生姜種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性分析

姜棟柱 趙小琴 劉燃 李洪雷 劉奕清* 蔡小東*

（1 長(zhǎng)江大學(xué)園藝園林學(xué)院/香辛作物研究院，湖北荊州 434025；2 重慶市幅沅農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究院有限公司，重慶永川 402160；3 重慶文理學(xué)院特色植物研究院/經(jīng)濟(jì)植物生物技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶永川 402160）

生姜（Zingiber officinaleRosc.）是姜科姜屬單子葉多年生宿根草本植物，具有獨(dú)特的芳香和刺激性辣味，不僅是傳統(tǒng)的香辛保健蔬菜，也是食品、醫(yī)藥及化工產(chǎn)品的重要原材料（王磊 等，2013；Li et al.，2019），單位面積經(jīng)濟(jì)效益居農(nóng)作物前列。生姜主要栽培于世界熱帶、亞熱帶及暖溫帶地區(qū)，在我國(guó)山東、河北、湖南、四川、貴州、重慶、廣西等地廣泛種植。我國(guó)已成為世界上生姜生產(chǎn)規(guī)模最大、國(guó)際貿(mào)易量最多的國(guó)家（任清盛和李承永，2021）。由于生姜開(kāi)花結(jié)實(shí)率低，難以采用常規(guī)育種手段選育新品種，目前我國(guó)生姜栽培大多采用自然馴化或無(wú)性系選育的地方品種（王磊 等，2013；黃小云 等，2017；李洪雷 等，2021）。近年來(lái)，隨著人們對(duì)生姜營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和保健功能的深入認(rèn)知，對(duì)生姜的產(chǎn)量和品質(zhì)也提出了更多、更高的要求。豐富的種質(zhì)資源是生姜種質(zhì)創(chuàng)新利用、遺傳改良和品種選育的物質(zhì)基礎(chǔ)，而挖掘利用種質(zhì)資源的前提是對(duì)其進(jìn)行科學(xué)的鑒定和評(píng)價(jià)。我國(guó)生姜種質(zhì)資源豐富，各地地方品種在形態(tài)特征、營(yíng)養(yǎng)成分及功能性成分含量等方面差異明顯（李秀 等，2012；李倩等，2020）。目前，我國(guó)生姜種質(zhì)資源在農(nóng)藝性狀評(píng)價(jià)、倍性水平分析、分子標(biāo)記鑒定、化學(xué)成分分析等方面的研究取得了較大進(jìn)展（王磊 等，2013；Wang et al.，2014；邢穎和左佳佳，2020），然而總體研究還比較薄弱。因此，鑒定評(píng)價(jià)現(xiàn)有資源、篩選優(yōu)良種質(zhì)，對(duì)生姜種質(zhì)改良與新品種培育具有重要意義。

農(nóng)藝性狀的評(píng)價(jià)是作物種質(zhì)資源遺傳多樣性研究最基本、最直接的方法，通過(guò)對(duì)重要農(nóng)藝性狀進(jìn)行遺傳多樣性、主成分、聚類(lèi)等分析，可了解種質(zhì)資源的豐富度和獨(dú)特性，掌握性狀間的相關(guān)性。生姜的農(nóng)藝性狀主要包括株高、莖粗、分枝數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬、葉片數(shù)、葉面積、根莖鮮質(zhì)量、地上莖鮮質(zhì)量、姜球數(shù)等指標(biāo)（李秀 等，2012；李倩 等，2020）。長(zhǎng)期以來(lái)，產(chǎn)量是主要的研究目標(biāo)，各農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量之間的相關(guān)性一直是生姜育種研究熱點(diǎn)。徐坤和趙德婉（1994）研究發(fā)現(xiàn)，生姜產(chǎn)量構(gòu)成的主要因子依次為葉面積、分枝數(shù)、根鮮質(zhì)量，而姜球數(shù)對(duì)產(chǎn)量為負(fù)效應(yīng)。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外46 份生姜材料的農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量進(jìn)行多重分析，李秀等（2012）認(rèn)為粗壯的莖稈、較少的分枝、較厚的葉片、發(fā)達(dá)的同化系統(tǒng)、較低的根莖干物質(zhì)含量是高產(chǎn)型生姜的主要特征。李倩等（2020）對(duì)湖南省47 份生姜資源的主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行了分析，結(jié)果表明主莖葉數(shù)、分枝數(shù)、根狀莖長(zhǎng)、子姜粗、地上莖粗、根狀莖寬等對(duì)生姜單株產(chǎn)量的形成具有較大的直接效應(yīng)，但主莖葉數(shù)、分枝數(shù)和子姜粗度為負(fù)效應(yīng)。由此可見(jiàn)，生姜不同地方品種之間農(nóng)藝性狀存在較大差異，單株產(chǎn)量受到多個(gè)農(nóng)藝性狀的影響。本試驗(yàn)以不同來(lái)源地的33 份生姜核心種質(zhì)為材料，對(duì)其12 個(gè)重要農(nóng)藝性狀進(jìn)行調(diào)查及遺傳多樣性分析，以期篩選出農(nóng)藝性狀綜合表現(xiàn)最優(yōu)的類(lèi)群和種質(zhì)，為生姜資源評(píng)價(jià)、種質(zhì)改良與新品種培育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為重慶市作物種質(zhì)永川生姜資源圃從國(guó)內(nèi)外收集的33 份生姜材料，種質(zhì)名稱(chēng)及收集地如表1 所示。試驗(yàn)于2021 年在重慶市永川區(qū)黃瓜山生姜種植基地進(jìn)行，栽培方式為露地栽培，4 月中旬按株距25 cm、行距65 cm 定植。采用隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積8 m2，每小區(qū)種植50 株左右，重復(fù)3 次，按常規(guī)方法進(jìn)行田間管理（劉燃 等，2019），管理水平基本一致。

