482份紅花種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性分析

覃爾岱，湛蔚，嚴(yán)興初，盧博杰，劉虹，吳智華，黃穩(wěn)，李剛，陳雁，劉嬌，王靖，覃瑞*

（1.湖北省武陵山區(qū)特色植物種質(zhì)資源保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中南 民族大學(xué)，湖北 武漢，430074；2.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所，湖北 武漢，430062；3.中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)農(nóng)村部食物與營(yíng)養(yǎng)發(fā)展研究所，北京 ，100081）

紅花Carthamus tinctoriusL. 屬于菊科（Compositae）紅花屬（CarthamusL.），為一年生草本植物，在全球范圍內(nèi)廣泛分布和種植，具有悠久的栽培歷史[1]。紅花不僅是世界第七大油料作物，也是一種多用途特種經(jīng)濟(jì)作物[2]。紅花的價(jià)值主要體現(xiàn)在耐干旱耐鹽堿，籽粒含油率高（最高可達(dá)干重的34%），亞油酸含量最高可達(dá)紅花籽油的80%，具有高亞油酸、低飽和脂肪酸的特點(diǎn)，因此被稱為植物中的亞油酸之王，具有降血脂、預(yù)防動(dòng)脈粥樣硬化的作用。紅花籽榨油后籽粕中富含必需氨基酸，可做飼料，還可以從中提純蛋白，作其它用途[3～6]。研究還發(fā)現(xiàn)，紅花的花絲中富含黃酮類物質(zhì)，有重要的藥理活性，其中的羥基紅花黃色素A 更是為紅花中所特有[7]。在表型上不同紅花的花絲顏色有差別，可分為紅色、黃色、白色、橘黃、橘紅和黃變紅[8]，有研究發(fā)現(xiàn)紅花的花色與花絲中黃酮、羥基紅花黃色素A 的含量高低具有顯著的關(guān)聯(lián)性[9,10]。這表明可通過(guò)某些特殊的生長(zhǎng)表型直接對(duì)紅花的重要經(jīng)濟(jì)性狀進(jìn)行簡(jiǎn)單快速的篩選。相較于玉米、水稻這些農(nóng)作物，紅花的馴化歷史較短，容易受到生物或非生物脅迫的影響，造成產(chǎn)量低和多刺的特性，缺乏高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)早熟抗性強(qiáng)的紅花品種，限制了紅花發(fā)展和利用。因此，對(duì)全球紅花作物種質(zhì)的遺傳多樣性進(jìn)行廣泛研究，改良現(xiàn)有紅花種質(zhì)具有深遠(yuǎn)的意義。

具有遺傳多樣性的種質(zhì)資源是雜交育種的基礎(chǔ)[11～13]。農(nóng)藝性狀對(duì)紅花產(chǎn)量具有直接影響，如株高較高的品種易倒伏，有刺無(wú)刺影響采摘效率，開(kāi)花期決定紅花在某一地區(qū)是否可以一年兩季的種植等。通過(guò)紅花農(nóng)藝性狀的調(diào)查，可對(duì)紅花品種特點(diǎn)、品質(zhì)和產(chǎn)量進(jìn)行綜合性的評(píng)估。紅花的農(nóng)藝性狀大多為數(shù)量性狀，表型受環(huán)境影響較大。如賈玉廣等[14]對(duì)16 份紅花種質(zhì)的14 個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析，結(jié)果表明：紅花各農(nóng)藝性狀間存在著彼此促進(jìn)或抑制的關(guān)系。周子馨等[15]對(duì)國(guó)外40 份紅花種質(zhì)進(jìn)行了相關(guān)性、通徑、多元線性回歸和主成分分析，結(jié)果表明植株高大、單株果球數(shù)多、頂球直徑較大、生育期較長(zhǎng)和籽粒含油率高是高產(chǎn)紅花品種的主要形態(tài)特征。郭麗芬等[16]對(duì)68 份紅花種質(zhì)進(jìn)行了主成分和聚類分析，結(jié)果表明不同地理來(lái)源的紅花種質(zhì)資源遺傳多樣性豐富，多樣性從高到低分別是分枝總數(shù)、單株有效果球數(shù)、單株產(chǎn)量和分枝長(zhǎng)度；產(chǎn)量性狀與紅花有效果球數(shù)在一定范圍內(nèi)正相關(guān)，第1分枝過(guò)高會(huì)導(dǎo)致分枝總數(shù)、單株有效果球數(shù)、頂果球著粒數(shù)減少，而生育期延長(zhǎng)將直接影響產(chǎn)量。

