大薯實生苗和組培苗植物學性狀的多樣性分析

翟李楠++吳文嬙++許云++劉清桂++施昌昊++黃東益

摘 要 對中國南方大薯實生苗和組培苗植物學性狀的多樣性進行研究，可為大薯的遺傳育種和分類提供重要依據(jù)。分別對50份大薯種質(zhì)的田間實生苗的20個植物學性狀和組培苗的18個植物學性狀進行觀察，并進行聚類分析。結(jié)果表明：大薯種質(zhì)實生苗莖蔓顏色、葉形、葉基部、葉質(zhì)地、葉缺裂、葉顏色、葉柄色澤、葉柄兩端顏色、葉長寬比、薯塊內(nèi)外表皮顏色、薯肉顏色等12個植物學性狀存在種內(nèi)差異；實生苗和組培苗的聚類分析結(jié)果分別將50份種質(zhì)聚為5個類群和6個類群組，二者的聚類結(jié)果有部分差異。大薯種質(zhì)植物學性狀存在豐富的遺傳多樣性，實生苗和組培苗在葉序、葉形、葉顏色等性狀上存在差異。

關鍵詞 大薯 ；組織培養(yǎng) ；植物學性狀 ；多樣性分析

分類號 S632.1

Genetic Diversity Analysis on the Botanical Characters of the

Seedling Plant and Tissue Culture Plant of Dioscorea alata

ZHAI Linan WU Wenqiang XU Yun

LIU Qinggui SHI Changhao HUANG Dongyi

（College of Agriculture，Hainan University，Haikou，Hainan 570208）

Abstract The genetic diversity of botanical traits in the seedlings and tissue culture seedlings were analyzed in order to provide references for variety breeding and classification of great yam germplasm resources collected from south of China. The 20 botanical characters of the seedlings and 16 botanical characters of the tissue culture seedlings of 50 collected great yam germplasm resources were investigated to to conduct genetic diversity analysis， cluster analysis for exploring their genetic diversity. The 12 botanical characters exist within species differences， as follows：stem color， leaf shape， leaf base， leaf quality， leaf cleft， leaf color， petiole color， at both ends of the petiole color， leaf length and width ratio， tuber， skin color and tuber flesh color. The clustering analysis of seedlings and tissue culture seedlings of 50 great yams were clustered into 6 groups， the genetic similarity coefficient of the two groups were 0.50 and 0.43， respectively. The results showed that different morphological traits of 44 collected yam germplasm resources presented higher diversity. The seedlings and tissue culture seedlings of great yams were different in the traits of phyllotaxy， leaf shape， leaf color trait differences.

Keywords great yam（Dioscorea alata） ； tissue culture ； botanical traits ； cluster analysis

大薯（Dioscorea alata）為一年或多年生纏繞草質(zhì)藤本，隸屬于薯蕷科（Dioscoreaceae）薯蕷屬（Dioscorea L.），又名參薯、腳板薯、柱薯等[1]，分布于世界熱帶、溫帶地區(qū)，在中國海南、廣西、廣東、福建等長江以南的多個省份均有種植[2]。大薯能形成肥大的地下肉質(zhì)塊莖，塊莖富含淀粉、糖類、維生素、蛋白質(zhì)、必需礦物質(zhì)和薯蕷皂苷等物質(zhì)，營養(yǎng)豐富[3]。在環(huán)太平洋地區(qū)、加勒比海地區(qū)、亞洲、西非等地的一些國家，大薯可以作為重要的糧食作物。由于大薯的淀粉含量高達28%，且高產(chǎn)的單株產(chǎn)量高達50 kg以上[4]，大薯還被視為具有很大發(fā)展?jié)摿Φ哪茉粗参?。除了大薯塊莖外，大薯莖尖葡萄糖含量高達0.27 g/hg，含有18 種游離氨基酸，黃酮類化合物總量為27.8 mg/hg，因此大薯莖尖可望作為一種新型蔬菜被推廣利用[5]。同時，很多研究證實，大薯具有極高的藥用價值，具有調(diào)節(jié)胃腸道功能、抗衰老、增強免疫力、抗腫瘤、降血糖、降血脂等功效[6-10]。

