基于農(nóng)藝性狀的辣椒種質(zhì)資源遺傳多樣性

張 婷,王雪艷,郭勤衛(wèi),李朝森,劉慧琴,項(xiàng)小敏,韋 靜,趙東風(fēng),萬(wàn)紅建

(1.衢州市農(nóng)業(yè)林業(yè)科學(xué)研究院 蔬菜研究所,浙江 衢州 324000; 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蔬菜研究所,浙江 杭州 310021)

近年來(lái),我國(guó)辣椒種植面積和產(chǎn)量基本保持穩(wěn)定的水平,辣椒品種的遺傳改良、種子繁育與推廣成為促進(jìn)辣椒產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展的重要工作。種質(zhì)資源的遺傳多樣性是遺傳改良的基礎(chǔ),目前分子標(biāo)記技術(shù)已用于種質(zhì)資源遺傳多樣性鑒定[1-2]。相對(duì)而言,形態(tài)性狀的觀測(cè)更為直觀,操作更簡(jiǎn)單,在育種和生產(chǎn)實(shí)踐中也具有重要意義。因此,形態(tài)多樣性是種質(zhì)資源鑒定最常用的方法[3]。形態(tài)學(xué)特征評(píng)估與分析方法主要包括標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量法和形態(tài)指數(shù)法。前者是根據(jù)制定的測(cè)量指標(biāo)與方法,對(duì)作物的農(nóng)藝性狀進(jìn)行測(cè)量和記錄;后者是通過(guò)計(jì)算和比較不同形態(tài)特征之間的比例關(guān)系和指數(shù)向量,來(lái)評(píng)估品種的形態(tài)特征[4]。這些方法為定量化地描述和比較品種之間的形態(tài)差異提供了數(shù)據(jù)支持。植物的形態(tài)學(xué)特征包括植株高度、葉片形狀,以及花和果實(shí)的大小、形狀、顏色等。形態(tài)學(xué)特征是品種之間遺傳差異性和相似性的直觀表現(xiàn),通過(guò)測(cè)定植物形態(tài)特征,可評(píng)估種質(zhì)資源的多樣性水平,揭示不同品種之間的遺傳差異和親緣關(guān)系[5],為后續(xù)的遺傳多樣性分析提供基礎(chǔ)。

辣椒(Capsicumspp.L)作為一種重要的蔬菜作物,其遺傳背景的豐富性對(duì)于優(yōu)良品種的選育、種質(zhì)資源利用與遺傳改良具有重要意義。遺傳多樣性分析有助于篩選具有豐富遺傳多樣性的親本進(jìn)行雜交,從而提高后代的遺傳多樣性和潛力。同時(shí),通過(guò)分析優(yōu)良品種與野生種質(zhì)的遺傳差異,可挖掘種質(zhì)中的有利基因和新的遺傳變異,以拓寬辣椒的遺傳背景,為辣椒的遺傳改良和品種選育提供重要參考[6]。遺傳差異性和相關(guān)性分析可識(shí)別與重要農(nóng)藝性狀相關(guān)的分子標(biāo)記,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)分子標(biāo)記輔助選擇育種[7-8],提高育種的效率和準(zhǔn)確性,縮短育種周期。植株在長(zhǎng)期選擇和適應(yīng)過(guò)程中可產(chǎn)生表型變異,亦可生成新的穩(wěn)定基因[9]。系統(tǒng)性地分析辣椒品種的遺傳基礎(chǔ)和多樣性水平,對(duì)提高辣椒新品種選育效率具有重要意義。本研究主要以衢州市農(nóng)業(yè)林業(yè)科學(xué)研究院近10年收集的辣椒種質(zhì)為材料,以18個(gè)主要農(nóng)藝性狀為基礎(chǔ),綜合評(píng)價(jià)分析辣椒種質(zhì)資源的遺傳多樣性。

1 材料與方法

1.1 材料

193份辣椒種質(zhì)資源的性狀均能穩(wěn)定遺傳,所有材料均種植在衢州市農(nóng)業(yè)林業(yè)科學(xué)研究院的東湖創(chuàng)新基地。每個(gè)材料定植60株,每個(gè)重復(fù)20株,共3次重復(fù),采用隨機(jī)排列,并進(jìn)行常規(guī)管理,編號(hào)依次為001～193,其中170、171號(hào)材料引自日本,175～193號(hào)材料引自美國(guó),其余編號(hào)材料均來(lái)自中國(guó)。

