34份菊芋種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀及塊莖品質(zhì)綜合評(píng)價(jià)

王璐 劉芳芳 郭洪海 胡鑫慧 劉振林 賈曦

關(guān)鍵詞：菊芋；種質(zhì)資源；植株性狀；產(chǎn)量；品質(zhì)；主成分分析；綜合評(píng)價(jià)

菊芋（Helianthus tuberosusL．）是菊科向日葵屬一種多年生宿根性草本植物，原產(chǎn)于北美洲，18世紀(jì)末自歐洲傳人我國(guó)后被廣泛種植，在生態(tài)治理、食品配料、生物質(zhì)能源等方面都有廣泛應(yīng)用。菊芋具有很強(qiáng)的抗逆性，耐旱、耐鹽、耐低溫、抗風(fēng)沙，適應(yīng)性廣且繁殖能力強(qiáng)，產(chǎn)量高，利用方式多樣，是環(huán)境友好型植物。研究表明，菊芋可以在中度鹽堿程度的松花江退化草地上正常生長(zhǎng)，并獲得一定的生態(tài)效益，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步選育后，還可以在重度鹽堿地上生長(zhǎng)并完成生活史。菊芋種植不但可使鹽堿地向著農(nóng)用耕地轉(zhuǎn)變，還具有生態(tài)修復(fù)的作用，成為生態(tài)治理的有效途徑之一。菊芋塊莖中富含果聚糖，利用菊粉酶可進(jìn)一步開(kāi)發(fā)出低聚果糖和超高果糖漿等多種產(chǎn)品，目前，菊粉已成為繼淀粉、小麥精粉之后的又一重要食品及配料，被40多個(gè)國(guó)家批準(zhǔn)為食品配料和營(yíng)養(yǎng)增補(bǔ)劑，用低聚果糖、超高果糖漿替代蔗糖成為必然趨勢(shì)。另菊芋地上部生物量大，莖葉可用作飼料，既可在生長(zhǎng)旺季割取地上莖葉用作青飼料，也可在秋季粉碎后用作干飼料。楊梅、袁文杰等提出利用菊芋塊莖生產(chǎn)燃料乙醇，制作生物乙醇取代化石燃料。菊芋葉浸提液對(duì)根結(jié)線蟲(chóng)病害有較好的防治效果，可以作為防治番茄根結(jié)線蟲(chóng)病害的植物源制劑。大力開(kāi)發(fā)菊芋的工業(yè)化應(yīng)用技術(shù)對(duì)加快菊芋生物資源的開(kāi)發(fā)利用具有重要意義。

了解種質(zhì)資源的特性可為其高效利用奠定基礎(chǔ)。目前對(duì)我國(guó)菊芋種質(zhì)資源的研究多集中于地下部塊莖的品質(zhì)性狀。本研究以34份菊芋種質(zhì)為試驗(yàn)材料，通過(guò)測(cè)定菊芋生長(zhǎng)期地上部的植株性狀、地下部塊莖的產(chǎn)量和品質(zhì)指標(biāo)，采用主成分分析法進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為今后菊芋種質(zhì)資源的收集、評(píng)價(jià)、分類、鑒定、良種選育等提供科學(xué)依據(jù)，為菊芋的全面利用及產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供理論支撐。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料及試驗(yàn)地概況

共選用35份菊芋種質(zhì)參加試驗(yàn)，其編號(hào)、名稱及塊莖皮色和形狀見(jiàn)表1。其中青芋3號(hào)（ S22）因不耐澇而死亡，最終僅對(duì)34份種質(zhì)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。于2021年10月收獲菊芋塊莖，帶回實(shí)驗(yàn)室清洗、晾干表面水分，置-4℃冰箱備用。34份菊芋種質(zhì)的塊莖表型見(jiàn)圖1。

