基于農(nóng)藝和品質性狀的宛艾種質綜合評價

許蘭杰，梁慧珍，余永亮，楊 青，李 磊，安素妨，楊紅旗，譚政委，李春明，董 薇，魯?shù)さ?/p>

（河南省農(nóng)業(yè)科學院 芝麻研究中心，河南 鄭州 450002）

艾（Artemisia argyi）為菊科（Compositae）蒿屬（Artemisia）多年生草本植物，是集藥品、食品、保健品于一體的大宗中藥材之一[1]?，F(xiàn)代研究表明，艾葉含有豐富的礦物質元素[2]、黃酮類[3]、揮發(fā)油類成分[4-5]等，具有溫經(jīng)活絡[6]、抗菌[7]、抗癌[8]、抗炎[9]、免疫調節(jié)[10]、抗凝血[11]等作用。艾分布于我國大部分地區(qū)以及朝鮮半島、日本、蒙古等亞洲東部[12]。在我國，艾主產(chǎn)于河南、湖北、湖南、安徽、山東和河北等。近年來，隨著中醫(yī)藥健康服務業(yè)的快速發(fā)展，艾產(chǎn)業(yè)的市場需求與日俱增。艾及其制品在治未病、美容護膚等方面的獨特作用得到了社會各界的廣泛認同，特別是深受日本、韓國客商的青睞，國際市場需求量大，前景極為廣闊。

河南省南陽市是國內外公認的艾產(chǎn)業(yè)重要發(fā)源地，被譽為“世界艾鄉(xiāng)”，全市艾種植面積達2萬hm2，各縣區(qū)均有艾種植，是全國最大的艾原材料供應基地[13]。南陽市艾產(chǎn)品年生產(chǎn)加工量占全球85%以上，南陽市簡稱宛，因此，所產(chǎn)的艾被外界統(tǒng)稱為“宛艾”。宛艾野生資源很多，栽培農(nóng)家品種也很多，現(xiàn)在推廣的一些品種，植株形態(tài)特點與產(chǎn)量和品質方面優(yōu)勢并不穩(wěn)定，經(jīng)長期種植，品種特性逐漸喪失，急需培育新品種。

豐富多樣的種質資源是開展植物新品種選育和基礎研究的必備條件之一。目前，關于艾的研究主要集中在其化學成分、生物活性以及栽培技術方面，資源評價方面的研究較少[14-17]。陳昌婕等[17]對來源于我國不同地區(qū)的艾種質資源的農(nóng)藝性狀和葉片表型性狀進行了多樣性分析，并將其劃分為3 個類群。為充分了解南陽市艾種質資源的遺傳多樣性，擬以30 個宛艾種質為試驗材料，對其農(nóng)藝和品質性狀進行分析測定，采用相關分析、主成分分析和聚類分析對其進行綜合評價，并基于隸屬函數(shù)法篩選優(yōu)異宛艾種質，為開展宛艾新品種選育奠定理論基礎。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

試驗材料為河南省農(nóng)業(yè)科學院芝麻研究中心收集的30 個宛艾種質，分別編號Ai01—Ai30。其中，Ai01—Ai07 來自南陽市鄧州市、Ai08—Ai10 來自南陽市宛城區(qū)、Ai11—Ai17 來自南陽市桐柏縣、Ai18—Ai24 來自南召縣、Ai25—Ai27 來自南陽市唐河縣、Ai28—Ai30 來自南陽市方城縣。試驗材料于2021 年4 月10 日分株栽種于河南省現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗示范基地（經(jīng)度113.71、緯度35.01）。試驗采取完全隨機區(qū)組設計，重復3 次，每個小區(qū)4 行，行長2 m、行距0.6 m、株距0.4 m，常規(guī)田間管理。

1.2 性狀調查

田間性狀調查于2021年6月10日進行，每個小區(qū)隨機取樣5 株進行室內考種，調查株高、葉長、葉寬、葉柄長、主莖分枝高度、主莖分枝數(shù)、主莖節(jié)間數(shù)、主莖節(jié)間長度、主莖葉片鮮質量、主莖質量共10個農(nóng)藝性狀。

1.3 品質分析

共計5 個品質性狀：采用索氏提取法提取艾葉揮發(fā)油含量；采用苯酚—硫酸法測定艾葉低聚糖含量和多糖含量；采用考馬斯亮藍法測定艾葉蛋白質含量；采用蘆丁法測定艾葉總黃酮含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析

