67份匍匐型花生種質資源遺傳多樣性分析

汪天玲,侯獻飛,施俊杰,孫全喜,賈東海,顧元國,單世華,苗昊翠,李 強

(1.新疆農業科學院農作物品種資源研究所,烏魯木齊 830091;2.新疆農業科學院經濟作物研究所,烏魯木齊 830091;3.山東省花生研究所,山東青島 266100)

0 引 言

【研究意義】花生(ArachishypogaeaL)是我國重要的油料和經濟作物之一[1]。花生也是重要的蛋白質和食用油脂來源[2]。花生在我國常年種植面積約為5.0×106hm2,2021年我國花生種植面積達7 125×104hm2,產量達1 820×104t[3]。由于花生本身的遺傳和高度閉花授粉的特性,導致花生栽培種遺傳多樣性偏低,因此,花生在新品種選育創制過程中較難突破[4]。種質資源是花生遺傳改良的重要基因源,是新品種選育、遺傳理論研究和農業生產的重要物質基礎[5-6]。與花生栽培種相比,種質資源有豐富的遺傳基因來應對生物或非生物脅迫,是栽培花生遺傳改良的優異資源。遺傳多樣性研究通過了解種群遺傳結構和物種的多態性水平,為研究物種起源、品種分類、親本選擇和品種保護提供了依據[7]。種質資源是花生良種選育的物質基礎。通過對花生種質資源的遺傳多樣性進行分析,可以得出花生種質資源變異水平的高低,而變異水平又決定了種群的進化潛力和環境適應能力,因此,遺傳多樣性分析對種質資源的利用意義重大[8]。【前人研究進展】李光威等[9]通過聚類分析將研究的25份材料聚為7個類群,結果發現差異主要表現在結果數、分枝長、分枝數和百果重等數量性狀上。李玉發等[10]對11份花生主要農藝性狀進行研究得出,花生新品種選育要選擇變異大的性狀,品種選擇上要綜合選擇產量、總分枝數、單株生產力等均高的品種。對576份花生核心種質資源進行分析[11],發現花生在產量、品質性狀存在顯著的遺傳分化和豐富的遺傳多樣性。構建了微核心種質,分子身份證及DNA指紋圖譜等,從分子水平揭示了花生種質資源的遺傳多樣性[12]。任小平等[13]利用27對花生SSR引物,對ICRISAT微核心花生種質168份材料的遺傳多樣性進行分析,結果表明栽培種花生種質資源由4個差異顯著的基因源構成,ICRISAT花生微核心種質資源具有豐富的遺傳多樣性,要充分挖掘ICRISAT微核心種質各基因源的遺傳潛力。白冬梅等[14]用90對多態性SSR引物評價山西省不同地理來源的地方種質資源的遺傳多樣性,共擴增出317個等位基因,平均每對引物3.522 2個。劉佳佳[15]選用94份國內外花生種質資源,對主要性狀進行分析,開發了SSR分子標記并對這些種質資源進行了分子身份證構建。徐彪等[16]利用SSR標記對花生種質資源進行遺傳多樣性分析,并構建了DNA指紋圖譜,為花生新品種分類鑒定、親緣關系分析和種質資源的利用奠定了一定的理論基礎。Donald[17]系統地提出作物的理想株型概念。花生株型一般分為直立型、半匍匐型、匍匐型。崔順立等[18]對104份引進的美國花生微核心種質資源純化系進行了農藝性狀考察,結果表明,美國微核心種質純化系多為匍匐型。【本研究切入點】從20世紀90年代至今,花生種質資源的遺傳多樣性研究從形態學標記逐漸趨于分子水平。形態學主要從農藝性狀、品質、產量等方面分析遺傳多樣性。花生種質資源是遺傳育種研究的基礎材料,挖掘和充分利用花生種質資源中的優異基因是培育新品種的基礎。近年來,雖然國內花生種質資源的鑒定評價越來越趨向分子水平的應用,但形態學標記表現直觀、易于掌握,是初次鑒定和評價種質資源的重要方法。而對于匍匐型花生種質資源的遺傳多樣性研究少有報道,需要對匍匐型花生種質資源進行遺傳多樣性分析。【擬解決的關鍵問題】分析67份匍匐型花生種質資源主要農藝性狀的表現和變異,篩選綜合性狀或單一性狀突出的種質,為花生新品種選育提供優良親本、發掘特異基因、開展相關遺傳研究提供依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2020年、2021年在新疆農業科學院綜合試驗場進行(N 43°56′50″,E 87°28′34″),海拔590 m,屬干旱半干旱荒漠氣候區,土壤為灰漠土,肥力中等,年降水量150～200 mm、蒸發量1 600～2 200 mm,年日照時數2 913.5 h,平均無霜期179 d。小區面積6 m2,栽培管理措施同大田。

