柱花草種質(zhì)資源表型性狀的多樣性分析

蔣亞君，申 晴，丁西朋，嚴(yán)琳玲，劉國道，白昌軍

(1.海南大學(xué)熱帶農(nóng)林學(xué)院，海南 ?？?570228； 2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所，海南 儋州 571737)

植物生產(chǎn)層

柱花草種質(zhì)資源表型性狀的多樣性分析

蔣亞君1,2，申 晴1，丁西朋2，嚴(yán)琳玲2，劉國道2，白昌軍2

(1.海南大學(xué)熱帶農(nóng)林學(xué)院，海南 海口 570228； 2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所，海南 儋州 571737)

為研究柱花草(Stylosanthes)遺傳多樣性分布情況及其遺傳背景，本研究采用表型性狀遺傳多樣性聚類分析和主成分分析，對(duì)來自6個(gè)不同種的60份柱花草種質(zhì)資源的17個(gè)表型性狀進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，不同性狀中多樣性指數(shù)最高的是旗瓣條斑，其次是莖生長習(xí)性和莖毛類型；數(shù)量性狀中變異系數(shù)最高的是自然株高，其次是小葉寬和葉柄長；通過聚類分析將60份柱花草種質(zhì)分為兩大類，其中7份頭狀柱花草(Stylosanthescapitata)、10份大頭柱花草(S.Macrocephala)、7份有鉤柱花草(S.hamata)和11份矮柱花草(S.humilis)為一類，8份細(xì)莖柱花草(S.gracilis)、17份圭亞那柱花草(S.guianensis)為一類。本研究將為柱花草篩選優(yōu)良種質(zhì)及提高育種效率提供依據(jù)。

DUS測試性狀；遺傳多樣性；聚類分析；主成分分析

柱花草(Stylosanthes)又名筆花豆、巴西苜蓿，原產(chǎn)中南美洲及加勒比海地區(qū)[1]，具有適應(yīng)性強(qiáng)、耐酸土、瘠土、耐旱、耐高溫、產(chǎn)草量高，營養(yǎng)價(jià)值豐富等優(yōu)點(diǎn)[2]，目前作為一種優(yōu)良的多年生豆科牧草已在世界熱帶和亞熱帶地區(qū)廣泛栽培種植和推廣利用[1]。柱花草屬約有50個(gè)種和變種，常用的栽培種主要有圭亞那柱花草(S.guianensis)、頭狀柱花草(S.capitata)、有鉤柱花草(S.hamata)、灌木柱花草(S.seabrana)、糙柱花草(S.scabra)、矮柱花草(S.humilis)等[3]。

隨著人類對(duì)柱花草種質(zhì)資源開發(fā)和利用的重視，柱花草品種資源變得越來越豐富[4]。遺傳背景研究及遺傳多樣性分析是柱花草種質(zhì)資源的收集、保存和創(chuàng)新利用的基礎(chǔ)[5]。近20年，柱花草分類、系統(tǒng)發(fā)育及遺傳多樣性的研究進(jìn)展迅速，眾多新技術(shù)、新手段被采用[6]，如隨機(jī)擴(kuò)增多態(tài)性DNA(random amplified polymorphic DNA，RAPD)[7]、簡單重復(fù)間序列區(qū)間(inter-simple sequence repeat，ISSR)[8]、限制性片段長度多態(tài)性(restriction fragment length polymorphisms，RFLP)[9-10]、序列標(biāo)記位點(diǎn)(sequence-tagged-sites，STS)[11]和簡單序列重復(fù)(simple sequence repeat，SSR)[12-13]等分子標(biāo)記技術(shù)。但由于種質(zhì)資源表現(xiàn)出來的特性不僅受遺傳因子的控制，而且很大程度上也受環(huán)境因素的支配[14]，而形態(tài)特征觀測作為最傳統(tǒng)和最基礎(chǔ)的方法，能夠直接表現(xiàn)出環(huán)境與遺傳因素對(duì)種質(zhì)資源多樣性的影響，在評(píng)估種質(zhì)遺傳變異方面仍不可或缺[15]。目前，關(guān)于柱花草表型多樣性分析方面的報(bào)道較少，Karia等[16]通過測定株高、植物直徑、主莖長度、主枝側(cè)枝數(shù)等12個(gè)農(nóng)藝性狀對(duì)4個(gè)不同種柱花草種質(zhì)的多樣性進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)發(fā)現(xiàn)，圭亞那柱花草、糙柱花草、頭狀柱花草、大頭柱花草的各種內(nèi)變異程度都很高；唐燕瓊等[17]對(duì)不同種的48份柱花草種質(zhì)的13個(gè)植物學(xué)特征觀測比較，認(rèn)為柱花草植物學(xué)特征變異廣泛，并通過系統(tǒng)聚類將所試柱花草聚為圭亞那種和非圭亞那種兩大類；柱花草DUS測試體系不斷完善，張龍等[4]采用24個(gè)柱花草DUS必測性狀對(duì)192份柱花草種質(zhì)測試的研究中也發(fā)現(xiàn)，供試柱花草種質(zhì)的香農(nóng)-威納多樣性指數(shù)范圍為0.000～1.389，表明供試柱花草的多樣性較豐富，并將所試種質(zhì)聚為11類。

