瓠瓜種質(zhì)資源主要果實性狀的主成分與聚類分析

張兆輝姜玉萍陳春宏*

（1上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行綜合試驗站，上海 201415；2上海市設(shè)施園藝技術(shù)重點實驗室，上海 201403）

瓠 瓜〔Lagenaria siceraria（Molina）Standl.〕亦稱瓠子、夜開花、葫蘆等，是葫蘆科葫蘆屬中的栽培種，為一年生攀緣草本植物，原產(chǎn)非洲，在我國南北方各地均有栽培，是我國蔬菜產(chǎn)業(yè)中重要的瓜類蔬菜（趙芹 等，2014；胡雪丹 等，2016；張兆輝 等，2017）。

主成分分析法與聚類分析法是蔬菜作物品種綜合評價常用的方法，該方法已在黃瓜、番茄、西瓜等主要蔬菜作物育種研究中廣泛應(yīng)用（鐘金仙 等，2017；朱子成 等，2017；芮文婧 等，2018），通過對不同種質(zhì)之間的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及分類，探究不同種質(zhì)資源間的親緣關(guān)系，為種質(zhì)資源的利用提供了依據(jù)，也大大提高了育種的效率。國內(nèi)關(guān)于蔬菜作物種質(zhì)果實性狀的主成分與聚類分析的研究比較多，鐘金仙等（2017）對49份黃瓜種質(zhì)資源的12個果實性狀進(jìn)行了主成分分析以及綜合評價，篩選出多份優(yōu)良的黃瓜種質(zhì)材料；張紫薇等（2018）以115份番茄品種為試材，對8個果實性狀進(jìn)行了主成分分析和聚類分析，從中篩選出78份果實性狀良好的材料，為番茄優(yōu)良親本的選配提供了依據(jù)；趙衛(wèi)星等（2017）以國內(nèi)收集到的56份西瓜主栽品種為材料，對7個果實性狀進(jìn)行了主成分分析和聚類分析，認(rèn)為在育種過程中優(yōu)先選擇單果質(zhì)量、果皮厚、中心糖含量和邊糖含量等4個指標(biāo)有利于加速新品種的選育和改良。關(guān)于瓠瓜種質(zhì)資源果實性狀的研究鮮有報道，因此有必要開展相關(guān)研究工作，鑒于此，本文緊緊圍繞119份瓠瓜種質(zhì)資源，針對其主要果實性狀進(jìn)行了相關(guān)研究，利用主成分、聚類分析研究了其遺傳多樣性，進(jìn)一步明確了不同瓠瓜種質(zhì)資源的遺傳關(guān)系，以期為瓠瓜種質(zhì)資源創(chuàng)新和利用及瓠瓜新品種選育、應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

參試瓠瓜材料共計119份，其中90份引自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜花卉研究所（農(nóng)作物種質(zhì)資源平臺-蔬菜種質(zhì)資源子平臺）、29份收集自國內(nèi)部分省份（表1）。

表1 瓠瓜種質(zhì)資源及其來源

1.2 試驗設(shè)計與方法

試驗于2017年2～7月在上海市農(nóng)業(yè)科學(xué)院莊行綜合試驗站連棟大棚內(nèi)進(jìn)行，2月20日穴盤育苗，3月23日定植。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，每小區(qū)種植15株，3次重復(fù)。在不同生育期分別調(diào)查皮色、果實形狀、單瓜質(zhì)量等主要果實性狀，按李開銀等（2003）、沈鏑和李錫香（2008）的描述規(guī)范及中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（NY/T 2504—2013）分別賦值（表2），并對瓠瓜的果實性狀進(jìn)行主成分與聚類分析。

利用Shannon-Weaver遺傳多樣性信息指數(shù)來衡量種質(zhì)資源的遺傳多樣性，計算公式為：遺傳多樣性指數(shù)H’=-Σpi×lnpi，其中pi為某一性狀第i級別內(nèi)材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比，ln為自然對數(shù)。

