黃燈籠辣椒核心種質資源比較構建研究

劉子記　孫繼華　楊衍　曹振木

摘 要 核心種質的構建為種質資源的研究和有效利用提供了便利條件。以146份黃燈籠辣椒種質資源為試驗材料，基于10個性狀表型數據，采用混合線性模型分析方法無偏地預測基因型值，利用馬氏距離計算種質間的遺傳距離，分別采用2種取樣方法（隨機取樣法和優先取樣法），2種聚類方法（離差平方和法和類平均法），按照30%的抽樣比率構建黃燈籠辣椒核心種質庫。采用均值、方差、極差和變異系數4個指標評價不同取樣方法和聚類方法構建核心種質庫的優劣。試驗結果表明，優先取樣法優于隨機取樣法，類平均法優于離差平方和法?；隈R氏距離、優先取樣法、類平均法獲取的43份黃燈籠椒核心資源能夠代表原群體的遺傳多樣性。

關鍵詞 黃燈籠辣椒；基因型值；核心種質；取樣方法；聚類方法

中圖分類號 S641.3 文獻標識碼 A

Comparative Study on the Construction of Capsicum chinense

Jacquin Core Collection

LIU Ziji1， SUN Jihua2， YANG Yan1， CAO Zhenmu1*

1 Tropical Crops Genetic Resources Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences / Key Laboratory of Crop Gene

Resources and Germplasm Enhancement in Southern China， Ministry of Agriculture， Danzhou， Hainan 571737 China

2 Institute of Scientific and Technical Information， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou， Hainan 571101， China

Abstract Core collection construction facilitates the research and effective utilization of genetic resources. Taking 146 Capsicum chinense Jacquin germplasm as experiment materials， genotypic values of 10 traits were unbiasedly predicted through employing mixed linear model analysis method. The genetic distances among germplasm were calculated using Mahalanobis distance based on genotypic values. Core collections were constructed with 30% sampling proportion by using 2 sampling strategies（random sampling and preferred sampling）and 2 cluster methods（UPGMA and Wards method）， respectively. The genetic variations among core collections were compared through evaluating the mean， variance， range and coefficient of variation of 10 traits. The results showed that preferred sampling method was better than the random sampling method； UPGMA was better than Wards method. 43 core collections， obtained based on Mahalanobis distance， preferred sampling and UPGMA method， could represent genetic diversity of the initial collection. This study could provide important theoretical basis for efficient utilization of Capsicum chinense Jacquin germplasm and breeding of new varieties.

Key words Capsicum chinense Jacquin； Genotype value； Core collection； Sampling strategy； Cluster method

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.12.008

海南黃燈籠椒（Capsicum chinense Jacquin）為茄科（Solanaceae）辣椒屬（Capsicum）多年生草本植物[1]，起源于南美亞馬遜流域[2]，又稱黃帝椒、黃辣椒等，植物分類學上屬于中國辣椒（Capsicum chinense），是海南特有的地方珍稀辣椒品種，主要分布于海南島文昌、萬寧、定安等地區，在海南有著悠久的栽培和食用歷史[3]。黃燈籠椒除了含有豐富的維生素C、礦物質、胡蘿卜素、氨基酸及微量元素外，還含有豐富的辣椒素類物質，辣椒素具有緩解疼痛[4-5]、抗氧化[6-7]、消炎[8]、減肥[9-10]和抗腫瘤活性[11-13]的功效?？傊Ｄ宵S燈籠椒具有非常高的營養價值和藥用價值，是海南最具開發潛力的特色蔬菜作物[14-15]。

種質是指決定生物種性并將其遺傳信息從親代傳遞給子代的遺傳物質的總和。種質資源包括攜帶有不同種質的栽培種、近緣種和野生種[16]。種質資源內蘊含著豐富的遺傳變異和各種性狀的有利基因，為栽培種遺傳改良、新品種選育及遺傳生物學研究提供豐富的遺傳變異和基因資源，是人類發展農業的物質基礎[17]。隨著作物種質資源的不斷收集和積累，種質資源的管理費用不斷提高，并且增加了特異種質材料篩選、挖掘利用的難度。Frankel和Brown于1984年最早提出構建核心種質[18]，核心種質是種質資源的一個核心子集，能夠以最少數量的遺傳資源最大限度地保存整個資源群體的遺傳多樣性，因此核心種質可以作為種質資源研究和利用的切入點，從而提高種質資源的管理和利用水平。近年來，核心種質研究蓬勃發展，先后對芝麻[19]、香菇[20]、木薯[21]、大麥[22]、咖啡[23]、杏[24]等多種作物構建了核心種質庫。園藝作物核心種質研究起步較晚，黃燈籠椒核心種質的研究鮮有報道。