為了解柱花草遺傳多樣性分布情況及遺傳背景，本研究對(duì)在國內(nèi)外收集的60份6個(gè)不同種柱花草種質(zhì)的株高、莖色、葉的類型、托葉毛況、龍骨瓣端部形狀等17個(gè)表型性狀進(jìn)行測量記錄，并對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行表型多樣性分析、聚類分析、主成分分析，分析柱花草屬種間遺傳關(guān)系，為培育優(yōu)良柱花草選配理想親本提供基礎(chǔ)，為柱花草種質(zhì)資源的開發(fā)利用提供依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

供試柱花草材料共60份(表1)，包括從國外引進(jìn)的種質(zhì)40份及中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所牧草中心種質(zhì)資源庫保存的種質(zhì)20份，其中頭狀柱花草7份，細(xì)莖柱花草8份，有鉤柱花草7份，矮柱花草11份，大頭柱花草10份，圭亞那柱花草17份。

1.2 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)在中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所牧草中心基地進(jìn)行，試驗(yàn)地土壤為花崗磚紅壤，屬熱帶季風(fēng)氣候類型，前茬作物為禾本科牧草。試驗(yàn)采用無重復(fù)完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每份材料種植15株，株距20 cm，不同材料間行距2 m，列距1.5 m，常規(guī)田間管理。

1.3 觀測性狀及測定標(biāo)準(zhǔn)

田間調(diào)查柱花草種質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)測定方法參照《熱帶牧草種質(zhì)資源數(shù)據(jù)質(zhì)量控制規(guī)范》[18]及《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測試指南 柱花草》(報(bào)批稿)[19]，具體方法見表2。調(diào)查的性狀包括13個(gè)質(zhì)量性狀和4個(gè)數(shù)量性狀，分別為莖生長習(xí)性、莖的顏色、莖毛類型、葉的類型、葉色、中央小葉葉形、托葉毛況、托葉質(zhì)地、花穗類型、小花著生方式、旗瓣條斑、旗瓣顏色、龍骨瓣端部形狀、葉柄長、小葉長、小葉寬、自然株高。

1.4 數(shù)據(jù)分析

為了便于統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)所有質(zhì)量性狀進(jìn)行測量記錄，數(shù)量性狀進(jìn)行分級(jí)記錄。數(shù)據(jù)用Excel軟件分別計(jì)算質(zhì)量性狀的頻率分布和遺傳多樣性指數(shù)和數(shù)量性狀的均值、最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差、極差、變異系數(shù)、遺傳多樣性指數(shù)。遺傳多樣性指數(shù)(H′)采用Shannon-Weaver信息指數(shù)，以衡量種質(zhì)資源群體遺傳多樣性大小，計(jì)算公式：

H′=-∑PilnPi.

