吳金平， 矯振彪， 郭鳳領(lǐng)， 陳磊夫， 曾凡順， 邱正明

(1. 湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所， 湖北 武漢 430064；2. 恩施宜佳現(xiàn)代農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，湖北 恩施 445000)

基于形態(tài)學(xué)標(biāo)記的山藥種質(zhì)資源遺傳多樣性研究

吳金平1， 矯振彪1， 郭鳳領(lǐng)1， 陳磊夫1， 曾凡順2， 邱正明1

(1. 湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所， 湖北 武漢 430064；2. 恩施宜佳現(xiàn)代農(nóng)業(yè)開發(fā)有限公司，湖北 恩施 445000)

對收集的66份山藥種質(zhì)資源的19個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行調(diào)查，通過遺傳多樣性分析、聚類分析與主成分分析，探討其遺傳多樣性、親緣關(guān)系及分類特征。結(jié)果表明，在15個(gè)質(zhì)量性狀中，遺傳多樣性指數(shù)最高的是葉片缺裂(1.18)，其次是地下塊莖形狀(1.17)。葉脈數(shù)頻率分布最高(92.65%)，其次為葉先端漸尖(89.71%)。根據(jù)各農(nóng)藝性狀的遺傳差異，可將66份淮山藥種質(zhì)聚為二大類群；第Ⅰ類群種質(zhì)均為薯蕷，第Ⅱ類群種質(zhì)為參薯。主成分分析結(jié)果表明，前5個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)76.496%，第一主成分反映高產(chǎn)株型綜合因子，第二主成分反映山藥抗病性因子，第三和第四主成分反應(yīng)山藥地下塊莖形狀因子，第五主成分反映地下塊莖顏色。通過以上研究，為山藥品種選育及生產(chǎn)利用提供參考。

山藥(Dioscoreaspp.)；表型性狀；遺傳多樣性

我國山藥種質(zhì)資源豐富，且分布廣泛，有相當(dāng)多的品種在許多地區(qū)均有種植，因而同名異物及同物異名的情況相當(dāng)嚴(yán)重，為解決這一問題，許多專家學(xué)者對山藥種質(zhì)資源的遺傳多樣性進(jìn)行了研究。蔡金輝等通過主要園藝學(xué)特點(diǎn)結(jié)合塊莖品質(zhì)等特征將山藥分為2個(gè)種、5個(gè)變種、10個(gè)品種群[1]。梁任繁等通過對莖蔓、葉片、零余子等主要性狀調(diào)查分析，通過聚類法將12份廣西山藥分為4個(gè)或2個(gè)類群[2]。覃維治等根據(jù)各淮山藥品種間農(nóng)藝性狀的差異將44份種質(zhì)聚為四大類，并根據(jù)主成分分析結(jié)果，總結(jié)出在不同育種目標(biāo)時(shí)的注意性狀，以便對親本進(jìn)行挑選[3]。盡管DNA分子標(biāo)記在山藥種質(zhì)資源的遺傳多樣性研究中顯示出強(qiáng)大的優(yōu)勢，但是對普通育種者而言，以形態(tài)學(xué)性狀來研究植物遺傳變異仍是最直接且有效的方法之一[4]。因此，本研究對來源于我國不同地方的66個(gè)山藥種質(zhì)的19個(gè)主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行遺傳多樣性、聚類分析和主成分分析，確定地域間種質(zhì)的差異，為今后山藥育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試山藥材料為近年從我國山藥主產(chǎn)區(qū)收集、引進(jìn)資源，共66份，編號及來源見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2013年3月—2015年12月在湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所蔬菜試驗(yàn)基地連續(xù)進(jìn)行3年。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，小區(qū)兩行，行長5 m，小區(qū)面積7 m2；每個(gè)品種均采用塊莖切塊種植，每小區(qū)種植20株，進(jìn)行常規(guī)立架栽培管理，定期觀察記載。田間管理同一般大田栽培。

