100份番茄種質(zhì)資源表型性狀的遺傳多樣性分析

袁東升，王曉敏，2，3，4，趙宇飛，潘兵青，白嫆嫆，胡新華，付金軍，高艷明，2，3，李建設(shè)，2，3,4

(1.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，銀川 750021；2.寧夏現(xiàn)代設(shè)施園藝工程技術(shù)研究中心，銀川 750021；3.寧夏優(yōu)勢特色作物現(xiàn)代分子育種重點實驗室，銀川 750021；4.寧夏設(shè)施園藝(寧夏大學(xué))技術(shù)創(chuàng)新中心，銀川 750021； 5.寧夏巨豐種苗有限責(zé)任公司，銀川 750021)

番茄(Solanumlycopersicum)又名西紅柿，洋柿子，是茄科番茄屬一年生或多年生草本植物，起源于南美洲。在南美西部安第斯山脈的狹長地帶均有番茄野生種存在[1]。進(jìn)行番茄種質(zhì)資源的遺傳多樣性分類研究，可以了解番茄各種質(zhì)的遺傳及變異情況，為研究番茄起源、品種保護(hù)、親本選配等方面提供依據(jù)，是保護(hù)和綜合利用現(xiàn)有種質(zhì)資源的重要基礎(chǔ)[2]。番茄是嚴(yán)格的自花授粉植物，經(jīng)過長期的馴化和選育，番茄的遺傳背景逐漸變窄，因此，對于番茄種質(zhì)資源的廣泛收集和調(diào)查研究具有非常重要的意義[3]。He等[4]、Wang等[5]、Eshed等[6]在野生番茄栽培種的性狀改良、產(chǎn)量的提高和分子育種方面取得了突破性進(jìn)展。胡小榮等[2]、張永平等[7]、李曉蕾等[8]分別對番茄種質(zhì)資源在基礎(chǔ)研究、資源分類、育種研究等方面進(jìn)行了理論分析和綜述。鄧紅山等[9]、劉維俠等[10]對番茄種質(zhì)資源的生物學(xué)性狀進(jìn)行觀察和評價，篩選出果實商品性好、綜合性狀優(yōu)良的材料，為后期番茄育種工作提供了借鑒。王曉靜[11]、史艷艷等[12]、薛俊等[13]在番茄品質(zhì)性狀等方面進(jìn)行了客觀的評價和深入的研究。張靜等[14]對番茄種質(zhì)資源材料進(jìn)行了遺傳多樣性和親緣關(guān)系的分析。同時，主成分分析[15-16]、聚類分析[17-19]等統(tǒng)計方法的應(yīng)用為研究種質(zhì)資源奠定了基礎(chǔ)。

迄今為止，對番茄種質(zhì)資源遺傳多樣性的研究報道相對較多，但前人收集和研究的番茄種質(zhì)資源材料豐富度方面已不能滿足部分地區(qū)育種的需求，同時，對番茄種質(zhì)資源表型鑒定的重要指標(biāo)選擇篩選總結(jié)較少，需要進(jìn)一步完善和補(bǔ)充，以便更加全面準(zhǔn)確地進(jìn)行種質(zhì)資源的評價。本研究對新收集的100份番茄種質(zhì)資源材料進(jìn)行形態(tài)特征、生物學(xué)特性以及品質(zhì)特性等方面的統(tǒng)計學(xué)分析，篩選出相對覆蓋全面的重要評價指標(biāo)與優(yōu)良的種質(zhì)材料，為番茄種質(zhì)資源的進(jìn)一步研究及寧夏地區(qū)的番茄育種提供理論依據(jù)和工作基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料來源于寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院園林系蔬菜課題組和寧夏巨豐種苗有限責(zé)任公司2017年共同收集的100份番茄種質(zhì)材料，編號依次為B1～B100。

1.2 試驗方法

試驗材料于2017年9月播種于寧夏回族自治區(qū)永寧縣寧夏大學(xué)試驗基地育苗溫室，每份種質(zhì)材料播種20株在72孔穴盤中進(jìn)行育苗，待其長到5～6片真葉時選取大小均勻的幼苗15株，于11月20日定植于日光溫室中。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，半高壟雙行栽植，壟高20 cm，畦寬70 cm，溝心距1.2 m，株距30 cm，常規(guī)溫室管理。

