16份桄榔種質主要農藝性狀的遺傳多樣性分析

蘭 秀，楊海霞，李恒銳，梁振華，馬仙花，劉連軍，陳海生

(廣西南亞熱帶農業科學研究所，廣西 崇左 532415)

【研究意義】桄榔(Arengapinnata)又名砂糖椰子、糖棕、姑榔木，屬棕櫚科桄榔屬植物[1]，我國的桄榔樹主要分布在廣西、海南、云南、廣東、貴州和臺灣等地[2]，廣西的桄榔樹主要分布在西南部的靖西、德保、大新、天等和龍州等市(縣)。桄榔樹髓心含有淀粉(桄榔粉)，可用作藥食同源食物[3]，近年來作為營養保健食品開發愈來愈受到消費者的關注。優異的桄榔種質是提取桄榔粉的基礎，但由于桄榔樹砍伐后再無復萌能力[4]，加上長期的只砍不種和不保護的惡性循環，以及該物種生長緩慢、種子發芽率低等自然障礙，導致桄榔天然種群更新不良，種群數量已急劇下降[5]。因此，開展桄榔種質資源遺傳多樣性分析，對桄榔種質資源的保護和優異品種選育均具有重要意義。【前人研究進展】遺傳多樣性是生物學研究的核心之一，豐富的遺傳變異對于培育優質、高抗品種非常重要[6]，而表型農藝性狀多樣性是遺傳多樣性的具體表現，是遺傳基礎與環境多樣性的綜合體現，其差異在一定程度上可反映遺傳的異質性[7]，進行遺傳多樣性研究一方面可幫助了解種質資源的多樣性狀況、遺傳結構及地域間的親緣關系，另一方面還可幫助對種質資源進行區劃，進而制定合理的開發利用方案和育種策略[8-9]。遺傳多樣性分析已在核桃[10]、蘋果[11]、茶樹[12]、睡蓮[13]、酸棗[14]、水稻[15]、小麥[16]、蕓豆[17]、菜心和芥藍[18]等多種植物上應用，其中采用較多的統計分析方法有相關分析法、主成分分析法和聚類分析等。李根等[10]應用變異分析法和聚類分析法探討新疆各地老齡核桃的表型多樣性，發現新疆和田地區老齡核桃各性狀的遺傳多樣性最豐富，綜合表現最優。張學超等[11]對新疆伊犁天山地區160份新疆野蘋果種質的14個表型性狀進行評價鑒定，并篩選出特異種質。黃政等[12]以1754 份地方茶樹種質為材料，進行形態特征系統鑒定及遺傳多樣性分析，結果表明，葉色的遺傳多樣性最豐富，葉厚的遺傳多樣性最貧乏，采用聚類分析法可將茶樹種質分為五大類，并可用于指導篩選優勢茶樹種質資源及保護利用地方茶樹種質資源。潘慶龍等[13]對86份睡蓮種質的45個表型性狀進行多樣性、相關性、聚類和主成分分析并進行綜合評價，結果發現澳洲白巨睡蓮的排名最高，小白子午蓮睡蓮的排名最低。史衛東等[18]對菜心和芥藍進行表型多樣性分析，發現主成分分析可簡化表達菜心和芥藍的表型性狀及其相互關系，用于評價原始性狀更簡單直觀，用于種質資源評價可提高準確度。楊濤等[19]對多份海島棉種質的12個表型性狀進行遺傳多樣性分析和綜合評價，發現參試海島棉種質類型較豐富，但遺傳多樣性較貧乏。余莉等[20]運用描述性分析、相關分析、主成分分析和聚類分析法對35個蕓豆品種的農藝性狀進行綜合評價，并揭示其遺傳距離和多樣性。王小娟等[21]對13份矮生番茄種質的質量性狀和數量性狀進行遺傳變異、主成分、相關和聚類分析，篩選出適合盆栽觀賞的番茄品種和育種材料。【本研究切入點】目前，鮮見應用相關、主成分和聚類分析等方法進行桄榔種質資源多樣性分析的報道。【擬解決的關鍵問題】觀測采集自不同地區16份桄榔種質的農藝性狀，進行遺傳多樣性、相關、聚類和主成分分析，在主成分分析的基礎上對16份種質進行綜合評價，篩選綜合表現優良的種質，為桄榔種質資源的保護、開發和優異種質的選育提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

16份桄榔種質于2021年5—6月采集于我國不同地區，材料來源信息見表1。

表1 桄榔種質資源的編號及來源

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 以10 m×10 m的樣方為一個桄榔群體進行野外調查采樣。在每個桄榔群體中，選定5～8株約8年生有果實的桄榔植株及其果實，采用GPS定位后進行生長和生理指標測定。采集成熟果實30個，用于觀察果形、果色和測定種子的農藝性狀。

