黃瓜種質資源農藝性狀多樣性分析

陳 林，曹振強，梁肇均，何曉明，王 敏，劉文睿，彭慶務，林毓娥

（廣東省農業科學院蔬菜研究所/廣東省蔬菜新技術研究重點實驗室，廣東 廣州 510640）

【研究意義】黃瓜（Cucumis sativusL.）屬于葫蘆科黃瓜屬蔬菜，是世界上重要蔬菜之一。我國是黃瓜主要生產國，種植規模和產量都位居世界第一。據聯合國糧食及農業組織（FAO）統計，2019 年我國黃瓜總產量達7 034 萬t，占世界總產量的70%以上。黃瓜根據地理分布區域和生態學特性，一般可分為華北型黃瓜、華南型黃瓜、歐洲溫室型黃瓜、歐洲露地型黃瓜、野生型黃瓜以及加工型黃瓜等6 個生態類型［1-2］。在黃瓜長期育種過程中，黃瓜種質資源的擴展以及遺傳多樣性的研究一直是改善其品種的重要基礎［3-4］。廣東省農業科學院蔬菜研究所自20 世紀60 年代起就開展黃瓜種質資源收集、鑒定、保存和利用工作，至今已有50 多年，對本課題組收集的黃瓜種質資源開展深度資源評價顯得尤為重要。【前人研究進展】黃瓜種質資源關于農藝性狀遺傳多樣性的研究報道較多。于婭等［5］對43 份黃瓜種質資源的葉片、果實、風味、產量等性狀進行評價，分析得出12 份豐產類型的黃瓜種質資源、6 份風味較好的黃瓜種質資源、5 份可溶性糖較高的黃瓜種質資源、6 份維生素C 含量較高的黃瓜種質資源，為黃瓜多樣化育種的親本篩選提供參考依據。李錫香［6］基于對黃瓜種質34 個形態性狀的數據聚類分析鑒定，將70 份種質分為五大類群，聚類結果較好地反映了黃瓜種質間的形態相似性及其與地理區域之間的關系。史建磊等［7］以69份華南型黃瓜為材料發現，24 個農藝性狀的變異系數在6.19%～73.89%之間，進一步系統聚類分為4 大類群，為華南型黃瓜優異資源的挖掘提供了一定價值。種質資源遺傳多樣性分析中普遍運用的分析方法包括相關性、主成分、聚類分析等。目前這些方法在水稻［8］、棉花［9］、綠豆［10］、梨［11］、番茄［12］、茶［13］、兜蘭［14］、花生［15］等植物種質資源中均有廣泛利用。于婭等［16］通過對43 份黃瓜種質資源農藝性狀的遺傳多樣性進行主成分和聚類分析，結果表明12 個性狀可以劃分為4 個主要成分，包括果實因子、葉片因子、顏色因子、產量因子；聚類分析將43 份種質資源劃分為3 個類群，分別為歐洲溫室型黃瓜、華北型黃瓜、華南型黃瓜。【本研究切入點】根據廣東省農業科學院蔬菜研究所前期種質資源收集的工作，加強種質資源利用、開展種質資源評價將會對黃瓜育種工作有直接推動作用。【擬解決的關鍵問題】對本課題組收集到的197 份黃瓜種質資源的10 個農藝性狀進行調查，再結合主成分分析和聚類分析方法研究遺傳多樣性，明確本團隊收集的黃瓜種質資源變異豐富程度，為黃瓜育種提供一定參考和理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料為197 份從全國各地收集的黃瓜種質資源。試驗在廣州市國家農業科技園區廣東省農業科學院蔬菜研究所基地進行。

1.2 調查方法

2018年9月4日育苗、9月11日調查幼苗性狀、9 月12 日移栽，設3 個重復，每個重復定植30 株。種植管理按常規田間栽培管理。調查197 份黃瓜種質資源的10 個性狀，每個重復調查10 株，包括下胚軸長、子葉長、子葉寬、葉片長、葉片寬、葉柄長、主蔓粗、葉色、第一分支節位和第一雌花節位。數據采集、測量的方法和標準參照《黃瓜種質資源描述規范和數據標準》。其中，下胚軸長、子葉長、子葉寬在直播7 d 后調查；葉片長、葉片寬、葉柄長、主蔓粗、葉色在結果盛期調查，選取植株主蔓中部最大葉片測量葉片長、葉片寬、葉柄長；葉色采用目測方法，賦值分為4 級（淺綠=l、黃綠=2、綠=3、深綠=4）。

1.3 數據處理

本研究調查的黃瓜農藝性狀數據采用Excel進行原始數據整理，分析性狀的平均值、最小值、最大值、極差、標準差和變異系數。利用SPSS 22.0 軟件進行10 個性狀之間的相關性和主成分分析，同時采用離差平方和法（Ward’ s method）對種質資源性狀進行聚類分析。

