109份豐產(chǎn)核桃單株堅果表型多樣性分析及性狀評價

張赟齊,董寧光,郝艷賓,陳永浩, 張俊佩,侯智霞,蘇淑釵,吳佳慶, 齊建勛*

(1.北京市農(nóng)林科學院林業(yè)果樹研究所,農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北都市農(nóng)業(yè)重點實驗室,北京 100097;2.林木遺傳育種國家重點實驗室,國家林業(yè)和草原局林木培育重點實驗室,中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所,北京 100091;3.省部共建森林培育與保護教育部重點實驗室,北京林業(yè)大學,北京 100083)

核桃(Juglansregia)是溫帶地區(qū)栽培面積最廣的重要經(jīng)濟樹種[1],具有較高的營養(yǎng)和藥用價值,被聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)列入優(yōu)先發(fā)展的植物名錄[2],廣泛種植于中亞、東亞、南歐、北非、美洲和西印度群島等地[3]。核桃是我國重要的食用堅果和木本油料樹種,2020年我國核桃堅果產(chǎn)量達479.59萬t[4],在增加農(nóng)民收入、保障國家糧油安全以及實現(xiàn)鄉(xiāng)村振興等方面發(fā)揮了重要作用。

良種選育是核桃產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵,世界各核桃主產(chǎn)國一直在結合產(chǎn)業(yè)需求提出適合階段性發(fā)展且兼具一定特色的育種目標[5-7]。近年來,國內(nèi)外學者們持續(xù)開展了通過堅果表型篩選優(yōu)良基因型的研究。Poggetti等[8]對意大利東北部野生核桃資源開展了堅果表型分析并制定了多元變量指數(shù)表用于資源評價;Khadivi等[9]對伊朗主要核桃產(chǎn)區(qū)的核桃資源進行了堅果表型分析,以堅果單果質(zhì)量、核仁單果質(zhì)量和出仁率作為核心指標篩選優(yōu)良資源;國外其他地區(qū)也相繼開展了核桃堅果表型分析工作并篩選出適宜本地區(qū)發(fā)展的優(yōu)良基因型[10-13]。國內(nèi)有關核桃堅果表型多樣性及品系選優(yōu)的研究一直在持續(xù)開展,中國林業(yè)科學研究院研究團隊在核桃起源分布的重要區(qū)域西藏[14]和秦巴山區(qū)[15]開展了核桃堅果表型差異和遺傳多樣性的研究,其他科研院所也開展了相應地區(qū)核桃種質(zhì)資源的調(diào)查和研究工作[16-24]。

京冀地區(qū)是我國傳統(tǒng)的核桃主產(chǎn)區(qū)之一,其中早實核桃占該地區(qū)核桃種植面積的80%以上,早實核桃結實早、早期收益高,對栽培管理要求更細致,粗放管理容易發(fā)生早衰現(xiàn)象并引發(fā)病蟲害,導致產(chǎn)量品質(zhì)的迅速衰退[25],適時進行優(yōu)良品系(種)的更新和優(yōu)化是防止早衰的有效途徑之一。為篩選和創(chuàng)制適用于本地區(qū)栽植的核桃優(yōu)系(種),本研究評估了北京市農(nóng)林科學院核桃選種圃的堅果表型多樣性,并基于主成分分析和隸屬函數(shù)法對種質(zhì)資源進行了綜合評價。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料均取自北京市農(nóng)林科學院林業(yè)果樹研究所核桃研究室的選種圃(116°56′3″E, 40°4′0″N),大田管理措施一致。2001—2009年,選種圃累計實生繁育選種群體[‘香玲’(J.regiacv. Xiangling)后代、‘新新2號’(J.regiacv. Xinxin 2)后代、‘溫185’(J.regiacv. Wen 185)核桃后代和北京本地核桃優(yōu)株后代]5萬余株,目前保留了300余株處于穩(wěn)產(chǎn)期、長勢良好、豐產(chǎn)性較好和抗寒性較強的優(yōu)株(系),2020年9月復選出果實病蟲害少、抗病蟲害較強的109株(品系編號對應序號見表1),每株樹隨機選擇30個果實,統(tǒng)一脫皮晾干后裝入自封袋運回實驗室,冷藏保存用于表型測定。