前人對(duì)紅花農(nóng)藝性狀的研究，往往存在群體相對(duì)較小的問(wèn)題，材料來(lái)源、種植環(huán)境和種植方式也各有不同，研究結(jié)果難免存在差異。早期紅花的收集，也缺乏全球性和多樣性，限制了它們?cè)谟N工作中的應(yīng)用。本研究對(duì)482 份來(lái)源于30 個(gè)國(guó)家和地區(qū)的紅花種質(zhì)資源（圖1）在武漢的生長(zhǎng)情況進(jìn)行評(píng)估，測(cè)定了12 個(gè)農(nóng)藝性狀，期望這些數(shù)據(jù)的收集有助于分析紅花性狀變異的遺傳決定因素，并有效利用紅花資源的多樣性，有助于紅花作物改良，期待能為篩選特異紅花種質(zhì)、培育紅花優(yōu)質(zhì)品種提供理論依據(jù)。

圖1 482份紅花種質(zhì)資源世界分布Fig.1 Distribution of 482 safflowers in the world

1 材料與方法

1.1 材料

482 份紅花種質(zhì)資源由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所種質(zhì)資源庫(kù)提供（附表1，見(jiàn)首頁(yè)OSID碼）。

1.2 試驗(yàn)地概況

紅花材料種植于湖北省武漢市江夏區(qū)試驗(yàn)田（30°17'44"N, 114°14'20"E），海拔18.4 m。試驗(yàn)地土壤肥力中等，土質(zhì)為黃土。每個(gè)紅花品種播種一行，行長(zhǎng)4 m，行距50 cm，間苗后每行留苗總數(shù)為10株。按照常規(guī)田間管理，待到紅花果實(shí)成熟后，按照《紅花種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[17]（表1）的要求進(jìn)行性狀調(diào)查，每行選取一致性較好的5 株紅花作為重復(fù)樣本，分別測(cè)量株高、頂端分枝高度、最高一級(jí)分枝數(shù)、分枝高度、最低一級(jí)分枝數(shù)、二級(jí)分枝數(shù)、存活率、開(kāi)花期、花色、葉片有/無(wú)刺、苞葉有/無(wú)刺，葉緣等12個(gè)農(nóng)藝性狀。

表1 紅花農(nóng)藝性狀的記載標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Guideline for agronomic traits of safflowers

1.3 數(shù)據(jù)分析

調(diào)查數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2019 整理，將數(shù)量性狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，將質(zhì)量性狀以0 或1 取值，再通過(guò)SPSS19.5 進(jìn)行遺傳變異、相關(guān)分析和主成分分析[18～20]，通過(guò)R語(yǔ)言軟件進(jìn)行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要性狀的遺傳多樣性分析

482 份紅花種質(zhì)資源材料的變異分析結(jié)果表明（表2），7 個(gè)數(shù)量性狀變異系數(shù)的范圍為21.2%～74.2%，呈現(xiàn)出較大的變幅。其中二級(jí)分枝數(shù)的變異系數(shù)最大為74.2%，變異幅度為0～145 個(gè)。千粒重變異系數(shù)最小為21.2%，變化幅度為22～79 g。這7 個(gè)農(nóng)藝性狀變異系數(shù)的大小關(guān)系為：二級(jí)分枝數(shù)（74.2%）＞幼苗存活率（60.5%）＞一級(jí)分枝數(shù)（52.9%）＞分枝高度（51.0%）＞頂端分枝高度（27.0%）＞株高（23.7%）＞千粒重（21.2%）。一般變異系數(shù)大于10%表示樣本間差異較大[21,22]，本研究中用于遺傳多樣性分析的農(nóng)藝性狀變異系數(shù)均大于10%，說(shuō)明482 份紅花種質(zhì)資源間存在很大的差異，具有豐富的遺傳多樣性。

表2 農(nóng)藝性狀方差和遺傳變異分析Table 2 Variance and genetic variance analysis of agronomic traits

