野生甜瓜果實性狀變異及聚類分析

高路銀，楊森要，王艷玲，許夏靜，胡建斌

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院 鄭州 450002）

甜瓜（Cucumis melo）隸屬葫蘆科黃瓜屬一年生蔓性草本植物，是世界上最重要的園藝作物之一。甜瓜果實性狀的變異非常大，是鑒定種質(zhì)類型的重要表型指標(biāo)。野生甜瓜是處于野生或未經(jīng)馴化栽培狀態(tài)的類型，在亞洲的印度分布較為豐富[1]。中國甜瓜栽培歷史悠久，1981年在我國魯南、蘇北等地相繼發(fā)現(xiàn)了俗稱‘馬泡’的野生甜瓜植物，并認(rèn)為它就是東方甜瓜（即薄皮甜瓜）的野生祖先[2]。近年來，在我國新疆、甘肅、河南等地方也相繼發(fā)現(xiàn)了野生甜瓜，這些野生資源的發(fā)現(xiàn)，進一步豐富了甜瓜的種質(zhì)類型，是甜瓜遺傳研究或遺傳育種的重要試材。

目前有關(guān)甜瓜性狀變異的研究報道較多，大多是針對栽培種質(zhì)，涉及的性狀包括株期產(chǎn)量[3]、果實性狀[4]等。Liu等[5]對72份歐美甜瓜種質(zhì)的35個形態(tài)性狀進行了主成分分析，發(fā)現(xiàn)與果實形態(tài)及品質(zhì)相關(guān)的性狀變異極大，對表型總變異貢獻率50%。Szamosi等[6]利用17個數(shù)量性狀和70個質(zhì)量性狀對匈牙利和土耳其2個國家的甜瓜種質(zhì)遺傳多樣性進行了分析，發(fā)現(xiàn)這2個國家甜瓜種質(zhì)的形態(tài)差異主要表現(xiàn)在果實形狀、果實皮色、網(wǎng)紋、果肉質(zhì)地和果肉糖酸含量等果實相關(guān)性狀上。張永兵等[7]利用14個數(shù)量性狀和18個質(zhì)量性狀對新疆甜瓜表型變異進行分析，發(fā)現(xiàn)新疆甜瓜形態(tài)多樣性豐富。上述研究都表明，甜瓜果實性狀的變異較大，具有一定的改良空間。在野生甜瓜種質(zhì)資源研究方面，Roy等[8]對來自印度不同地區(qū)的43份野生甜瓜進行了研究，發(fā)現(xiàn)其表型性狀變異較大；Hu等[9]利用SSR標(biāo)記研究分析我國野生甜瓜與栽培甜瓜親緣關(guān)系，發(fā)現(xiàn)我國西北地區(qū)的野生種與栽培甜瓜的關(guān)系較遠(yuǎn)，而中部地區(qū)的野生種與栽培甜瓜關(guān)系密切；王吉明等[10]對國外引進的100份野生甜瓜種質(zhì)進行了多樣性分析，發(fā)現(xiàn)其數(shù)量性狀變異較大，大體可分為野生和半野生2大類群。前期，本課題組收集了40份野生甜瓜種質(zhì)，主要來自南亞、東亞等甜瓜起源地。筆者采用多種統(tǒng)計方法分析其果實性狀的變異，旨在為有效利用野生甜瓜種質(zhì)資源提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

40份野生甜瓜種質(zhì)材料均來自國家西瓜甜瓜種質(zhì)中期庫（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院鄭州果樹研究所）和美國USDA-North Central Regional PI Station(NC7)引種站，主要來自印度、中國、美國等國家（表1）。

表1 40份供試野生甜瓜種質(zhì)材料

1.2 方法

試驗在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園區(qū)蔬菜生產(chǎn)基地進行。播種前期，40份野生甜瓜種子浸種4～6 h后進行催芽，出芽后播種于基地的日光溫室72孔穴盤中。待幼苗長到2葉1心后，定植于塑料大棚中。40份野生甜瓜材料采用每壟2行，每行12株苗，每份材料6株，行距1.6 m，株距0.45 m。40份野生甜瓜材料采用雙蔓整枝，常規(guī)管理，2017年5月1日開始授粉，晴天一般在上午7：00—11：00進行人工授粉，授粉持續(xù)1個月左右，35 d左右甜瓜成熟。