表1 109份核桃種質(zhì)資源編號及名稱

1.2 表型測定方法

核桃堅果表型性狀的測定依據(jù)GB/T 26909—2011《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測試指南:核桃屬》進行。 堅果的縱徑(length,L)、橫徑(width,W)、側徑(thickness,T)、殼厚(shell thickness,TS)用電子游標卡尺(精度為0.01 mm)在橫徑中部進行測量;單果干質(zhì)量(nut weight,mN)、核仁干質(zhì)量(kernel weight,mK)、膈膜干質(zhì)量(diaphragm weight,mD)和種殼干質(zhì)量(shell weight,mS)用天平(精度為0.01g)稱量。

通過堅果三徑和干質(zhì)量指標,可以計算堅果的一系列其他表型參數(shù)[26-27]:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式中:Lmajor表示三徑里最大值,Lminor表示三徑最小值。體積出仁率表示單位體積、單位質(zhì)量堅果所含的核仁質(zhì)量,可在一定程度上反映核仁的充實飽滿程度。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2010進行數(shù)據(jù)整理,計算各性狀平均值、標準差和變異系數(shù);使用SPSS 20.0完成多元統(tǒng)計分析,包括采用Duncan多重比較法檢驗差異性、采用Pearson方法進行相關性分析、采用主成分法對堅果表型性狀進行降維分析、采用歐氏遺傳距離(Euclidean distance)結合離差平方和法(Ward’s method)對核桃堅果數(shù)量型性狀進行聚類分析;采用Shannon-Wiener 指數(shù)來描述遺傳多樣性;采用主成分分析和隸屬函數(shù)相結合的方法計算綜合評價值(D)評價堅果表型性狀[28]。

2 結果與分析

2.1 核桃堅果表型性狀遺傳多樣性及相關性分析

對109份核桃優(yōu)株(系)的18項堅果表型性狀指標進行統(tǒng)計分析,結果見表2。由表2可知,核桃各性狀產(chǎn)生了不同程度的遺傳分化,變異系數(shù)為4.70%～25.00%,均值為13.41%;遺傳多樣性指數(shù)在2.849～3.023之間,均值為2.94;方差分析的F值顯示堅果表型性狀的變異均達到極顯著水平(P<0.01),個體間存在較大的遺傳差異,遺傳多樣性較為豐富。

表2 109份核桃種質(zhì)資源堅果表型性狀的遺傳多樣性分析

種殼干質(zhì)量分化最大(變化幅度2.81～10.77 g),變異系數(shù)為25.00%;其次為體積出仁率(變化幅度1.29～4.75 cm-3),變異系數(shù)為24.05%;膈膜干質(zhì)量、殼厚、體積、單果干質(zhì)量、核仁干質(zhì)量和表面積的變異系數(shù)也均超過10.00%,顯示出堅果大小和干質(zhì)量指標具有較高的離散程度;球形度的分化程度較小(變化幅度0.82～1.02),變異系數(shù)為4.70%,個體間變異較小。

對核桃堅果18個表型性狀進行相關性分析(表3)發(fā)現(xiàn),性狀大多具有顯著相關性。堅果三徑是衡量堅果大小的主要參數(shù),與算術平均直徑、幾何平均直徑、表面積和體積的相關性均較高(高達0.8以上),與體積出仁率的關系均呈極顯著負相關;殼厚與種殼干質(zhì)量、出仁率的關系最為密切;單果干質(zhì)量和核仁干質(zhì)量、種殼干質(zhì)量的關系最為密切,干質(zhì)量指標與反映堅果大小的指標均呈極顯著正相關;堅果的形狀指標(長寬比、果形指數(shù)、伸長率和球形度)均與堅果三徑關系密切;出仁率與殼厚、堅果干質(zhì)量和種殼干質(zhì)量均呈極顯著負相關;體積出仁率與堅果大小、干質(zhì)量指標均呈極顯著負相關,與出仁率呈顯著正相關。

表3 109份核桃種質(zhì)資源堅果表型性狀的相關性分析

2.2 核桃堅果表型性狀的主成分分析

對109份核桃資源的18個堅果表型性狀進行了主成分分析,結果見表4。以特征值1.0為標準提取出3個主成分,其累積貢獻率達到91.596%,能反映堅果表型性狀的大部分信息。

