APP下载

可可种质资源果实色泽多样性分析

2016-05-30秦晓威吴刚李付鹏赖剑雄陈鹏郝朝运宋应辉

热带作物学报 2016年2期
关键词:多样性

秦晓威 吴刚 李付鹏 赖剑雄 陈鹏 郝朝运 宋应辉

摘 要 以86份可可核心种质资源为试材,利用计算机图像信息及其处理技术对可可果实色泽数字图像进行解析,采集果实色泽典型色域的CMYK模式参数,通过聚类分析及主成分分析方法对色泽指标参数进行统计分析。结果表明:C、M、Y、K值能较准确科学地表现可可果实色泽,可以反映种质间的差异。UPGMA聚类分析和主成分分析将可可果实色泽分为2大类9组,区分结果符合可可果实色泽的自然分类属性。其中绿色为果实的基础色,红色为渐变的渲染色,形成丰富的9组色泽:墨绿色、青绿色、灰绿色、浅绿色、青白色、枣红色、红绿色、紫红色和深紫色。可见,可可果实色泽能够作为一项重要的分类参考指标,为可可新品种选育和优异种质资源开发利用提供参考依据。

关键词 可可;果实色泽;数字化描述;多样性

中图分类号 S685.99 文献标识码 A

The Diversity Analysis of Cocoa Pod Color of

Theobroma cacao L. Accessions

QIN Xiaowei1,2, WU Gang1, LI Fupeng1, LAI Jianxiong1,

CHEN Peng1, HAO Chaoyun1,2, SONG Yinghui1,2 *

1 Spice and Beverage Research Institute, CATAS, Wanning, Hainan 571533, China

2 Key Laboratory of Genetic Resources Utilization of Spice and Beverage Crops,

Ministry of Agriculture, Wanning, Hainan 571533, China

Abstract The colors of the pod collected from 86 cocoa accessions were digitally described and determined by using the computer information technology combined with digital images to extract the parameters of CMYK pattern in the typical color region. The UPGMA clustering analysis and PCA analysis were carried out based on the data. The results showed that the value of C, M, Y, and K could more accurately and scientifically represent the colors of pod and reflect differences among accessions of cocoa. The 86 cocoa accessions could be divided into two types, and nine groups on the basis of pod color parameters. The clustering analysis results were basically consistent with the natural classification. Additionally, cocoa pod color is determined by the degree of red pigment that is superimposed over the base green color of the pod during development. Thus, it formed nine groups, black green, dark green, gray green, light-green, bluish white, purplish red, red-green, purple red, and deep-purple. The results showed that pod color parameters in cocoas might be a suitable index to assess the classification of the different cocoa accessions. The investigation could provide a reference for future breeding new varieties and the utilization of the germplasm resources.

Key words Theobroma cacao L.; Cocoa pod color; Digital description; Diversity

doi 10.3969/j.issn.1000-2561.2016.02.007

可可(Theobroma cacao L., 2n=20),又称巧克力树,为梧桐科(Sterculiaceae)可可属(Theobroma)多年生热带经济作物。据Henderson等[1]考古证实,可可约有3 000多年的食用历史。截至2013年,世界可可收获面积达1.01×107 hm2,产量约4.6×106 t,其中,主产国科特迪瓦占总产量的29.4%,其次为印度尼西亚(19.1%)、加纳(14.9%)、尼日利亚(10.1%)、喀麦隆(6.2%)和巴西(5.5%)[2]。中国可可引种历史相对较短,1922年首次由印度尼西亚和爪哇地区引入台湾嘉义、高雄等地试种[3],20世纪50年代又先后从越南、泰国、马来西亚、巴布新几内亚等国家引进可可种质,在海南万宁等地试种成功。目前,主要栽培于海南和台湾地区,云南、广东、福建等地也有零星分布[4-5]。作为一种深受人们喜爱的饮料食品以及具有重要用途的热带农产品,可可长期以来存在需求旺盛与供应不足的问题,我国每年仅原料豆就需进口约1.5×105 t,且年进口增长率约为10%~15%[6]。随着生活水平不断提高和饮食结构变化,我国对可可的需求量还将大幅增加。