表1 供試生姜種質(zhì)名稱(chēng)及收集地

1.2 農(nóng)藝性狀調(diào)查

2021 年10 月14 日生姜收獲時(shí)，每份種質(zhì)每小區(qū)隨機(jī)選取5 株具有典型特征的代表性植株，分別測(cè)定其株高、莖粗、分枝數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬、葉片數(shù)/分枝、根莖長(zhǎng)、根莖寬、姜球數(shù)、姜球直徑、地上部鮮質(zhì)量、單株產(chǎn)量等指標(biāo)，以其平均值作為該種質(zhì)的實(shí)測(cè)值。各指標(biāo)測(cè)定方法參照Blanco 和Pinheiro（2017）的方法進(jìn)行。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 24.0 軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析和聚類(lèi)分析。按照聶石輝等（2015）的方法將各農(nóng)藝性狀劃分為10 個(gè)等級(jí)，計(jì)算遺傳多樣性指數(shù)H＇（Shannon-Wiener index）。聚類(lèi)分析過(guò)程中，為便于數(shù)量化和統(tǒng)計(jì)分析，數(shù)值首先進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換。種質(zhì)間遺傳距離為平方歐氏距離，聚類(lèi)方法采用離差平方和法。

2 結(jié)果與分析

2.1 生姜種質(zhì)主要農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性分析

如表2 所示，33 份生姜不同種質(zhì)間主要農(nóng)藝性狀有豐富的變異。12 個(gè)農(nóng)藝性狀變異系數(shù)介于8.4%～26.1%之間，其中分枝數(shù)的變異系數(shù)最大，其次是單株產(chǎn)量（24.8%），變異系數(shù)最小的是葉寬；根莖長(zhǎng)遺傳多樣性指數(shù)最高（2.1），其次是葉長(zhǎng)和地上部鮮質(zhì)量（2.0），葉寬最低（1.0）。表明供試生姜遺傳背景豐富。

表2 供試生姜種質(zhì)農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性分析

2.2 生姜種質(zhì)主要農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

如表3 所示，33 份生姜種質(zhì)部分主要農(nóng)藝性狀間存在顯著或極顯著的相關(guān)性。其中株高與葉長(zhǎng)、單株產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，與莖粗、葉寬、姜球直徑、地上部鮮質(zhì)量呈顯著正相關(guān)，而與姜球數(shù)呈負(fù)相關(guān)；莖粗與葉長(zhǎng)、葉寬分別呈極顯著和顯著正相關(guān)；分枝數(shù)與姜球數(shù)、地上部鮮質(zhì)量、單株產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，而與姜球直徑呈極顯著負(fù)相關(guān)；葉片數(shù)/分枝與姜球數(shù)呈顯著正相關(guān)；葉長(zhǎng)與葉寬、根莖長(zhǎng)、姜球直徑、單株產(chǎn)量呈顯著或極顯著正相關(guān)；葉寬與根莖寬呈顯著正相關(guān)；根莖長(zhǎng)與姜球數(shù)、地上部鮮質(zhì)量呈顯著正相關(guān)，與單株產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)；根莖寬與姜球直徑呈極顯著正相關(guān)；姜球數(shù)與地上部鮮質(zhì)量、單株產(chǎn)量分別呈極顯著和顯著正相關(guān)，與姜球直徑呈顯著負(fù)相關(guān)；地上部鮮質(zhì)量與單株產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)。表明植株高大、分枝多、葉片長(zhǎng)、根莖長(zhǎng)、姜球數(shù)多、地上部鮮質(zhì)量大等性狀是高產(chǎn)生姜種質(zhì)的特征。