1.2 表型鑒定方法

鑒定方法參考《辣椒種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[10],根據(jù)不同性狀測(cè)定要求的時(shí)間進(jìn)行鑒定。數(shù)量性狀是每個(gè)材料選取3個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)測(cè)定10株,最后以平均值表示;質(zhì)量性狀中現(xiàn)蕾期、開(kāi)花期、坐果期以距離實(shí)際定植日期(2月27日)的時(shí)間為數(shù)值進(jìn)行計(jì)算,其余性狀描述與賦值參照表1。

表1 質(zhì)量性狀描述與賦值

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2010軟件整理數(shù)據(jù),計(jì)算數(shù)量性狀的基本統(tǒng)計(jì)量(最小值、最大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù));以Shannon-Wiener表型多樣性指數(shù)表示遺傳多樣性指數(shù),其計(jì)算方法參照徐肖等[11]。用R語(yǔ)言進(jìn)行性狀的相關(guān)性分析、聚類分析與主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 辣椒種質(zhì)資源果實(shí)性狀與遺傳多樣性指數(shù)

供試?yán)苯凡牧瞎麑?shí)顏色、果實(shí)形狀和果實(shí)縱橫徑差異較大。其中,成熟果色有紅色、黃色、橙色;果實(shí)形狀可分為短牛角形、指形、錐形、圓球形等(圖1)。

遺傳多樣性分析發(fā)現(xiàn),辣椒18個(gè)表型性狀的Shannon多樣性指數(shù)均在5.0左右,其中成熟果顏色多樣性指數(shù)最高,為5.25,辣椒成熟果果色有黃色、紅色、橙色等。因部分材料引自美國(guó),其生長(zhǎng)周期較長(zhǎng),現(xiàn)蕾、開(kāi)花、坐果期較國(guó)內(nèi)常見(jiàn)種質(zhì)資源要延遲月余,故現(xiàn)蕾期、開(kāi)花期、坐果期多樣性指數(shù)也較高。單果重多樣性指數(shù)最低,但也達(dá)到4.95(表2)。

表2 辣椒各性狀遺傳多樣性分析

2.2 辣椒種質(zhì)資源數(shù)量性狀多樣性

辣椒不同性狀間差異較大,其中數(shù)量性狀的平均變異系數(shù)為42.49%,單果重的變異系數(shù)最大(81.98%),其次是果實(shí)寬度(53.53%),心室數(shù)、開(kāi)花時(shí)間、坐果時(shí)間較其他性狀而言變異系數(shù)較小,分別為23.25%、28.81%、25.85%(表3)。供試的193份辣椒種質(zhì)資源的18個(gè)性狀的變異系數(shù)均大于20%。

表3 辣椒種質(zhì)資源數(shù)量性狀形態(tài)多樣性統(tǒng)計(jì)

2.3 辣椒種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀的相關(guān)性

對(duì)辣椒種質(zhì)資源的18個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),多數(shù)農(nóng)藝性狀間存在顯著或極顯著的正相關(guān)或負(fù)相關(guān)關(guān)系(表4),且相關(guān)系數(shù)差異較大。主莖高度與首花節(jié)位、柱頭相對(duì)花藥的位置、現(xiàn)蕾期、開(kāi)花期、坐果期呈極顯著正相關(guān),其中與首花節(jié)位的相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.820,說(shuō)明主莖高度與首花節(jié)位緊密相關(guān)。首花節(jié)位與現(xiàn)蕾期、開(kāi)花期、坐果期呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)約0.600,說(shuō)明首花節(jié)位與現(xiàn)蕾期、開(kāi)花期、坐果期的相關(guān)性中等。現(xiàn)蕾期與開(kāi)花期、坐果期呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)分別為0.918和0.866,說(shuō)明現(xiàn)蕾期和開(kāi)花期、坐果期相關(guān)性極高。開(kāi)花期與坐果期呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)最高為0.944,說(shuō)明開(kāi)花期和坐果期相關(guān)度最高。