可可果实的鲜艳色泽常吸引松鼠、猴子等动物取食以完成种子散布与后代繁衍[7-8],这也是研究其起源、进化与遗传分类的重要性状之一。最早从事可可种质资源形态学分类的学者van Hall[9]认为,可可分为中美洲的Theobroma cacao ssp. cacao和南美洲的Theobroma cacao ssp. sphaeorocarpum亚种,分别包含Criollo和Forastero两大遗传类群。其中Forastero遗传类群根据果实色泽分为Cundeamor verugosa amarillo(amarillo,西班牙语为“绿色”)、Cundeamor verugosa colorado(colorado,西班牙语为“红色”)、Liso amarillo、Liso colorado、Amelonado amarillo、Amelonado colorado、Calabacillo amarillo和Calabacillo colorado等8个类别。之后,研究者观察到不同可可种质果实色泽的变异度较为丰富,基本存在由浅绿色至深绿色、由红色至深紫色的变异规律,而中间状态的色泽特征被描述为“在绿色的底层上渲染了红色”[10-12]。Bartley[13]认为花青素的累积差异是形成可可果实色泽变异的主要原因。此外,可可果实色泽属于寡基因性状(oligogenic trait),但由于显性效应的存在而不能简单地依据双亲果实色泽性状来预测杂交后代的色泽发生情况[14]。而且可可为常异花授粉作物,种质间花粉的虫媒、风媒传播更容易获得色泽性状变异丰富的杂交后代,这为形成丰富的可可果实色泽提供了遗传基础。

近年来,果实色泽的遗传分类与形成机理逐渐成为农作物种质资源学研究的热点话题之一[15-17]。然而,关于可可果实色泽的研究基础相对较为薄弱,自Engels[18]首次制定出可可种质资源描述规范以来,可可果实色泽的描述基本以目测并通过衡量花青素含量的强弱等级(0=没有,3=少许,5=中等,7=较多)进行鉴定。考虑到果实发育过程中色泽变化带来的对果实色泽描述的差异,国际热带农业研究与高等教育中心(CATIE)规定了可可色泽描述时应尽量选择2个月大小的未成熟可可果实[19]。近年来,数字化技术在准确获取色彩信息及其在色泽丰富的遗传多样性分析中的成功应用[20-21],为可可果实的色泽描述提供了一条科学便捷规范的技术路线。为了能够进一步了解可可果实的色泽变化特点,本研究利用数码图像和计算机信息技术对可可种质资源果实色泽信息进行采集,通过提取典型色域的CMYK模式参数,应用聚类和主成分分析,从果实色泽变化的角度去揭示可可种质资源的多样性,为今后可可种质资源分类、新品种选育及资源保护与利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料采集

于2013年10~11月,以中国热带农业科学院香料饮料研究所热带香料饮料作物种质资源圃保存的86份可可核心种质资源为采集对象。土壤为黄色砖红壤,有良好的水肥一体化灌溉条件,管理水平中等,荫蔽度60%~80%,每份种质种植5株,栽培措施中未使用植物生长调节剂。

为保证所测颜色具有代表性,参考Phillips等[19]对可可果实色泽描述的要求,取可可树干高100~150 cm处的2个月未成熟果实。采摘时选择颜色较为均匀、无可可盲蝽叮咬且具有代表性的可可果实。每份资源随机选取3株,每株采摘果实数量为3个,避免表皮磨损,采后立即带回实验室,2~3 h完成拍照。选择天气连续晴朗时期,在3个工作日内完成对86份可可种质资源果实色泽的图像信息采集。

1.2 图像拍摄

在相同光源下用同一相机拍摄。相机机身为Canon EOS5D,镜头为Canon 100 mm F2.8微距镜头。机身设置:光圈优先,镜头光圈F8,白平衡设置为日光模式,人工光源为71 cm专业翻拍台套装,包括71 cm翻拍台,灯罩4只(带方向灯头,可上下左右调节方向),45 W 5 500 K三基色专业摄影灯泡4只,20~60 cm可调节灯架4只。背景选用黑色台布,将果实置于背景台布中央拍照。

