油莎豆種質(zhì)資源表型性狀遺傳多樣性分析及綜合評價

馬紫薇,牛 陸, 楊向東, 任 偉, 楊春明, 趙寒冬, 張原宇*

(1.吉林師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院， 吉林 四平136100； 2．吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)生物技術(shù)研究所， 吉林 長春 130033；3．長春農(nóng)業(yè)博覽園， 吉林 長春 130033)

油莎豆(CyperusesculeutusL. var.sativusBoeckeler)屬莎草科莎草屬一年生作物。作為非洲尼羅河流域早期馴化物種和重要的食物來源之一，其栽培種植歷史最早可追溯至公元前4 000年的古埃及[1-2]。目前，油莎豆廣泛分布于非洲、歐洲、亞洲、北美洲和拉丁美洲等國家[2-3]。油莎豆地上部呈叢生狀，葉片狹長，其莖部由葉片包裹形成三棱形的“假莖”，但沒有嚴(yán)格意義上的地上莖。地下莖包括水平莖、根狀莖及塊莖。地下塊莖由根狀莖頂端膨大形成，水平地下莖可產(chǎn)生萌蘗并產(chǎn)生新的萌蘗苗。油莎豆在我國一般不抽薹開花，個別植株開花無繁殖意義，其繁殖方式主要通過地下塊莖進(jìn)行無性繁殖[4]。油莎豆具有適應(yīng)性廣、生物量高、抗逆性強、病蟲害少等特點，適宜在氣候溫潤的砂質(zhì)土地種植[3]。油莎豆主要收獲器官為地下塊莖，鮮重產(chǎn)量一般可達(dá)1 000 kg·667 m-2，其次地上干草，也具備經(jīng)濟(jì)效益，地上草產(chǎn)量達(dá)750～1 250 kg·667 m-2。地下塊莖富含淀粉、油脂、糖類、蛋白質(zhì)、膳食纖維、維生素C和E等[5-8]，單位面積油脂產(chǎn)量可達(dá)80～100 kg·667 m-2，是大豆的4倍，油菜的2倍，僅次于木本油料作物—油棕[3，9]。地上莖葉富含脂肪、蛋白、多糖和粗纖維，可作為優(yōu)質(zhì)畜禽飼料[3，5，10]。因此，目前普遍認(rèn)為油莎豆是一種糧、油、飼兼用，綜合利用價值較高的經(jīng)濟(jì)作物。

我國于20世紀(jì)50—60年代從前蘇聯(lián)、保加利亞和朝鮮等國引入油莎豆，并在北京等地進(jìn)行小規(guī)模試種[3]。近年來，隨著對油莎豆糧、油、飼、藥及生態(tài)價值認(rèn)識的逐步深入，以及油莎豆收獲、加工設(shè)備和技術(shù)的逐步提高，我國油莎豆種植面積和產(chǎn)量逐年增加。據(jù)中國油莎豆產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟不完全統(tǒng)計，2019年種植面積達(dá)20萬畝左右，種植區(qū)域覆蓋吉林、內(nèi)蒙古、新疆等20多個省份，產(chǎn)業(yè)發(fā)展已初具規(guī)模[9]。目前我國油莎豆產(chǎn)業(yè)存在許多亟待解決的關(guān)鍵問題，如種質(zhì)資源和品種極度匱乏，栽培技術(shù)不規(guī)范，收獲工具制約等，嚴(yán)重制約了我國油莎豆產(chǎn)業(yè)健康快速發(fā)展。廣泛開展油莎豆種質(zhì)資源收集、鑒定與利用，培育適宜不同生態(tài)區(qū)和用途的專用油莎豆品種，對于推動油莎豆在我國沙化耕地、以及東北和西北沙化邊緣土地的規(guī)?；N植及油莎豆產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