表3 供試生姜種質(zhì)12 個(gè)農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

2.3 生姜種質(zhì)農(nóng)藝性狀的主成分分析

主成分分析結(jié)果表明（表4），前4 個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為71.03%，基本包含原始指標(biāo)的大部分信息，可作為評(píng)價(jià)生姜種質(zhì)農(nóng)藝性狀的綜合指標(biāo)。主成分1特征值為3.613，貢獻(xiàn)率最大（27.79%），其決定因素主要是單株產(chǎn)量，其次是株高、葉長(zhǎng)、根莖長(zhǎng)等，說(shuō)明地上部生長(zhǎng)旺盛、根莖較大是高產(chǎn)生姜的重要農(nóng)藝性狀。主成分2 的特征值為3.331，貢獻(xiàn)率為25.45%，其中分枝數(shù)、單株產(chǎn)量、葉片數(shù)/分枝、姜球數(shù)載荷較大，說(shuō)明植株分枝少、葉片少、姜球少，生姜的產(chǎn)量則低。主成分3 特征值為1.180，貢獻(xiàn)率為9.08%，載荷最高且特征向量值為正的農(nóng)藝性狀為根莖寬，其次是姜球數(shù)、姜球直徑、根莖長(zhǎng)，說(shuō)明該主成分主要反映生姜根莖的相關(guān)信息。主成分4 特征值為1.130，葉片數(shù)/分枝貢獻(xiàn)率最高，載荷最大，說(shuō)明該主成分主要反映生姜葉片的相關(guān)信息。

表4 供試生姜種質(zhì)12 個(gè)農(nóng)藝性狀的主成分分析

2.4 生姜種質(zhì)農(nóng)藝性狀的聚類(lèi)分析與綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)各主成分特征值和方差貢獻(xiàn)率的不同，構(gòu)建生姜綜合評(píng)價(jià)指數(shù)，將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換，以平方歐式距離對(duì)種質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi)分析，在平方歐式距離為5 處，可將33 份種質(zhì)資源分為3 個(gè)類(lèi)群（圖1）。類(lèi)群Ⅰ包含了12 份種質(zhì)，植株整體矮小、莖稈纖細(xì)、產(chǎn)量低，屬低產(chǎn)類(lèi)型；類(lèi)群Ⅱ包含了16份種質(zhì)，其株高、葉片和產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀指標(biāo)表現(xiàn)中等，屬中高產(chǎn)類(lèi)型；類(lèi)群Ⅲ包含了5 份種質(zhì)，即G7（廣西大姜）、G14（渝姜1 號(hào)）、G21（泰國(guó)白姜）、G22（宜春大姜）、G31（貴州大黃姜），植株整體長(zhǎng)勢(shì)強(qiáng)，莖稈粗壯，葉片大，單株產(chǎn)量高，屬于高產(chǎn)類(lèi)型，其主要農(nóng)藝性狀特征如下（數(shù)值均為調(diào)查數(shù)據(jù)的平均值）。

圖1 基于平方歐式距離的生姜種質(zhì)聚類(lèi)分析

渝姜1 號(hào)：葉色綠，株高103.8 cm，莖粗12.3 mm，分枝數(shù)20.3 個(gè)，葉長(zhǎng)30.3 cm，葉寬3.4 cm，根莖呈不規(guī)則塊狀、略扁、指狀分支，根莖長(zhǎng)29.1 cm，單株產(chǎn)量1 833.3 g。廣西大姜：葉色深綠，株高109.8 cm，莖粗14.4 mm，分枝數(shù)17.3 個(gè)，葉長(zhǎng)32.4 cm，葉寬3.6 cm，根莖肥厚，姜球肥大，根莖橫長(zhǎng)33.7 cm，單株產(chǎn)量1 866.7 g。貴州大黃姜：葉色深綠，株高111.1 cm，莖粗16.9 mm，分枝數(shù)14.0 個(gè)，葉長(zhǎng)30.6 cm，葉寬3.0 cm，根莖肥厚，近圓柱形，根莖橫長(zhǎng)29.6 cm，單株產(chǎn)量1 833.3 g。泰國(guó)白姜：葉色綠，株高113.8 cm，莖粗13.2 mm，分枝數(shù)17.0 個(gè)，葉長(zhǎng)28.7 cm，葉寬3.4 cm，根莖呈佛手狀，姜指飽滿，根莖橫長(zhǎng)30.5 cm，單株產(chǎn)量1 673.3 g。宜春大姜：葉色深綠，株高94.2 cm，莖粗13.4 mm，分枝數(shù)14.0 個(gè)，葉長(zhǎng)30.3 cm，葉寬3.4 cm，根莖肥厚，姜球肥大，根莖橫長(zhǎng)30.6 cm，單株產(chǎn)量1 435.6 g。

