散程度，有研究證明，變異系數(shù)大于10%時(shí)，樣本間差異明顯[30]。本研究中數(shù)量性狀變異系數(shù)分別為葉柄長(zhǎng)(33.46%)、葉形比(20.62%)、葉片寬(20.47%)、葉片長(zhǎng)(19.29%)，均大于10%，說(shuō)明香蕉種質(zhì)資源葉片表型多樣性豐富，對(duì)后續(xù)的開發(fā)利用有積極意義。進(jìn)一步進(jìn)行相關(guān)性分析后發(fā)現(xiàn)各性狀間均存在不同程度的相關(guān)關(guān)系，這與郭琪等[25]對(duì)山西刺槐種質(zhì)資源的葉片表型多樣性分析結(jié)果相似。各性狀間相互影響，在進(jìn)行性狀改良及選育種時(shí)，需將各性狀間密切的相關(guān)關(guān)系考慮在內(nèi)。

主成分分析可以將多個(gè)性狀指標(biāo)簡(jiǎn)化為幾個(gè)能反映較多信息的綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)[23]。本研究中18個(gè)性狀簡(jiǎn)化為6個(gè)主成分，各主成分的貢獻(xiàn)指標(biāo)為葉姿、葉鞘蠟粉、葉柄槽形狀、葉柄基部邊緣形狀、葉柄邊緣顏色、葉面中脈顏色、葉背蠟粉、葉片基部對(duì)稱性、葉翼干枯類型、葉柄長(zhǎng)、葉片寬。6個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率為78.80%，11個(gè)葉片表型性狀反映了香蕉種質(zhì)的大多數(shù)信息，為香蕉葉片表型多樣性評(píng)價(jià)的關(guān)鍵指標(biāo)，可為香蕉選育種提供參考[20]。聚類分析明確了香蕉種質(zhì)的類型，本研究中香芽蕉聚為一個(gè)類群，大蕉、粉蕉聚為一個(gè)類群的結(jié)果與譚衛(wèi)萍等[31]應(yīng)用AFLP技術(shù)對(duì)60個(gè)栽培蕉和野生蕉種進(jìn)行聚類分析得到的結(jié)果一致。唐敏慧[32]基于SSR標(biāo)記對(duì)66個(gè)香蕉品種的聚類分析，發(fā)現(xiàn)AA、AAB、ABB組香蕉聚為一類，得出了部分栽培種粉蕉與野生二倍體香蕉親緣關(guān)系較近。陳紅俊[33]通過對(duì)福州和泉州5個(gè)類型野生蕉的7個(gè)自然居群進(jìn)行ISSR遺傳多樣性分析，發(fā)現(xiàn)居群3、4、5與居群2、7聚在一起后，得出宦溪野生蕉與福州北峰野生蕉、永春野生蕉親緣關(guān)系比較近。本研究聚類分析結(jié)果中‘紅蕉’、‘美葉芭蕉’和‘長(zhǎng)梗蕉’被聚為同一類群，推測(cè)這可能是三者間的親緣關(guān)系比較近，也可能是與本研究?jī)H從葉片表型性狀進(jìn)行探討有關(guān)。為進(jìn)一步確定香蕉種質(zhì)的間關(guān)系，接下來(lái)將從花、果實(shí)等具有傳統(tǒng)分類價(jià)值的性狀進(jìn)行研究。