基于表型性狀的不同梨品種遺傳多樣性分析

白玉娥 李今普 師鵬飛 王榮學(xué) 高穎 胡志健 楊榮

關(guān)鍵詞：梨；表型性狀；遺傳多樣性；主成分分析；聚類分析

梨在我國栽培歷史悠久，種植范圍覆蓋全國各地。世界上梨屬植物共約35個種，其中有13個種起源于中國，根據(jù)起源地不同可分為東方梨和西方梨。不同品種梨在表型（如果實橫縱徑、果形指數(shù)、果皮及果實硬度等）及內(nèi)在營養(yǎng)成分（包括功能活性物質(zhì)）上均存在較大差異，導(dǎo)致不同品種擁有不同的品質(zhì)特征，這為梨遺傳改良提供了豐富的種質(zhì)資源。目前，有關(guān)梨種質(zhì)資源遺傳多樣性的研究，利用RAPD、SSR、SSAP和cpDNA等分子標(biāo)記技術(shù)進(jìn)行的較多，但基于表型性狀進(jìn)行的相對較少，且針對內(nèi)蒙古地區(qū)選用的資源往往更有限。張冰冰等對143份寒地梨種質(zhì)表型性狀的分析結(jié)果表明，幼葉顏色、葉面狀態(tài)、果實形狀、抗寒性、梨黑星病抗性、單果質(zhì)量和可溶性固形物含量等性狀變異豐富。

內(nèi)蒙古自治區(qū)大部分地處干旱地區(qū)，光熱資源豐富，晝夜溫差大，而且土壤肥沃，獨特的自然環(huán)境為農(nóng)作物生長提供了良好的條件。梨是內(nèi)蒙古自治區(qū)主要栽培水果之一，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化調(diào)整，內(nèi)蒙古梨果產(chǎn)業(yè)得到了快速發(fā)展，截至2015年底全區(qū)梨樹種植面積1.47萬hm2，果實年產(chǎn)量17萬t，種植品種以蘋果梨為主，其次是錦豐梨、早酥梨和南果梨。但近年來，由于栽培品種單一、專用和特色品種選育及應(yīng)用滯后、鮮果供應(yīng)期短、果實品質(zhì)較差、栽培管理技術(shù)落后等原因，果農(nóng)生產(chǎn)積極性受到影響，梨樹種植面積逐年減少，嚴(yán)重阻礙了內(nèi)蒙古梨產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，引進(jìn)、篩選、培育內(nèi)蒙古自治區(qū)適生的、多用途的優(yōu)良梨品種，對于提高當(dāng)?shù)毓r(nóng)的經(jīng)濟(jì)收益和促進(jìn)林果業(yè)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，具有重要的現(xiàn)實意義。

表型多樣性是物種遺傳多樣性的重要組成部分，遺傳多樣性的豐富度對品種改良和新品種選育有著直接影響。一般采用變異分析、相關(guān)分析等多種統(tǒng)計分析方法對品種的產(chǎn)量性狀及植株性狀進(jìn)行考察分析，以幫助篩選出優(yōu)質(zhì)的品種。本研究對保存于巴彥淖爾市梨樹資源圃的18個梨品種的140個單株進(jìn)行表型性狀分析，以揭示梨不同品種的表型差異規(guī)律，從而為當(dāng)?shù)馗牧棘F(xiàn)有梨品種、選育新品種及高效利用梨種質(zhì)資源提供理論支持。

1材料與方法

1.1試驗材料

供試?yán)嬷昃N植于內(nèi)蒙古巴彥淖爾市沙漠綜合治理中心的梨樹資源圃，各品種均利用對35年樹齡蘋果梨高接換頭的方式保存。共選取18個梨品種的140株樹齡相同的盛果期樹，其中群體數(shù)大于10株的品種選10株進(jìn)行觀測，群體數(shù)不足10株的品種全部進(jìn)行觀測。詳見表1。

1.2調(diào)查性狀及試驗方法

參照《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測試指南梨》（GB/T 19557.30-2018，以下簡稱測試指南），選擇枝條、葉片、果實部分的9個質(zhì)量性狀和19個數(shù)量性狀，于2021年7-9月進(jìn)行調(diào)查。

1.2.1樣品選取對140個樣株從東、西、南、北4個方向隨機(jī)選取樣品，每個樣株各方向隨機(jī)選取3個生長良好的枝條、20片位于枝條中部的成熟葉片和10個無病害的成熟果實。

1.2.2質(zhì)量性狀調(diào)查與賦值以測試指南中相應(yīng)性狀的描述或標(biāo)準(zhǔn)圖片作為參考，經(jīng)綜合考量與比較后記錄各質(zhì)量性狀，并進(jìn)行賦值（表2）。