表4 109份核桃種質(zhì)資源堅果數(shù)量性狀的主成分分析

第1主成分特征值最大(9.790),貢獻率也最大,為54.39%,特征向量中正向載荷較高的性狀有堅果三徑、表面積、體積、干質(zhì)量等,其特征向量值均高于0.7,這些性狀反映了堅果的大小,而負向載荷較高的是體積出仁率,特征向量值為-0.949。第2主成分特征值為4.356,貢獻率為24.203%,正向載荷較高的性狀有長寬比、果形指數(shù)和球形度,其特征向量值均高于0.9,負向載荷較高的性狀是縱徑和伸長率,其特征向量值分別為-0.640和-0.951,這類性狀與堅果的形狀有關。第3主成分特征值為2.341,貢獻率為13.003%,正向載荷較高的性狀為出仁率(0.936),負向載荷較高的性狀是殼厚和種殼干質(zhì)量,其特征向量值分別為-0.880和-0.612,屬于堅果的外在品質(zhì)指標。

為直觀揭示各表型性狀之間的關系,繪制了堅果各表型性狀的主成分散點圖(圖1)。長寬比、果形指數(shù)和球形度在坐標系的同一投影區(qū)域且較為接近,堅果橫徑、堅果側徑、單果干質(zhì)量、核仁干質(zhì)量、堅果表面積、堅果體積、算術平均直徑和幾何平均直徑在坐標上的投影也較為接近且處在同一區(qū)域,表明這些指標之間具有很高的正相關性。體積出仁率與出仁率在第1主成分上的投影較為接近,關系密切。相隔較遠的性狀間關系不密切,與相關性分析的結果一致。

圖1 109份核桃種質(zhì)資源堅果表型性狀的三維主成分坐標散點圖Fig. 1 Principal coordinate three-dimensional plot of phenotypic traits of 109 walnut germplasm resources

2.3 核桃堅果表型性狀的聚類分析

將堅果的18個表型性狀數(shù)據(jù)標準化后,對109份核桃資源進行聚類分析,在歐氏距離為9.0時,可分為4大類群(圖2,編碼指代的具體品系見表1)。第Ⅰ類群包括了44份資源,堅果較大[(25.59±2.47)cm3],果形較圓,平均出仁率較高[(56.44±3.16)%],但平均體積出仁率略低[(2.22±0.21) cm-3];第Ⅱ類群包括了26份資源,堅果中等大小[(22.49±2.42)cm3],橢圓形,種殼最薄[(1.24±0.31)mm],平均出仁率最高[(58.37±5.32)%],平均體積出仁率較高[(2.63±0.40) cm-3];第Ⅲ類群包括了25份資源,小果型[(17.47±2.99)cm3],近球形,平均出仁率較高[(54.79±4.36)%],平均體積出仁率最高[(3.22±0.55)cm-3],核仁充實飽滿;第Ⅳ類群包括了14份資源,堅果大[(30.93±4.26)cm3],近球形,堅果各部分干質(zhì)量的數(shù)值均最高,平均出仁率略低[(53.03±4.73)%],體積出仁率最低[(1.74±0.25)cm-3]。

圖2 基于堅果表型性狀的109份核桃種質(zhì)資源聚類分析Fig. 2 Cluster analysis of 109 walnut germplasm resources based on phenotypic traits

2.4 核桃堅果表型性狀評價結果

將109份核桃資源的堅果表型性狀數(shù)值標準化,根據(jù)3個主成分的貢獻率和隸屬函數(shù)模型,計算出相應綜合得分并進行排序。綜合分值越高,表明堅果表型性狀的綜合表現(xiàn)越好,綜合得分排序見表5。109份核桃資源的堅果表型性狀綜合分值范圍為0.122～0.807,綜合分值的平均值為0.454,品系DY的堅果性狀綜合表現(xiàn)最佳(0.807),而D2-3的綜合分值最低(0.122)。根據(jù)綜合得分,并結合聚類分析的結果,排序得到4大類群中綜合表現(xiàn)最佳的種質(zhì)資源:第Ⅰ類群中編號為XJ59的堅果性狀綜合得分最高(0.597);在第Ⅱ類群中編號為W17的堅果性狀綜合得分最高(0.498);在第Ⅲ類群中編號為XJ16的堅果性狀綜合得分最高(0.500);在第Ⅳ類群中編號為DY的堅果性狀綜合得分最高(0.807)。