1.2.2 測定項目及方法 桄榔樹的生長指標為植株的胸徑、株高、冠幅及葉厚、葉長和葉寬，生理指標為葉片葉綠素含量(SPAD值)。株高為地面與植株自然高度間的距離，胸徑為樹干距離地面1.3 m處的直徑，冠幅為東西和南北葉尖滴水線距離的積[22]，均以卷尺測量；用便攜式SPAD(502)葉綠素儀隨機測定5片以上葉片的葉綠素含量(SPAD值)，以游標卡尺測定葉厚，用鋼卷尺測定葉長和葉寬。觀察采集果實的果形和果色，稱取果重，剖取種子，根據林木種子檢驗規程測定種子粒重，用游標卡尺測量種子縱徑、橫徑和厚度，參考佘誠棋等[23]的方法計算種子體積。

1.2.3 數據分析及評價 以變異系數(CV)表示不同種質間性狀值的離散特性，以Shannon-Wiener指數(H′)進行遺傳多樣性分析評價[6，24]。為了便于統計分析，對果形和果色進行量化。果形(果實較長、頂端凹陷為長凹，果實較圓、頂端凹陷為圓凹，果實較長、頂端凸起為長凸，果實較圓、頂端凸起為圓凸)：長凹=1，圓凹=2，長凸=3，圓凸=4；果色(成熟果實的顏色)：黑=1，黃=2，綠=3。對除果形和果色外的性狀進行分級，共分為10級(表2)，計算每個性狀的平均觀測值(X)和標準差(σ)，根據X±Kσ (K=0，1，2，3，4)計算每個性狀每級的相對頻率，最后計算H′。

表2 桄榔種質資源農藝性狀觀測值的等級劃分

CV(%)=平均值/標準差×100

H′=-∑Pi×lnPi(i=1，2，3，......，n)

式中，CV為變異系數，Pi為某個性狀第i個級別出現的頻率。

1.3 統計分析

試驗數據采用Excel 2010進行整理，以SPSS26.0 進行相關分析、主成分分析和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 桄榔種質資源農藝性狀的遺傳變異分析

由表3可知，16份桄榔種質的變異系數為5.14%～102.19%，除葉厚的變異系數(5.14%)小于10.00%外，其他農藝性狀的變異系數均大于10.00%。其中，果重及種子粒重、縱徑、橫徑、厚度、體積，以及葉綠素含量和植株胸徑8個性狀的變異系數在測定的15個農藝性狀中均較大，分別為102.19%、35.17%、42.75%、28.67%、22.76%、22.86%、27.46%和36.14%，說明不同地區桄榔種質的變異性較大，尤其以果重的變異系數最大，種子縱徑和粒重及植株胸徑的變異系數次之；所有農藝性狀間的差異均達到顯著(P<0.05，下同)或極顯著(P<0.01，下同)水平。可見，16份桄榔種質間遺傳變異較明顯，親緣關系較遠。

表3 桄榔種質資源主要農藝性狀變異系數分析

由表4可知，16份桄榔種質的H′為0.832～2.100，平均為1.671，所有農藝性狀的H′排序為株高(2.100)>種子縱徑(2.068)>果重(1.874)=種子體積(1.874)>葉寬(1.862)>種子橫徑(1.841)>葉綠素(1.820)>胸徑(1.787)>葉厚(1.770)>冠幅(1.635)>粒重(1.510)=葉長(1.510)>種子厚度(1.363)>果形(1.212)>果色(0.832)。其中，H′最高的株高在第1和10級中出現頻率相同，均為0.314；H′次之的種子縱徑除在第4和7級無頻率分布，在其他級別均有分布；果形和果色的H′最低，說明其多樣性低，變異性較小，是桄榔種質農藝性狀中相對穩定的遺傳性狀，而果形和果色在第1級中出現的頻率均最高(分別為0.363和0.314)，即果形表現長凹為主，果色表現為黑色為主。

表4 桄榔種質資源主要農藝性狀的遺傳多樣性及頻率分布

2.2 桄榔種質資源農藝性狀的相關分析

對桄榔種質資源的15個農藝性狀數據進行雙因素相關分析，結果(表5)顯示，果實和種子的生長性狀與植株的生長性狀間無顯著相關性(P>0.05，下同)，相關系數均較低；種子粒重和果重與種子縱徑、橫徑、厚度和體積均呈極顯著正相關，相關系數均在0.70以上；種子的縱徑與體積、橫徑與厚度和體積、厚度與體積呈顯著或極顯著正相關；葉厚與葉寬呈極顯著正相關，與株高呈顯著正相關；葉長與葉寬、株高、冠幅和果形呈顯著或極顯著正相關，相關系數分別為0.67、0.66、0.57和0.51；胸徑與株高和冠幅呈極顯著正相關，符合植物生長規律。可見，桄榔種質植株生長對其果實和種子的生長影響不明顯，但植株和種子各自的生長性狀間表現為相互影響和相互促進。