2 結果與分析

2.1 黃瓜種質資源農藝性狀的多樣性分析

由表1 可知，197 份黃瓜資源的變異幅度較大，介于10.03%～48.35%之間，平均變異系數為22.59%，其中變異幅度最大的是第一雌花節位，表明第一雌花節位的遺傳多樣性較豐富，變異幅度最小的是子葉寬。

表1 黃瓜種質資源10 個農藝性狀的多樣性分析Table 1 Diversity analysis of 10 agronomic traits in cucumber germplasm resources

在子葉性狀中，下胚軸長、子葉長、子葉寬的平均值分別為7.21、3.71、2.15 cm，其中變異系數最大的是下胚軸長、為24.30%，子葉長和子葉寬的變異系數分別為11.04%和10.03%。下胚軸長最長為PE161（11.63 cm），最短為PE130（3.61 cm）；子葉長最長為PE52（4.87 cm），最短為PE184（2.77 cm）；子葉寬最大為PE131（3.50 cm），最小為PE184 和PE198（1.49 cm）。

在葉片性狀中，葉長、葉寬、葉柄長和葉色分別為17.53 cm、20.87 cm、17.18 cm 和2.77，其中變異系數最大為葉色（34.18%），葉長、葉寬和葉柄長的變異系數分別為12.06%、11.24%和22.11%。葉片顏色表現深綠的材料有35 份，表現淺綠的材料35 份；葉片最長為PE59（22.91 cm），最短為PE54（8.01 cm）；葉片最寬為PE156（26.76 cm），最短為PE54（9.37）；葉柄最長為PE119（27.48 cm），最小為PE64（5.63 cm）。

在枝條性狀中，主蔓粗、第一雌花節位和第一分支節位的平均值分別為5.55 cm、15.41和3.30，變異系數最大的是第一雌花節位（48.35%），主蔓粗和第一分支節位的變異系數分別為11.74%和40.84%。主蔓粗最粗為PE144（7.68 mm），最細為PE135（4.07 mm）；第一雌花節位最高為PE55，最低為PE40；第一分支節位最高為PE112，最低有17 份，為PE63、PE64、PE81、PE83、PE85、PE86、PE87、PE89、PE91、PE93、PE99、PE105、PE108、PE116、PE177、PE183 和PE184。

2.2 黃瓜種質資源農藝性狀的相關性分析

對197 份黃瓜種質資源的10 個農藝性狀進行相關性分析，結果（表2）顯示，呈極顯著相關的性狀有20 對，其中正相關17 對、負相關3 對；呈顯著相關的性狀有5 對，其中正相關3 對、負相關2 對。下胚軸長、子葉長和子葉寬間兩兩呈極顯著相關，葉長、葉寬和葉柄長兩兩呈極顯著相關。第一雌花節位與葉長、葉寬、葉柄長、主蔓粗呈顯著或極顯著負相關。第一分支節位與葉長、葉寬、葉柄長、主蔓粗呈顯著或極顯著相關。葉色只與葉柄長呈顯著相關。

表2 黃瓜種質資源農藝性狀的相關性分析Table 2 Correlation analysis of agronomic traits in cucumber germplasm resources

2.3 黃瓜種質資源農藝性狀的主成分分析

對197 份黃瓜種質資源的10 個農藝性狀進行主成分分析，結果見表3。從表3 可以看出，以特征值大于1 為標準提取主成分，前3 個主成分累計貢獻率為63.17%。其中，第1 主成分的特征值為3.19、貢獻率為31.91%，主要反映葉片長寬、主蔓粗、第一分支節位的影響；第2 主成分的特征值為2.03、貢獻率為20.30%，主要反映幼苗期下胚軸和子葉的影響；第3 主成分的特征值為1.10、貢獻率為10.97%，主要反映第一雌花節位和葉色的影響（表3、表4）。

表3 主成分方差因子的貢獻率Table 3 Contribution rate of principal component variance factors

表4 黃瓜種質資源農藝性狀的主成分分析Table 4 Principal component analysis of agronomic traits in cucumber germplasm resources

利用第1 主成分和第2 主成分做成散點圖（圖1），結果展示了不同性狀之間的關系。10 個農藝性狀可以較明顯地區分成3 類：第1 類為葉片長、葉片寬、葉柄長、主蔓粗以及第一分支節位；第2類為子葉長、子葉寬和下胚軸長；第3 類為第一雌花節位和葉色。以上分析結果與10 個性狀相關性分析結果基本一致，說明性狀間存在明顯相關性。

圖1 黃瓜種質資源農藝性狀主成分二維坐標散點圖Fig.1 Two-dimension coordinate scatter diagram for principal components of agronomic traits in cucumber germplasm resources