表5 核桃堅果表型性狀綜合得分排序表

3 討 論

3.1 核桃堅果表型性狀的多樣性

堅果表型分析是性狀評價的重要組成部分,對栽培方案制定和區(qū)域品種選擇尤為重要,通過比較堅果的表型性狀可以有目的地進行品種選育和改良。果殼厚度、果仁和堅果質(zhì)量等果實性狀具有較高的狹義遺傳力,被認為是最具鑒別力和穩(wěn)定性的形態(tài)性狀[28-29],而不同基因型的核桃堅果性狀(如堅果大小、形狀、殼厚、核率、核色等)會因高雜合度而表現(xiàn)出較高的變異性。

堅果大小、干質(zhì)量、殼厚和出仁率等作為主要的表型性狀,引起了學者們更多的關注,以期用于核桃商業(yè)品種的開發(fā)利用。歐洲核桃主產(chǎn)區(qū)的堅果表型性狀研究[8, 30-32]顯示,堅果干質(zhì)量范圍為2.2～27.9 g,核仁干質(zhì)量1.0～13.9 g,出仁率為18.7%～63.8%,殼厚0.4～2.3 mm。伊朗作為核桃重要的起源中心之一,已有相關研究顯示堅果干質(zhì)量范圍為3.6～23.0 g,核仁干質(zhì)量為1.3～14.0 g,出仁率為17.4%～83.9%[9-10, 33-34]。國內(nèi)核桃堅果表觀性狀的相關研究[14-24]也一直在持續(xù)開展,已有的研究結果顯示,堅果干質(zhì)量范圍為3.5～35.0 g,核仁干質(zhì)量為1.8～13.8 g,出仁率為10.2%～74.3%,殼厚0.2～2.7 mm。目前,育種學家們[8-9, 34]普遍接受的理想核桃堅果具有以下特征:堅果干質(zhì)量為12.0～18.0 g,核仁干質(zhì)量為6.0～10.0 g,出仁率高于50.0%,殼厚為0.7～1.5 mm。本研究結果顯示:堅果干質(zhì)量為6.96～22.33 g,核仁干質(zhì)量為3.82～12.37 g,出仁率為41.10～68.62%,殼厚0.72～2.46 mm,其中符合理想堅果特征的基因型有51份,GB/T 26909—2011《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測試指南:核桃屬》中更為細致地歸納了核桃堅果分類依據(jù),109份核桃種質(zhì)資源的堅果大多為中等單果干質(zhì)量(8.0～15.0 g)、薄殼(1.0～1.5 mm)或高出仁率(50%～60%),其中有45份資源同時具備以上3個特征,14份資源同時具備中等單果干質(zhì)量、薄殼和極高出仁率(≥60%)的堅果性狀特征,11份資源同時具備單果干質(zhì)量(>15.0 g)、薄殼和高出仁率的堅果性狀特征,堅果性狀較好。殼厚、干質(zhì)量和反映堅果大小(表面積和體積)的參數(shù)均具有明顯的變異性(CV >10%),說明此類性狀的分化程度較高,而堅果形狀和出仁率等指標的變異系數(shù)較低,說明這些性狀的變異相對較小,遺傳穩(wěn)定性較好,和前人的研究結果類似[9-11, 13]。

堅果表型性狀間的關系有助于區(qū)分不同的核桃基因型,也有助于制定育種方案[8, 11, 33]。性狀之間的正相關關系表明,一個性狀的改善可以促進另一個性狀的改善。相關性分析結果顯示,核桃堅果18個數(shù)量性狀間存在一定的相關性。其中堅果尺寸大小與干質(zhì)量參數(shù)呈極顯著正相關,堅果越大,其各部分的干質(zhì)量也越大,干質(zhì)量較高的堅果可以產(chǎn)生更多的核仁[13];堅果形狀指標與堅果三徑呈極顯著相關,形狀取決于三徑的比值;出仁率與殼厚、殼質(zhì)量、堅果干質(zhì)量均呈極顯著負相關,殼越厚、質(zhì)量越大則出仁率會呈現(xiàn)明顯的下降趨勢,與前人的研究結論一致[8, 35]。在本研究中,出仁率在不同基因型間的變異較穩(wěn)定,而干質(zhì)量的變異較高,出仁率與核仁干質(zhì)量的正相關性并不顯著,與其他研究存在一定的差異[9, 31]。已有研究認為堅果和核仁干質(zhì)量對出仁率有很大影響[10, 31],而本研究認為,殼厚和殼質(zhì)量更應該予以重視,在核桃選育過程中,可關注薄殼且尺寸較大的堅果類型。