大薯被認為是由野生型在人為選擇壓力下栽培衍生而來的真正意義上的栽培作物[11]。中國含有非常豐富的大薯種質(zhì)資源，對大薯種質(zhì)進行系統(tǒng)的表型和基因型的遺傳多樣性研究非常有必要。自從20世紀70年代起，研究人員就根據(jù)植株的葉子大小、葉脈和薯塊形狀、肉色等形態(tài)特征，對薯蕷屬進行種類分析，并開始逐步建立分類系統(tǒng)[12-13]。蔡金輝等[14]通過對山藥品種資源的莖橫斷面、葉脈顏色、棱翼顏色、葉顏色、葉形、葉長、葉寬、葉缺裂、葉基、零余子、開花與否、 薯外表皮顏色、薯肉顏色、肉質(zhì)等共22個園藝學性狀和8項感官品質(zhì)特征進行分類，將山藥分為普通山藥和大薯2 個種；再分為5個變種，分別是：長山藥、棒山藥、長柱形大薯、圓筒形大薯和扁塊形大薯；再細分為10個品種群，包含長山藥3個品種群、棒山藥1個品種群及長柱形大薯、圓筒形大薯和扁塊形大薯各2個品種群；程文杰等[15]對113份大薯的葉尖類型、葉色、葉序、莖棱數(shù)、自旋程度、自旋方向、纏繞方向、莖有無棱、感病情況、莖基部直徑、葉長寬比、單株平均產(chǎn)量等性狀進行聚類分析，將南方的大薯種質(zhì)資源分為六大類。李俏等[16]對19份大薯的8個植物學性狀（葉顏色、葉柄顏色、莖顏色、葉脈、莖棱、葉形、葉長、葉寬）進行考察。大薯是多倍體植株，具有幾種不同的倍性品種，其中以四倍體植株為優(yōu)勢種[17-18]，迫切需要對大薯制定有效的育種計劃，以便對其進行遺傳多樣性分析以及系統(tǒng)發(fā)育和物種起源的闡明[19]。本研究擬對50份收集自中國南方不同省份的大薯種質(zhì)的田間實生苗和組培苗的植物學性狀進行統(tǒng)計，對大薯種質(zhì)表型的遺傳多樣性進行研究，探討能穩(wěn)定遺傳并能表現(xiàn)出來的表型性狀，將有利于中國大薯種質(zhì)資源的分類，并為進一步研究大薯表型與基因型的關系及其與植株抗病、抗逆、產(chǎn)量等的相關性提供一定的參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

從海南大學薯蕷薯課題組實驗基地選取50份大薯種質(zhì)作為供試材料，材料具體來源見表1，分別來自中國的福建、云南、海南、廣西、貴州等省。

1.2 方法

1.2.1 大薯組培苗的培養(yǎng)

用升汞將大薯外植體（幼嫩莖段）消毒（8～10 min）后進行接種，培養(yǎng)基配方為：MS+3% 蔗糖+0.1% PVP+80 mg/L Ad+0.7% 瓊脂粉，培養(yǎng)溫度為25℃，光照強度為 1 500～2 000 lx，光照12 h。

1.2.2 組培苗和實生苗性狀觀察和記錄

參照黃東益等[20]的方法，在50份大薯種質(zhì)中分別選取3份材料進行莖蔓、葉片和薯塊觀察，對實生苗和組培苗的莖蔓旋性、莖蔓截面、莖蔓顏色、莖蔓棱翼、莖刺、葉序、葉形狀、葉缺裂、葉質(zhì)地、葉顏色、葉脈數(shù)、葉基部、葉先端、葉長、葉寬、葉柄色澤、葉柄端顏色等進行考察，此外，對實生苗的薯塊外表皮顏色、薯塊內(nèi)表皮顏色、薯肉顏色進行考察，對組培苗根的顏色進行考察。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel對數(shù)據(jù)進行簡單處理分析后，利用NTSYS-pc（version 2.10e）分析軟件進行標準化轉(zhuǎn)換，然后計算遺傳相似系數(shù)，并采用非加權配對算術平均法（UPGMA）對植物學性狀進行聚類分析， 構(gòu)建聚類圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 大薯實生苗的植物學性狀