種質(zhì)資源遺傳多樣性評價是開展油莎豆遺傳改良及品種選育、復(fù)雜性狀遺傳解析的基礎(chǔ)。目前國內(nèi)外對油莎豆的研究報道大多集中在生物學(xué)特性[11]、保健價值、豐產(chǎn)栽培[12]、物質(zhì)積累[13]、有效成分提取技術(shù)[14]等方面，對油莎豆種質(zhì)資源系統(tǒng)收集、鑒定和表型評價等研究較少，有效應(yīng)用于油莎豆遺傳改良的種質(zhì)資源則更少。本研究旨在對前期收集的國內(nèi)外油莎豆種質(zhì)資源進(jìn)行表型鑒定，分析不同來源油莎豆遺傳多樣性，建立油莎豆種質(zhì)資源綜合評價指標(biāo)，為進(jìn)一步加快油莎豆種質(zhì)資源利用及遺傳育種提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

2014—2018年間，作者所在團(tuán)隊陸續(xù)從國內(nèi)外油莎豆主要種植區(qū)收集種質(zhì)資源48份，其中國內(nèi)資源41份，包括湖北15份、吉林8份、河北9份、河南6份、江蘇2份、新疆1份。國外資源7份，包括喀麥隆3份，加納、馬里、西班牙、俄羅斯各1份。供試48份油莎豆種質(zhì)資源保存于吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院種質(zhì)資源庫。根據(jù)油莎豆塊莖形狀和表皮顏色對這些資源進(jìn)行初步分類(表1)，按塊莖粒型劃分，橢圓形油莎豆24份，長粒形和圓粒形油莎豆各12份；按粒色劃分，47份為黃色，1份為紅色(來源于喀麥隆)。

表1 供試 48份油莎豆種質(zhì)資源信息Table 1 List of 48 Cyperus esculeutus germplasms collected in this study

續(xù)表1

1.2 試驗設(shè)計

田間試驗于2020—2021年在吉林省農(nóng)安縣楊樹林鄉(xiāng)進(jìn)行。該地區(qū)屬北溫帶風(fēng)沙半干旱區(qū)，土壤類型為半干旱半濕潤沙地。年平均氣溫4.6℃，年平均降雨量507.7 mm，生長期145 d，年有效積溫2 982.7℃。播種時期為5月中旬，每個試驗材料種植5行，行長5 m，行間距65 cm，株距12 cm，單粒點播，試驗地四周播種10行保護(hù)行。試驗采取完全隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)3次重復(fù)，田間管理措施同當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)田間日常管理。

1.3 數(shù)據(jù)采集

收獲前對48份油莎豆資源表型性狀進(jìn)行調(diào)查。從每個小區(qū)中間位置隨機選擇10 穴油莎豆，對株高(Plant height)、葉寬(Leaf width)、葉長寬比(Leaf length/Width ratio)、分蘗數(shù)(Tillers)、粒長(Tuber length)、粒寬(Tuber width)、粒長寬比(Tuber length/width ratio)、百粒重(100-tuber weight)、鮮草產(chǎn)量(Fresh grass yield)、塊莖產(chǎn)量(Tuber yield)指標(biāo)進(jìn)行測定。對每個小區(qū)中間位置行長2米范圍內(nèi)的植株分蘗數(shù)、地下塊莖和地上鮮草產(chǎn)量分別進(jìn)行測定，并折算為每株分蘗數(shù)(Tiller number per plant)，每667 m2塊莖產(chǎn)量(Tuber yield)和鮮草產(chǎn)量(Grass yiled)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2016、SPSS 26和Origin 2022對48份油莎豆種質(zhì)資源的10個表型性狀進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。利用最佳線性無偏估計值進(jìn)行描述性統(tǒng)計，通過方差分析、聚類分析、雙因素相關(guān)分析和主成分分析，將標(biāo)準(zhǔn)化表型性狀數(shù)據(jù)代入每個主成分中，計算各主成分得分及綜合得分，進(jìn)一步篩選油莎豆種質(zhì)資源的綜合評價指標(biāo)。采用模糊隸屬函數(shù)計算出各性狀的隸屬函數(shù)值[22-23]，將各性狀定義到[0，1]閉區(qū)間

