吉林省引進甜瓜種質資源表型遺傳多樣性分析

于翠香, 譚 化, 張海燕, 楊貴春, 安仕博, 趙福順, 徐海鈺

(吉林省農業科學院,吉林長春 130033)

甜瓜(CucumismeloL.)為葫蘆科甜瓜屬二倍體1年生草本植物,是重要的經濟作物之一。甜瓜具有色、香、味俱佳、營養豐富等較高的經濟價值,具有廣泛栽培的特點,為世界十大水果之一[1]。我國甜瓜產量和面積居世界首位,呈連年遞增態勢。據國家統計局數據顯示,至2018年底,我國甜瓜種植面積達37.61萬hm2、產量達1 315.93萬t、單位面積產量34 986.61 t/hm2;而吉林省種植面積達 1.271萬hm2、產量達32.41萬t、單位面積產量 25 502.16 t/hm2;分別占全國種植面積的3.38%、占全國產量的2.46%、單位面積產量是全國的1.37倍。吉林省也是全國甜瓜比較重要的種植和銷售區域,尤其是本地品種灰鼠子和八里香占比較大,但是吉林省一直存在甜瓜種質資源匱乏、遺傳材料少和遺傳背景狹窄等問題,此背景下很難選育出突破性品種。因此,引進優異甜瓜種質資源并明確其遺傳背景和遺傳距離對于吉林省甜瓜新品種選育、利用和推廣具有非常重要的意義。甜瓜無論是質量性狀還是數量性狀均具有豐富的遺傳變異,關于甜瓜種質資源評價研究相關報道較多,但是多集中于地方、本地區品種,也有中國區域內和國際引進甜瓜品種的多樣性研究。如閆洪朗等利用65個甜瓜品種在江浙滬地區開展果實性狀遺傳多樣性分析[2]。王煒勇等在浙江省開展27份薄皮甜瓜地方品種的表型遺傳多樣性研究[3]。張永兵等利用32個形態性狀將121份新疆地方甜瓜品種分成4個類型和7個亞群,將新疆本地名牌品種哈密野瓜單獨分成一類,具有完全不同的遺傳背景[4]。胡建斌等對國外引進種質資源進行表型和分子標記遺傳多樣性分析,遺傳多樣性指數均大于1,組群分布較為廣泛,為南亞組群和東北歐等組群,遺傳距離長、遺傳背景較寬,為新材料遺傳改良和新品種選育提供了大量優異資源[5-6]。還有通過分子標記手段開展遺傳多樣性研究,常用的有同工酶[7]、RAPD[8-9]、AFLP[10-11]、SRAP[12]、SSR[13]等標記類型。最直觀和方便的研究集中于表型性狀的遺傳多樣性。目前,針對吉林省引進種質資源開展表型性狀和光合作用效率分析方面的遺傳多樣性研究鮮有報道。以吉林省近幾年引進的44份甜瓜種質資源為材料,測定果肉主色、單瓜質量和可溶性固形物等15個數量和質量性狀,凈光合速率和PSⅡ等11個光合相關性狀,進行遺傳多樣性分析,了解光合性狀與不同數量性狀間的相關性及主成分分析,明確不同來源甜瓜種質資源間的遺傳關系,為今后本地區甜瓜種質資源分類研究和遺傳改良、新品種選育和再利用提供重要的理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

44份甜瓜種質資源分別來自于海南省、甘肅省、黑龍江省、遼寧省、吉林省,種質資源編號、名稱及來源見表1。

表1 甜瓜種質資源編號及來源

1.2 試驗實施

44份甜瓜種質資源于2019年種植于試驗基地露地內,考察其質量性狀、數量性狀和光合相關性狀,分析其遺傳多樣性。

本試驗地點位于吉林省農業科學院經濟植物研究所基地,試驗基地位置124°59′42″E,43°39′50″N。試驗用土為風干草甸黑土,土壤理化性狀:有機質含量為38.1 g/kg、全氮含量為1.71 g/kg、有效磷含量為42.5 mg/kg、速效鉀含量為213 mg/kg、緩效鉀含量為746 mg/kg、pH值為5.5～6.5。施有機肥(N+P2O5+K2O)≥5%、有機質≥70%,70 g;生物質炭基復合肥(N+P2O5+K2O)≥45%,N ∶P ∶K= 13 ∶12 ∶20,15 g。

