紅花種質資源形態性狀遺傳多樣性分析

郭麗芬　張躍　徐寧生　高梅　李文昌　胡尊紅　鄧劍川　劉旭云

摘 要 為促進紅花品種改良及種質資源的高效利用，以篩選出的68份優異種質為材料，對19個形態性狀進行調查分析，研究其遺傳多樣性。利用主成分分析和聚類分析，結果表明：國內外不同地理來源紅花資源群體間的遺傳多樣性豐富，數量性狀上存在較大變異。主成分分析以5個主成分因子反映了13個數量性狀的全部信息。累計貢獻率達85.08%，各主成分包含的信息具有一定的相關性，表明主成分分析結果與參試資源和性狀指標的選擇均有關系。將主要農藝性狀歸納為產量構成因子，生長勢因子和子粒因子。采用DPS 7.0軟件，進行系統聚類分析，根據19個性狀在紅花種質資源間的不同表現，在遺傳距離13.29處將68份供試材料聚為7大類群。聚類結果表明，不同地理來源的種質資源多樣性較豐富，聚類分析中部分地理來源相同或遺傳背景相似的資源能夠聚在同一類群，但也有一些地理來源及遺傳背景不一致的種質資源也聚在同一類群，少部分資源品種表現差異大，表明品種類群間的性狀分化與地理分布既有一定的聯系又不絕對相關，即不同地區的材料聚類呈現一定的地理分布規律。研究結果表明：供試的紅花種質資源具有豐富的遺傳多樣性，其中多樣性指數最高的是分枝總數為15.779 2，其次為單株有效果球數、單株產量和分枝長度，依次為15.673 9、10.617 5和10.415 5，多樣性指數越高，表明遺傳多樣性越豐富。實踐證明在雜交或其他方法育種中，選配親本材料應依據主成分的排序，具體分析與全面評價每個親本材料綜合指標的優劣，依據紅花育種目標，結合聚類分析，合理地選配組合。對于紅花品種改良及資源的進一步開發利用具有重要意義。

關鍵詞 紅花；形態性狀；主成分分析；聚類分析；遺傳多樣性

中圖分類號 S681.9 文獻標識碼 A

The Genetic Diversity Analysis of Both Morphologic

Traits and Agrinomic Traits of Safflower

（Carthamus tinctorius L.）Germplasm Resources

GUO Lifen1， ZHANG Yue2， XU Ningsheng1， GAO Mei1， LI Wenchang1*，

HU Zunhong1， DENG Jianchuan1， LIU Xuyun1*

1 Industrial Crop Research Institute， Yunnan Academy of Agricultural Sciences， Kunming，Yunnan 650205， China

2 Shuanglong Subdistrict Office， Panlong， Kunming， Yunnan 650224， China

Abstract Both morphologic traits and agronomic traits of 68 outstanding safflower varieties were evaluated by both principal component analysis and cluster analysis to promote the breeding of new cultivars and effective application of germplasms resources. The genetic diversity of safflower evaluated was very rich， and the variation in quantitative character among the varieties was great. Five principal component could reflect fully 13 quantitative characters with cumulative rate 85.08%. The results of the principal component analysis correlated with morphologic traits and agronomic traits evaluated. The agronomic traits were divided into 3 groups： yield component factors， growing factors， kernel factors. 68 safflower varieties were divided into 7 groups by cluster analysis of 19 traits at 13.29 genetic distance by software DPS 7.0. There were plenty of variation among varieties from different places. Some varieties from the same place could be divided into the same group， in which there were some varieties with huge difference from different places. It meant morphology cluster was somewhat related to the original place. The trait with the highest index of genetic diversity was the number of branches（15.779 2）， the effective number of fruits per plant（15.673 9）， the yield per plant（10.617 5） and the length of branches（10.415 5）. It is important to select parents with good quality by the results of both the principal component analysis and the analysis to breed new cultivars， which will be helpful for both the application of safflower germplasm resources and the breeding of new safflower cultivars.

Key words Safflower（Carthamus tinctorius L.）；Morphologic traits；Principal component analysi；Cluster analysis；Genetic diversity analysis.