1.3 觀測項目及記錄標(biāo)準(zhǔn)

在番茄生長發(fā)育時期(主要以二穗果成熟期和三穗果成熟期為主)，每個種質(zhì)隨機(jī)調(diào)查10株，共調(diào)查27個形態(tài)指標(biāo)。其中數(shù)量性狀采用具體測量法(主要儀器是MNT-150T游標(biāo)卡尺、GT-4硬度、TD-45糖度計)，調(diào)查14個指標(biāo)，分別是單花序果數(shù)、果柄長度、果實縱橫徑、果梗洼大小、果梗洼木栓化大小、單果質(zhì)量、單果種子數(shù)、硬度、可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、果肉厚、心室數(shù)、葉長和葉寬；質(zhì)量性狀采用直接觀察法，調(diào)查13個指標(biāo)，分別是花序類型、葉片狀態(tài)、葉片顏色、葉片類型、葉片多少、葉片形狀、生長勢、熟性、果形、花梗離層、萼片形狀、綠肩，用RHS Colour Chart色卡測定成熟果色。具體觀測標(biāo)準(zhǔn)參照《番茄種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[20]。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

本試驗采用多元統(tǒng)計方法，用EXCEL 2010進(jìn)行了數(shù)據(jù)處理,利用SPPS 20.0進(jìn)行主成分分析?；谄骄岛蜆?biāo)準(zhǔn)差對所有材料的每個性狀進(jìn)行10個等級的劃分，每0.5σ為一級，σ為標(biāo)準(zhǔn)差，計算Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)，其計算公式為:H′=-∑PiInPi(i=1，2，3，…)，其中Pi是某性狀第i個級別的材料數(shù)占總材料數(shù)的百分比。在此基礎(chǔ)上利用SAS 8.2軟件進(jìn)行聚類分析，繪制出樹狀聚類圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 表型性狀遺傳多樣性分析

2.1.1 質(zhì)量性狀 對供試的100份種質(zhì)資源材料的13個質(zhì)量性狀進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析，如表1所示，遺傳多樣性指數(shù)(H′)的變化范圍為0.34～1.52。H′大于1.0的是花序類型、萼片形狀、葉片類型、葉片多少和葉片狀態(tài)，其中花序類型的H′最高，為1.52，頻率分布主要以雙歧花序為主，占67%，萼片形狀和葉片類型的變異類型較為豐富，H′也相對較高，分別為1.07和1.01，萼片形狀以微翹為主，50%的供試材料表現(xiàn)出復(fù)寬葉；葉片顏色以淺綠和黃綠為主，其分布頻率分別為52%和45%，僅有3份種質(zhì)資源為深綠色；成熟果色和果形的H′均在1.0以下，其中紅色果實占主要部分，分布頻率達(dá)到90%，9份種質(zhì)材料為粉色，僅有1份為橘色；綠肩以有綠肩為主，果形主要以扁圓和圓形為主，分布頻率分別為48%和45%；生長習(xí)性以無限生長為主，熟性以早熟和極早熟為主，僅有1份材料表現(xiàn)為晚熟，花梗離層H′最低，為0.34，主要表現(xiàn)為有離層，分布頻率達(dá)到89%。

表1 番茄種質(zhì)資源質(zhì)量性狀頻率分布和多樣性指數(shù)Table 1 Frequency distribution and diversity index of tomato germplasm quality traits

注：花梗離層：1 有、2 無；萼片形狀：1平、2微翹、3微卷、4卷曲；綠肩：1有、2 無；成熟果色：1紅色、2 粉色、3 橘色；熟性： 1 極早、2 早、3、中 4、晚；生長勢：1 無、2 有；果型：1 扁圓、2圓形、3 桃形、4 高圓；葉片類型：1 普通葉2 薯葉型、3復(fù)寬葉、4 復(fù)細(xì)葉型；葉片形狀：1 羽狀復(fù)葉、2 二回羽狀復(fù)葉；葉片多少1 多、2 中、3 少；葉片狀態(tài)：1 直立、2 水平、3 下垂；葉片顏色：1 黃綠、2淺綠3 綠、4 深綠；花序類型：1單花、2單式花序、3雙歧花序、4多歧花序。

