195份馬鈴薯種質資源表型性狀綜合評價

徐 曉 楊夢穎 滿全財 李 偉 蘇潤東 王莉莉張振清 崔江慧，*

（1河北農業(yè)大學，河北 保定 071000；2圍場滿族蒙古族自治縣馬鈴薯產業(yè)服務中心，河北 承德 068450）

馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）是世界四大糧食作物之一［1-2］，其塊莖富含維生素、礦質元素等［3-4］。因其具有耐寒［5］、耐貧瘠［6］等特性，廣泛種植于非洲、亞洲和歐洲等地區(qū)。我國馬鈴薯種質資源收集工作始于1934 年［7］，至今已保存了5 000 余份馬鈴薯種質資源，包括育成品種、地方品種等［8］。長期的人為定向選擇導致我國馬鈴薯生產上所用親本來源有限［9］，遺傳背景較狹窄［10］，遺傳多樣性下降，很大程度限制了我國馬鈴薯育種工作的開展。因此，開展馬鈴薯種質資源遺傳多樣性相關研究，對現(xiàn)有馬鈴薯種質資源有效利用，拓寬遺傳基礎、品種改良等具有重要意義。

近些年，諸多學者主要利用形態(tài)學（表型性狀）和分子標記對馬鈴薯種質資源進行遺傳多樣性分析。如余斌等［11］對119 份引進馬鈴薯種質資源的10 個表型性狀進行了遺傳多樣性分析，結果表明單株產量和生育期性狀具有豐富的遺傳變異和多樣性，并篩選出5 份抗旱種質。Sonia 等［12］基于9 個描述型性狀和7 個品質性狀將44 份安第斯馬鈴薯種質劃分為4 大類，其中第二類群營養(yǎng)價值較高，第三類群抗氧化活性最高。Gadissa 等［13］對174 份馬鈴薯種質的28 個表型性狀進行多樣性研究，表明大多數數量性狀群體間變異顯著，基因型×環(huán)境互作不顯著。Wang 等［14］利用30 對SSR引物對292 份馬鈴薯地方品種進行遺傳多樣性分析，結果表明種群間PIC 和遺傳多樣性差異顯著。Duan等［15］利用11 個SSR 分子標記對217 份中國馬鈴薯品種進行遺傳多樣性分析，發(fā)現(xiàn)中國馬鈴薯遺傳基礎狹窄，并構建了指紋圖譜。

目前，國內外關于馬鈴薯種質資源遺傳多樣性的研究較多，而針對馬鈴薯種質資源綜合評價的研究仍相對較少。因此，本研究以冀西北地區(qū)連續(xù)2 年的試驗數據為基礎，利用22 個表型性狀對195 份馬鈴薯種質資源進行遺傳多樣性分析，通過將隸屬函數法和主成分分析相結合計算各種質的綜合得分C值，以期篩選出優(yōu)異馬鈴薯種質，為冀西北地區(qū)馬鈴薯種質資源創(chuàng)新、充分利用及新品種選育提供一定的理論依據和材料基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以冀西北地區(qū)收集的195 份馬鈴薯種質為試驗材料（電子附表1），其中95 份種質引進于國外，包括1 份德國種質、8份俄羅斯種質、3份法國種質、77份荷蘭種質、1份加拿大種質、2份美國種質和3份日本種質。上述種質資源材料由圍場滿族蒙古族自治縣馬鈴薯研究所提供。為便于統(tǒng)計分析，文中各種質以數字1～195為編號進行描述。

電子附表1 195份馬鈴薯種質資源的基本信息Electronic Table S1 Basic information on 195 potato germplasms

（續(xù)）

1.2 試驗設計

試驗于2021—2022年連續(xù)2年在河北省承德市圍場縣（41°55′32″ N，117°27′53″ E，海拔1 276 m，年平均氣溫5.3 ℃，年降水量為588.8 mm，無霜期139 d，半干旱大陸性山地季風氣候）進行。采用增廣隨機區(qū)組設計，將所有材料分為8 個區(qū)組，每個區(qū)組種植25 個材料，每個材料種30株，單壟3行，每行10株，株距20 cm，行距90 cm，每個小區(qū)間隔1 m 為走廊，設3 次重復，四周設保護行。常規(guī)田間管理。

