薄皮甜瓜12個質量性狀的遺傳多樣性分析

李 清，郭祿芹，康建成，胡倩梅，朱華玉

(1．深圳大學 生命與海洋科學學院，廣東 深圳 518060； 2．深圳大學 光電工程學院 光電子器件與系統(tǒng)教育部/廣東省重點實驗室，廣東 深圳 518060； 3．河南農業(yè)大學 園藝學院，河南 鄭州 450002)

甜瓜(CucumismeloL.)又稱香瓜、甘瓜、果瓜、白啄瓜，隸屬葫蘆科甜瓜屬，為1年生蔓性草本植物，在世界范圍內均有栽培[1]。甜瓜的初級起源中心位于非洲中部的熱帶地區(qū)，次級起源中心則位于中近東和中亞地區(qū)[2]。在我國通常將甜瓜分為薄皮甜瓜和厚皮甜瓜2個栽培類型。薄皮甜瓜包含越瓜變種(var.conomon)、香瓜變種(var.makuwa)、梨瓜變種(var.chinensis)、泡瓜變種(var.momardica)和酸瓜變種(var.acidulus)5種類型[3]。薄皮甜瓜主要位于我國的中東部，而厚皮甜瓜則主要分布在我國的西北部[4-6]。

盡管目前已有多種DNA標記用于甜瓜種質資源研究和遺傳多樣性評價[2]，但由于形態(tài)學分析能更直觀地提供甜瓜育種材料的表型信息，因此對于甜瓜育種來說仍然很重要。TRIMECH等[7]通過對突尼斯不同地理環(huán)境區(qū)域采集的28份傳統(tǒng)甜瓜品種的34個質量和數(shù)量性狀進行分析，揭示了其形態(tài)變異和系統(tǒng)發(fā)育狀況。胡建斌等[8]對我國各地257份有代表性的甜瓜種質資源的20個形態(tài)性狀進行調查分析，研究其遺傳多樣性。王煒勇等[9]對浙江省沿海地區(qū)27份薄皮甜瓜的48個質量性狀和33個數(shù)量性狀進行研究，從總體上對浙江省薄皮甜瓜的遺傳多樣性水平進行評估，并挖掘了一些優(yōu)異基因資源。張永兵等[5]通過分析121份新疆甜瓜地方品種的32個形態(tài)性狀，對其進行遺傳多樣性和親緣關系研究，發(fā)現(xiàn)新疆具有豐富的甜瓜種質資源。

甜瓜種質資源表型性狀的評價與研究，對甜瓜相應基礎科學的研究具有非常重要的作用。甜瓜在果實水平上具有廣泛的多樣性，綜合分析果實形狀和大小、果皮顏色、果肉顏色、種子大小和種子周圍膠狀鞘的有無等性狀可確定甜瓜的類群和子類群[10]。本研究以74份薄皮甜瓜為試驗材料，對果實形狀等12個質量性狀進行遺傳多樣性分析，為薄皮甜瓜種質資源部分優(yōu)良基因的發(fā)掘和利用奠定基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本試驗收集來自亞洲地區(qū)共74份薄皮甜瓜材料(表1)，其中，來自中國63份，印度5份，日本3份，韓國2份，敘利亞1份。來自中國的63份材料中：華中地區(qū)22份，其中，河南省19份，湖南省2份，湖北省1份；華東地區(qū)16份，其中，江蘇省6份，山東省5份，江西省2份，浙江省、福建省和安徽省各1份；東北地區(qū)13份，其中，黑龍江省6份，遼寧省5份，吉林省2份；西北地區(qū)5份，其中，新疆維吾爾自治區(qū)3份，內蒙古自治區(qū)2份；華北地區(qū)5份，其中，山西省2份，北京市、天津市、河北省各1份；華南地區(qū)1份，來自廣西壯族自治區(qū)；具體來源地區(qū)不明1份。以上薄皮甜瓜的供試材料多數(shù)來自我國不同的區(qū)域，一定程度上代表了中國薄皮甜瓜種質資源。

