火龍果種質(zhì)資源果實(shí)特性的遺傳多樣性分析

李洪立,胡文斌,洪青梅,濮文輝,何云,張東雪,汪琴琴,李瓊

(1.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；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院分析測試中心,?？?571101)

火龍果(Hylocereus undatus)，又稱龍珠果、紅龍果、玉龍果、仙蜜果，為仙人掌科(Cactaceae)量天尺屬植物，原產(chǎn)中美洲哥斯達(dá)黎加、古巴、墨西哥等熱帶沙漠地區(qū)[1]，是典型的熱帶植物[2-4]。目前種植的火龍果主要有白肉火龍果(H.undatus)、紅肉火龍果(H.polyrhizus)和紫紅肉火龍果(H.costarcensis)[5-6]。火龍果是近年來發(fā)展起來的一種新興的熱帶亞熱帶果樹[7]，果實(shí)營養(yǎng)豐富，除含有糖類、有機(jī)酸、蛋白質(zhì)、氨基酸和多種礦質(zhì)元素外[8]，還含有一般植物少有的甜菜素及水溶性膳食纖維等；花、果、莖均可用來做藥，具有抗癌和預(yù)防高血壓的功效[9]。

火龍果人工栽培遍及中美洲、越南、泰國、中國臺(tái)灣及美國南部地區(qū)[10]。我國大陸于20世紀(jì)90年代末從臺(tái)灣省和越南引入，目前在廣東、廣西、福建、海南、云南、貴州等省區(qū)都有大規(guī)模種植,在四川、湖南、浙江和上海等地采用大棚有少量種植[11]。但是在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，2013年以前種植的果園存在品種老化、無特色主栽品種，科研水平滯后,采后處理水平低等問題，而近年新種植的果園，采用的大紅、金都一號(hào)等品種，在產(chǎn)量、品質(zhì)上得到了很大提高，但仍存在品種單一、采期集中、貨架期短等問題，嚴(yán)重制約了火龍果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

近年來，在分子水平上對(duì)火龍果種質(zhì)資源遺傳多樣性及其親緣關(guān)系有一些研究報(bào)道[12-13]。盡管分子標(biāo)記已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于植物種質(zhì)資源的鑒定和分類研究，但是農(nóng)藝性狀的鑒定和描述仍然是種質(zhì)資源研究的最基本的方法和途徑[14-15]，因此開展火龍果種質(zhì)資源果實(shí)的表型性狀、農(nóng)藝性狀以及品質(zhì)性狀的遺傳多樣性的基礎(chǔ)研究是非常必要的。本試驗(yàn)以22份火龍果種質(zhì)資源為材料，以果實(shí)的表型、農(nóng)藝和品質(zhì)性狀數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析火龍果種質(zhì)資源果實(shí)特性的遺傳多樣性，以期豐富火龍果種質(zhì)資源的基礎(chǔ)研究，為火龍果種質(zhì)資源的有效利用、種質(zhì)改良和新品種選育提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試的22份火龍果(Hylocereus undatus)種質(zhì)資源(表1)保存于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部火龍果種質(zhì)資源保護(hù)海南創(chuàng)新基地，位于海南省儋州市中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所國家熱帶果樹品種改良中心五隊(duì)試驗(yàn)基地內(nèi)，試驗(yàn)于2016年6月至2017年12月進(jìn)行。

表1 火龍果種質(zhì)資源信息Table1 Information of Hylocereus undatus germplasm resources

1.2 方法

表型性狀觀察外果皮顏色、是否帶刺、萼片形態(tài)、萼片形狀、果型、果肉顏色。

農(nóng)藝性狀采用電子天平稱量單果質(zhì)量和果皮質(zhì)量，計(jì)算可食率。采用甜度計(jì)測量果實(shí)中間和邊緣部分的甜度，計(jì)算平均甜度。

蛋白質(zhì)含量參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.5-2016[16]、膳食纖維含量參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.88-2014[17]、水分含量參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.3-2016[18]、灰分含量參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.4-2016[19]、粗脂肪含量參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6433-2006[20]、總酸含量參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12456-2008[21]、維生素C含量參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 14754-2010[22]測量，可溶性糖和碳水化合物含量參照國家標(biāo)準(zhǔn)NY/T 2742-2015[23]測量，計(jì)算糖酸比。用原子吸收光譜法[24]測定果肉中的礦物元素磷(P)、鈉(Na)、鈣(Ca)、鐵(Fe)、鋅(Zn)、鎂(Mg)、銅(Cu)、硒(Se)含量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和分析

