寧夏地區(qū)番茄種質(zhì)資源核心種質(zhì)構(gòu)建策略

鄭福順，王曉敏，2，3，4，*，李國花，李洪磊，劉珮君，胡新華，付金軍

(1.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021； 2.寧夏現(xiàn)代設(shè)施園藝工程技術(shù)研究中心，寧夏 銀川 750021； 3.寧夏優(yōu)勢特色作物現(xiàn)代分子育種重點實驗室，寧夏 銀川 750021； 4.寧夏設(shè)施園藝(寧夏大學(xué))技術(shù)創(chuàng)新中心，寧夏 銀川 750021； 5.寧夏巨豐種苗有限責(zé)任公司，寧夏 銀川 750021)

番茄()原產(chǎn)于南美洲，是我國人民主要食用蔬菜之一。番茄是嚴(yán)格的自花授粉作物，長期的人工選擇會導(dǎo)致其遺傳背景逐漸變窄，廣泛地收集番茄種質(zhì)資源是有效解決這一問題的手段之一。隨著種質(zhì)資源的材料份數(shù)日益增多，種質(zhì)資源的保存與利用也逐漸困難。

核心種質(zhì)的概念是澳大利亞學(xué)者在1984年首次提出的，即以最小的種質(zhì)資源數(shù)量最大限度地保留遺傳多樣性。核心種質(zhì)的構(gòu)建將有效解決種質(zhì)資源數(shù)量多且保存困難等問題。近年來，園藝作物核心種質(zhì)的構(gòu)建也被相關(guān)領(lǐng)域的研究者所關(guān)注。核心種質(zhì)構(gòu)建策略的展開一般從遺傳距離、抽樣比例、抽樣方法和系統(tǒng)聚類法4個因素考慮。牛玉等對219份櫻桃番茄種質(zhì)7個性狀的基因型值，按照30%的抽樣比例，采用2種遺傳距離、8種聚類方法和3種抽樣方法進(jìn)行櫻桃番茄核心種質(zhì)構(gòu)建策略研究，并評價不同方法構(gòu)建櫻桃番茄核心種質(zhì)的優(yōu)劣。賀滉等對185份大果番茄種質(zhì)資源7個性狀的基因型值，分別采用2種遺傳距離法、8種不同的聚類方法、3種不同的抽樣方法，按照30%的抽樣比例對大果番茄核心種質(zhì)的構(gòu)建策略展開研究，均旨在為核心種質(zhì)構(gòu)建提供方法和理論依據(jù)。但是牛玉等和賀滉等都是對遺傳距離、系統(tǒng)聚類法和抽樣方法依次比較篩選，缺少各條件之間的比較，無法準(zhǔn)確地比較出不同條件之間組合后構(gòu)建核心種質(zhì)的優(yōu)劣。

本研究擬通過對前期調(diào)查的480份番茄種質(zhì)資源的20個表型性狀數(shù)據(jù)，依次對最短距離法、最長距離法、中間距離法、重心法、類平均法、可變類平均法、可變法、離差平方法共8個系統(tǒng)聚類法和10%、15%、20%、25%、30%共5個抽樣比例分別進(jìn)行對比，并對不同方法的優(yōu)劣進(jìn)行排序；在此基礎(chǔ)上對2個遺傳距離、排名前二的抽樣比例、3個抽樣方法和排名前二的系統(tǒng)聚類法進(jìn)行組合試驗，并對所構(gòu)建的24個核心種質(zhì)進(jìn)行代表性評價，最終確定最佳的構(gòu)建策略。以期為番茄核心種質(zhì)構(gòu)建提供方法，為番茄種質(zhì)資源新品種選育提供便利。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院蔬菜課題組和寧夏巨豐種苗有限責(zé)任公司共同收集的480份番茄種質(zhì)資源，材料類型與來源詳見文獻(xiàn)[10]。

1.2 試驗方法

1.2.1 性狀調(diào)查

依照《番茄種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》，具體調(diào)查的性狀為首花序節(jié)位、單花序果數(shù)、商品果縱徑、商品果橫徑、果梗洼大小、果梗洼木栓化大小、單果重、硬度、可溶性固形物含量、果肉厚、心室數(shù)、畸形果率、花序類型、成熟果色、葉色、綠肩、生長勢、葉片著生狀態(tài)、裂果性和坐果性共20個表型性狀。

