基于表型數據的辣椒核心種質構建研究

雷　剛, 周坤華, 方　榮, 吳　茵，陳學軍*

(1.江西省農業科學院蔬菜花卉研究所, 南昌 330200; 2.江西農業大學 農學院, 南昌 330045)

基于表型數據的辣椒核心種質構建研究

雷剛1,2, 周坤華1, 方榮1, 吳茵1,2，陳學軍1*

(1.江西省農業科學院蔬菜花卉研究所, 南昌 330200; 2.江西農業大學 農學院, 南昌 330045)

摘要:以收集保存的603份辣椒種質為材料，根據果形指數大小將其分成5組。基于28個性狀的表型數據，采用簡單比例、平方根比例、對數比例及遺傳多樣性指數比例法計算各組內取樣份數，比較4種組內取樣比例法、6種總體取樣規模和2種取樣方法在構建辣椒核心種質中的作用和效果。結果表明：(1)簡單比例、平方根比例、對數比例、遺傳多樣性指數比例法入選的材料份數占預選核心種質份數依次為24.2%、22.2%、21.1%、17.8%，說明遺傳多樣性指數比例法對各組取樣數量的修正能力最強，使取樣更加均衡。(2)當總體取樣規模為15%時，遺傳多樣性指數比例法構建的預選核心種質遺傳多樣性指數(I)達到最大，表型保留比例(RPR)超過98%；當總體取樣規模超過20%時，RPR值、變異系數(CV)和極差符合率(CR)雖然平緩增加，但I值反而減小；說明15%為合適的總體取樣規模。(3)利用對數比例法和多樣性比例法，在15%的總體取樣規模下，聚類取樣構建的核心種質I值、RPR值、CV值及CR值均高于隨機取樣。(4)該研究根據所獲得的優化方案最終在表型水平建立了包含91份種質的辣椒核心種質。

關鍵詞:辣椒；表型數據；核心種質；取樣規模；取樣方法

核心種質(Core collection)是指用一定的方法選擇整個種質材料的一部分，以最小的材料數量和遺傳重復來最大程度地保存整個資源群體的遺傳多樣性[1]。核心種質的構建是農作物種質資源深入研究與有效利用的基礎，迄今國內外已構建水稻、小麥、玉米、大豆、油菜以及蔬菜作物、果樹作物等80余種農作物的核心種質[2-5]。

辣椒(Capsicumspp.)為茄科辣椒屬蔬菜作物，是我國主要果菜之一，在中國已有400余年的栽培歷史[6]。在長期的栽培馴化過程中，形成了豐富的品種類型。國內雖然對辣椒種質資源農藝性狀、品質和抗病抗逆性進行了一些研究[7～10]，但尚缺乏全面系統的鑒定與評價，特別是在核心種質構建水平上的研究匱乏，難以滿足科研、育種和生產對辣椒種質資源多方面的需求。為有效提高辣椒種質資源利用效率，本研究以603份辣椒種質為試材，基于28個表型性狀，探討了辣椒核心種質構建的取樣策略，建立了基于表型數據的辣椒核心種質。

1材料和方法

1.1供試材料

供試辣椒種質材料共603份，包含辣椒屬的3個栽培種(C.annuum、C.chinense和C.frutescens)及種間材料。其中，國內材料560份，來自全國30個省市自治區，國外材料43份。603材料中，274份引自國家蔬菜種質資源中期庫，其余均由江西省農業科學院蔬菜花卉研究所提供。

1.2田間試驗方法

試驗于2014年10月至2015年3月在海南三亞海棠灣鎮進行，前茬為水稻。2014年10月8日采用防雨遮陰棚播種育苗，11月6日地膜覆蓋定植。高壟窄畦，壟寬90 cm，每壟定植兩行，株距34 cm，每份材料定植12株。周圍以‘贛椒15號’設保護行，田間管理與常規栽培相同。

1.3數據處理與分析方法

1.3.1性狀記載與數據處理調查的性狀共28個，包括21個描述性表型性狀和7個數量性狀。描述性表型性狀有：莖色、莖節色澤、莖表茸毛、葉卷曲否、花梗著生狀態、花冠色澤、花苞端部形狀、花藥色澤、花藥花絲色澤、花柱長短、柱頭色澤、花萼收縮否、花萼邊緣形狀、嫩果色澤、老果色澤、幼果花青素有無、果實縮莖否、果形、果梗著生處形狀、果實著生狀態和果實辣味。數量性狀有：株高、主莖高、始花節位、果重、果長、果寬和果肉厚度。