表2 瓠瓜果實性狀及其代碼

1.3 統(tǒng)計分析

各統(tǒng)計數(shù)據(jù)、遺傳多樣性指數(shù)等均使用Excel 2007軟件計算和處理，主成分分析和聚類分析采用SPSS 19.0統(tǒng)計軟件處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 瓠瓜主要果實性狀的遺傳多樣性分析

表3反映了瓠瓜主要果實性狀的遺傳多樣性。由表3可知，119份瓠瓜種質(zhì)資源的果實性狀存在較廣泛的遺傳多樣性，多樣性信息指數(shù)在0.394 8～2.063 6之間，平均多樣性指數(shù)為0.937 1。其中果實形狀的遺傳多樣性指數(shù)最大，達(dá)到2.063 6，皮色和單瓜質(zhì)量的遺傳多樣性指數(shù)次之，分別為1.258 8、0.885 8，說明瓠瓜的形狀、皮色、單瓜質(zhì)量等3個果實性狀的遺傳多樣性最豐富。

表3 瓠瓜果實性狀的遺傳多樣性

2.2 瓠瓜主要果實性狀的主成分分析

表4反映了瓠瓜果實性狀的主成分特征值及累計貢獻(xiàn)率。由表4可以看出，第一主成分的貢獻(xiàn)率為37.24%，第二主成分的貢獻(xiàn)率為23.33%，第三主成分的貢獻(xiàn)率為14.71%，第四主成分的貢獻(xiàn)率為9.44%，前4個主成分特征值累計貢獻(xiàn)率達(dá)到84.72%，因此可以用前4個主成分代替果實的8個性狀對瓠瓜果實性狀進(jìn)行評價。

根據(jù)4個主成分與瓠瓜果實性狀相關(guān)指標(biāo)之間的關(guān)系，可以計算得到瓠瓜果實性狀相關(guān)矩陣的特征向量（表5）。由得出的特征向量可導(dǎo)出前4個主成分的函數(shù)表達(dá)式：

第一主成分：y1=0.034 9x1-0.562 9x2-0.595 3x3+0.012 4x4-0.702 8x5+0.697 1x6+0.591 7x7+0.580 0x8

第二主成分：y2=0.662 6x1+0.729 9x2+0.675 5x3-0.196 7x4-0.269 4x5+0.259 4x6+0.375 7x7+0.344 5x8

第三主成分：y3=0.022 6x1+0.064 7x2+0.195 3x3+0.854 4x4-0.380 8x5+0.303 5x6-0.275 2x7-0.301 9x8

第四主成分：y4=-0.697 2x1+0.226 5x2+0.220 8x3+0.092 1x4-0.077 0x5-0.050 4x6+0.369 1x7+0.210 8x8

由表5及以上4個主成分函數(shù)表達(dá)式可知，由于苦味有無和風(fēng)味的特征值（絕對值）比較大，因此第一主成分以風(fēng)味為主，主要體現(xiàn)果實的品質(zhì)因子，此時果實的苦味有無存在最大負(fù)向載荷，表明瓠瓜種質(zhì)資源中風(fēng)味好的材料無苦味；由于瓜皮斑的特征值（絕對值）比較大，因此第二主成分以瓜皮斑為主，以皮色、斑紋色為輔，主要體現(xiàn)果實的外觀因子；由于肉質(zhì)的特征值（絕對值）比較大，因此第三主成分以肉質(zhì)為主，主要體現(xiàn)果實品質(zhì)因子；第四主成分以皮色的特征值（絕對值）比較大，因此以皮色為主，以果實形狀為輔，主要體現(xiàn)果實的外觀因子。根據(jù)各主成分的貢獻(xiàn)率可知，在果實的8個性狀中影響最大的分別是風(fēng)味、瓜皮斑、肉質(zhì)和皮色等4個性狀指標(biāo)。