1.2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

每小區(qū)抽樣5株，地上部莖葉均以11～15節(jié)之間作為實(shí)驗(yàn)部位，數(shù)值型性狀每株記錄3個(gè)數(shù)據(jù)(3次重復(fù))，共測45個(gè)值，取平均值；非數(shù)值型性狀每株記錄1個(gè)數(shù)據(jù)(無重復(fù))，共觀測15個(gè)值。測定指標(biāo)主要有葉長、葉寬、葉柄長、葉片質(zhì)地、葉形、缺裂、質(zhì)地、葉脈數(shù)、莖蔓棱翼有無、莖蔓形狀、零余子性狀、莖蔓旋性、薯塊形狀、薯塊肉色等。其中非數(shù)值型數(shù)據(jù)根據(jù)表型不同賦值。農(nóng)藝性狀調(diào)查的主要指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)見表2。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

應(yīng)用SPSS 19.0軟件計(jì)算質(zhì)量性狀統(tǒng)計(jì)各組的分布頻率和變異系數(shù)；計(jì)算數(shù)量性狀統(tǒng)計(jì)最小值、最大值，計(jì)算平均值、變異幅度、變異系數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差。應(yīng)用Bio-dap軟件計(jì)算Shannon-Weaver遺傳多樣性指數(shù)，指數(shù)的計(jì)算公式為H'=-∑PilnPi，其中i為某一性狀的分級，Pi為該性狀第i級內(nèi)材料分?jǐn)?shù)占總份數(shù)的百分比，ln為自然對數(shù)。遺傳多樣性指數(shù)計(jì)算中，質(zhì)量性狀的分級根據(jù)表2的描述，數(shù)量性狀的分級參照覃維治[3]和黃玉仙[5]描述的分級方法，根據(jù)數(shù)據(jù)的平均值(M)和標(biāo)準(zhǔn)差(S)將數(shù)據(jù)分為10級，從第一級Xi

表1 供試淮山藥材料編號及其來源

表2 山藥形態(tài)多樣性鑒定項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)

2 結(jié) 果

2.1 山藥種質(zhì)資源形態(tài)性狀多樣性

對66份淮山藥種質(zhì)資源的19個(gè)性狀進(jìn)行分析，結(jié)果表明，不同材料之間存在很大差異，不同性狀在不同材料間表現(xiàn)出不同程度的多樣性。在山藥15個(gè)質(zhì)量性狀中，遺傳多樣性指數(shù)最高的是葉片缺裂，為1.18，其次是地下塊莖形狀，為1.17。葉脈數(shù)以7為主，頻率分布為92.65%，葉先端漸尖頻率分布為89.71%(表3)。由表3可知，植株長勢以中等為主；葉形披針形為主；葉片質(zhì)地以革質(zhì)為主；葉先端漸尖為主；葉基部箭形為主；莖蔓棱翼多無；莖蔓顏色以紫綠為主；莖蔓形狀以圓形為主；有零余子占70.79%，其中圓形零余子又占了63.24%；塊莖形狀以棍狀為主；薯肉顏色以白色為主。

表3 質(zhì)量性狀的遺傳多樣性結(jié)果

由表4可知，山藥4個(gè)數(shù)量性狀，以薯塊單株產(chǎn)量的變異系數(shù)最大，為153.425%，產(chǎn)量變幅為95.4～3768.5g；其次為葉柄長度，其變異系數(shù)為46.20%，變幅為1.94～11.7 cm；葉長和葉寬變異系數(shù)分別為35.57%和33.34%，兩者變幅分別4.55～17.0 cm和2.94～11.44 cm。

表4 數(shù)量形狀的分布頻率和變異系數(shù)