67份匍匐型花生品種均來自新疆農業科學院經濟作物研究所。表1

續表1 67份匍匐型花生種質資源名稱

表1 67份匍匐型花生種質資源名稱

1.2 方 法

1.2.1 農藝性狀調查

參照《花生種質資源描述規范和數據標準》[19]調查67份花生材料葉色、葉形、葉茸毛、旗瓣色、種皮色以及種子形狀。每小區隨機抽取連續種植的10株考種,避免取行頭的植株。考察主要性狀包括:單株生物學產量、主莖高、總分枝數、第一側枝長、有效枝長、莖粗、單株總果數、單株飽果數、單株產量、百果重、百仁重。

1.2.2 品質測定

小區花生莢果曬干剝殼,采用近紅外分析儀測定花生品質,包括蛋白質、含油量、油酸及亞油酸。

1.3 數據處理

質量性狀和數量性狀的遺傳參數數據均在Excel中完成,計算Shannon-Wiener多樣性指數(H′)。主成分分析和聚類分析在SPSS 19.0中完成,聚類分析采用系統聚類法中的離差平方和法(Ward法),默認最長距離法。

(1)

遺傳多樣性指數H′=-∑PilnPi(i=1,2,3,…)

(2)

式中,Pi是某性狀第i個級別的材料數占總材料數的百分比。

2 結果與分析

2.1 花生表型性狀遺傳多樣性

2.1.1 花生6個質量性狀遺傳多樣性指數

研究表明,6個質量性狀的遺傳多樣性指數差異較大。其中葉形的頻率分布離散性最高,多樣性指數最大,為1.14;其次是葉色,遺傳多樣性指數為1.10,旗瓣色的離散程度最低,遺傳多樣性指數最小,為0.08。67份匍匐型材料中90%以上葉片兩面光潔無茸毛、旗瓣色為黃色;葉片顏色以綠色和淡綠色為主,葉形以倒卵形居多,種皮色淺褐色占總樣品83.6%,種子形狀以圓柱形為主。表2,表3

表2 花生6個質量性狀及其調查標準

表3 花生6個質量性狀的頻率分布及遺傳多樣性指數

2.1.2 花生材料數量性狀遺傳多樣性指數

研究表明,花生材料遺傳多樣性指數變幅在3.55～4.20。其中,單株產量和百仁重遺傳多樣性指數最大,均為4.20,其次是莖粗,遺傳多樣性指數為4.16,百果重4.14,單株生物學產量4.13,有效枝長4.01,單株總果數3.93,單株飽果數3.89,第一側枝長3.89,主莖高3.85,總分枝數3.55。67份花生材料在數量性狀上具有豐富的遺傳多樣性,改良潛力大。表4

表4 花生11個數量性狀的遺傳多樣性

2.1.3 花生品質性狀遺傳多樣性指數

研究表明,4個品質性狀遺傳多樣性指數分別為蛋白質4.16,含油量4.18,油酸4.20,亞油酸4.20,均在4.0左右,數值越高,遺傳多樣性越豐富,67份種質資源的品質性狀具有豐富的遺傳多樣性。表5

表5 花生品質性狀比較

2.2 花生主要農藝性狀及品質性狀變異系數

研究表明,67份匍匐型花生種質資源材料的11個數量性狀中,總分枝數的變異系數最大,為46.40%,莖粗的變異系數最小,為13.35%,變異系數從大到小依次為總分枝數>單株產量>有效枝長>單株飽果數>單株生物學產量>單株總果數>主莖高>百仁重>百果重>第一側枝長>莖粗。表4

67份花生種質資源的4個品質性狀也表現出不同變異程度,蛋白質含量在16.58%～29.35%,均值為21.61%。含油量在42.68%～53.01%,均值為49.31%。油酸含量為23.92%～46.09%,均值為37.06%。亞油酸含量為34.68%～50.07%,均值為42.12%。變異系數在4.52%～12.45%,為蛋白質>油酸>亞油酸>含油量,67份種質資源材料的蛋白質和油酸含量具有較大差異。表5

該群體變異系數在農藝性狀上均大于10%,表現出較高的遺傳變異潛力,特別是產量直接構成因素中,如總分枝數、有效枝長、單株產量、單株飽果數、單株生物學產量的遺傳變異潛力更大。67份材料在總分枝數、有效枝長、單株產量、單株飽果數、單株生物學產量等性狀,離散程度大,有較大差異。表6

2.3 花生主要農藝性狀與品質性狀主成分

研究表明,前4個主成分特征值均大于1,累計貢獻率達到70.30%,可以用4個主成分較好地代替15個性狀來綜合評價花生。第1主成分特征值為4.54,方差貢獻率是30.29%,是最主要的主成分,其中,單株總果數的特征向量值最大,其次是單株生物學產量,單株總果數對第1主成分影響最大,其次數單株生物學產量;第2個主成分特征值為2.29,方差貢獻率為15.29%,其中,亞油酸的特征向量值最大,亞油酸對第2主成分的影響最大;第3個主成分特征值為2.04,方差貢獻率13.60%,其中,莖粗的特征向量值最大,莖粗對第3主成分的影響最大;第4個主成分特征值是1.67,方差貢獻率是11.12%,其中,第一側枝長的特征向量值最大,第一側枝長對第4主成分的影響最大。表7

