新疆118個棗品種表型性狀比較分析

賈平平,靳 娟,阿布都卡尤木·阿依麥提,郝 慶,王冠玉,3,張雁飛,3,牛建新,楊 磊

(1.石河子大學 農(nóng)學院,特色果蔬栽培生理與種質資源利用兵團重點實驗室,新疆石河子 832003;2.新疆農(nóng)業(yè)科學院 園藝作物研究所,農(nóng)業(yè)部新疆地區(qū)果樹科學觀測實驗站,烏魯木齊 830091;3.新疆農(nóng)業(yè)大學 園藝學院,烏魯木齊 830052)

棗(ZiziphusjujubaMill.)原產(chǎn)于中國,是中國特有的果樹品種,栽培歷史悠久,在古代與桃、李、杏、栗并稱為“五果”[1]。中國是世界上棗的主產(chǎn)區(qū),此外韓國進行了小規(guī)模栽培,其他國家均以種質資源的形式保存[2]。棗果實酸甜可口營養(yǎng)豐富,擁有良好的保健作用[3],經(jīng)濟用途廣泛,即可入藥亦可制干或鮮食,是水果中的“冠中之王”,被譽為“活藥丸”[4]。同時,棗樹具有很強的適應性和抗逆能力,能夠在山區(qū)、平原乃至荒灘正常生長;同時,早果速豐、管理措施簡單集中讓棗樹兼顧了改善生態(tài)環(huán)境和農(nóng)民經(jīng)濟收入的重任[5]。

由于高等植物的復雜性導致表型性狀在不同環(huán)境條件下既保持一定的穩(wěn)定性又為快速適應環(huán)境變化擁有一定的變異性,表型性狀是環(huán)境多樣性與遺傳多樣性共同作用的結果,表型變異是環(huán)境變化作用于基因的外在表現(xiàn)[6-7]。雖然表型性狀易受外部環(huán)境的影響,導致個體與個體種質間差異較大,但是通過大樣本的調查依然能體現(xiàn)其遺傳變異的整體特征及方向[8],表型性狀的離散程度越大,則種質資源的變異系數(shù)越大,合理利用種質變異是品種創(chuàng)新的重要途徑。目前國內外學者已經(jīng)在大量作物上運用了表型性狀的研究方法,例如東北杏[9]、觀賞桃[10]、新疆地區(qū)梨種質資源[11]、西伯利亞杏種質資源[12]、核桃[13]、山核桃等[14]。

新疆因其獨特的地理環(huán)境,光熱資源豐富、降水稀少、土地廣袤,不僅適合棗的集約化生產(chǎn),還有利于高品質棗的形成[15]。本研究以118份棗種質資源為樣本,通過對葉、花、枝、棗吊表型性狀的分析,探究表型遺傳的多樣性,了解物種的穩(wěn)定性和進化潛能,對現(xiàn)有棗種質資源特性進行挖掘,為品種創(chuàng)新、棗種質資源的系統(tǒng)評價和種質保護提供數(shù)據(jù)支撐;提高育種效率,為今后核心種質的篩選提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

以新疆農(nóng)業(yè)科學院園藝作物研究所葉城縣果樹試驗基地資源圃保存的118個棗品種為觀測對象(表1)。葉城縣地處昆侖山北麓,緊連塔克拉瑪干沙漠,干旱荒漠型氣候,為喀什地區(qū)最南端的縣。資源圃株行距為2 m×3 m,所有樣本材料均為砧木一致的嫁接成年樹,樹勢中庸,樹體健壯,試驗地管理一致。

表1 棗種質資源品種名稱Table 1 Name of germplasm resources of Jujube

1.2 方 法

參照國家農(nóng)作物種質資源平臺出版的《棗種質資源描述規(guī)范》相關標準(以下簡稱為標準),并結合參考文獻和樣本實際情況進行觀察測量。

棗頭性狀:在棗頭停止生長后,每個品種選取3棵樣本樹,調查棗頭節(jié)數(shù),使用游標卡尺測量樣本樹上著生的5個比較健壯的棗頭節(jié)間長度。

二次枝性狀:選取樣本樹上棗頭4～8節(jié)處生長健壯的二次枝,使用直尺、游標卡尺和量角器分別測量二次枝長度、節(jié)間長度、二次枝開張角度,調查二次枝節(jié)數(shù)。

