甘肅地方紅花種質資源主要經濟性狀綜合評價△

毋玲玲，宿翠翠，魏玉杰

甘肅省農業工程技術研究院/甘肅省特種藥源植物種質創新與安全利用重點實驗室，甘肅 武威 733006

甘肅引黃灌區地處河西走廊東部，轄19 個縣區，東臨黃河，北依騰格里沙漠，南靠長嶺山，屬于干旱型大陸氣候，年平均降水量186 mm，蒸發量3600 mm，且風大沙多，年平均風速為3.5 m·s-1，最大風速21 m·s-1，年均溫度8.2 ℃，≥10 ℃的活動積溫為3 038.2 ℃，日照時數2726 h[1-2]。灌區自建成以來，對該區干旱缺水狀況和農業生產條件改善起到重要的作用，現已發展灌溉面積6.53×104hm2。中藥材紅花是適宜該區域大面積種植的中藥材品種，投入低、管理簡便，適合藥農廣泛種植。

紅花Carthamus tinctoriusL.為菊科（Composilae）紅花蘭屬（Carthamus）植物，喜溫暖，抗寒、抗旱、耐瘠薄、耐鹽堿，適應性強[3]。近年來，隨著社會經濟快速發展和移民的大規模搬遷，迫于日益嚴重的黃河水資源缺乏、耕地鹽堿化及種植結構調整，紅花在引黃灌區的種植面積不斷增加，但當地紅花種植農戶生產用品種大都未經過提純復壯，自繁自用，種源混雜，群體的一致性、穩定性差，導致出現采摘困難、花期延長等問題，嚴重影響該地區紅花生產推廣及新品種選育。

種植資源研究是品種選育的基礎工作，主成分分析和聚類分析是種質資源研究評價鑒定常用的統計分析方法[3-10]。我國紅花種植資源遺傳多樣性豐富，已收集、鑒定、保存、評價的國內外紅花種質資源約4000 余份，大批高產、抗旱、耐鹽堿、抗病耐瘠的優質紅花種質資源被篩選鑒定[4-6]。為合理高效利用紅花種質資源，本研究對14 份甘肅紅花種質資源的14 個主要經濟性狀進行測量、測定，利用紅花形態標記相似性，從生育特性、產出特性等角度分析不同紅花種質資源的生長特性，研究其遺傳親緣關系，篩選可利用的優質紅花種質，以期為該地區紅花品種改良、優質新品種選育及生產推廣提供理論參考。

1 材料

1.1 樣品

以收集到的14 份甘肅本地紅花種質資源為供試材料進行研究，由甘肅省農業工程技術研究院宿翠翠助理研究員鑒定為紅花Carthamus tinctoriusL.。材料來源地為河西走廊玉門市、山丹縣、民勤縣、古浪縣等地區，具體信息見表1。

表1 甘肅紅花樣品信息

1.2 儀器

HX202T 型電子天平（慈溪市天東衡器廠）；AEG-220 型分析天平［島津（中國）有限公司］；600 型高效液相色譜儀［沃特斯（中國）有限公司］；SB-4200DTD 型超聲波清洗機（寧波新芝生物科技股份有限公司）；ST243 型索氏浸提系統［脂肪測定儀，福斯分析儀器（蘇州）公司］；KX-250 型高速多功能粉碎機（浙江武義鼎藏日用金屬制品廠）；DGH1000B 型電熱鼓風干燥箱（武漢瑞華儀器設備有限公司）。

1.3 試藥

甲醇（優級純，國藥集團化學試劑有限公司）；乙腈（優級純，上海星可高純溶劑有限公司）；磷酸（優級純，成都市科隆化學品有限公司）；石油醚（沸程30～60 ℃，分析純，煙臺市雙雙化工有限公司）；對照品羥基紅花黃色素A（HSYA，上海融禾醫藥科技發展有限公司，批號：78271-02-4，純度：98%）。

2 方法

2.1 試驗區概況

試驗區域位于甘肅省農業工程技術研究院試驗基地內，緯度N37°67′，經度E102°85′，海拔1723 m，全年日照時數2800～3000 h，有效積溫（＞10 ℃）2800～3300 ℃，晝夜溫差12～16 ℃，無霜期約150 d，年降雨量150 mm。土壤類型為砂壤土，肥力中等；灌溉類型滴灌；前茬作物為“百號”，肥力中等，伏秋深翻曬土，灌冬水。