μ(xi)=(xi-ximin)/(ximax-ximin)(i=1，2，3，…，48)

式中，μ(xi)為某種質(zhì)材料第i個性狀的隸屬函數(shù)值，xi為某種質(zhì)材料的第i個性狀值，ximax，ximin分別為所有種質(zhì)資源中第i個性狀的最大值和最小值。采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(Shannon-Wiener diversity index，H′)進(jìn)行評價。

式中，為某性狀第i級別內(nèi)材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比。

2 結(jié)果與分析

2.1 油莎豆種質(zhì)資源表型性狀遺傳多樣性分析

2.1.148份油莎豆種質(zhì)資源表型性狀的變化及分布特征 根據(jù)遺傳多樣性測算的分級標(biāo)準(zhǔn)分析表型性狀的分布狀況(圖1)。數(shù)量性狀在10個等級上均有分布，其中株高，葉寬，葉長寬比主要集中于2～9級；分蘗主要分布于2～6級；鮮粒長、鮮粒寬、鮮粒長寬比集中于 2～7級之間。而在質(zhì)量性狀上，百粒重鮮草重量，產(chǎn)量主要分布于2～8級?？梢?10個性狀均表現(xiàn)出一定的集中性，以鮮草產(chǎn)量，塊莖產(chǎn)量，塊莖大小為主。

圖1 10個表型性狀的隸屬值分布Fig.1 Distribution diagram of subordinate function value of 10 phenotypic traits注：PH，株高；LW，葉寬；比RL，葉長寬；NT，分蘗；GL，粒長；GL，粒寬；RG，粒長寬比；TW，百粒重；GY，鮮草產(chǎn)量；TY，塊莖產(chǎn)量Note：PH：Plant Height；LW：Leaf width；LR：Ratio of length to width of leaf；NT：Number of tillers；GL：Grain length；GW：Grain Width；RG：Ratio of grain length to width；SW：100 tuber weight；GW：Grass yield；TY：Tuber yield

2.1.248份油莎豆種質(zhì)資源表型性狀間的遺傳變異性和遺傳多樣性指數(shù) 對48份油莎豆種質(zhì)資源的10個表型性狀進(jìn)行描述性分析，由表2可以看出，10個性狀的變異系數(shù)(CV)介于10.71%～47.38%之間。其中，絕大多數(shù)表型性狀(除株高外)均具有較大的變異幅度(16.15%～47.38%)。變異幅度最大的為分蘗數(shù)(50.37%)，其次為百粒重(36.33%)，這2個性狀均與地下塊莖產(chǎn)量相關(guān)。表明與其他性狀相比，分蘗數(shù)和百粒重在不同油莎豆種質(zhì)資源中具有更大的變異和更豐富的表型多樣性。這對油莎豆新品種選育，和育種目標(biāo)具有一定的參考價值。

為了研究表型性狀的遺傳多樣性和分布頻率的平衡性，采用Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)比較48份油莎豆資源的10個表型的多樣性指數(shù)。由表2可知，10個表型性狀間的遺傳多樣性指數(shù)不同，表型性狀的遺傳多樣性指數(shù)(H′)差異較大，變化在 1.67(粒長)和 2.17(塊莖產(chǎn)量)之間。葉長寬比(2.08)、塊莖產(chǎn)量(2.17)、鮮草產(chǎn)量(2.08)、分蘗數(shù)(1.95)及粒寬(1.95)5個性狀的H′值居表型性狀前列，說明這些表型性狀在種質(zhì)資源中具有較高的遺傳多樣性和分布平衡性。其中塊莖產(chǎn)量最高達(dá)到1 333.7 kg·667 m-2，鮮草產(chǎn)量最高1 220 kg·667 m-2，表現(xiàn)出一定的經(jīng)濟(jì)效益潛力。

表2 48份油莎豆種質(zhì)資源10個性狀變化及分布特征Table 2 Variation and distribution of 10 phenotypic traits in 48 Cyperus esculeutus

