于翠香, 譚 化, 張海燕, 楊貴春, 安仕博, 趙福順, 徐海鈺

(吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院,吉林長(zhǎng)春 130033)

甜瓜(CucumismeloL.)為葫蘆科甜瓜屬二倍體1年生草本植物,是重要的經(jīng)濟(jì)作物之一。甜瓜具有色、香、味俱佳、營(yíng)養(yǎng)豐富等較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,具有廣泛栽培的特點(diǎn),為世界十大水果之一[1]。我國(guó)甜瓜產(chǎn)量和面積居世界首位,呈連年遞增態(tài)勢(shì)。據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示,至2018年底,我國(guó)甜瓜種植面積達(dá)37.61萬(wàn)hm2、產(chǎn)量達(dá)1 315.93萬(wàn)t、單位面積產(chǎn)量34 986.61 t/hm2;而吉林省種植面積達(dá) 1.271萬(wàn)hm2、產(chǎn)量達(dá)32.41萬(wàn)t、單位面積產(chǎn)量 25 502.16 t/hm2;分別占全國(guó)種植面積的3.38%、占全國(guó)產(chǎn)量的2.46%、單位面積產(chǎn)量是全國(guó)的1.37倍。吉林省也是全國(guó)甜瓜比較重要的種植和銷(xiāo)售區(qū)域,尤其是本地品種灰鼠子和八里香占比較大,但是吉林省一直存在甜瓜種質(zhì)資源匱乏、遺傳材料少和遺傳背景狹窄等問(wèn)題,此背景下很難選育出突破性品種。因此,引進(jìn)優(yōu)異甜瓜種質(zhì)資源并明確其遺傳背景和遺傳距離對(duì)于吉林省甜瓜新品種選育、利用和推廣具有非常重要的意義。甜瓜無(wú)論是質(zhì)量性狀還是數(shù)量性狀均具有豐富的遺傳變異,關(guān)于甜瓜種質(zhì)資源評(píng)價(jià)研究相關(guān)報(bào)道較多,但是多集中于地方、本地區(qū)品種,也有中國(guó)區(qū)域內(nèi)和國(guó)際引進(jìn)甜瓜品種的多樣性研究。如閆洪朗等利用65個(gè)甜瓜品種在江浙滬地區(qū)開(kāi)展果實(shí)性狀遺傳多樣性分析[2]。王煒勇等在浙江省開(kāi)展27份薄皮甜瓜地方品種的表型遺傳多樣性研究[3]。張永兵等利用32個(gè)形態(tài)性狀將121份新疆地方甜瓜品種分成4個(gè)類(lèi)型和7個(gè)亞群,將新疆本地名牌品種哈密野瓜單獨(dú)分成一類(lèi),具有完全不同的遺傳背景[4]。胡建斌等對(duì)國(guó)外引進(jìn)種質(zhì)資源進(jìn)行表型和分子標(biāo)記遺傳多樣性分析,遺傳多樣性指數(shù)均大于1,組群分布較為廣泛,為南亞組群和東北歐等組群,遺傳距離長(zhǎng)、遺傳背景較寬,為新材料遺傳改良和新品種選育提供了大量?jī)?yōu)異資源[5-6]。還有通過(guò)分子標(biāo)記手段開(kāi)展遺傳多樣性研究,常用的有同工酶[7]、RAPD[8-9]、AFLP[10-11]、SRAP[12]、SSR[13]等標(biāo)記類(lèi)型。最直觀(guān)和方便的研究集中于表型性狀的遺傳多樣性。目前,針對(duì)吉林省引進(jìn)種質(zhì)資源開(kāi)展表型性狀和光合作用效率分析方面的遺傳多樣性研究鮮有報(bào)道。以吉林省近幾年引進(jìn)的44份甜瓜種質(zhì)資源為材料,測(cè)定果肉主色、單瓜質(zhì)量和可溶性固形物等15個(gè)數(shù)量和質(zhì)量性狀,凈光合速率和PSⅡ等11個(gè)光合相關(guān)性狀,進(jìn)行遺傳多樣性分析,了解光合性狀與不同數(shù)量性狀間的相關(guān)性及主成分分析,明確不同來(lái)源甜瓜種質(zhì)資源間的遺傳關(guān)系,為今后本地區(qū)甜瓜種質(zhì)資源分類(lèi)研究和遺傳改良、新品種選育和再利用提供重要的理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

