壇紫菜種質品系表型性狀的變異規(guī)律分析

仵燕青，謝潮添，謝小雪，陳昌生，紀德華，許　凱，徐　燕

(集美大學水產學院，福建 廈門 361021)

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壇紫菜種質品系表型性狀的變異規(guī)律分析

仵燕青，謝潮添，謝小雪，陳昌生，紀德華，許凱，徐燕*

(集美大學水產學院，福建 廈門 361021)

壇紫菜(Pyropiahaitanensis)的表型性狀是遺傳育種的主要考察指標。研究以福建省壇紫菜種質資源庫保存的73份種質品系為實驗材料，對藻體的5個形態(tài)特征和14個數量性狀數據進行了統(tǒng)計分析，以探討壇紫菜表型性狀的遺傳變異規(guī)律。結果表明，壇紫菜藻體的形狀、顏色、鋸齒大小和扭曲程度4個形態(tài)特征與藻體長度、寬度、重量和厚度4個數量性狀極顯著相關(P<0.01)，葉片基部形狀與藻體長度、寬度、鮮重和厚度顯著相關(P<0.05)；比較不同性狀均值發(fā)現，線形藻體的平均長度增長速度最快，基部為心臟形的藻體平均重量增長速度最快，無鋸齒的藻體厚度最薄。巢式方差分析結果顯示，壇紫菜品系間的遺傳變異(72.79%)遠大于品系內(21.46%)，說明品系間的變異是壇紫菜表型變異的主要來源。壇紫菜藻體各表型性狀的變異系數為7.14%～35.99%，其中藻體厚度變異系數最低，而單株藻體重量的變異系數最高，說明藻體厚度的選擇潛力相對較小，而重量的選擇潛力則較大。這些數據為后續(xù)壇紫菜的遺傳育種提供了基本資料。

壇紫菜；表型性狀；方差分析；表型變異系數

紫菜(Pyropia/Porphyra)廣泛分布于寒帶至亞熱帶潮間帶的巖石上，是世界上可人工栽培產值最高的大型海藻[1]，目前世界上已經記錄的134個種中，我國分布有22個種[2]。壇紫菜(Pyropiahaitanensis)是我國特有的暖溫帶性種類，在福建、浙江南部和廣東北部沿海被廣泛栽培。由于壇紫菜在群體栽培的情況下很容易實現同質化，在栽培生產中就會逐漸呈現出品質和抗逆能力的退化，影響壇紫菜栽培的效益。為解決壇紫菜種質資源存在的問題，研究壇紫菜的遺傳多樣性就顯得非常必要。

遺傳多樣性是生物多樣性的一個重要反映，它代表著一個居群對環(huán)境的適應能力[3-4]，一個物種遺傳多樣性越高，對環(huán)境變化的適應能力就越強[5]，它決定了物種的穩(wěn)定性和進化潛力[6]。遺傳多樣性可以表現在多個層次上，如分子、細胞、個體等，表型性狀的差異通常是個體遺傳多樣性最直觀的體現[5-6]。表型性狀在植物中通常是指植株形態(tài)和其它可觀察或測量的生長性狀[7]。藻類方面，我國藻類學家很早就注意到了海帶表型數量性狀的變化。曾呈奎等[8]在海帶幼苗的栽培研究中發(fā)現海帶的均重隨著其藻體長度和寬度的增加而增加。20世紀60年代，方宗熙等[9-13]在海帶遺傳育種的研究中發(fā)現海帶親代藻體長度和子代藻體長度的正相關關系，同時也證明了海帶藻體厚度是一個重要的數量性狀。張景鏞等[14]通過將海帶連續(xù)自交和定向選育，測得其子代平均藻體厚度都比母本的藻體厚。在紫菜方面，童冠文等[15]在條斑紫菜經濟性狀的研究中發(fā)現，條斑紫菜單孢子子代群體可以很好地保持親本的優(yōu)良性狀，可從中選育到具特定藻體形狀的品系。陳昌生等[16]開展了壇紫菜品系間雜交研究，并對雜交子代和親本的經濟性狀進行了比較分析。徐燕等[17-18]對壇紫菜6個表型性狀(長度、寬度、厚度、重量、長度日增長率和重量日增長率)的遺傳特征進行了分析，并結合壇紫菜高密度遺傳連鎖圖譜實現了這6個性狀的QTL定位。

