苗藥紅禾麻表型性狀遺傳多樣性研究

(貴州中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院， 貴陽 550025)

紅禾麻又稱“紅活麻”，來源于蕁麻科珠芽艾麻(Laporteabulbifera(Sieb.et Zucc.) Wedd.)的新鮮或干燥全草，始載于《貴州草藥》，亦為《貴州省中藥材民族藥材質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》收載的重要苗藥，具有祛風(fēng)除濕、活血化瘀等功效，用于治療風(fēng)濕麻木，跌撲損傷，骨折[1-4]。研究表明，紅禾麻含有豐富的香豆素類和總黃酮類成分[5-6]，具有較好的鎮(zhèn)痛抗炎、免疫抑制作用及抗氧化作用[7-10]。貴州是紅禾麻的主要分布區(qū)域，除作為苗藥應(yīng)用外，在各產(chǎn)區(qū)亦被入藥使用。紅禾麻為貴州特色民族藥“潤燥止癢膠囊”的主要原料之一，有著較高的開發(fā)與研究價值。魏升華教授領(lǐng)銜的課題組在資源調(diào)查、引種栽培與質(zhì)量控制等方面開展了栽培與繁殖技術(shù)、采收與加工技術(shù)等大量研究工作，取得了卓越成果，為后續(xù)研究奠定了良好基礎(chǔ)[11-13]。齊維娜等對紅禾麻種質(zhì)資源的形態(tài)性狀分析結(jié)果顯示，紅禾麻形態(tài)變異豐富，居群間與居群內(nèi)個體性狀均有顯著差異[14]。鄒淑涵等[15-17]應(yīng)用灰度關(guān)聯(lián)分析方法對紅禾麻多糖、黃酮類成分含量與環(huán)境因子進(jìn)行了相關(guān)性分析表明，紅禾麻多糖與黃酮類成分含量與土壤N、K含量、年均降水量、溫度、日照等環(huán)境因子具有一定的相關(guān)性，初步揭示了紅禾麻藥材品質(zhì)與環(huán)境的相互作用機(jī)制，為種質(zhì)資源篩選提供了參考。

遺傳多樣性是種質(zhì)資源評估與篩選、引種栽培、良種培育與種質(zhì)資改良等研究的重要手段，對資源的保護(hù)與開發(fā)利用具有重要意義。其中，藥用植物表型性狀多樣性是遺傳與環(huán)境相互作用的綜合表現(xiàn)，與藥材的產(chǎn)量和質(zhì)量密切相關(guān)。目前，紅禾麻藥材主要來源于野生資源，其相關(guān)研究主要集中在化學(xué)成分、藥理藥效等方面，在引種馴化、栽培與繁育技術(shù)方面鮮有報道。據(jù)前期研究發(fā)現(xiàn)，不同種源與栽培條件下紅禾麻性狀、產(chǎn)量和質(zhì)量指標(biāo)均有較為豐富的遺傳分化，為紅禾麻優(yōu)良品種選育提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。本研究在前期工作基礎(chǔ)上，應(yīng)用通過主成分分析和聚類分析方法，綜合分析引種栽培的紅禾麻種質(zhì)資源根、莖、葉等性狀，產(chǎn)量和質(zhì)量指標(biāo)的遺傳多樣性，為紅禾麻種質(zhì)篩選與栽培管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料收集自貴州修文、松桃、雷山、龍里等紅禾麻主要分布區(qū)域，經(jīng)貴州中醫(yī)藥大學(xué)魏升華教授鑒定，憑證標(biāo)本存于貴州中醫(yī)藥大學(xué)中藥栽培與加工研究所。