44份甜瓜種質(zhì)資源分別來(lái)自于海南省、甘肅省、黑龍江省、遼寧省、吉林省,種質(zhì)資源編號(hào)、名稱(chēng)及來(lái)源見(jiàn)表1。

表1 甜瓜種質(zhì)資源編號(hào)及來(lái)源

1.2 試驗(yàn)實(shí)施

44份甜瓜種質(zhì)資源于2019年種植于試驗(yàn)基地露地內(nèi),考察其質(zhì)量性狀、數(shù)量性狀和光合相關(guān)性狀,分析其遺傳多樣性。

本試驗(yàn)地點(diǎn)位于吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)植物研究所基地,試驗(yàn)基地位置124°59′42″E,43°39′50″N。試驗(yàn)用土為風(fēng)干草甸黑土,土壤理化性狀:有機(jī)質(zhì)含量為38.1 g/kg、全氮含量為1.71 g/kg、有效磷含量為42.5 mg/kg、速效鉀含量為213 mg/kg、緩效鉀含量為746 mg/kg、pH值為5.5～6.5。施有機(jī)肥(N+P2O5+K2O)≥5%、有機(jī)質(zhì)≥70%,70 g;生物質(zhì)炭基復(fù)合肥(N+P2O5+K2O)≥45%,N ∶P ∶K= 13 ∶12 ∶20,15 g。

1.3 測(cè)定與分析

參照中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) NY/T 2236—2012《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測(cè)試指南 甜瓜》《甜瓜種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》開(kāi)展質(zhì)量和數(shù)量性狀調(diào)查,在開(kāi)花期每個(gè)甜瓜種質(zhì)資源隨機(jī)選取5份,測(cè)量葉柄長(zhǎng)、節(jié)間長(zhǎng)、頂端裂片長(zhǎng)度、果柄長(zhǎng)度;質(zhì)量性狀采用直接觀(guān)察法,包括果皮底色、果肉主色、瓜瓤顏色、果形、果皮覆色、果面覆紋顏色、果面覆紋形狀和葉柄姿態(tài);收獲期測(cè)量單瓜質(zhì)量、小區(qū)產(chǎn)量和可溶性固形物含量。

光合相關(guān)指標(biāo):試驗(yàn)儀器為L(zhǎng)I-6800新一代光合-熒光全自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)(LI-COR 美國(guó)),選取晴天無(wú)風(fēng)天氣09:00—11:00,設(shè)定光強(qiáng)度 1 000 μmol/(m2·s),溫度25 ℃,濕度60%,測(cè)量?jī)艄夂纤俾蔥Pn,μmol/(m2·s)]、氣孔導(dǎo)度[Gs,mol/(m2·s)]、 蒸騰速率[Tr,mmol/(m2·s)]、 胞間CO2濃度(Ci,μmol/mol)、大氣環(huán)境CO2濃度(Ca)、Fv/Fm、PS(Ⅱ)參數(shù),并計(jì)算氣孔限制值(Ls)=1-Ci/Ca、內(nèi)稟水分利用效率[iwue,(mmol/mol)]=Pn/Gs,瞬時(shí)羧化效率(CE,μmol/mol)=Pn/Ci、ETR=PS(Ⅱ)×PAR×0.84×0.5。

1.4 數(shù)據(jù)分析

利用 Excel 2016整理數(shù)據(jù),通過(guò) SPSS 19.0 進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)性分析、主成分分析和聚類(lèi)分析,對(duì)數(shù)量性狀的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)分析,對(duì)質(zhì)量性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行分布頻率及遺傳多樣性指數(shù)分析,其中遺傳多樣性指數(shù)的分析利用 Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H′)公式計(jì)算[14];主成分分析采用最大方差法,取特征值大于 1的特征根;聚類(lèi)分析采用系統(tǒng)聚類(lèi)組間聯(lián)接歐氏距離法對(duì)甜瓜種質(zhì)資源進(jìn)行聚類(lèi)。對(duì)形態(tài)學(xué)質(zhì)量性狀進(jìn)行分類(lèi)賦值(表2)。