2.2 主要性狀的相關(guān)性分析

為了進(jìn)一步探究482份紅花種質(zhì)資源遺傳多樣性，對(duì)12個(gè)主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性分析（表3），結(jié)果表明，千粒重與二級(jí)分枝數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與一級(jí)分枝數(shù)呈顯著正相關(guān)，與株高、頂端分枝高度、分枝高度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與開(kāi)花期呈顯著負(fù)相關(guān)；苞葉有無(wú)刺與株高、分枝高度、頂端分枝高度、葉片有無(wú)刺、葉緣呈極顯著相關(guān)，與開(kāi)花期呈顯著相關(guān)；葉片有無(wú)刺與株高、分枝高度、頂端分枝高度、葉緣呈極顯著相關(guān)；開(kāi)花期與株高、分枝高度、頂端分枝高度呈極顯著正相關(guān)，與二級(jí)分枝數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)；幼苗存活率與株高、頂端分枝高度呈極顯著正相關(guān)；二級(jí)分枝數(shù)與株高、頂端分枝高度、一級(jí)分枝數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與分枝高度呈極顯著負(fù)相關(guān)；一級(jí)分枝高與株高、頂端分枝高度呈極顯著正相關(guān)，與分枝高度呈極顯著負(fù)相關(guān)；頂端分枝高度與株高、分枝高度呈極顯著相關(guān)；最低一級(jí)分枝數(shù)與株高呈極顯著正相關(guān)，與葉緣呈極顯著相關(guān)。以上結(jié)果說(shuō)明紅花各農(nóng)藝性狀之間存在一定內(nèi)在聯(lián)系，存在彼此促進(jìn)或抑制的關(guān)系，這些關(guān)鍵信息可用于紅花的遺傳育種和種質(zhì)創(chuàng)新。

表3 482份紅花種質(zhì)資源性狀相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis among major agronomic traits in 482 saffower

2.3 主成分分析

相關(guān)性分析結(jié)果顯示該群體中12 個(gè)農(nóng)藝性狀間存在一定的內(nèi)在聯(lián)系，為了解析其中可能的遺傳結(jié)構(gòu)，對(duì)482 份紅花種質(zhì)資源的12 個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析（表4），提取特征根大于1 的主成分，其中主成分4 的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了65.882%，包含了12個(gè)農(nóng)藝性狀的絕大部分信息。

從表4 還可知，第1 主成分的特征值為2.835，相應(yīng)的貢獻(xiàn)率為23.629%。第1 主成分中苞葉有無(wú)刺特征向量正值最大（0.720），說(shuō)明苞葉有無(wú)刺對(duì)第1 主成分影響最大，其次是頂端分枝高度（0.716）、葉片有無(wú)刺（0.711）、株高（0.651）。第2主成分的特征值為2.223，相應(yīng)的貢獻(xiàn)率為18.522%，第2 主成分中二級(jí)分枝數(shù)特征向量正值最大（0.777），其次是一級(jí)分枝數(shù)（0.703）、株高（0.581）。第3 主成分的特征值為1.790，相應(yīng)的貢獻(xiàn)率為14.921%，第3 主成分中葉片有無(wú)刺特征向量絕對(duì)值最大（-0.534），其次為苞葉有無(wú)刺（-0.515）、分枝高度（0.494）、開(kāi)花期（0.452）。第4主成分的特征值為1.057，相應(yīng)的貢獻(xiàn)率為8.811%，第4 主成分中花色特征向量正值最大（0.684），其次為幼苗存活率（-0.574）。

表4 482份紅花種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的主成分分析Table 4 Principal component analysis of major agronomic traits in 482 safflowers

對(duì)482份紅花品種選取前兩個(gè)主成分進(jìn)行分析（圖2），不同品種在圖中的分布沒(méi)有明顯的規(guī)律，且分布范圍較大，再次說(shuō)明這482 份紅花種質(zhì)資源確實(shí)存在廣泛的遺傳多樣性。國(guó)內(nèi)和國(guó)外的紅花種質(zhì)在圖中的分布趨勢(shì)存在一定的差異，但是沒(méi)有出現(xiàn)明顯的分離，說(shuō)明不能依賴簡(jiǎn)單的地域劃分，要充分考慮選取的區(qū)域范圍大小和環(huán)境的錯(cuò)綜復(fù)雜，研究特定環(huán)境和區(qū)域的紅花與性狀之間關(guān)系。通過(guò)性狀調(diào)查，能對(duì)關(guān)聯(lián)群體的群體結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估，有效地篩選特異種質(zhì)，在紅花育種中發(fā)揮重要作用。