1.2 田間試驗(yàn)與農(nóng)藝性狀測量

試驗(yàn)于2016年8月在修文縣紅禾麻基地進(jìn)行(海拔1 354 m，經(jīng)緯度26°34′39″；106°43′10″)。觀測60份樣本單株主莖數(shù)、株高、莖桿顏色、塊根數(shù)、塊根粗、塊根長、一級分枝數(shù)、主莖粗、莖節(jié)數(shù)、葉片數(shù)等主要性狀，測定各單株地上、地下生物量鮮重和總生物量鮮重與干重，測定各樣品浸出物與總黃酮含量。每個試驗(yàn)設(shè)置3個重復(fù)，詳見表1。

表1 紅禾麻農(nóng)藝性狀測定性狀和標(biāo)準(zhǔn)

性狀記載標(biāo)準(zhǔn)單株主莖數(shù)每株植株基部發(fā)出的主莖數(shù)株高最高主莖基部到頂端的高度一級分枝數(shù)最高主莖發(fā)出的分枝數(shù)主莖粗最高主莖基部的直徑莖節(jié)數(shù)最高主莖地上莖節(jié)數(shù)葉片數(shù)最高主莖葉片數(shù)葉長最高主莖10片最大葉的平均長度葉寬最高主莖10片最大葉的平均寬度莖桿顏色該株植株莖的顏色有“綠色=1”,“紫色=2”塊根數(shù)該株植株的地下根莖發(fā)出的塊根數(shù)塊根粗每株植株10顆最大塊根最粗處直徑的平均值塊根長每株植株10顆最大塊根主根(不含須根)長度平均值

1.3 總黃酮含量、浸出物含量

本實(shí)驗(yàn)參考鄒舒涵等[16]的方法，采用分光光度法測定總黃酮含量。采用熱浸法測定浸出物的含量[6]。

總黃酮含量(%)=[(A-0.0283)/28.03(m-m水)]×100%

式中：A為供試品的吸光度；m為樣品質(zhì)量(g)；m水為樣品含水質(zhì)量(g)；

浸出物含量(%)=[浸出物重/(m-m水)]×100%。

1.4 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用Excel，SPSS 19.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，用DPS 7.0軟件進(jìn)行種質(zhì)間遺傳距離和聚類分析。將所有材料劃分為10個等級，按第1級[XiX+2s]，每0.5 s為1級，每1級的相對頻率(Pi)用于計(jì)算Shannon-Weiner多樣性指數(shù)(H′)：H′=-∑Pi×lnPi，式中Pi為某一性狀第i級別材料份數(shù)占總份數(shù)的比例，Xi為第i級中的數(shù)據(jù)，詳見表2。

表2紅禾麻數(shù)值型性狀值等級劃分

等級 性狀值 等級 性狀值 1Xi

2 結(jié)果與分析

2.1 紅禾麻葉部性狀多樣性分析

紅禾麻個體間葉部性狀存在豐富的遺傳變異，多樣性指數(shù)最高的是葉長寬比(2.375 9)，最低的是最大展幅面積(1.928 0)；變異系數(shù)最大為最大展幅面積(54.92%)，最小的是葉長寬比(10.74%)，詳見表3。

表3 紅禾麻葉部性狀的遺傳多樣性分析(n=60)

性狀 平均值標(biāo)準(zhǔn)差極差變異系數(shù)/%遺傳多樣性指數(shù)H'最大展幅長/cm84.6822.04105.7024.032.0143最大展幅寬/cm53.0618.7976.5035.411.9869最大展幅面積/cm24727.642596.5210952.1154.921.9280葉片數(shù)100.1344.93197.0044.872.3111葉長/cm15.892.148.9113.472.0211葉寬/cm6.600.924.2813.942.0544葉長寬比2.420.261.2010.742.3759

2.2 紅禾麻根、莖性狀多樣性分析

8個根、莖性狀遺傳多樣性指數(shù)依次為：一級分枝數(shù)(2.104 6)>根粗(2.094 5)>莖粗(2.083 8)>株高(2.070 3)>塊根長(2.044 7)>莖節(jié)數(shù)(1.984 6)>塊根數(shù)(1.942 7)>單株主莖數(shù)(1.880 1)。其中，變異系數(shù)最大的是單株主莖數(shù)(49.91%)，變異幅度為2～13；株高的變異系數(shù)最小(12.73%)，詳見表4。