1.2.3數(shù)量性狀測量與調(diào)查一年生枝節(jié)間長度、葉長、葉寬、葉柄長、果實縱徑、果實橫徑、果梗長度、果梗粗度用游標(biāo)卡尺測量，精確到0.01mm。每個指標(biāo)從選取的樣品中以20個數(shù)據(jù)為一組，重復(fù)測量3次。樹勢、樹成枝力、樹姿態(tài)、一年生枝皮孔密度、葉相對枝著生姿態(tài)、果實最大橫徑位置、果實蓋色相對面積、果面果銹相對面積、果點大小、果點密度、果梗相對果實縱軸位置參照測試指南的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行觀測記錄，非數(shù)值型性狀賦值見表3。

1.3數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

用Shannon-Weiner多樣性指數(shù)分析不同梨品種的遺傳多樣性，計算公式為：

用Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。用SPSS 26軟件進(jìn)行主成分分析，根據(jù)歐式距離對不同品種和不同性狀分別進(jìn)行Q型和R型聚類分析。

2結(jié)果與分析

2.1 18個梨品種質(zhì)量性狀多樣性分析

從表4可以看出，18個梨品種的9個質(zhì)量性狀變異程度較大，變異系數(shù)為11.78%～64.72%，其中一年生枝向陽面主要顏色的最大，葉邊緣形狀的最??；多樣性指數(shù)范圍在0.22～1.33之間，平均為0.9。說明這18個品種的9個質(zhì)量性狀都存在著豐富的變異。其中，一年生枝向陽面主要顏色的多樣性指數(shù)最高，以黃綠色（38.10%）和暗褐色（38.10%）為主，兩者分布頻率達(dá)到76.20%；其次為葉形狀，多樣性指數(shù)為1.11，卵圓形占比最大，為58.62%；葉基部形狀的多樣性指數(shù)為1.09，圓形占比最大，為57.89%：葉片狀態(tài)的多樣性指數(shù)為0.97，內(nèi)卷（47.22%）和平展（44.44%）占比較大：果實蓋色的多樣性指數(shù)為0.96，淺紅色最多（57.14%），其次為橙色（28.57%）；果實底色的多樣性指數(shù)為0.85，綠色占比最大（66.67%），黃色次之（22.22%）；葉尖端形狀的多樣性指數(shù)為0.83，漸尖占比最高，為65.38%：葉片顏色的多樣性指數(shù)為0.72，綠色占比最大（70.83%）；葉邊緣形狀的多樣性指數(shù)最低，為0.22，絕大部分為銳鋸齒形（94.40%）。

2.2 18個梨品種數(shù)量性狀的多樣性分析

由表5可見，19個數(shù)量性狀中果實蓋色相對面積的變異系數(shù)最大，為59.54%；葉寬的變異系數(shù)最小，為9.28%。多樣性指數(shù)變化范圍為0.35～1.53，果實蓋色相對面積的多樣性指數(shù)最大，一年生枝皮孔密度的最小，平均值為1.02，明顯高于質(zhì)量性狀，說明這18個梨品種的數(shù)量性狀變異更為豐富。

2.3 18個梨品種表型性狀的主成分分析

影響梨表型的因素較多，所調(diào)查的表型性狀間存在一定的信息重疊，為了清楚顯示各因素在表型多樣性構(gòu)成中的作用，本研究使用主成分分析法對所調(diào)查的28個表型性狀進(jìn)行分析。經(jīng)過KMO檢驗（KMO>0.6）和巴特利特檢驗（P<0.05），證明數(shù)量性狀間關(guān)聯(lián)性較高，說明調(diào)查的表型性狀間存在信息重復(fù)現(xiàn)象，可以用主成分分析降維篩選指標(biāo)。以特征值>1為標(biāo)準(zhǔn)，共提取出10個主成分，累積貢獻(xiàn)率（74.26%）大于70%，表明這10個主成分能夠代表大部分表型性狀的變異（表6）。

