100份番茄种质资源表型性状的遗传多样性分析

袁东升，王晓敏，2，3，4，赵宇飞，潘兵青，白嫆嫆，胡新华，付金军，高艳明，2，3，李建设，2，3,4

(1.宁夏大学 农学院，银川 750021；2.宁夏现代设施园艺工程技术研究中心，银川 750021；3.宁夏优势特色作物现代分子育种重点实验室，银川 750021；4.宁夏设施园艺(宁夏大学)技术创新中心，银川 750021； 5.宁夏巨丰种苗有限责任公司，银川 750021)

番茄(Solanumlycopersicum)又名西红柿，洋柿子，是茄科番茄属一年生或多年生草本植物，起源于南美洲。在南美西部安第斯山脉的狭长地带均有番茄野生种存在[1]。进行番茄种质资源的遗传多样性分类研究，可以了解番茄各种质的遗传及变异情况，为研究番茄起源、品种保护、亲本选配等方面提供依据，是保护和综合利用现有种质资源的重要基础[2]。番茄是严格的自花授粉植物，经过长期的驯化和选育，番茄的遗传背景逐渐变窄，因此，对于番茄种质资源的广泛收集和调查研究具有非常重要的意义[3]。He等[4]、Wang等[5]、Eshed等[6]在野生番茄栽培种的性状改良、产量的提高和分子育种方面取得了突破性进展。胡小荣等[2]、张永平等[7]、李晓蕾等[8]分别对番茄种质资源在基础研究、资源分类、育种研究等方面进行了理论分析和综述。邓红山等[9]、刘维侠等[10]对番茄种质资源的生物学性状进行观察和评价，筛选出果实商品性好、综合性状优良的材料，为后期番茄育种工作提供了借鉴。王晓静[11]、史艳艳等[12]、薛俊等[13]在番茄品质性状等方面进行了客观的评价和深入的研究。张静等[14]对番茄种质资源材料进行了遗传多样性和亲缘关系的分析。同时，主成分分析[15-16]、聚类分析[17-19]等统计方法的应用为研究种质资源奠定了基础。

迄今为止，对番茄种质资源遗传多样性的研究报道相对较多，但前人收集和研究的番茄种质资源材料丰富度方面已不能满足部分地区育种的需求，同时，对番茄种质资源表型鉴定的重要指标选择筛选总结较少，需要进一步完善和补充，以便更加全面准确地进行种质资源的评价。本研究对新收集的100份番茄种质资源材料进行形态特征、生物学特性以及品质特性等方面的统计学分析，筛选出相对覆盖全面的重要评价指标与优良的种质材料，为番茄种质资源的进一步研究及宁夏地区的番茄育种提供理论依据和工作基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料来源于宁夏大学农学院园林系蔬菜课题组和宁夏巨丰种苗有限责任公司2017年共同收集的100份番茄种质材料，编号依次为B1～B100。

1.2 试验方法

试验材料于2017年9月播种于宁夏回族自治区永宁县宁夏大学试验基地育苗温室，每份种质材料播种20株在72孔穴盘中进行育苗，待其长到5～6片真叶时选取大小均匀的幼苗15株，于11月20日定植于日光温室中。采用随机区组设计，半高垄双行栽植，垄高20 cm，畦宽70 cm，沟心距1.2 m，株距30 cm，常规温室管理。

1.3 观测项目及记录标准

在番茄生长发育时期(主要以二穗果成熟期和三穗果成熟期为主)，每个种质随机调查10株，共调查27个形态指标。其中数量性状采用具体测量法(主要仪器是MNT-150T游标卡尺、GT-4硬度、TD-45糖度计)，调查14个指标，分别是单花序果数、果柄长度、果实纵横径、果梗洼大小、果梗洼木栓化大小、单果质量、单果种子数、硬度、可溶性固形物质量分数、果肉厚、心室数、叶长和叶宽；质量性状采用直接观察法，调查13个指标，分别是花序类型、叶片状态、叶片颜色、叶片类型、叶片多少、叶片形状、生长势、熟性、果形、花梗离层、萼片形状、绿肩，用RHS Colour Chart色卡测定成熟果色。具体观测标准参照《番茄种质资源描述规范和数据标准》[20]。