1.3 測定與分析

參照中華人民共和國農業行業標準 NY/T 2236—2012《植物新品種特異性、一致性和穩定性測試指南 甜瓜》《甜瓜種質資源描述規范和數據標準》開展質量和數量性狀調查,在開花期每個甜瓜種質資源隨機選取5份,測量葉柄長、節間長、頂端裂片長度、果柄長度;質量性狀采用直接觀察法,包括果皮底色、果肉主色、瓜瓤顏色、果形、果皮覆色、果面覆紋顏色、果面覆紋形狀和葉柄姿態;收獲期測量單瓜質量、小區產量和可溶性固形物含量。

光合相關指標:試驗儀器為LI-6800新一代光合-熒光全自動測量系統(LI-COR 美國),選取晴天無風天氣09:00—11:00,設定光強度 1 000 μmol/(m2·s),溫度25 ℃,濕度60%,測量凈光合速率[Pn,μmol/(m2·s)]、氣孔導度[Gs,mol/(m2·s)]、 蒸騰速率[Tr,mmol/(m2·s)]、 胞間CO2濃度(Ci,μmol/mol)、大氣環境CO2濃度(Ca)、Fv/Fm、PS(Ⅱ)參數,并計算氣孔限制值(Ls)=1-Ci/Ca、內稟水分利用效率[iwue,(mmol/mol)]=Pn/Gs,瞬時羧化效率(CE,μmol/mol)=Pn/Ci、ETR=PS(Ⅱ)×PAR×0.84×0.5。

1.4 數據分析

利用 Excel 2016整理數據,通過 SPSS 19.0 進行描述性統計分析、相關性分析、主成分分析和聚類分析,對數量性狀的數據進行平均值、標準差、變異系數分析,對質量性狀數據進行分布頻率及遺傳多樣性指數分析,其中遺傳多樣性指數的分析利用 Shannon-Wiener多樣性指數(H′)公式計算[14];主成分分析采用最大方差法,取特征值大于 1的特征根;聚類分析采用系統聚類組間聯接歐氏距離法對甜瓜種質資源進行聚類。對形態學質量性狀進行分類賦值(表2)。

表2 甜瓜種質資源調查的分類及賦值

2 結果與分析

2.1 甜瓜種質資源的質量性狀和數量性狀

2.1.1 甜瓜種質資源質量性狀遺傳多樣性 通過甜瓜質量性狀觀察分析(表3),種質資源質量性狀的 Shannon-Wiener 多樣性指數(H′)變化范圍為 0.902 3～3.522 2,H′最大的是果形、以梨形和橢圓形為主,分布頻率為34.10%和27.30%。H′最小的是果肉主色,以白色和綠色為主,所占頻率為43.20%和20.50%。甜瓜果皮底色以白色和綠色為主,所占頻率為52.30%和25.00%。果皮覆色以有色最多,分布頻率為68.19%。果面覆紋顏色以黃色和無色為主,所占頻率為31.81%和31.82%。果面覆紋形狀以斑點和無形狀為主,所占頻率為31.82%和31.81%。瓤色以橙色和白色為主,所占頻率為47.70%和27.30%。葉柄姿態以半直立為主,分布頻率63.64%。