試驗(yàn)進(jìn)行2年，第1年選取3批完全成熟的果實(shí)進(jìn)行測定，每批果隨機(jī)選取5個(gè)；第2年同樣選取3批完全成熟的果實(shí)進(jìn)行測定，所有數(shù)據(jù)取平均值,采用Microsoft Excel 2016和SPSS 24.0軟件進(jìn)行分析。

為便于進(jìn)行Shannon’s信息指數(shù)分析，將表型性狀進(jìn)行賦值(表2)，品質(zhì)性狀根據(jù)平均值(X)和標(biāo)準(zhǔn)差(δ)分為 10 級(jí)，1 級(jí) ＜ X-2δ，10 級(jí) ≥X+2δ,每級(jí)相差0.5δ。遺傳多樣性采用Shannon-Wiener指數(shù)(H′)評(píng)價(jià)：式中Pi表示第i種變異類型出現(xiàn)的頻率，用相應(yīng)性狀H′的平均值表示1組或所有種質(zhì)的遺傳多樣性程度[25]。

表2 火龍果種質(zhì)資源表型性狀的賦值Table2 Assignment of phenotypic traits of Hylocereus undatus germplasm resources

2 結(jié)果和分析

2.1 表型性狀的遺傳多樣性分析

對(duì)22份火龍果種質(zhì)資源的6個(gè)表型性狀進(jìn)行賦值(表2)，統(tǒng)計(jì)各性狀出現(xiàn)的頻率并計(jì)算多樣性指數(shù)，由表3可知，火龍果表型性狀的多樣性指數(shù)為0～1.04。其中外果皮顏色和果皮是否帶刺的多樣性指數(shù)為0，這說明22份資源不涉及其他顏色的果皮和外果皮不帶刺，后續(xù)試驗(yàn)應(yīng)擴(kuò)大樣本量。這6個(gè)表型性狀中，果形的多樣性指數(shù)最高。萼片以直立和外翻為主；萼片形狀以漸尖為主，少量為鈍狀；果肉顏色以紫紅色為主，少量為白肉品種。

表3 火龍果種質(zhì)資源表型性狀的頻率分布和多樣性指數(shù)Table3 Frequency and diversity index of phenotypic traits of Hylocereus undatus

2.2 農(nóng)藝性狀的變異性分析

由表4可知，火龍果種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)為0.07～0.38，一般認(rèn)為變異系數(shù)大于0.1則表明樣本間存在顯著差異[26]，即火龍果不同種質(zhì)間的單果質(zhì)量、果皮質(zhì)量、可食率和邊緣甜度存在顯著性差異，而中間甜度和平均甜度無顯著差異。對(duì)火龍果農(nóng)藝性狀進(jìn)行聚類分析，由圖1可知，在遺傳距離為15時(shí)，22份資源分為5類：第一類有6份種質(zhì)，包含橫縣2號(hào)、火龍2號(hào)、火龍10號(hào)、云南7號(hào)、云南9號(hào)和云南6號(hào)，單果質(zhì)量較小，甜度高，可食率低；第二類有云南3號(hào)和紫龍，單果質(zhì)量較小，甜度低，可食率低；第三類有火龍3號(hào)、云南1號(hào)、云南12號(hào)、云龍1號(hào)和火龍8號(hào)，單果質(zhì)量較大，甜度高，可食率高；第四類有火龍1號(hào)、白肉8號(hào)、橫縣1號(hào)、火龍6號(hào)、云南2號(hào)、光明紅、大翼水晶和細(xì)翼水晶共8份種質(zhì)，單果質(zhì)量較大，甜度低，可食率高；第五類僅云南8號(hào)種質(zhì)，單果質(zhì)量中等，甜度中等，可食率中等。

2.3 品質(zhì)性狀的遺傳多樣性分析

由表5可知，火龍果品質(zhì)性狀的變異系數(shù)為0.01～0.62，說明除水分之外，其余品質(zhì)性狀在種質(zhì)間均存在顯著的變異性，其中粗脂肪含量的變異系數(shù)最大，達(dá)0.62，水分含量的最小，為0.01。品質(zhì)性狀的多樣性指數(shù)(H′)為0.40～2.01，最大的是磷含量和鎂含量，最小的是維生素C含量，除維生素C含量之外，其余品質(zhì)性狀的多樣性指數(shù)均大于1。

表4 火龍果種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的變異性Table4 Variation of agronomic traits of Hylocereus undatus germplasms