2.1.310個性狀的年度間變異 穩(wěn)定性是種質(zhì)資源的重要構(gòu)成因素之一。在同一地理生態(tài)環(huán)境下，連續(xù)2年對油沙豆種質(zhì)資源的10個性狀進(jìn)行調(diào)查(表3)。由于2020年春播后，連續(xù)遭遇低溫天氣，導(dǎo)致出苗滯后半個月，收獲期與2021年相同，因此，2020年測定的10個性狀平均值均略低于2021年。2020年和2021年，葉長寬比、分蘗數(shù)、粒長寬比、百粒重、鮮草產(chǎn)量、塊莖產(chǎn)量均表現(xiàn)出較高的變異系數(shù)，說明這些表型性狀受環(huán)境影響大。2年間測定的各個形狀的變異系數(shù)雖有浮動，但表現(xiàn)出相同的趨勢，說明各種質(zhì)資源表現(xiàn)出較好遺傳穩(wěn)定性。

表3 2020—2021 年主要農(nóng)藝性狀年度間變異Table 3 Genetic variation of agronomic traits in 2020—2021

2.1.4不同粒型油莎豆種質(zhì)資源表型性狀差異 根據(jù)油莎豆塊莖的長寬比，較為直觀的把油莎豆塊莖分為3種類型，長形油莎豆，橢圓形油莎豆，圓形油莎豆。對不同塊莖粒型種質(zhì)資源表型性狀分析表明，長粒形分蘗數(shù)、葉長寬比、粒長寬比、塊莖產(chǎn)量、鮮草產(chǎn)量顯著高于圓粒形和橢圓形，其他性狀與圓粒形和橢圓形無顯著差異；圓粒形和橢圓形除了在粒長寬比略有差異外，其他性狀均無顯著性差異。通過不同塊莖粒型間的各個性狀指標(biāo)間比較分析，說明分蘗數(shù)、葉長寬比、粒長寬比這些指標(biāo)與產(chǎn)量構(gòu)成有著重要關(guān)聯(lián)(表4)。

表4 不同粒型油莎豆種質(zhì)資源表型性狀差異Table 4 Difference of the agronomic traits in tigernut accessions with different tuber shapes

2.2 油莎豆種質(zhì)資源表型性狀相關(guān)性分析

對48份油莎豆種的10個表型性狀進(jìn)行相關(guān)性分析(表5)，結(jié)果表明，10個性狀間存在不同程度的相關(guān)性，且多數(shù)性狀間存在極顯著與顯著相關(guān)性。其中鮮草產(chǎn)量與分蘗、粒長、粒長寬比存在極顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.57，0.53和0.51；塊莖產(chǎn)量與分蘗、粒長和粒長寬比存在極顯著的正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.40，0.46和0.49；說明上述3個指標(biāo)可以對油莎豆的重要經(jīng)濟(jì)性狀進(jìn)行評價，也為提高油莎豆經(jīng)濟(jì)效益遺傳育種提供參考。其他各項指標(biāo)間也存在極顯著或顯著相關(guān)性，可為油莎豆的某一特異性狀改良提供理論支持。

表5 10個油莎豆表型性狀相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation coefficient among 10 agronomic and biochemical traits of tigernut accessions

2.3 油莎豆種質(zhì)資源表型性狀主成分分析

為消除性狀間的相關(guān)性對種質(zhì)資源產(chǎn)生的影響，故對48份油莎豆種質(zhì)資源的10個表型性狀進(jìn)行主成分分析(表6)[22-24]，結(jié)果顯示前3個主成分的累計貢獻(xiàn)率達(dá) 76.78%，表明前3個主成分代表了油莎豆表型性狀的大部分信息。將每個主成分向量特征值除以其對應(yīng)成分的初始特征值的平方根，得到各個成分每個指標(biāo)的特征向量值，不同成分各個性狀特征向量值、特征值、累計貢獻(xiàn)率如表6所示。第一主成分貢獻(xiàn)率最大，為40.36%，特征向量值較大的為粒長寬比、分蘗數(shù)及葉寬，說明第一主成分主要是與油莎豆外形及塊莖大小相關(guān)的性狀；第二主成分的貢獻(xiàn)率為20.57%，特征向量較大的為粒長，百粒重及草產(chǎn)量，說明第二主成分主要是與子粒形狀和生物量相關(guān)的性狀；第三主成分貢獻(xiàn)率為15.86%，其中葉長寬比，株高及產(chǎn)量的特征向量值大于其他性狀，說明在第三主成分主要是與地上生物量和地下生物量相關(guān)的產(chǎn)量性狀。