1.3 表型性狀調查與測定

每個品種隨機選取5 株生長狀況一致的材料，參照《NY/T 2179-2012農作物優(yōu)異種質資源評價規(guī)范 馬鈴薯》［16］將22個表型性狀指標劃分為描述型和數值型性狀。其中用描述數值整數賦值的性狀定義為描述型性狀，包括株型、分枝數量、莖色、葉色、葉緣、花冠形狀、花冠顏色、薯形、皮色、肉色、芽眼深淺、芽眼多少、薯皮光滑度、結薯集中性、塊莖整齊度和塊莖大小，并通過賦值法進行分級（表1），分級標準參照《GB/T 19557.28-2018 植物品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測試指南 馬鈴薯》［17］。用測定數值直接描述的性狀定義為數值型性狀，包括株高、主莖數、莖粗、單株結薯數、平均單薯重和塊莖產量。

表1 16個描述型性狀頻率分布與多樣性指數分析Table 1 Frequency distribution and diversity index analysis of descriptive traits in potato

1.4 數據處理與分析

運用Excel 2019 軟件對參試種質的表型性狀數據進行統(tǒng)計分析，包括分布頻率、變異系數等。利用Shannon-Weaver 多樣性指數（H′）來評價遺傳多樣性，性狀具體分級方法參照文獻［18］。利用R 3.6.0 軟件進行頻次分布圖繪制、相關性分析、主成分分析和聚類分析；采用SPSS 22.0 軟件計算偏度、峰度及單樣本Kolmogorov-Smirnov 檢驗（K-S 檢驗）、F檢驗。計算公式如下：

Shannon-Weaver′s多樣性指數（H′）：

式中，Pi表示某性狀第i級別內材料份數占總份數的百分比。

隸屬函數值：

式中，Xi為第i個綜合指標，Xmin為第i個綜合指標的最小值，Xmax為第i個綜合指標的最大值。

綜合指標權重：

式中，Wi為第i個綜合指標在所有綜合指標中的權重，Ri代表第i個主成分因子的貢獻率。

綜合指標優(yōu)劣：

式中，C為綜合指標評價值。

2 結果與分析

2.1 表型性狀的遺傳多樣性

2.1.1 描述型性狀 就描述型性狀頻率分布而言（表1），株型以半直立為主，占參試種質的0.543 6；分枝類型以多為主，占0.559 0；莖色和葉色均以綠為主，分別占0.589 7 和0.451 3；葉緣以微波狀為主，占0.461 5；花冠形狀以近五邊形為主，占0.497 4；花冠顏色以白為主，占0.517 9；薯形以橢圓形為主，占0.297 4；薯皮色主要為乳白色，占0.312 8；薯肉色以白為主，占0.379 5；芽眼數量以多為主，占0.543 6；薯皮光滑度以光滑為主，占0.630 8；結薯集中性主要為集中，占0.559 0；塊莖整齊度和塊莖大小主要為中，占0.692 3。多樣性分析表明，遺傳多樣性指數在0.69～1.73 之間，平均為1.03，株型、芽眼深淺、塊莖整齊度、葉緣、肉色、皮色和薯形的遺傳多樣性指數高于1.00。

2.1.2 數值型性狀 將參試種質的6 個數值型性狀進行頻次分布直方圖繪制（圖1），各數值型性狀分布頻次呈中間高兩邊低的分布趨勢。 單樣本Kolmogorov-Smirnov 檢驗分析結果表明，株高和莖粗在2 年間呈正態(tài)分布（P＞0.05）（圖1）。除塊莖產量外，其余性狀在2年間均呈顯著或極顯著差異（表2）。

圖1 參試種質6個數值型性狀的頻率分布Fig.1 Frequency distribution of 6 numerical traits of 195 potato germplasms

表2 參試種質6個數值型性狀的基本參數及多樣性Table 2 Frequency distribution and diversity index analysis of 6 numerical traits in potato germplasms

由表2 可知，各數值型性狀存在不同程度的變異，產量相關的數值型性狀（單株結薯數、平均單薯重、塊莖產量）變異系數均高于30.00%，說明其變異程度較高，遺傳穩(wěn)定性較差。6 個數值型性狀的多樣性指數變幅為1.89～2.07，平均為2.01。其中，株高的遺傳多樣性指數最高（H′=2.07），主莖數的遺傳多樣性指數最?。℉′=1.89）。綜上，數值型性狀中株高具有豐富的多樣性，主莖數的多樣性程度較低。