2.2 田間試驗

采用順序排列，不設重復，每份材料種2 膜，每小區2膜，膜寬1.4 m，1膜3行，每膜下鋪設2條滴灌帶；行長2 m，株行距20 cm×40 cm；小區間距50 cm。于2019 年3 月28 日播種，出苗后及時放苗、定苗，全生育期視需水情況滴水4～5 次。播種前一次性施入底肥尿素75 kg·hm-2、磷二銨225 kg·hm-2、硫酸鉀300 kg·hm-2，分枝期視地力狀況追施尿素60～75 kg·hm-2，現蕾期、開花期進行調查記載，成熟后取樣進行考種。

2.3 性狀調查測定

田間性狀調查按照《紅花種質資源描述規范和數據標準》[11]，生育期記載播種期、出苗期、蓮座期、分枝期、現蕾期、初花期、盛花期、成熟期；開花期及時采摘花絲并計算干花絲產量（紅花）；成熟期每份資源取樣10 株進行室內考種，測定株高、莖粗、根長、第一分枝高度、一級有效分枝數、二級有效分枝數、三級有效分枝數、頂果球直徑、千粒質量、單株籽粒產量及小區產量等性狀。

2.4 HSYA含量測定

按《中華人民共和國藥典》2020年版[12]方法測定。

2.5 籽粒含油率測定

紅花籽粒測產后，將籽粒于65 ℃烘干粉碎后，采用ST243 型索氏浸提系統（脂肪測定儀）進行籽粒含油率測定。

2.6 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 22.0 軟件進行供試材料各性狀指標的平均值、標準差、極大值、極小值、變異系數及遺傳多樣性指數（H′）數據處理分析。

H′采用香農-威納指數（Shannon-Weiner index）信息多樣性指數[6]，用來描述種的個體出現的紊亂和不確定性，信息量越大，不確定性也越大，因而H′也就越高。H′按公式（1）計算。

式中，Pi為屬于第i個性狀在第i個級別的種質資源份數占總種質材料數的比例，S為某一性狀表型級別數。

相關性分析、主成分分析、聚類分析采用SPSS 22.0 軟件進行數據處理，根據紅花形態標記的相似性，采用組間連接法和平方歐氏距離法，對不同地區紅花種質資源進行系統聚類分析。

3 結果

3.1 不同紅花種質資源生育期差異性分析

對14 份紅花種質資源生育期進行調查，結果見表2。各材料于3 月27 日播種，集中在4 月5—7 日出 苗；GL1、YM5、YM4、YM2、YM3、YM1、MQ3、MQ2、MQ1、GL2 集中在4 月20—23 日接連長出互生葉，進入蓮座期，SD1、SD2、GL3、GL4 蓮座期相較于其他材料晚約7 d；GL2 分枝期最早（5 月23 日），YM2 次之（5 月25 日），GL4最晚，6月1日進入分枝期，其他品種均晚4 d以上；MQ2、MQ1 最早開始現蕾，分別于6 月15、17 日開始現蕾，SD1、SD2、GL4 現蕾期較晚，于6 月24—25 日開始現蕾，其他品種現蕾期集中于6 月19—20 日。初花期最早出現的是GL1（7 月7 日），最晚出現的是YM1、MQ3，分別于7 月17 日、16 日現花，相差約10 d，其他品種在7 月9—13 日現花。初花期到盛花期時間較長的為YM2，間隔9 d；SD2、GL1、YM5、YM4、YM1、MQ2、MQ1、GL4、GL2 間隔約7 d；SD1、YM3、MQ3、GL3 間隔約4 d。全生育期MQ2最短，為141 d；SD2、MQ3、GL4次之，為143 d；SD1、GL1、YM5、GL3 為144 d，YM3 為145 d；YM1 為146 d；GL2、MQ1、YM4 為147 d；YM2生育期最長，為149 d。