如何使盡可能少的樣品保存盡可能多的遺傳變異，是有效構建作物核心種質的關鍵。作物性狀表型的差異不僅受基因型的影響，還受環境條件的影響，因此如何準確地評價不同種質材料間遺傳上的差異程度以及合理的取樣方法則是高效構建核心種質的前提。本研究將采用混合線性模型預測基因型效應值，比較不同取樣和聚類方法的優劣，有效構建黃燈籠椒核心種質，以期為黃燈籠椒種質資源的高效利用和新品種選育提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料和基因型值預測

試驗于2013年8月中旬在中國熱帶農業科學院熱帶作物品種資源研究所八隊試驗基地進行育苗，10月份進行移栽，2014年2月至3月份進行農藝性狀調查，為了避免不同種植時間造成的誤差，本研究均在同一生長季節完成農藝性狀調查。供試黃燈籠辣椒種質資源共146份，30份來自中國海南，15份來自中國云南，15份來自英國，18份來自法國，15份來自美國，20份來自巴西，16份來自墨西哥，17份來自泰國，不同種質間株高、葉片大小、果實大小等性狀存在顯著差異。將146份黃燈籠辣椒種質資源按隨機區組設計進行種植，重復3次，每個重復種植8株。參考《辣椒種質資源描述規范與數據標準》調查株高、株幅、葉片長、葉片寬、葉柄長、果縱徑、果橫徑、果柄長、果肉厚和單果重，其中株高指門椒成熟期，植株在自然狀態下，其最高點至地面的垂直距離；株幅指門椒成熟期，植株在自然狀態下，植株葉幕垂直投影的最大直徑；葉片長指四門斗始花期，植株中部完整且生長正常的最大葉片的長度；葉片寬指四門斗始花期，植株中部完整且生長正常的最大葉片的寬度；葉柄長指四門斗始花期，植株中部完整且生長正常的最大葉片的葉柄長度；商品果縱徑指發育正常、達到商品成熟度的對椒，果蒂至果頂的直線長度；商品果橫徑指發育正常、達到商品成熟度的對椒，與縱徑垂直的最大橫切面的直徑；果柄長度指發育正常、達到商品成熟度的對椒的果柄的長度；果肉厚度指發育正常、達到商品成熟度的對椒果肉的厚度；單果重指對椒成熟期，單個正常商品果實的重量。采用朱軍[25]提出的混合線性模型，基于調整無偏預測法無偏預測基因型效應值。

1.2 遺傳距離計算與聚類分析

采用馬氏距離基于基因型預測值計算不同黃燈籠椒種質間的遺傳距離，假設共有n份種質資源，采用m個性狀進行聚類。第i個種質與第j個種質的基因型效應向量分別為giT=（gi1， gi2， …gim）；gjT=（gj1， gj2， …gjm），則第i個種質與第j個種質間的馬氏距離計算公式為Dij2=（gi-gj）TVG-1（gi-gj）[26]?；诜N質間的遺傳距離分別利用離差平方和和類平均法進行聚類分析[27]。

1.3 抽樣與核心種質遺傳變異評價

采用隨機取樣法[28]、優先取樣法[29]和30%的抽樣比率構建黃燈籠椒核心種質庫。本研究采用統計分析根據均值、方差、極差和變異系數4個指標來評價核心資源庫的優劣。核心庫各性狀的方差和變異系數應不小于原群體的方差和變異系數，而極差與均值則應基本保持不變[30]。方差的差異性通過F測驗進行分析，均值的差異性通過t測驗進行分析。

2 結果與分析

2.1 比較2種聚類方法構建的黃燈籠椒核心種質

采用馬氏距離、優先取樣法和30%的抽樣比率，分別基于2種聚類方法（離差平方和和類平均法）構建核心種質。結果表明，利用離差平方和和類平均法構建的核心種質的均值與原群體沒有顯著差異，與原群體相比，10個性狀的方差均得到不同程度地提高。利用類平均法構建的核心種質，3個性狀（葉片寬、果縱徑、果肉厚）的方差與原群體差異達極顯著水平，3個性狀（株高、葉柄長、單果重）的方差與原群體差異達顯著水平。采用離差平方和法構建的核心種質僅果肉厚的方差與原群體差異達極顯著水平，5個性狀（株高、葉片寬、果縱徑、果柄長、單果重）的方差與原群體差異達顯著水平。離差平方和和類平均法構建的核心種質均保存了原群體的極差。離差平方和和類平均法構建的核心種質所有10個性狀的變異系數均高于原群體，采用類平均法構建的核心種質9個性狀的變異系數高于離差平方和法，僅果柄長的變異系數略低于離差平方和法（表1）。綜合以上分析結果，采用類平均法進行聚類分析構建的黃燈籠椒核心種質具有相對較大的遺傳差異，優于離差平方和法。