2.2 參試種質表型性狀的綜合評價

2.2.1 相關性分析 相關性分析結果表明，22 個表型性狀間存在不同程度的相關性（圖2）。結果表明，株高、主莖數、莖粗兩兩指標間呈極顯著正相關，說明馬鈴薯營養(yǎng)生長的各指標之間相互協(xié)同；塊莖產量與分枝類型、塊莖整齊度、塊莖大小、株高、主莖數、莖粗、單株結薯數、平均單薯重均呈顯著或極顯著正相關，且與單株結薯數、平均單薯重的相關系數較高（r＞0.56），說明選育高產品種更應注意這2 個性狀；芽眼深淺與芽眼類型呈極顯著正相關；株高、主莖數與株型、莖色呈顯著或極顯著正相關；分枝類型與莖粗、單株結薯數、平均單薯重呈極顯著正相關，與薯肉色呈顯著負相關；薯皮光滑度與莖色、花冠顏色、薯形呈顯著或極顯著負相關；薯皮色與莖色、葉色、花冠顏色、薯形呈極顯著正相關。

圖2 參試種質22個表型性狀相關性分析Fig.2 The correlation analysis of 22 phenotypic traits of 195 potato germplasms

2.2.2 主成分分析 由于表型性狀間存在不同程度的相關性，若直接依據該信息對參試種質進行評價將影響其真實性。為了消除這類不利因素的影響，利用主成分分析法對參試種質進行綜合評價。以特征值大于1.0 為主成分篩選依據，共提取前9 個主成分，累積貢獻率為65.669%，可較好地概括參試種質22 個表型性狀的大部分信息（表3）。

第1 主成分貢獻率為14.037%，塊莖產量的特征向量較大；第2 主成分貢獻率為10.197%，花冠顏色、莖色和薯皮色的特征向量較大；第3 主成分貢獻率為7.250%，芽眼多少的特征向量較大；第4 主成分貢獻率為7.035%，塊莖大小、平均單薯重（絕對值）的特征向量較大；第5 主成分貢獻率為6.129%，結薯集中性的特征向量較大；第6 主成分貢獻率為5.891%，花冠形狀和芽眼深淺的特征向量較大；第7 主成分貢獻率為5.423%，薯肉色、芽眼深淺和花冠形狀（特征值）的特征向量較大；第8 主成分貢獻率為5.000%，塊莖整齊度和薯皮光滑度的特征向量較大；第9 主成分貢獻率為4.706%，葉緣（特征值）的特征向量較大。

2.2.3 表型性狀綜合評價 將195 份馬鈴薯種質資源的22 個表型性狀值標準化處理，代入上述9 個主成分中，求得各種質的9 個主成分得分，根據公式（2）將9 個主成分得分歸一化處理，利用公式（3）求得主成分權重系數（0.214、0.155、0.110、0.107、0.093、0.090、0.083、0.076、0.072），最后結合公式（4）得出每份種質的綜合得分（C值），進而對195份馬鈴薯種質資源進行綜合評價（電子附表1）。195 份馬鈴薯種質C值平均為0.475，其中來自中國的S-3 的C值最高（0.700），WY82 的C值最低（0.326）。C值越高，綜合表型性狀表現(xiàn)越佳。說明S-3的綜合性狀表現(xiàn)最佳，WY82的綜合性狀表現(xiàn)最差。

相關性分析結果如表4 所示，C值與16 個表型性狀呈顯著或極顯著相關性，其中與莖色、花冠顏色、薯皮色呈顯著中度正相關（0.50＜r＜0.80），與葉色、芽眼多少、塊莖整齊度、株高、莖粗、單株結薯數呈極顯著低度正相關（0.30＜r≤0.50），與株型、分枝類型、薯形、薯肉色、芽眼深淺、塊莖大小、塊莖產量呈顯著或極顯著弱相關（0.00＜r≤0.30）。

2.2.4 聚類分析 將195 份馬鈴薯種質資源的主成分得分采用離差平方和方法進行聚類分析，在遺傳距離為0.55 時，劃分為4 個類群（圖3）。對比進行了統(tǒng)計分析，結果如圖4所示。

圖3 195份馬鈴薯種質資源基于C值的聚類分析Fig.3 Cluster analysis of 195 potato germplasms based on C value