1.4 数据统计与分析

本试验采用多元统计方法，用EXCEL 2010进行了数据处理,利用SPPS 20.0进行主成分分析。基于平均值和标准差对所有材料的每个性状进行10个等级的划分，每0.5σ为一级，σ为标准差，计算Shannon-Wiener多样性指数(H′)，其计算公式为:H′=-∑PiInPi(i=1，2，3，…)，其中Pi是某性状第i个级别的材料数占总材料数的百分比。在此基础上利用SAS 8.2软件进行聚类分析，绘制出树状聚类图。

2 结果与分析

2.1 表型性状遗传多样性分析

2.1.1 质量性状 对供试的100份种质资源材料的13个质量性状进行描述性统计分析，如表1所示，遗传多样性指数(H′)的变化范围为0.34～1.52。H′大于1.0的是花序类型、萼片形状、叶片类型、叶片多少和叶片状态，其中花序类型的H′最高，为1.52，频率分布主要以双歧花序为主，占67%，萼片形状和叶片类型的变异类型较为丰富，H′也相对较高，分别为1.07和1.01，萼片形状以微翘为主，50%的供试材料表现出复宽叶；叶片颜色以浅绿和黄绿为主，其分布频率分别为52%和45%，仅有3份种质资源为深绿色；成熟果色和果形的H′均在1.0以下，其中红色果实占主要部分，分布频率达到90%，9份种质材料为粉色，仅有1份为橘色；绿肩以有绿肩为主，果形主要以扁圆和圆形为主，分布频率分别为48%和45%；生长习性以无限生长为主，熟性以早熟和极早熟为主，仅有1份材料表现为晚熟，花梗离层H′最低，为0.34，主要表现为有离层，分布频率达到89%。

表1 番茄种质资源质量性状频率分布和多样性指数Table 1 Frequency distribution and diversity index of tomato germplasm quality traits

注：花梗离层：1 有、2 无；萼片形状：1平、2微翘、3微卷、4卷曲；绿肩：1有、2 无；成熟果色：1红色、2 粉色、3 橘色；熟性： 1 极早、2 早、3、中 4、晚；生长势：1 无、2 有；果型：1 扁圆、2圆形、3 桃形、4 高圆；叶片类型：1 普通叶2 薯叶型、3复宽叶、4 复细叶型；叶片形状：1 羽状复叶、2 二回羽状复叶；叶片多少1 多、2 中、3 少；叶片状态：1 直立、2 水平、3 下垂；叶片颜色：1 黄绿、2浅绿3 绿、4 深绿；花序类型：1单花、2单式花序、3双歧花序、4多歧花序。

Note: Pedicel detachment: 1 with, 2 no; sepal shape: 1 flat, 2 micro-warp, 3 micro-roll, 4 curl; green shoulder: 1 with, 2 no; mature fruit: 1 red, 2 pink, 3 orange color; maturity: 1 very early, 2 early, 3, medium 4, late; growth potential: 1 no, 2 yes; fruit type: 1 oblate, 2 round, 3 peach, 4 high round; leaf type:1 common leaves 2 potato leaf type, 3 complex broad leaves, 4 complex fine leaf type; leaf shape: 1 pinnate compound leaf, 2 two-pinnate compound leaf; leaf number; 1many, 2 medium, 3 less; leaf state: 1 erection, 2 horizontal, 3 drooping; leaf color: 1 yellow green, 2 light green 3 green, 4 dark green; inflorescence type: 1 single flower; 2 single inflorescence; 3 bifid inflorescence; 4 polymorphism inflorescence.