對50份大薯種質(zhì)實生苗的20個植物學性狀進行考察可知，大薯種質(zhì)的實生苗在莖蔓顏色、葉形、葉缺裂、葉質(zhì)地、葉顏色、葉基部、葉長寬比、葉柄顏色、葉柄端顏色、薯塊外表皮顏色、內(nèi)表皮顏色和薯肉顏色 等12個性狀都存在種內(nèi)變異（表2），但是莖蔓旋性、截面、棱翼、莖刺、葉序、葉尖端和葉脈數(shù)等性狀不存在差異。結(jié)果表明，同一份種質(zhì)的實生苗間，植物學性狀基本一致，色彩、葉形等均沒有明顯的區(qū)別。實生苗的莖蔓都是右旋，截面呈棱形，有棱翼，沒有莖刺；莖蔓顏色有綠色和紫色2種，分別占32%和68%。葉序都是兼生，近地部分為互生，中上部為對生；葉先端都是尾尖，葉脈數(shù)為7；葉片顏色有綠色和深綠色2種，分別占12%和88%；葉缺裂有全緣和淺緣2種，分別占 94%和6%；葉質(zhì)地有紙質(zhì)和革質(zhì)2種，分別占14%和86%；葉子的長寬比平均值為1.56，分布在1.27～1.82，葉子長都大于寬；葉形有卵形、心形和披針形3種，分別占80%、1%和8%；葉基部有戟形、箭形和耳形3種，分別占10%、52%和38%；植株葉柄顏色有紫色、綠色和淺綠色 3 種，分別占56%、36%和8%；葉柄兩端顏色有綠色、紫紅色和紫色3種，分別占52%、42%和6%。薯塊外表皮顏色有灰褐色和黑褐色2種，分別占56%和44%；內(nèi)表皮顏色有紫色、白色和紫白相間3種，分別占63%、35%和2%。薯肉顏色有紫色、白色和紫白相間3種，分別占50%、48%和2%。此外，Da77、Da88、Da100、Da101、Da103和Da112等6份種質(zhì)薯塊易發(fā)生褐化，薯肉紫白相間的薯塊存在紫色和白色分布區(qū)域和比例的區(qū)別（圖1）。

2.2 大薯組培苗的植物學性狀

對50份大薯組培苗植物學性狀進行觀察，大薯種質(zhì)組培苗的葉形、葉缺裂、葉質(zhì)地、葉基部、葉長寬比、幼葉顏色、和氣生根顏色等7個性狀都存在一定的差異（表3），但是莖蔓旋性、截面、棱翼、莖刺、葉序、葉尖端和葉脈數(shù)7個性狀不存在差異。結(jié)果表明，大薯組培苗莖蔓底部右旋，頂部未出現(xiàn)莖蔓旋性；底部成熟莖蔓截面呈棱形，有棱翼，幼嫩莖蔓截面圓形，無棱翼。葉序都是互生；葉形有卵形、心形和三角形3種，分別占46%、46%和8%；葉缺裂有全緣和淺緣2種，分別占94% 和6%；基部葉質(zhì)地有革質(zhì)和紙質(zhì)2種，分別占74%和26%；葉基有戟形、箭形、心形和耳形4種，分別占 52%、6%、34%和8%；大薯葉片長寬比平均值為1.21，分布在0.84～2.00，不同種質(zhì)之間差異顯著，說明這50份大薯組培苗的葉形大小存在明顯差異。大薯幼葉顏色有綠色、紫紅色和紫色3種，分別占36%、30%和34%。底部根顏色有白色1種；氣生根顏色有白色、紫色和紫白色3種，分別占58%、28%和14%。

2.3 大薯組培苗和實生苗植物學性狀的比較

通過比較組培苗和實生苗植物學性狀，可以發(fā)現(xiàn)，組培苗和實生苗的莖蔓旋性、截面、棱翼、莖刺、葉脈數(shù)、葉先端等6個性狀幾乎不存在差異。此外，二者葉缺裂全緣和葉質(zhì)地革質(zhì)所占比重均明顯較淺緣和紙質(zhì)大。實生苗和組培苗的葉形、葉基、葉長寬比和顏色之間存在較大的差異。此外，組培苗易長氣生根，同一份種質(zhì)的植株葉片、莖蔓等顏色容易發(fā)生變化。除了Da5、Da100和Da272外，所有種質(zhì)的實生苗長寬比都大于相應種質(zhì)的組培苗，長寬比相差高達0.7，說明組培苗的葉子大小、葉形與實生苗差異顯著。