試驗(yàn)地位于山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院東營(yíng)基地北試驗(yàn)區(qū)，土壤質(zhì)地為重壤，春季耕層土壤含鹽量3.2g/kg，有機(jī)質(zhì)含量10.2g/kg、堿解氮23.4mg/kg．速效磷11.7mg/kg、速效鉀281.2mg/kg。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料于2021年4月15日種植，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每個(gè)種質(zhì)1個(gè)小區(qū)，重復(fù)3次。小區(qū)面積50.4m2，行距80cm，株距35cm，播種深度7～10cm。種植前旋耕，耕深25cm左右；按有效N145kg/hm2、P205136 kg/hm2、K20 56kg/hm2基施尿素、過(guò)磷酸鈣、氯化鉀。

1.3調(diào)查性狀及方法

植株性狀：11月份成熟期，參照《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測(cè)試指南菊芋》（NY/T2503-2013）的方法，每個(gè)小區(qū)取15株，計(jì)數(shù)菊芋的莖數(shù)、主莖分枝數(shù)，并測(cè)量主莖高度、主莖粗度、次莖高度、次莖粗度、節(jié)高。

產(chǎn)量性狀：成熟期收獲后統(tǒng)計(jì)每個(gè)小區(qū)的單株塊莖數(shù)、單株塊莖重、塊莖總重。

塊莖品質(zhì)：采用紫外分光光度法測(cè)定菊芋塊莖可溶性糖、纖維素、淀粉、蛋白質(zhì)含量。

1.4數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

采用WPS Excel和SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)主成分分析、相關(guān)性分析、方差分析等。

2結(jié)果與分析

2.1 34份菊芋種質(zhì)農(nóng)藝性狀統(tǒng)計(jì)分析

由表2可見(jiàn)，34份菊芋種質(zhì)的9個(gè)農(nóng)藝性狀中變異系數(shù)最大的是主莖分枝數(shù)，達(dá)60.49%，主莖分枝數(shù)變幅為3.00～52.33個(gè)；其次為產(chǎn)量，變異系數(shù)為58.55%，變幅為7.30～85.75 t/hm2；單株塊莖數(shù)的變異系數(shù)也較大，為44.10%，變幅為6.33～79.33個(gè)；主莖粗度的變異系數(shù)最小，為7.13%，變幅為15.13～20.91mm;其余性狀的變異系數(shù)在13.76～33.34%之間。34份種質(zhì)中．產(chǎn)量高于30.00t/hm2的有S9、S12、S15、S16、S17、S24、S33、S34、S35。

2.2 34份菊芋種質(zhì)塊莖品質(zhì)差異分析

表3表明．34份菊芋種質(zhì)塊莖中蛋白質(zhì)含量最高的是S23，其次是S13，分別為15. 12、14. 60mg/g，含量較低的是S17、S18，分別為7.25、7.14mg/g；其中，52.9%種質(zhì)的塊莖蛋白質(zhì)含量集中在10.00～13.00mg/g，32.4%的種質(zhì)集中在8.00～10.00mg/g。塊莖可溶性糖含量以S6、S24、S23的較高，分別為214.00、212.52、201.02mg/g；S9的含量最低，為105.47mg/g；52.9%的種質(zhì)塊莖可溶性糖含量集中在140.00～170.00mg/g。塊莖淀粉含量變幅為1.15～6.18mg/g，其中，超過(guò)5.00mg/g的種質(zhì)有7份，包括S6、S33、S1、S25、S12、S8、S3，以S6的最高；S27、S34、S35的塊莖淀粉含量較低，為1.15～1.71 mg/g；有50.0%的種質(zhì)塊莖淀粉含量集中在3.00～5.00mg/g。種質(zhì)S3的塊莖纖維素含量最高，達(dá)到71.83mg/g．其次是S12，為63.59mg/g；含量最低的是S9，為15.62mg/g；其中，67.6%的種質(zhì)塊莖纖維素含量集中在30～50mg/g。4個(gè)指標(biāo)中，變異系數(shù)最大的是塊莖淀粉含量，為33.49%，其次是纖維素含量（29.55%），蛋白質(zhì)含量和可溶性糖含量的變異系數(shù)相當(dāng)，分別為18.45%和17.64%。說(shuō)明34份種質(zhì)的塊莖淀粉和纖維素含量差異較大。

