100份西瓜種質果實品質相關性狀的遺傳多樣性分析

李清 郭祿芹 方曉霞 胡倩梅 楊世超 劉東明 楊路明 馬長生

摘 要： 以來自世界各地的100份西瓜種質為供試材料，對12個果實品質相關性狀進行變異分析、主成分分析及聚類分析。變異分析結果表明，12個果實性狀的多樣性指數的變化范圍為0.44～2.06；變異系數介于16.37%～71.13%，果實剖面的變異系數最大，為71.13%，果實橫徑的變異系數最小，為16.37%。主成分分析結果表明，12個果實性狀歸納為3個主成分，累計貢獻率可達71.99%。聚類分析將100份西瓜種質材料分為2大類群，類群Ⅰ包括3份野生西瓜，類群Ⅱ包括97份西瓜材料，其中絕大部分為栽培西瓜。上述研究結果表明，西瓜種質資源果實性狀具有較為豐富的多樣性表現，這將為西瓜果實遺傳改良和優質新品種選育提供重要的參考依據。

關鍵詞： 西瓜；果實性狀；變異系數；多樣性指數

Abstract：In this study， the variation analysis， principal component analysis and clustering analysis of 12 fruit related traits were investigated of 100 watermelon germplasms selected around the world. The results of variance analysis showed that the diversity index of 12 fruit related traits ranged from 0.44 to 2.06， the coefficient of variation （CV） changed from 16.37% to 71.13%， among of which the maximum CV was 71.13% for fruit profile， whereas the minimum CV was 16.37% for fruit transverse diameter. Principal component analysis suggested that 12 fruit related traits were summarized into three principal components， and the cumulative contribution rate was 71.99%. In addition， the 100 watermelon germplasms were divided into two groups based on the cluster analysis. The group I contained 3 wild watermelons， while the group II included 97 watermelon germplasms， most of which are cultivated watermelons. The results of this study indicate that the fruit related traits in watermelon germplasms have rich diversity， which will lay a basis for genetic improvement and breeding of fruits in watermelon.

Key words：Watermelon； Fruit traits； Variation coefficient； Diversity index

西瓜[Citrullus lanatus（Thunb.）Matsum. & Nakai]為世界十大水果之一，在植物分類學中屬于葫蘆科（Cucurbitaceae）西瓜屬（Citrullus）一年生蔓性草本植物，因其瓜瓤肉質多汁，富含糖類、維生素及礦物質等，并有清熱解暑、清涼止渴的作用，深受人們喜愛，在世界各地廣泛種植。中國作為西瓜生產和消費第一大國[1]，從20世紀50年代開始進行西瓜培育。利用最為直觀、最基礎的形態學方法對西瓜種質資源進行遺傳多樣性分析，有利于從整體上了解西瓜種質資源的豐富程度，為育種工作者提供豐富的原始材料信息[2]。

西瓜果實品質包括果實形狀、果實大小、果皮厚度、果皮顏色、果肉質地、果肉顏色、 糖含量、類胡蘿卜素含量、香氣、風味和營養成分等性狀，這些性狀具有豐富的多樣性差異 [3-5]。Solmaz I等[6]根據國際植物新品種保護聯盟（UPOV）標準對134份土耳其西瓜種質材料的56個質量性狀的形態特性及與形態相關的性狀進行調查，發現不同種質材料的形態性狀存在著較大差異。Park S W等[7]認為，西瓜果皮性狀已經影響到消費者在市場上的偏好，是西瓜育種的一個重要性狀，并對包括果皮顏色、果皮覆紋形狀、果實形狀等西瓜表皮性狀的遺傳機制做了相關研究。趙衛星等[8]對國內56個主栽品種的7個果實性狀進行變異性、主成分和聚類分析，發現單果質量、果皮厚度、中心糖含量和邊糖含量這4個主要指標對西瓜果實品質影響較大，在育種過程中對這4個指標進行選擇有利于加速新品種的選育和改良。潘存祥等[9]采用變異系數、多樣性指數和聚類分析等方法，對國內外783份西瓜種質資源的24個表型性狀進行遺傳多樣性研究，結果表明，西瓜種質資源表型性狀的變異程度和多樣性指數較高，具有豐富的變異程度和多樣性。紀海波[10]以768份西瓜種質資源為材料，運用多樣性分析、相關性分析、主成分分析和聚類分析等方法，對11個質量性狀和13個數量性狀進行了較全面的研究，為西瓜種質資源的收集和利用奠定基礎。尚建立等[11]對國家西甜瓜種質資源中期庫西瓜種質資源的9個數量性狀進行統計分析，并參照國際植物新品種保護聯盟（UPOV）標準，結合我國西瓜種質資源描述評價工作，對果實質量等9個性狀進行分級。