圖1 火龍果種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的聚類圖Fig.1 Cluster dendrogram of pitaya germplasms based on agronomic traits

火龍果中含有人體所需的磷、鈉、鈣、鐵、鋅、鎂、銅、硒等礦質(zhì)元素，其中磷、鈣、鎂元素的含量較高。22份火龍果種質(zhì)資源所含的營養(yǎng)物質(zhì)和礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量存在一定的差異，其中，蛋白質(zhì)含量最多的是云南12號(hào)，遠(yuǎn)高于蘋果(Malus pumila)、橙(Citrus junos)[27]等水果；膳食纖維最多的是云南7號(hào)；水分最多的是紫龍；灰分最多的是大翼水晶；粗脂肪最多的是橫縣1號(hào)；總酸最多的是火龍10號(hào)；維生素C最多的是橫縣2號(hào)、橫縣1號(hào)和云南8號(hào)；可溶性糖最多的是云南8號(hào)；磷最多的是紫龍；鈉最多的是云南9號(hào)；鈣最多的是云南2號(hào)；鐵最多的是云南8號(hào)；鋅最多的是云南7號(hào)；鎂最多的是云南8號(hào)；銅最多的是火龍1號(hào)；硒最多的是火龍3號(hào)，但硒含量未達(dá)到富硒水平[28]；碳水化合合物最多的是云南3號(hào)；糖酸比最大的是云南2號(hào)。

表5 火龍果種質(zhì)資源品質(zhì)性狀的變異系數(shù)(CV)和多樣性指數(shù)(H’)Table5 Variation coefficient(CV)and diversity index(H’)of quality traits of Hylocereus undatus germplasms

3 結(jié)論和討論

種質(zhì)資源是植物育種的基本物質(zhì)材料，是所有植物改良的基礎(chǔ)，廣泛收集并對(duì)其性狀表現(xiàn)型進(jìn)行觀察分析，了解性狀的多樣性，可以為新品種的培育提供指導(dǎo)[29]。種質(zhì)資源遺傳多樣性的分析研究不僅有助于種質(zhì)資源的管理、評(píng)價(jià)和利用，更有利于進(jìn)行核心種質(zhì)的創(chuàng)新研究。本試驗(yàn)通過對(duì)22份火龍果種質(zhì)資源的遺傳多樣性分析表明，6個(gè)表型性狀和18個(gè)品質(zhì)性狀均存在不同程度的遺傳多樣性，因而說明火龍果在其演變過程中有遺傳基礎(chǔ)的改變，火龍果性狀遺傳改良具有較大的潛力，這對(duì)于分析、評(píng)價(jià)種質(zhì)資源、進(jìn)行品種選育具有很大的實(shí)際意義。

本研究結(jié)果表明，火龍果種質(zhì)資源的表型性狀的多樣性指數(shù)為0～1.04，而品質(zhì)性狀的多樣性指數(shù)為0.40～2.01，說明品質(zhì)性狀的多樣性指數(shù)大于表型性狀，這與高紅霞等[30]對(duì)苦瓜(Momordica charantia)的研究結(jié)果一致。火龍果種質(zhì)資源的農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)為0.06～0.38，而品質(zhì)性狀的變異系數(shù)為0.01～0.62，說明火龍果的品質(zhì)性狀具有更大的變異性，更豐富的多樣性，其中較為優(yōu)異的白肉品種為白肉8號(hào)，優(yōu)異的紫紅肉品種為云南12號(hào)。

聚類分析結(jié)果表明，在遺傳距離為15時(shí)，火龍果種質(zhì)資源可以分為5類，說明火龍果種質(zhì)資源的遺傳多樣性豐富，不同資源間差異比較大，親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，在品種選育方面具有很高的利用價(jià)值。

農(nóng)藝性狀作為研究火龍果種質(zhì)資源最基礎(chǔ)的指標(biāo)，對(duì)火龍果的分類、鑒定和良種選育具有重要的作用，而品質(zhì)性狀的高低決定了火龍果品質(zhì)的好壞和市場的接受程度，本研究表明22份火龍果種質(zhì)資源的果實(shí)具有豐富的多樣性和較高的變異性,可以為育種工作者提供更多的選擇。但僅僅對(duì)表型性狀研究是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，下一步還需要結(jié)合分子生物學(xué)、化學(xué)成分分析等多個(gè)領(lǐng)域?qū)瘕埞N質(zhì)資源進(jìn)行綜合研究和評(píng)價(jià)。