樱桃番茄核心种质资源构建策略

牛玉 刘维侠 杨衍 刘子记

摘  要  為了有效确定樱桃番茄核心资源，促进樱桃番茄种质资源的创新利用，本研究采用混合线性模型对219份樱桃番茄种质的叶片长、叶片宽、第一花序节位、果实纵径、果实横径、果肉厚、单果重7个性状的基因型值进行预测;基于基因型预测值，按照30%的抽样率，采用2种遗传距离（欧氏距离和马氏距离）、8种聚类方法（最短距离法、最长距离法、重心法、中间距离法、类平均法、可变法、可变类平均法和离差平方和法）和3种抽样方法（优先抽样法、随机抽样法和偏离度抽样法）构建樱桃番茄核心种质资源，采用均值、方差、极差和变异系数评价不同方法构建樱桃番茄核心种质的优劣。欧氏距离和马氏距离法构建的樱桃番茄核心种质7个性状的方差均高于原群体，采用欧氏距离构建的核心种质7个性状的均值与原群体没有显著性差异，采用马氏距离构建的核心种质4个性状的均值与原群体没有显著性差异，3个性状的均值与原群体存在显著性差异，表明欧氏距离法优于马氏距离法。8种聚类方法构建的樱桃番茄核心种质7个性状的方差和变异系数均高于原群体，采用最短距离法构建的樱桃番茄核心种质具有较大的遗传变异，明显优于其他方法。采用3种抽样方法构建的樱桃番茄核心种质7个性状的变异系数和方差均有所提高，偏离度抽样法优于优先抽样和随机抽样法。基于欧氏距离、最短距离聚类和偏离度抽样法获取的65份樱桃番茄核心资源能够代表原群体的遗传多样性。

关键词  樱桃番茄;基因型值;遗传距离;聚类方法;抽样方法;核心种质

中图分类号  S641.2     文献标识码  A

Construction Strategy of Core Germplasm of Cherry Tomato

NIU Yu， LIU Weixia， YANG Yan， LIU Ziji*

Tropical Crops Genetic Resources Institute， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Danzhou， Hainan 571737， China

Abstract  In order to effectively identify the core germplasm and promote the innovative utilization of cherry tomato germplasm， the genotype values of seven traits （leaf length， leaf width， first inflorescence node， fruit length， fruit width， flesh thickness and weight per fruit） of 219 cherry tomato germplasms were predicted by a mixed linear model. Cherry tomato core germplasms were constructed based on genotype values by adopting two genetic distance （Euclidean distance and Mahalanobis distance）， eight clustering methods （Single linkage， Complete linkage， Centroid method， Median method， Unweighted pair-group average， Flexible-beta method， Weighted pair-group average and Wards method） and three sampling methods （Preferred sampling， Random sampling and Deviation sampling） with 30% sampling proportion. The core germplasms constructed by different methods were evaluated based on mean， variance， range and variation coefficient. The variance of seven traits of cherry tomato core germplasm constructed by Euclidean distance and Mahalanobis distance were higher than that of the original population. By Euclidean distance， the means of seven traits had no significant difference between the core germplasms and the original population. By Mahalanobis distance， except four traits， the means of the other three traits were significantly different between the core germplasms and the original population. The result indicated that Euclidean distance was better than Mahalanobis distance. The variance and variation coefficient of seven traits of the core germplasms constructed by eight clustering methods were higher than that of the original population. The cherry tomato core germplasm constructed by the single linkage method had relatively larger genetic variation， which was better than the other clustering methods. The variance and variation coefficient of seven traits of the core germplasms constructed by three sampling methods were higher than that of the original population. The deviation sampling was superior to the preferred sampling and random sampling method. A total of 65 cherry tomato core germplasms were selected based on Euclidean distance， single linkage clustering and deviation sampling， which could represent the genetic diversity of the original population.