花序數(shù)、花序花朵數(shù)、棗吊葉片數(shù):每個品種選擇3株生長一致、樹勢強壯的樣本樹,同時選擇花朵生長良好、沒有病害侵染的棗吊5個,盛花期時調查花序數(shù)、花序花朵數(shù)、棗吊葉片數(shù),用游標卡尺測量花直徑,卷尺測量棗吊長度。

葉片性狀調查:葉片描述型性狀的調查參照標準和董玉慧[16]的分類方法,葉片數(shù)量性狀的測定使用ImageJ-win64版本自定標尺進行測量。

吊果比:在果實脆熟期時每個品種隨機選取30個棗吊,統(tǒng)計果實數(shù)量,計算吊果比=棗吊數(shù)/果實數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

對118個棗品種的表型性狀進行觀察測定,用Excel 2020計算各品種數(shù)量性狀的變異程度、Simpson指數(shù)及Shannon-wiener指數(shù),用SPSS 26.0統(tǒng)計軟件進行主成分分析、聚類分析,用R語言進行相關性分析并制作熱圖。

2 結果與分析

2.1 變異分析

如表2所示,棗種質資源的表型性狀都有不同程度的變異,變異系數(shù)為7.94%～63.34%,平均20.60%。吊果比的變異與棗吊和花的變異密切相關,同時又受不同品種坐果能力的影響,因此其變幅最大,為63.34%,變幅為0.05～1.157每吊/果實數(shù);葉綠素含量變異系數(shù)最小,僅為 7.94%,變幅為33.37～51.23 SPAD。棗吊數(shù)量性狀變異差異不明顯,花各項性狀的變異差異明顯,其中花序花朵數(shù)變異最大,為46.33%,變幅為1.5～30.6每花序/花朵數(shù);花序數(shù)變異系數(shù)為13.45%,花直徑為8.59%。葉片數(shù)量性狀的變異表現(xiàn)為葉面積42.31%、葉片橫徑18.13%、葉片縱徑23.62%、葉型指數(shù)11.72%。枝條中二次枝節(jié)數(shù)變異大于棗頭節(jié)數(shù)變異,二次枝節(jié)間長度的變異小于棗頭枝節(jié)間長度的變異。各器官的平均變異大小為花 23.01%、葉片20.75%、棗頭17.04%、棗吊 13.38%、二次枝13.31%。

表2 棗種質資源表型性狀變異分析Table 2 Variation analysis of phenotypic characters of planting resources of jujube

2.2 葉片描述型性狀多樣性分析

由表3可知,葉片顏色主要集中在深綠區(qū),85個品種占72.1%,“光亮”葉片居多,92個品種占77.9%,“平展”葉片95個品種占80.5%。葉片形狀以“橢圓形”居多,其次是“卵圓”和“卵狀披針形”。葉尖形狀以“急尖”為主,葉基以“圓形”為主,葉緣以“鈍鋸齒”為主。Shannon-wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)是衡量種質資源遺傳多樣性的重要指標,值越大則遺傳多樣性越豐富。由表4可知,葉片的7個描述型性狀中Shannon-wiener指數(shù)為0.76～1.70,其中葉片狀態(tài)的多樣性最低,為0.76;葉基性狀的多樣性最高,為1.70。Simpson指數(shù)為0.32～0.61,大小與Shannon-wiener指數(shù)排列一致,表現(xiàn)為葉基形狀>葉尖形狀>葉片形狀>葉緣形狀>葉片光澤>葉片顏色>葉片狀態(tài)。

表3 葉片描述型性狀多樣性Table 3 Diversity of leaf quality traits

表4 棗種質資源葉表型描述型性狀多樣性指數(shù)Table 4 Diversity index of leaf surface quality traits of Jujube germplasm resources