1.2.2 系統(tǒng)聚類法對比

利用QGA Station 2.0軟件，利用歐氏距離、10%的抽樣比例、隨機(jī)取樣法和8個系統(tǒng)聚類法(最短距離法、最長距離法、中間距離法、重心法、類平均法、可變類平均法、可變法和離差平方和法)進(jìn)行不同方法的對比，并根據(jù)核心種質(zhì)代表性評價對聚類方法進(jìn)行排序。

1.2.3 抽樣比例對比

利用QGA Station 2.0軟件，采用歐氏距離、隨機(jī)取樣法、最短距離法和5個不同的抽樣比例(10%、15%、20%、25%和30%)進(jìn)行不同方法對比，根據(jù)核心種質(zhì)代表性評價對抽樣比例進(jìn)行排序。

1.2.4 核心種質(zhì)最佳構(gòu)建方法的篩選

利用QGA Station 2.0軟件，對2個遺傳距離、排名前二的抽樣比例、3個抽樣方法和排名前二的系統(tǒng)聚類法進(jìn)行組合試驗，如表1所示，進(jìn)行構(gòu)建核心種質(zhì)并篩選出構(gòu)建核心種質(zhì)的最佳方法。

表1 核心種質(zhì)不同構(gòu)建方法信息表

1.2.5 核心種質(zhì)代表性評價

Hu等提出的4個評價參數(shù)分別為均值差異百分率、方差差異百分率、極差符合率和變異系數(shù)變化率。核心種質(zhì)的代表性評價按照均值差異百分率<20%、極差符合率>80%，變異系數(shù)變化率和極差符合率越大就越能夠代表原種質(zhì)群體的遺傳多樣性。利用均值檢驗和方差檢驗，檢驗核心種質(zhì)與原群體的差異，均值差異越小，方差和變異系數(shù)變化率越大，則說明核心種質(zhì)的代表性越好。

2 結(jié)果與分析

2.1 系統(tǒng)聚類法的對比

8個系統(tǒng)聚類法構(gòu)建的8個核心種質(zhì)的差異百分率信息如表2所示。各核心種質(zhì)的極差符合率均>80%，除CX4的均值差異百分率為40.00%>20%，不符合核心種質(zhì)構(gòu)建原則外，其他核心種質(zhì)的均值差異百分率均<20%。將符合核心種質(zhì)構(gòu)建原則的7個核心種質(zhì)的均值、方差和變異系數(shù)與原群體進(jìn)行差異比較，結(jié)果如表3所示。CX8、CX7、CX2和CX6的均值與原群體基本保持一致，分別有5、4、4和3個性狀的方差與原群體存在顯著或極顯著性差異；CX3的果梗洼木栓化大小的均值與原群體存在顯著性差異，6個性狀的方差與原群體呈顯著或極顯著性差異；CX5和CX1雖然符合核心種質(zhì)構(gòu)建原則，但是在均值檢驗中，分別有7個和2個性狀的均值與原群體存在差異，核心種質(zhì)的代表性較差；7個核心種質(zhì)的20個性狀的變異系數(shù)大部分比原群體有所提高；對所構(gòu)建的核心種質(zhì)代表性評價結(jié)果表明，各核心種質(zhì)構(gòu)建方法的排名順序為離差平方和法>可變法>最長距離法>可變類平均法>中間距離法>最短距離法>類平均法。

表2 不同系統(tǒng)聚類法構(gòu)建的核心種質(zhì)與原始群體差異百分率

表3 不同系統(tǒng)聚類法構(gòu)建的核心種質(zhì)與原始群體差異比較

續(xù)表3 Continued Table 3

2.2 抽樣比例對比

5個抽樣比例所構(gòu)建的5個核心種質(zhì)的差異百分率信息如表4所示。各核心種質(zhì)的極差符合率均>80%，均值差異百分率<20%。將符合核心種質(zhì)構(gòu)建原則的5個核心種質(zhì)的均值、方差和變異系數(shù)與原群體進(jìn)行差異比較，結(jié)果如表5所示。CC2的首花序節(jié)位、生長勢和畸形果率3個性狀的方差與原群體存在顯著性差異，畸形果率的均值與原群體呈顯著差異；CC5有8個性狀的方差與原群體存在顯著性差異；CC5、CC4、CC3和CC1均有2個性狀的均值與原群體存在顯著性差異；5個核心種質(zhì)的20個性狀的變異系數(shù)大部分比原群體有所提高。所構(gòu)建的核心種質(zhì)代表性評價排名順序為15%>30%>25%>20%>10%。