Keywords  cherry tomato; genotype value; genetic distance; clustering method; sampling method; core germplasm

DOI  10.3969/j.issn.1000-2561.2019.12.007

番茄（Solanum lycopersicum）属于茄科（Solanaceae）茄属，原产于南美洲西部太平洋沿岸安第斯山脉的秘鲁、厄瓜多尔、玻利维亚、智利等国的高原或谷地[1]。番茄具有丰富的营养价值和独特的风味，备受消费者的青睐，在全世界广泛种植，2017年全世界番茄种植面积约484.8万hm2，中国种植面积为103.3万hm2 （http：//www. fao.org/faostat/en/#data）。樱桃番茄具有果形和果色多样化、酸甜可口、营养丰富等特点[2]，是一种经济价值较高的水果型番茄[3]。目前已成为设施栽培最广泛的蔬菜之一。

种质资源是作物遗传改良的基础。长期实践表明，优异种质资源的发掘与利用是育种工作能够取得突破性进展的关键。目前，世界各地1300多个种质库保存约610万份植物种质资源，中国位居第3位[4]。随着种质资源数量的不断增加，如何对数量庞大的种质资源开展保存、评价与创新，如何快速发掘优异基因，如何高效利用现有资源及如何实现种质资源的可持续性发展是育种学家共同面临且亟待解决的现实问题。

澳大利亚学者Frankel等[5-7]首次提出了核心种质的概念，随后，核心种质的概念得到了进一步发展和完善。核心种质是指用最少的种质资源数量最大程度地代表种质资源的遗传多样性。迄今为止，国内外研究人员已经构建了多种农作物的核心种质，为种质资源的深入研究与有效利用奠定了基础[8-11]。至今有关番茄种质资源的研究多集中在遗传多样性分析，有关番茄核心种质构建的研究报道较少。史建磊等[12]以21份樱桃番茄自交系为材料，对12个表型性状进行遗传变异、主成分和聚类分析，结果表明樱桃番茄种质具有较丰富的遗传多样性。袁东升等[13]对收集的100份番茄种质资源进行了遗传多样性分析，结果表明不同性状在不同材料之间表现出不同程度的多样性。李云洲等[14]对142份番茄种质资源的47个性状进行了遗传多样性和相关性分析，结果表明番茄种质存在丰富的遗传变异。芮文婧等[15]对353份番茄种质资源的13个质量性状和16个数量性状进行了遗传变异评价、相关性分析和主成分分析，结果表明供试番茄种质的表型性状具有丰富的遗传多样性。张静等[16]对32份番茄种质资源的22个形态性状进行了分析，结果表明供试的32份番茄种质资源存在较大的遗传差异和丰富的多样性。邓学斌等[17]以收集的3026份加工番茄种质资源为材料，基于20个表型性状和5种不同方法构建了加工番茄初级核心种质。表型性状是种质资源鉴定评价最为基本和直接的途径，具有直观、经济等优点。由于表型特征是环境因素和遗传因素综合作用的结果，表型数据易受环境及栽培因素的影响，单从表型值评价种质资源的遗传关系具有一定的局限性。另外，由于作物遗传进化存在一定差异，所以不同作物核心种质构建的最佳方法也不尽相同[18]。本研究拟利用混合线性模型无偏预测樱桃番茄7个性状的基因型值，通过不同遗传距离、聚类方法和抽樣方法构建樱桃番茄核心种质，评价筛选樱桃番茄核心种质构建最佳方法，以期为樱桃番茄种质资源的创新利用提供依据。

1  材料与方法

1.1  材料

供试樱桃番茄种质资源来自中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所蔬菜研究室多年来收集并经杂交、多代自交选育的自交系，共计219份（种质编号：CT1～ CT219）。不同种质间叶片长、叶片宽、第一花序节位、果实纵径、果实横径、果肉厚、单果重等性状存在明显差异。

1.2  方法

1.2.1  表型数据采集和基因型值预测  试验于2018年9月初在中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所五队试验基地进行育苗，10月下旬进行移栽，按随机区组设计种植219份樱桃番茄种质资源，重复3次，每个重复种植8株。农艺性状数据是研究的主要数据来源，应选取具有代表性的性状进行调查[19]。叶、花、果实是番茄的主要农艺性状，其中果实性状最为重要，依据这些性状对番茄种质资源进行研究具有重要意义[20-21]。2019年1—3月，参考《番茄种质资源描述规范与数据标准》[22]调查叶片长、叶片宽、第一花序节位、果实纵径、果实横径、果肉厚、单果重。采用混合线性模型无偏预测7个农艺性状的基因型值[23]。

1.2.2  遗传距离衡量与种质聚类分析  基于樱桃番茄7个性状的基因型效应值，分别采用欧氏距离和马氏距离法计算不同樱桃番茄种质间的遗传距离[24-25]。聚类分析分别利用最长距离法、最短距离法、中间距离法、重心法、类平均法、可变法、可变类平均法和离差平方和法[26]。