2.4 黃瓜種質資源農藝性狀的聚類分析

黃瓜種質資源的聚類分析如圖2 所示，在歐式距離為10 時，可以將197 份黃瓜種質資源分為4 大類群，不同類群之間存在一定差異。第Ⅰ類群包括67 份種質材料，占總種質資源的34.01%，主要特征是下胚軸較長，平均下胚軸長為7.46 cm；第Ⅱ類群包括47 份材料，占總種質資源的23.86%，主要特征是葉片較大及主蔓較粗，平均葉片長19.49 cm、葉片寬 22.99 cm、葉柄長20.74 cm、莖粗6.03 cm；第Ⅲ類群包括33份種質資源材料，占總種質資源的16.75%，主要特征是子葉較大（平均子葉長3.86 cm、子葉寬2.25 cm）以及第一雌花節位較低（平均9.69）；第Ⅳ類群包括50 份種質資源材料，占總種質資源的25.38%，主要特征是子葉和葉片較小，平均子葉長為3.59cm、子葉寬為2.04 cm，平均葉片長15.60 cm、葉片寬18.79 cm（表5）。

表5 黃瓜種質資源不同類群農藝性狀的平均值和變異系數Table 5 Mean value and coefficient of variation of agronomic traits in different groups of cucumber germplasm resources

圖2 黃瓜種質資源的聚類分析Fig.2 Cluster dendrogram based on traits of cucumber germplasm resources

3 討論

種質資源是育種的關鍵基礎，充分了解種質資源的遺傳多樣性、研究種質資源的遺傳變異和背景，可以為植物新品種的選育提供參考。本研究對197 份黃瓜種質資源的10 個農藝性狀進行了調查分析，結果發現10 個農藝性狀中變異系數最大達10.03%、最小為48.35%，平均22.59%，說明197 份種質資源的農藝性狀差異明顯，遺傳多樣性較豐富。本研究中黃瓜子葉長、子葉寬、葉長、葉寬的變異系數在10.03%～12.06%之間，變異系數較小，表明黃瓜葉片和子葉的性狀能夠穩定遺傳，這與于婭等［5］研究結果基本一致。第一雌花節位和第一分支節位變異系數較大（均＞30%），均具有較大的選擇潛力，這些數據對早熟品種的選育有較好的參考依據。

通過對197 份黃瓜種質資源10 個主要農藝性狀的相關性分析，發現各農藝性狀至少與一個農藝性狀呈顯著或極顯著相關。下胚軸長、子葉長和子葉寬兩兩呈極顯著相關，表明可以通過下胚軸的長短初步判斷子葉的長寬。葉片長、葉片寬和葉柄長兩兩呈極顯著相關，這與于婭等［16］研究結果一致。

主成分分析是考察多個變量間相關性的一種多元統計方法，在種質資源評價和鑒定中可以將絕大部分信息進行簡化。近年來，運用主成分分析方法開展種質資源評價已在番茄［17］、茶［13］、花生［15］上已有大量報道。本研究對197 份黃瓜種質資源10 個農藝性狀的主成分分析結果表明，前3 個主成分的累積貢獻率為63.17%，能夠代表10 個性狀指標63.17%的原始信息，分別為葉片大小因子、幼苗期因子、早熟因子。第1 主分成主要反映葉片長寬、主蔓粗、第一分支節位的影響；第2 主成分主要反映幼苗期下胚軸和子葉的影響；第3 主成分反映第一雌花節位和葉色的影響。因而，在黃瓜育種工作中，可以根據育種目標由主成分分析的因子排序，全面評價各個種質資源的優劣，從而為黃瓜育種服務。

聚類分析可分析不同目標性狀以及不同種質資源之間的關系，了解種質資源的親緣性，為育種方案的設定提供一定的理論依據［18］。近年來，不少研究者提出采用聚類分析對不同目標性狀進行相對應的親本選擇，如李［19］、番茄［20］、綠豆［10］、辣椒［21］等作物上已有應用。本研究對197 份黃瓜種質資源的10 個農藝性狀進行聚類分析，得到4 個類群，初步明確各個類群之間的特征，其中第Ⅰ類群的種質資源可用于篩選下胚軸長的品種，第Ⅱ類群可用于選育葉片較大的品種，第Ⅲ類群可用于選育子葉較大的品種，第Ⅳ類群可用于選育子葉和葉片較小的品種。

由于種質資源農藝性狀的農藝調查和鑒定比較容易受到環境因素的影響，特別是光照、溫度、濕度等對調查結果影響較大，因此后續對種質資源的評價還應結合DNA 分子鑒定的方法以及多年多點的研究方法，這樣對種質資源的鑒定評價才會更加全面和系統。

4 結論

本研究對本課題組收集的197 份黃瓜種質資源的農藝性狀進行了多樣性、相關性、主成分和聚類分析，多樣性及相關性結果表明這197 份種質資源具有豐富的遺傳多樣性，且各農藝性狀之間存在不同的相關性。主成分分析結果表明前3個主成分的累計貢獻率為63.17%，能夠代表10個性狀指標63.17%的原始信息，分別是葉片大小因子、幼苗期因子、早熟因子。聚類分析結果顯示將197 份黃瓜種質資源分為4 大類群，各個類群差異主要表現在下胚軸長短、葉片大小、子葉大小等特征上。本研究為黃瓜育種親本的選配和性狀改良奠定了一定的研究基礎。