對西瓜果實品質性狀的研究是西瓜育種工作中不可缺少的一環，良好的果實品質不僅滿足人們視覺和味覺上的要求，也為農民增收提供保障[12]。通過對現有的西瓜種質材料進行調查分析，了解其親本溯源或遺傳背景，有利于西瓜優良基因的挖掘和品種改良[8]。因此，筆者對來源于全球不同地區的100份西瓜的5個果實品質質量性狀（果粉、果面光滑度、果皮覆紋形狀、果肉剖面、果肉質地）和7個果實品質數量性狀（果柄長度、果實質量、果實縱徑、果實橫徑、果皮厚度、中心糖含量、邊糖含量）進行了遺傳多樣性分析，旨在為控制西瓜果實品質相關性狀的基因挖掘和西瓜種質資源的遺傳改良提供重要線索。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為收集于世界各地的100份西瓜種質資源，具體材料名稱及來源見表1，分別來源于亞洲（38份）、北美洲（34份）、非洲（20份）、歐洲（4份）、南美洲（4份）。這100份西瓜材料中，有94份屬于Citrullus lanatus var. lanatus，2份屬于Citrullus colocynthis，2份屬于Citrullus lanatus var. citroides和2份育種材料。

1.2 方法

試驗在鄭州市毛莊綠園蔬菜生產基地進行，西瓜種子經溫湯浸種、催芽露白后于2017年2月11日播種于50孔穴盤，每個材料10株，待植株長到2葉1心時定植于日光溫室中。試驗采用隨機區組設計，每個材料定植5株，株距為0.45 m，雙蔓整枝，每株材料留1個果。常規栽培管理，開花期進行人工授粉。

1.3 果實性狀調查

5月中旬陸續采收成熟的西瓜果實，參照《西瓜種質資源描述規范和數據標準》[13]對西瓜材料的果實品質相關性狀進行調查統計。調查的性狀包括5個質量性狀（果粉、果面光滑度、果皮覆紋形狀、果肉剖面、果肉質地）和7個數量性狀（果柄長度、果實質量、果實縱徑、果實橫徑、果皮厚度、中心糖含量、邊糖含量）。質量性狀按照表2進行分級，數量性狀利用電子秤（精確到0.01 kg）、直尺（精確到0.1 cm）、手持糖度儀進行測量。

1.4 參數計算

對供試西瓜材料的質量性狀進行數量化賦值，并統計各性狀的頻率分布、變異系數和多樣性指數。數量性狀在Excel中計算其最小值、最大值、極差、平均值、標準差、變異系數和多樣性指數。

利用SPSS 22.0軟件，參照潘存祥等[9]多樣性指數計算方法，將數量性狀根據平均值（X）和標準差（S）分為10級，1級< X-2S，10 ≥ X+2S，中間每級相差0.5S。統計該性狀每級出現的頻率，采用Shannon-Weaver多樣性指數（H）來衡量性狀遺傳多樣性，其計算公式為：H=-∑Piln Pi（i=1，2，3...），Pi為頻率，ln為自然對數。利用DPS V 7.05將表型性狀轉化成遺傳矩陣，然后導入MEGA 6.0，對100份西瓜種質材料進行UPGMA聚類分析。