2.3 相關性分析

如圖1所示,通過葉片與其他營養(yǎng)器官相關性分析中得出極顯著性相關關系20對,其中16對極顯著性正相關和4對極顯著性負相關;顯著性相關關系5對,其中3對顯著性正相關和2對顯著性負相關。葉片寬與葉面積的相關性大于葉片長與葉面積的相關性,其相關性系數(shù)為0.94**> 0.90**,很好地解釋了二次枝節(jié)間長度與葉片寬、葉面積呈極顯著性正相關,與葉片長呈顯著性正相關,說明二次枝節(jié)間長度的生長需要較大的光合面積和較多的養(yǎng)分支持。棗頭節(jié)間長度與葉片寬和葉面積呈顯著性正相關,與棗頭節(jié)數(shù)呈極顯著性正相關,這與二次枝節(jié)間長度的相關性完全不同。二次枝開張角度與葉型指數(shù)及二次枝節(jié)數(shù)呈極顯著性負相關,說明開張角度越大葉片長度越長,寬度越窄,果樹內膛空間更大,同時,二次枝節(jié)數(shù)越多,開張角度越小,因二次枝生長方向趨于水平,節(jié)數(shù)越多則對二次枝與主干連接處的壓力越大,過大的開張角度容易造成連接處的斷裂,因此呈極顯著性負相關。

A.葉片長; B.葉片寬; C.葉面積; D.葉型指數(shù); E.葉綠素含量; F.棗頭節(jié)數(shù); G.棗頭節(jié)間長; H.二次枝長度; I.二次枝節(jié)數(shù); J.二次枝節(jié)間長度; K.二次枝開張角度A.Leaf length; B.Leaf width; C.Leaf area; D.Leaf shape index; E.chlorophyll content; F.Number of extension shoot; G.Length of extension shoot internode; H.Length between secondary branches; I.Number of shoot; J.Length of shoot; K.Degree of shoot圖1 葉片與營養(yǎng)器官相關性分析Fig.1 Correlation analysis between leaf and vegetative growth

葉片與生殖器官的相關性分析如圖2所示,共得到極顯著性相關關系21對,其中極顯著性正相關16對,極顯著性負相關5對;顯著性相關關系12對,顯著性正相關5對,顯著性負相關7對?；ㄖ睆脚c葉片寬、葉面積呈極顯著性正相關,說明植物的光合面積與花直徑大小有著強相關關系,光合產(chǎn)物越多則花生長狀況越良好?；ㄐ驍?shù)與棗吊長度及棗吊葉片數(shù)呈極顯著性正相關,與葉片寬和葉面積呈負相關,棗吊長度越長則花序可著生位置越多,葉片數(shù)量越多越能提供充足的光合產(chǎn)物,有利于花序的生長,但葉片的生長與花序的生長在部分時空重合,對養(yǎng)分存在競爭關系,因此與葉片寬和葉面積呈負相關關系。花序花朵數(shù)與棗吊葉片數(shù)呈極顯著性負相關,說明棗吊生長過程中,花朵的形成和葉片的生長時期相近,養(yǎng)分競爭更加激烈。

A.葉片長; B.葉片寬; C.葉面積; D.葉型指數(shù); E.葉綠素含量; F.棗吊長度; G.棗吊葉片數(shù); H.花序數(shù); I.花序花朵數(shù); J.花直徑;K.吊果比A.Leaf length; B.Leaf width; C.Leaf area; D.Leaf shape index; E.Chlorophyll content; F.Length of bearing; G.Number of leaf on shoot; H.Inflorescence number; I.Inflorescence flower number; J.Flower diameter; K.Fruit to shoot圖2 葉片與生殖器官相關性分析Fig.2 Correlation analysis between leaves and reproductive organs

2.4 主成分分析

如表5所示,前6個主成分特征值均大于1,累計貢獻率為75.64%,表明前6個主成分能描述118個棗品種的大部分信息。第一主成分主要反映葉片長、寬、葉面積等與葉片大小相關的性狀,特征向量絕對值分別是0.88、0.829和 0.697;第二主成分主要反映花序數(shù)、棗吊長度、棗吊葉片數(shù)等性狀,其特征向量絕對值分別為 0.716、0.714、0.711;第三主成分反映二次枝和花序花朵數(shù)等性狀,包括二次枝長節(jié)間度、二次枝節(jié)數(shù)、二次枝開張角度,特征向量絕對值分別為 0.707、 0.681、0.525、0.654;第四、五、六的主成分主要代表二次枝節(jié)數(shù)、二次枝節(jié)間長度、棗頭節(jié)數(shù)的特征,特征向量絕對值分別為0.44、0.533、 0.666。