表4 紅禾麻莖部及根部性狀的遺傳多樣性分析(n=60)

性狀平均值標(biāo)準(zhǔn)差極差變異系數(shù)/%遺傳多樣性指數(shù)H'株高/cm167.6621.3490.0012.732.0703單株主莖數(shù)5.752.8711.0049.911.8801一級分枝數(shù)9.334.2522.0045.552.1046莖粗/mm15.002.4410.9016.272.0838莖節(jié)數(shù)31.935.0734.0015.881.9846塊根數(shù)68.2228.91137.0042.381.9427根粗/mm9.611.667.0117.272.0945根長/cm9.782.8415.5329.042.0447

2.3 紅禾麻產(chǎn)量及質(zhì)量多樣性分析

紅禾麻8個藥材產(chǎn)量和質(zhì)量指標(biāo)多樣性分析結(jié)果表明，總黃酮含量的遺傳多樣性指數(shù)最高(2.046 4)，總生物量干重多樣性指數(shù)最低(1.807 5)；地上生物量干重變異系數(shù)最大(50.00%)，浸出物含量變異系數(shù)最小(10.28%)，詳見表5。

表5 紅禾麻產(chǎn)量及質(zhì)量的遺傳多樣性分析(n=60)

性狀 平均值標(biāo)準(zhǔn)差極差變異系數(shù)/%遺傳多樣性指數(shù)H'地上生物量鮮重/g560.25264.981111.6447.301.8218地上生物量干重/g117.2158.60251.2350.001.8727地下生物量鮮重/g197.1786.23325.0843.731.9884地下生物量干重/g56.6126.9393.8347.571.9080總生物量鮮重/g757.42333.941412.3944.091.8697總生物量干重/g173.8380.48339.4846.301.8075總黃酮含量/%1.250.321.1725.602.0464浸出物含量/%22.862.3511.6010.282.0287

2.4 紅禾麻性狀主成分分析

對紅禾麻種質(zhì)資源22個主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析，結(jié)果表明，取貢獻(xiàn)值大于6的主成分有4個，分別為第一至第四主成分，貢獻(xiàn)率分別為33.287%、14.452%、12.124%、6.561%，前4主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)66.424%，見表5。

其中，第一主成分特征值為7.989，貢獻(xiàn)率最大，載荷數(shù)值包括了單株主莖數(shù)、展幅、總生物量鮮重與干重等22個重要性狀，與產(chǎn)量緊密聯(lián)系，因此稱為“產(chǎn)量因子”。第二主成分特征值為3.468，貢獻(xiàn)率為14.452%，載荷數(shù)值有株高、莖粗、主莖數(shù)、葉的長、寬等13個性狀，主要反映了莖葉的情況，稱為“莖葉因子”。第三主成分特征值為2.910，貢獻(xiàn)率為12.124%，主要反映葉片數(shù)，稱為“葉片數(shù)因子”。第四主成分特征值為1.575，貢獻(xiàn)率為6.561%，載荷數(shù)值主要有浸出物含量(0.620)、總黃酮含量(0.426)等質(zhì)量性狀，反映浸出物含量和總黃酮含量，因此分稱為“質(zhì)量因子”，詳見表6。

表6 紅禾麻主要農(nóng)藝性狀的主成分分析(n=60)