表2 甜瓜種質(zhì)資源調(diào)查的分類(lèi)及賦值

2 結(jié)果與分析

2.1 甜瓜種質(zhì)資源的質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀

2.1.1 甜瓜種質(zhì)資源質(zhì)量性狀遺傳多樣性 通過(guò)甜瓜質(zhì)量性狀觀(guān)察分析(表3),種質(zhì)資源質(zhì)量性狀的 Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)(H′)變化范圍為 0.902 3～3.522 2,H′最大的是果形、以梨形和橢圓形為主,分布頻率為34.10%和27.30%。H′最小的是果肉主色,以白色和綠色為主,所占頻率為43.20%和20.50%。甜瓜果皮底色以白色和綠色為主,所占頻率為52.30%和25.00%。果皮覆色以有色最多,分布頻率為68.19%。果面覆紋顏色以黃色和無(wú)色為主,所占頻率為31.81%和31.82%。果面覆紋形狀以斑點(diǎn)和無(wú)形狀為主,所占頻率為31.82%和31.81%。瓤色以橙色和白色為主,所占頻率為47.70%和27.30%。葉柄姿態(tài)以半直立為主,分布頻率63.64%。

表3 甜瓜種質(zhì)資源表型性狀頻率分布

2.1.2 甜瓜種質(zhì)資源數(shù)量性狀的變異 從表4可以看出,甜瓜種質(zhì)資源數(shù)量性狀差異不一致,光合相關(guān)性狀除胞間CO2濃度、表型性狀除頂端裂片長(zhǎng)度、葉柄長(zhǎng)和果柄長(zhǎng)度變異系數(shù)<15.00%外,其余數(shù)量性狀變異系數(shù)為16.97%～61.33%。變異系數(shù)>40%的性狀分別為瞬時(shí)羧化效率61.33%、小區(qū)產(chǎn)量58.93%、瞬時(shí)水分利用率53.96%、內(nèi)稟水分利用率50.97%、單瓜質(zhì)量46.19%、凈光合速率43.93%。綜合分析表明,甜瓜種質(zhì)資源數(shù)量性狀間具有一定變異性,不同種質(zhì)資源性狀之間也具有較為明顯的遺傳多樣性。

表4 甜瓜種質(zhì)資源數(shù)量性狀分析結(jié)果

2.2 相關(guān)性分析

對(duì)44份甜瓜種質(zhì)資源進(jìn)行相關(guān)性分析(表5)表明,胞間CO2濃度與蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度分別在0.01水平和0.05水平上呈顯著正相關(guān),與凈光合速率、瞬時(shí)水分利用效率、氣孔限制值、瞬時(shí)羧化效率和內(nèi)稟水分利用率在0.01水平上呈顯著負(fù)相關(guān)。葉柄長(zhǎng)與小區(qū)產(chǎn)量在0.01水平上呈顯著正相關(guān),與節(jié)間長(zhǎng)和頂端列片長(zhǎng)度在0.05水平上呈顯著正相關(guān)。節(jié)間長(zhǎng)與頂端裂片長(zhǎng)度在0.01水平上呈顯著正相關(guān)。小區(qū)產(chǎn)量與氣孔導(dǎo)度、單瓜質(zhì)量在0.05水平上呈顯著正相關(guān)?？扇苄怨绦挝锖颗c凈光合速率在0.05水平上呈顯著正相關(guān)。各性狀相關(guān)分析表明,胞間CO2濃度越大,蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度越大、其余幾個(gè)光合指數(shù)越小,氣孔導(dǎo)度越大、小區(qū)產(chǎn)量越高,凈光合速率越大、可溶性固形物含量越高(甜瓜越甜)。說(shuō)明通過(guò)適當(dāng)增加光合作用可以促進(jìn)甜瓜產(chǎn)量的提高和增加口感。因此,根據(jù)數(shù)量性狀相關(guān)性為甜瓜品種改良和應(yīng)用提供理論依據(jù)。

表5 甜瓜種質(zhì)資源數(shù)量性狀相關(guān)系數(shù)

2.3 主成分分析

主成分選擇主要依據(jù)特征值和貢獻(xiàn)率,以特征值大于1為標(biāo)準(zhǔn)提取成分[15]。從表6可以看出,前10個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)83.873%,意味著這10個(gè)主成分能代表甜瓜所有性狀的遺傳信息。