表5 桄榔種質資源主要農藝性狀的相關分析

2.3 桄榔種質資源農藝性狀的主成分分析

為了能更充分地反映桄榔種質資源農藝性狀中起主導作用的因素，需運用主成分分析法對多性狀進行綜合評判。由表6可知，從15個農藝性狀中共提取5個主成分(特征值大于1.00)，貢獻率分別為32.68%、29.28%、11.28%、7.80%和7.03%，累積貢獻率達88.07%，基本可反映桄榔種質15個農藝性狀的的信息。其中，第一主成分(PC1)的特征值為5.23，貢獻率為32.68%，載荷值較大的性狀是果重及種子的粒重、體積和縱徑，載荷值分別為0.91、0.92、0.84和0.76，反映的是果重和種子粒重越大，其體積就越大，與相關分析結果一致；第二主成分(PC2)的特征值為4.69，貢獻率為29.28%，載荷值較大的性狀是胸徑、株高和冠幅，載荷值為0.93、0.88和0.75，反映的是植株生長因子；第三主成分(PC3)的特征值為1.81，貢獻率為11.28%，反映的是果色，載荷值為0.70；第四主成分(PC4)的特征值為1.25，貢獻率為7.80%，反映的是葉綠素含量，載荷值為0.65；第五主成分(PC5)的特征值為1.12，貢獻率為7.03%，反映的是果形，載荷值為0.57。

表6 桄榔種質資源農藝性狀的主成分分析

續表6 Continued table 6

參考唐鳳等[6]的方法對16份桄榔種質進行綜合評價。根據各種質的主成分得分進行綜合得分計算并排序(果形和果色因無定量數據，未列入公式中)，相應的因子關系式如下。

F1=0.92X1+0.91X2+0.76X3+0.67X4+0.74X5+0.84X6+0.18X7+0.56X8+0.44X9+0.45X10+0.01X11+0.37X12+0.32X13

F2=-0.33X1-0.33X2-0.20X3-0.45X4-0.36X5-0.33X6+0.13X7+0.49X8+0.66X9+0.48X10+0.93X11+0.88X12+0.75X13

F3=0.13X1+0.13X2-0.24X3+0.32X4+0.42X5-0.04X6+0.36X7-0.16X8-0.41X9-0.45X10+0.28X11+0.11X12+0.08X13

F4=-0.13X1-0.13X2-0.42X3+0.07X4+0.19X5+0.08X6+0.65X7+0.36X8-0.01X9+0.38X10+0.01X11-0.17X12-0.46X13

F5=0.06X1+0.06X2-0.22X3+0.06X4+0.15X5-0.24X6-0.17X7+0.46X8-0.07X9+0.26X10-0.01X11-0.08X12-0.29X13

綜合評價函數F=(λ1/λ1+λ2+λ3+λ4+λ5)F1+(λ2/λ1+λ2+λ3+λ4+λ5)F2+(λ3/λ1+λ2+λ3+λ4+λ5)F3+(λ4/λ1+λ2+λ3+λ4+λ5)F4+(λ5/λ1+λ2+λ3+λ4+λ5)F5(λ1、λ2、λ3、λ4和λ5分別為5個主成分對應的特征值)。

根據綜合評價函數公式，計算各種質的綜合得分(表7)，綜合得分越高表明綜合性狀越優良。由表7可知，16份桄榔種質農藝性狀的綜合得分排序為V6>V5>V11>V1>V4>V12>V3>V14>V7>V15>V16>V13>V8>V10>V9>V2，其中綜合得分較高前6份種質的綜合得分分別達151.59、140.12、134.12、132.54、130.78和126.70分，明顯高于其他種質的綜合得分，說明這些種質的性狀綜合表現較好，建議將排序前3位的V6、V5和V11作為選育優良桄榔品種的優良種質。

表7 16份桄榔種質資源的綜合得分

2.4 桄榔種質資源農藝性狀的聚類分析

對16份桄榔種質進行聚類分析，以歐氏距離為8可將其劃分為三大類群(圖1)，各類群的性狀見表8。其中，第一類群包括V2、V7、V8、V9、V10、V13、V14、V15和V16共9份種質，占種質總數的56.25%，表現為種子粒重和果重較重，種子縱徑和橫徑較長，葉厚、葉長及植株的胸徑、株高和冠幅等較小，果形為圓凹、圓凸和長凹，果色為綠色和黑色；第二類群包括V1、V11和V12共3份種質，占種質總數的18.75%，表現為種子厚度較小，葉長、葉寬和植株的胸徑較大，果形為圓凸、長凹和長凸，果色為黃色和綠色；第三類群包括V3、V4、V5和V6共4份種質，占種質總數的25.00%，表現為種子體積和縱徑較小，葉厚較厚，葉寬和植株的胸徑較小，株高和冠幅較大，果形為圓凹和長凹，果色為黃色和綠色。可見，采自同一區域的桄榔種質資源多數聚為一類，親緣關系較近，遺傳變異程度小，而采自不同區域的桄榔種質資源親緣關系較遠，遺傳變異程度大。