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2015.01.014

紅花（Carthamus tinctorius L. 2n=24）屬菊科（ Compositae）紅蘭花屬（Carthamus），又名黃蘭、紅蘭花、草紅花、紅花菜，為一年生草本雙子葉植物。紅花的原產地為大西洋東部，非洲西北部的加那利群島及地中海沿岸[1]。種植區分布在20°S～47°N的范圍之間，在沿海地帶和半干旱地區均有分布[2]。紅花在我國已有2 100多年的栽培和藥用歷史，主要集中在新疆、四川、云南、河南、甘肅、河北、山東、浙江、江蘇等省（區）。中國紅花種植面積約6.6萬hm2，主要是藥用，部分油藥兼用。早在20世紀30年代，甘肅省敦煌縣就將紅花作為油料作物栽培，直到20世紀50年代，由于推廣高含油量的優良品種，紅花才成為一種新的油料作物得以發展。在國外，紅花是一種重要的油料作物，紅花子油是世界公認的具有保健、美容功效的功能性食用油，在國際上被稱為“綠色食品”，其亞油酸含量是已知植物油中最高的，達80%，號稱“亞油酸之王”，并富含維生素E和其他營養成分，長期食用具有良好的保健作用[3-5]。

用主成分分析法和聚類分析法是遺傳育種和品種資源研究中普遍應用的兩種方法[6]，已在豌豆[7]、油菜[8]、黍稷[9]、蠶豆[10]等種質資源研究中得到廣泛應用。目前，關于紅花種質資源形態性狀遺傳多樣性分析的報道較少，本研究通過對世界不同地理來源的紅花種質資源進行系統的鑒定，對其主要形態性狀進行遺傳多樣性分析，為充分了解紅花種質資源遺傳多樣性地理分布特點和種質資源群間的遺傳關系，挖掘優異種質材料，旨在為拓寬紅花品種改良與種質資源創新基礎提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 材料

從已收集保存48個國家的3 000余份紅花種質資源中，結合多年田間試驗篩選出的68份優異種質為材料，研究其形態性狀遺傳多樣性。供試材料編號、名稱及來源地見表1。

1.2 方法

1.2.1 試驗設計 試驗于2008～2009年在云南省元謀縣實驗農場進行，試驗點位于海拔1 118.4 m，E101°52′，N25°44′；年均氣溫21.9 ℃≥10 ℃，年積溫7 786 ℃，終年基本無霜（持續時間350 d），年降雨量615.1 mm，雨量占年降水量的90%以上；該區光熱資源豐富，年日照時數2 670 h，日照百分率62%，全年太陽總輻射量641.8 kJ/㎝2[11-12]。土壤類型為沙壤土，肥力中等，有灌溉條件。試驗采用隨機區組設計，3次重復；每個小區種植4行，行長1.5 m，行距40 cm，株距15 cm，小區面積2.4 m2。其它田間管理措施同大田一致。

1.2.2 性狀調查 性狀的觀察與記錄用《紅花種質資源描述規范和數據標準》中的統一標準進行[13]。田間目測觀察葉緣、葉形、葉刺、花色等形態性狀；成熟時每個小區隨機取樣10株室內考種，調查株高、莖粗、第一分枝高度、最末分枝高度、分枝長度、分枝總數、單株有效果球數、頂果球直徑、果球著粒數、千粒重、單株產量、小區產量、種子形狀、種子殼型等。統計分析的性狀分為兩類：一類是質量性狀，包括葉緣、葉形、葉刺、花色、種子形狀、種子殼型6個性狀；另一類是數量性狀，包括生育期、株高、莖粗、第一分枝高度、最末分枝高度、分枝長度、分枝總數、單株有效果球數、頂果球直徑、果球著粒數、千粒重、單株產量、小區產量等13個性狀。計算平均值、標準差、最小值、最大值、變異幅度、變異系數和遺傳多樣性指數。