表6 10個油莎豆表型性狀主成分分析Table 6 Principal analysis of 10 agronomic and biochemical traits of tigernut accessions

2.4 油莎豆種質(zhì)資源表型性狀綜合評價

為了對48份油莎豆種質(zhì)進(jìn)行綜合評分時，消除數(shù)據(jù)量綱的影響，利用IBMSPSS Statistics 26.0對各性狀指標(biāo)的平均值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理[22-24]。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化值和載荷矩陣得出每個主成分得分的線性方程，然后以3個主成分對應(yīng)的方差貢獻(xiàn)率作為權(quán)重系數(shù)建立綜合評價模型進(jìn)行綜合評價得分(表7)。3個主成分得分的線性方程和綜合評價模型如下：

表7 不同來源油莎豆種質(zhì)表型性狀綜合評價Table 7 Comprehensive assessment of the agronomic and biochemical traits among tigernut accessions

F1=-0.17X1-0.74X2+0.60X3+0.79X4+0.53X5-0.75X6+0.93X7-0.44X8+0.59X9+0.46X10

F2=0.12X1+0.32X2-0.20X3+0.22X4+0.76X5+0.54X6+0.14X7+0.79X8+0.43X9+0.39X10

F3=-0.85X1-0.25X2+0.74X3-0.21X4+0.06X5+0.24X6-0.10X7+0.09X8+0.19X9-0.33X10

F=0.12X1-0.36X2+0.42X3+0.43X4+0.49X5-0.20X6+0.51X7+0.46X9+0.28X10

圖2 48份油莎豆種質(zhì)資源表型性狀主成分分析雙標(biāo)圖Fig.2 PCA-biplot for phenotype traits of 48 tigernut accessions

根據(jù)方程數(shù)值，以及各主成分的貢獻(xiàn)率權(quán)重(0.526，0.268，0.207)得到綜合得分公式；F=0.526F1+0.268F2+0.207F3，計算出F值。表型性狀與表型性狀F值的的相關(guān)分析表明(表8)，F(xiàn)值與分蘗、粒長、粒長寬比、草產(chǎn)量、塊莖產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)。

表8 10個表型性狀與表型綜合值(F值)間的相關(guān)系數(shù)Table 8 Correlation coefficients among 10 phenotypic traits and comprehensive value (F-value)

2.5 油莎豆種質(zhì)資源表型性狀聚類分析

基于10個地區(qū)油莎豆10個性狀的聚類分析，將油莎豆種質(zhì)資源劃分為4個類群(圖3)：第一類群有15個品系包含14個國內(nèi)品系，1個喀麥隆品系，主要以長粒形油莎豆資源為主，圓粒形為輔；第二類群有5個品系4個國內(nèi)品系，1個俄羅斯品系，全部為長粒形；第三類群有12個品系，全部為國內(nèi)品系，其中橢圓形油莎豆11份，圓形油莎豆1份。第四類群有16個品系其中國內(nèi)品系15個，國外品系1個，以橢圓形油莎豆為主，圓形油莎豆為輔。在葉寬性狀中，資源JYD-35表現(xiàn)出極特異性的差別；在塊莖形狀中，JYD-41，JYD-46表現(xiàn)出特異性的差別。

圖3 基于表型性狀的油莎豆種質(zhì)資源系統(tǒng)聚類圖Fig.3 Cluster analysis of 48 tigernut accessions based on their 10 agronomic and biochemical traits