3 結(jié)論與討論

我國(guó)生姜栽培大多采用傳統(tǒng)地方品種，其命名往往帶有地方或民族特色，加之近年來(lái)因不同地區(qū)之間的頻繁引種而造成的生姜品種混亂，極易導(dǎo)致生姜同物異名或同名異物現(xiàn)象。因此，開(kāi)展生姜種質(zhì)資源的鑒定評(píng)價(jià)和遺傳多樣性分析，對(duì)利用誘變育種、倍性育種、原生質(zhì)體融合育種等生物育種手段培育生姜新品種有重要的意義。本文綜合分析了重慶市作物種質(zhì)永川生姜資源圃保存的33 份生姜種質(zhì)資源的表型性狀的遺傳多樣性，結(jié)果表明，各性狀的遺傳多樣性指數(shù)在1.0～2.1 之間，平均為1.765，其中根莖長(zhǎng)的遺傳多樣性指數(shù)最高，為2.1；分枝數(shù)的變異系數(shù)最高，達(dá)26.1%，說(shuō)明這些性狀在不同生姜資源間遺傳差異較大，遺傳多樣性較豐富。相關(guān)性分析結(jié)果表明12 個(gè)農(nóng)藝性狀間的關(guān)聯(lián)較為緊密，單株產(chǎn)量受多個(gè)農(nóng)藝性狀的影響，尤其是株高、分枝數(shù)、根莖長(zhǎng)、地上部鮮質(zhì)量、葉長(zhǎng)、姜球數(shù)，這與前人的研究結(jié)果基本一致（徐坤和趙德婉，1994；李秀 等，2012；李倩 等，2020）。主成分分析結(jié)果表明，前4 個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率為71.03%，可作為生姜資源農(nóng)藝性狀評(píng)價(jià)的綜合指標(biāo)，其中決定第1 主成分的主要農(nóng)藝性狀為單株產(chǎn)量、株高、葉長(zhǎng)、根莖長(zhǎng)、地上部鮮質(zhì)量等。聚類(lèi)分析結(jié)果可將供試的33 份生姜種質(zhì)劃分為3 個(gè)類(lèi)群，其中第Ⅲ類(lèi)種質(zhì)（廣西大姜、泰國(guó)白姜、貴州大黃姜、宜春大姜、渝姜1 號(hào)）植株高大、莖稈粗壯、葉片大、單株產(chǎn)量高，種質(zhì)綜合表現(xiàn)最優(yōu)，可作為選育高產(chǎn)品種的目標(biāo)親本加以利用。

在育種過(guò)程中，親本材料的選擇應(yīng)依據(jù)主成分分析進(jìn)行排序，全面評(píng)估每個(gè)親本材料綜合指標(biāo)的優(yōu)劣，依據(jù)制定的育種目標(biāo)，結(jié)合聚類(lèi)分析結(jié)果，合理選配親本，以便盡快培育出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、多抗的新品種。本試驗(yàn)對(duì)生姜種質(zhì)資源的主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行了分析，農(nóng)藝性狀評(píng)價(jià)雖然簡(jiǎn)單快捷，但極易遭受自然環(huán)境和人為因素的影響，并且反映的信息有限，難以根據(jù)農(nóng)藝性狀來(lái)分析種質(zhì)的遺傳背景。例如，韓春梅等（2013）研究發(fā)現(xiàn)了生姜收獲期的株高、分枝數(shù)和根莖產(chǎn)量受栽培模式不同程度的影響。因此，為深入了解生姜種質(zhì)資源，還需要進(jìn)一步進(jìn)行品質(zhì)分析、抗逆性鑒定以及分子水平的研究，這樣才能更加全面、準(zhǔn)確地對(duì)生姜種質(zhì)資源進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。