表2 甘肅紅花種質資源生育期

3.2 紅花種質資源遺傳主要經濟性狀多樣性分析

對供試的14份紅花種質資源14個主要經濟性狀進行變異分析，結果見表3。從表3 可以看出，株高變幅125.00～159.00 cm，均值為141.21 cm；莖粗變幅1.37～2.01 cm，均值為1.66 cm；根長變幅7.00～19.00 cm，均值為12.86 cm；第一分枝高度變幅1.00～40.00 cm，均值為9.21 cm；一級有效分枝數變幅4.00～31.00 個，均值為18.21 個；二級有效分枝數變幅16.00～83.00 個，均值為45.79 個；三級有效分枝數變幅3.00～38.00 個，均值為16.36 個；頂果球直徑變幅2.36～3.26 cm，均值為2.82 cm；千粒質量變幅33.33～50.30 g，均值為40.01 g；單株籽粒變幅29.88～170.58 g，均值為78.98 g；小區產量變幅0.33～1.57 kg，均值為0.90 kg；單株干花產量變幅3.19～5.00 g，均值4.09 g；HYSA 質量分數變幅1.89%～3.35%，均值2.62%；籽粒含油率變幅19.80%～28.11%，均值24.06%。紅花14 個主要經濟性狀平均變異系數為32.03%。其中，第一分枝高度、三級有效分枝數變異系數分別達123.74%、64.00%；株高、莖粗、頂果球直徑、千粒質量、單株干花產量、HYSA質量分數、籽粒含油率一致性較好，變異系數較低，均在20.00%以下；根長、一級有效分枝數、二級有效分枝數、單株籽粒產量、小區產量變異范圍均為20.00%～50.00%；說明本供試紅花種質資源在主要經濟性狀上具有豐富的變異性。

表3 甘肅紅花主要經濟性狀變異參數及H′

采用Shannon-Winner 信息H′對14 份紅花種質的14 個主要經濟性狀進行遺傳多樣性分析，14 份紅花種植資源主要經濟性狀H′均較表現較高，平均H′為1.656。其中，株高的H′最高，為2.242；單株干花產量的H′最低，為0.303，兩者相差1.939。遺傳H′排序為株高＞莖粗＞千粒質量＞頂果球直徑＞小區產量＞根長＞三級有效分枝數＞單株籽產量＞一級有效分枝數＞籽粒含油率＞第一分枝高度＞二級有效分枝數＞HYSA 質量分數＞單株干花產量。

通過對14 份紅花種質資源進行系統評價，容易篩選出第一分枝高度、第三有效分枝數很高的種質資源。通過定向選育，可以使紅花植株的群體結構得到改善，有效提高光合效率，同時易于采摘。株高、莖粗、一級有效分枝數、二級有效分枝數、頂果球直徑等性狀較難通過系統選育的方法加以改良。其中，株高更易受到水、肥、年份等外部環境的影響，通過適宜的栽培方式可以達到理想的目標要求。