2.2 基于質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀的山藥種質(zhì)資源的聚類分析

整合質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀的表型數(shù)據(jù)，應(yīng)用類平均法對66份山藥資源進(jìn)行表型性狀的聚類分析，結(jié)果表明(圖1)，第一類資源(A)主要為薯蕷(DioscoreaoppositaThunb.)資源；第二類資源(B)主要為參薯(DiscoreaalataL.)。第一類資源可以進(jìn)一步被劃分為二個(gè)亞類A1和A2，在A1亞類中又可以分為a1和a2兩組，a2組資源全部來源于湖北十堰野生山藥，植株生長旺盛，葉形為卵形，山藥塊莖為長棍狀。a1又分為2大類，其中a12為薯蕷中掌狀山藥，a11為薯蕷中的長山藥。a11中進(jìn)一步分類，主要根據(jù)地域來源。

圖1 66份山藥種質(zhì)資源的聚類分析結(jié)果

2.3 山藥主要農(nóng)藝性狀的主成分分析

對山藥19個(gè)主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析，結(jié)果表明，前5個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)76.496%，特征值總和為14.534。在所有主成分構(gòu)成中，包含農(nóng)藝性狀的絕大部分信息(表5)，第一主成分特征值為7.316，貢獻(xiàn)率最大，為38.503%，其次為主成分二、三、四、五。在第一主成分的特征向量中，載荷值較高且為正值的有葉柄長度、葉長、葉寬、單株產(chǎn)量、藤莖截面、植株長勢，其特征向量值分別為0.941、0.914、0.877、0.839、0.802、0.762，此類性狀為高產(chǎn)株型綜合因子；特征向量值為負(fù)值的主要農(nóng)藝性狀有藤莖棱翼、藤莖顏色，說明在高產(chǎn)品種選育中這2種性狀具一定的選擇性。從各載荷數(shù)值可看出，在高產(chǎn)育種中，應(yīng)選擇葉柄長、葉長、葉寬、植株長勢旺的品種；在一定范圍內(nèi)，隨著品種葉大，長勢旺，光合作用強(qiáng)，品種產(chǎn)量也會提高。表明在高產(chǎn)育種工作中，應(yīng)注意對第一主成分的選擇。第二主成分特征值為2.507，貢獻(xiàn)率為13.196%。在第二主成分的特征向量中，載荷值較高且為正值的有藤莖旋性為0.787、藤莖顏色為0.731，此類性狀決定山藥抗病性；為負(fù)值的農(nóng)藝性狀有零余子形狀、葉脈數(shù)等，說明在山藥抗病性選擇上這2種性狀具有一定的選擇性。第三主成分特征值為1.935，貢獻(xiàn)率為10.186%。從載荷數(shù)值來看，第三和第四主成分特征值分析，主要反映葉脈數(shù)、葉先端，葉基部，此類性狀決定山藥地下塊莖形狀。第五主成分特征值為1.142，貢獻(xiàn)率為6.01%，主要是反映地下塊莖顏色。

