籽瓜種質資源表型性狀鑒定及遺傳多樣性分析

周遠航 魯偉丹 馬小龍 高江龍 樊曉琴 郭建富 陳友強 林 明,* 石書兵

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院,烏魯木齊 830052; 2.新疆農(nóng)業(yè)科學院 瑪納斯農(nóng)業(yè)試驗站,新疆 瑪納斯 832200; 3.新疆農(nóng)業(yè)科學院 經(jīng)濟作物研究所,烏魯木齊 830091)

籽瓜為籽用西瓜(Citrulluslanatusssp.vulgarisvar.megalaspermusLin et Chao)的簡稱,又稱打瓜,屬葫蘆科普通西瓜亞種的一個變種,一年生蔓性植物[1]。籽瓜籽粒中含有豐富的蛋白質、不飽和脂肪酸亞油酸、氨基酸和礦質元素等營養(yǎng)物質,籽瓜瓤中糖與脂肪含量較低,富含維生素,適宜于糖尿病和肥胖癥患者食用,作為休閑食品,具有較高的食用與經(jīng)濟價值[2]。籽瓜適應性廣,全國各地均有種植,主要產(chǎn)區(qū)集中在新疆維吾爾自治區(qū)(新疆)、甘肅省(甘肅)、內(nèi)蒙古自治區(qū)(內(nèi)蒙古)、寧夏回族自治區(qū)(寧夏)與青海省(青海)等地,新疆作為最大產(chǎn)區(qū),近年來種植面積穩(wěn)定在21萬hm2[3]。種質資源的多樣性是籽瓜育種和品種改良的物質基礎,中國雖是世界上籽瓜生產(chǎn)面積及產(chǎn)量最大的國家之一,且具有較長的栽培歷史,但我國籽瓜的遺傳多樣性背景狹窄,種質資源匱乏,育種材料親緣關系接近,導致籽瓜育種材料的拓展及新品種選育進程緩慢等問題日益凸顯[4-5]。籽瓜表型性狀的鑒定具有測定簡便和各品種間差異直觀顯著等特點,是評價其遺傳多樣性最有效的手段之一。籽瓜表型性狀的鑒定對籽瓜種質資源多樣性及特異性基因的挖掘、利用和提高育種工作成效等方面具有重要的現(xiàn)實意義。

作物種質資源的表型性狀多樣性包含了農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量性狀與品質性狀等多種特性,是種質遺傳基因多態(tài)性的總體表達[6]。李鈺婷等[7]以100份西瓜品系為材料,通過對5個莖葉表型性狀進行鑒定與分析,探明了各莖葉表型性狀間的關系。紀海波等[8]對768份西瓜種質資源的11個質量性狀和13個數(shù)量性狀進行表型多樣性研究,分析其變異系數(shù)和多樣性指數(shù),為西瓜種質資源利用及育種提供了參考依據(jù)。林明等[9]利用分子標記技術(ISSR)對籽瓜種質資源進行遺傳多樣性分析,根據(jù)各品種的遺傳相似系數(shù)矩陣,采用非加權組平均法(UPGMA)進行聚類分析,將60份籽瓜材料劃分為6個組群。柳唐鏡等[10]利用隨機擴增多態(tài)DNA(RAPD)標記對不同的紅籽瓜種質資源親緣關系進行了分析研究,明確揭示了供試品種之間的遺傳多樣性差異。

本研究以100份籽瓜種質資源為材料,通過對21個農(nóng)藝性狀進行精準鑒定,旨在分析其表型性狀之間的相關性及遺傳多樣性,并篩選出部分優(yōu)異籽瓜種質資源,以期為籽瓜種質資源的鑒定篩選與高效利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為新疆農(nóng)業(yè)科學院瑪納斯農(nóng)業(yè)試驗站收集保存的100份籽瓜遺傳種質材料。詳見表1。

1.2 試驗設計

試驗于2022年在新疆農(nóng)業(yè)科學院瑪納斯農(nóng)業(yè)試驗站特色農(nóng)作物中試基地進行,試驗地土壤類型為灰漠土,質地為砂壤。試驗采用膜下滴灌栽培模式,每份材料單行種植,行長3.0 m,隨機排列,株行距0.3 m×2.0 m,每穴留單株單果(自交授粉)。試驗過程中水肥栽培管理和病蟲害防治均與外界一般大田生產(chǎn)相同。