1.2.3  抽样策略与核心种质有效性评价  基于30%的抽样率分别采用优先抽样法[27]、随机抽样法[28]和偏离度抽样法[29]构建樱桃番茄核心种质库。樱桃番茄核心资源库的优劣采用方差、极差、均值和变异系数4个指标进行评价。通过t检验进行均值的差异性分析，通过F检验进行方差的差异性分析。

2  结果与分析

2.1  樱桃番茄种质主要农艺性状的遗传变异

樱桃番茄种质资源主要农艺性状的变异情况见表1。7个农艺性状变异系数平均值为0.26。7个农艺性状中，单果重变异系数最大，为0.54，变异幅度是平均值的2.65倍;果实横径变异系数为0.25，排行第2;果肉厚最大值为0.72 cm，最小值为0.10 cm，变异系数为0.24，排行第3;叶片宽和果实纵径变异系数一致，为0.23;叶片长变异系数为0.18，排行第6;第一花序节位最大值为12，最小值为5，变异系数在7个性状中最小，为0.16。

2.2  比较2种遗传距离构建樱桃番茄核心种质的优劣

分别采用马氏距离和欧氏距离、最短距离聚类法、优先取样法，基于30%的抽样比率获得核心材料。由表2可知，采用欧氏距离构建的樱桃番茄核心种质7个性状的均值与原群体没有显著性差异;采用马氏距离构建的樱桃番茄核心种质4个性状的均值与原群体没有显著性差异，3个性状的均值与原群体存在显著性差异。两种方法构建的核心种质完全保存了原群体的极差。采用欧氏距离构建的樱桃番茄核心种质，其中叶片长、叶片宽、第一花序节位、果实纵径、果实横径和果肉厚6个性状的方差显著高于原群体的方差，采用马氏距离构建的核心种质7个性状的方差显著高于原群体的方差。2种遗传距离方法构建的核心种质均能提高7个性状的变异系数。比较方差、均值、极差和变异系数等4个指标的结果表明，构建樱桃番茄核心种质，采用欧氏距离略优于马氏距离。

2.3  比较不同聚类方法构建的樱桃番茄核心种质的优劣

采用欧氏距离、优先抽样法和30%的抽样比率，分别基于8种聚类方法（最短距离法、最长距离法、中间距离法、重心法、类平均法、可变法、可变类平均法和离差平方和法）构建樱桃番茄核心种质。由表3可知，8种聚类方法构建的

樱桃番茄核心种质7个性状的平均值与原群体的差异不显著，7个性状的方差与原群体相比均有所提高，极差均与原群体保持一致。基于最短距离法构建的樱桃番茄核心种质与原群体相比，3个性状的方差差异达极显著水平，3个性状的方差差异达显著水平。采用可变类平均法构建的樱桃番茄核心种质与原群体相比，1个性状的方差差异达极显著水平，3个性状的方差差异达显著水平。采用最长距离法、类平均法和可变法构建的樱桃番茄核心种质与原群体相比，均有3个性状方差差异达显著水平。采用重心法和离差平方和法构建的樱桃番茄核心种质与原群体相比，仅有1个性状的方差差异达显著水平。采用中间距离法构建的樱桃番茄核心种质与原群体相比，7个性状的方差差异不显著。与原群体相比，8种聚类方法构建的樱桃番茄核心种质所有7个性状的变异系数均有所提高。综合以上结果，与其他7种聚类方法相比，采用最短距离法构建的樱桃番茄核心种质具有较大的遗传变异。

2.4  比较不同抽样方法构建的樱桃番茄核心种质的优劣

采用欧氏距离和最短距离聚类法，基于30%的抽样比率，分别采用优先抽样、随机抽样和偏离度抽样方法构建樱桃番茄核心种质库（表4）。利用3种抽样方法构建的樱桃番茄核心种质与原群体相比，相同性状的均值间没有显著性差异;7个性状的方差均有所提高。采用随机抽样法构建的樱桃番茄核心种质与原群体相比，4个性状的方差差异达显著水平，2个性状的方差差异达极显著水平。采用优先抽样法构建的樱桃番茄核心种质与原群体相比，3个性状的方差差异达显著水平，3个性状的方差差异达极显著水平。采用偏离度抽样法构建的樱桃番茄核心种质与原群体相比，1个性状的方差差异达显著水平，5个性状

的方差差异达极显著水平。采用3种抽样方法构建的樱桃番茄核心种质的极差与原群体保持一致。采用3种抽样方法构建的樱桃番茄核心种质与原群体相比，7个性状的变异系数均有所提高。综合以上结果，采用偏离度抽样法构建的樱桃番茄核心种质与随机抽样和优先抽样相比，遗传变异较大，略具优越性。