圖2 482份紅花品種的主成分分析Fig.2 PCA of 482 safflowers

2.4 主要性狀的聚類分析

由于紅花在不同國(guó)家與地區(qū)的引種與馴化，各自環(huán)境差異性明顯，紅花特性也隨之表現(xiàn)為高度的遺傳多樣性，因此，如何對(duì)紅花的遺傳背景進(jìn)行分析以及在其基礎(chǔ)之上如何建立系統(tǒng)的種質(zhì)資源評(píng)價(jià)，一直是紅花生產(chǎn)過(guò)程中的主要難題。本研究使用R 語(yǔ)言軟件對(duì)“國(guó)編”的482 份紅花通過(guò)最大距離法進(jìn)行聚類，在遺傳距離為7.5 時(shí)可將482 份材料劃分為5大類（圖3），旨在對(duì)紅花種質(zhì)資源進(jìn)行評(píng)估與分類。

圖3 紅花種質(zhì)資源聚類圖Fig.3 Cluster analysis in safflowers germplasm resources map

根據(jù)分類的結(jié)果，第1 類群中，只有1 份紅花材料ZGHH0064。ZGHH0064 株高很高（179 cm），一級(jí)分枝數(shù)很多（81.5），二級(jí)分枝數(shù)較少（17），分枝高度（81.5 cm）和頂端分枝高度（121 cm），開(kāi)花期很晚。第2 類群有45 份，株高、分枝高度和在頂端分枝高度都很高，二級(jí)分枝數(shù)較少，開(kāi)花期晚。第3類群包含兩份紅花材料，分別為ZGHH0174 和ZGHH0665，株高很矮（45.5 cm），頂端分枝高度（9 cm）和分枝高度很低（7.5 cm），一級(jí)分枝數(shù)（2）和二級(jí)分枝數(shù)很少（2.5），幼苗存活率低（0.2）,千粒重較重（53 g）。第4 類群包含113 份紅花材料，屬于株高較低，一、二級(jí)分枝數(shù)較少的紅花材料。其余的為第5 類群紅花材料，其農(nóng)藝性狀能一定程度上反映關(guān)聯(lián)群體的平均水平。在實(shí)際育種工作中可以根據(jù)性狀需要對(duì)紅花種質(zhì)的不同類群進(jìn)行篩選。

3 討論

紅花相對(duì)于玉米、水稻這樣的農(nóng)作物而言，馴化歷史較短，馴化程度比較低，在世界上分布相對(duì)零散，育種工作一直滯后[23]。紅花具有藥食兩用的特點(diǎn)，尤其是隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類生活水平的提高，紅花作為一種新興的特種經(jīng)濟(jì)作物的研究日益得到重視，因此，對(duì)紅花的遺傳多樣性進(jìn)行系統(tǒng)的研究尤為重要。只有大量收集不同紅花種質(zhì)并對(duì)性狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)調(diào)查，才能有效開(kāi)展紅花遺傳育種等各項(xiàng)工作[24]。但紅花種質(zhì)資源遺傳多樣性豐富[25]，世界上有15 個(gè)國(guó)家的22 個(gè)種子資源庫(kù)里有25 179份紅花品種[26]。在早期的研究中，紅花幾個(gè)重要的農(nóng)藝性狀具有顯著變異性，或者說(shuō)種質(zhì)資源有著很大的多樣性[27]，但育種通常只關(guān)注有限的幾個(gè)農(nóng)藝性狀[28]，導(dǎo)致缺乏優(yōu)勢(shì)性狀高度富集的優(yōu)質(zhì)紅花種質(zhì)，使得紅花的育種效率不高。此前的國(guó)內(nèi)外研究中，郭麗芬等[16]曾對(duì)66 份云南紅花種質(zhì)資源的株高、最低分枝高、最高分枝高、千粒重等11個(gè)數(shù)量性狀的遺傳變異情況進(jìn)行了研究，王沛琦等[29]對(duì)國(guó)內(nèi)外312份紅花種質(zhì)資源的株高、百粒重、單株有效果球數(shù)等6 個(gè)農(nóng)藝性狀的遺傳變異情況也進(jìn)行了研究。他們研究的結(jié)果表明，這些紅花材料所有的農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)均大于10%。Kumar 等人[30]研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在印度種植的紅花品種遺傳多樣性不高。這表明紅花的適應(yīng)性不強(qiáng)，對(duì)生物和非生物脅迫比較敏感，容易因環(huán)境的變化而導(dǎo)致產(chǎn)量的減少。本研究通過(guò)全球范圍內(nèi)廣泛收集紅花品種，共選取30個(gè)國(guó)家和地區(qū)的482份代表性紅花種質(zhì)資源進(jìn)行分析。在其12 個(gè)農(nóng)藝性狀中，有7 個(gè)數(shù)量性狀變異系數(shù)均大于10%，其中株高的變異系數(shù)達(dá)到23.7%，千粒重的變異系數(shù)達(dá)到21.2%，進(jìn)一步說(shuō)明了紅花在不同地區(qū)引種與馴化的過(guò)程中形成了豐富的遺傳多樣性。本試驗(yàn)相關(guān)分析表明，除了花色這一農(nóng)藝性狀之外，其它農(nóng)藝性狀之間普遍存在顯著性的相互影響，如千粒重與二級(jí)分枝數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與株高、頂端分枝高度、分枝高度呈極顯著負(fù)相關(guān)，與二級(jí)分枝數(shù)呈顯著正相關(guān)，表明紅花千粒重的數(shù)值越大，其對(duì)應(yīng)的株高、分枝高度數(shù)值越小，二級(jí)分枝數(shù)越少。本研究相關(guān)性分析結(jié)果與張振興[19]與趙昕鵬等[31]的部分研究結(jié)果一致。