2.3 34份菊芋種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的綜合評(píng)價(jià)

運(yùn)用主成分分析法從9個(gè)農(nóng)藝性狀中篩選出能更充分反映菊芋種質(zhì)生長(zhǎng)發(fā)育和產(chǎn)量的主導(dǎo)因素，并對(duì)34份種質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。首先對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，然后進(jìn)行相關(guān)性分析，并對(duì)其進(jìn)行Bartlett球形檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Sig.=0.00<0.05，說(shuō)明性狀間存在顯著相關(guān)性，可用于主成分分析。

2.3.1 34份菊芋種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果（表4）顯示，莖數(shù)與主莖粗度顯著負(fù)相關(guān)，與次莖高度、次莖粗度極顯著正相關(guān)：主莖分枝數(shù)與主莖高度、節(jié)高極顯著負(fù)相關(guān)，與主莖粗度、次莖粗度極顯著正相關(guān)；主莖高度與次莖高度、節(jié)高極顯著正相關(guān)；主莖粗度與次莖粗度極顯著正相關(guān)；次莖高度分別與次莖粗度、節(jié)高呈極顯著、顯著正相關(guān)；單株塊莖數(shù)分別于主莖分枝數(shù)、主莖粗度、次莖高度、次莖粗度顯著正相關(guān)；產(chǎn)量分別與莖數(shù)、主莖分枝數(shù)、主莖粗度、次莖高度、次莖粗度、節(jié)高、單株塊莖數(shù)極顯著正相關(guān)，與主莖高度顯著負(fù)相關(guān)。

2.3.2 34份菊芋種質(zhì)農(nóng)藝性狀主成分分析由表5可知，前3個(gè)主成分的特征值分別為3.05、2.20和1.41，均大于1.00，累積貢獻(xiàn)率為74.00%，表明這3個(gè)主成分基本代表了9個(gè)性狀74.00%的信息量，可用于對(duì)34份種質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。3個(gè)主成分中，第一主成分主要解釋次莖粗度、產(chǎn)量、次莖高度、莖數(shù)，主要反映菊芋種質(zhì)的產(chǎn)量和株型信息；第二主成分主要解釋節(jié)高、主莖高度、次莖高度，主要反映菊芋種質(zhì)的株高信息；第三主成分主要解釋主莖粗度、單株塊莖數(shù)，主要反映菊芋種質(zhì)的主莖粗和塊莖數(shù)。

2.3.3 34份菊芋種質(zhì)農(nóng)藝性狀綜合評(píng)價(jià)根據(jù)特征向量進(jìn)行主成分得分計(jì)算，再根據(jù)每個(gè)主成分的特征值占所提取主成分總特征值的權(quán)重，構(gòu)建出不同菊芋種質(zhì)的綜合評(píng)價(jià)模型：F=（3.05F1+ 2.20F2+1.41F3）/6.662。結(jié)果（表6）顯示，在第一主成分中，S17、S34、S35得分較高，表明這3份種質(zhì)在產(chǎn)量和株型方面表現(xiàn)優(yōu)異：在第二主成分中，S4、S17、S18、S24、S29得分較高，表明這5份種質(zhì)在株高方面表現(xiàn)優(yōu)異：在第三主成分中，S9、S13、S20、S26得分較高，表明這4份種質(zhì)在主莖粗度和單株塊莖數(shù)方面表現(xiàn)優(yōu)異。經(jīng)計(jì)算綜合得分，排名前六位的種質(zhì)為S17、S34、S9、S24、S16、S4，說(shuō)明這6份種質(zhì)綜合表現(xiàn)較好。