1.3 表型性狀指標測定

每份材料選取均勻連續(xù)的3株進行表型性狀指標測定,21個表型性狀包含了7個質量性狀和14個數(shù)量性狀,質量性狀包括子葉形狀、果實形狀、果皮底色、果實覆紋顏色、果皮覆紋形狀、果肉顏色和種皮底色,數(shù)量性狀包括葉片長度、葉片寬度、葉柄長度、葉柄粗度、果實長度、果實寬度、果實重量、果皮厚度、單果有效籽粒數(shù)、單果籽粒重、籽粒長度、籽粒寬度與百粒重等性狀指標。性狀調(diào)查測定方法參照馬雙武[11]《西瓜種質資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》進行。為便于后期的統(tǒng)計分析,對質量性狀予以賦值,具體描述分組見表2。

表2 籽瓜種質資源質量性狀描述分組

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用EXCEL 2021對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計,變異系數(shù)和主成分分析利用SPSS 25.0計算,相關性分析及聚類分析采用R4.21及Origin 2021軟件進行分析處理。多樣性指數(shù)(Shannon indexH′)根據(jù)賦值后的分布頻率計算,H′=-ΣPi×LnPi,其中Pi為調(diào)查性狀的第i種材料類型出現(xiàn)的頻率[12]。

2 結果與分析

2.1 籽瓜質量性狀多樣性分析

對籽瓜種質資源的7個質量性狀進行多樣性分析,統(tǒng)計結果如表3所示。100份籽瓜種質資源中,以子葉形狀卵圓形、果實形狀圓形、果皮底色深綠、果實覆紋顏色墨綠、果皮網(wǎng)條覆紋、果肉淺黃和種皮黑色的材料為主,其分布頻率分別占比59%、78%、37%、74%、39%、60%和56%。7個質量性狀的多樣性指數(shù)介于0.53～1.65,平均值為1.08,多樣性指數(shù)的大小表現(xiàn)為果皮底色>果皮覆紋形狀>果肉顏色>種皮底色>果實覆紋顏色>子葉形狀>果實形狀,其中果皮底色、果皮覆紋形狀、果肉顏色與種皮底色4個質量性狀的多樣性指數(shù)均大于1。

2.2 籽瓜數(shù)量性狀多樣性分析

100份籽瓜種質資源的14個數(shù)量性狀變異系數(shù)介于10.41%～35.56%(表4)。其中,與形態(tài)特征相關的性狀指標的變異系數(shù)較小,葉片長度范圍為10.80～19.50 cm,平均值為14.30 cm;葉片寬度最小值為6.20 cm,最大值為19.20 cm,平均值為12.60 cm;葉柄長度范圍為4.70～18.30 cm,變異系數(shù)為18.96%;葉柄粗度范圍為2.13～4.83 cm,平均值為3.58 cm;果實長度最小值為10.66 cm,最大值為19.10 cm,變異系數(shù)最小為10.41%;果實寬度范圍為10.53～19.15 cm;果皮厚度最小值為1.00 cm,最大值為2.90 cm,平均值為1.75 cm;果實重量范圍為0.74～3.76 kg,變異系數(shù)為28.11%;有效籽粒數(shù)最小值為76,最大值為360,變異系數(shù)最大為35.56%;籽粒長范圍為8.77～20.58 mm,平均值為12.61 mm;籽粒寬最小值為5.24 mm,最大值為12.44 mm;籽粒厚范圍為2.86～4.22 mm,有效籽粒重范圍為11.22～54.10 g,平均值為30.69 g;百粒重最小值為9.09 g,最大值為51.83 g,變異系數(shù)為34.41%;果實重量、有效籽粒數(shù)、有效籽粒重及百粒重數(shù)的變異系數(shù)均>25%(表5),說明有關產(chǎn)量性狀的變異幅度較大,遺傳多樣性較為豐富,開展籽瓜遺傳改良具有較大的潛力。