式中：Pi為某一性狀第i個(gè)級(jí)別出現(xiàn)的概率[20]。用DPS[14,21-22]進(jìn)行聚類分析和主成分分析，在聚類分析中數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理，該方法主要是對(duì)變量的屬性進(jìn)行變換處理，首先對(duì)列進(jìn)行中心化，然后用標(biāo)準(zhǔn)差給予標(biāo)準(zhǔn)化，即

表1 供試60份柱花草種質(zhì)資源

續(xù)表1

注： CATAS，中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院。

Note: CATAS, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences.

通過變換處理后，每列數(shù)據(jù)的平均值為0，方差為1。使用標(biāo)準(zhǔn)差作標(biāo)準(zhǔn)化處理后，在抽樣樣本改變后仍保持相對(duì)穩(wěn)定性。再計(jì)算歐式距離，即

聚類方法為離差平方和[14,20-21](Ward)方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 柱花草種質(zhì)資源表型性狀多樣性

通過對(duì)60份柱花草種質(zhì)資源的13個(gè)質(zhì)量性狀進(jìn)行多樣性分析發(fā)現(xiàn)，質(zhì)量性狀的多樣性指數(shù)介于0.360～1.242，不同性狀多樣性有差異，最高的為旗瓣條斑，其次為莖生長習(xí)性，最低的為小花著生方式(表3)。各表型性狀的不同分級(jí)類型在柱花草種質(zhì)資源中的頻率分布存在較大差異，其中斜升的莖生長習(xí)性、綠色的莖色、短柔毛的莖毛類型、羽狀三出復(fù)葉的葉類型、綠色的葉色、披針形的葉形、稀的托葉毛、膜質(zhì)的托葉質(zhì)地、復(fù)穗狀的花穗類型、簇生的小花著生方式、中等的旗瓣條斑、淺黃色的旗瓣顏色、分叉的龍骨瓣在各表型性狀中占的比例較高，比較具有代表性。

對(duì)60份柱花草種質(zhì)資源的4個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明(表4)，多樣性指數(shù)最高的是小葉長，其次是小葉寬和葉柄長，最小的是自然株高。4個(gè)數(shù)量性狀的變異系數(shù)均較高且差異不大，介于28.88%～40.38%，自然株高的變異系數(shù)最大，為40.38%。變幅為7.70～101.60cm；其次為小葉寬和葉柄長，變異系數(shù)分別為39.68%和32.09%，變幅分別為2.60～13.87和2.52～12.40mm；小葉長的變異系數(shù)最小，為28.88%，變幅為12.78～46.03mm。

2.2 柱花草種質(zhì)資源的聚類分析

利用柱花草種質(zhì)資源17個(gè)表型性狀數(shù)據(jù)，采用離差平方和方法，對(duì)60份柱花草材料進(jìn)行聚類分析發(fā)現(xiàn)，在歐氏距離28.6處將60份柱花草種質(zhì)資源分為兩大類，在歐氏距離25.8處將第Ⅰ大類分為兩個(gè)亞類，第Ⅱ大類分為兩個(gè)亞類。

第Ⅰ大類包括35份材料，這一類的明顯特征是羽狀三出復(fù)葉、分叉的龍骨瓣和植株高度小于60 cm。該類群亞類ⅰ包含17份材料，包括頭狀柱花草和大頭柱花草所有材料，該亞類明顯特征是莖色多為紫色或紅褐色，葉形多為橢圓形或卵圓形，旗瓣條斑較少。亞類ⅱ包含18份材料，包括矮柱花草和有鉤柱花草材料，明顯特征是莖毛類型為氈毛。

表3 柱花草種質(zhì)資源13個(gè)質(zhì)量性狀的多樣性分析

注：頻率分布中1,2,3,4同表2中性狀分級(jí)。

Note: Frequency distribution of 1, 2, 3, 4 are same with classification of the traits in Table 2.