表5 棗種質資源數(shù)量性狀主成分特征值、貢獻率和累計貢獻率分析Table 5 Analysis of principal component eigenvalue, contribution rate and accumulative contribution rate of quantitative traits in Jujube germplasm resources

棗吊葉片數(shù)與花序數(shù)在第一主成分中高度重合,出于節(jié)約時間及成本的目的,在實際操作中可以舍去其中一個性狀。葉片長、寬、葉面積、二次枝長節(jié)間度、棗吊葉片數(shù)、花序花朵數(shù)、花序數(shù)對于棗種質資源的描述能力在17個數(shù)量性狀中較強。葉綠素、棗頭節(jié)數(shù)、棗頭節(jié)間長度、二次枝節(jié)數(shù)、二次枝長度對棗種植資源的描述能力相對較弱。

2.5 聚類分析

由表6和圖3可知,在歐氏距離10處將118個品種聚為6類,第一類品種數(shù)量最多,包含105個品種,其特征是各項指標表現(xiàn)均較為中庸。第二類包含兩個品種,分別是‘喀什小圓棗’和‘庫爾勒小棗’,其特征是棗吊葉片數(shù)、花序數(shù)、棗頭節(jié)數(shù)較多,花直徑和吊果比較小,二次枝長度和節(jié)間長度較短。第三類包含3個品種,分別是‘新鄭大雞心’‘新鄭大馬牙’‘羊奶棗’,其特征是棗吊長度較長、花序花朵數(shù)和二次枝節(jié)數(shù)較少、吊果比較大。第四類包含5 個品種,‘贊皇大棗’‘贊新大棗’‘晉贊大棗’、‘抗裂贊皇’‘蘋果棗’,其特征為花直徑較大、二次枝節(jié)間長度較長,開張角度較大、葉片寬和面積較大。第五類兩個品種,分別是‘遵義甜棗’和‘南京冷棗’,其特征是二次枝長度較長、二次枝節(jié)數(shù)較多、棗頭節(jié)間長度較短、葉綠素含量較低。第六類僅1個品種--‘山東大柿餅’,其特征是花序花朵數(shù)較多、棗頭節(jié)間長度較長、葉片長度較長、棗吊葉片數(shù)較少、花序數(shù)較少。

圖3 基于表型數(shù)據(jù)的聚類分析圖Fig.3 Cluster analysis based on phenotypic data

3 討 論

本研究發(fā)現(xiàn)118個棗品種各數(shù)量性狀均有不同程度的變異,各器官變異大小關系為花表型性狀>葉片表型性狀>棗頭表型性狀>棗吊表型性狀>二次枝表型性狀?；ū硇托誀畹淖儺惔笥跔I養(yǎng)器官的變異,可能是因為棗樹與其他果樹不同,棗花以聚傘形花序著生在棗吊上,棗吊長度對花序數(shù)量和花朵數(shù)量的影響較大,營養(yǎng)供給的水平不同,導致花序數(shù)、花序花朵數(shù)產(chǎn)生較大的變異;同時,該118個品種引自全國不同地區(qū),因長期地里隔離導致遺傳物質的交流較少,加之不同的自然選擇和基因突變導致其自身開花能力差異較大,又因為生境的改變,在引種地出現(xiàn)了不同程度的分化。郁香荷等[17]在中國李資源遺傳多樣性研究中發(fā)現(xiàn)不同國家不同地區(qū)的李種質資源其種內種間變異各不相同;王博等[18]對寧夏5個不同地區(qū)的酸棗表型性狀、生理指標以及果實品質測定后發(fā)現(xiàn)不同地區(qū)酸棗種群各項指標均存在較大差異;陸琦文[19]在對棗實生后代多樣性研究中發(fā)現(xiàn)不同種源地群體數(shù)量性狀差異明顯。葉綠素含量變異幅度較小,這一點與昆明市主要園林植物葉性狀的研究[20]及新疆野蘋果無性系的研究[21]所得出的結論具有相似性。