3.3 紅花種質資源主要經濟性狀相關性分析

14 份紅花種質資源14 個主要經濟性狀相關性分析結果見表4，籽粒含油率與第一分枝高度呈極顯著正相關關系，r為0.422，與莖粗、根長、有效分枝數、單株干花產量呈不顯著負相關關系；HYSA質量分數和單株干花產量呈顯著正相關關系，r為0.613，與莖粗呈顯著負相關，r為-0.318；單株干花產量和株高、一級有效分枝數呈顯著正相關，r分別為0.331、0.308，與第一分枝高度呈極顯著負相關，r為-0.403；千粒質量和株高、第一分枝高度、頂果球直徑極呈顯著正相關關系，r分別為0.598、0.438、0.445，與莖粗呈顯著正相關關系，r為0.327；單株籽產量與一級有效分枝數、頂果球直徑呈極顯著正相關關系，r分別為0.426、0.469，與三級有效分枝數r為-0.343；小區產量與一級有效分枝數呈顯著正相關關系，r為0.342；與二級有效分枝數、千粒質量、單株籽產量呈極顯著正相關關系，r分別為0.512、0.545、0.495，與三級有效分枝數呈極顯著負相關關系，r為-0.428；千粒質量、單株籽粒產量、小區產量與單株干花產量、HSYA 含量呈不顯著負相關；頂果球直徑與株高呈極顯著正相關關系，與莖粗呈顯著正相關關系，r分別為0.412、0.318，與根長呈顯著負相關關系，r為-0.307；三級有效分枝數與莖粗、根長呈顯著正相關關系，r分別為0.336、0.346，與一級有效分枝數呈顯著負相關關系，r為-0.439，與株高、第一分枝高度、二級有效分枝數呈不顯著負相關；二級有效分枝數與根長呈顯著正相關，與一級有效分枝數呈極顯著正相關關系，r分別為0.389、0.594，與第一分枝高度呈顯著負相關，r為-0.469；一級有效分枝數與第一分枝高度呈顯著負相關關系，r為-0.365；株高與莖粗相互之間呈顯著正相關關系，r為0.645。對表4 數據進行分析發現，紅花株高、莖粗、根長、第一分枝高度、一級有效分枝數、三級有效分枝數直接影響頂果球大小及籽粒、干花產量和籽粒含油率的高低，三級有效分枝數越多，千粒質量、單株籽產量、單株干花產量越低，第一分枝越大，籽粒含油率越高，一、二、三級有效分枝數和單株干花產量越少，在優勢種質選育過程中可以選擇株高和第一分枝高度適中、一級有效分枝數較多、莖粗適中、根長適中、三級有效分枝數較少、頂果球較大的種質資源。

表4 甘肅紅花主要經濟性狀相關性

3.4 紅花種質資源經濟性狀綜合評價

3.4.1紅花種質資源經濟性狀主成分分析 采用SPSS 22.0 軟件對14 份紅花種質資源株高等14 個主要經濟性狀進行主成分分析，主要經濟性狀的特征向量及貢獻率見表5～6。從表5 可以看出，在供試14 份紅花種質資源14 個主要經濟性狀可提取所有主成分構成中，前5 個主成分包含了14 個主要經濟性狀的大部分信息，累積方差貢獻率達78.948%。因此，將這5 個主成分作為綜合變量來評價供試紅花種質資源是可行的。

表5 甘肅紅花主要經濟性狀主成分值

第一主成分的特征向量值為2.859，方差貢獻率為20.421%。其中，特征值最大的為小區產量，其次為一級有效分枝數、單株籽粒產量和千粒質量，特征值為負值的有莖粗、三級有效分枝數、單株干花產量、HSYA 含量，可稱之產量因子。向量關系顯示，隨著一級有效分枝數、單株籽產量、千粒質量和小區產量的增大，單株干花產量和HSYA 含量降低，三級有效分枝數變少。

表6 甘肅紅花各主成分方差貢獻率及累積方差貢獻率

第二主成分的特征向量值為2.385，方差貢獻率為17.036%，正向特征值較大的有株高和莖粗，其次為頂果球直徑和千粒質量，特征向量值為負值的有小區產量和HSYA 含量，株高、莖粗、頂果球直徑的大小影響千粒質量的大小，可以稱之為地上株型控制因子。向量關系顯示，隨著株高、莖粗、頂果球直徑的增加，千粒質量增大，但小區產量和HSYA 含量降低。因此，該主成分值增加可以促進千粒質量的增加，但特征值不宜過高。

第三主成分的特征向量值為2.059，方差貢獻率為14.704%，該主成分中特征值最大為根長，其次為二級有效分枝數和三級有效分枝數，特征值為負值的有第一分枝高度、頂果球直徑、千粒質量、單株籽粒產量和HSYA 含量，可稱之為地下株型因子。向量關系顯示，隨著根長、二級有效分枝數和三級有效分枝數的增加，第一分枝高度變矮，頂果球直徑變小，籽粒產量和HSYA 含量降低。因此，該主成分值以小為優勢因子。

第四主成分的特征向量值為1.918，方差貢獻率為13.698%，該主成分中特征值最大的為第一分枝高度，其次為籽粒含油率，特征值為負值的有莖粗、根長、一級有效分枝數、二級有效分枝數、三級有效分枝數，可稱之為分枝因子。向量關系顯示，隨著第一分支高度因子的增加，籽粒含油率增加，莖粗變小、根長變短、各級有效分枝數減少，該主成分值以適中為宜。