2.4 50份大薯種質(zhì)聚類分析結(jié)果

2.4.1 50份大薯種質(zhì)實生苗聚類分析結(jié)果

通過觀察發(fā)現(xiàn)，50份大薯種質(zhì)實生苗的植物學性狀具有不同程度的區(qū)別， 根據(jù)莖蔓顏色、葉形、葉基、葉質(zhì)地、葉缺裂、葉顏色、葉柄色澤、葉柄端顏色、葉長寬比、薯塊內(nèi)、外表皮顏色、薯肉顏色等12個性狀數(shù)據(jù)，對50份種質(zhì)進行聚類分析。結(jié)果表明，當歐氏距離為4.85時，50份大薯種質(zhì)分為5個類群（如圖2和表4）。不同類群的特征如下：類群Ⅰ包括32份材料，莖蔓紫色，葉全緣，葉顏色為深綠，葉的長寬比分布在1.30～1.75，其中Da154和Da191只在葉長寬比上略有差異，Da115和Da139也是只在葉長寬比上略有差異；類群Ⅱ包括10份材料，莖蔓綠色，葉全緣、葉革質(zhì)，葉片為深綠色，葉的長寬比分布在1.29～1.63，葉柄顏色為綠色；類群Ⅲ只有5份材料，莖蔓顏色為綠色，葉全緣，葉紙質(zhì)，葉顏色為綠色，葉的長寬比分布在1.58～1.64；類群Ⅳ包括2份材料，葉形為披針形，葉淺緣，葉革質(zhì)，葉色為深綠，葉基部為耳形，葉柄端顏色為綠色，薯肉顏色為白色，葉長寬比分布在1.64～1.75；類群Ⅴ包括1份材料，莖蔓顏色為紫色，葉形為披針，葉淺緣，葉革質(zhì)，葉綠色，葉基部戟形，葉柄紫色，葉柄端紫紅，外表皮黑褐，內(nèi)表皮紫色，薯肉紫白色，葉的長寬比為1.82。

2.4.2 50份大薯種質(zhì)組培苗的聚類分析結(jié)果

經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，50份大薯種質(zhì)組培苗的植物學性狀具有一定程度的差異。根據(jù)有差異的7個表型性狀（葉形、葉缺裂、老葉質(zhì)地、葉基部、葉長寬比、幼葉顏色、氣生根顏色）進行聚類分析。結(jié)果表明，當歐式距離為3.60時，50份大薯種質(zhì)組培苗被聚為6個類群（如圖3和表5）。分別對各類群進行分析，其特征如下：類群Ⅰ包括34份種質(zhì)，葉全緣，老葉質(zhì)地為革質(zhì)，葉長寬比分布于0.84～1.69，其中Da32和Da77所測性狀一致；類群Ⅱ包括11份種質(zhì)，葉全緣，葉為紙質(zhì)，葉長寬比分布于0.88～1.42；類群Ⅲ包括1份種質(zhì)，為Da100；類群Ⅳ包括1份種質(zhì)，為Da272；類群Ⅴ包括1份種質(zhì)，為Da24；類群Ⅵ包括 2份種質(zhì)，為Da62和Da215，葉形為卵形，葉淺緣，老葉革質(zhì)，氣生根顏色為白色。

3 討論與結(jié)論

3.1 大薯種質(zhì)的植物學性狀

大薯屬于薯蕷植物的周生翅組，莖蔓右旋，截面棱形，有棱翼，無莖刺，葉脈數(shù)為7。本研究結(jié)果顯示，無論組培苗還是實生苗，木薯莖蔓旋性、截面形狀、棱翼和莖刺的有無、葉序、葉脈數(shù)、葉尖端這7個性狀均不存在差異，與黃玉仙等[21]的研究結(jié)論基本相符。同時通過連續(xù)2年的大薯植物學性狀統(tǒng)計數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過馴化后，大薯莖蔓、葉片、薯塊的田間植物學性狀基本穩(wěn)定。聚類分析發(fā)現(xiàn)，大薯莖蔓顏色、葉形、葉基、葉質(zhì)地、葉缺裂、葉顏色、葉柄色澤、葉柄端顏色、葉長寬比、薯塊內(nèi)、外表皮顏色、薯肉顏色等12個植物學性狀變異大，這些性狀可能受基因型和生存環(huán)境的共同影響。