采用Excel 2013 計算供試材料各性狀的最大值、最小值、平均值、標準差、變異系數(shù)。參考梁慧珍等[18]的方法，通過隸屬函數(shù)法將30 個宛艾種質的15個性狀函數(shù)值定義在[0，1]區(qū)間內，計算公式：Sin=（Xin-Ximin）/（Ximax-Ximin），式中，Sin表示第i指標、第n個樣品的原始數(shù)據(jù)轉化后的隸屬函數(shù)值，Xin為第i指標、第n個樣品的原始測定值，Ximin與Ximax為第i指標在30 個宛艾種質中的最小值和最大值。為了研究宛艾10 個農(nóng)藝性狀和5 個品質性狀的遺傳多樣性，采用Shannon-weaver 遺傳多樣性指數(shù)（H′）進行遺傳多樣性評價，計算公式：H′=-∑Pi×lnPi（i=1，2，3，…，n），式中，Pi指某個性狀第i級別內材料個數(shù)占總個數(shù)的百分比[19]。采用SPSS 20.0 軟件進行相關性分析、主成分分析和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 宛艾種質的遺傳多樣性分析

由圖1 可知，10 個農(nóng)藝性狀的H′差異較大，介于0.53（主莖分枝高度）～1.58（葉寬），平均為1.35；葉寬（1.58）、主莖節(jié)間數(shù)（1.56）、葉長（1.54）、株高（1.53）和葉柄長（1.53）的H′居10 個農(nóng)藝性狀的前列。5個品質性狀的H′差異稍小，介于0.98（低聚糖含量）～1.55（總黃酮含量），平均為1.38；總黃酮含量（1.55）和揮發(fā)油含量（1.53）的H′居5 個品質性狀的前列。

圖1 宛艾種質15個性狀的遺傳多樣性指數(shù)Fig.1 Diversity index of 15 traits in Wan A.argyi germplasm

2.2 宛艾種質的變異系數(shù)分析

對30 個供試宛艾種質農(nóng)藝性狀和品質性狀的變異系數(shù)進行比較，結果（表1）表明，15個性狀的變異系數(shù)為16.95%～160.71%，以主莖分枝高度的變異程度最高，變異系數(shù)最小的是總黃酮含量。10個農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)平均為52.14%，5 個品質性狀的變異系數(shù)平均為24.00%。農(nóng)藝性狀的平均變異系數(shù)大于品質性狀，說明宛艾種質品質性狀間的差異較小。

表1 宛艾種質15個性狀的基本統(tǒng)計分析Tab.1 Basic statistical analysis of 15 traits in Wan A. argyi germplasm

續(xù)表1 宛艾種質15個性狀的基本統(tǒng)計分析Tab.1（Continued） Basic statistical analysis of 15 traits in Wan A. argyi germplasm

2.3 宛艾種質的相關性分析

相關分析（表2）表明，株高與主莖分枝數(shù)、主莖節(jié)間數(shù)、主莖葉片鮮質量、主莖質量呈極顯著正相關，與葉柄長呈顯著負相關。葉長與葉寬、葉柄長呈極顯著正相關，與主莖節(jié)間數(shù)呈顯著負相關。葉寬與葉柄長呈極顯著正相關，與主莖節(jié)間長度呈顯著正相關，與多糖含量呈極顯著負相關。葉柄長與主莖節(jié)間數(shù)呈極顯著負相關，與主莖分枝數(shù)、主莖葉片鮮質量和主莖質量呈顯著負相關。主莖分枝高度與主莖葉片鮮質量呈顯著負相關，與低聚糖含量呈極顯著正相關。主莖分枝數(shù)與主莖節(jié)間數(shù)、主莖葉片鮮質量、主莖質量呈極顯著正相關，與揮發(fā)油含量呈極顯著負相關。主莖節(jié)間數(shù)與主莖葉片鮮質量、主莖質量呈極顯著正相關。主莖節(jié)間長度與主莖葉片鮮質量呈顯著正相關，與總黃酮含量呈極顯著負相關。主莖葉片鮮質量與主莖質量呈極顯著正相關，與揮發(fā)油含量呈顯著負相關，與低聚糖含量呈極顯著負相關。主莖質量與揮發(fā)油含量呈極顯著負相關，與低聚糖含量呈顯著負相關?？傸S酮含量與多糖含量呈顯著負相關，與蛋白質含量呈極顯著負相關。多糖含量與蛋白質含量呈顯著正相關。以上說明，植株大部分農(nóng)藝性狀之間是相互協(xié)調、相互影響的，品質性狀之間也存在一定的相關性，但農(nóng)藝性狀與品質性狀之間相關性較差。