Note: Pedicel detachment: 1 with, 2 no; sepal shape: 1 flat, 2 micro-warp, 3 micro-roll, 4 curl; green shoulder: 1 with, 2 no; mature fruit: 1 red, 2 pink, 3 orange color; maturity: 1 very early, 2 early, 3, medium 4, late; growth potential: 1 no, 2 yes; fruit type: 1 oblate, 2 round, 3 peach, 4 high round; leaf type:1 common leaves 2 potato leaf type, 3 complex broad leaves, 4 complex fine leaf type; leaf shape: 1 pinnate compound leaf, 2 two-pinnate compound leaf; leaf number; 1many, 2 medium, 3 less; leaf state: 1 erection, 2 horizontal, 3 drooping; leaf color: 1 yellow green, 2 light green 3 green, 4 dark green; inflorescence type: 1 single flower; 2 single inflorescence; 3 bifid inflorescence; 4 polymorphism inflorescence.

2.1.2 數(shù)量性狀 對供試的100份番茄種質(zhì)材料的14個數(shù)量性狀進(jìn)行描述統(tǒng)計學(xué)分析，結(jié)果見表2。

表2 番茄種質(zhì)資源數(shù)量性狀遺傳多樣性分析Table 2 Genetic diversity analysis of quantitative characters of tomato germplasm resources

變異系數(shù)為11.58%～46.92%，遺傳多樣性指數(shù)(H′)為1.84～2.06。在品質(zhì)性狀中，可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)和果實硬度表現(xiàn)出較大程度的變異，變異系數(shù)分別為46.92%和33.85%，遺傳多樣性指數(shù)也相對較高。對果實產(chǎn)量指標(biāo)的分析可知，單花序果數(shù)、單果質(zhì)量和單果種子數(shù)中，單果種子數(shù)H′最大，為2.06，變異系數(shù)為32.38%，單花序果數(shù)H′最小，為1.84，變異系數(shù)為22.81%。果實縱徑、橫徑和果梗洼大小都屬于衡量果實外觀的主要指標(biāo)，其中果梗洼大小的H′最大，為2.06，果實橫徑的變異系數(shù)最小，為11.58%。心室數(shù)、果柄長度、果肉厚、葉寬的變異系數(shù)均為20%～30%，葉長的變異系數(shù)較小，為17.42%。

通過對質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀的統(tǒng)計分析結(jié)果表明，各性狀指標(biāo)的變異系數(shù)表現(xiàn)出不同程度的差異，其中果實品質(zhì)性狀、果實外觀形態(tài)指標(biāo)和植株形態(tài)性狀的變異類型較為豐富。不同性狀在不同材料之間表現(xiàn)出不同程度的多樣性。

2.2 主成分分析

為了能夠更加充分地反映出番茄種質(zhì)資源各性狀間起主導(dǎo)作用的綜合指標(biāo)，對番茄種質(zhì)資源調(diào)查的27個表型性狀進(jìn)行主成分分析，其結(jié)果(表3)顯示，9個主成分的特征值都在1.0以上，提取的前9個主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)到為67.727%，基本能夠反映全部指標(biāo)的大部分信息。

第一主成分特征值最大，為4.727，貢獻(xiàn)率為17.507%。絕對值較高的農(nóng)藝性狀有果實橫徑、果梗洼木栓化大小、單果質(zhì)量、硬度、果肉厚、葉長和葉寬，其特征向量分別為0.623、0.713、0.551、0.547、0.706、0.697和0.718，這些性狀主要反映植株的葉片生長狀態(tài)、外觀形態(tài)、產(chǎn)量和品質(zhì)。

表3 100份番茄種質(zhì)資源27個農(nóng)藝性狀的主成分分析Table 3 100 principal components analysis of 27 agronomic characters of tomato germplasm resources

第二主成分特征值為2.956，貢獻(xiàn)率為10.95%，載荷較高且為正的農(nóng)藝性狀有心室數(shù)、果梗洼大小、果實橫徑，特征向量值分別為0.742、0.756、0.540，這些性狀主要與果實的外觀形態(tài)有關(guān)，載荷負(fù)向較高的是單花序果數(shù)和果形，特征向量分別為-0.621和-0.482，說明在第二主成分中，單花序果數(shù)和果形制約果實的外觀變化。

