紅花種質(zhì)資源表型多樣性分析

王沛琦 胡學(xué)禮 李雪蓉 胡尊紅 楊謹(jǐn) 郭麗芬 劉旭云

摘 ?要 ?以來自國內(nèi)外的312份紅花種質(zhì)為材料，采用主成分分析與聚類分析，對6個主要表型性狀進(jìn)行多樣性分析。結(jié)果表明：紅花種質(zhì)資源主要表型性狀的遺傳變異豐富。頂果球著粒數(shù)的多樣性指數(shù)最高，其次是果球直徑;單株種子產(chǎn)量的變異系數(shù)最大，其次是單株有效果球數(shù)。主成分分析表明，前3個主成分累計貢獻(xiàn)率達(dá)78.30%，反映了6個性狀的大部分信息?；诟鞣N質(zhì)間6個性狀的差異，對312份紅花種質(zhì)進(jìn)行聚類并劃分為7大類群，第Ⅰ類群果球大、頂果球著粒數(shù)多，具有增產(chǎn)潛力;第Ⅲ類群綜合表現(xiàn)最好，可作為高產(chǎn)育種材料;第Ⅵ類群籽粒大，可作為大粒型選育親本;其余類群表現(xiàn)一般。該結(jié)果可為紅花的有效利用及新品種選育提供科學(xué)依據(jù)。

關(guān)鍵詞 ?紅花;種質(zhì)資源;表型性狀;遺傳多樣性

中圖分類號 ?S32 ?????文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ?A

Abstract ?The phenotypic diversity of 6 major phenotypic traits was analyzed by principal component analysis and cluster analysis for 312 safflower germplasm resources from domestic and overseas. The results revealed that the genetic diversity of the major phenotypic traits in Safflower resources was abundant. The diversity index of the number of seeds in the top fruit was the highest， followed by the diameter of top fruit. The coefficient variation of the yield per plant was the highest， followed by the effective number of fruits per plant. The principal components analysis of 6 traits showed the first three principal components accounted for 78.30% accumulation contribution rate， reflecting most of the information of 6 traits. Based on the phenotypic difference of the 6 agronomic traits， the 312 safflower germplasm resources were divided into 7 groups. The resources of the first group had the largest fruits ball and seed number of top fruits， which had the potential for increasing yield. The third group had the best comprehensive performance and could be used as the material for high-yield breeding. The sixth group had large grains which could be used as the large-grain selection parent. The performance of other groups was average. This study would provide a scientific information for the effective utilization and breeding of safflower germplasm resources.

Keywords ?safflower （Carthamus tinctorius L.）; germplasm resources; phenotypic traits; genetic diversity

DOI ?10.3969/j.issn.1000-2561.2019.06.010

紅花（Carthamus tinctorius L.）別名刺紅花、紅蘭花及草紅花，屬于菊科（Compositae）紅花屬（ Carthamus）的一種一年生草本雙子葉植物，其花色為紅色、黃色、白色、橘黃或者橘紅。紅花原產(chǎn)于大西洋的東部、非洲西北部的加那利群島及地中海沿岸[1-2]，目前在我國已有兩千多年的栽培歷史，主要分布在新疆、云南、河南、山東、四川等地。紅花花瓣主要用于提取紅色素與黃色素，紅花籽用來榨油，紅花籽油中亞油酸含量高達(dá)85%，被稱為“亞油酸之王”[3-6]。

種質(zhì)資源的研究是一項基礎(chǔ)性工作，新品種的成功選育及應(yīng)用，與優(yōu)異種質(zhì)資源的收集和研究有很大相關(guān)性。對紅花種質(zhì)資源表型多樣性進(jìn)行分析，不僅有利于紅花種質(zhì)資源的保存、優(yōu)異紅花種質(zhì)資源的挖掘，而且對紅花新品種選育及種質(zhì)創(chuàng)新具有重要意義。目前，國內(nèi)許多學(xué)者已經(jīng)對紅花種質(zhì)資源多樣性進(jìn)行過研究，如郭麗芬等[7]利用12個表型性狀對云南本地36份紅花種質(zhì)進(jìn)行多樣性分析，許蘭杰等[8]利用12個表型性狀對河南本地150份紅花種質(zhì)進(jìn)行綜合評價等。這些學(xué)者對紅花表型性狀的多樣性分析多為本地區(qū)調(diào)查，而且研究規(guī)模較小，缺乏對國內(nèi)外不同地區(qū)大批量的紅花種質(zhì)資源的研究。