1.3 項目測定

在40份野生甜瓜材料成熟之后進行采摘，進行果期性狀的調(diào)查和統(tǒng)計，每個材料隨機選3～6株進行調(diào)查。參考其他學(xué)者的研究選取變異較大的14個性狀。5個數(shù)量性狀分別為果實長度、果實寬度、單果質(zhì)量、可溶性固形物含量、果肉厚度，采用最小刻度單位為0.10 cm的直尺和精確度為0.01 mm的電子游標(biāo)卡尺來對數(shù)量性狀指標(biāo)進行測量；9個質(zhì)量性狀分別為果實茸毛、果實形狀、果實底色、覆紋顏色、覆紋形狀、外果肉顏色、內(nèi)果肉顏色、瓜瓤顏色、果實香味。待果實成熟后調(diào)查，調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)參照《甜瓜種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[12]。數(shù)量性狀調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)見表2，其中，質(zhì)量性狀分級賦值見表3。

表2 甜瓜種質(zhì)資源數(shù)量性狀及調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

1.4.1 表型性狀統(tǒng)計 將5個數(shù)量性狀根據(jù)平均值（X）和標(biāo)準(zhǔn)差（S）分為10級，和質(zhì)量性狀的分級類似，參照1級＜X-2S，10級≥X+2S，其中每級相差0.5S[12]。質(zhì)量性狀根據(jù)表3賦值。

1.4.2 參數(shù)計算 用Excel 2010對各性狀數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，并計算最小值、最大值、平均值、極差、變異系數(shù)等基本統(tǒng)計量。采用Shannon's信息指數(shù)（H'）對各性狀的遺傳多樣性進行評價。H'=-∑PilnPi，第i種變異類型出現(xiàn)的頻率用Pi表示，一組或所有種質(zhì)的遺傳多樣性程度用所有性狀H'的平均值來表示。

表3 甜瓜種質(zhì)資源質(zhì)量性狀及分級

1.4.3 主成分分析 利用SSPS 19.0軟件對表型數(shù)據(jù)進行降維抽提，在不損失或很少損失原有信息的基礎(chǔ)上進行數(shù)據(jù)因子簡化，抽取特征根值大于1的主成分，綜合成較少的且相互獨立的因子[13]。

1.4.4 聚類分析 采用MEGA 6.0對種質(zhì)進行聚類分析，并對試驗數(shù)據(jù)采用非加權(quán)配對算術(shù)平均法，對表型數(shù)據(jù)進行聚類，生成聚類圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 果實性狀的變異統(tǒng)計分析

2.1.1 基本數(shù)據(jù)統(tǒng)計與多樣性分析 9個甜瓜質(zhì)量性狀按照表3進行賦值，并對各性狀進行統(tǒng)計，結(jié)果見表4。40份野生甜瓜材料中，其果肉香味、果實底色、果紋顏色、果實長度、果實寬度等5個性狀的標(biāo)準(zhǔn)差大于 2，標(biāo)準(zhǔn)差最大的是果實長度，為4.68，其次是果紋顏色（3.89），最小的是果實茸毛，為0.32。變異系數(shù)最大的是果實質(zhì)量，高達(dá)205.25%，其次為果實茸毛，變異系數(shù)為151.85%，變異系數(shù)最小的是可溶性固形物含量，僅為29.62%。

表4 40份野生甜瓜材料果實性狀變異統(tǒng)計分析

2.1.2 質(zhì)量性狀多樣性分析 40份野生甜瓜材料9個質(zhì)量性狀頻率分布[15]及其多樣性指數(shù)統(tǒng)計見表5。由表5可以看出，多樣性指數(shù)在 0.45～2.38之間，平均值為1.27，其中果實形狀、果皮底色、覆紋形狀、果紋顏色、外果肉顏色、內(nèi)果肉顏色、瓜瓤顏色的多樣性指數(shù)均大于1，說明這7個性狀變異豐富，其中果皮底色的變異系數(shù)最高，為2.38，且主要以綠色（24.39%）和黃色（27.44%），兩者共占51.83%，其次為果紋顏色，變異系數(shù)為2.0；變異系數(shù)最小的是果肉的香味，僅為0.45。果實的性狀主要以卵形和橢圓為主，其中卵形占52.43%，橢圓占23.78%。40份野生甜瓜種質(zhì)資源中有49.58%沒有覆紋形狀，其次覆紋形狀中斑條占18.33%，斑塊占13.75%，同樣49.58%的野生甜瓜種質(zhì)資源沒有果紋顏色，而黃色占10.83%，綠色占10.42%。在40份野生甜瓜種質(zhì)資源中，外果肉顏色和內(nèi)果肉顏色都是以白色和橙色為主，外果肉顏色中白色占73.01%，橙色占 17.46%，2者高達(dá)90.47%；內(nèi)果肉顏色中白色為 70.55%，橙色為 16.56%，兩者達(dá)87.01%。果實的瓜瓤顏色主要以白色、綠色和橘色為主，白色占 51.53%，綠色占21.47%，而橘色占19.02%。