第五主成分的特征向量值為1.832，方差貢獻率為13.089%，該主成分中特征值最大的為HYSA質量分數，其次為單株干花產量，特征值為負的有莖粗、第一分枝高度、二級有效分枝數、三級有效分枝數、千粒質量、單株籽粒產量、小區產量，可稱之為品質因子。向量關系顯示，株高、一級有效分枝數、頂果球直徑正向影響單株花產量和HYSA質量分數，該主成分值亦以大為宜。

3.4.2基于主成分和聚類分析評價紅花種質資源 鑒于本研究中14 個主要經濟性狀指標具有不同的量綱，同時其數量級差別也較大，因此需要對原始數據進行標準化處理，將標準化處理的數據代入每個主成分中，分別計算5 個主成分得分Fj（j=1，2，3，4，5），再利用模糊隸屬函數對各主成分進行歸一化處理，計算各自權重系數Uj（j=1，2，3，4，5）。根據5 個主成分旋轉后的方差貢獻率及對應的權重系數，按公式（2）計算綜合評價得分Fi值，對各供試材料主要經濟性狀進行綜合評價，F值越高，綜合經濟性狀越好。

式中，i=1，2，3……14。

由表7 可知，14 份紅花種質資源F值為0.259～0.619，F平均值為0.459。其 中，MQ2 的F值表現最高，為0.619；YM5 的F值表現最低，為0.259，說明MQ2 的綜合經濟性狀最好，YM5的綜合經濟性狀最差。綜合經濟性狀表現由高到低的順序為MQ2＞GL4＞GL3＞MQ3＞GL2＞YM2＞MQ1＞SD1＞YM3＞GL1＞YM4＞SD2＞YM1＞YM5，表現較好的是民勤縣紅沙梁鄉王化村收集的種質資源。

表7 不同品種紅花種質資源主要經濟性狀各主成分綜合得分及排序

3.5 紅花種質資源表型性狀聚類分析

利用SPSS 22.0 數據統計軟件將14 個主要經濟性狀進行標準化轉換后，采用歐式距離平均聯接（組間）法對供試14 份紅花種質資源進行系統聚類，在平方歐氏距離為5.0 處將14 份紅花種質資源分為五大類群（圖1），各種質類群的特征見表8。

表8 紅花種質資源各類群主要經濟性狀特征及分類結果

圖1 紅花種質資源主要經濟性狀聚類圖

其中，第Ⅰ類群包含9 份資源（YM1、GL4、GL2、SD1、SD2、MQ3、MQ1、YM4、YM5），該類群的特征指標相對于其他4個類群均處于相對中間偏低位置，表現偏高最為突出的是株高（143.00 cm）和單株干花產量（4.22 g），根長（12.11 cm）、小區產量（0.76 kg）表現最差，其他性狀指標居中偏低；第Ⅱ類群包含2 份資源（YM3、GL3），該類群的主要特征是第一分枝高度（33.00 cm）和籽粒含油率（27.49 %）表現最為突出，莖粗（1.56 cm）、一級有效分枝數（12.50 個）、二級有效分枝數（25.50 個）表現最差，其他形狀指標居中偏高；第Ⅲ類群包含1 份資源（YM2），該類群主要特征根長（19.00 cm）、三級有效分枝數（27 個）表現最高，千粒質量（36.40 g）和籽粒含油率（19.80%）最低；第Ⅳ類群包含1 份資源（GL1），該類群主要特征二級有效分枝數（83 個）和三級有效分枝數（23 個）和單株干花產量及HSYA含量表現較高，株高（125.00 cm）、頂果球直徑（2.64 cm）、單株籽粒產量（29.88 g）表現最差；第Ⅴ類群包含1 份資源（MQ2），該類群的主要特征是株高（150.00 cm）、莖粗（1.82 cm）、一級有效分枝數（28個）、頂果球直徑（3.12 cm）、千粒質量（47.50 g）、單株籽粒產量（170.58 g）、小區產量（1.57 kg）表現為最高，三級有效分枝數（5 個）最少，單株干花產量、HSYA含量和籽粒含油率適中偏高。