主成分分析及聚類分析是在遺傳育種及種質(zhì)資源研究中普遍采用的方法，他已在豌豆[9]、油菜[10]、鷹嘴豆[11]、燕麥[12]、小麥[13]等種質(zhì)資源分析中得到廣泛應(yīng)用，通過這2種分析可以獲得不同育種目標(biāo)的優(yōu)異種質(zhì)。本研究利用來自中國的211份以及來自國外的101份紅花種質(zhì)為材料，以多樣性指數(shù)、主成分分析和聚類分析等方法相結(jié)合，綜合分析評估國內(nèi)外紅花種質(zhì)資源表型多樣性，依據(jù)實際生產(chǎn)需要篩選優(yōu)異種質(zhì)，同時為我國紅花種質(zhì)資源的收集、保存和應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?材料

以收集到的312份紅花資源為材料，其中來自中國的有211份，來自國外的有101份，對其6個表型性狀進(jìn)行考察。供試材料來源及種質(zhì)數(shù)目見表1。

1.2 ?試驗地概況

參試種質(zhì)材料于2016—2017年種植于元謀縣南繁基地內(nèi)（東經(jīng)101°52'51.57"，北緯25°43'55.67"），海拔1114 m。年平均氣溫21.9?℃，年平均降雨量611.3 mm，年蒸發(fā)量高達(dá)3627 mm，干旱少雨。試驗地土壤肥力中等，土質(zhì)為沙壤土。

1.3 ?試驗設(shè)計及性狀調(diào)查

每個材料播種4行，行長1.5 m，行距40 cm，間苗時每行留苗總數(shù)為8株，撒播，常規(guī)栽培管理。果實成熟收獲時，按照《紅花種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[13]的要求進(jìn)行性狀調(diào)查，每小區(qū)隨機抽取5株進(jìn)行調(diào)查，分別測量株高、單株有效果球數(shù)、頂果球著粒數(shù)、果球直徑、百粒重、單株種子產(chǎn)量等表型性狀。

1.4 ?數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2007軟件計算性狀的平均值（X）、標(biāo)準(zhǔn)差（s）以及變異系數(shù)（CV，%），根據(jù)平均值（X）和標(biāo)準(zhǔn)差（s）對所有性狀進(jìn)行10級分類，第一級為Xi<（X-2s），中間每1級增加0.5?s，直到第10級為Xi>（X+2s）。計算每一級的相對頻率（Pi），進(jìn)而用Pi計算各性狀的多樣性指數(shù)。多樣性指數(shù)采用Shannon-Wiener index指數(shù)（H'），其計算公式如下：

公式中n為某一性狀表型級別的數(shù)目，Pi為每一級相對頻率（某性狀第i級別內(nèi)包含材料數(shù)占總材料數(shù)的百分比）。

應(yīng)用SPSS 20.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析及聚類分析，聚類分析時先將數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，聚類方法為Ward法，遺傳距離為歐氏距離。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?紅花種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的表型多樣性分析

對收集到的312份紅花種質(zhì)的6個農(nóng)藝性狀進(jìn)行統(tǒng)計分析表明，各性狀在不同紅花種質(zhì)間差異明顯，說明這些性狀變異豐富（表2）。

6個農(nóng)藝性狀平均的變異系數(shù)為31.62%。其中單株種子產(chǎn)量的變異系數(shù)最高（52.93%），變異幅度為3～115.33?g;果球直徑的變異系數(shù)最低（11.59%），變異幅度為1.59～3.19 cm。變異系數(shù)大小的排序為：單株種子產(chǎn)量>單株有效果球數(shù)>頂果球著粒數(shù)>百粒重>株高>果球直徑，說明果球直徑、株高以及百粒重一致性較好，變異不大;頂果球著粒數(shù)、有效果球數(shù)以及種子產(chǎn)量變異范圍大。6個農(nóng)藝性狀的平均多樣性指數(shù)為2.004，其中頂果球著粒數(shù)的多樣性指數(shù)最高（2.052），單株種子產(chǎn)量的最低（1.916），兩者相差0.136。遺傳多樣性指數(shù)的排序為：頂果球著粒數(shù)>果球直徑>株高>單株有效果球數(shù)>百粒重>單株種子產(chǎn)量，說明頂果球著粒數(shù)、果球直徑以及株高的多樣性更豐富。

2.2 ?紅花種質(zhì)資源表型性狀的相關(guān)性分析

相關(guān)分析結(jié)果表明，株高與頂果球著粒數(shù)、果球直徑呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），與單株種子產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)（P<0.05）;單株有效果球數(shù)與單株種子產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，且相關(guān)系數(shù)最大;頂果球著粒數(shù)與果球直徑、單株種子產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，與百粒重呈極顯著負(fù)相關(guān);果球直徑與單株種子產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān);百粒重與單株種子產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)（表3）。以上結(jié)果表明，隨著單株有效果球數(shù)、頂果球著粒數(shù)、果球直徑的增加，產(chǎn)量也會有所提高。但各表型性狀間存在相互影響及相互制約，在選育時要注意平衡，以達(dá)到最佳效果。