第三主成分特征向量正向較高的性狀有生長勢、果形，特征向量分別為0.505、0.532，這些性狀主要與果實外觀和番茄長勢有關(guān)。第四主成分中特征向量正向較高的性狀為葉片類型和花序類型，說明這一主成分主要與花和葉片有關(guān)。第五主成分累積貢獻(xiàn)率為49.145%，特征向量較高為正的性狀是熟性和成熟果色，主要與果實特性有關(guān)。第六主成分中可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的特征向量最大，主要反映果實的品質(zhì)特性。第七主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)到59.777%，綠肩、成熟果色和葉片狀態(tài)的特征向量最大，主要反映果實的外觀形態(tài)。

綜合分析，從各主成分中篩選出果實縱徑、橫徑、葉長、葉寬、果肉厚、單果質(zhì)量、果梗洼大小、果梗洼木栓化大小、單花序果數(shù)、果形、心室數(shù)、生長勢、葉片類型、葉片狀態(tài)、熟性、萼片形狀、成熟果色、可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、硬度、綠肩和花序類型共21個表型重要指標(biāo)，對番茄種質(zhì)資源的評價和創(chuàng)新育種具有一定的參考價值。

2.3 聚類分析

對收集的100份番茄種質(zhì)資源材料的27個性狀進(jìn)行聚類分析，研究材料親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近。在遺傳距離為0.91處將其劃分為Ⅴ大類群，結(jié)果見圖1。

圖1 番茄種質(zhì)資源聚類樹狀圖Fig.1 Clustering dendrogram of tomato germplasm resources

第Ⅰ類群共59份材料，其中單花序果數(shù)、硬度、可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)和單果質(zhì)量等性狀值在V大類群中介于中間水平，此群材料主要以大果番茄為主，果形為圓形，熟性以早熟為主，葉片類型為普葉型，這類材料可以在番茄品質(zhì)改良和育種生產(chǎn)中進(jìn)一步充分利用。

第Ⅱ類群共12份材料，主要為小果番茄，果形以圓形為主，硬度較大，而果實硬度是反映番茄耐貯藏特性的重要指標(biāo)，可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高、單果質(zhì)量較小、果梗洼木栓化程度低、單果種子數(shù)較少，果柄較短、萼片形狀為微翹、葉片形狀以二回羽狀復(fù)葉為主、熟性表現(xiàn)為早熟和極早熟。此類群可以作為培育高品質(zhì)及耐貯藏的番茄育種材料，其中編號為B3和B26的材料性狀最為突出，可以作為優(yōu)良種質(zhì)。

第Ⅲ類群共有6份材料，其主要特征是單花序果數(shù)較多、果梗洼較大、可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高、單果質(zhì)量適中、硬度較小，其中單花序果數(shù)是反映番茄產(chǎn)量的重要指標(biāo)。果形以扁圓為主，熟性為早熟和極早熟，生長習(xí)性為無限，無綠肩，成熟果色為紅色。這一類群的材料在今后育種工作中稍加改良，可以作為培育早熟性商品果的重要材料。

第Ⅳ類群包括22份材料，單果質(zhì)量較高、果梗洼較大、果肉較厚、單果種子數(shù)最大、果實橫徑較大、心室數(shù)較多、可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，果形以圓形為主，這一類群的多數(shù)性狀與其他類群相比，整體性狀指標(biāo)表現(xiàn)良好，可以為今后選育不同利用價值的番茄品種提供寶貴材料,篩選出性狀值較高的材料有B34、B58和B92號。

第V類群僅1份材料，在研究該材料植株葉片的相關(guān)性狀和生長類型的基礎(chǔ)上，綜合所有調(diào)查性狀值分析可知，B97號材料綜合表現(xiàn)穩(wěn)定、品質(zhì)性狀與產(chǎn)量性狀均表現(xiàn)出較高水平，植株生長旺盛，長勢較好，屬于優(yōu)良的種質(zhì)資源。