表5 40份野生甜瓜種質(zhì)資源質(zhì)量性狀頻率分布及多樣性

2.1.3 數(shù)量性狀多樣性分析 甜瓜的果肉厚度、果實長度、果實寬度、果實質(zhì)量和可溶性固形物含量5個數(shù)量性狀直方圖見圖1。由圖1可知，果實長度、果實寬度和可溶性固形物含量這3個數(shù)量性狀基本符合正態(tài)分布，而果肉厚度和果實質(zhì)量基本遵從單峰側(cè)向分布，說明野生甜瓜果實普遍較小，果肉較少。

圖1 5個數(shù)量性狀的頻數(shù)分布

由表6可知，在這5個數(shù)量性狀中，單果質(zhì)量的變異系數(shù)最大，為205.25%，可溶性固形物含量的變異系數(shù)最小，為29.62%。多樣性指數(shù)（H'）變化范圍為0.76～1.96，最大為可溶性固形物含量，為1.96，最小為果實質(zhì)量，僅為0.76，平均值為 1.566，明顯高于質(zhì)量性狀的H'值，說明野生甜瓜數(shù)量性狀的多樣性更為豐富。

表6 40份野生甜瓜種質(zhì)材料數(shù)量性狀變異統(tǒng)計

2.2 主成分分析

由于各個性狀之間存在一定的相關(guān)性，所以單個因子在性狀表型構(gòu)成的作用難以分析。主成分分析可以將多個相關(guān)指標(biāo)在保證原有信息的前提下，簡化為數(shù)量較少且獨立的因子。通過對40份野生甜瓜果實的14個性狀進行主成分分析，以特征值等于1為閾值，以此來把14個性狀綜合成5個主成分。這5個主成分累計貢獻率達(dá)72.39%（表7），說明40份野生甜瓜果實14個性狀的大部分信息可以用這5個主成分代表[15-16]。

由表7可知，第1主成分對表型總變異的貢獻率最大，達(dá)27.89%，對應(yīng)的特征向量依次為果實長度、果實寬度、果肉厚度、內(nèi)果肉顏色、瓜瓤顏色，因和果實長度性狀相關(guān)所以可稱之為長度因子。在這一主成分中，對應(yīng)的可溶性固形物含量、外果肉顏色和果皮底色的負(fù)向系數(shù)比較大，說明果實長度較長的果實可溶性固形物含量低，且外果肉顏色和瓜瓤顏色較淺。第2主成分的貢獻率為15.11%，對應(yīng)的果紋顏色、外果肉顏色和果肉香味較大，可稱為果紋因子，果實質(zhì)量、果實寬度等呈負(fù)向系數(shù)關(guān)系，說明果實較小的種質(zhì)果紋顏色較深、外果肉顏色較深和果肉香味較大。第3主成分的貢獻率為12.01%，對應(yīng)的特征向量中覆紋形狀和果皮底色較大，可稱之為覆紋因子，果肉香味、可溶性固形物含量、瓜瓤顏色、果實茸毛和果實長度與這些指標(biāo)呈一定程度負(fù)相關(guān)，說明果實覆紋越多，果皮底色越深，果實的果肉香味越淡，可溶性固形物含量越低，瓜瓤顏色越淡等。第4主成分的貢獻率為10.09%，對應(yīng)特征向量中果實形狀、果實茸毛和可溶性固形物含量，可稱為形狀因子，外果肉顏色、果紋顏色和果皮底色負(fù)向系數(shù)較大，說明果實形狀大，果實的外果肉顏色淺，果紋顏色和果皮底色也淺。第5主成分的貢獻率為7.29%，對應(yīng)特征向量中可溶性固形物含量、果實質(zhì)量和果紋顏色，可稱為可溶性因子，與果實形狀這些指標(biāo)呈一定程度的負(fù)相關(guān)，說明可溶性固形物含量高，果實的果形小。

表7 主成分分析的特征向量系數(shù)

2.3 聚類分析

利用DPS 7.5軟件對40份野生甜瓜種質(zhì)的5個主成分進行分析，計算材料之間的歐式距離，并構(gòu)建聚類圖（圖2）。在遺傳距離為12.45時，聚為2類：其中 HW06、HW12和HW36聚為一類，剩余的終止聚為一類。在遺傳距離為11.1時，聚為3類：一類包括 HW06、HW12、HW36共 3個材料，均無茸毛，有斑點，可溶性固形物含量相近。