進(jìn)一步對(duì)經(jīng)綜合評(píng)價(jià)篩選出的6份菊芋種質(zhì)的農(nóng)藝性狀進(jìn)行多重比較，結(jié)果（表7）顯示，S34的主莖高度和節(jié)高極顯著低于其他種質(zhì)，次莖和主莖均較粗，產(chǎn)量則極顯著高于其他種質(zhì)，達(dá)到85.75t/hm2（表2）。其余5份種質(zhì)的主莖高度、次莖和主莖粗度、節(jié)高差異較小，除S4產(chǎn)量?jī)H19.85t/hm2外，產(chǎn)量都在30.81～41.29t/hm2范圍內(nèi)。

3討論與結(jié)論

為進(jìn)一步豐富菊芋種質(zhì)資源庫(kù)，本研究選用34份菊芋種質(zhì)，在山東省東營(yíng)市鹽堿地種植，對(duì)其植株性狀及塊莖產(chǎn)量性狀和品質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行差異性分析。結(jié)果表明，主莖分枝數(shù)和產(chǎn)量的變異系數(shù)較高，分別達(dá)到60.49%和58.55%；單株塊莖數(shù)、莖數(shù)、淀粉含量的變異系數(shù)也較大，分別為44.10%、33.34%、33.49%；主莖粗度的變異系數(shù)最小，僅7.13%：其余指標(biāo)的變異系數(shù)在13.76%～29.55%之間。其中，有9份種質(zhì)的產(chǎn)量高于30t/hm2，分別為S9、S12、S15、S16、S17、S24、S33、S34、S35；根據(jù)《中國(guó)食物成分表》對(duì)薯芋類作物品質(zhì)指標(biāo)的界定，篩選出S23、S13、S35、S11為高蛋白種質(zhì)，S6、S24、S23為高可溶性糖種質(zhì)，S3、S12、S26、S30、S34為高纖維種質(zhì)，S6、S33、S1、S25為高淀粉種質(zhì)。這可為鹽堿地菊芋栽培提供多種可選擇種質(zhì)，并為其新品種選育及功能性食品開(kāi)發(fā)利用提供參考。

主成分分析法是現(xiàn)代育種常用的一種輔助手段，已在多種作物上應(yīng)用。本研究基于菊芋的9個(gè)農(nóng)藝性狀提取出3個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到74.00%，表明其能反映全部性狀的絕大部分信息。其中，第一主成分主要反映產(chǎn)量和株型信息，第二主成分主要反映株高信息，第三主成分主要反映主莖粗度和單株塊莖數(shù)。進(jìn)一步利用3個(gè)主成分構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)模型，對(duì)34份菊芋種質(zhì)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，綜合得分前六位的種質(zhì)分別為S17（X2020-2）、S34（HZ）、S9（TJ）、S24（L2-1）、S16（X2020-1）、S4（ N2019-4）.

通過(guò)對(duì)綜合評(píng)價(jià)得分較高的6份種質(zhì)進(jìn)行多重比較，發(fā)現(xiàn)S34的主莖高度和節(jié)高顯著低于其他種質(zhì)，而次莖和主莖均較粗，產(chǎn)量顯著高于其他種質(zhì)，達(dá)到85.75t/hm2?？赡苁且?yàn)榻档途沼笾髑o高度和節(jié)高，增加莖粗，可以避免開(kāi)花期和塊莖膨大期地上植株倒伏，從而顯著提高菊芋塊莖產(chǎn)量。另外發(fā)現(xiàn)，這6份種質(zhì)中，除S24的塊莖可溶性糖含量、S34的纖維含量較高外，各菊芋種質(zhì)的塊莖品質(zhì)表現(xiàn)并不突出。因此，亟需選育出植株性狀優(yōu)異、塊莖產(chǎn)量和品質(zhì)高的菊芋品種，解決菊芋生產(chǎn)中高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種短缺的問(wèn)題，進(jìn)一步推進(jìn)菊芋精深加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。