性狀 因子1因子2因子3因子4株高0.3190.5590.145-0.228單株主莖數(shù)0.596-0.332-0.468-0.252莖桿顏色0.035-0.3290.516-0.250最大展幅長0.5670.1630.4160.259最大展幅寬0.5940.1840.4630.413最大展幅面積0.6280.2350.4910.414一級分枝數(shù)0.184-0.3080.614-0.167莖粗0.0570.7720.0350.093莖節(jié)數(shù)0.1650.1160.449-0.358葉片數(shù)0.327-0.1150.721-0.184葉長0.0880.763-0.1770.277葉寬0.4010.5470.0490.004葉長寬比-0.3780.246-0.2910.343塊根數(shù)0.615-0.435-0.1470.074根粗0.1850.089-0.5750.030根長0.711-0.051-0.151-0.098地上生物量鮮重0.9340.199-0.105-0.076地上生物量干重0.9480.108-0.0840.010地下生物量鮮重0.867-0.304-0.243-0.039地下生物量干重0.820-0.331-0.2230.013總生物量鮮重0.9650.079-0.146-0.070總生物量干重0.965-0.032-0.1350.012總黃酮含量0.025-0.5980.1150.426浸出物含量-0.038-0.5870.0420.620特征值7.9893.4682.9101.575貢獻(xiàn)率/%33.28714.45212.1246.561累計(jì)貢獻(xiàn)率/%33.28747.73959.86366.424

表7 紅禾麻4個聚類群的形態(tài)性狀特征表(n=60)

性狀 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 平均值變異系數(shù)/%平均值變異系數(shù)/%平均值變異系數(shù)/%平均值變異系數(shù)/%株高/cm167.4213.16160.6413.09167.7512.00187.758.84單株主莖數(shù)4.5447.366.4149.305.9651.515.6739.68最大展幅長/cm58.8215.2779.3516.1294.4816.54116.6016.50最大展幅寬/cm32.0819.3044.4416.7260.7513.4092.209.20最大展幅面積/cm21884.4722.523460.2212.395680.3415.5110668.0612.51一級分枝數(shù)6.2372.7110.2442.9710.2525.469.8363.48莖粗/mm15.4218.5514.1815.5114.8716.1416.926.50莖節(jié)數(shù)31.3122.0430.2910.9932.6714.2635.0015.54葉片數(shù)79.0065.8589.5942.43108.2134.96143.5031.27葉長/cm16.7211.4214.8611.8415.9014.4016.9812.07葉寬/cm6.349.466.3015.716.7914.147.2610.74葉長寬比2.647.952.389.242.358.942.3718.57塊根數(shù)50.5437.3866.5941.9077.0838.1975.6746.94根粗/mm9.7518.4610.1119.399.1715.709.6410.17根長/cm8.3222.249.8425.619.9226.6112.1938.72地上生物量鮮重/g388.1437.75467.4542.59631.9538.29909.3137.90地上生物量干重/g77.0228.4697.7139.03132.6740.66197.7042.28地下生物量鮮重/g137.7237.20201.8741.04210.2039.68260.6043.20地下生物量干重/g41.1343.2057.7743.1459.4347.0175.6344.31總生物量鮮重/g525.8527.54669.3239.83842.1436.301169.9138.58總生物量干重/g118.1526.06155.4938.45192.1040.07273.3241.35總黃酮含量/%1.1724.791.3127.481.2825.001.1726.50浸出物含量/%22.459.3522.9712.3623.0210.0322.807.89

2.5 紅禾麻種質(zhì)聚類分析

根據(jù)22個性狀在60份紅禾麻種質(zhì)資源間的不同表現(xiàn)，以歐氏距離為遺傳距離，聚類分析采用離差平方和法，在遺傳距離13 179處將供試材料聚為四大類群，各種質(zhì)類群的特征。