表3 甜瓜種質資源表型性狀頻率分布

2.1.2 甜瓜種質資源數量性狀的變異 從表4可以看出,甜瓜種質資源數量性狀差異不一致,光合相關性狀除胞間CO2濃度、表型性狀除頂端裂片長度、葉柄長和果柄長度變異系數<15.00%外,其余數量性狀變異系數為16.97%～61.33%。變異系數>40%的性狀分別為瞬時羧化效率61.33%、小區產量58.93%、瞬時水分利用率53.96%、內稟水分利用率50.97%、單瓜質量46.19%、凈光合速率43.93%。綜合分析表明,甜瓜種質資源數量性狀間具有一定變異性,不同種質資源性狀之間也具有較為明顯的遺傳多樣性。

表4 甜瓜種質資源數量性狀分析結果

2.2 相關性分析

對44份甜瓜種質資源進行相關性分析(表5)表明,胞間CO2濃度與蒸騰速率、氣孔導度分別在0.01水平和0.05水平上呈顯著正相關,與凈光合速率、瞬時水分利用效率、氣孔限制值、瞬時羧化效率和內稟水分利用率在0.01水平上呈顯著負相關。葉柄長與小區產量在0.01水平上呈顯著正相關,與節間長和頂端列片長度在0.05水平上呈顯著正相關。節間長與頂端裂片長度在0.01水平上呈顯著正相關。小區產量與氣孔導度、單瓜質量在0.05水平上呈顯著正相關。可溶性固形物含量與凈光合速率在0.05水平上呈顯著正相關。各性狀相關分析表明,胞間CO2濃度越大,蒸騰速率和氣孔導度越大、其余幾個光合指數越小,氣孔導度越大、小區產量越高,凈光合速率越大、可溶性固形物含量越高(甜瓜越甜)。說明通過適當增加光合作用可以促進甜瓜產量的提高和增加口感。因此,根據數量性狀相關性為甜瓜品種改良和應用提供理論依據。

表5 甜瓜種質資源數量性狀相關系數

2.3 主成分分析

主成分選擇主要依據特征值和貢獻率,以特征值大于1為標準提取成分[15]。從表6可以看出,前10個主成分的累計貢獻率達83.873%,意味著這10個主成分能代表甜瓜所有性狀的遺傳信息。

表6 甜瓜種質資源性狀的主成分分析

第1主成分特征值為5.695、貢獻率為21.904%,主要包含的性狀有小區產量、果形、果皮覆色,其特征向量分別為0.749～0.924,這類性狀主要和甜瓜產量和果實形狀有關。第2主成分特征值3.326、貢獻率為12.792%,主要包括氣孔限制值、ETR、單瓜質量,與甜瓜光合效率和單瓜質量有關。第3主成分特征值為2.779、貢獻率為10.689%,主要包括果面覆紋顏色、果面覆紋形狀、瓜瓤顏色和果肉主色等性狀,與甜瓜果實外觀和果肉顏色相關。第4主成分是凈光合速率。第5主成分是可溶性固形物。第6主成分是PSⅡ。第7主成分是胞間CO2濃度和蒸騰速率。第8主成分是葉柄長、節間長和頂端裂片長度,主要與葉片形狀有關。第9主成分是內稟水分利用率。第10主成分是氣孔限制值和葉柄姿態。

2.4 聚類分析

由圖1可以看出,在歐氏距離為10時,可以將44份甜瓜種質資源分為5類。其中,第1類群包含灰鼠子和百里香等16份種質資源,占比36.36%,該類種質資源來源較廣,小區產量較高、可溶性固形物含量偏高,口感好,很受市場歡迎,可作為改良甜瓜產量或品質改良的目標親本加以利用。第2類群包含恒祥-1和M1402等10份種質資源,占比22.73%,來源以甘肅酒泉為主,此類種質資源多表現為光合作用較強,葉柄粗壯和肉色適宜等優良性狀,可作為高光效類型種質資源加以改良利用。第3類群主要包含XS-15-28-7和L31等11份種質資源,占比25.00%,來源較廣,以遼寧東港為主,此類種質資源單瓜質量較優,外觀較好。第4類群僅包含2個種質資源,占比4.55%,均來源于海南省,表現為果柄和葉柄較長、單瓜質量偏小。第5類群包含5個種質資源,占比11.36%,此類種質資源來源較廣,可溶性固形物含量較低、口感不好、光合效率普遍較低。