1.3 色彩模式选择及数据采集方法

依据不同的使用范围,彩色图像的色彩模式主要有RGB、Lab和CMYK模式。其中,RGB是由光源产生颜色,由R(红色)、G(绿色)和B(蓝色)3种基色光混合叠加而成,主要用于电视机、显示屏、幻灯片、网络、多媒体等利用色光显色颜色的彩色模式,但R、G和B值大小变化复杂,难以根据其辨别出具体颜色[20]。Lab色彩模式是由亮度L、红绿色彩要素a和黄蓝色彩要素b组成,能定义的色彩最多,但a、b是指颜色比值,人们无法感官认识,不能准确地用数字表现出来一种颜色的含量[21]。此外,Lab模式的测定方法须有特定仪器。与上述两种模式不同,CMYK模式根据纸上油墨的吸收特性来定义颜色,是一种减色色彩模式,即当阳光照射到一个物体上时,这个物体将吸收一部分光线,并将剩下的光线进行反射,反射的光线就是人们所看见的物体颜色。C(青色)、M(洋红色)、Y(黄色)和K(黑色)可以准确地用数字来描述一种颜色的多少,每一个像素的每一种印刷油墨会被分配一个百分比值,更有利于材料色彩的再现。因此,根据RGB、Lab和CMYK模式的使用范围,本研究选用CMYK色彩模式进行可可果实颜色的测定。

在Adobe Photoshop CS软件中打开CMYK色彩模式,将照片添加到选区,选择“视图”-“显示”-“网格”添加网格线。将果实长轴方向水平放置,如有偏离,选择“图像”-“旋转画布”调整任意角度使其与水平方向平行。选用矩形选取工具沿果实顶端至基部水平方向的中部,用裁剪工具进行切割,切割面积占总面积的1/3。利用黄金分割0.618原理(从果实顶端算起),通过标尺计算切割果实的水平长度乘以0.618,得出待测色区域。利用吸取工具于待测色区域的每一网格中心测C、M、Y、K的百分比值,所求数值的平均值即表示果实的颜色。

1.4 聚类与主成分分析

根据采集的C、M、Y、K指标参数,构建原始数据矩阵,采用SPSS 17.0软件对可可果实色泽参数分别进行系统聚类分析和主成分分析,依据聚类树状图和主成分散点图,对不同种质进行归类分级,评价果实色泽遗传特性。

2 结果与分析

2.1 不同可可种质果实色泽差异

由表1可知,86份可可种质果实色泽的C、K、M、Y值均表现出极显著的差异,其中C值值域为16.75~72.80(F85,1634=180.37,Pr<0.000 1),K值值域为0.00~66.20(F85,1634=70.08,Pr<0.000 1),M值值域为2.05~98.70(F85,1634=340.80,Pr<0.000 1),Y值值域为56.00~98.75(F85,1634=22.75,Pr<0.000 1),说明可可果实色泽的多样性极为丰富。由图1可见,C、K、M、Y值频率分布变化规律明显不同。C、M值呈双峰型变化趋势(图1-A,1-C),Y值呈单峰型变化趋势(图1-D),而K值呈递减变化趋势(图1-B)。

2.2 不同可可种质果实色泽聚类分析

以C、M、Y、K为果实色泽参数变量,计算各个种质间的Euclidean遗传距离,采用UPGMA聚类法对86份供试材料进行聚类分析(图2),从树状图可以看出,在遗传距离67.25处86个供试材料可分2大类,第1类为包含YLDDZ8、STSZ11等53份种质的绿色类,第2类为包含STS9-2、ZYP7-9等33份种质的红色类,区分结果符合可可果实色泽的自然分类属性。在遗传距离26.90处划分为9大组,第1组为墨绿色,包含YLDDZ8、ZYP2-8、ZYP6-5等27份种质;第2组为青绿色,包含YLDDZ5、STSZ1、BGL14等8份种质;第3组为灰绿色,包含STSS4、STSS14、ZYP1-2等9份种质;第4组为浅绿色,包含BGL8、ZYP5-7、ZYP1-18等8份种质;第5组为青白色,只有STSZ11种质,极为少见,属于特殊类;第6组为枣红色,包含YLDDZ14、ZYP4-9、STS9-2等9份种质;第7组为红绿色,该类红色的果实色泽中夹杂着少许的绿色,属于绿色和红色类别间的过渡类型;第8组为紫红色,包含ZYP4-7、ZYP8-9、STSZ10等15份种质;第9组为深紫色,包含ZYP2-4、ZYP6-6、ZYP7-9等3份种质。

2.3 不同可可种质果实色泽主成分分析

对原始矩阵进行主成分分析,前两个主成分分别能够解释果实色泽遗传差异的57.75%和28.64%,占总变异的86.39%。位置靠近者关系密切,远离者表示关系疏远,根据主成分二维散点图(图3),将位置靠近的种质划归在一起,可将供试材料划分成2大类9个组。绿色类包含墨绿色、青绿色、灰绿色、浅绿色和青白色,而红色类包含枣红色、红绿色、紫红色和深紫色。与聚类分析结果基本一致。