3 討論

3.1 油莎豆應(yīng)用核心種質(zhì)的表型遺傳多樣性

本研究中48份油莎豆種質(zhì)資源10個表型性狀均表現(xiàn)豐富的變異性，各性狀的變幅和變異系數(shù)均很高，變異系數(shù)為8.94%～50.3%，說明本研究中的應(yīng)用種質(zhì)變異豐富，不僅較好地代表了油莎豆資源的遺傳多樣性，在遺傳育種中也有較好的利用價值。穩(wěn)定性是種質(zhì)資源的一個重要構(gòu)成要素，雖然多數(shù)性狀的平均值2021年的結(jié)果大于2020年的結(jié)果，且年度間的變異系數(shù)有一定變化，但表現(xiàn)出相同的趨勢。兩年的農(nóng)藝性狀調(diào)查結(jié)果表明，在吉林省農(nóng)安縣的生態(tài)環(huán)境下不同年度之間的結(jié)果是穩(wěn)定的。年度間變化較為明顯的是株高、分蘗數(shù)、粒長寬比、百粒重、鮮草產(chǎn)量和塊莖產(chǎn)量，說明這些性狀可能受環(huán)境因素影響較大。因試驗實施地點所處我國北方區(qū)域，生長周期為130 d左右，較油莎豆適宜生長區(qū)域少20 d左右，所以生物量積累也相應(yīng)減少，總體草產(chǎn)量，塊莖產(chǎn)量也不如南方地區(qū)。因此通過不斷的馴化，生物技術(shù)的輔助，發(fā)掘耐低溫，適合北方區(qū)域種植的油莎豆資源，也是今后育種目標(biāo)之一。遺傳多樣分析也可為優(yōu)異基因的發(fā)掘提供必要信息，而表型性狀的調(diào)查更是為油莎豆的育種研究和復(fù)雜性狀機理解析提供重要依據(jù)[15-16]。

3.2 基于表型性狀對油莎豆的綜合評價

種質(zhì)資源評價直接關(guān)系到遺傳育種的應(yīng)用。目前，基于表型數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理和主成分分析[17]、相關(guān)性分析[18]、聚類分析[19]、方差分析[20]、多元回歸分析[21]對作物種質(zhì)資源的農(nóng)藝性狀進(jìn)行綜合評價報道較多[22-24]。本研究利用這些方法構(gòu)建了油莎豆種質(zhì)資源的表型綜合性狀評價體系，這為育種和遺傳研究提供了參考基礎(chǔ)。本研究表明塊莖粒寬比、百粒重、葉長寬比的綜合評分較高，說明這幾個性狀對資源評價較為重要，在油莎豆種質(zhì)資源性狀鑒定和育種實踐中應(yīng)注重對這些性狀的選擇。本研究的性狀相關(guān)分析建立在材料遺傳基礎(chǔ)豐富和連續(xù)兩年數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)統(tǒng)計學(xué)原理，有的相關(guān)系數(shù)較小，但相關(guān)性仍顯著或者極顯著。10個調(diào)查性狀中，各個性狀間存在極顯著和顯著相關(guān)性，參考各指標(biāo)之間的相關(guān)性，從而指導(dǎo)實際育種目標(biāo)，這對油莎豆育種有著重要意義。

4 結(jié)論

利用表型鑒定對48份油莎豆的10個表型性狀統(tǒng)計分析，結(jié)果表明不同地理來源的油莎豆種質(zhì)具有較高的遺傳多樣性，塊莖長寬比、百粒重、葉長寬比等性狀可作為油莎豆種質(zhì)資源綜合評價的重要指標(biāo)，分蘗數(shù)，粒長寬比，草產(chǎn)量，塊莖產(chǎn)量等4個表型性狀，可作為油莎豆表型綜合鑒定的指標(biāo)，其中JYD-27，JYD-41，JYD-20，JYS-29，和JYD-3表型綜合鑒定位列前茅，JYD-27，JYD-28，JYD-37，JYD-17，JYD-35綜合表現(xiàn)居后。