43份割手密資源農藝性狀遺傳多樣性評價
2015-04-29 00:44:03劉建樂白昌軍嚴琳玲賈慶麟羅燦張瑜
熱帶作物學報 2015年2期
劉建樂 白昌軍 嚴琳玲 賈慶麟 羅燦 張瑜
摘 要 為揭示割手密種質資源的遺傳多樣性，對野外采集的43份材料的株高、葉長、葉寬、莖徑、節(jié)數等15個重要農藝性狀進行檢測和分析。結果表明，參試材料在這15個性狀上都表現(xiàn)出較大的遺傳變異，變異系數在9.87%～206.37%之間。主成分分析顯示7個主成分對變異的累計貢獻率達86.66%，可作材料選擇的重要依據。聚類分析將參試材料分為3類，其遺傳關系與地理來源沒有必然聯(lián)系。
關鍵詞 割手密；遺傳多樣性；主成分分析；相關性分析
中圖分類號 S566.1 文獻標識號 A
割手密（Saccharum spontaneum L.）即甘蔗細莖野生種，又名甜根子草、小巴茅，為禾本科（Gramineae）蜀黍族（Andropogoneae）甘蔗屬（Saccharum）多年生草本植物[1]。割手密的適應性強，分布范圍廣，在熱帶、亞熱帶兩大氣候區(qū)均有其蹤跡[2]。割手密在甘蔗品種改良中起著重要的作用，是栽培甘蔗種的原始親本之一，生產種植的甘蔗品種中幾乎都有割手密的血緣[3]，研究結果表明，甘蔗栽培種中大約有 10%的染色體來源于割手密[4]。因而世界各主要甘蔗生產國都很重視割手密種植資源的收集和保護，同時也開展了許多遺傳多樣性及核心種質構建的研究[5-6]。
中國是世界上重要的甘蔗原產地和甘蔗種植國，一直非常重視割手密資源的收集、保育及其在甘蔗品種改良上的應用。目前甘蔗育種存在親本資源匱乏，品種間遺傳背景狹窄的困境，利用甘蔗的野生資源割手密，拓展甘蔗親本的遺傳背景，是提高甘蔗親本的遺傳多樣性的有效途徑[7]。齊永文[8]對廣東甘蔗種質資源庫中的64份割手密材料的遺傳多樣進行研究，結果發(fā)現(xiàn)，9個性狀上都表現(xiàn)出了較高的遺傳差異，變異系數介于0.17～0.58，均超過10%。王麗萍等[9]利用割手密和甘蔗雜交、回交手段，獲得了高糖后代。李奇?zhèn)3]研究發(fā)現(xiàn)利用割手密進行雜交前對其糖分進行目的選擇有利于提高其雜交后代的蔗糖分。張革民等[10]對割手密的蔗糖分變異及聚類分析發(fā)現(xiàn)糖分遺傳變異具有豐富多樣性。海南甘蔗育種場利用陵水、崖城、云南的割手密的3個無性系，育成了23個含我國本土割手密血緣的甘蔗品種，甘蔗中10%的遺傳物質來源于割手密[4]。邱崇力等[11]、楊榮仲等[12]等分別對我國云南和四川等地割手密種質資源遺傳特點進行了研究，各省割手密類型多樣，遺傳多樣性豐富。黃忠興[13]對國內外456份割手密材料的主要農藝性狀進行了多樣性分析，雖然材料廣泛，但其材料生長在75 cm的水泥圈中，實驗設計未設重復。張革明[14]對94份割手密材料的主要數量性狀進行了主成分及聚類分析，但是材料來源狹窄（90份采自廣西，4份引自云南），實驗設計為桶栽。本研究對采自華南8省的43份割手密材料進行大田實驗觀察，旨在從15個重要農藝性狀中篩選出對變異的累計貢獻率較大的7個主成分，為將來割手密種質資源的收集保育和創(chuàng)新利用提供參考依據。
1 材料與方法
1.1 材料
1.1.1 自然概況
（1）氣候條件。試驗田位于海南省儋州市中國熱帶農業(yè)科學院牧草基地，處于北緯19°30′，東經109°30′，海拔134 m；年平均氣溫23.4 ℃，5～11月高溫多雨，12月至來年4月低溫干旱，干濕季節(jié)明顯。試驗田年均氣溫27.3 ℃，歷年絕對高溫為38.9 ℃，絕對低溫6.7 ℃；，年均降水量1 766.2 mm，年平均日照時數1 996.2 h。
（2）土壤條件。試驗地土壤為酸性磚紅壤，土壤質地較差。經測定，pH5.29，全氮0.069%，有機質1.38%，速效磷1.8 mg/L，速效鉀37 mg/L。