圖2 基于果實形態(tài)性狀40份野生甜瓜種質(zhì)聚類圖

第 2 類包括 ：HW01、HW29、HW27、HW32、HW35、HW04、HW05、HW24、HW25、HW26、HW37、HW33、HW30、HW34、HW31、HW39、HW40、HW38、HW02、HW03 共 20 個材料，除了HW03甜瓜種質(zhì)材料外，其余的果實質(zhì)量都比較輕；除了 HW25、HW37、HW40外，其余果皮厚度均未大于1 cm。

第 3 類包括 ：HW07、HW17、HW10、HW20、HW21、HW22、HW23、HW13、HW08、HW09、HW19、HW15、HW18、HW16、HW11、HW14、HW28共17個材料，這些果皮都較厚，果實質(zhì)量也比較大。

3 討論與結(jié)論

在甜瓜的諸多形態(tài)性狀中，果實性狀變異最明顯，是表型總變異的主要來源，也是甜瓜植物學(xué)分類的重要依據(jù)。例如，Pitrat[17]根據(jù)甜瓜果實性狀的多樣性，將世界甜瓜分為2大亞種（多毛亞種和少毛亞種）及其下屬的16個變種，在此分類標(biāo)準(zhǔn)中，野生甜瓜被劃為少毛亞種（薄皮亞種），但并未說明變種歸屬。筆者對40份野生甜瓜種質(zhì)資源14個形態(tài)學(xué)性狀的分析中，質(zhì)量性狀中果實形狀和果紋顏色，以及數(shù)量性狀中果實長度與果肉厚度的變異異系數(shù)及其多樣性指數(shù)都較高，對于多樣性高的一類性狀，作為育種的載體材料較容易獲得，且這些性狀的遺傳改良具有較大的提升空間；果肉香味多樣性指數(shù)偏低，而對于多樣性低的性狀，可能存在稀有變異類型，這些稀有變異性狀材料不容易獲得，且難以進行遺傳改良。

通過對40份野生甜瓜果實性狀的形態(tài)學(xué)性狀分析發(fā)現(xiàn)[18]，所得的遺傳多樣性參數(shù)中質(zhì)量性狀的多樣性指數(shù)明顯低于數(shù)量性狀，說明野生甜瓜種質(zhì)質(zhì)量性狀多樣性沒有數(shù)量性狀豐富。在數(shù)量性狀中，果實質(zhì)量變異系數(shù)最高，果肉厚度次之，這與王吉明等[10]的數(shù)量性狀具有更豐富的形態(tài)多樣性，尤其是果實質(zhì)量性狀表現(xiàn)最為明顯的觀點一致。在數(shù)量性狀中，果實質(zhì)量、果肉厚度與甜瓜的食用價值及生產(chǎn)栽培價值密切相關(guān)，變異較大有利于人工選擇優(yōu)質(zhì)種質(zhì)，突破甜瓜育種瓶頸，在生產(chǎn)中獲得更高的價值。

一般而言，野生種被認(rèn)為是其同類栽培種的祖先，展開對野生甜瓜的遺傳分析有利于探討甜瓜的起源。從世界甜瓜種質(zhì)的分布來看，野生甜瓜主要集中在南亞、西亞和東亞，其中以印度最多。盡管大多研究認(rèn)為，世界甜瓜的初生起源地在非洲，然而近年來的研究結(jié)果以及最近的分子系統(tǒng)的研究卻越來越傾向于亞洲起源的觀點[19-21]，其主要原因是非洲的野生甜瓜種很少，大多是甜瓜近緣野生種，而印度等地分布有大量的野生、半野生及未馴化的變異類型。如Serres-Giardi等[22]用SSR標(biāo)記對來自世界各地的栽培種或半栽培種，野生種、近緣種進行分析，認(rèn)為野生甜瓜馴化中心在印度，并形成遠(yuǎn)東甜瓜起源中心。在聚類分析的第2類型中來自河南的‘馬泡-1’（HW33）與來自印度的HW26、HW30、HW37和南疆的 HW34材料聚在一起，說明它們在某些性狀上相似。這一結(jié)果推測國內(nèi)野生甜瓜與印度野生甜瓜可能具有一定的關(guān)系，但這一結(jié)果還需要分子標(biāo)記的進一步驗證。