第Ⅰ類群包含13份樣本，整體性狀變異系數(shù)較大，平均值比較小。一級分枝數(shù)變異系數(shù)最大，為72.71%，一級分枝數(shù)、葉片數(shù)、最大展幅面積、莖節(jié)數(shù)、最大展幅寬、莖粗、株高變異系數(shù)顯著大于其余種質(zhì)群；第Ⅱ類群包含17份樣本，整體性狀變異系數(shù)和平均值都較小，單株主莖數(shù)變異系數(shù)最大，為49.30%，地上生物量鮮重、總生物量鮮重、根粗、葉寬和總黃酮、浸出物含量變異系數(shù)較其余3個種質(zhì)群大；Ⅲ類群包含24份樣本，整體性狀變異系數(shù)和平均值較高，單株主莖數(shù)變異系數(shù)最大，為51.51%，單株主莖數(shù)、最大展幅長、葉長變異系數(shù)在4個種質(zhì)群中最大；第Ⅳ類群包含6份樣本，整體性狀變異系數(shù)較適中，一級分枝數(shù)變異系數(shù)最大為63.48%，塊根數(shù)、地下生物量干重、地下生物量鮮重、地上生物量干重、總生物量干重、塊根長和葉長寬比等性狀的變異系數(shù)大于其余種質(zhì)群，詳見圖1，表7。

3 討 論

種質(zhì)資源遺傳多樣性分析是育種工作的基礎(chǔ)與基本途徑。中藥材作為特殊的作物，其產(chǎn)量和質(zhì)量(有效成分含量)是良種選育必備的指標(biāo)與目標(biāo)，豐富的遺傳性狀、藥材產(chǎn)量及質(zhì)量遺傳變異是中藥材良種選育的直接物質(zhì)基礎(chǔ)。

本研究應(yīng)用統(tǒng)計(jì)分析方法，對貴州道地特色苗藥紅禾麻表型性狀進(jìn)行了多樣性分析。紅禾麻表型性狀的遺傳多樣性指數(shù)為(1.807 5～2.375 9)，葉長寬比、一級分枝數(shù)、株高、總黃酮含量、浸出物含量、最大展幅長等12個重要的質(zhì)量與產(chǎn)量性狀多樣性指數(shù)高于2.0；各性狀的變異系數(shù)中，最大展幅面積、地上生物量、單株主莖數(shù)、地下生物量、總生物量干重、一級分枝數(shù)等11個性狀的變異系數(shù)較高(≥40%)，表明紅禾麻表型性狀的遺傳多樣變化豐富，性狀選擇范圍較大，具有優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)種質(zhì)篩選潛力。

60份紅禾麻種質(zhì)資源的主成分分析結(jié)果顯示，前4個主成分反映了22個性狀的莖葉性狀、葉片數(shù)、產(chǎn)量、浸出物含量和總黃酮含量等重要信息，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)66.424%。因此，在紅禾麻優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)的種源篩選時，依據(jù)第一至四主成分，具體分析與全面評價親本材料較為合理，簡便易行。

圖1 基于22個性狀的紅禾麻種質(zhì)資源聚類圖(n=60)

聚類分析結(jié)果顯示，同質(zhì)園栽培下紅禾麻性狀、產(chǎn)量與質(zhì)量指標(biāo)分化多樣，60份種質(zhì)資源樣本聚為四大類群，第Ⅱ類群具有優(yōu)越的產(chǎn)量與質(zhì)量指標(biāo)，為優(yōu)質(zhì)選育材料；第Ⅳ類群成分體現(xiàn)了紅禾麻相關(guān)高產(chǎn)性狀，為優(yōu)質(zhì)的高產(chǎn)選育材料；第Ⅲ類群具有產(chǎn)量與質(zhì)量的綜合潛力，為較好的種植資源保存材料；第Ⅰ類群性狀屬性較差，不宜作為選育材料。

本研究進(jìn)行紅禾麻表型性狀多樣性分析，對其種質(zhì)材料的篩選具有重要的指導(dǎo)意義。但表型性狀受自然環(huán)境和人為干擾較大、信息有限等不足，因此，在后續(xù)研究中還需進(jìn)一步對紅禾麻種質(zhì)資源進(jìn)行分子水平研究，結(jié)合性狀多樣性分析，以更為全面、準(zhǔn)確的把握遺傳多樣性本質(zhì)，為貴州道地特色苗藥紅禾麻優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)種質(zhì)的引種與選育提供參考。