為進一步系統(tǒng)地研究壇紫菜種質品系表型的變異規(guī)律，本研究以福建省壇紫菜種質資源庫保存的73個壇紫菜種質品系為實驗材料，分析了19個表型性狀的特征，并基于各表型性狀數據進行了遺傳變異規(guī)律分析，為壇紫菜的種質資源保護、核心種質庫構建及良種選育提供基礎資料。

1　材料與方法

1.1材料及處理

研究所采用的73份壇紫菜種質品系均取自福建省壇紫菜種質資源庫(其中40份為誘變或雜交所選育，33份為采自福建沿海各地，并經純化的野生壇紫菜種質)。

壇紫菜種質絲狀體的促熟和促放：取一定量種質絲狀體進行40 d左右高溫促熟(27～29℃)，當絲狀體形成殼孢子囊枝時，采用降溫和充氣刺激使成熟的種質絲狀體放散殼孢子。

葉狀體的培養(yǎng)：殼孢子充氣培養(yǎng)至小苗后，每個品系隨機挑選生長正常，形狀完整，長度4.0～4.2 cm的葉狀體15株，測量后單株置于500 mL錐形瓶中充氣培養(yǎng)，期間每隔3天更換一次新鮮培養(yǎng)液，每隔5天測量一次藻體長度、寬度和鮮重，培養(yǎng)期間每天觀察并比較不同品系藻體的生長、發(fā)育及顏色等的變化情況。培養(yǎng)條件為：溫度(21±1)℃，光強2 000～3 000 lx，光周期L∶D=12 h∶12 h，培養(yǎng)時間15 d，恒溫培養(yǎng)室中充氣培養(yǎng)。

1.2實驗方法

1.2.1表型性狀記錄及計算

各種質品系的表型性狀采用5個形態(tài)特征和14個數量性狀進行評價。形態(tài)特征包括藻體形狀、藻體顏色、基部形狀、鋸齒大小、扭曲程度。數量性狀包括藻體長、藻體寬、藻體長寬比、藻體厚度(基部、中部、尖端)、藻體膠質膜厚度(基部、中部、尖端)、重量、長度日生長速率、重量日生長速率、長度絕對生長速率、重量絕對生長速率。計算公式如下：

葉片厚度：隨機取12株(25±5)cm的藻體，分別測量藻體1/4、1/2、3/4處的厚度及膠質膜厚度，取平均值。

葉片寬度：隨機取12株(25±5)cm的藻體，分別測量藻體1/4、1/2、3/4處的寬度，取平均值。

式中Ln為第n天的藻體長度(cm)；L0為初始藻體長度(cm)；Wn為第n天的藻體重量(g)；W0為初始藻體重量(g)。

1.2.2表型性狀的統(tǒng)計分析

對各種質品系的表型特征中的形態(tài)特征進行統(tǒng)計，計算各性狀的頻率，并進行方差分析，利用巢式設計模型對藻體長、藻體寬、藻體厚度、重量、長度日生長速率、重量日生長速率、長度絕對生長速率、重量絕對生長速率8個數量性狀進行方差分析。