調查方法和標準以及描述性表型性狀的分級賦值參照本團隊的方法[11]進行，數量性狀依據標準差(δ)和均值(X)，按1級n

1.3.2取樣方法核心種質取樣方案研究分為3 個層次，一是確定原始樣品分組方法，二是確定組內取樣策略和總體取樣比例，三是確定組內取樣方法。

(1)分組方法：辣椒果形變化豐富，本研究依據果形指數Fs(果長/果寬)大小將603份種質分為5組。第1組包含144份材料，果型指數在0.1≤Fs≤2；第2組71份，果型指數29。

(2)取樣策略與總體取樣比例：①取樣策略：使用簡單比例(Proportional ratio,P)、平方根比例(Square root ratio,S)、對數比例(Logarithmic ratio,L)和遺傳多樣性指數比例(Genetic diversity index ratio,G)4 種取樣策略，構建預選核心種質，從中選擇最適方法。②總體取樣比例：設置5%、10%、15%、20%、30%和40%共6種總體取樣比例，以研究構建辣椒核心種質的適宜取樣比例。

(3) 組內取樣方法：采用系統聚類取樣和隨機取樣2種方法。系統聚類取樣參考Zewdie等[12]的方法，即在聚類樹狀圖中，優先選取遺傳距離最短簇中有特殊表型性狀的材料，每簇選取1份，單獨成簇的材料直接入選。入選的材料接著進入下輪聚類，直到所剩材料達到所需的數量。隨機取樣則以15%取樣規模，在多樣性指數比例和對數取樣比例下進行。

(4)核心種質取樣方案設計：根據上述分組原則和取樣策略原理，設計了辣椒核心種質構建的26種不同取樣方案，從中篩選最佳方案。

(5)核心種質取樣方案效果的評價：根據前人研究成果[13-16]分別選擇了遺傳多樣性指數(Index of genetic diversity,I )、變異系數(Coefficient of variation,CV)、表型保留比例(Ratio of phenotype retained,RPR)和極差符合率(Coincidence rate of range,CR)4個參數，對辣椒預選核心種質有效性進行評價和檢驗。

數據處理和各參數的計算均在Excel中進行，系統聚類應用SPSS17.0軟件，聚類方法采用歐氏

距離最遠距離法。

2結果與分析

2.1組內取樣比例法的確定

依據辣椒果型指數Fs把原始材料分成5組，在5%、10%、15%、20%、30%和40%總體取樣規模下，采用簡單比例、平方根比例、對數比例及遺傳多樣性指數比例法計算各組取樣份數(表1)。以第Ⅱ組為例，該組樣品數71份，占總材料數的11.8%。在15%的總體取樣規模下，4種比例法入選的材料份數占預選核心種質份數依次為簡單比例12.1%、對數比例17.8%、平方根比例15.5%、多樣性指數比例22.2%。與簡單比例相比，后3種比例法入選的材料份數均增加，其中遺傳多樣性指數比例法增加最多。而對于第Ⅳ組來說，該組樣品數149份，占總體的24.7%，在15%的取樣規模下，4種比例法入選的材料份數占預選核心種質份數依次為簡單比例24.2%、對數比例21.1%、平方根比例22.2%、遺傳多樣性指數比例17.8%。后3種比例法入選的材料份數比簡單比例均減少，以遺傳多樣性指數比例減少最多。其余各組的結果都相似。可見，4種比例法對各組取樣數量均衡的修正能力以遺傳多樣性指數比例最好。

表1　不同取樣方案下各組入選種質份數及其占預選核心種質的比例

2.2總體取樣規模的確定

依據4種取樣比例法和6個總體取樣規模，采用系統聚類取樣獲得24個預選核心種質。分別用遺傳多樣性指數(I)、變異系數(CV)、表型保留比例(RPR)和極差符合率(CR)4個參數對24個預選核心種質進行比較。

圖1　不同取樣方案構建的24個預選核心種質的遺傳多樣性指數比較Fig.1　Comparison of indices of genetic diversity of 24 pre-core collections under different sampling strategies

圖2　不同取樣方案構建的24個預選核心種質的變異系數比較Fig.2　Comparison of coefficients of variation of 24 pre-core collections under different sampling strategies

從圖1可以看出，總體取樣規模從10%增加到15%時，預選核心種質的I值均大幅增加，且達到最大。當取樣規模從15%上升到20%時，各預選種質的I值都大幅降低。此后，I值均隨著取樣規模的增加不斷減小。這表明，當取樣規模超過15%之后，預選核心種質的冗余度增加，各性狀變異分布的均一性下降。