表4 不同抽樣比例構(gòu)建的核心種質(zhì)與原始群體差異百分率

表5 不同抽樣比例構(gòu)建的核心種質(zhì)與原始群體差異比較

續(xù)表5 Continued Table 5

2.3 核心種質(zhì)最佳構(gòu)建方法的篩選

對2個遺傳距離、2個最佳的抽樣比例、3個抽樣方法和2個最佳的系統(tǒng)聚類法進(jìn)行組合試驗構(gòu)建核心種質(zhì)，結(jié)果如表6所示，各核心種質(zhì)的極差符合率均>80%，除C3、C4、C9、C10和C22的均值差異百分率分別為60.00%、50.00%、45.00%、60.00%、40.00%，均>20%，不符合核心種質(zhì)構(gòu)建原則，其他核心種質(zhì)的均值差異百分率均<20%。將符合核心種質(zhì)構(gòu)建原則的20個核心種質(zhì)的均值、方差和變異系數(shù)與原群體進(jìn)行差異比較，結(jié)果如表7所示。所有核心種質(zhì)20個性狀的均值與原群體基本保持一致，C12共15個性狀的方差與原群體存在顯著性差異，其中，9個性狀的方差與原群體呈極顯著性差異；C23有14個性狀的方差與原群體存在顯著性差異；C24、C21和C5分別有12、14、10個性狀的方差與原群體呈顯著或極顯著差異；C5、C11、C12、C15、C16、C17、C21、C23和C24的方差差異百分率較高，表明各核心種質(zhì)獲得了一定的變異；極差符合率均>95.00%，表明各核心種質(zhì)對特殊種質(zhì)有所保留；各核心種質(zhì)大部分性狀的變異系數(shù)比原群體有不同程度的提高，表明核心種質(zhì)具有較好的異質(zhì)性。綜上所述，本研究中C12為最優(yōu)核心種質(zhì)構(gòu)建方法，即遺傳距離為馬氏距離、抽樣比例為15%、抽樣方法為偏離度取樣法和系統(tǒng)聚類法為離差平方和法。

表6 不同構(gòu)建方法構(gòu)建的核心種質(zhì)與原始群體差異百分率

3 討論

核心種質(zhì)資源能夠以最少的種質(zhì)材料代表原群體所包含的全部或絕大部分遺傳變異，有效解決種質(zhì)資源數(shù)量龐大和保存困難的問題。表型數(shù)據(jù)可以有效直觀地表現(xiàn)出種質(zhì)資源的表型特征，而且保存種質(zhì)資源的基本出發(fā)點是對其各表型性狀進(jìn)行利用，因此，對核心種質(zhì)的構(gòu)建和評價過程中不應(yīng)該缺失表型數(shù)據(jù)。鄧學(xué)斌等研究表明，基于表型構(gòu)建的核心種質(zhì)表型變異代表性較好，基于基因型構(gòu)建的核心種質(zhì)群體結(jié)構(gòu)代表性較好。而構(gòu)建核心種質(zhì)時表型變異代表性和群體結(jié)構(gòu)代表性同等重要，因此，利用表型構(gòu)建核心種質(zhì)仍然十分重要。