表6 甜瓜種質(zhì)資源性狀的主成分分析

第1主成分特征值為5.695、貢獻(xiàn)率為21.904%,主要包含的性狀有小區(qū)產(chǎn)量、果形、果皮覆色,其特征向量分別為0.749～0.924,這類(lèi)性狀主要和甜瓜產(chǎn)量和果實(shí)形狀有關(guān)。第2主成分特征值3.326、貢獻(xiàn)率為12.792%,主要包括氣孔限制值、ETR、單瓜質(zhì)量,與甜瓜光合效率和單瓜質(zhì)量有關(guān)。第3主成分特征值為2.779、貢獻(xiàn)率為10.689%,主要包括果面覆紋顏色、果面覆紋形狀、瓜瓤顏色和果肉主色等性狀,與甜瓜果實(shí)外觀(guān)和果肉顏色相關(guān)。第4主成分是凈光合速率。第5主成分是可溶性固形物。第6主成分是PSⅡ。第7主成分是胞間CO2濃度和蒸騰速率。第8主成分是葉柄長(zhǎng)、節(jié)間長(zhǎng)和頂端裂片長(zhǎng)度,主要與葉片形狀有關(guān)。第9主成分是內(nèi)稟水分利用率。第10主成分是氣孔限制值和葉柄姿態(tài)。

2.4 聚類(lèi)分析

由圖1可以看出,在歐氏距離為10時(shí),可以將44份甜瓜種質(zhì)資源分為5類(lèi)。其中,第1類(lèi)群包含灰鼠子和百里香等16份種質(zhì)資源,占比36.36%,該類(lèi)種質(zhì)資源來(lái)源較廣,小區(qū)產(chǎn)量較高、可溶性固形物含量偏高,口感好,很受市場(chǎng)歡迎,可作為改良甜瓜產(chǎn)量或品質(zhì)改良的目標(biāo)親本加以利用。第2類(lèi)群包含恒祥-1和M1402等10份種質(zhì)資源,占比22.73%,來(lái)源以甘肅酒泉為主,此類(lèi)種質(zhì)資源多表現(xiàn)為光合作用較強(qiáng),葉柄粗壯和肉色適宜等優(yōu)良性狀,可作為高光效類(lèi)型種質(zhì)資源加以改良利用。第3類(lèi)群主要包含XS-15-28-7和L31等11份種質(zhì)資源,占比25.00%,來(lái)源較廣,以遼寧東港為主,此類(lèi)種質(zhì)資源單瓜質(zhì)量較優(yōu),外觀(guān)較好。第4類(lèi)群僅包含2個(gè)種質(zhì)資源,占比4.55%,均來(lái)源于海南省,表現(xiàn)為果柄和葉柄較長(zhǎng)、單瓜質(zhì)量偏小。第5類(lèi)群包含5個(gè)種質(zhì)資源,占比11.36%,此類(lèi)種質(zhì)資源來(lái)源較廣,可溶性固形物含量較低、口感不好、光合效率普遍較低。

在歐氏距離為5時(shí),第1類(lèi)群、第2類(lèi)群和第3類(lèi)群又可分別劃分3個(gè)亞類(lèi),第4類(lèi)群可劃分2個(gè)亞類(lèi)。可對(duì)甜瓜種質(zhì)資源進(jìn)一步細(xì)致的區(qū)分。

3 討論與結(jié)論

作物表型性狀是由品種本身遺傳和生態(tài)環(huán)境因素互作產(chǎn)生的結(jié)果,種質(zhì)資源間的親緣關(guān)系可由遺傳多樣性指數(shù)和變異系數(shù)來(lái)表示,遺傳多樣性是種質(zhì)資源研究生物進(jìn)化和新品種選育的基礎(chǔ)。相關(guān)研究發(fā)現(xiàn),遺傳多樣性指數(shù)越高,資源對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性程度越強(qiáng);變異系數(shù)可反映物種在適應(yīng)環(huán)境過(guò)程中產(chǎn)生的變異,變異系數(shù)越大,表明獲得優(yōu)良資源的可能性越大[15-18]。因此,通過(guò)對(duì)生物學(xué)性狀遺傳多樣性的探索,可以全方位地了解所掌握資源的程度。目前,雖然分子標(biāo)記手段[19-20]已應(yīng)用到作物種質(zhì)資源評(píng)價(jià)和鑒定研究當(dāng)中,但最基本的形態(tài)學(xué)依然是種質(zhì)資源研究最基本的方法和手段[21-23]。