主成分分析結(jié)果表明，苞葉有刺的植株，其葉片有刺的概率更大，頂端分枝高度及株高也更高一些，但一級(jí)分枝數(shù)和幼苗存活率增幅會(huì)相對(duì)較??；隨著二級(jí)分枝數(shù)增多，一級(jí)分枝數(shù)、株高、頂端分枝高度的值增加較快，千粒重也有緩慢增加，而開(kāi)花期所經(jīng)歷的時(shí)間逐漸減少，葉片和苞葉更趨于無(wú)刺，說(shuō)明就本研究考察的農(nóng)藝性狀來(lái)看，二級(jí)分枝數(shù)在一定范圍內(nèi)增加，千粒重也隨之增加，在紅花育種工作中可作為重要的性狀選擇標(biāo)準(zhǔn)；葉片無(wú)刺的植株，其苞葉無(wú)刺的概率更大，最低分枝高的值和開(kāi)花期的值相應(yīng)較大，而二級(jí)分枝數(shù)和千粒重的值會(huì)相應(yīng)較小，這是紅花無(wú)刺化育種需要進(jìn)一步注意和研究的問(wèn)題；第4 主成分說(shuō)明花色與紅花的幼苗存活率可能存在一些關(guān)聯(lián)。

地理分布影響一個(gè)物種的遺傳變異程度[32]。本研究發(fā)現(xiàn)紅花品種的地理分布模式就很明顯，紅花在自然界中是高度自花授粉的作物，生長(zhǎng)在世界各地不同的氣候區(qū)域內(nèi)。本研究收集了較大數(shù)量的紅花種質(zhì)，發(fā)現(xiàn)這些紅花種質(zhì)資源顯示了幾個(gè)區(qū)域的資源庫(kù)的特征，表明對(duì)全球紅花的種質(zhì)搜集是有效的[33]。

本文通過(guò)對(duì)紅花農(nóng)藝性狀的聚類發(fā)現(xiàn)，不同類群的紅花材料中12個(gè)農(nóng)藝性狀具有明顯的差異，如品種間相差100 cm 的株高，有利于選育出適合機(jī)械收割的紅花品種。如紅花的花絲是比較有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的紅花器官，目前主要還依賴農(nóng)民的人工收割，帶刺類型的品種仍然居多，有待改良，以提高人工收割的效率。我們沒(méi)有觀察到有/無(wú)刺的性狀與果球數(shù)等是否有顯著關(guān)聯(lián)。具有優(yōu)良的農(nóng)藝性狀的紅花可在未來(lái)作為重要的育種材料，這些數(shù)據(jù)的收集將使得紅花的育種效率的提高[34]，如ZGHH0064可作為改良株高和一級(jí)分枝數(shù)的材料，ZGHH0174和ZGHH0665 可作為增加紅花千粒重的材料加以利用。