3 讨论与结论

果实色泽描述是可可植物学分类、新品种培育与种质资源创新利用的重要性状,同时也是困扰农艺工作者的难题。为解决可可果实色泽性状分类鉴定不清的问题,本研究利用数字化描述方法对86份可可核心种质的果实色泽进行分析,该方法可以通过获取具体、准确的色泽数据信息来比较色泽差异。结果显示,可可果实色泽具有丰富的遗传多样性,C(青色)、M(洋红色)和Y(黄色)参数是决定可可果实色泽的主要因子。比较C、M、Y、K频率分布规律可知,大部分可可果实色泽的Y较大,其次为C、M值,K值相对较小。当C值越大、M值越小的条件下,随着Y值的减小可可果实色泽由深绿色变浅绿色;当C值越小、M值越大的条件下,随着Y值的增加可可果实色泽由紫红色变深红色。由此可见,可可种质果实色泽可笼统地描述为绿色和红色,这与Wood和Lass[10]及Hui[11]等研究的泛性描述结论是一致的。因此,可可果实色泽数字化信息的应用,不仅能够全面反映不同可可种质果实色泽的差异,而且便于图像信息的存储与输出,体现了这种色彩界定方法高度的一致性、可移植性和可还原性,为可可果实的色泽描述确定了一条科学便捷规范的技术路线。

关于可可果实色泽的描述及其丰富性尚无统一的认识。通常研究者多利用花青素含量的强弱等级进行划分[18],该方法并不能描述出可可果实的具体色泽,而且其判断多以成熟可可果实的花青素为基础。然而,Phillips等[19]认为可可果实成熟过程对色泽描述的干扰较大,主观性太强,并建议选择2个月大小的未成熟果实进行可可色泽描述。此外,可可新品种DUS测试指南中,将可可果实色泽粗略地描述为:黄绿色、黄色、橘黄色、中红色、深红色和紫色[22]。其中,黄绿色、黄色和橘黄色是果实成熟后的色泽,为可可泛性属性,极易受叶绿素降解程度的干扰,而对于可可果实基本色泽的描述不具有代表性。本研究结果表明,可可果实基本色泽可分绿色和红色2大类9组,区分结果符合可可果实色泽的自然分类属性[11-12]。其中绿色是果实的基础色,红色是渐变的渲染色,形成了丰富的9组色泽,即墨绿色、青绿色、灰绿色、浅绿色、青白色、枣红色、红绿色、紫红色和深紫色。其中,墨绿色和灰绿色为可可果实色泽的典型类别,但在可可新品种DUS测试指南、可可种质资源描述规范中均未有记录。此外,研究还鉴定出STSZ11种质为青白色,具有较低的C值、M值和K值,分别仅为26%、2%和0,果实色泽特异。

果实色泽的准确采集和评价,可为可可品种鉴别和创新利用提供新的参考指标。厄瓜多尔主栽的Nacional品种具有特殊的花香味等优点,约占国际优质可可供应总量的75%,价格比普通可可豆高40%左右,但是Nacioanl品种产量低,约897 kg/hm2,市场供需矛盾极为突出。CCN51品种具有产量高、抗病性强等优点,产量高达1 641 kg/hm2,但是其酸味、涩味过高且不具有特殊的香气风味,品质不佳[23]。一直以来,育种家致力于以Nacional和CCN51为亲本选育优质、高产的杂交后代,但杂交后代的早期鉴别是面临的难题,大大降低了育种效率。Nacional品种果实颜色为绿色,而CCN51品种果实颜色为红色,近年来,有研究者正在利用两者的色泽差异,通过筛选与绿色和红色性状相关的候选基因,开发对色泽性状具有显著效应的功能基因或SNP分子标记,实现杂交后代的早期快速鉴定[14]。此外,可可为典型的“热带茎生植物”,丰富的可可果实色泽为园林景观设计提供了素材来源,具有潜在的旅游开发利用价值。因此,对可可果实色泽的分类鉴定不仅为育种家和园林景观设计者提供所需的材料资源,而且有利于可可资源的开发利用与保护。

参考文献

[1] Hendderson J S, Joyce R A, Hall G R, et al. Chemical and archaeological evidence for the earliest cacao beverages[J]. PNAS, 2007, 104: 18 937-18 940.