1)各性狀方差分析的線性模型參照李斌[19]等的方法，計算公式為：

Yijk=μ+Si+T(i)j+e(ij)k

式中，Yijk為第i個群體(品系)第j個藻體第k個觀測值；μ為總均值；Si為群體效應(固定)；T(i)j為群體內品系效應(隨機)；e(ij)k為實驗誤差。

2)表型分化系數計算方法參照葛頌等[20]方法，公式為：

式中，δ2t/s為群體間方差分量；δ2s為群體內方差分量；Vst為表型分化系數，表示群體間變異占遺傳總變異的百分比。δ2t/s的計算公式為：

式中，MSt為群體間均方；MSs為群體內均方；j為群體內樣本數；k為觀測重復數[18]。

3)采用變異特征系數(Cv)表示性狀的離散程度，用相對極差R'i表示性狀的極差異程度，Cv的計算公式為：

Cv=S/X

式中，S=標準差；X=平均值。

相對極差R'i的計算公式為：

R'i=Ri/Ro×100%

式中，Ri表示局群內的極差；Ro表示總極差。

2　結果

2.1藻體形態(tài)特征的變異

壇紫菜73份種質品系葉狀體的形態(tài)特征記錄結果如表1所示。壇紫菜形態(tài)特征比較簡單，從表1中可以看出：壇紫菜的藻體形狀以披針形為主，其次為線性披針，分別占63.38%和32.87%；基部形狀以圓形為主，其次為楔形，所占比例分別為68.49%和23.28%；藻體顏色以基部綠色少于1/4的野生色為主，所占比例為32.88%；鋸齒程度主要以1～3 mm為主，所占比例為41.89%；扭曲程度以小于藻體1/4為主，所占比例為68.49%。

根據單因素方差分析結果可知，藻體形狀、顏色、鋸齒和扭曲程度與藻體的長度、寬度、鮮重和厚度極其顯著相關(P<0.01)。從藻體形狀上看，線形葉片培養(yǎng)15 d后的平均長度最長(61.33 cm)，寬線形葉片培養(yǎng)15 d后的平均鮮重最重(0.150 2 g)，且平均厚度最薄(26.67 μm)；9種顏色藻體中，棕紅色藻體平均生長速度最快，培養(yǎng)15 d后長度35.02 cm、寬度0.93 cm、鮮重0.158 6 g，深綠色藻體平均厚度最薄為25.73 μm；具波浪狀鋸齒的藻體比其他類型藻體生長速度更快(培養(yǎng)15 d后，長度為27.71 cm)，無鋸齒的藻體相對較重和??；平整無扭曲的藻體長度和重量增長明顯，培養(yǎng)15 d后平均長度和重量分別為30.24 cm 和0.127 1 g。葉片基部形狀與藻體長度、寬度、鮮重和厚度顯著相關(P<0.05)，基部為心臟形的藻體增重明顯(培養(yǎng)15 d后鮮重為0.157 6 g)，且平均厚度最薄(22.50 μm)。

表1　壇紫菜葉狀體不同表型性狀的分布頻率及均值

續(xù)表1

2.2各種質品系表型性狀品系間方差分析結果

對各品系表型性狀進行單因素方差分析，結果顯示品系間各性狀呈極顯著差異(P<0.01)(表2)。進一步根據巢式方差分析結果，得出壇紫菜藻體長、寬、長寬比、重量等表型性狀的方差分量、方差分量百分比，以及表型分化系數，結果如表3所示。從表中可以看出，各性狀品系間的方差分量均大于品系內的方差分量，品系間方差分量均值為72.79%，品系內方差分量均值為21.46%，說明品系間變異是壇紫菜表型變異的主要部分。各性狀的表型分化系數為64.24%～99.9%，表型分化系數最小的性狀是長寬比，最大的性狀是基部的膠質膜厚度，平均表型分化系數為92.96%。

表2　壇紫菜品系間表型性狀方差分析

表3　壇紫菜品系間與品系內表型性狀方差分析

2.3各表型性狀的表型變異系數、極差、變異幅度和分化系數

各種質品系各表型性狀的變異系數、極差、變異幅度、表型分化系數的統(tǒng)計結果如表4所示。從表中可以看出，14個數量性狀的平均變異系數存在一定差異，其中重量最大，尖端厚度最小。變異系數表示性狀值的離散性特征，變異系數大則性狀離散程度大。本實驗結果說明壇紫菜藻體的尖端厚度性狀比其他性狀更為穩(wěn)定，而重量性狀則變化相對較大，變異范圍最寬，變異系數最大，遺傳多樣性最為豐富，變異系數為35.99%，變異幅度為0.002～0.443 9 g。表型性狀的相對極差以中部厚度、寬度及重量性狀較大，長度絕對生長速率、重量絕對生長速率較小。