前人研究表明，在構(gòu)建核心種質(zhì)時應(yīng)該首先對構(gòu)建策略進(jìn)行篩選。由于種質(zhì)資源的收集過程、保存年份、遺傳變異程度等存在差異，因此，不同作物構(gòu)建核心種質(zhì)時的取樣比例大小也不盡相同，但取樣比例大小的選擇應(yīng)以原群體種質(zhì)資源數(shù)量而確定。雷剛等基于表型數(shù)據(jù)對603份辣椒進(jìn)行核心種質(zhì)構(gòu)建研究，當(dāng)抽樣比例為15%時，各項指標(biāo)均最佳。郝曉鵬等從663份普通菜豆中篩選出152份核心種質(zhì)材料，最終確定20%的抽樣比例最佳。張歡等利用161個水青樹種質(zhì)的葉表型性狀對核心種質(zhì)構(gòu)建方法進(jìn)行了探索，篩選出72份核心種質(zhì)材料，即45%的抽樣比例最佳。這些學(xué)者研究結(jié)果均表明，當(dāng)構(gòu)建核心種質(zhì)的原群體樣本量越大時，抽樣比例應(yīng)越小，反之，抽樣比例應(yīng)越大。本研究供試材料480份，最終篩選抽樣比例為15%最佳，符合這一規(guī)律。徐盛春等研究表明，在取樣比例較小時，隨著取樣比例的升高，核心種質(zhì)的極差符合率急劇升高。當(dāng)達(dá)到一定取樣比例以后，極差符合率和變異系數(shù)變化率的變化開始減小。本研究取樣比例為10%時，極差符合率為93.46%，當(dāng)取樣比例為15%時，極差符合率急劇升高至96.08%，當(dāng)取樣比例分別為20%、25%、30%，即大于等于20%時，極差符合率分別為96.75%、97.86%、97.91%，三者之間變化不大，符合上述規(guī)律。

鄭福順等根據(jù)牛玉等、Hu等、鄧學(xué)斌等核心種質(zhì)構(gòu)建策略中篩選的最佳方法，確定歐氏距離、10%的抽樣比例、3種抽樣方法和類平均法成功構(gòu)建出2個核心種質(zhì)。然而在對核心種質(zhì)的構(gòu)建策略進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，劉子記等、牛玉等和賀滉等都是固定抽樣比例后，先對遺傳距離進(jìn)行比較，篩選出最佳的遺傳距離后，對系統(tǒng)聚類法進(jìn)行比較，篩選出最佳的系統(tǒng)聚類法后，再對抽樣方法比較，篩選出最佳的抽樣方法，單因素篩選最佳方法，缺少了不同因素組合條件下的對比，無法準(zhǔn)確地比較出不同條件之間組合后構(gòu)建核心種質(zhì)的優(yōu)劣。為探求構(gòu)建種質(zhì)資源核心種質(zhì)的最佳策略，本研究旨在對構(gòu)建策略中的4個因素進(jìn)行組合試驗。常見的8個系統(tǒng)聚類法和5個常用的抽樣比例(10%、15%、20%、25%和30%)，若直接設(shè)置組合后數(shù)據(jù)量太大。因此，本研究依次對8個系統(tǒng)聚類法和5個抽樣比例分別進(jìn)行對比與排序，在此基礎(chǔ)上再對2個遺傳距離、排名前二的抽樣比例、3個抽樣方法和排名前二的系統(tǒng)聚類法進(jìn)行完全組合試驗，共構(gòu)建24個核心種質(zhì)，與原種質(zhì)群體對比后，明確C12為最優(yōu)核心種質(zhì)，即遺傳距離為馬氏距離，抽樣比例為15%，抽樣方法為偏離度取樣法，系統(tǒng)聚類法為離差平方和法。鄭福順等以與本研究相同的試驗材料，不同構(gòu)建策略構(gòu)建的2個核心種質(zhì)雖成功構(gòu)建了寧夏地區(qū)番茄種質(zhì)資源核心種質(zhì)，但R1僅有2個性狀的方差與原群體存在顯著或極顯著差異，D1有8個性狀的方差與原群體存在顯著或極顯著差異，R1、D1的變異系數(shù)絕大多數(shù)高于原群體；而本研究中C12共有15個性狀的方差與原群體存在顯著性差異，其中9個性狀的方差與原群體呈極顯著性差異，表明本研究篩選的最佳方法構(gòu)建的核心種質(zhì)更具有原群體的代表性。本研究的組合試驗增大了可比性，同時也增大了覆蓋度，組合結(jié)果更有說服力。最終確定的最佳方法不僅能最大限度的保留原群體的遺傳信息，而且還具有良好的異質(zhì)性。但是單一的表型數(shù)據(jù)尚不能完全說明問題，因此，本研究下一步將結(jié)合SNP分子標(biāo)記技術(shù)，基于基因型數(shù)據(jù)進(jìn)行核心種質(zhì)構(gòu)建的策略研究，以期更加準(zhǔn)確地保證核心種質(zhì)的代表性，為后續(xù)工作奠定基礎(chǔ)，為寧夏地區(qū)番茄種質(zhì)資源相關(guān)研究提供理論依據(jù)。