表5 主要農(nóng)藝性狀的主成分分析結(jié)果

3 討 論

植物的表型性狀是一類由基因控制的表現(xiàn)型，從側(cè)面可以反映出基因的不同表現(xiàn)，且表型性狀的觀察與測量較為方便，在研究過程中的花費(fèi)較低，因此通過表型性狀入手來研究植物的遺傳多樣性和育種是一種應(yīng)用廣泛的方法[7]。蘇玉環(huán)等用西瓜的主要果實(shí)性狀將100份西瓜種質(zhì)分為4大類，且通過4個(gè)類群的果實(shí)平均重、果皮硬度、千粒重、含糖量這4個(gè)指標(biāo)的比較分析，證明了分類的正確性[8]。徐世松等對收集的32個(gè)紅掌品種聚類分析，將32個(gè)紅掌品種可劃分為5大類，其中包括4個(gè)較小的類群和1個(gè)較大的類群[9]。山藥在長期馴化栽培過程中形成了一系列地方品種，由于缺乏系統(tǒng)的鑒定和命名，導(dǎo)致品種種質(zhì)混亂。前人應(yīng)用傳統(tǒng)手段以及分子標(biāo)記技術(shù)對不同地區(qū)和不同來源的山藥的種質(zhì)資源進(jìn)行了一些研究和報(bào)道[1-3，10-12]，在我國山藥種質(zhì)的鑒定、評價(jià)和利用等方面發(fā)揮了重要的作用。然而，由于我國薯蕷屬植物分布區(qū)域廣泛，種類豐富，對不同地區(qū)的薯蕷種質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)的分析評價(jià)存在較大難度。因此，本研究針對收集的不同地域66份山藥資源進(jìn)行表型性狀的多樣性研究，結(jié)果表明，各質(zhì)量性狀類型豐富，各分組類型中均有一定數(shù)量的資源分布，但分布的頻率存在差異。山藥4個(gè)數(shù)量性狀，以薯塊單株產(chǎn)量的變異系數(shù)最大，為153.425%，產(chǎn)量變幅為95.4～3768.5 g；其次為葉柄長度，其變異系數(shù)為46.20%，變幅為1.94～11.7 cm。通過聚類分析，根據(jù)薯蕷種質(zhì)形態(tài)特征，參考《中國植物志》《中國高等植物圖鑒》，把收集的66份薯蕷種質(zhì)分為2個(gè)類群(圖1)，第一類資源(A)主要為薯蕷(DioscoreaoppositaThunb.)資源；第二類資源(B)主要為參薯(DiscoreaalataL.)。因此，本研究結(jié)果與傳統(tǒng)分類方法結(jié)果一致，也與我國歷代本草考證及調(diào)查的結(jié)果一致。對山藥19個(gè)主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析，前5個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)76.496%，特征值總和為14.534，第一主成分特征葉柄長度、葉長、葉寬、單株產(chǎn)量、藤莖截面、植株長勢等為高產(chǎn)株型綜合因子。通過以上研究，為山藥品種選育及生產(chǎn)利用提供參考。

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Study on Germplasm Genetic Diversity of Yam Based on Morphological Markers

Wu Jinping1, Jiao Zhenbiao1, Guo Fengling1, Chen Leifu1, Zeng Fanshun2, Qiu Zhengming1*

(1. Institute of Industrial Crops, Hubei Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430064, China;2. Enshi Yijia Agriculture Development Co., Ltd., Enshi 445000, China)

The 19 agronomic traits of 66 collected yam germplasm resources were investigated to conduct genetic diversity analysis, cluster analysis and principal component analysis for exploring their genetic diversity, genetic relationship and classification characteristics. The results showed that different morphological traits of 66 collected yam germplasm resources presented higher diversity. Amongst 15 qualitative traits, the genetic diversity index of leaf split was the highest (1.18), followed by tuber shape (1.17). The frequency distribution of leaf vein was the highest (92.65%), followed by leaf apex acuminate (89.71%). According to genetic differences of different agronomic traits, 66 yam germplasm resources could be clustered into 2 groups. The first group materials wereDioscoreaoppositaThunb. The second group materials wereDiscoreaalataL.. The principal component analysis results indicated that the contribution rate of the first 5 principal components accounted for 76.496%. The first principal component reflected comprehensive factors of high-yield plant type, the second one reflected disease resistance factors， the third and the fourth reflected tuber shape factors. The fifth principal components reflected stem skin color. The different yam germplasm resources were analyzed to provide references for variety breeding and production utilization of yam.

Yam (Dioscoreaspp.); phenotypic traits; genetic diversity

10.3969/j.issn.1006-9690.2017.01.004

2016-05-18

湖北省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BBA192)；農(nóng)業(yè)部現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目(nycytx-35-02-06)。

吳金平，副研究員，博士，從事薯芋類蔬菜研究。E-mail:274184394@qq.com

S632.1

A

1006-9690(2017)01- 0011-04