表4　壇紫菜品系間變異系數、相對極差、變異幅度的統(tǒng)計結果

CV：變異系數；R’：相對極差。

Notes：CV indicated variation；R’ indicated relative range.

3　討論

表型性狀是研究遺傳多樣性在形態(tài)學水平的基本手段，可以反映生物居群遺傳因素及其生活環(huán)境互作的復雜性及其適應環(huán)境的能力[21]。紫菜的表型性狀比較簡單[22]，但在紫菜遺傳育種中，表型性狀是其中主要的選育指標，如陳昌生等[23]進行壇紫菜品系間雜交選育時就著重考察了藻體的長度、寬度、顏色、鮮重、平均日增長率、平均日增重率等指標；嚴興洪等[24]在篩選壇紫菜優(yōu)良品系時，也把藻體的顏色、體型、生長速度等性狀作為篩選的指標；紀德華[25]等在野生壇紫菜進行優(yōu)良品系選育時選取了顏色、形狀、長寬、厚度、鋸齒等作為考察指標；梁艷等[26]在研究壇紫菜新品系的優(yōu)良性狀時選取了藻體的日增長量、日增重率、厚度、色素含量、蛋白含量、氨基酸含量等作為考察指標。相比陸生經濟作物以及水產動物而言，大型經濟海藻的遺傳育種研究起步較晚，經濟性狀的判斷標準還不是很完善，目前僅海帶的經濟性狀標準較為完善，但學者們對紫菜的表型性狀研究正在不斷的完善中[27]。總體來看，目前對紫菜表型性狀的研究主要針對的形態(tài)特征包括：藻體形狀、顏色、鋸齒及基部形狀等；數量性狀包括：藻體長度、寬度、重量、厚度以及重量日增長速率、長度日增長速率等。如徐燕[17]等對壇紫菜DH群體的數量性狀進行統(tǒng)計分析時選取了長度、寬度、厚度、鮮重、長度增長率和重量增長率6個表型性狀進行統(tǒng)計分析。但已有的研究都是從單一種質或是單一群體入手，并未涉及大量來源于不同產地的壇紫菜種質的研究，本研究通過對壇紫菜73份種質品系14個數量性狀和5個形態(tài)特征進行統(tǒng)計分析，試圖從中找到壇紫菜表型性狀的變異規(guī)律，以指導壇紫菜的遺傳育種工作。

紫菜藻體的長度、寬度、厚度、重量、生長速度等表型性狀是決定產量和質量的主要性狀，這些性狀受多基因控制，易受環(huán)境條件影響，這就使得在遺傳育種中很難直接通過表現型選擇來達到基因型選擇的目的。本研究結合前人的經驗，通過比較不同表型性狀的均值，并進行方差分析和性狀相關性分析，以期揭示各數量性狀和形態(tài)特征的相關性，從而可以從藻體的形態(tài)特征預測各性狀育種潛力的目的，以達到縮短育種周期、提高育種效率的目的。如需要選擇長度生長速度快的品系，可以在線形和寬線型藻體中選擇；需要選育重量增長速度快的品系，可以從寬線型，基部形狀為心臟形，顏色為棕紅色的藻體中選擇；選育薄葉型品系，可以從基部為心臟形，無鋸齒的藻體中選擇。巢式方差分析結果顯示，壇紫菜各表型性狀品系間的方差分量均遠大于品系內的方差分量，說明品系間的變異是壇紫菜表型變異的主要來源。變異系數是衡量某種性狀變異程度大小的一個重要指標，大的變異系數意味著從群體中選擇獲得這一性狀優(yōu)良個體的概率也相對較高。本研究發(fā)現壇紫菜表型性狀的變異系數為7.14%～35.99%，其中藻體厚度的變異系數最低，基部、中部和尖端的變異系數均小于9%，而單株藻體重量的變異系數則最高為35.45%，說明藻體厚度的選擇潛力相對較小，而重量的選擇潛力則較大，這與徐燕等[17]和王清印[12]的研究結果基本一致。因此，在今后壇紫菜的遺傳育種中，可以參照表型遺傳變異的分析數據及數量性狀與形態(tài)特征的相關性進行優(yōu)良品系的選育。