2.4 辣椒種質(zhì)資源的聚類分析

基于馬氏距離的類平均法,使用R語(yǔ)言對(duì)193份辣椒種質(zhì)進(jìn)行聚類分析,結(jié)果見(jiàn)圖2。193份辣椒種質(zhì)在馬氏距離為40處可分為3大類,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類群中分別含有150、24、19份辣椒種質(zhì)資源。Ⅰ類群種質(zhì)數(shù)量最多,該類種質(zhì)花柱高度多數(shù)為高于或與花藥平齊,主莖高度為極高或極低。Ⅱ類群種質(zhì)數(shù)量次之,其果型偏小、現(xiàn)蕾期、開(kāi)花期、坐果期較晚。其中,175～193號(hào)均引自美國(guó),屬于茸毛椒種(CapsicumpubescensKeep.),除175、176、178號(hào)聚在Ⅰ類群外,其余均在Ⅱ類群中,且175、176、178號(hào)主莖高度約為25 cm,各生育期約42 d,遠(yuǎn)低于其他美國(guó)材料(平均主莖高度43 cm,生育期60～90 d),推測(cè)175、176、178號(hào)在多年馴化和栽培過(guò)程中表型發(fā)生穩(wěn)定變異。Ⅲ類群種質(zhì)的果實(shí)較大,萼片平展或淺包、絨毛稀或無(wú)。193份種質(zhì)資源中有27份種質(zhì)資源青熟果顏色為乳白色,其中26份分布在Ⅰ類群,且白色果皮種質(zhì)多數(shù)呈相鄰的聚類狀態(tài),又可分為5個(gè)不同類群,其中38、86、35、33、37、31、36和80號(hào)聚類在一起,其平均果長(zhǎng)小于15 cm ;22、24、21和73號(hào)聚類在一起可能是因?yàn)槠淦骄L(zhǎng)為15～17 cm;84、23、79、71和72號(hào)聚為一類,其平均果長(zhǎng)為17～19 cm;74、27、28、58、29和30號(hào)聚為一類,其首花節(jié)位均在6～8節(jié);78、85和75號(hào)聚為一類,其單果重較大,約45 g。由此可說(shuō)明,白色辣椒種質(zhì)資源的果形比較豐富;Ⅱ類群中有1份白色果皮種質(zhì)資源編號(hào)為32,推測(cè)因其各生育期較長(zhǎng),而分到該類群。

1～193為辣椒種質(zhì)資源編號(hào)。標(biāo)注紅點(diǎn)的種質(zhì)青熟果顏色為乳白色。1-193 are the No. of pepper germplasm resources. The color of the green ripe fruit of the germplasm marked with red dots is cream.

2.5 辣椒種質(zhì)資源的主成分分析與種質(zhì)評(píng)價(jià)

辣椒種質(zhì)各性狀間存在不同程度的相關(guān)性,為消除各性狀間的相關(guān)影響,利用主成分分析對(duì)種質(zhì)進(jìn)行評(píng)價(jià)。以特征值大于1.0為標(biāo)準(zhǔn)[12],提取前6個(gè)主成分作為辣椒表型性狀的綜合指標(biāo),累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)96%(表5),表明這6個(gè)主成分能涵蓋18個(gè)性狀的大部分信息。第1主成分的特征值是4.13,貢獻(xiàn)率為34%,主莖高度、首花節(jié)位、現(xiàn)蕾期、開(kāi)花期和坐果期的特征值最大,且為正值。田間生產(chǎn)中,主莖矮、首花節(jié)位低,現(xiàn)蕾期、開(kāi)花期和坐果期短更有利于早熟;第2主成分的特征值是2.20,貢獻(xiàn)率為18%,萼片形態(tài)、果實(shí)先端形狀、果寬的特征值最大,前者為負(fù)值,后兩者為正值,該類指標(biāo)主要與果實(shí)性狀相關(guān);第3主成分的特征值是1.81,貢獻(xiàn)率為15%,果實(shí)綠熟期顏色特征值最大,其次為果實(shí)長(zhǎng)度,前者為正值,后者為負(fù)值;第4主成分的特征值是1.52,貢獻(xiàn)率為12%,茸毛密度、心室數(shù)的特征值較大,分別為0.69、0.67;第5主成分的特征值是1.37,貢獻(xiàn)率為11%,花冠顏色、花柱顏色的特征值最大,均為正值,該主成分主要描述花的性狀;第6主成分的特征值是1.19,貢獻(xiàn)率為6%,成熟期果皮顏色特征值最大且為正。