3 討 論

植物表型多樣性是遺傳多樣性與環(huán)境多樣性的綜合體現(xiàn)，對表型性狀的研究可以從整體上了解研究對象的多樣性程度[21-23]。本研究對供試材料的27個表型性狀進(jìn)行遺傳多樣性分析，H′的變化范圍為0.34～2.06，表明供試的番茄種質(zhì)資源存在廣泛的遺傳多樣性，其中多樣性指數(shù)最高的是單果種子數(shù)和果梗洼大小，商品果縱橫徑、果梗洼大小、可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、硬度等的遺傳多樣性指數(shù)都在2.0以上，研究結(jié)果進(jìn)一步證實芮文婧等[22]和李春橋等[23]前人研究結(jié)論。同時發(fā)現(xiàn)，表型遺傳多樣性分析結(jié)果表明供試材料的果實品質(zhì)性狀、果實外觀形態(tài)指標(biāo)和植株形態(tài)性狀的變異類型較為豐富，其中，萼片形狀、成熟果色、果實形狀的變異類型最為豐富，為后期選育不同育種目標(biāo)提供理論基礎(chǔ)和方向。果實產(chǎn)量的指標(biāo)中單花序果數(shù)的遺傳多樣性指數(shù)最小、變異系數(shù)最小，這與前人研究存在差異，這可能與材料來源、種植茬口和地理環(huán)境有關(guān)。

主成分分析將作物多個主要農(nóng)藝指標(biāo)轉(zhuǎn)化為較少的幾個主成分，且是綜合的、相對獨立的指標(biāo)體系，數(shù)值直觀，容易分析[18]。周蓉等[24]對番茄表型性狀進(jìn)行分析研究，歸納出花果數(shù)、生育期、營養(yǎng)、植株形態(tài)因和果形因子5個因子作為考核指標(biāo)。本研究利用主成分分析法提取的前9個主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)到67.27%，從中篩選的果實縱橫徑、果實形狀、成熟果色、可溶性固形物質(zhì)量分?jǐn)?shù)、葉長、葉寬、生長勢和熟性等21個性狀指標(biāo)是評價番茄表型遺傳多樣性的重要指標(biāo)。研究發(fā)現(xiàn)，在第一主成分中果實形態(tài)因子與植株形態(tài)因子呈現(xiàn)相互促進(jìn)的關(guān)系，這為選育觀賞性番茄品種提供了基本的理論依據(jù)。在第三主成分與第五、八、九主成分中，番茄植株的生長勢和產(chǎn)量因子之間既有正向關(guān)系也有負(fù)向關(guān)系，因此在番茄高產(chǎn)育種工作中也應(yīng)該適度把握植株的生長狀態(tài)和生長勢，根據(jù)地理環(huán)境、種植模式的不同，綜合考慮施肥狀況等因素。

本研究通過聚類分析將供試材料化分為Ⅴ大類群，共篩選出表現(xiàn)突出的種質(zhì)材料6份。研究發(fā)現(xiàn)，其中第Ⅰ類群主要是與品質(zhì)相關(guān)的性狀值較高，果形較好，可以作為培育高品質(zhì)番茄的種質(zhì)材料；第Ⅱ類群屬于小果番茄，其中果實硬度平均值最高，是培育耐貯藏性番茄品種的種質(zhì)材料；第Ⅲ類群材料果形、成熟果色的變異類型豐富，遺傳改良的潛力較大；第Ⅳ類群各項重要指標(biāo)均有較高表現(xiàn)水平，今后在育種過程中可以根據(jù)不同的育種目標(biāo)進(jìn)行篩選；第V類群的B97號屬于寶貴的種質(zhì)資源。聚類分析結(jié)果為選育出適合不同利用價值的番茄品種提供優(yōu)化的種質(zhì)材料[22]，提高了育種的效率，加速了育種的進(jìn)程。但是，金鳳媚等[25]在番茄遺傳資源的聚類分析研究中發(fā)現(xiàn)，表型聚類和分子標(biāo)記聚類結(jié)果有部分差異，可能是由于表型聚類受到季節(jié)限制和環(huán)境影響造成。所以，今后要在表型聚類的基礎(chǔ)上利用分子標(biāo)記聚類方法進(jìn)行科學(xué)深入的研究。

在番茄育種工作中，選配材料可以依據(jù)主成分的排序，并結(jié)合聚類分析結(jié)果，合理選配組合[19]。必須要提到的是，不同的生態(tài)環(huán)境和種植模式對番茄的表型性狀有較大影響[11]，并不能夠十分準(zhǔn)確和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)胤磻?yīng)遺傳信息。因此，在研究番茄種質(zhì)資源表型多樣性的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)研究方法，與常規(guī)方法相結(jié)合，為番茄遺傳育種提供可靠、準(zhǔn)確和科學(xué)的依據(jù)。