表4 主成分特征值及貢獻(xiàn)率

表5 前4個主成分的特征向量

2.3 瓠瓜主要果實性狀的聚類分析

由圖1可以看出，在遺傳距離為24.0處，將119份瓠瓜種質(zhì)分為兩大類群。第一大類群包括62份瓠瓜種質(zhì)，其中風(fēng)味中等且無苦味的種質(zhì)為37份、風(fēng)味佳（濃）且無苦味的種質(zhì)為18份，風(fēng)味差（淡）且無苦味的種質(zhì)為3份，風(fēng)味差且有苦味的種質(zhì)為4份，而其果實形狀主要為保齡球形、圓筒形、長圓筒形、長棒形、長頸圓球形，分別為7、9、16、26份和4份，單瓜質(zhì)量主要為重、中，分別為31份和31份。第一大類群在遺傳距離7.5處又可被分為四小類，第一小類包括B2、B3、B10、B12、B15、B18、B19、B20、B104、B111、B113、B120等31份瓠瓜種質(zhì)，這類種質(zhì)大部分為圓筒形、長圓筒形和長棒形，且單瓜質(zhì)量均為中等；第二小類 包 括 B16、B17、B61、B62、B92、B94、B72、B71、B81、B83、B134、B110等20份瓠瓜種質(zhì)，這類種質(zhì)大部分為長圓筒形和長棒形，其單瓜質(zhì)量均較重；第三小類包括B103、B119、B73、B76、B30等8份瓠瓜種質(zhì)，這類種質(zhì)大部分為保齡球形，其單瓜質(zhì)量均較重；第四小類包括B122、B123、B124等3份瓠瓜種質(zhì)，這類種質(zhì)有2份為長頸圓球形、1份為長棒形，其單瓜質(zhì)量均較重。

第二大類群包括57份瓠瓜種質(zhì)，其中風(fēng)味中等且無苦味的種質(zhì)為26份，風(fēng)味佳且無苦味的種質(zhì)為6份，風(fēng)味差的種質(zhì)為4份，風(fēng)味中等偏下（淡、中）且有苦味的種質(zhì)為21份；而其果實形狀則以扁圓形、近圓形、鴨梨形、長把梨形、葫蘆形、保齡球形、圓筒形為主，分別為1、3、18、8、19、7份和1份；其單瓜質(zhì)量以輕、中為主，分別為11份和42份，單瓜質(zhì)量較重的種質(zhì)為4份，且均為近圓形、鴨梨形或長把梨形。第二大類群在遺傳距離12.5處又可被分為兩小類，第一小類包括B39、B77等2份瓠瓜種質(zhì)，這類種質(zhì)分別為鴨梨形和長把梨形，其單瓜質(zhì)量均為中等；第二小類包括 B131、B126、B115、B40、B41、B5、B6、B8、B9、B11、B1、B4等55份瓠瓜種質(zhì)，這類種質(zhì)大部分為鴨梨形、長把梨形和葫蘆形，其單瓜質(zhì)量以輕、中為主。

圖1 119份瓠瓜種質(zhì)資源聚類圖

3 結(jié)論與討論

我國瓠瓜種質(zhì)資源十分豐富、種類繁多，但對瓠瓜種質(zhì)資源主要果實性狀的研究不夠深入，本試驗通過對瓠瓜種質(zhì)的主要果實性狀進(jìn)行調(diào)查，開展不同瓠瓜種質(zhì)之間的遺傳多樣性研究，最后進(jìn)行主成分、聚類分析，對指導(dǎo)我國瓠瓜資源的創(chuàng)新利用及新品種選育、應(yīng)用等具有重要的現(xiàn)實意義。

① 遺傳多樣性信息指數(shù)是代表不同種質(zhì)間性狀變異的綜合指標(biāo)，其值越高，說明表型性狀越豐富、越均勻（葉新如 等，2017）。本試驗以瓠瓜種質(zhì)資源的皮色、果實形狀、單瓜質(zhì)量等8個主要果實性狀為考察指標(biāo)，分析結(jié)果表明，瓠瓜種質(zhì)的8個主要果實性狀存在廣泛的遺傳多樣性，其中以果實形狀的遺傳多樣性指數(shù)最大，皮色和單瓜質(zhì)量的遺傳多樣性指數(shù)次之，表明瓠瓜種質(zhì)在果實形狀、皮色、單瓜質(zhì)量3個果實性狀上的遺傳多樣性最豐富。