本研究通過(guò)表型性狀遺傳多樣性分析發(fā)現(xiàn),遺傳多樣性指數(shù)(H′)除果肉主色(0.902 3)外均>1,果形最大,為3.522 2;變異系數(shù)>40%的表型性狀主要有小區(qū)產(chǎn)量和單瓜質(zhì)量;變異系數(shù)>40%的光合性狀有瞬時(shí)羧化效率、瞬時(shí)水分利用率、內(nèi)稟水分利用率和凈光合速率;表明吉林省引進(jìn)的44份甜瓜種質(zhì)資源表型性狀變異較為豐富,結(jié)果與前人研究結(jié)論[4-6]較為一致。

本研究發(fā)現(xiàn),葉柄長(zhǎng)與小區(qū)產(chǎn)量、節(jié)間長(zhǎng)與頂端裂片長(zhǎng)度在0.01水平上顯著,葉柄長(zhǎng)與節(jié)間長(zhǎng)和頂端裂片長(zhǎng)度、小區(qū)產(chǎn)量與單瓜質(zhì)量在0.05水平上相關(guān)性顯著。與欒非時(shí)等的相關(guān)研究結(jié)果[24-26]相似。此外本研究在關(guān)注光合效率與產(chǎn)量、品質(zhì)間相關(guān)性時(shí)發(fā)現(xiàn),氣孔導(dǎo)度與單瓜質(zhì)量和小區(qū)產(chǎn)量、凈光合速率與可溶性固形物含量均在0.05水平上顯著相關(guān)。說(shuō)明適當(dāng)增加光照可以起到提質(zhì)增效的效果,同時(shí),湯謐等研究指出,凈光合速率高的甜瓜品種,在可溶性固形物和蔗糖等積累上較其他品種高[27-28]。

本研究對(duì)44份甜瓜種質(zhì)資源表型性狀和光合相關(guān)性狀進(jìn)行主成分分析時(shí)發(fā)現(xiàn),第1主成分主要和甜瓜產(chǎn)量和果實(shí)形狀有關(guān)。第2主成分與甜瓜光合效率和單瓜質(zhì)量有關(guān)。第3主成分與甜瓜果實(shí)外觀(guān)和果肉顏色相關(guān)。第5主成分是可溶性固形物含量,與甜瓜品質(zhì)性狀相關(guān)。在今后對(duì)種質(zhì)資源創(chuàng)新利用時(shí),可以充分考慮主成分及相關(guān)性分析,并協(xié)調(diào)好第1主成分、第2主成分、第3主成分和第5主成分間的關(guān)系,以期創(chuàng)造優(yōu)異新材料和優(yōu)良新品種。

王煒勇等通過(guò)形態(tài)學(xué)聚類(lèi)分析,將27份薄皮甜瓜按生育期區(qū)分為2類(lèi),在亞類(lèi)上注重質(zhì)量性狀及相關(guān)性的考察[3,29]。張永兵等利用表型性狀對(duì)新疆地方甜瓜品種聚類(lèi)突破性研究時(shí)發(fā)現(xiàn),哈密野瓜與其他地方品種親緣關(guān)系最遠(yuǎn),可能屬于野生甜瓜亞種[4]。本研究利用表型性狀并參考光合相關(guān)性狀,在歐氏距離為10時(shí),將44份甜瓜種質(zhì)資源區(qū)分為5個(gè)類(lèi)群,在歐氏距離為5時(shí),又將每個(gè)類(lèi)群劃分為2～3個(gè)亞類(lèi)。44份甜瓜種質(zhì)資源來(lái)源較廣、遺傳背景和親緣關(guān)系適宜。

吉林省引進(jìn)的44份甜瓜種質(zhì)資源的果實(shí)性狀在單瓜質(zhì)量、小區(qū)產(chǎn)量、果形、瓤色和果實(shí)品質(zhì)的可溶性固形物含量方面具有較為明顯的遺傳差異,遺傳多樣性較為豐富,對(duì)后續(xù)遺傳改良、創(chuàng)制新材料和選育新品種具有較大的潛力。