圖4 不同類群描述型頻率分布、數值型性狀與綜合得分均值Fig.4 Descriptive frequency distributions， numerical trait means， and comprehensive score means for different clusters

Ⅰ類群包括59 份種質，特征為株型半直立，分枝多，莖局部有色，綠或深綠葉，微波狀葉緣，紫色近五邊形花冠，橢圓形或長筒形薯塊，淺黃或淺紅色薯皮，芽眼淺且少，薯皮光滑，結薯集中，塊莖整齊度中等，塊莖大小中等，各數值型性狀均值高于其余類群。

Ⅱ類群包括60 份種質，特征為株型半直立，分枝少，綠色莖和葉，微波狀或波狀葉緣，白色近五邊形花冠，淺黃或乳白色薯皮，白色薯肉，芽眼淺且少，薯皮光滑，結薯集中或中等，塊莖整齊或中等，塊莖大小中等，主莖數（2.04）和單株結薯數（6.59）最少。

Ⅲ類群包括37份種質，特征為株型半直立，分枝多，綠色莖，綠或深綠葉，微波狀葉緣，白色星形花冠，扁圓形薯塊，乳白色薯皮，白色薯肉，芽眼淺且少，薯皮光滑度中等，結薯集中或中等，塊莖整齊度中等，塊莖大小中等，各數值型性狀均值在4個類群里均處于中間位置。

Ⅳ類群包括39 份種質，特征為株型直立或半直立，分枝少，莖部為綠或局部有色，深綠葉，微波狀或波狀葉緣，星形或近五邊形花冠，紫色花冠，橢圓形薯塊，白或奶油色薯肉，芽眼淺，薯皮光滑，結薯集中或中等，塊莖整齊度中等，塊莖小或中等，株高（39.69 cm）最矮，莖粗（9.90 mm）最細，平均單薯重（87.31 g）和塊莖產量（33.98 t·hm-2）。

2.3 優(yōu)異種質篩選

以塊莖產量變異系數（coefficient of variation，YCV）為橫坐標，塊莖產量（tuber yield， TY）為縱坐標，YCV=5.83、TY=47.75 為原點建立品種穩(wěn)定性象限圖（圖5-A）。位于第Ⅰ象限的種質共22 份，特征為高產而不穩(wěn)產；位于第Ⅱ象限的種質共72 份，特征為高產且穩(wěn)產；位于第Ⅲ象限的種質共41 份，特征為低產且穩(wěn)產；位于第Ⅳ象限的種質共60 份，特征為低產且不穩(wěn)產。基于以上分析結果，共篩選出豐產性和穩(wěn)產性相對較高的72 份種質，所選種質產量相關性狀的變異系數明顯低于其余123 份品種（圖5-A）。此外，參照團體標準《T-NMSP. MZB01.3-2019“蒙字標”農產品認證要求 烏蘭察布馬鈴薯 鮮食型》［19］將薯形規(guī)則、薯皮光滑、芽眼淺、薯肉黃色或淺黃色作為篩選鮮食馬鈴薯的生物學指標，從195 份馬鈴薯種質資源中篩選出25份符合上述生物學指標的種質。

圖5 基于聚類分析、種質高產穩(wěn)定性和鮮食馬鈴薯生物學指標的優(yōu)異種質篩選Fig.5 Superior germplasm screening based on high yield stability of varieties and biological indicators of fresh potato

根據環(huán)境適應性，高產穩(wěn)定性及鮮食馬鈴薯生物學指標進行優(yōu)異種質篩選（圖5-B），共得到9 份種質（電子附表2），可作為冀西北地區(qū)鮮食馬鈴薯雜交育種親本或中間材料。

電子附表2 9份優(yōu)異馬鈴薯種質的22個表型性狀數據Electronic Table S2 22 phenotypic trait data of 9 superior potato germplasms