3.2 大薯種質(zhì)顏色的變異

研究發(fā)現(xiàn)，大薯組培苗容易發(fā)生顏色變化，可能受到各種色素成分、含量和比例的影響。一般情況下，植物花青素的含量較高時，葉片等呈現(xiàn)紫紅色，葉綠素所占比例較大時，呈現(xiàn)綠色[22]。大薯葉片、莖蔓等發(fā)生顏色變化，可能是相關色素含量和比例的差異所導致。光、溫度、營養(yǎng)元素、葉片形態(tài)、結(jié)構(gòu)特征等易對色素生物合成和含量產(chǎn)生影響[23]，因此，大薯組培苗顏色變化的原因可能如下：一是實驗室的光照條件，實驗室的光照時間和光照強度雖然恒定，但是與大田的自然光還是存在一定的差異，此外，各個植株不同部位的實際光照條件也可能存在差異，從而影響色素的合成和積累；二是實驗室的溫度，溫度高低對葉片色素含量和色素的穩(wěn)定性存在影響；三是培養(yǎng)基的環(huán)境，組培苗是在培養(yǎng)基中存活，培養(yǎng)基和大田土壤可能存在酸堿度、含水量、礦質(zhì)元素的種類和含量等方面的差異，從而導致色素種類、含量和比例的不同；四是葉片形態(tài)和結(jié)構(gòu)。本研究發(fā)現(xiàn)，組培苗的葉形、葉基部等形狀與實生苗存在差異，這些可能影響到植物光合作用，導致色素比例、含量的差異[24]。具體原因有待將組培苗移栽至大田后進一步觀察，考察大薯相關性狀的遺傳穩(wěn)定性以及影響花青素合成的環(huán)境因素。

3.3 大薯種質(zhì)聚類分析比較

實生苗和組培苗的聚類結(jié)果存在差異，比如組培苗中，Da32和Da77聚為同一類，不存在差異；而實生苗中這2份種質(zhì)聚為2組，說明二者存在差異。實生苗結(jié)果和組培苗結(jié)果存在差異，可能是由于二者分類依據(jù)的植物學性狀不一致及組培苗葉形、葉顏色等植物學性狀易發(fā)生變化等原因所導致。

本研究中，50份大薯種質(zhì)實生苗和組培苗的植物學性狀歐式距離分別在0.23～6.61和0～5.34，說明大薯種內(nèi)遺傳差異較顯著，與吳志剛等[25]對大薯種質(zhì)遺傳多樣性的ISSR分析結(jié)果和Tamiru等[26]對山藥種質(zhì)遺傳多樣性的AFLP分析結(jié)果相一致。將本研究中的實生苗聚類分析結(jié)果與李俏[27]的聚類結(jié)果進行比較，發(fā)現(xiàn)在17份相同的種質(zhì)中，二者的聚類結(jié)果相似度很高，說明根據(jù)大薯植株的植物學形態(tài)對大薯種質(zhì)進行分類，具有較高的可信度。本研究中，部分種質(zhì)的表型聚類結(jié)果與許云等[28]的AFLP聚類分析結(jié)果相同，如Da90、Da103、Da140、Da142、Da174等都聚為一類，但也有部分種質(zhì)在這2種聚類分析中并沒有都聚為同一類，說明大薯的表型聚類與分子遺傳多樣性的聚類結(jié)果有所差異，應加大表型測定群體數(shù)量及指標。本研究中，組培苗和實生苗的表型聚類結(jié)果并未一致，說明部分表型性狀受環(huán)境因素影響大，這可能是由于大薯種質(zhì)在組培過程中發(fā)生了適應性的變異。聚類分析中第I類實生苗的32份材料中有23份與組培苗第I類中的34份材料同聚為一類，說明這些種質(zhì)有更加緊密聯(lián)系的遺傳基礎。

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