1.1.2 供試材料 供試的43份割手密材料見表1。
1.2 方法
1.2.1 試驗方法 試驗采用隨機區(qū)組設計，設3個重復，小區(qū)面積為2.0 m×2.0 m，小區(qū)間隔1 m，株行距0.4 m×0.4 m，2013年9月26日種植大田，按照常規(guī)方式管理，2014年6月16日進行指標調查。每個指標均重復9次求其平均值。
1.2.2 測定項目與方法
株高（cm）：測定植株的生理株高。
葉長（cm）：葉片肥厚帶到葉尖的長度。
葉寬（cm）：葉片最寬處的長度。
葉面積（cm2）：參照葉面積指數法[15]進行測定，葉面積=0.75×葉長×葉寬。
節(jié)數：參照《甘蔗種質資源描述數據規(guī)范和數據標準》[16]。
五節(jié)長：莖中部最長節(jié)連續(xù)五節(jié)長度。
分蘗率：分蘗率=總分蘗數/基本苗。
莖徑：測定植株中部節(jié)間的直徑。
單株干物質積累（干物質）（g）：每個小區(qū)選取3株健康完整的植株，齊泥砍下，將莖葉鞘分去，用報紙包好，105 ℃殺青1 h，然后在80 ℃烘至恒重，分別稱重。
生長勢、黃葉癥、眼點病、螟蟲、金龜子和嵌紋病參照《甘蔗種質資源描述數據規(guī)范和數據標準》[16]，略作改動，具體如下：
生長勢：4=很好，3=較好，2=中等，1=較差；
黃葉癥：3=易感染，2=中抗，1=高抗，0=免疫；
眼點病：3=易感染，2=中抗，1=高抗，0=免疫；
螟蟲：3=易感染，2=中抗，1=高抗，0=免疫；
金龜子：3=易感染，2=中抗，1=高抗，0=免疫；
嵌紋病：3=易感染，2=中抗，1=高抗，0=免疫。
遺傳多樣性指數計算公式為：
H′=-∑Pi×LnPi [17]
1.3 數據處理與分析
采用Microsoft office Excel 2003對數據進行處理，使用SAS 9.0軟件計算相關系數，并進行主成分分析和聚類分析。
2 結果與分析
2.1 農藝性狀間的遺傳多樣性分析
從43份割手密資源的15個性狀結果可知，割手密種質資源性狀差異明顯，變異范圍廣，遺傳多樣性豐富（表2）。
15個性狀的平均變異系數為60.98%，株高、葉長、節(jié)數和五節(jié)長的變異系數均小于20%，以株高的變異系數最低；干物質、黃葉病、眼點病、螟蟲、金龜子和嵌紋病的變異系數均高于50%，以螟蟲的變異系數最大。各指標的變異系數大小為：螟蟲>黃葉病>金龜子>眼點病>干物質>嵌紋病>分蘗率>生長勢>葉面積>莖徑>葉寬>節(jié)數>葉長>五節(jié)長>株高。這表明參試割手密的株高、葉長、節(jié)數和五節(jié)長等一致性較強，變異的范圍不大，相比之下，干物質、黃葉病、眼點病、螟蟲、金龜子和嵌紋病等抗蟲、抗病性的變異范圍更廣。
15個性狀的平均多樣性指數為1.56，其中，螟蟲的多樣性指數最小（0.70），株高的多樣性指數最大（1.98），兩者相差1.28，說明參試材料不同性狀間變異幅度較大，其余各性狀的多樣性指數在1.00～1.94之間，結果表明，參試割手密種質的主要農藝性狀遺傳多樣性豐富，在育種方面有巨大的潛力。
2.2 農藝性狀間的簡單相關分析
利用SAS 9.0軟件，對株高、葉長、葉寬及嵌紋病等15個農藝性狀指標進行相關分析（表3），結果表明：生長勢均和株高呈顯著正相關，葉長、葉寬、葉面積、節(jié)數、五節(jié)長、莖徑和干物質均與株高呈極顯著正相關，分蘗率和株高呈極顯著負相關。這和大田觀察結果相似，一般來說，高大植株的材料其葉子比較長，比較寬，干物質積累也比較多，但是分蘗率往往比較低。