表4 柱花草種質(zhì)資源4個(gè)數(shù)量性狀的多樣性分析

第Ⅱ大類包括25份材料，這一大類的葉形為掌狀三出復(fù)葉，龍骨瓣不開叉，植株高度中等，小葉較長，莖色為綠色。該類群亞類ⅲ包含7份材料均為細(xì)莖柱花草，明顯特征為莖生長習(xí)性為直立，葉色多為深綠色，托葉質(zhì)地為草質(zhì)。亞類ⅳ包含18份材料，包括CIAT 11519細(xì)莖柱花草和所有圭亞那柱花草資源，該亞類資源的明顯特征為莖生長習(xí)性為斜升，旗瓣條斑多為中等，旗瓣顏色多為黃色。

2.3 柱花草表型性狀的主成分分析

對(duì)柱花草主要表型性狀進(jìn)行主成分分析(表5)，結(jié)果表明，前6個(gè)因子的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到77.61%，且特征值都大于1。主成分1貢獻(xiàn)率為30.96%，其主成分載荷為正且較高的為葉的類型、小花著生方式和旗瓣顏色，說明這3個(gè)性狀與第一主成分有較強(qiáng)的正相關(guān)，自然株高與其呈較強(qiáng)的負(fù)相關(guān)性。主成分2貢獻(xiàn)率為14.76%，與其呈較強(qiáng)正相關(guān)的有旗瓣條斑和托葉毛況，呈較強(qiáng)負(fù)相關(guān)的為莖生長習(xí)性。主成分3的貢獻(xiàn)率為10.09%，與其呈較強(qiáng)正相關(guān)的為小葉葉形，較高負(fù)相關(guān)的為小葉長。主成分4的貢獻(xiàn)率為8.80%，與其呈較強(qiáng)正相關(guān)的為花序類型，較強(qiáng)負(fù)相關(guān)的為小葉寬。主成分5的貢獻(xiàn)率為7.09%，與其呈較強(qiáng)正相關(guān)的為葉柄長。主成分6的貢獻(xiàn)率為5.91%，與其呈較強(qiáng)正相關(guān)的為托葉毛況和莖的顏色。

3 討論與結(jié)論

表型性狀變異往往具有適應(yīng)和進(jìn)化上的意義[23]，由于地理分布差異，柱花草種質(zhì)資源形態(tài)特征存在較明顯的差異[17]。本研究根據(jù)17個(gè)表型性狀數(shù)據(jù)對(duì)60份柱花草種質(zhì)資源進(jìn)行評(píng)價(jià)，質(zhì)量性狀遺傳多樣性指數(shù)(0.360～1.242)范圍比數(shù)量性狀(0.684～1.072)更大，與Karia等[16]、唐燕瓊等[17]得出柱花草種質(zhì)資源遺傳多樣性豐富的結(jié)果一致。其中數(shù)量性狀變異系數(shù)均較高，變異最大的為自然株高(40.38%)，最小的為小葉長(28.88%)，與前人對(duì)柱花草形態(tài)分析得出的結(jié)論相一致[4,17,24]。另外，在觀察過程中還發(fā)現(xiàn)了龍骨瓣端部形狀對(duì)種間的鑒定比較有幫助，而托葉毛況對(duì)于種內(nèi)品種間的鑒定較為實(shí)用，張龍等[4]也得出類似結(jié)論。

圖1 基于17個(gè)性狀的60份柱花草種質(zhì)資源系統(tǒng)聚類圖

表5 柱花草表型性狀的主成分分析

根據(jù)柱花草17個(gè)性狀將供試60份柱花草種質(zhì)資源聚為兩個(gè)大類4個(gè)亞類，第Ⅰ大類中頭狀和大頭柱花草聚為亞類ⅰ，兩者均含有D類基因組，親緣關(guān)系較近，這與SSR分子標(biāo)記分析[25]以及利用葉綠體 DNA序列差異分析[26]結(jié)果吻合。第Ⅱ大類中7份細(xì)莖柱花草聚為亞類ⅲ，CIAT 11519細(xì)莖柱花草和所有圭亞那柱花草聚為亞類ⅵ，細(xì)莖柱花草和圭亞那柱花草的基因組都為G類基因組[18]，二者的遺傳關(guān)系較近，這也與前人研究結(jié)果[9,26-27]一致。聚類結(jié)果能將不同種的材料分開，與植物學(xué)分類結(jié)果[28]比較一致，說明這種評(píng)價(jià)方式是可行的。