3 討論

種質(zhì)資源的遺傳多樣性、遺傳變異度是育種工作的基礎(chǔ)。基于農(nóng)藝性狀有針對(duì)地進(jìn)行品種選擇、綜合考慮各性狀的相互作用是提高育種效率的重要措施[13]。多樣性越高,即群體內(nèi)變異越豐富,篩選到優(yōu)質(zhì)育種材料的概率越高[14]。

果色是果實(shí)形態(tài)研究的重要指標(biāo)之一,對(duì)消費(fèi)有明顯影響,也是品種選育需考慮的因素之一。對(duì)于果實(shí)形態(tài)的遺傳多樣性研究在諸多園藝作物上均有表現(xiàn)[15-16]。本研究對(duì)193份辣椒資源的10個(gè)質(zhì)量性狀、8個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行遺傳分析,發(fā)現(xiàn)青熟果顏色較為豐富,其Shannon遺傳多樣性指數(shù)為5.18,青熟果顏色除常見(jiàn)的綠色系外還有白色、紫色和黃色,大部分青熟果顏色為白色的辣椒種質(zhì)聚類在同一個(gè)類群,在同一類群中形成5個(gè)分布區(qū)域,且果長(zhǎng)差異明顯,說(shuō)明白辣椒種質(zhì)資源果形豐富,親緣關(guān)系相對(duì)較遠(yuǎn)。

變異系數(shù)是衡量遺傳變異潛力大小的標(biāo)志,表明該群體中調(diào)查性狀的選擇范圍。本研究中辣椒單果重變異系數(shù)達(dá)81.98%,說(shuō)明從該群體中選出目標(biāo)單果重個(gè)體的幾率大。另外,變異系數(shù)和遺傳多樣性指數(shù)間未表現(xiàn)出完全一致性,如開(kāi)花期和坐果期的遺傳多樣性指數(shù)略高于平均水平,而變異系數(shù)卻低于平均。相關(guān)性分析可以通過(guò)選擇一種性狀間接達(dá)到選擇另一種性狀的效果,本研究中開(kāi)花期、坐果期和現(xiàn)蕾期相關(guān)性極高,說(shuō)明選擇其中一個(gè)指標(biāo)即可,從而提高育種的選擇效率[17]。果寬與單果重呈極顯著正相關(guān),該結(jié)果在69個(gè)辣椒種質(zhì)資源(4個(gè)辣椒栽培種)中也得到驗(yàn)證,其分析發(fā)現(xiàn)的相關(guān)系數(shù)達(dá)85%[18]。

主成分分析和聚類分析是評(píng)估作物遺傳多樣性和篩選優(yōu)異種質(zhì)資源中常用的一種分析方法,通過(guò)這些方法能夠反映作物種質(zhì)間的遺傳差異和相關(guān)性狀特點(diǎn),且在作物中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用[19-20]。本研究通過(guò)對(duì)18個(gè)表型性狀進(jìn)行主成分分析,使各性狀之間的影響更為明顯。提取的前6個(gè)主成分可以反映辣椒主要農(nóng)藝性狀96%的遺傳信息。在第3主成分中,果長(zhǎng)的特征值雖較大,但為負(fù)值。Castillo等[21]研究發(fā)現(xiàn),在第1主成分中果長(zhǎng)與單果重的特征值最大且為正,推測(cè)可能由于各主成分反映的性狀不同而導(dǎo)致差異。根據(jù)貢獻(xiàn)率、特征值的大小從主成分中選擇的果長(zhǎng)、果寬、主莖高、花藥顏色、開(kāi)花期等性狀是造成辣椒種質(zhì)資源表型差異的主要原因。遺傳聚類圖的層次數(shù)量可清晰地展示辣椒種質(zhì)的遺傳多樣性和親緣關(guān)系的遠(yuǎn)近,說(shuō)明經(jīng)過(guò)多年的引種,辣椒資源已經(jīng)較豐富。此外,來(lái)自同一地區(qū)的種質(zhì)并沒(méi)有聚在一起,可能與種質(zhì)的變異有關(guān)。聚類分析結(jié)果可指導(dǎo)育種者有目的地進(jìn)行種質(zhì)資源的優(yōu)化組合,提高育種效率。