從圖2看到，多樣性指數比例法構建的預選核心種質的CV值均較其它3種方法大。各預選核心種質的CV值在取樣規模從5%上升到20%時不斷增大。當取樣規模繼續增加到30%時，除了多樣性比例和對數比例構建的預選核心種質的CV值有較大增加外，簡單比例和平方根比例均小幅下降。取樣規模從30%增加到40%時，除簡單比例法外，其它3種組內取樣比例法構建的預選核心種質CV值都較大幅度減小。

圖3　不同取樣方案構建的24個預選核心種質的表型保留比比較Fig.3　Comparison of ratios of phenotypic retained of 24 pre-core collections under different sampling strategies

取樣比例法Methodofsamplingratio總體取樣規模Theoverallsamplesize取樣方法Samplingmethod遺傳多樣性指數I變異系數CV極差符合率CR表型保留比例RPR多樣性指數比例Diversityindexproportion15%R0.9660.85630.83910.9669S1.0910.89160.96900.9834對數比例Logarithmicproportion15%R0.9690.84310.79860.9504S1.0860.87910.96900.9834

表3　預選核心種質4個檢驗指標的方差分析

各預選核心種質的RPR值隨取樣規模的增加均不斷增加，到30%時達到最大99%(圖3)。總體取樣規模從5%增加到10%時，各取樣比例法構建的預選核心種質的RPR值均大幅增加，并且都達到了96%以上。當取樣規模為15%時，除了簡單比例法，其它3種組內取樣比例法構建的預選核心種質的RPR值均達到了98%。當總體取樣規模超過30%，各預選核心種質的RPR值不再增加，此時通過增加取樣規模來增加核心種質的變異豐度的效果甚微。

從圖4可以看出，當取樣規模大于15%時，各預選核心種質的CR值變化均趨于平緩，而取樣規模從5%上升到10%時，CR值增加的幅度最大，繼續增加到15%，CR值增加相對減少，說明取樣規模從5%增加到15%入選材料份數增加的同時，也增加了核心種質的極差。同時，當取樣規模達到15%時，各預選核心種質的CR值均接近或超過了95%，且多樣性指數比例法和對數比例法獲得的預選核心種質的CR值達到了97%，說明預選核心種質很好地保存了原始群體的極差。

2.3組內抽樣方法的確定

用遺傳多樣性指數、變異系數、極差符合率及表型保留比例來比較檢驗15%取樣規模下組內采用多樣性指數比例和對數比例法，進行隨機抽樣和系統抽樣獲得的預選核心種質，結果見表2。不論是多樣性指數比例還是對數比例，通過系統取樣獲得的預選核心種質的4個指標均比隨機取樣的大，說明系統取樣能有效降低核心種質的冗余度，提升種質變異豐度。

對通過4種取樣比例法和6種取樣規模以及聚類分析構建的預選核心種質的各檢驗指標進行方差分析，結果(表3)表明，各檢驗指標在6個取樣規模的差異都達到了極顯著水平，而對于4個取樣比例法，只有CV和I達到了顯著水平。由此可見，取樣規模主要影響核心種質的I、CV、RPR及CR，而取樣比例則影響核心群體的I和CV，因而通過不同的取樣比例法和取樣規模構建的核心種質的變異豐度有顯著的差異。

3討論

在作物核心種質構建過程中，一般首先確定分組方法。常見的分組標準和方法包括地理及農業生態分組[14]、按分類體系分組[17]及多數據組合分組[15,18]等。辣椒果形變異豐富，一年生辣椒(C.annuum)5個變種(燈籠椒、長椒、簇生椒、圓錐椒和櫻桃椒)的分類即是基于其果形變異特點[6]。本研究供試材料包含一年生辣椒所有變種，果形指數變化大，變幅在0.61～23.33之間，本文應用果形指數對原始樣品進行了合理分組，為進一步篩選優化辣椒核心種質取樣方案奠定了基礎。

在分組基礎上，確定組內取樣比例是重要步驟之一。李國強等[17]在構建大白菜核心種質時，比較了簡單比例法、對數比例法、平方根比例法及遺傳多樣性指數比例法4種取樣策略，認為遺傳多樣性指數比例法效果更佳。本研究結果也表明，遺傳多樣性指數比例法在提高預選核心種質表型保留比例、變異系數及對組內取樣量的修正方面效果均較好。但李自超等[14]和李保印等[18]的研究結果卻有所不同。因此，在確定取樣策略時，要依據種質材料的數量、分組情況及遺傳多樣性等信息來選擇或遴選最優方法。