1.3 數據處理及統計分析

利用Excel2007計算供試材料13個數量性狀的總體平均數（X）、標準差（s）和變異系數（CV%）。根據總體平均數（X）和標準差（s）計算結果將所有材料劃分為10級，按第1級[Xi<（X-2s）]到第10級[Xi>（X+2s）]， 每0.5 s為1級，Xi為第i級中的數據，每1級的相對頻率（Pi）用于計算多樣性指數。遺傳多樣性指數即Shannon-Weiner index（H′）的計算公式[14-15]如下：H′=PilnPi，式中n為某一性狀表型級別的數目，Pi為某性狀第i級別內材料份數占總份數的百分比。采用DPS7.0軟件進行主要農藝性狀的主成分分析和聚類分析。聚類分析時將原始數據進行標準化處理，采用歐氏距離和離差平方和法進行數據分析[16-17]。

2 結果與分析

2.1 紅花種質資源質量性狀遺傳多樣性分析

對68份紅花種質資源的6個質量性狀進行統計分析，結果（表2）顯示，紅花種質資源葉緣多為鋸齒（86.76%），葉形多為長橢圓形（44.12%），葉刺（86.76%）為很多，花色則多為橘黃色和橘紅色（分別為48.53%和32.35%），種子殼型多為普通（91.18%）， 種子形狀（88.24%）為橢圓。遺傳多樣性分析可知，葉形性狀表現出較豐富的遺傳多樣性，遺傳多樣性指數最高為1.233 3，其次是花色遺傳多樣性指數為1.163 6；葉形在5種變異類型中以長橢圓形和橢圓形為主，卵形次之，少數為披針形和條形。花色在5種變異類型中以橘黃色和橘紅色為主，黃色次之，少數為白色和紅色。

2.2 紅花種質資源數量性狀遺傳多樣性分析

對13個數量性狀進行統計分析，結果表明（表3），紅花種質資源數量性狀差異明顯，變異范圍大，遺傳多樣性豐富。13個性狀的平均變異系數為25.41%。生育期、株高、莖粗、最未分枝高度、頂果球著粒數、頂果球直徑、千粒重的變異系數小于20%；分枝總數、單株有效果球數的變異系數大于50%；其他4個性狀的變異系數在20%～50%之間。說明參試材料的生育期、株高、莖粗、最未分枝高度、頂果球著粒數、頂果球直徑、千粒重等一致性較強，變異范圍不大；相比之下，分枝總數、單株有效果球數、單株產量、第一分枝高度、小區產量、分枝長度等性狀的變異范圍更大。

13個性狀的平均遺傳多樣性指數為10.024 9，其中，分枝總數的遺傳多樣性指數最高為15.779 2，生育期最低為2.656 0兩者相差13.123 2；分枝總數、單株有效果球數、單株產量、分枝長度、莖粗、頂果球直徑的遺傳多樣性指數比其他7個性狀高，說明其遺傳多樣性更豐富。

2.3 主成分分析

對紅花13個主要數量性狀采用DPS 7.0軟件進行主成分分析，結果表明，前5個主成分累計貢獻率達85.08%。在所有主成分構成中，包含了13個性狀的絕大部分信息（表4），主成分一貢獻率最大，為40.90%，其次為主成分二、三、四、五，貢獻率依次為21.62%、9.50%、7.63%、5.44%。

由表4可知，第一主成分特征值為5.32，貢獻率為40.90%。在第一主成分的特征向量中，載荷較高且符號為正的性狀以單株有效果球數的值最大為0.412 4，其后依次是分枝總數、單株產量、小區產量、莖粗、分枝長度和頂果球著粒數，其特征向量值依次為0.412 3、0.377 5、0.321 7、0.318 0、0.281 2和0.262 2。此類性狀為產量構成因子；符號為負的性狀有第一分枝高度、最未分枝高度、千粒重、生育期和頂果球直徑，以第一分枝高度的值最大為-0.325 3、其后依次為-0.150 5、-0.146 1、-0.122 3和-0.002 6，由各載荷數值可看出，在一定范圍內，隨著單株有效果球數的增加產量會有所提高，但超出一定范圍內，單株有效果球數過大，第一分枝高度過高就會直接影響千粒重，即影響產量性狀的最佳發揮。因此，在高產育種工作中，應注意單株有效果球數、第一分枝高度、千粒重、生育期的選擇，第一主成分的相關值不能過高。