3 討論

3.1 表型性狀遺傳多樣性

表型性狀是植物生長最直觀的表現(xiàn)，是長期自然和人工選擇的結果［20-21］。利用表型性狀對植物的遺傳多樣性進行研究是最直接、簡便的辦法［22-23］。本研究以連續(xù)2 年在冀西北地區(qū)（河北省承德市圍場縣）種植的195 份馬鈴薯種質資源為對象，進行遺傳多樣性分析的結果表明，16 個描述型性狀共有62 個變異類型，遺傳多樣性指數在0.69～1.73，平均為1.03；6 個數值型性狀的遺傳多樣性指數范圍為1.89～2.07，株高的遺傳多樣性指數最高（2.07），主莖數最低（1.89）。各數值型性狀變異系數存在差異，6 個數值型性狀變異系數變幅為15.71%（莖粗）～41.30%（單株結薯數），其中單株結薯數、平均單薯重和塊莖產量的變異系數均高于30.00%，其在參試種質間變異明顯，離散程度較高。此外，本研究發(fā)現(xiàn)描述型性狀的遺傳多樣性程度明顯低于數值型性狀，這與吳承金等［24］的研究結果一致，推測是由于與描述型性狀相比，數值型性狀易受環(huán)境條件、基因型等影響而發(fā)生變異［25-26］，因此變化幅度相對較大。

3.2 表型性狀綜合評價

對22 個表型性狀進行了相關性分析，描述型性狀中，分枝類型、結薯集中性、塊莖整齊度、塊莖大小與塊莖產量存在顯著相關，但相關系數均較低（0.00＜r≤0.30），實際應用意義有待實踐驗證。數值型性狀中，平均單薯重與塊莖產量的相關系數最高（r=0.563），其次為單株結薯數與塊莖產量的相關系數（r=0.561）；大多數數值型性狀間均呈極顯著相關，這與王海崗等［27］的研究結果一致，說明表型性狀間關聯(lián)性較為緊密，如果直接依據這些信息對參試種質進行評價會影響其真實性。主成分分析可以將大量的表型性狀指標整合壓縮成少量的反映較多信息的綜合指標［28-29］，主成分分析將195 份馬鈴薯種質資源的22 個表型性狀簡化成9 個主要成分，累積貢獻率為65.67 %，較好地概括了參試種質表型性狀的大部分信息。

種質資源是作物優(yōu)良基因的載體，對其表型性狀進行研究，對進一步挖掘優(yōu)異基因、遺傳育種等研究具有重要意義［30］。本研究通過隸屬函數法和主成分分析相結合的方法對馬鈴薯種質資源進行綜合評價，該方法可靠性和可行性較高，已在甘薯［31］、木薯［32］等研究中廣泛應用。參試種質中，我國種質S-3 的C值最高（0.700），綜合表現(xiàn)最好，主要表現(xiàn)為株高43.10 cm，主莖數2.24 節(jié)，莖粗11.75 mm，單株結薯數12.13個，平均單薯重147.41 g，塊莖產量62.67 t·hm-2；WY82 的C值最低（0.326），綜合表現(xiàn)較差，主要表現(xiàn)為株高35.20 cm，主莖數1.77 節(jié)，莖粗8.59 mm，單株結薯數4.35個，平均單薯重133.87 g，塊莖產量26.80 t·hm-2。相關性分析表明，C值與16 個表型性狀呈顯著或極顯著相關性，說明這些性狀直接關系到馬鈴薯種質資源評價。

采用離差平方和法對195 份參試種質的綜合得分C值進行聚類，主要劃分為4 個類群，每個類群各具特征。第Ⅰ類群綜合得分均值最高（0.523），株高、主莖數、莖粗、單株結薯數、平均單薯重、塊莖產量6 個數值型性狀表現(xiàn)均較佳，可從中挑選高產優(yōu)異種質；第Ⅱ類群綜合得分均值最低（0.436），主莖數和單株結薯數的均值為最低值，較第Ⅰ類群相比，主莖數和單株結薯數分別低21.24%和28.65%；第Ⅲ類群各數值型性狀均值均為中間型；第Ⅳ類群株高、莖粗、平均單薯重和塊莖產量的均值為最低值，較第Ⅰ類群相比，株高、莖粗、平均單薯重和塊莖產量分別低17.72%、18.82%、51.65%和41.78%。本研究聚類分析結果可為馬鈴薯新品種選育和遺傳改良提供參考。

4 結論

195 份馬鈴薯種質資源表型性狀遺傳變異豐富，多樣性程度較高；篩選出冀西北地區(qū)適應性強、高產且穩(wěn)產、表型綜合性狀表現(xiàn)較佳的9份優(yōu)異種質，后續(xù)可用于冀西北壩上地區(qū)鮮食馬鈴薯品種改良和新品種選育。