關于核心種質的總體取樣規模，目前報道的總體取樣比例多在5%～40%[4]。Yonezawa 等[19]認為20%～30%比較合適，Casler等[ 20]認為低于1000份的資源取樣比例宜在6.54%～26.04%之間。但所有研究都沒有提供一個統一的總體取樣比例，這主要是不同作物種質資源在收集程度、遺傳多樣性狀況和內部遺傳結構上存在較大差異。Zewdie等[12]基于21個形態性狀，以10%的取樣規模構建了辣椒核心種質。本文通過比較24個預選核心種質遺傳多樣性指數(I)、變異系數(CV)、表型保留比(RPR)及極差符合率(CR)，認為15%是本研究適合的取樣規模。

本研究比較了分組情況下隨機取樣和系統聚類取樣所構建核心種質的效果，發現系統取樣在降低冗余度、增加遺傳多樣性和變異豐度方面均較隨機取樣效率高，這與國內外研究結果是一致的[12-14,17,18]。隨機抽樣是基于對所有原始材料等同看待，通過隨機抽樣可獲得種質資源最基本的變異[21]。而聚類取樣打破了原始群體的遺傳結構，給予材料不同的權衡，在較少增加冗余度的基礎上保持了原始群體的變異豐度。鑒于核心種質構建的要求和目的，實際應用中很少采用隨機抽樣法，僅在一些研究中作方法比較[22]。

基于28個表型性狀數據，本研究構建的辣椒核心種質最佳取樣方案為：按照果形指數大小進行分組，組內采用遺傳多樣性指數比例法確定取樣量，總體取樣規模為15%，使用歐氏距離最遠距離法進行組內聚類抽樣獲得核心種質。經檢測，所得91份核心種質對原始樣品具有較好的代表性。

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(編輯:潘新社)

Studies on the Constructing of Pepper Core Collection Based on Phenotypic Data

LEI Gang1,2, ZHOU Kunhua1, FANG Rong1, WU Yin1,2, CHEN Xuejun1*

(1 Vegetable and Flower Institute,Jiangxi Academy of Agricultural Sciences,Nanchang 330200,China;2 College of Agronomy, Jiangxi Agricultural University,Nanchang 330045,China)

Abstract:The method to construct pepper core germplasm based on phenotypic data was studied with 603 accessions which were divided into 5 groups by the fruit shape index.Four types of sampling proportion methods in group,six overall sampling scales and two sampling methods were compared by the phenotypic data of 28 characters.The main results were as follows:(1) The proportions of materials selected by proportional ratio,square root ratio,logarithm ratio and diversity ratio in primary core germplasm were 24.2%, 22.2%, 21.1% and 17.8%, respectively,which illustrated that the best proper sampling proportion within group was based on index of genetic diversity which enabled the sampled number or proportion from different groups tend to balance.(2) The index of genetic diversity (I) of the core germplasm established according to the method of genetic diversity index proportion reached maximum and the ratio of phenotypic retained (RPR) reached 98% when the over all sampling scale increased to 15%.Although the proportion of phenotypes retained,coefficient of variation (CV) and the coincidence rate of range (CR) all increased gently,the genetic diversity index of the preconcentrated core germplasm decreased accordingly when the overall sampling scale increased to over 20%.So 15% of the overall sampling sizes were more appropriate.(3) Using logarithmic ratio method and diversity ratio,under 15% of the total sample size,the I,RPR,CV and CR of the core germplasm constructed by cluster sampling were much higher than that by random sampling.(4) Based on the optimized sampling scheme,the core germplasm of 91 accessions of pepper germplasm were established.

Key words:pepper;phenotypic data;core germplasm;sampling scale;sampling method

文章編號:1000-4025(2016)04-0804-07

doi:10.7606/j.issn.1000-4025.2016.04.0804

收稿日期:2016-01-18;修改稿收到日期:2016-03-30

基金項目:國家自然科學基金(31260479)，江西省自然科學基金(20133BAB20010)，江西省現代農業科研協同創新專項(JXXTCX2015005)

作者簡介:雷剛(1988-)，男，在讀碩士研究生,主要從事蔬菜遺傳育種與分子生物學技術研究。E-mail: leixxgang@163.com *通信作者:陳學軍，二級研究員，碩士生導師,主要從事茄果類蔬菜種質創新與分子生物技術研究。E-mail: 19889766@163.com

中圖分類號:Q346

文獻標志碼:A