第二主成分特征值為2.81，貢獻率為21.62%。第二主成分的特征向量中，所有性狀的載荷數值符號均為正，對應特征向量中以株高的值最大，其次是最未分枝高度、第一分枝高度、生育期、頂果球直徑、分枝長度、莖粗，此類性狀主要與植株的生長勢有關，可稱為生長勢因子。其載荷值較高而且均為正，說明株高越高，生育期越長，最未分枝高度和第一分枝高度越高，生長勢越強；其余6個性狀載荷數值較小，表明在育種工作中，應注意株高、最未分枝高度、第一分枝高度、生育期的選擇，否則株高、最未分枝高度、第一分枝高度過高，導致分枝總數少，單株有效果球數少，頂果球著粒數較少，生育期晚直接影響產量，因此，在品種選擇上應以生育期適中、生長勢適中的為好。

第三主成分特征值為1.24，貢獻率為9.50%。從載荷數值看千粒重的值最大，其后依次是生育期、分枝長度和頂果球著粒數，這些性狀主要反映了紅花品種的子粒大小特點，頂果球直徑的載荷值較高為-0.587 6，其與千粒重表現為負相關；由各載荷數值可看出，千粒重過高是影響產量的重要因素，如追求過高的千粒重，會直接導致頂果球直徑、單株有效果球數、單株產量、小區產量的降低，不利于產量的提高。因此，在育種過程中，應根據選育目標有針對性的進行性狀選擇。

第四主成分特征值為0.99，貢獻率為7.63%。由各載荷數值可看出，第四主成分主要反映頂果球著粒數，從載荷數值的大小可知，頂果球著粒數增加，但是子粒小，千粒重明顯下降，另外，由于株高過矮，導致分枝總數較少、單株有效果球數減少、單株產量降低，從而影響產量。所以，在育種過程中應根據選育目標，注意選擇植株高度適中的品種。

第五主成分特征值為0.71，貢獻率為5.44%。對應的特征向量中以生育期的值最大為-0.663 1，由各載荷數值可看出，生育期較晚，會直接導致分枝總數減少、單株有效果球數減少、果球著粒數減少，直接影響產量。因此，在實際工作中，應注意選擇生育期適中的品種才能提高產量。

2.4 聚類分析

采用DPS 7.0軟件，根據13個性狀在68份紅花種質資源間的不同表現，以歐氏距離為遺傳距離，聚類分析采用離差平方和法，在遺傳距離13.29處將供試材料聚為7大類群（圖1），各品種類群的均值列于表5。

分析結果表明，第Ⅱ類群包含18份材料，這一類材料特征是葉緣均為鋸齒，葉形以長橢圓形居多，卵形和橢圓形次之，葉刺全部為很多，花色以橘黃色居多，橘紅色次之，種子殼型為普通，種子形狀橢圓形，株高適中，千粒重平均值較高，在同一性狀的7個種質群中處于第1位，此類群材料可依據育種目標作為大粒雜交親本加以利用；第Ⅵ類群包含9份材料，表現葉緣均為鋸齒，葉刺為很多，葉形以長橢圓形居多，少數為披針形，花色以橘黃色居多，少數為黃色，種子殼型以條紋殼較多，普通殼次之。種子形狀全部為橢圓形，生育期適中、分枝總數多、單株有效果球數多、頂果球著粒數多、單株產量高、小區產量高等特點，可選擇這類材料作為雜交親本，以培育高產品種；第Ⅶ類群包含2份材料為62和66；這兩份材料表現葉刺為很多，花色均為橘黃色，葉緣均為鋸齒，葉形以長橢圓形、卵形各占一半，種子殼型為普通，種子形狀橢圓形；生育期適中、株高適中、分枝長度、分枝總數、單株有效果球數、頂果球著粒數、單株產量和小區產量平均值在7個類群中為最高，這兩份材料可作高產育種種質利用。

聚類結果表明，不同地理來源的種質資源有比較寬的遺傳基礎，聚類分析中部分地理來源相同或遺傳背景相似的資源能夠聚在同一類群，但也有一些地理來源及遺傳背景不一致的材料也聚在同一類群。表明不同地理來源的紅花種質資源在外部性狀特征間具有豐富的多樣性[18]。如第Ⅴ類群7份品種資源中有2份來自印度，2份來自葡萄牙，1份來自匈牙利，1份來自巴基斯坦，1份來自中國，表明其親緣關系復雜，證實了不同地理來源品種的豐富多樣性，為紅花品種改良及資源的進一步開發利用提供參考依據。