2.2 比較2種取樣方法構建的黃燈籠椒核心種質

采用馬氏距離、非加權類平均法和30%的取樣比率，分別基于2種取樣方法（隨機取樣和優先取樣）構建核心種質。結果表明，利用隨機取樣和優先取樣法構建的核心種質的均值與原群體沒有顯著差異。利用優先取樣法構建的核心種質，10個性狀的方差均大于隨機取樣法構建的核心種質和原群體，其中3個性狀（葉片寬、果縱徑、果肉厚）的方差與原群體差異達極顯著水平，3個性狀（株高、葉柄長、單果重）的方差與原群體差異達顯著水平。采用隨機取樣法構建的核心種質僅果肉厚的方差與原群體差異達極顯著水平，2個性狀（株高、葉片寬）的方差與原群體差異達顯著水平，果柄長的方差低于原群體。采用優先取樣法構建的核心種質保存了原群體的極差，采用隨機取樣法構建的核心種質僅株高和果肉厚的極差與原群體保持一致，其余性狀的極差均小于原群體。優先取樣法構建的核心種質所有10個性狀的變異系數均高于原群體和隨機取樣法，采用隨機取樣法構建的核心種質，8個性狀的變異系數高于原群體，2個性狀（葉柄長和果柄長）的變異系數低于原群體（表2）。以上分析結果表明，采用優先取樣法構建的黃燈籠椒核心種質具有相對較大的遺傳變異，優于隨機取樣法。

2.3 黃燈籠椒核心種質構建

采用馬氏距離、非加權類平均法、優先取樣法和30%的抽樣比率，構建黃燈籠椒核心種質。核心種質的均值與原群體沒有顯著差異。10個性狀的方差均大于原群體，其中3個性狀（葉片寬、果縱徑、果肉厚）的方差與原群體差異達極顯著水平，3個性狀（株高、葉柄長、單果重）的方差與原群體差異達顯著水平。核心種質保存了原群體的極差。核心種質所有10個性狀的變異系數均高于原群體（表3）。獲取的43份核心資源能夠代表原群體的遺傳多樣性。核心種質編號為：CCJ8、CCJ10、CCJ14、CCJ15、CCJ17、CCJ22、CCJ26、CCJ29、CCJ35、CCJ44、CCJ46、CCJ48、CCJ55、CCJ59、CCJ60、CCJ66、CCJ73、CCJ84、CCJ85、CCJ86、CCJ93、CCJ95、CCJ96、CCJ103、CCJ104、CCJ106、CCJ109、CCJ110、CCJ111、CCJ115、CCJ117、CCJ120、CCJ121、CCJ122、CCJ126、CCJ127、CCJ129、CCJ130、CCJ131、CCJ134、CCJ135、CCJ138、CCJ141。

3 討論與結論

核心種質是種質資源的一個核心子集，以最少的遺傳資源數量最大限度地保存整個資源群體的遺傳多樣性[18]。核心種質的構建可以大大提高整個種質庫的管理和利用水平。種質材料的表型不僅受基因型控制，還受環境條件的影響，如何準確地度量不同遺傳材料間的遺傳差異是構建核心種質的關鍵。為了排除環境條件、基因型與環境互作的影響，本研究采用混合線性模型無偏預測性狀的基因型值，基于基因型值計算種質材料間的遺傳距離。

為確保核心種質能夠保存原群體的遺傳結構，首先要對該群體進行遺傳分類。聚類分析是一種重要的多變量分析工具，被廣泛應用于種質資源的分類、親緣關系分析等研究[31]。本研究比較了離差平方和法和類平均法2種聚類方法構建的黃燈籠椒核心種質的優劣。研究結果表明，采用類平均法進行聚類分析構建的黃燈籠椒核心種質具有相對較大的遺傳變異，優于離差平方和法。

完成種質資源遺傳分類后，需根據分類結果采用一定的取樣策略對各類群進行抽樣。核心材料的取樣是構建核心種質的另一個重要環節，不同的取樣方法直接影響核心種質庫的優劣。本研究比較了隨機取樣法和優先取樣法構建的黃燈籠椒核心種質的優劣。通過比較方差和變異系數發現，優先取樣法構建的核心種質的方差和變異系數均大于隨機取樣法，并且優先取樣法優先抽取性狀最大或最小值的樣品，有利于保存特異種質材料，優于隨機取樣法。

核心種質材料應能代表原有種質資源的遺傳多樣性，本研究采用方差、極差、均值和變異系數4個指標來評價核心種質，核心種質各性狀的方差和變異系數應不小于原群體，而極差與均值則應基本保持不變[30]。本研究采用馬氏距離、非加權類平均法和優先取樣法構建的黃燈籠椒核心種質，均值與原群體沒有顯著差異，10個性狀的方差均大于原群體，保存了原群體的極差，10個性狀的變異系數均高于原群體，獲取的43份核心資源能夠代表原群體的遺傳多樣性。

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