表2 宛艾種質15個性狀的相關性分析Tab.2 Correlation analysis of 15 traits in Wan A. argyi germplasm

2.4 宛艾種質的主成分分析

采用SPSS 20.0 對15 個性狀進行主成分分析。結果（表3）表明，可以用5 個主成分因子代表15 個性狀，貢獻率分別為28.99%、19.32%、15.35%、13.35%、8.11%，累積貢獻率為85.12%。第1、2、4 主成分主要反映農(nóng)藝性狀信息，其中，第1主成分主要反映主莖分枝數(shù)、主莖葉片鮮質量和主莖質量信息，且都為正向荷載因子；第2 主成分主要反映葉長、葉寬和葉柄長信息，且都為正向荷載因子；第4主成分主要反映主莖分枝高度信息，且為正向荷載因子。第3個主成分主要反映農(nóng)藝和品質性狀信息，主莖節(jié)間長度和蛋白質含量為較大正向荷載因子，總黃酮含量為較大負向荷載因子。第5 個主成分主要反映品質性狀揮發(fā)油信息。

表3 主成分的因子載荷和貢獻率Tab.3 Factor loading matrix and contribution percentages of principal components

2.5 宛艾種質的綜合評價

根據(jù)《中華人民共和國藥典》對艾葉品質性狀的規(guī)定，桉油精不得少于0.050%、龍腦不得少于0.020%，而桉油精和龍腦是揮發(fā)油的重要成分[20]，對15 個性狀分別賦予如下權重：株高0.10、葉長0.05、葉寬0.05、葉柄長0.02、主莖分枝高度0.01、主莖分枝數(shù)0.10、主莖節(jié)間數(shù)0.03、主莖節(jié)間長度0.05、主莖葉片鮮質量0.15、主莖質量0.04、揮發(fā)油0.15、總黃酮0.08、多糖0.02、蛋白質0.10 和低聚糖0.05。參考梁慧珍等[18]的方法計算隸屬函數(shù)值，獲得30 個宛艾種質的綜合得分，其中Ai01、Ai05、Ai27、Ai04、Ai28 等5 個艾種質的綜合得分分別為0.797、0.781、0.727、0.710、0.706，居于前五（表4）。

表4 宛艾種質綜合得分Tab.4 Score of Wan A. argyi germplasm

2.6 宛艾種質的聚類分析

通過離差平方和法對30 個宛艾種質進行系統(tǒng)聚類分析，在歐式距離14.0 處，將30 個宛艾種質聚為三大類（圖2）。第一類為優(yōu)質型，表現(xiàn)為低稈小葉，揮發(fā)油、多糖、低聚糖和蛋白質含量較高，包含的8 個種質分別是Ai11、Ai12、Ai14、Ai18、Ai22、Ai23、Ai25 和Ai29；第二類為豐產(chǎn)型，表現(xiàn)為高稈大葉、多分枝、莖葉高產(chǎn)、揮發(fā)油中等，包含的8個種質分別是Ai01、Ai02、Ai03、Ai04、Ai05、Ai07、Ai16 和Ai27；第三類介于第一類和第二類之間，表現(xiàn)為株高中等、葉片面積中等、揮發(fā)油含量中等、總黃酮含量較高，包含的14 個種質分別是Ai06、Ai08、Ai09、Ai10、Ai13、Ai15、Ai17、Ai19、Ai20、Ai21、Ai24、Ai26、Ai28和Ai30。

圖2 宛艾種質聚類分析樹狀圖Fig.2 Dendrogram of cluster analysis of Wan A. argyi germplasm

3 結論與討論

種質資源的遺傳多樣性是新品種成功選育及應用方面突破的關鍵，對其進行分析和保護，既拓寬了中藥材品種改良的遺傳基礎，也可以根據(jù)產(chǎn)業(yè)的需求變化培育新品種[21]。遺傳多樣性分析手段隨著生物學技術的快速發(fā)展，經(jīng)歷了形態(tài)學水平、細胞學水平、生化水平和分子水平。形態(tài)標記因具有直接、簡便、易操作等優(yōu)勢一直被廣大科學家采用，廣泛應用于糧食作物[22]、經(jīng)濟作物[23]、油料作物[24]、蔬菜[25]、水果[26]和中藥材[27]等種質資源調查和遺傳育種。