[1]李曉川.我國紫菜產業(yè)發(fā)展、標準狀況及安全性評價[J].中國漁業(yè)質量與標準，2011，1(3)：9-12.

[2]曾呈奎，相建海.海洋生物技術[M].濟南：山東科學技術出版社，1998：231-232.

[3]王清印.海水養(yǎng)殖生物的細胞工程育種[M].北京：海洋出版社，2007：314．

[4]郗榮庭，張毅萍.中國核桃[M].北京：中國林業(yè)出版社，1992：121-122．

[5]盧欣石，何琪.種群遺傳變異及基因多樣度分析[J].草業(yè)學報，1999，(3)：76-82.

[6]王洪新，胡志昂.植物的繁育系統(tǒng)、遺傳結構和遺傳多樣性保護[J].生物多樣性，1996，(2)：32-36.

[7]顧萬春.統(tǒng)計遺傳學[M].北京：科學出版社，2004：1-422.

[8]曾呈奎，孫國玉，吳超元.海帶的幼苗低溫度夏栽培實驗報告[J].植物學報，1955，4：255-264.

[9]方宗熙，蔣本禹，李家俊.海帶遺傳和育種的研究[J].高等學校自然科學學報(生物學版)，1965，3：92-40.

[10]方宗熙，蔣本禹，李家俊.海帶葉片長度遺傳的進一步研究[J].海洋與湖沼，1965，7(1)：59-66.

[11]方宗熙，蔣本禹.海帶葉片長度的遺傳[J].海洋與湖沼，1963，(2)：172-182.

[12]王清印.海帶幾個經濟性狀遺傳力和遺傳相關的研究[J].山東海洋學院學報，1984，14(3)：65-76.

[13]Miura W，Fujio Y，Suto S.Genetic differentiation between the wild and cultured populations ofPorphyrayezoensis(algae)[J].Tohoku Journal of Agricultural Research，1980，30(3)：114-125.

[14]張景鏞，方宗熙.海帶葉片厚度遺傳的初步研究[J].遺傳學報，1980，(3)：257-262.

[15]童冠文.條斑紫菜經濟性狀的遺傳分析[D].青島：中國海洋大學，2010.

[16]陳昌生，徐燕，紀德華，等.壇紫菜品系間雜交藻體選育及經濟性狀的初步研究[J].2007，31(1)：97-104．

[17]Xu Y，Xie C T，Chen C S，et al.Genetic analyses of six quantitative traits of a doubled haploid population ofPorphyrahaitanensisChang et Zheng(Bangiales，Rhodophyta)[J].Journal of Applied Phycology，2012，24(1)：89-96.

[18]Xu Y，Huang L，Ji DH，et al.Construction of a dense genetic linkage map and mapping quantitative trait loci for economic traits of a doubled haploid population ofPyropiahaitanensis(Bangiales，Rhodophyta)[J].BMC plant biology，2015，15(1)：228.

[19]李斌，顧萬春，盧寶明.白皮松天然群體種實性狀表型多樣性研究[J].生物多樣性，2002，10(2)：181-188.

[20]葛頌，王明庥，陳岳武.用同工酶研究馬尾松群體的遺傳結構[J].林業(yè)科學，1988，24(4)：399-409.