2.3 ?紅花種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的主成分分析

主成分分析結(jié)果表明，前3個主成分包含了6個性狀的大部分信息，其貢獻(xiàn)率分別為34.06%、26.02%和18.21%，累計貢獻(xiàn)率達(dá)78.30%（表4）。從表4可以看出，第一主成分載荷最高的為頂果球著粒數(shù)，其次為單株種子產(chǎn)量、果球直徑，主要反映果球大小。第二主成分載荷最高的為單株有效果球數(shù)及單株種子產(chǎn)量，主要反映種質(zhì)種子產(chǎn)量。第三主成分載荷最高的為百粒重，其次為果球直徑，主要反映種質(zhì)籽粒大小。前3個主成分包括的株高、單株有效果球數(shù)、頂果球著粒數(shù)是造成紅花種質(zhì)資源表型差異的主要因素，也是評價紅花種質(zhì)的主要表型指標(biāo)。

2.4 ?聚類分析

采用SPSS?20.0軟件，根據(jù)6個表型性狀在312份紅花種質(zhì)間的不同表現(xiàn)，在歐式距離為5的位置將各參試材料分為7大類群，每個類群的均值及變異系數(shù)見表5。

第Ⅰ類群包括20份材料，其主要特征是株高在7個類群中最高（159.80），變異系數(shù)較低（10.19%），頂果球著粒數(shù)（46.75）、果球直徑（2.73）也最高，單株種子產(chǎn)量在7個類群中位居第2、變異系數(shù)較低。綜合來看，該類群果球大、頂果球著粒數(shù)多，具有增產(chǎn)潛力，包括中國云南8份，中國新疆7份，阿富汗2份，印度、葡萄牙以及伊朗各1份。

第Ⅱ類群包括49份材料，其主要特征是株高（150.63）適中;果球直徑（2.64）較大;單株有效果球數(shù)（24.57）在7個類群中最低;單株種子產(chǎn)量（33.77）在7個類群中倒數(shù)第3。該類群總體上表現(xiàn)一般。包括中國云南17份，中國新疆9份，中國山東、四川、河南、江蘇及安徽各1份;伊朗、印度各4份，土耳其3份，埃及、蘇聯(lián)各2份，蘇丹、西班牙以及美國各1份。

第Ⅲ類群包括30份材料，其主要特征是株高（148.91）適中;單株有效果球數(shù)（66.53）、單株種子產(chǎn)量（84.06）在7個類群中均最高，這2個性狀的變異系數(shù)在7個類群中均較低，分別為22.85%、19.11%;百粒重（5.50）、頂果球著粒數(shù)（28.13）較高。該類資源表現(xiàn)最好，可作為高產(chǎn)育種的材料。包括中國云南8份，中國新疆7份，中國河北、江蘇各1份;葡萄牙5份，澳大利亞、伊朗各2份，荷蘭、以色列、埃及及蘇聯(lián)各1份。

第Ⅳ類群包括55份材料，其主要特征是株高（153.93）稍高;單株有效果球數(shù)（56.33）在7個類群中排第2;果球較小，百粒重輕;單株種子產(chǎn)量（53.23）在7個類群中排第3。該類群表現(xiàn)一般。包括中國云南14份，中國新疆11份，中國山東3份，中國河北、四川2份，中國陜西、河南、江蘇1份;土耳其7份，伊朗4份，埃及、葡萄牙2份，約旦、荷蘭、阿富汗、印度及巴基斯坦各1份。

第Ⅴ類群包括41份材料，其主要特征是株高（110.79）在7個類群中最低、變異系數(shù)（19.08%）最大;頂果球著粒數(shù)（17.05）在7個類群中最少;單株種子產(chǎn)量（28.45）倒數(shù)第2。該類群表現(xiàn)較差，豐產(chǎn)性一般，但其株型較矮，可以用于篩選攜帶矮稈基因的品種。包括中國云南19份，中國新疆5份，中國河北、河南、江蘇各1份;印度3份，葡萄牙、伊朗、巴基斯坦各2份，土耳其、阿富汗、蘇聯(lián)、埃及、摩洛哥各1份。

第Ⅵ類群包括38份材料，其主要特征是株高（137.41）適中、變異系數(shù)（10.14%）最小;百粒重（5.64）在7個類群中最大、變異系數(shù)（13.10%）最小;單株種子產(chǎn)量（43.76）一般。該類群可以依據(jù)育種目標(biāo)作為大粒雜交親本加以利用。包括中國云南16份，中國新疆7份，中國甘肅、山東各1份;美國、埃及、以色列、葡萄牙各2份，匈牙利、西班牙、阿爾及利亞、約旦、印度各1份。