主成分分析可以通過降維來簡化變量以便于識別更突出的變異性狀。本研究中,第1主成分反映了堅果的大小(尺寸和干質(zhì)量),對總方差的貢獻率最高,與前人的研究一致[9-11, 15];第2主成分反映了堅果的形狀,對總方差的貢獻率小于前者;第3主成分反映了堅果的經(jīng)濟性狀(出仁率、殼厚和殼質(zhì)量)。3個主成分解釋了91.60%的總變異,反映了堅果表型性狀的絕大部分信息。綜合相關性分析和主成分分析從18個堅果表型性狀中篩選出了8個有代表性的主要表型性狀,依次為幾何平均直徑、堅果體積、單果干質(zhì)量、核仁干質(zhì)量、球形度、殼厚、出仁率、體積出仁率?；诰垲惙治鰧?09份核桃種質(zhì)資源分為4大類群,可作為進一步創(chuàng)制新品種的雜交親本:第Ⅰ類群是可用于培育果型較大、果形較圓、出仁率較高的親本材料;第Ⅱ類群是可用于培育中等大小、果形橢圓、種殼薄、高出仁率、種仁飽滿的親本材料;第Ⅲ類群是可用于培育小果型、近球形、出仁率較高、種仁飽滿的親本材料;第Ⅳ類群是可用于培育大果型、近球形的親本材料。

3.2 核桃堅果表型性狀的綜合評價

基于主成分分析和隸屬函數(shù)相結合的方法已被廣泛應用于植物種質(zhì)資源的綜合評價,可以較全面、客觀地反映出表型性狀的優(yōu)異程度,有助于快速篩選出了符合育種目標的優(yōu)良材料。趙寶軍等[36]對與產(chǎn)量密切相關的16個性狀進行主成分分析,并結合隸屬函數(shù)法篩選出具有豐產(chǎn)潛力的優(yōu)良核桃種質(zhì)資源。陳善波等[37]對四川地區(qū)核桃特異資源進行了調(diào)查,通過主成分分析和隸屬函數(shù)綜合評價法篩選到了品質(zhì)優(yōu)良的穗狀核桃資源。蒲光蘭等[17]對四川15個產(chǎn)區(qū)的核桃優(yōu)樹資源進行了普查并采用相同的評價方法對產(chǎn)區(qū)進行得分排序,結果顯示巴塘產(chǎn)區(qū)的核桃綜合表現(xiàn)最優(yōu)。堅果的表型性狀反映了核桃的商業(yè)價值,本研究對選種圃保存的109份豐產(chǎn)單株的堅果表型性狀開展了多樣性研究和綜合評價,綜合評價的分值顯示DY優(yōu)系的堅果性狀表現(xiàn)最好,排名靠前(占群體數(shù)量的前10%)的有XJ45、A265、B99、D30、A068、E030、A082、XJ59、W27和175D2B1,DY優(yōu)系為北京本地核桃優(yōu)株后代;XJ45、XJ59和W27均為‘溫 185’核桃品種后代;A265為‘新新2號’核桃品種后代;B99、D30、A068、E030、A082和175D2B1均為‘香玲’核桃的后代。其均具有堅果干質(zhì)量較大、體積大、果形較圓、出仁率較高的特點,是較好的雜交親本材料。為了避免雜交選育的盲目,還可根據(jù)聚類結果,從各類群中選取綜合評價分值排名靠前的種質(zhì)材料,合理組合,以快速實現(xiàn)育種目標[28]。結合理想核桃堅果的一般特征,最終篩選出具有種殼厚度較小的XJ45、A068、E030、XJ59和W27,具有較高的商業(yè)開發(fā)價值。