表1 供試74份薄皮甜瓜品種信息Tab.1 The information of 74 thin-skinned melon accessions

續(xù)表1 供試74份薄皮甜瓜品種信息Tab.1(Continued) The information of 74 thin-skinned melon accessions

1.2 試驗方法

試驗于2017年3—7月在河南農業(yè)大學毛莊科研教學基地園區(qū)內進行。甜瓜種子經(jīng)溫湯浸種、催芽露白后播種于72孔的穴盤中，每個材料18株，待植株長到兩葉一心時，選6株長勢健壯的植株定植于日光溫室中。定植前2周縱向溝施堆肥(有機肥和復合肥)，其中有機肥24 000 kg/hm2，復合肥750 kg/hm2。本試驗采用隨機區(qū)組設計，每個材料6株，株距0.35 m，1 hm2定植19 500株，進行爬蔓栽培。在全部生育期內結合施肥、澆水、整枝打杈、病蟲害防治等進行甜瓜常規(guī)的栽培管理[11]。

1.3 性狀調查

參照《甜瓜種質資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》[12]，在甜瓜幼果期觀察并記錄74份甜瓜的葉片形狀、葉片缺刻、葉柄姿態(tài)、葉片表面形態(tài)、葉緣鋸齒和蔓上絨毛類型等6個主要與葉片相關的性狀；在果實成熟期調查統(tǒng)計果面溝、果肉香氣、果實形狀、外果肉顏色、內果肉顏色和瓜瓤顏色等6個與果實相關的性狀。將調查所得的數(shù)據(jù)按照表2進行分級。

表2 74份薄皮甜瓜品種的12個質量性狀描述分級Tab.2 Classification and characterization of 12 qualitative traits in 74 thin-skinned melon accessions

1.4 數(shù)據(jù)處理

對供試甜瓜材料的質量性狀進行數(shù)量化賦值，統(tǒng)計各性狀的頻率分布，并在Excel中計算其最小值、最大值、極差、平均值、標準差、變異系數(shù)和多樣性指數(shù)。利用SPSS 22軟件分析各性狀的相關性，并計算Shannon-Weaver多樣性指數(shù)(H’)。參照郭祿芹等[13]的計算方法，將數(shù)量性狀根據(jù)平均值(X)和標準差(S)分為10級，1級

2 結果與分析

2.1 薄皮甜瓜12個質量性狀的頻率統(tǒng)計

對74份薄皮甜瓜的12個質量性狀按照表2進行賦值分級，并計算頻率分布(表3)。結果發(fā)現(xiàn)，在6個果實相關性狀中，果面有淺溝的占76.39%，果面有深溝的占12.50%，果面無溝的占11.11%，說明薄皮甜瓜果實表面多為淺溝，而果面深溝和無溝也有分布，但所占比例較少。甜瓜果肉有香氣占63.38%，異香占19.72%，無香味占16.90%。果實形狀主要以卵圓形(30.00%)、梨形(22.86%)和圓形(21.43%)為主，棒形(10.00%)、橢圓形(7.14%)、瓶頸形(5.71%)和倒卵圓形(1.43%)等其他形狀在薄皮甜瓜中也有分布，但所占的總比例較少，僅為25.71%。外果肉顏色主要以綠色(54.05%)和白色(27.03%)為主，而內果肉顏色主要以白色(34.25%)和黃色(30.14%)為主，瓜瓤顏色大部分以橘色(43.24%)為主。

通過對74份薄皮甜瓜的6個葉片相關性狀的頻率計算發(fā)現(xiàn)，薄皮甜瓜的葉片主要以心臟形為主(52.05%)，三角形葉片(34.25%)僅次于心臟形葉片，而圓形(12.33%)、腎形(1.37%)等形狀的葉片所占比例較少，僅為13.70%。甜瓜葉片多為缺刻較淺(69.57%)或者無缺刻(7.25%)，缺刻較深的葉片類型占23.18%。葉片表面形態(tài)中褶皺的占41.89%，平展的占33.78%，匙狀的占18.92%，皰狀的占5.41%。葉柄姿態(tài)主要以直立(49.30%)和半直立(39.44%)為主，水平僅占11.26%。蔓上絨毛的存在與植物的抗蟲性有關[14]。94.59%的薄皮甜瓜都具有較硬的絨毛，僅5.41%的甜瓜絨毛較軟。