表4 籽瓜數(shù)量性狀變異系數(shù)

表5 籽瓜數(shù)量性狀多樣性分析

2.3 籽瓜表型性狀相關性分析

對籽瓜14個表型性狀進行相關性分析(圖1),結果顯示,籽瓜葉片長度與葉片寬度存在極顯著正相關關系(P<0.01)。葉柄長度與有效籽粒數(shù)之間呈顯著正相關(P<0.05),與葉柄粗度和有效籽粒重呈極顯著正相關關系(P<0.01)。果實長度及果實寬度與果實重量、果皮厚度、籽粒重均呈極顯著正相關關系(P<0.01),與籽粒長和籽粒寬關系不顯著(P>0.05)。果實重量與果皮厚度、有效籽粒重呈極顯著正相關(P<0.01)。有效籽粒數(shù)與有效籽粒重呈顯著正相關,與籽粒長、籽粒寬、籽粒厚和百粒重之間存在極顯著負相關關系(P<0.01)。籽粒長、籽粒寬、籽粒厚和百粒重之間均存在顯著的正相關關系(P<0.05)。

BLE:葉片長度;WOB:葉片寬度;PLE:葉柄長度;PRO:葉柄粗度;TFL:果實長度;TFB:果實寬度;PTH:果實重量;TFW:果皮厚度;EGN:有效籽粒數(shù);CLE:籽粒長;GWL:籽粒寬;TGH:籽粒厚;EGW:有效籽粒重;HGW:百粒重。下同。 BLE: Blade length; WOB: Width of blade; PLE: Petiole length; PRO: Petiole roughness; TFL: Fruit length; TFB: Fruit width; PTH: Fruit weight; TFW: Pericarp thickness; EGN: Effective grain number; CLE: Grain length; GWL: Grain width; TGH: Grain thickness; EGW: Effective grain weight; HGW: Hundred grain weight. The same below.

2.4 籽瓜種質資源基于表型性狀的聚類分析

由圖2可以看出,以Euclid Distance歐氏距離為遺傳距離,對籽瓜種質資源的21個表型性狀進行聚類分析,可將100份籽瓜種質資源聚為5大類群。第Ⅰ類僅有7這一份材料,具有籽粒長、籽粒寬及百粒重性狀指標顯著高于其他材料的特點。第Ⅱ類群包含84、85、67和55等11份材料,果實形狀呈圓形,果實覆紋為墨綠色、覆紋網(wǎng)條型,葉面積較大。第Ⅲ類群僅含16這一份材料,其果實長度、果實寬度和果實重量均達到5個類群中的最大值,可作為瓜瓤食用型籽瓜的親本材料。第Ⅳ類群包含46、83、82和17等58份材料,在所有種質資源中的占比最高,以小葉型、有效籽粒數(shù)較多和百粒重較低的材料為主。第Ⅴ類群包含15、37、88和51等29份材料,具有單瓜有效籽粒重較大和籽粒產(chǎn)量高的特性,可作為高產(chǎn)籽瓜的優(yōu)質親本。

2.5 籽瓜種質資源表型性狀的主成分分析

對100份籽瓜種質資源的21個表型性狀進行主成分分析(表6),以特征值大于1.0為標準提取前7個主成分[13],其成分累計貢獻率達到了74.185%,涵蓋了21個性狀指標的絕大部分遺傳信息,可作為籽瓜種質資源表型性狀的綜合評價指標。第1主成分特征值為4.491,貢獻率為21.387%,百粒重、籽粒長、籽粒寬與籽粒厚的載荷較高,說明第1主成分反映了與籽粒形態(tài)、產(chǎn)量要素有關的信息。第2主成分特征值為3.657,貢獻率為17.417%,載荷較高的性狀有果實長度、果實寬度、果實重量和果皮厚度,這類性狀主要反映的是籽瓜果實形態(tài)相關信息。第3主成分特征值為1.816,貢獻率為8.647%,最高載荷為葉片長度和葉片寬度。第4主成分與第5主成分的特征值分別達到1.655和1.614,貢獻率為7.882%和7.684%,葉片長度、葉片寬度、葉柄長度和葉柄粗度的載荷較高,此類性狀主要反映籽瓜的葉片和葉柄形態(tài)。第6主成分特征值為1.195,貢獻率為5.691%,果實形狀的載荷最高,其特征向量值達到0.518。第7主成分特征值為1.145,貢獻率為5.451%,子葉形狀的載荷最高,特征向量值為0.528,說明第7主成分反映了籽瓜的子葉形狀信息。