[21]Bacilieri R，Ducousso A，Kremer A.Genetic，morphological，ecological and phenological differentiation betweenQuercuspetraea(Matt.)Liebl.andQuercusroburL.in a mixed stand of northwest of France[J].Silvae Genetica，1995，44(1)：1-9.

[22]Kavale M G，Kazi M A，Sreenadhan N，et al.Morphological，ecological and molecular characterization ofPyropiavietnamensis(Bangiales，Rhodophyta)from the Konkan region，India[J].Phytotaxa，2015，224(1)：45-58.

[23]陳昌生，謝潮添，紀德華，等.野生壇紫菜種群遺傳多樣性的ISSR分析[J].水產學報，2008，32(5)：717-724.

[24]嚴興洪，陳俊華.壇紫菜優(yōu)良品系的篩選與特性分析[EB/OL].[2016-04-03].http://cpfd.cnki.com.cn/Article/CPFDTOTAL-ZGHI200708001156.htm.

[25]紀德華，謝潮添，陳昌生，等.野生壇紫菜的選育及經濟性狀的研究[J].海洋學報，2008，30(1)：140-146．

[26]梁艷，徐燕，陳昌生，等.壇紫菜優(yōu)質新品系(Q-1)主要經濟性狀的研究[J].漁業(yè)科學進展，2009，30(4)：108-116.

[27]Jia J，Wang P，Jin D，et al.The application of RAPD markers in diversity detection and veriety identification ofPorphyra[J].Acta Botanica Sinica，1999，42(4)：403-407.

Analysis on the variation pattern of phenotypic traits ofPyropia haitanensis germplasms

WU Yanqing，XIE Chaotian，XIE Xiaoxue，CHEN Changsheng，JI Dehua，XU Kai，XU Yan*

(Fisheries College of Jimei University，Fujian 361021，China)

Phenotypic traits are the core selection standards in breeding of new varieties.We chose 73 wildPyropiahaitanensisstrains as experimental material which collected from Fujian coast.We analyzed the genetic diversity ofP.haitanensisthrough phenotype data including 5 basic morphological characteristics and 14 quantitative traits.The results indicated that 4 morphological characteristics including leaf type，color，sawtooth and distortion degree had extremeby significant(P<0.01)relationships with 4 quantitative traits including the length，width，fresh weight and thickness.In addition，the base shape of thallus significantly(P<0.05)correlated with the length，width，fresh weight and thickness.By comparing the average values of different traits，we found that linear thallus showed the highest length growth rate，the thallus with heart shape base exhibited the highest weight growth rate，thallus without sawtooth was the thinnest strain.According to the results of nested analysis on variance among strains，the mean variance components was 72.79% among strains which far larger than mean variance components of 21.46% within strains，which explained the main source ofP.haitanensisphenotypic variation originate between strains.We also found that coefficient of phenotypic variation ofP.haitanensisthallus was ranged from 7.14% to 35.45%，and the variation coefficient of thickness was the lowest，while the mean weight per thallus was the highest.These indicated that thickness only had little potential to improve，but weight was worth to be the target trait.Present study could offer some basic information for futureP.haitanensisbreeding.

Pyropiahaitanensis；phenotype traits；analysis of variance；coefficient of phenotypic variation

2016-05-13

福建省種業(yè)創(chuàng)新與產業(yè)化工程資助項目(項目編號：2014S1477-10)；福建自然科學基金項目(項目編號：2014J05041，2014 J07006)；浙江省重中之重一級學科開放基金項目(項目編號：xkzsc09).

仵燕青(1990-)，女，碩士生，研究方向為壇紫菜遺傳育種.E-mail:1107700709@qq.com

徐燕(1981-)，助理研究員，研究方向為壇紫菜遺傳育種.E-maill:yanxu@jmu.edu.cn

S968.43

A

1006-5601(2016)03-0173-08

仵燕青，謝潮添，謝小雪，等.壇紫菜種質品系表型性狀的變異規(guī)律分析[J].漁業(yè)研究，2016，38(3)：173-180.