表3 74份薄皮甜瓜品種12個質量性狀的頻率分布 Tab.3 Frequency distribution of 12 qualitative traits in 74 thin-skinned melon accessions %

2.2 薄皮甜瓜12個質量性狀的變異分析

以74份供試薄皮甜瓜為材料，對其12個質量性狀的質量指標進行統(tǒng)計分析。由表4可知，多樣性指數(shù)為0.21～1.45，內果肉顏色的多樣性指數(shù)最大，蔓上絨毛類型的多樣性指數(shù)最小；其他性狀的多樣性指數(shù)介于它們之間。多樣性指數(shù)越大，說明該性狀的多樣性越豐富。而變異系數(shù)與多樣性指數(shù)不同，它反映的是某一性狀數(shù)據(jù)的離散程度，變異系數(shù)越大，則表明該性狀的變異程度越大。葉緣鋸齒的變異系數(shù)最大，為134.05%；蔓上絨毛類型的變異系數(shù)最小，僅為11.70%。在果實相關的6個性狀中，果實形狀、外果肉顏色、內果肉顏色、瓜瓤顏色4個性狀的遺傳多樣性指數(shù)均大于1，且變異系數(shù)均高于40%，說明這些性狀的遺傳多樣性較為豐富，并對薄皮甜瓜果實外觀性狀變異的貢獻率也較大。而與葉片相關的6個性狀中，除葉緣鋸齒的變異系數(shù)較大外，其他5個性狀的變異系數(shù)大體上低于果實性狀，說明葉片相關性狀的形態(tài)差異變化范圍較窄，這可能與葉片形狀等性狀變化較為單一有關。

表4 74份薄皮甜瓜品種12個質量性狀的變異統(tǒng)計分析 Tab.4 Variation analysis of 12 qualitative traits in 74 thin-skinned melon accessions

2.3 薄皮甜瓜12個質量性狀的相關性分析

相關性分析是對2個或多個具備相關性的變量元素進行分析，從而衡量2個變量因素的相關密切程度。由表5可知，果實形狀與果肉香氣呈極顯著負相關，說明薄皮甜瓜的果實形狀越趨向于圓形或梨形，果肉香氣會比棒狀或者圓柱形的薄皮甜瓜更濃。內果肉顏色與外果肉顏色和瓜瓤顏色均呈極顯著正相關，其中，外果肉顏色與瓜瓤顏色呈顯著正相關，說明這3個性狀中，某一個性狀的顏色發(fā)生變化，其他2個性狀的顏色可能也會隨之變化。葉片缺刻與葉片形狀呈極顯著正相關，說明三角形或五角形的葉片上缺刻較多或缺刻較深，而腎形、圓形或心臟形葉片則近似無缺刻或葉片缺刻較淺。另外，葉片形狀與果肉香氣和葉柄姿態(tài)之間也存在顯著負相關。相關性分析中的其他性狀之間不存在顯著的相關性。

表5 74份薄皮甜瓜品種12個質量性狀的相關性分析 Tab.5 Correlation analysis of 12 qualitative traits in 74 thin-skinned melon accessions

注：*表示P<0.05，相關顯著；**表示P<0.01，相關極顯著。

Note: *indicates that the correlation is significant at 0.05 level; **indicates that the correlation is significant at 0.01 level.