3  讨论

核心种质以最少的种质数量包含了原群体的全部或大部分的遗传变异，解决了种质资源数量庞大和保存、评价及创新利用之间的矛盾，为种质资源的深入研究提供了广阔的平台。由于表型数据受基因型和环境条件的影响，农艺性状表型值不能够准确反映种质间的遗传差异[30]。性状的基因型预测值可以有效排除基因型与环境的互作效应、环境效应及试验过程中的误差。相关研究利用性状的基因型值成功构建了作物核心种质资源[31-32]。本研究采用混合线性模型无偏预测樱桃番茄7个性状的基因型效应值，采用基因型效应值计算种质间的遗传距离，与基于表型值分析相比更能准确反映种质间的遗传关系。

核心种质的有效性常采用均值、方差、极差和变异系数等指标进行检验[33]。均值差异越小，方差和变异系数变化率越大，则说明核心种质的代表性越好[34]。马氏或欧氏距离均能反映不同种质的遗传差异。本研究采用欧氏距离和马氏距离法构建的樱桃番茄核心种质7个性状的方差均高

于原群体。与原群体相比，采用欧氏距离构建的樱桃番茄核心种质7个性状的均值没有显著性差异;与原群体相比，采用马氏距离构建的樱桃番茄核心种质4个性状的均值没有显著性差异，3个性状的均值存在显著性差异。表明欧氏距离法优于马氏距离法，这与Mao等[35]的研究结果一致。

聚类分析常应用于种质资源亲缘关系研究[36]。常用的聚类方法有最长距离法、最短距离法、中间距离法、重心法、类平均法、可变法、可变类平均法和离差平方和法等。不同的聚类方法在不同的作物中均有成功构建核心种质的报道[37-38]。本研究比较了8种聚类方法构建的樱桃番茄核心种质的优劣。与原群体相比，8种聚类方法构建的樱桃番茄核心種质所有7个性状的方差和变异系数均有所提高。采用最短距离法构建的樱桃番茄核心种质具有较大的遗传变异，明显优于其余聚类方法。这与王莉萍[39]和魏志刚等[40]的研究结果一致。

不同抽样策略构建出的核心种质的遗传结构不尽相同，因此，抽样策略也是核心种质构建研究的重点。目前常用的抽样方法有3种：多次聚类优先抽样法、多次聚类随机抽样法和多次聚类偏离度抽样法。与原群体相比，采用3种不同抽样方法构建的樱桃番茄核心种质7个性状的方差和变异系数均有所提高。与优先抽样法和随机抽样法相比，采用偏离度抽样法构建的樱桃番茄核心种质具有相对较大的遗传差异，这与苦瓜核心种质构建研究和辣椒核心种质构建研究结果一致[41-42]。基于欧氏距离、偏离度抽样法及最短距离聚类法获取的65份樱桃番茄核心资源能够代表原始种质群体的遗传多样性，本研究为樱桃番茄种质资源的创新利用提供了便利。

基于上述结果，在前期研究中培育的5份樱桃番茄骨干材料入选核心种质（CT12，CT30，CT61，CT72和CT79）。其中，CT12属于无限生长型，早熟，果实圆形，色泽正黄亮丽，每穗坐果12～16个，单果重20～25 g，硬度高，口味甜，风味浓，检测含有Ty1、Ty3a、Mi-1、Sw-5和Ph-3等抗性基因位点。CT30属无限生长型黑彩樱桃番茄，果实圆球形，单穗坐果10～16个，连续坐果能力强，单果重20 g左右，耐裂，口味甜，风味佳，检测含有Mi-1、I-2、Ph-3和Tm-2a等抗性基因位点。CT61属于无限生长型，坐果能力强，单穗结果数10～16个，单果重20～25 g，早熟，耐裂，口感佳，风味好，检测含有Cf9和Tm-2a等抗性基因位点。CT72属于无限生长型，植株生长旺盛，坐果能力强，果实黄色圆形，单穗结果数15～20个，单果重20 g左右，检测含有Ph-3、Sw-5、Tm-2a等抗性基因位点。CT79属于无限生长型，中早熟，果实红色高圆尖形，每穗坐果数12～18个，单果重20～30 g，甜度高，硬度好，具有Ty1、Mi-1、Tm2a、Cf9、Sw-5和Ph3等抗性基因位点。在今后的研究过程中，将基于性状互补的原则选择核心骨干材料配制杂交组合，培育优良樱桃番茄新品种。

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