2 結果與分析

2.1 果實性狀的變異統計分析

2.1.1 果實質量性狀頻率統計 對100份西瓜種質材料的5個果實質量性狀按照表2進行賦值分級，并計算頻率分布（表3）。結果發現，在100份供試材料中，果實表面有果粉的占71%，無果粉的占29%；果面光滑度主要以光滑為主（86%），果面出現瘤、溝、棱所占的比例較少，為14%。果面光滑度是影響果實外觀品質的重要因素之一，果面瘤、溝、棱等性狀的出現，除了受基因調控以外，溫度、光照和濕度等環境因素的改變也會很大程度上影響果面的光滑度；果皮覆紋形狀中，網條占45%，齒條占22%，條帶占29%。這3種類型是西瓜比較常見的覆紋形狀，黑皮西瓜的果皮表面常表現為無覆紋，而放射條和斑點主要在野生、半野生西瓜中較為常見；果肉剖面均勻所占的比例最大，為55%，纖維塊占40%；果肉質地主要以酥脆為主，為78%。果肉剖面均勻一致、口感酥脆的果實更受消費者歡迎。

2.1.2 果實性狀變異分析 以100份供試西瓜種質為材料，對12個果實性狀指標進行統計分析（表4），代號A～E為質量性狀，F～L為數量性狀。結果表明，這些性狀的多樣性指數變化范圍為0.44～2.06。其中果實質量的多樣性指數最大，為2.06；果面光滑度的多樣性指數最小，為0.44；其他性狀的多樣性指數介于二者之間。另外，數量性狀的多樣性指數高于質量性狀，這說明西瓜數量性狀的變異范圍更廣。西瓜性狀的變異頻率是性狀多樣性的數量化體現，變異系數越大，在優異資源中的選擇余地就越大[14]。本試驗中，果肉剖面的變異系數最大，為71.13%，果實橫徑的變異系數最小，為16.37%。

2.2 果實性狀主成分分析

由于各個性狀之間存在一定的相互關聯，因此難以分析單個性狀因子在表型性狀構成中的作用[15]。主成分分析可將相關的多個性狀指標在不損失或很少損失的情況下，歸納為數量較少且彼此相互獨立的因子[16]。筆者對西瓜12個果實性狀進行主成分分析，以特征值大于1為標準，將12個果實性狀歸納為3個主成分。這3個主成分的累計貢獻率為71.99%，代表了果實性狀的主要遺傳信息。由表5可知，第1主成分的累計貢獻率最大，為34.00%。12個果實性狀的載荷符號都為正且全部跟西瓜果實相關，因此可稱為果實因子，這些果實因子共同影響西瓜果實品質；第2主成分的貢獻率為24.53%，載荷符號為正的性狀有果粉、果面光滑度、果皮覆紋形狀、果肉剖面和果肉質地，這5個性狀是果實的品質性狀，因此稱為果實品質因子；第3主成分的貢獻率為13.46%，載荷符號為負的性狀有果皮覆紋形狀、中心糖含量和邊糖含量。這說明在果粉、果面光滑度、果肉剖面、果肉質地、果柄長度、果實質量、果實縱徑、果實橫徑和果皮厚度等性狀相對適宜的情況下，即使不考慮果皮覆紋性狀對果實品質的影響，中心糖含量和邊糖含量的降低也會影響西瓜果實的整體品質。

2.3 果實性狀聚類分析

以西瓜12個果實性狀數據為基礎，利用UPGMA法對100份西瓜種質材料進行聚類。由圖1可知，100份西瓜種質材料可分為2大類群。類群Ⅰ包括1、53、78共3個材料，這3個材料中，1和53屬于C. colocynthis，78屬于C. lanatus var. citroides；此類群屬于野生種西瓜，均表現為果實小且極硬，果肉顏色為綠白色，味極苦，不可食用。類群Ⅱ包括97份材料，其中94份屬于C. lanatus var. lanatus，1份屬于C. lanatus var. citorides和2份育種材料（表1）；此類群絕大部分都屬于栽培種西瓜，該類群果肉質地酥脆，中心糖含量在5%～10%之間，果肉顏色大多為紅色，果皮覆紋形狀和果實質量變化豐富，絕大部分果實可食用。