表8 不同類群桄榔種質資源的15個農藝性狀比較

圖1 16份桄榔種質的系統聚類分析結果

3 討 論

盡管現代分子生物學手段為種質資源研究提供了穩定有效的方法，但仍需對種質資源表型性狀進行調查和分析[25-26]。桄榔屬于稀少特色作物，目前對其種質遺傳基礎的研究還屬空白，而近年來桄榔樹被過度砍伐又導致桄榔種質資源數量急劇下降，因此，開展桄榔種質資源遺傳多樣性研究，對保護桄榔種質資源和擴大現有親本范圍意義重大[27]。本研究基于16份桄榔種質資源表型性狀主要從H′、變異系數及相關、主成分和聚類分析法進行遺傳多樣性分析，發現采自不同地區桄榔種質的變異系數在5.14%～102.19%，說明其群體樣本差異較明顯；除葉厚的變異系數小于10.00%外，其他農藝性狀的變異系數均大于10.00%，屬于強變異，其中果重的變異系數最大，為102.19%，說明該性狀特征在居群中受環境影響最明顯；所有性狀間的差異均達顯著或極顯著水平，說明各種質間遺傳變異較明顯，親緣關系較遠[6]；H′在0.832～2.100，平均為1.671，高于同為棕櫚科的油棕(H′為1.640)[22]，可能與本研究所采集資源和所觀測農藝性狀較少，且不同屬類植物間遺傳多樣性不同有關；在所觀測性狀中，株高的H′最高，說明該性狀在16份桄榔種質中遺傳基礎最廣，改良潛力最大，而果色的H′最低，說明其遺傳基礎較窄，改良潛力較小；對15個農藝性狀進行相關分析，發現果實和種子的生長性狀與植株的生長性狀間無顯著相關性，但除果形和果色外其他果實和種子的生長性狀兩兩之間多呈顯著或極顯著相關，植株的株高、胸徑和冠幅等也呈極顯著相關。

主成分分析法通過降維方式將作物各性狀間復雜的關系轉化為較少的幾個主成分，利用少數幾個綜合指標簡化數據，有利于親本選配，因而得到廣泛應用[28-29]。本研究將桄榔種質的15個農藝性狀指標進行主成分分析，提取到5個主成分，其累積貢獻率為88.07%，其中，第一主成分(PC1)與果重及種子的粒重、體積和縱徑有關，第二主成分(PC2)與胸徑、株高和冠幅有關，第三主成分(PC3)與果色有關，第四主成分(PC4)與葉綠素含量有關，第五主成分(PC5)與果形有關，說明桄榔種質的表型多樣性是種子性狀和生殖性狀共同作用的結果，種子性狀和生殖性狀是引起桄榔種質表型性狀多樣化的主要影響因素；對16份桄榔種質進行綜合評價發現，V6、V5和V11的綜合評分排名前三位，可初步確定屬于較優異種質。張忠武等[30]研究表明，聚類分析結果可反映不同品種間的遺傳差異和親緣關系，同一聚類類群內品種的農藝性狀特征差異較小，而類群間品種的農藝性狀特征差異較明顯。本研究在主成分分析基礎上通過系統聚類將16份桄榔種質聚為三大類，其中，采自同一區域的種質多數聚為一類，例如采自廣西靖西市的V7、V8和V9種質同聚到第二類群中，采自海南的V3、V4、V5和V6種質同聚到第三類群中，但采自不同地區的少數種質也可聚為一類，例如V2、V7、V8、V9、V10、V13、V14、V15和V16共9份種質同聚到第一類群中，說明原始生境不同不是造成桄榔種質遺傳多樣性存在差異的唯一因素，桄榔種質遺傳多樣性的差異還與桄榔種質各自經歷遺傳分化但又存在頻繁的基因交流[31]有關，與趙永強等[32]、黎裕等[33]的研究結果一致。

4 結 論

16份桄榔種質的遺傳多樣性較豐富，不同地區的桄榔種質存在較大變異性，其中，種質V6、V5和V11農藝性狀的綜合表現較好，是較適合用于進行桄榔親本選配的優異種質。基于農藝性狀的桄榔種質資源遺傳多樣性評價方法簡單可行，結合主成分和聚類分析有助于更快選育出符合育種目標的優異桄榔種質資源。