表6 籽瓜種質資源表型性狀主成分分析

2.6 綜合評價

將標準化后的21個表型性狀值X1～X21,帶入7個主成分因子之中,由此可以獲得7個因子的得分公式[14]:

F1=0.194X1-0.143X2+0.008X3- 0.019X4-0.219X5-0.219X6-0.100X7- 0.502X8-0.071X9+0.32X10+0.376X11+ 0.462X12+0.497X13-0.351X14+ 0.663X15-0.491X16+ 0.738X17+0.783X18+0.810X19+ 0.263X20+0.824X21

(1)

F2=-0.036X1+0.209X2+0.163X3+ 0.301X4+0.248X5+0.288X6+0.014X7+ 0.059X8-0.163X9+0.769X10+0.845X11+ 0.793X12+0.528X13+0.118X14+0.062X15+ 0.637X16-0.366X17-0.345X18-0.202X19+ 0.597X20-0.184X21

(2)

F3=-0.151X1-0.458X2+0.769X3+ 0.094X4-0.059X5+0.163X6-0.518X7+ 0.071X8+0.412X9+0.102X10-0.071X11+ 0.006X12-0.108X13+0.272X14-0.168X15- 0.096X16+0.195X17+0.192X18+0.047X19- 0.058X20+0.073X21

(3)

F4=0.057X1+0.704X2-0.465X3+ 0.385X4+0.473X5+0.404X6-0.395X7+ 0.181X8+0.292X9+0.054X11+0.025X12- 0.003X13+0.304X14-0.356X15- 0.096X16+0.264X17+0.236X18+ 0.021X19-0.157X20+0.055X21

(4)

F5=0.249X1+0.145X2+0.137X3+0.595X4+ 0.570X5-0.364X6+0.109X7-0.101X8- 0.199X9-0.222X10-0.159X11- 0.219X12-0.333X13+0.001X14+ 0.017X15+0.268X16+0.025X17+0.103X18+ 0.067X19+0.503X20+0.254X21

(5)

F6=-0.339X1-0.168X2-0.053X3- 0.137X4+0.001X5-0.253X6-0.160X7+ 0.378X8+0.518X9+0.113X10-0.133X11- 0.119X12+0.070X13-0.515X14-0.001X15+ 0.344X16-0.005X17+0.048X18+ 0.069X19+0.293X20+0.062X21

(6)

F7=0.528X1+0.184X2+0.059X3+0.284X4+ 0.082X5+0.075X6+0.399X7-0.043X8+ 0.480X9+0.064X10-0.078X11+0.012X12+ 0.265X13-0.378X14-0.043X15- 0.095X16-0.008X17-0.092X18+ 0.017X19-0.278X20-0.153X21

(7)

根據(jù)F1～F7數(shù)值,并結合7個主成分因子的貢獻率權重,計算100份籽瓜種質資源的綜合得分(F值),F=0.214F1+0.174F2+0.086F3+0.079F4+0.077F5+0.057F6+0.055F7,綜合得分越高種質表現(xiàn)越好。由表7可知,籽瓜種質資源綜合得分范圍為-2.78～2.86。綜合得分排名前3名的依次為12(2A0448)、16(2A1405)和11(2A2054)這3份材料(圖3)。

A1和A2:2A0448材料;B1和B2:2A1405材料;C1和C2:2A2054材料。 A1 and A2: 2A0448 material; B1 and B2: 2A1405 material; C1 and C2: 2A2054 material.