表7 花生主要農藝性狀與品質性狀的主成分

2.4 基于主要農藝性狀及品質性狀的聚類分析

研究表明,對67份匍匐型花生種質資源的農藝性狀及品質性狀共15個性狀進行聚類分析。將67份匍匐型種質資源花生劃分為三大類群。第Ⅰ類群包括36個品種,第Ⅱ類群包括18個品種,第Ⅲ類群包括13個品種。圖1

圖1 花生主要農藝性狀與品質性狀聚類

第Ⅰ類群的36個品種,其主莖高、莖粗、單株產量介于Ⅱ、Ⅲ類群中間水平,單株生物學產量、總分枝數、第一側枝長、有效枝長、單株總果數、單株飽果數、油酸含量在三大類群中最低,百果重、百仁重、蛋白質、含油量、亞油酸在三大類群中處于最高水平,平均百果重為151.37 g,平均百仁重為63.20 g,平均蛋白質含量為22.77%,平均含油率為49.44%,平均亞油酸含量為43.39%。該類材料可以用于高油脂、高蛋白及高亞油酸花生品種的選育。

第Ⅱ類群的18份材料,其平均單株生物學產量312.06 g、平均主莖高36.34 g、平均第一側枝長50.56 cm、平均有效枝長12.17 cm、平均莖粗4.51 mm、平均單株總果數30.22個、平均單株飽果數25.42個、平均單株產量77.01 g,在三大類群中處于最高水平,這一類群的多數性狀與其他類群相比,整體性狀指標表現良好,尤其是單株產量遠遠高于其他兩大類群。

第Ⅲ類群的13份材料,其平均總分枝數13.03個、平均油酸含量39.54%,高于其他兩大類群,后期可用于高油酸品種選育親本材料。表8

表8 花生三大類群各性狀平均表現

3 討 論

3.1對表型性狀研究是植物遺傳多樣性研究中最基礎、最直觀的方法,能夠從整體上了解研究對象的多樣性程度,挖掘更加廣泛的基因資源,為復雜性狀機理研究提供重要依據[5,20]。對主要性狀進行遺傳多樣性統計分析,結果表明,遺傳多樣性指數從大到小依次為葉形>葉色>種子形狀>種皮色>葉茸毛>旗瓣色。11個數量性狀的遺傳多樣性指數變幅在3.55～4.20。其中與產量相關的單株產量和百仁重的遺傳多樣性指數最大,這兩個性狀具有豐富的變異性,為后期選育不同育種目標提供理論基礎和方向。質量性狀遺傳多樣性指數均值(0.62)小于數量性狀多樣性指數均值(3.40),與江建華等[21]研究結果一致,可能由于數量性狀較質量性狀來說易受環境影響。變異系數是衡量遺傳變異潛力大小的標志,表明了該群體中調查性狀的選擇范圍。若某一性狀的變異系數越大說明從該群體中選出具有該性狀的優良個體的機會越大,反之越小。孫銘等[22]研究認為,變異系數大于10%則表示樣本間差異較大。對67份匍匐型花生種質資源數量性狀計算變異系數得到,變異系數范圍13.35%～46.40%,均大于10%,其中,總分枝數、單株產量、單株飽果數等變異系數較大,與黃璐[23]的研究結果一致。結果表明,67份匍匐型花生種質資源的變異幅度均很大,多樣性豐富,具備良好的改良潛力。不同種質間性狀差異較大,如研究材料中單株生物學產量最低的僅88.40 g,而最高的為520.60 g;總分枝數最少為4.60個,最多為25.60個,百果重最低為56.16 g,而最高的為221.93 g;百仁重最低的僅為35.94 g,最高的為117.53 g,為特異性狀種質資源的創新和遺傳研究奠定了良好的基礎。

3.2通過對供試材料的主要農藝性狀與品質性狀主成分分析,得出前4個主成分特征值均大于1,累計貢獻率達到70.30%,其中,第1主成分中單株總果數影響最大。花生育種中應根據不同的育種目標加強對相應主成分因子的選擇,有利于更快選育出新品種。

4 結 論

4.167份匍匐型花生種質資源質量性狀遺傳多樣性指數變幅在0.08～1.14,數量性狀遺傳多樣性指數在3.55～4.20,品質性狀均在4.0左右;農藝性狀變異系數均大于10%,表現出較高的遺傳變異潛力,總分枝數的變異系數最大,為46.40%,品質性狀中,變異系數在4.52%～12.45%。主要農藝性狀均表現出較豐富的遺傳多樣性,尤其是與產量相關的性狀如總分枝數、單株產量、百仁重等表現出豐富的變異。

4.267份花生材料聚為三大類群,第Ⅰ類群的36份材料,蛋白質和含油量最高,后期可向高蛋白質花生以及高油脂花生方向進行選擇;第Ⅱ類群的18材料,各性狀均表現良好,尤其是單株產量遠遠高于其他兩大類群,可作為選育高產品種的良好親本;第Ⅲ類群的13份材料油酸含量最高,可以作為選育高油酸品種資源加以利用。