從地理來源上看，類群Ⅰ的3個材料中，1和78來自非洲，53來自歐洲。類群Ⅱ的97份材料中，有38份材料來源于亞洲，18份來源于非洲，4份來源于南美洲，3份來源于歐洲，3份來源于北美洲。由圖1可知，來源不同的西瓜材料在同一簇群中是相互交織在一起的，并未按照來源地域區分開來，這暗示西瓜材料間的親緣關系與其地理來源可能并無顯著相關性。當然這也可能是由于地理環境的改變導致的表型差異。進一步結合SNP、SSR等分子標記研究可以更準確地探索西瓜種質間的親緣關系。

3 討 論

表型性狀變異系數反映了某一性狀數據的離散程度，變異系數越大，則表明該性狀的變異程度就越大[9]。筆者通過對來源不同的100份西瓜種質材料的12個果實品質相關性狀進行調查分析，發現所有性狀的變異系數都大于10%，說明西瓜果實品質具有豐富的變異度。尚建立等[11]分析結果表明，果實質量、果實長度、果實寬度、果皮厚度和中心糖含量的變異系數分別為43.0%、23.1%、15.5%、30.1%和22.5%。紀海波等[10]研究中的果皮斑紋性狀、單果質量、果實縱徑、果實橫徑、果皮厚度和果實質地的變異系數分別為37.72%、52.63%、21.43%、17.47%和33.55%。郭祿芹等[17]研究發現，邊糖含量的變異系數最大，為90.73%，中心糖含量、果柄長度、果實質量、果皮厚度的變異系數分別為88.52%、58.68%、49.84%和36.54%。從總體上看，本研究結論與前人研究較為一致，均表明西瓜種質資源表型性狀的變異程度較高。

西瓜果實品質包含的相關性狀個數較多，這些性狀既有數量性狀又有質量性狀，且各性狀之間又相互關聯，使得育種工作難度加大[18]。主成分分析將較多的變量綜合為少數幾個公共因子，從而減少數據維度，以減少評價工作量。趙衛星等[8]將7個西瓜果實性狀歸納為4個主成分，累計貢獻率為93.94%。王志強等[19]將6個數量性狀綜合成為3個主成分，且這3個主成分構成的信息可解釋總信息量的84.30%。朱子成等[12]的研究表明，前3個主成分特征值的累計貢獻率達87.84%，應從單果質量、可溶性固形物含量和果形指數等方面選育高產量、高品質品種。筆者將12個果實性狀歸納為3個主成分，累計貢獻率達71.99%。這12個果實性狀與西瓜的果實品質密切相關，且第1主成分中各性狀的載荷全部為正。因此在對西瓜某個果實品質性狀進行研究時，要綜合考慮這12個性狀間的相互作用。

聚類分析是將一個總體內的各個元素，根據它們之間的相近程度進行分類[10]。蘇玉環等[20]基于果實性狀的聚類分析，將供試材料分為4個類群。陳萍等[21]根據單果質量、果皮厚度和含糖量，采用系統聚類法將119份西瓜種質材料分為10類。潘存祥等[9]基于24個表型性狀，將供試西瓜在歐氏距離為25時聚為2類。紀海波等[10]在歐氏距離25時將768份西瓜種質材料聚為2類。趙衛星等[8]以綜合成分中主要因子為指標進行聚類分析，將56份西瓜品種分為4類。本研究的聚類結果將100份西瓜種質材料分為野生西瓜（C. colocynthis）和栽培西瓜（C. lanatus）。ZHU等[22]采用32對SSR標記將134份西瓜種質材料聚為2類，一類包括C. lanatus var. citorides 和 C. colocynthis，另一類包括C. lanatus var. lanatus和C. colocynthis。筆者基于表型數據的UPGMA聚類結果與紀海波、潘存祥等的研究結果類似，與ZHU等[22]從分子角度分析UPGMA的聚類結果基本一致。通過對西瓜種質材料表型性狀的差異化進行統計分析，了解材料間豐富的形態多樣性，將為西瓜分子標記輔助選擇及基因定位等提供基礎，進而促進西瓜的新品種選育及遺傳改良。

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