[2] FAO Statistics[EB/OL]. http://faostat3.fao.org/search/cocoa/E, 2015-01-01.

[3] 朱自慧. 世界可可业概况与发展海南可可业的建议[J]. 热带农业科学, 2003(3): 28-33.

[4] 邹冬梅. 海南省可可生产的现状、 问题与建议[J]. 广西热带农业, 2003(1): 38-42.

[5] 秦晓威, 郝朝运, 吴 刚, 等. 可可种质资源多样性与创新利用研究进展[J]. 热带作物学报, 2014, 35(1): 188-194.

[6] 王全永, 金健英. 我国与东盟可可制品标准的对比分析研究[J]. 东盟自由贸易区标准化建设专栏, 2010(10): 30-33.

[7] Young A M. The chocolate tree: a natural history of cacao[M]. Smithsonian Institute Press, Washington and London, 1994: 1-5.

[8] Julliot C. Frugivory and seed dispersal by red howler monkeys: evolutionary aspect[J]. Research Ecology(Terre Vie), 1994, 49: 331-341.

[9] van Hall D R C J J. Cocoa[M]. London: Macmillan and Co., Limited St. Martins Street, 1914: 67.

[10] Wood G A R, Lass R A. Cocoa[M]. Iowa State University Press, a Blackwell Science Company, USA, 2001: 26-36.

[11] Hui Y H. Handbook of food science, technology, and engineering[M]. CRC Press, New York, 2006: 104.

[12] Amoah A A. Determination of postharvest losses in cocoa(Theobroma cacao)from harvest to the depot[D]. Kwame Nkrumah University of Science and Technology, Kumasi, 2013: 2.

[13] Bartley B G D. The genetic diversity of cacao and its utilization[M]. UK, Wallingford: CABI Publishing, 2005: 50-55.

[14] Motamayor J C, Mockaitis K, Schmutz J, et al. The genome sequence of the most widely cultivated cacao type and its use to identify candidate genes regulating pod color[J]. Genome Biology, 2013, 14: 53.

[15] 王伟杰, 徐建国, 徐昌杰. 宫内伊予柑果实发育期间色泽和色素的变化[J]. 园艺学报,2006, 33: 461-465.

[16] 刘 金. 早熟苹果泰山早霞果实着色机理的初步研究[D]. 泰安: 山东农业大学, 2012.

[17] 马春晖, 李鼎立, 王 然. 梨属植物叶片色泽多样性分析[J]. 植物遗传资源学报, 2014, 15: 1 232-1 238.

[18] Engels J M M, Bartley B G D, Enríquez G A. Cacao descriptors, their states and modus operandi[J]. Turrialba, 1980, 30: 209-218.

[19] Phillips W, Arciniegas A, Mata A, et al. Catalogue of cacao clones selected by CATIE for commercial plantings[M]. Shirley Orozco Estrada PCC Communicator CATIE, Costa Rica, 2013: 23.

[20] 朱 敏, 高爱平, 罗石荣, 等. 芒果花瓣与花药色彩的数字化描述[J]. 植物遗传资源学报,2013, 14: 159-166.

[21] 李 欣, 沈 向, 张鲜鲜, 等. 观赏海棠叶、果、花色彩的数字化描述[J]. 园艺学报,2010, 37: 1 811-1 817.

[22] UPOV. Guidelines for the conduct of tests for distinctness, uniformity and stability of cacao(Theobroma cacao L.)[EB/OL]. http://www.upov.int/edocs/tgdocs/en/tg270.pdf, 2011-10-20.

[23] Blare T, Useche P. Competing objectives of smallholder producers in developing countries: examining cacao production in Northern Ecuador[J]. Environmental Economics, 2013(1): 72-80.

猜你喜欢

多样性
浅议单元导语教学策略
试论初中体育教学方法多样性研究
论遵循社会规律与坚持包容性发展的内在逻辑
浅谈小学数学作业设计的有效性
浅析阿拉伯语初级阶段听力教学材料的选择
利用网络教学多样性 开展有效教学
由古典戏曲看“代言体”在中国的前世今生
浅谈新时期群文辅导工作的特征
新时期群文辅导工作的特征
海洋微生物次生代谢的生物合成机制