了解牧草植株特性間的相互關(guān)系對(duì)改善目標(biāo)綜合性狀非常重要[29]。本研究采用主成分分析對(duì)表型性狀進(jìn)行篩選和評(píng)價(jià)以簡化選擇程序[14]，這一分析方法也在小麥(Triticumaestivum)[30]、水稻(Oryzasativa)[31]、大豆(Glyxinmax)[32]等作物中得到了應(yīng)用。結(jié)果顯示，前6個(gè)主成分反映了資源的大部分信息，累積貢獻(xiàn)率達(dá)到77.61%，可以用少量的主成分代表多個(gè)農(nóng)藝性狀的信息，并且各主成分中包含的性狀差異較大。丁亞操[33]對(duì)柱花草F2代群體的主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析，表明前3個(gè)主成分的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到71.66%，不同的性狀在各主成分中具有明顯不同的荷載值。由此得出在進(jìn)行主成分分析時(shí)材料和性狀的選擇至關(guān)重要。

本研究通過遺傳多樣性分析、聚類分析和主成分分析對(duì)60份柱花草種質(zhì)資源的多樣性進(jìn)行了評(píng)價(jià)并對(duì)親緣關(guān)系做了分析，結(jié)果顯示柱花草種質(zhì)間存在較豐富的遺傳多樣性，根據(jù)性狀相似來聚類，將柱花草種質(zhì)資源分為兩大類，分析不同柱花草的親緣關(guān)系遠(yuǎn)近，并對(duì)表型性狀進(jìn)行主成分分析，為以后的柱花草品種育種提供了理論依據(jù)。

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(責(zé)任編輯 武艷培)

Phenotypic diversity analysis ofStylosanthesgermplasms

Jiang Ya-jun1,2, Shen Qing1, Ding Xi-peng2, Yan Lin-ling2, Liu Guo-dao2, Bai Chang-jun2

(1. Institute of Tropical Agriculture and Forestry, Hainan University, Haikou 570228, China;2. Tropical Crops Genetic Resources Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences, Danzhou 571737, China)

To understand the genetic diversity distribution and genetic background of differentStylosanthesspecies, 60 accessions from 6 species were evaluated by cluster analysis and principal component analysis based on 17 phenotype traits. The results showed that banner stripe had the highest Shannon diversity index, followed by stem growth habits and stem indumentum. Plant height had the highest variation coefficient, followed by leaf width and petiole length. Clustering analysis demonstrated that 60 accessions were classified into 2 groups. Group I included 7 accessions ofStylosanthescapitata, 10 accessions ofS.macrocephala, 7 accessions ofS.hamataand 11 accessions ofS.humilis, and group II included 8 accessions ofS.gracilisand 17 accessions ofS.guianensis. This study could provide useful information for selecting fine germplasm and improving breeding efficiency ofStylosanthes.

DUS tested characteristics; genetic diversity; cluster analysis; principal component analysis

Bai Chang-jun E-mail:baichangjun@126.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0588

蔣亞君,申晴,丁西朋,嚴(yán)琳玲,劉國道,白昌軍.柱花草種質(zhì)資源表型性狀的多樣性分析.草業(yè)科學(xué),2017,34(5)：1032-1041.

Jiang Y J,Shen Q,Ding X P,Yan L L,Liu G D,Bai C J.Phenotypic diversity analysis ofStylosanthesgermplasms.Pratacultural Science，2017,34(5)：1032-1041.

2016-11-22 接受日期：2017-02-20

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(1630032017006)；海南地區(qū)國家草品種區(qū)域試驗(yàn)和“三性”測試；優(yōu)良柱花草新品種種子生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)研究及其規(guī)?；庇痉?0314108)

蔣亞君(1992-)，女，河南新密人，在讀碩士生，主要從事熱帶牧草種質(zhì)資源評(píng)價(jià)與選育。E-mail:jyj1992@163.com

白昌軍(1967-)，男，甘肅民勤人，研究員，博士，主要從事熱帶牧草種質(zhì)資源和栽培利用研究。E-mail:baichangjun@126.com

S541+.901;Q948.15

A

1001-0629(2017)05-1032-10