為充分了解宛艾種質現(xiàn)狀，對來自南陽市6 個市區(qū)縣的30 個宛艾種質的15 個性狀進行Shannonweaver 遺傳多樣性分析，15 個性狀的H′為0.53～1.58，其中葉寬、主莖節(jié)間數(shù)、葉長、株高和葉柄長的H′居10 個農(nóng)藝性狀前列；5 個品質性狀的H′差異稍小，揮發(fā)油含量和總黃酮含量的H′居5 個品質性狀前列。

15 個性狀的變異系數(shù)為16.95%～160.71%，以主莖分枝高度的變異程度最高，最小的是總黃酮含量；10 個農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)平均為52.14%，5 個品質性狀的平均變異系數(shù)為24.00%，農(nóng)藝性狀的平均變異系數(shù)大于品質性狀，說明宛艾種質品質性狀間的差異較小。陳昌婕等[17]對收集的來自全國59個地區(qū)的100 個艾種質資源進行表型多樣性分析發(fā)現(xiàn)，20 個性狀的H′為0.82～4.37。而本研究中選取的試驗材料均來自南陽市，長期的自然選擇和人為馴化導致材料H′低于陳昌婕等[17]的研究結果，建議宛艾開展新品種培育或遺傳改良時拓寬親本圃，多引進國內外其他地區(qū)艾種質資源。

性狀相關性可以通過一種性狀間接反映另一種性狀，從而提高選擇效率。本研究中15個性狀間的相關性分析主要呈現(xiàn)出3種趨勢。大部分農(nóng)藝性狀之間存在著顯著的相關性。例如株高與主莖分枝數(shù)、主莖節(jié)間數(shù)、主莖葉片鮮質量、主莖質量呈極顯著正相關，葉長與葉寬、葉柄長呈極顯著正相關，主莖分枝數(shù)與主莖節(jié)間數(shù)、主莖葉片鮮質量、主莖質量、株高呈極顯著正相關。品質性狀間也存在一定的顯著相關性。如總黃酮含量與多糖含量呈顯著負相關，與蛋白質含量呈極顯著負相關；多糖含量與蛋白質含量呈顯著正相關。農(nóng)藝性狀與品質性狀間相關性相對較差，僅有部分農(nóng)藝性狀與品質性狀間相關性顯著或極顯著。因此，可依據(jù)農(nóng)藝性狀間的相關性分析，合理搭配目標性狀以達到增產(chǎn)目的；但僅依據(jù)農(nóng)藝性狀并不能判斷品質指標的含量，改良品質性狀前還需要進行材料的品質檢測。

聚類分析將供試30個宛艾種質劃分為三大類，第一類為優(yōu)質型，表現(xiàn)為低稈小葉，揮發(fā)油、多糖、低聚糖和蛋白質含量較高；第二類為豐產(chǎn)型，表現(xiàn)為高稈大葉、多分枝、莖葉高產(chǎn)、揮發(fā)油中等；第三類介于第一類和第二類之間，表現(xiàn)為株高中等、葉片面積中等、揮發(fā)油含量中等、總黃酮含量較高。此分類反映了所有供試材料的類型及親緣關系，為生產(chǎn)上的應用提供參考，但還需結合ISSR、SSR 等分子標記進一步進行DNA 水平的驗證[25]?；谕鸢N質的綜合評價，明確了各類群間的特征特性和變異范圍，可為宛艾種質資源的遺傳進化研究提供參考。

主成分分析是把原來多個具有一定相關性的變量簡化為少數(shù)幾個互不相關的綜合性狀，該方法可簡化選擇程序[28-29]。本研究通過主成分分析，提取了5 個主成分，與前人研究結果[17]相比，主成分提取值相對減少。分析原因，本研究增加了揮發(fā)油、總黃酮、低聚糖、多糖、蛋白質等品質性狀，如總黃酮為第3 主成分的較大荷載因子，揮發(fā)油為第5 主成分較大負向荷載因子，說明品質性狀在宛艾種質資源評價中具有非常重要的作用。

本研究通過對宛艾種質農(nóng)藝和品質性狀的多樣性分析，進一步明確了宛艾種質表型和品質變異的豐富程度。依據(jù)綜合得分大小，Ai01、Ai05、Ai27、Ai04、Ai28 等5 個宛艾種質在產(chǎn)量和品質方面綜合表現(xiàn)優(yōu)異，今后既可作為宛艾新品種選育親本直接加以利用，又可作為宛艾遺傳改良中優(yōu)良基因挖掘利用的研究材料。