3 討 論

遺傳多樣性是進行遺傳研究的基礎,通過對種質資源進行遺傳多樣性分析可以從整體上把握種質的應用潛力以及利用價值。作物的表型性狀是基因型與環(huán)境互作后呈現(xiàn)出來的最直觀和最易測量的性狀,也是其遺傳變異的重要體現(xiàn)[15-16]。種質資源表型性狀多樣性研究對植物分類、鑒定評價及新種質創(chuàng)制具有重要的意義[17]。本研究對100份籽瓜種質資源的21個表型性狀進行遺傳多樣性分析,調(diào)查的7個質量性狀多樣性指數(shù)變幅為0.53～1.65,平均遺傳多樣性指數(shù)為1.08;14個數(shù)量性狀的遺傳變異范圍為10.41%～35.56%,平均變異系數(shù)為20.45%。21個表型性狀均顯現(xiàn)出較高的遺傳多樣性指數(shù)與變異系數(shù),說明籽瓜種質資源的同源性較低,遺傳基礎較廣,存在豐富的遺傳多樣變異性[18]。

袁平麗等[19]針對籽瓜植物學性狀的比較分析也得出了類似結論,其原因可能是籽瓜表型性狀遺傳多樣性受種質資源類型和原產(chǎn)地地理條件等因素的影響較大。本研究供試籽瓜材料來源廣泛且生態(tài)類型豐富,可以為籽瓜品種的改良創(chuàng)制提供較好的基礎材料。

通過表型性狀間的相關性分析,明確各性狀間的關系,可以為種質改良創(chuàng)制過程中的人工選擇提供參考[20-21]。對籽瓜種質資源的數(shù)量性狀進行相關性分析后發(fā)現(xiàn),葉柄長度、果實長度、果實寬度、果實重量、果皮厚度、有效籽粒數(shù)均與單瓜有效籽粒重呈顯著或極顯著正相關,說明籽瓜產(chǎn)量性狀與上述表型性狀間緊密相連?？茖W合理的表型性狀選擇,有助于提高高產(chǎn)籽瓜選育效率,本研究的部分結果與徐小利等[22]的研究一致。

主成分分析可以在不損失原有基礎信息的條件下,利用降維方法將數(shù)個存在相關關系的性狀指標轉化為幾個能有效反映群體性狀指標主要信息的綜合指標,目的是簡化數(shù)據(jù)結構,準確了解各性狀的綜合表現(xiàn),常用于農(nóng)作物優(yōu)良性狀的選擇及綜合性評價中[23-24]。對籽瓜種質資源的21個表型性狀進行主成分分析,提取出7個特征值大于1的主成分,其累計貢獻率達到74.158%,歸納出的籽瓜籽粒形態(tài)因子、產(chǎn)量要素因子、果實形態(tài)因子、葉片及葉柄形態(tài)因子,可有效包含表型性狀的大部分信息。采用聚類分析的方法,依據(jù)遺傳距離的不同,可以將100份籽瓜種質資源劃分為5大類群,并篩選出具有顯著特異性狀的7和16這2份資源材料。石磊等[25]通過主成分分析與聚類分析的方法,發(fā)現(xiàn)來自相同源地的籽瓜種質資源親緣關系不一定接近,而部分來自不同源地的籽瓜種質資源遺傳相似性卻很高,這與本研究聚類分析結果一致,可能是由于各產(chǎn)區(qū)間籽瓜相互引種交流造成。根據(jù)聚類分析結果中各群體組成結構及其性狀特點,可為今后籽瓜選育過程中不同需求的親本選擇提供參考。

4 結 論

籽瓜種質資源具有豐富的遺傳多樣性,各表型性狀間相連緊密,具有不同程度的正負相關性,不同種質間遺傳變異及多樣性基因表現(xiàn)型不同,各類群之間差異顯著。本研究通過對 100份籽瓜種質資源進行表型性狀的鑒定及遺傳多樣性分析,利用主成分分析因子得分系數(shù)矩陣與權重綜合評價,篩選出 2A0448、2A1405和2A2054這3份優(yōu)異籽瓜資源材料,對于深度挖掘籽瓜優(yōu)異種質應用潛力,提升種質資源研究的廣度、深度以及種質創(chuàng)新、遺傳育種等方面具有積極的作用。