第Ⅶ類群包括79份材料，其主要特征是株高（153.71）較高;單株有效果球數(shù)（27.06）、頂果球著粒數(shù)（23.32）及百粒重（4.27）在7個類群中都是倒數(shù)第2，變異系數(shù)均較高，分別為37.98%、32.78%及17.49%;單株種子產(chǎn)量（24.94）在7個類群中最低，變異系數(shù)較高，為43.44%。該類群屬于小粒型籽粒，產(chǎn)量最低，表現(xiàn)最差。包括中國云南27份，中國新疆12份，中國山東6份，中國河南5份，中國河北4份，中國安徽3份，中國寧夏、甘肅、江蘇、黑龍江各1份;埃及5份，印度4份，土耳其2份，巴基斯坦、葡萄牙、蘇聯(lián)、墨西哥、美國、約旦、敘利亞各1份。

3 ?討論

豐富的種質(zhì)資源是現(xiàn)代育種的物質(zhì)基礎(chǔ)，種質(zhì)資源多樣性的高低與其有效利用有直接關(guān)系。表型性狀的鑒定以及描述是研究種質(zhì)資源最基本的方法和途徑[14]。通過對來自中國的211份以及來自國外的101份紅花資源的6個表型性狀的多樣性進(jìn)行分析，結(jié)果表明除果球直徑外，其余5個主要表型性狀的變異系數(shù)均在15%以上，變異范圍為16.28%～52.93%;多樣性指數(shù)均在1.9以上。本研究結(jié)果與劉金等[15]、郭麗芬等[16]研究結(jié)果基本一致，紅花種質(zhì)多樣性指數(shù)最高的均為頂果球著粒數(shù)。這些種質(zhì)資源表型性狀變異豐富，類型廣泛，對其充分利用可以有效的拓寬紅花新品種選育的遺傳背景，同時也可為不同的育種目標(biāo)提供豐富的種質(zhì)材料。相關(guān)分析表明，紅花種質(zhì)資源表型性狀間存在不同程度的相關(guān)性?？梢詫沃暧行Ч驍?shù)、頂果球著粒數(shù)、果球直徑作為選育高產(chǎn)紅花新品種的主要目標(biāo)性狀，同時也要注意這些性狀與其他性狀的協(xié)調(diào)性。

應(yīng)用主成分分析將紅花種質(zhì)資源6個表型性狀轉(zhuǎn)化為3個主成分，這3個主成分代表了性狀78.30%的信息，且各主成分包含的性狀信息具有一定的相關(guān)性。根據(jù)各主成分特征向量值的大小可以看出，因子1和因子2代表的性狀與產(chǎn)量之間有直接的關(guān)系;因子3主要反映種子大小，與產(chǎn)量之間有間接的關(guān)系。因此，在對紅花種質(zhì)資源進(jìn)行初步篩選時可以把這些因子作為評價標(biāo)準(zhǔn)[17]。聚類分析將312份紅花種質(zhì)資源的6個表型性狀劃分為7大類群，性狀相近的聚為一類，各類群之間在各性狀上表現(xiàn)出明顯的差異性及互補性。其中類群Ⅲ屬于高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、適應(yīng)性強的品系，可作為高產(chǎn)育種的親本材料進(jìn)行重點利用。通過對各個類群進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)同一類群中包含了來源于不同國家的種質(zhì)資源，這表明不同來源的種質(zhì)資源有比較寬的遺傳基礎(chǔ)，聚類分析的結(jié)果與種質(zhì)資源的來源沒有明顯的相關(guān)性，這與萬述偉等[9]和王麗俠等[18]在綠豆上的研究結(jié)果一致。通過對紅花種質(zhì)資源多樣性的綜合分析，紅花種質(zhì)資源多樣性較豐富，一些優(yōu)良種質(zhì)經(jīng)系統(tǒng)選育后可直接進(jìn)行利用。

本研究主要對312份紅花種質(zhì)資源的6個農(nóng)藝性狀進(jìn)行了多樣性、相關(guān)性、主成分及聚類分析與評價，但農(nóng)藝性狀容易受到自然環(huán)境以及栽培因素的影響，因此單一從表型性狀上研究多樣性具有局限性，不能全面了解種質(zhì)資源的遺傳背景[19]。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，分子育種成為作物遺傳改良的重要手段[20]，在表型多樣性分析的基礎(chǔ)上結(jié)合分子標(biāo)記技術(shù)進(jìn)行遺傳多樣性評價是今后研究的重要方向。

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