第1主成分的特征值為4.299，對表型變異的貢獻(xiàn)率最大，達(dá)15.352%，以果實底色的貢獻(xiàn)最大（-0.730），果實橫徑次之（0.710）。第2主成分特征值為3.302．貢獻(xiàn)率為11.792%，貢獻(xiàn)最大的性狀為果實蓋色相對面積（-0.831），葉相對枝著生姿態(tài)次之（0.615）。第3主成分特征值為2.438，貢獻(xiàn)率為8.707%，果點大小貢獻(xiàn)最大（0.561），其次為果實蓋色（-0.552）。第4主成分的特征值為2.101，貢獻(xiàn)率為7.504%，其中，一年生枝皮孔密度的貢獻(xiàn)最大（0.660），一年生枝向陽面主要顏色次之（-0.517）。第5主成分的特征值為1.982，貢獻(xiàn)率為7.079%，其中，果實蓋色貢獻(xiàn)最大（-0.521），果實最大橫徑位置次之（-0.491）。第6主成分的特征值為1.690，貢獻(xiàn)率為6.037%，其中，葉長貢獻(xiàn)最大（-0.447），葉片顏色次之（0.429）。第7主成分的特征值為1.421，貢獻(xiàn)率為5.073%，其中，葉尖端形狀的貢獻(xiàn)最大（-0.474），樹勢次之（0.412）。第8主成分的特征值為1.290，貢獻(xiàn)率為4.607%，其中，果梗長度貢獻(xiàn)最大（0.421），樹姿態(tài)次之（-0.366）。第9主成分的特征值為1.212，貢獻(xiàn)率為4.329%，其中，葉形狀的貢獻(xiàn)最大（0.525），一年生枝節(jié)間長度次之（0.409）。第10主成分的特征值為1.059，貢獻(xiàn)率為3.780%，其中，葉柄長貢獻(xiàn)最大（0.492），一年生枝節(jié)間長度次之（0.471）。

通過分析，提取出18個貢獻(xiàn)最大的表型性狀，包括樹勢、樹姿態(tài)、一年生枝節(jié)間長度、一年生枝皮孔密度、一年生枝向陽面主要顏色、葉相對枝著生姿態(tài)、葉長、葉柄長、果實橫徑、果實最大橫徑位置、果實蓋色相對面積、果點大小、果實底色、果實蓋色、果梗長度、葉片顏色、葉形狀、葉尖端形狀。綜合來看，導(dǎo)致梨品種表型性狀差異的主要因素是果實形態(tài)，其次是葉片形狀及枝條部分形態(tài)，可將其視為梨種質(zhì)評價的主要形態(tài)指標(biāo)。

2.4 18個梨品種主要形態(tài)指標(biāo)的R型聚類分析

對28個表型性狀指標(biāo)進(jìn)行R型聚類分析，可將信息重疊的性狀聚在一起，從而凸顯出重要性狀在梨品種分類上的價值。從圖1可以看出，在歐氏距離25處可將28個表型性狀分為兩大類群，在歐式距離15處可將28個表型性狀分為19個類群。各類群之間距離較遠(yuǎn)，說明類群間性狀相關(guān)性較低，可以用于反映不同品種的差異。同一類群的指標(biāo)之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性，因此可結(jié)合生產(chǎn)實際，從中選出代表性的指標(biāo)，如樹勢和樹成枝力聚為一類，可以將樹勢選為代表性指標(biāo)：果實縱徑和果實橫徑聚為一類，則可以將果實橫徑選為代表性指標(biāo)。總體來看，據(jù)此選出的指標(biāo)與主成分分析篩選出的指標(biāo)基本一致。

2.5 18個梨品種的Q型聚類分析

基于主成分分析篩選出的18個主要形態(tài)指標(biāo)，采用Q型聚類分析法對18個梨品種進(jìn)行聚類分析，結(jié)果見圖2。可以看出，在歐氏距離8處可以將18個品種分為4大類群。第一類群僅包含巴梨，因其果實大小遠(yuǎn)超平均水平（果實縱徑149.9mm，果實橫徑97.0mm），被單獨分為一類。第二類群為寒香梨和寒雅梨，這兩個品種均來源于吉林且果實相對其他品種較?。ü麑嵖v徑和橫徑均值都小于60.0mm）。第三類群為早酥梨、紅早酥梨、柯夫梨和蘋果梨，均來源于巴彥淖爾市。第四類群包括余下的11個品種，在歐式距離5處又可分為3組，其中，第1組包括新梨七號、紅香酥、玉露香三個品種，均來自于山西晉中；第2組僅包含吉香梨，來自吉林；其余7個品種均聚在第3組。