2.4 薄皮甜瓜12個質量性狀的主成分分析

甜瓜農藝性狀所包含的具體性狀個數(shù)較多，且性狀之間又相互關聯(lián)[15]，因此難以分析單個性狀因子在表型性狀構成中的作用[2]。主成分分析可將相關的多個性狀指標在不損失或很少損失的情況下，歸納為數(shù)量較少且彼此相互獨立的因子[16]。對薄皮甜瓜的12個質量性狀進行主成分分析，以特征值大于1為標準，將12個質量性狀歸納為4個主成分(表6)。由表6可知，這4個主成分的累計貢獻率為55.35%，代表了12個質量性狀的主要遺傳信息。第1主成分的貢獻率最大，為21.07%。載荷符號為正的性狀有果肉香氣、果實形狀、外果肉顏色、內果肉顏色、瓜瓤顏色、葉柄姿態(tài)、蔓上絨毛類型和葉片表面形態(tài),它們的特征向量值分別為0.09、0.31、0.43、0.73、0.58、0.53、0.35和0.38。在這8個性狀中有5個性狀與果實性狀相關，這5個性狀可稱為果實因子。第2主成分的貢獻率為14.86%，果面溝、果實形狀、外果肉顏色、內果肉顏色、葉片形狀、葉片缺刻、蔓上絨毛類型和葉片表面形態(tài)的載荷符號都為正，特征向量值依次為0.06、0.62、0.25、0.13、0.45、0.27、0.44、0.07。第3主成分的貢獻率為10.25%，其中果面溝的特征值最大，為0.71。第4主成分的貢獻率為9.17%，瓜瓤顏色的特征值最大。

表6 74份薄皮甜瓜品種12個質量性狀的主成分分析 Tab.6 The principal component analysis(PCA) of 12qualitative traits in 74 thin-skinned melon accessions

2.5 薄皮甜瓜12個質量性狀的聚類分析

由圖1可知，來自亞洲的74份薄皮甜瓜可分為兩大類群。類群Ⅰ包括13份材料，該類甜瓜果實多為圓形，外果肉顏色為綠色，內果肉顏色為白色，有獨特的異香；葉片多為心臟形，缺刻較淺且有褶皺，葉緣鋸齒較小。類群Ⅱ包括61份甜瓜材料。這61份材料又分為ⅡA和ⅡB 2個亞群。ⅡA類群包括13份甜瓜材料，ⅡB包括48份甜瓜材料，這兩大亞群在內果肉顏色上差異較大，在果形、葉片等其他性狀上差異不大。亞群ⅡA的內果肉顏色主要以黃色為主，而亞群ⅡB的內果肉顏色主要為白色。從聚類圖上看出，亞群ⅡB又細分為ⅡB1和ⅡB2 2個小亞群，但由于2個小亞群間親緣關系較近，因此形態(tài)上差異不大。另外，除了類群Ⅰ中的材料大部分來自華中地區(qū)以外，其他來源地區(qū)不同的薄皮甜瓜在同一簇群中相互交織在一起，并未嚴格按照來源地域區(qū)分開來，這暗示薄皮甜瓜材料間的親緣關系與它們的地理來源可能并無顯著相關性。

序號1—74所對應的品種信息見表1The corresponding accessions for numbers 1—74 are listed in Tab.1圖1 74份薄皮甜瓜品種的表型聚類分析Fig.1 Clustering analysis based on phenotypic traits of 74 thin-skinned melon accessions

3 結論與討論

薄皮甜瓜是起源于我國的一種甜瓜變異類型，主要種植于東亞地區(qū)，特別是我國的中東部[3]。我國不同地區(qū)生態(tài)環(huán)境各異，使甜瓜在馴化過程中形成了豐富多樣、獨具特色的地方品種，這些為甜瓜育種工作提供了充足的試材[8]。通過對薄皮甜瓜表型性狀的多樣性研究，能較為全面地了解薄皮甜瓜種質資源的豐富程度，為甜瓜優(yōu)良基因資源的挖掘提供重要參考。