3 討論與結論

遺傳多樣性是生物多樣性的核心和重要組成部分，任何一個物種都具有其獨特的基因庫和遺傳組織形式，物種的多樣性也就是顯示了基因遺傳的多樣性[19]。種質資源的遺傳多樣性是生物進化和育種工作的基礎，通過形態性狀的遺傳多樣性研究，從整體上了解紅花資源的豐富程度，為優良基因資源的發現和利用提供重要信息[20]。在紅花育種中實踐證明，新品種選育有賴于優良基因的發現和利用，因此，紅花品種改良的關鍵是種質資源的有效利用[21]。

本文通過對以上19個性狀的遺傳多樣性分析表明，紅花種質資源存在廣泛的性狀變異，性狀變異的表現是遺傳因素與環境因素共同作用的結果，在栽培種植條件一致和材料數較多的情況下，可真實地表現資源間的遺傳多樣性。分析結果表明多樣性指數越高遺傳多樣性越豐富，而豐富的多樣性為作物育種和遺傳改良奠定了基礎。主成分分析可以詳細地描述不同物種及其樣本之間存在差異的主要原因。利用主成分分析法，前5個主成分因子反映了13個數量性狀的全部信息，累計貢獻率達85.08%，各主成分包含的信息具有一定的相關性，而不同性狀在5個主成分中具有明顯不同的載荷值，表明主成分分析結果與參試資源和性狀指標的選擇均有關系。通過以上分析結果表明，產生差異的原因可能由于所選擇的群體和研究的性狀不同。這與李艷花等[22]研究結果相似，在雜交育種和親本選配時，可根據育種目標選擇主成分互補的材料配制組合。

聚類分析方法是研究不同物種及其樣本之間相似性的有效方法，不僅可以評價不同物種及其樣本之間的性狀類型分類，還可以研究不同種質材料的遺傳差異[23]。本研究采用DPS 7.0軟件，根據13個性狀在紅花種質資源間的不同表現，在遺傳距離13.29處將68份供試材料聚為7大類群，同一地區的大部分品種聚在同一類群中。這與先前研究地方紅花種質資源的形態標記聚類分析[24]比較有異同，同的是所選性狀可正確有效地區分紅花種質資源差異，了解種質資源間性狀的相似性狀況，有利于更準確地選擇特異資源材料。異的是根據紅花種質資源各性狀形態指標的編碼結果進行分析，并根據形態標記的相似性對紅花品種資源進行系統聚類分析，能在一定程度上反映種質資源之間親緣關系的遠近。研究結果表明，供試資源品種的遺傳多樣性較豐富，說明品種類群間的遺傳分化與地理分布有一定的聯系又不絕對相關。這與賈曉艷等[25]研究結果一致，說明地理因素對品種有很大影響。但是，也有部分來自不同國家或地區的資源品種表現相似而聚為一類，這有可能是由于不同來源，不同地理環境、海拔高度的品種資源種植在同一環境條件下有些品種性狀上可能出現具有相似的綜合生態適應反應；或者盡管地理上相距較遙遠，但是資源材料產地的生態條件相似。這與崔艷華等[26]研究結果相似，即不同地區的材料聚類呈現一定的地理分布規律。同時少部分來自不同地方的材料因生態條件相似而聚在了一類。根據育種學理論[27]，不同類群間組配雜交組合有可能產生可供育種利用的遺傳變異，故選配親本時應以各類群間性狀差異進行選擇，而不能僅靠地理來源選擇。

本研究針對紅花資源主要農藝性狀進行了系統的分析評價，分析結果表明紅花品種間遺傳差異較大，生物多樣性較豐富。實踐證明，在雜交或其他方法育種中，選配親本材料可以依據主成分的排序，從紅花種質資源中發掘有用基因，具體分析與全面評價每個親本材料綜合指標的優劣，依據育種目標，結合聚類分析，合理地選配組合，為促進紅花品種的遺傳改良或選育出高產、優質的新品種提供可靠依據。

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