3討論與結(jié)論

表型性狀是生物體在基因型與生活環(huán)境共同作用下形成的外在形態(tài)特征，是物種鑒別、保護(hù)以及新品種選育的重要依據(jù)。表型多樣性可直觀反映物種遺傳多樣性，是最直接且簡便的遺傳變異評價方法，在物種的適應(yīng)性及農(nóng)藝性狀改良方面具有重要意義。本研究對巴彥淖爾市梨樹資源圃中保存的18個梨品種的140個單株進(jìn)行表型質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀分析，結(jié)果表明供試?yán)娣N質(zhì)從樹形、一年生枝、葉片、果實形態(tài)方面均表現(xiàn)出豐富的表型多樣性。張麗娟對滇中南地區(qū)野生川梨砧木資源的研究也得到類似結(jié)論。豐富的遺傳多樣性為我國梨品種改良及新品種選育奠定了良好的基礎(chǔ)。Shannon-Weiner多樣性指數(shù)能夠直觀反映出植物性狀的分級與分布情況，數(shù)值大小能夠反映出表型的均勻度與豐富度。本研究結(jié)果顯示，梨品種數(shù)量性狀的Shannon-Weiner多樣性指數(shù)平均值為1.02，大于質(zhì)量性狀的平均值（0.90），說明在表型多樣性方面數(shù)量性狀差異要高于質(zhì)量性狀，該結(jié)果與周兆禧、鄭斌等在梨種質(zhì)表型多樣性方面的研究結(jié)果類似。本研究發(fā)現(xiàn)所調(diào)查的9個質(zhì)量性狀中果實顏色和葉片形態(tài)方面性狀在不同梨品種間差異性較大，葉形、葉片基部形狀和尖端形狀表型較為豐富，這也與頡剛剛等的研究結(jié)論較為一致。

變異系數(shù)是品種間表型性狀變異幅度大小的反映，值越大說明該表型性狀在品種間的差異越大，遺傳多樣性越豐富，用于鑒別品種時更具科學(xué)合理性：值越小說明該表型性狀在品種間的差異越小，遺傳穩(wěn)定性越好，越不易受到外界環(huán)境因素等的影響。本研究調(diào)查的梨19個數(shù)量性狀變異系數(shù)范圍為9.28%～59.54%，除葉寬外變異系數(shù)均大于10%，說明這些性狀在梨品種間差異較大。其中，果實縱徑的變異系數(shù)最大，葉柄長和果梗長度的次之，表明梨的果實和葉片變異更為豐富。

主成分分析可以通過降維的方法將關(guān)系復(fù)雜的多個性狀轉(zhuǎn)化為較少的幾個主成分，從而去除冗余，簡化資源評價及篩選程序。本研究對選用的9個質(zhì)量性狀和19個數(shù)量性狀進(jìn)行主成分分析，以特征值大于1為標(biāo)準(zhǔn)共提取出10個主成分，累積貢獻(xiàn)率為74.260%，其中前5個主成分的累積貢獻(xiàn)率為50.434%，主要解釋果實底色、果實橫徑、果實蓋色相對面積、葉相對枝著生姿態(tài)、果點大小、果實蓋色、一年生枝皮孔密度、一年生枝向陽面主要顏色、果實蓋色、葉長，說明果實形態(tài)、葉片大小和枝條形態(tài)在反映梨品種特征方面有著重要作用。本研究對28個表型性狀的R型聚類分析也得到基本一致的結(jié)果。然而，本次主成分分析的累計貢獻(xiàn)率沒有超過80%，因此只能大體上反映本次試驗調(diào)查的表型性狀。

本研究所用的18個梨品種主要來自內(nèi)蒙古巴彥淖爾市、山西晉中和吉林。通過Q型聚類分析在歐式距離8處可將這18個品種分為4大類：巴梨來自巴彥淖爾市且果實大小遠(yuǎn)超平均水平，被單獨分為一類：寒香梨和寒雅梨均來源于吉林且果實相對其他品種較小，被聚為一類；早酥梨、紅早酥、柯夫梨和蘋果梨均來源于巴彥淖爾市，表現(xiàn)較優(yōu)，被聚為一類；余下的11個品種聚為一類。前三類的7個品種表型變異程度較大，多樣性豐富，應(yīng)著重保護(hù)和管理。第四類的11個品種在歐氏距離5處又可分為3組，第1組包括新梨七號、紅香酥、玉露香三個品種，均來自于山西晉中；第2組僅包含吉香梨，來自吉林；其余品種劃分為第3組。可以看出Q型聚類中品種間的表型差異與種源地有著一定關(guān)系。但有些品種并沒有按照來源地分類，可能是由于梨資源的交叉利用或者是部分表型性狀容易受到外界環(huán)境影響。

表型性狀研究是生物學(xué)研究的基礎(chǔ)，但表型性狀分析結(jié)果容易受主觀因素及環(huán)境條件等的影響，而且梨的遺傳背景復(fù)雜，僅依靠表型性狀分析無法對其進(jìn)行準(zhǔn)確分類和深入研究，還需結(jié)合生理生化分析和分子生物學(xué)手段等綜合進(jìn)行，從而為新品種的選育以及核心種質(zhì)的構(gòu)建等奠定基礎(chǔ)。

綜合本研究結(jié)果，供試18個梨品種具有極其豐富的表型多樣性，且數(shù)量性狀的多樣性高于質(zhì)量性狀：果實形態(tài)和葉片形狀相關(guān)性狀是梨種質(zhì)資源評價的重要指標(biāo)。這可為當(dāng)?shù)乩嫫贩N的保護(hù)利用及新品種選育提供參考。