4 結論與討論

主要經濟性狀分析描述和評價鑒定是紅花種質資源多樣性研究的最重要基礎工作，也是紅花優質種質資源篩選過程中關鍵的組成部分[13-16]。本研究采用Shannon-Winner 信息多樣性指數對14 份紅花種質的14 個主要經濟性狀進行遺傳多樣性研究分析，結果顯示，供試14 份紅花種質資源主要經濟性狀具有較高的遺傳多樣性，其中，株高H′最高，變異系數最小；第一分枝高度變異系數最大，H′最小的為單株干花產量。此研究結果與許蘭杰等[6]研究結果部分相似，但株高和莖粗易受到栽培環境水分、養分及種植年份等外部環境的影響，可通過優化栽培方式達到理想的目標要求[17-18]。供試14 份紅花種質資源14 個主要經濟性狀之間存在不同程度的相關性，篩選時可將株高、莖粗、第一分枝高度、各級有效分枝數、千粒質量、單株干花產量作為選育甘肅紅花新品種的主要目標性狀，同時要特別注意根長與二、三級有效分枝數，不應過高，以免影響產量。

楊航等[7]利用主成分分析和隸屬函數法對貴州地方芝麻種質資源8 個品質性狀進行分析評價，篩選出5 份了高含油量、高油酸、高煙油酸的優良育種材料；張濤等[10]利用因子分析和聚類對30 份黃山黃皮種質9 個果皮品質性狀進行了評價，篩選出果實大、可食率、可溶性固形物含量高的果實性狀綜合最優的一個亞類13 份種質。本研究同采用隸屬函數法和主成分分子法，對供試14 份甘肅紅花種質資源14 個主要經濟性狀進行了分析和綜合評價，結果表明，可提取的5個主成分累積方差貢獻率達78.948%，反映了供試紅花主要經濟性狀大部分信息。第一主成分是產量的綜合反映，代表分枝數與產量的直接關系；第二主成分和第三主成分主要是株型的綜合反映，代表株型與產量和HSYA 含量的直接關系；第四主成分主要分枝高度和分枝數的綜合反映，代表紅花籽粒含油率與第一分枝高度和一、二、三級有效分枝數的直接關系；第五成分主要是紅花品質的綜合反映，在紅花種質資源初篩評價時，第一主成分值、第二主成分值、第四主成分值、第五主成分值可以以大為優勢因子，第三主成分值可以以小為優勢因子。在主成分分析的基礎上通過隸屬函數對14 個主要經濟性狀進行標準化量綱處理，用主要經濟性狀綜合評價F值反映紅花種質資源的整體優劣程度，其中，綜合性狀最優的為MQ2，綜合性狀最差的為YM5。

聚類分析將14份紅花種植資源的14個主要經濟性狀按照親緣關系將性狀相近的劃為一類，共劃分為5 個類群，各類群均有明顯的特征。其中，第Ⅴ類群在株高、莖粗、一級有效分枝數、頂果球直徑、千粒質量、單株籽粒產量、小區產量均表現為最高，單株干花產量、HYSA 質量分數和籽粒含油率亦居中偏高，屬于高產優質的種質，與主成分分析綜合評價性狀最優的種質一致，可作為高產育種的親本材料加以利用選育。此結果與郭麗芬等[4]對40 份云南紅花地方種質資源農藝性狀聚類分析第Ⅳ、Ⅴ類群特征相似，千粒質量好，豐產性能高，綜合性狀優良。

本研究通過對收集甘肅不同地方的14 份紅花種質資源14 個主要經濟性狀進行了生育期、多樣性、相關性、主成分及聚類分析與綜合評價，由于表型性狀易受生長環境及栽培管理方式等因素影響[19-20]，在種質資源鑒定方面具有一定的缺陷，不夠全面掌握種質遺傳特性，且本研究樣本量略微偏少，可為甘肅地方紅花種質資源遺傳的多樣性評價鑒定提供參考，若需全面反映供試紅花種質資源遺傳多樣性還需進一步結合生物技術分子標記，準確研究評價甘肅地方紅花遺傳多樣性，為紅花品種改良和新品種選育提供科學依據。