在歐氏距離為5時,第1類群、第2類群和第3類群又可分別劃分3個亞類,第4類群可劃分2個亞類。可對甜瓜種質資源進一步細致的區分。

3 討論與結論

作物表型性狀是由品種本身遺傳和生態環境因素互作產生的結果,種質資源間的親緣關系可由遺傳多樣性指數和變異系數來表示,遺傳多樣性是種質資源研究生物進化和新品種選育的基礎。相關研究發現,遺傳多樣性指數越高,資源對環境的適應性程度越強;變異系數可反映物種在適應環境過程中產生的變異,變異系數越大,表明獲得優良資源的可能性越大[15-18]。因此,通過對生物學性狀遺傳多樣性的探索,可以全方位地了解所掌握資源的程度。目前,雖然分子標記手段[19-20]已應用到作物種質資源評價和鑒定研究當中,但最基本的形態學依然是種質資源研究最基本的方法和手段[21-23]。

本研究通過表型性狀遺傳多樣性分析發現,遺傳多樣性指數(H′)除果肉主色(0.902 3)外均>1,果形最大,為3.522 2;變異系數>40%的表型性狀主要有小區產量和單瓜質量;變異系數>40%的光合性狀有瞬時羧化效率、瞬時水分利用率、內稟水分利用率和凈光合速率;表明吉林省引進的44份甜瓜種質資源表型性狀變異較為豐富,結果與前人研究結論[4-6]較為一致。

本研究發現,葉柄長與小區產量、節間長與頂端裂片長度在0.01水平上顯著,葉柄長與節間長和頂端裂片長度、小區產量與單瓜質量在0.05水平上相關性顯著。與欒非時等的相關研究結果[24-26]相似。此外本研究在關注光合效率與產量、品質間相關性時發現,氣孔導度與單瓜質量和小區產量、凈光合速率與可溶性固形物含量均在0.05水平上顯著相關。說明適當增加光照可以起到提質增效的效果,同時,湯謐等研究指出,凈光合速率高的甜瓜品種,在可溶性固形物和蔗糖等積累上較其他品種高[27-28]。

本研究對44份甜瓜種質資源表型性狀和光合相關性狀進行主成分分析時發現,第1主成分主要和甜瓜產量和果實形狀有關。第2主成分與甜瓜光合效率和單瓜質量有關。第3主成分與甜瓜果實外觀和果肉顏色相關。第5主成分是可溶性固形物含量,與甜瓜品質性狀相關。在今后對種質資源創新利用時,可以充分考慮主成分及相關性分析,并協調好第1主成分、第2主成分、第3主成分和第5主成分間的關系,以期創造優異新材料和優良新品種。

王煒勇等通過形態學聚類分析,將27份薄皮甜瓜按生育期區分為2類,在亞類上注重質量性狀及相關性的考察[3,29]。張永兵等利用表型性狀對新疆地方甜瓜品種聚類突破性研究時發現,哈密野瓜與其他地方品種親緣關系最遠,可能屬于野生甜瓜亞種[4]。本研究利用表型性狀并參考光合相關性狀,在歐氏距離為10時,將44份甜瓜種質資源區分為5個類群,在歐氏距離為5時,又將每個類群劃分為2～3個亞類。44份甜瓜種質資源來源較廣、遺傳背景和親緣關系適宜。

吉林省引進的44份甜瓜種質資源的果實性狀在單瓜質量、小區產量、果形、瓤色和果實品質的可溶性固形物含量方面具有較為明顯的遺傳差異,遺傳多樣性較為豐富,對后續遺傳改良、創制新材料和選育新品種具有較大的潛力。