② 采用主成分分析方法對8個果實性狀進(jìn)行歸納，前4個主成分特征值累計貢獻(xiàn)率達(dá)到84.72%，其中第一主成分以風(fēng)味為主，主要體現(xiàn)果實的品質(zhì)因子；第二主成分以瓜皮斑為主，主要體現(xiàn)果實的外觀因子；第三主成分以肉質(zhì)為主，主要體現(xiàn)果實品質(zhì)因子；第四主成分以皮色為主，主要體現(xiàn)果實的外觀因子，這4個因子能夠客觀地反映瓠瓜種質(zhì)資源性狀特征，因此在采用果實性狀對瓠瓜種質(zhì)進(jìn)行評價時，應(yīng)優(yōu)先考慮果實的品質(zhì)因子、外觀因子進(jìn)行評判。但由于試驗中僅對主要果實性狀指標(biāo)進(jìn)行了分析，因此對于瓠瓜種質(zhì)的綜合評價仍有待于進(jìn)一步的研究和分析。

③ 通過對119份瓠瓜種質(zhì)資源的8個果實性狀進(jìn)行調(diào)查，并進(jìn)行聚類分析，可以將119份瓠瓜種質(zhì)資源分為兩大類群。第一大類群包括62份瓠瓜種質(zhì)，其總體品質(zhì)較好，以風(fēng)味中等偏上且無苦味的種質(zhì)為主，占比達(dá)88.7%，其中風(fēng)味佳的種質(zhì)占比達(dá)29.03%；果實形狀以圓筒形、長圓筒形、長棒形為主，占比達(dá)82.3%；單瓜質(zhì)量以中、重為主，占比分別為50.0%。說明這一類群的瓠瓜種質(zhì)在品質(zhì)和外觀方面均表現(xiàn)較好，大部分能夠滿足市場對優(yōu)質(zhì)、商品性佳的瓠瓜的需求。第二大類群包括57份瓠瓜種質(zhì)，其總體品質(zhì)稍差，雖然以風(fēng)味中等偏上且無苦味的種質(zhì)為主，但其中風(fēng)味佳的種質(zhì)僅占10.5%，風(fēng)味中等偏下且有苦味的種質(zhì)占比卻達(dá)43.9%；果實形狀以鴨梨形、長把梨形、葫蘆形為主，占比達(dá)78.9%；單瓜質(zhì)量以中為主，占比達(dá)73.7%。說明這一類群瓠瓜種質(zhì)的品質(zhì)和果實形狀均不夠理想，大部分不能滿足市場的需求。

④ 針對市場上對圓筒或棒形、優(yōu)質(zhì)瓠瓜的需求，并結(jié)合119份瓠瓜種質(zhì)資源果實性狀的綜合評價，認(rèn)為第一大類群中的B2、B3、B10、B12、B15、B18、B19、B21、B23、B26、B28、B33、B45、B55、B56、B58、B69、B74、B80、B82、B84、B85、B86、B111、B113、B122、B35、B91、B92、B94、B79、B16、B17、B61、B62、B63、B64、B65、B34、B42、B43、B72、B81、B83、B134、B110等46份瓠瓜材料與第二大類群中的B66可以作為優(yōu)選的瓠瓜種質(zhì)資源，為下一步瓠瓜新品種的選育奠定了基礎(chǔ)。

雖然通過果實形狀和單瓜質(zhì)量可以初步判斷瓠瓜種質(zhì)之間的親緣關(guān)系，聚類結(jié)果也與果實形狀、皮色、單瓜質(zhì)量遺傳多樣性最豐富的結(jié)論存在一定相關(guān)性，但仍有待于對瓠瓜種質(zhì)的其他農(nóng)藝性狀進(jìn)行調(diào)查分析，以判斷聚類的可靠性。同時，由于受到環(huán)境、栽培管理技術(shù)及人為判斷等因素的影響，更有必要借助分子生物學(xué)的手段對瓠瓜種質(zhì)資源之間的親緣關(guān)系做進(jìn)一步鑒定。