質量性狀是由效應較大的主基因控制，表現(xiàn)出間斷的性狀分布[17]。甜瓜的遺傳多樣性豐富，在果實、葉片、表皮絨毛等質量性狀上表現(xiàn)尤為明顯[9,18-19]。王學征等[20]利用群體分離分析法(BSA)將甜瓜果面溝基因定位于第11號染色體后半段上的1.1 cM位點。ZHU等[14]通過圖位克隆鑒定到1個控制甜瓜表皮毛起始的基因CmGL，該基因位于甜瓜的第8條染色體上，編碼1個HD-ZIP型轉錄因子。本研究通過對來自亞洲地區(qū)的74份薄皮甜瓜的12個質量性狀進行調查分析，發(fā)現(xiàn)其多樣性指數(shù)為0.21～1.45，其中,果實形狀、外果肉顏色、內果肉顏色、瓜瓤顏色、葉片形狀和葉片表面形態(tài)的遺傳多樣性指數(shù)大于1，說明薄皮甜瓜與果實和葉片相關的性狀具有豐富的遺傳多樣性。

主成分分析通過從多個性狀中構造出少數(shù)幾個公共因子，不僅可以降低選擇難度，而且可達到綜合選擇的目的，提高選擇效果[15]。胡建斌等[2]將不同來源的34份薄皮甜瓜品種的19個表型性狀歸納為6個主成分，累計貢獻率為80.832%。周亞峰等[16]將河南省30份甜瓜品種劃分為5類，各類之間性狀差異較大。本研究通過主成分分析將74份薄皮甜瓜的12個質量性狀歸納為4個主成分，累計貢獻率為55.35%，低于前人的研究，可能是由于所選的薄皮甜瓜材料均來源于東亞，遺傳背景相對較為狹窄造成的，也可能與供試甜瓜相關性狀全為質量性狀有關。

聚類分析是根據(jù)它們之間的相近程度將一個總體內元素進行分類[21]。王吉明等[22]以國外引進的100份野生甜瓜為材料，在歐氏距離3.0處，將100份甜瓜材料分為野生和半野生2個類群；在半野生類群中又可分為2個亞群，其中亞群Ⅰ包含了參照種質薄皮甜瓜。張慧君等[23]在歐氏距離為25時，將35份甜瓜種質分為兩大類，當歐氏距離為24附近時，第Ⅰ類又可分為兩大亞群。張永兵等[5]利用121份新疆甜瓜地方品種的32個形態(tài)性狀的數(shù)據(jù)，將屬于野生甜瓜亞種(CucumismeloL.ssp.agrestis)的哈密野瓜單獨聚為一類，其余地方品種聚為3個類群和7個亞群。本研究利用UPGMA法將74份薄皮甜瓜分為兩大類群，其中類群Ⅱ又分為ⅡA和ⅡB 2個亞群，ⅡB又細分為ⅡB1和ⅡB2 2個小亞群。胡建斌等[8]根據(jù)試驗所選取的甜瓜種質資源的地理分布，將其劃分為西北、東北、華北、華中、華東和華南6個生態(tài)區(qū)域。本研究對國內的63份薄皮甜瓜材料按照類似的生態(tài)區(qū)進行劃分，聚類分析發(fā)現(xiàn)，來源地區(qū)不同的薄皮甜瓜在同一分類群中相互交織在一起，并未嚴格按照來源地域區(qū)分開來。這暗示薄皮甜瓜材料間的親緣關系與它們的地理來源可能并無緊密關聯(lián)。另外，也不排除這是由于一些生態(tài)區(qū)所選用的樣本量不夠充分，以及一些薄皮甜瓜材料由于地理環(huán)境的改變導致的表型統(tǒng)計差異所造成的假象。通過進一步擴大樣本量，并結合SNP、SSR等分子標記可以更準確地探索薄皮種質間的親緣關系及其與地理分布之間的關系。本試驗所用的薄皮甜瓜材料是從亞洲和我國各地收集的基礎性種質，所獲得的這些甜瓜種質果實和葉片相關性狀的形態(tài)多樣性研究結果，將為我國薄皮甜瓜品種遺傳改良和種質創(chuàng)新提供重要的基礎性資料。