葉片與枝條有著較大的相關性[22-23],二次枝的節(jié)間長度與葉片的相關性明顯強于二次枝節(jié)數(shù)、二次枝長度和開張角度,其中以葉寬和葉面積對二次枝節(jié)間長度的影響最大,說明光合積累是影響二次枝節(jié)間長度的重要原因,二次枝的總長同時受到節(jié)數(shù)和節(jié)間長度的影響,與葉片各性狀的相關性弱于節(jié)間長度。本研究均以1 a生脫落性棗吊為調查對象,棗吊葉片數(shù)與花序花朵數(shù)呈極顯著性負相關,可能是因為當年生脫落性棗吊自身生長需要耗費大量的養(yǎng)分,樹體能提供的養(yǎng)分數(shù)量有限,花與棗吊葉片的生長在一定時間內重合,兩者會進行養(yǎng)分的競爭,因此呈極顯著性負相關。

主成分分析中得到6個主成分因子,特征值均大于1,累計貢獻率為75.64%。說明該6個主成分因子能夠代表118份棗資源的枝、葉和花表型性狀的大部分信息。各主成分的特征因子不同,對于資源的描述能力大小不一,其中葉片長、寬、葉面積、二次枝長節(jié)間度、棗吊葉片數(shù)、花序花朵數(shù)、花序數(shù)對于棗種質資源的描述能力在17個數(shù)量性狀中較強。林存學等[24]在對東北寒地96個李種質資源表型性狀的分析中得出5個主成分,貢獻率達78.19%,發(fā)現(xiàn)果實縱橫徑、葉片寬等對資源的描述能力較強;李春僑等[25]在對天山櫻桃表型多樣性研究中得出4個主成分,累計貢獻率為76.02%,發(fā)現(xiàn)果實縱橫徑、單果質量、種核質量、種仁質量等對于資源描述起著決定性的作用。聚類分析將118個品種分為7大類,除第七類只有一個品種外其余6類均是多個品種的組合。聚類分析通過數(shù)量性狀標準化判斷遺傳距離和遺傳一致度,確定各種質的親緣關系,結果表明,大部分種質按照種源地、選育關系、種質用途聚為一類,但個別種質沒能完全分開,其原因可能與新疆野蘋果[26]、酸棗[27]研究遇到的問題相似,結合文獻分析本研究各種質未完全分離的原因可能是:(1)不同品種的原始種源地距離遠近不同,基因交流程度不一,高頻率基因交流可能導致無法完全分開;(2)目前品種流動現(xiàn)象比較突出,部分品種或許并非采自種源地,在品種漂流過程中對當?shù)丨h(huán)境發(fā)生了適應性或突變;(3)不同種質集中栽培統(tǒng)一管理,降低了原始差異;(4)數(shù)量性狀測量過程中或許產(chǎn)生了人為誤差。

4 結 論

118個棗品種各數(shù)量性狀的變幅為 7.94%～63.34%,平均變異系數(shù)為20.60%,變異范圍較為寬闊,能夠清晰地體現(xiàn)出不同器官的變異能力,據(jù)此,將不同器官根據(jù)變異系數(shù)的大小排序,具體表現(xiàn)為花表型性狀>葉片表型性狀>棗頭表型性狀>棗吊表型性狀>二次枝表型性狀。棗種質資源葉片的描述型性狀存在極為豐富的多樣性,Simpson和Shannon-wiener指數(shù)平均值分別為0.48和1.16,表明葉片的描述型性狀遺傳多樣性豐富,可以作為資源評價的一項重要指標。相關性分析中發(fā)現(xiàn)17個數(shù)量性狀存在多對極顯著性正相關和極顯著性負相關,且相關性較大,能夠較好反應不同組織器官間的關系。主成分分析得到6個主成分因子,累計貢獻率為75.64%,說明該6個主成分因子可以代表118個品種的大部分信息,綜合相關性分析與主成分分析,葉片長、寬、葉面積、二次枝長節(jié)間度、棗吊葉片數(shù)、花序花朵數(shù)、花序數(shù)對118個棗品種的信息具有較強的描述能力,可以作為資源評價的重要指標。聚類分析中在歐氏距離5處將118個品種分為6大類,同一類別共性明顯,不同類別差異較大,能夠清晰看出各品種遺傳距離的遠近,其中‘山東大柿餅’與群體的遺傳距離最遠;綜上所述,118份棗品種群體內有較大的遺傳距離和明顯的群體分化。