分蘗率與葉長呈顯著負相關，葉面積、五節(jié)長、莖徑、干物質和生長勢均和葉長呈極顯著正相關；莖徑和葉寬呈顯著正相關，葉面積、節(jié)數和干物質均與葉寬呈極顯著正相關；分蘗率與葉面積呈顯著負相關，節(jié)數、五節(jié)長、莖徑、干物質和生長勢均與葉面積呈極顯著正相關；生長勢和節(jié)數呈顯著正相關，分蘗率和節(jié)數呈顯著負相關，五節(jié)長、莖徑和干物質均與節(jié)數呈極顯著正相關；生長勢和五節(jié)長呈顯著正相關，干物質和莖徑與五節(jié)長呈極顯著正相關，分蘗率和五節(jié)長呈極顯著負相關；干物質和莖徑與分蘗率均呈極顯著負相關，一般來說，分蘗率高的植物，不利于植物干物質的積累。生長勢和莖徑呈顯著正相關，干物質與莖徑呈極顯著正相關，對于禾本科植物，其干物質主要貯存在莖中，莖越粗，其干物質的積累也越大。此外，相關分析還表明生長勢和干物質呈極顯著正相關。
2.3 農藝性狀間的主成分分析
主成分分析結果表明（表4），在所有的主成分構成中，入選的前7個特征值和相應的特征向量累計貢獻率達86.66%。其中第1主成分貢獻率39.96%為最大，第2、3、4、5、6、7主成分的貢獻率分別為11.25%、10.68%、8.57%、7.17%、4.74%、4.30%。因此可以應用這幾個主成分對其農藝性狀進行概括分析，提取的7個主成分基本上代表了15個指標的絕大部分信息。
從表4、5可知，決定第1主成分大小的主要是株高、葉面積、五節(jié)長、莖徑和干物質5個性狀分量，主成分1相當于5.993 4個原始指標的作用，它反映了原始數據39.96%的信息量。這幾個都屬于產量性狀，是產量性狀因子。
在第2主成分的特征向量中，特征向量為正且值較高的性狀有黃葉癥、螟蟲和金龜子。特征向量為負且較高的性狀有葉長、葉面積和生長勢。說明這一主成分大的材料，抗病、抗蟲性較強，葉長、葉面積較小，植物生長勢也較慢。因此，選擇葉長小，生長勢慢的材料，可以有效防止病蟲害。甘蔗育種中需要考慮生長勢大，栽培上需要考慮降低材料的病蟲害。第2主成分主要包含病蟲害性狀，是抗性性狀因子。
在第3主成分的特征向量中，特征向量為正且值較高的性狀有分蘗率、生長勢、葉寬和葉面積。特征向量為負且較高的性狀有螟蟲、五節(jié)長、眼點病和黃葉癥。說明這一主成分大的材料，其生長茂盛，生物質產量高，但其抗蟲抗病性較弱。第3主成分是茂盛性因子。
在第4主成分的特征向量中，特征向量為正且值較高的性狀有嵌紋病、黃葉病和五節(jié)長。特征向量為負且較高的性狀有葉寬、葉面積和干物質。說明這一主成分大的材料，其抗病性強，但其干物質產量低。第4主成分是產量性狀因子。
第5、6、7主成分的大小主要由螟蟲、金龜子、嵌紋病、葉長、五節(jié)長和生長勢決定。在這3個主成分中，其抗病性越強，五節(jié)長和生長勢越弱。因此可稱其為主莖節(jié)數性狀因子。
綜上所述，入選材料應是第4、5、6、7主成分偏低，第3主成分適中偏低，第1、2主成分較高。即應選擇植株高大、莖粗、干物質積累多的材料。經依此篩選，A1和A36兩份材料具有較好的綜合農藝性狀。
2.4 農藝性狀的聚類分析
以15個指標作為對割手密農藝性狀評價的標準，利用SAS 9.0軟件，運用類平均法進行聚類分析（圖1），從圖1可以看出，通過聚類可將43份種質分為3大類。第Ⅰ類只有A1（云南）一份種質，第Ⅱ類有41份種質，其中廣東6份、海南6份、廣西11份、云南8份、湖南3份、福建4份、江西2份、貴州1份，第Ⅲ類只有A36（海南）一份種質。從圖看出它們的聚類結果與其地理來源沒有嚴格的一致性。從各類群的農藝性狀看（表6），第Ⅰ類群植株生長迅速，植株高大，莖粗，葉子長且寬，單株干物質積累量多，但是分蘗率低；第Ⅱ類群植株分蘗率高，抗病、抗蟲性強，但是植株矮小，節(jié)數較少，不利于單株干物質的積累；第Ⅲ類群的特點大多處于第Ⅰ類群和第Ⅱ類群之間，表現(xiàn)為節(jié)數多，植株高大，干物質積累豐富，易染病。
3 討論與結論
種質資源是作物育種的物質基礎，甘蔗育種史上的重要突破均與優(yōu)異種質資源的發(fā)現(xiàn)和利用有關。因此對割手密資源農藝性狀的研究，發(fā)掘其優(yōu)異的基因資源，對甘蔗遺傳改良具有重要的意義。采用聚類分析方法，將43份供試割手密材料劃分為各具特征的三類。說明供試材料表現(xiàn)出多樣性和遺傳分歧的多向性，這與齊永文[8]對廣東割手密品種農藝性狀的聚類分析結果一致。本研究認為以植株高大、單株干物質積累量多為目的育種選擇親本應從I類的材料中進行篩選；分蘗率高，抗病、抗蟲性強育種選擇親本，應從Ⅱ類的41份材料中進行篩選；要利用割手密節(jié)數多的特點，應從Ⅲ類的材料中進行篩選。同時還可根據聚類所劃分的類群并結合來源地選擇一些育種所需的目標類型的少數材料來構建割手密的核心種質資源庫。
遺傳變異系數是遺傳變異潛力大小的標志，表示群體中直接選擇的范圍。變異系數大的性狀說明從該群體中選出具有該性狀的優(yōu)良個體的幾率大，反之則小，因此在選擇時，可參考性狀的變異情況進行選擇。本研究對43份材料的農藝性狀進行了分析，結果表明，在所調查的分蘗率、干物質黃葉癥等多個性狀中，除株高外，其他指標均表現(xiàn)出了較高的遺傳變異，變異系數介于14.65%～206.37%之間，其中螟蟲和黃葉病的變異系數最高，表明參試材料對螟蟲和黃葉癥的抗性有較高的變異潛力，在育種利用過程中需要注意選擇抗蟲、抗病的種質。齊永文等[8]對來自廣東地區(qū)的64份割手密種質的農藝性狀遺傳多樣性進行評價的研究中，與本研究相同的節(jié)數、葉長、葉寬等指標的變異系數均低于0.50，遠低于本研究的結果，這可能是因為其實驗材料均來自于廣東地區(qū)，具有較近的遺傳距離。另外，黃忠興等[13]對國內外456份不同地理來源的割手密的農藝性狀進行了分析，其中眼點病和金龜子的遺傳多樣性指數分別為0.97和1.50，與本研究結果相似；而本研究中株高、葉長、葉寬、葉面積、莖徑和五節(jié)長的遺傳多樣性指數均處于1.90
張革明等[10]認為，甘蔗育種的最佳途徑是要求品種各性狀之間的協(xié)調發(fā)展，不能片面追求單一目標性狀的提高。本研究相關分析結果表明，割手密農藝性狀間相互關系復雜，彼此間或相互制約，或協(xié)調發(fā)展，各性狀間存在不同程度的相關。因此，選擇割手密作為親本材料時應根據育種目標綜合考慮多個性狀進行選擇。本試驗利用主成分分析將割手密主要農藝性狀轉化為較少的幾個主成分，提供了原性狀85%以上的信息，且是綜合的、相對獨立的指標體系，數值直觀，容易分析。將主成分分析用于割手密農藝性狀的評價和篩選，既能把握其綜合性狀表現(xiàn)，又能簡化選擇程序，且更具有科學性。按入選的7個主成分因子分析所得的相應標準篩選，來自云南的A1和海南的A36兩份材料符合選擇標準，這些材料需要改良的性狀相對較少，分別具有各自的優(yōu)點，可以在甘蔗育種中加以利用。從供試材料間的聚類分析可以看出，43份割手密的遺傳聚類與其地理來源沒有嚴格的一致性，產生這種現(xiàn)象的原因可能有2個：一是地區(qū)之間存在種質資源的交換，二是不同地方品種來源地的小生境可能存在一定的遺傳相似性。特別值得注意的是，A1（云南）與其他供試材料差異明顯，單獨為一類。與同為云南的A19并沒有聚為一類，其原因可能是地理位置導致了基因的變異，A19靠海邊，A1靠近山區(qū)。
割手密不僅可以為甘蔗育種提供原材料，而且可以用來固土護坡，保持水土。最近幾年將割手密作為能源植物研制酒精的報道也越來越多。本研究收集的43份材料中，不同省份材料在數量上差異也較大，如貴州、江西和福建的材料太少。因此，要準確掌握我國割手密分布及遺傳多樣性的情況，應建立全國性質的割手密種質資源圃，在摸清其遺傳多樣性規(guī)律的基礎上加快甘蔗育種和新能源開發(fā)新途徑。
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