2.1.2 数量性状 对供试的100份番茄种质材料的14个数量性状进行描述统计学分析，结果见表2。

表2 番茄种质资源数量性状遗传多样性分析Table 2 Genetic diversity analysis of quantitative characters of tomato germplasm resources

变异系数为11.58%～46.92%，遗传多样性指数(H′)为1.84～2.06。在品质性状中，可溶性固形物质量分数和果实硬度表现出较大程度的变异，变异系数分别为46.92%和33.85%，遗传多样性指数也相对较高。对果实产量指标的分析可知，单花序果数、单果质量和单果种子数中，单果种子数H′最大，为2.06，变异系数为32.38%，单花序果数H′最小，为1.84，变异系数为22.81%。果实纵径、横径和果梗洼大小都属于衡量果实外观的主要指标，其中果梗洼大小的H′最大，为2.06，果实横径的变异系数最小，为11.58%。心室数、果柄长度、果肉厚、叶宽的变异系数均为20%～30%，叶长的变异系数较小，为17.42%。

通过对质量性状和数量性状的统计分析结果表明，各性状指标的变异系数表现出不同程度的差异，其中果实品质性状、果实外观形态指标和植株形态性状的变异类型较为丰富。不同性状在不同材料之间表现出不同程度的多样性。

2.2 主成分分析

为了能够更加充分地反映出番茄种质资源各性状间起主导作用的综合指标，对番茄种质资源调查的27个表型性状进行主成分分析，其结果(表3)显示，9个主成分的特征值都在1.0以上，提取的前9个主成分累积贡献率达到为67.727%，基本能够反映全部指标的大部分信息。

第一主成分特征值最大，为4.727，贡献率为17.507%。绝对值较高的农艺性状有果实横径、果梗洼木栓化大小、单果质量、硬度、果肉厚、叶长和叶宽，其特征向量分别为0.623、0.713、0.551、0.547、0.706、0.697和0.718，这些性状主要反映植株的叶片生长状态、外观形态、产量和品质。

表3 100份番茄种质资源27个农艺性状的主成分分析Table 3 100 principal components analysis of 27 agronomic characters of tomato germplasm resources

第二主成分特征值为2.956，贡献率为10.95%，载荷较高且为正的农艺性状有心室数、果梗洼大小、果实横径，特征向量值分别为0.742、0.756、0.540，这些性状主要与果实的外观形态有关，载荷负向较高的是单花序果数和果形，特征向量分别为-0.621和-0.482，说明在第二主成分中，单花序果数和果形制约果实的外观变化。

第三主成分特征向量正向较高的性状有生长势、果形，特征向量分别为0.505、0.532，这些性状主要与果实外观和番茄长势有关。第四主成分中特征向量正向较高的性状为叶片类型和花序类型，说明这一主成分主要与花和叶片有关。第五主成分累积贡献率为49.145%，特征向量较高为正的性状是熟性和成熟果色，主要与果实特性有关。第六主成分中可溶性固形物质量分数的特征向量最大，主要反映果实的品质特性。第七主成分累积贡献率达到59.777%，绿肩、成熟果色和叶片状态的特征向量最大，主要反映果实的外观形态。

综合分析，从各主成分中筛选出果实纵径、横径、叶长、叶宽、果肉厚、单果质量、果梗洼大小、果梗洼木栓化大小、单花序果数、果形、心室数、生长势、叶片类型、叶片状态、熟性、萼片形状、成熟果色、可溶性固形物质量分数、硬度、绿肩和花序类型共21个表型重要指标，对番茄种质资源的评价和创新育种具有一定的参考价值。

2.3 聚类分析

对收集的100份番茄种质资源材料的27个性状进行聚类分析，研究材料亲缘关系的远近。在遗传距离为0.91处将其划分为Ⅴ大类群，结果见图1。

图1 番茄种质资源聚类树状图Fig.1 Clustering dendrogram of tomato germplasm resources

第Ⅰ类群共59份材料，其中单花序果数、硬度、可溶性固形物质量分数和单果质量等性状值在V大类群中介于中间水平，此群材料主要以大果番茄为主，果形为圆形，熟性以早熟为主，叶片类型为普叶型，这类材料可以在番茄品质改良和育种生产中进一步充分利用。

第Ⅱ类群共12份材料，主要为小果番茄，果形以圆形为主，硬度较大，而果实硬度是反映番茄耐贮藏特性的重要指标，可溶性固形物质量分数较高、单果质量较小、果梗洼木栓化程度低、单果种子数较少，果柄较短、萼片形状为微翘、叶片形状以二回羽状复叶为主、熟性表现为早熟和极早熟。此类群可以作为培育高品质及耐贮藏的番茄育种材料，其中编号为B3和B26的材料性状最为突出，可以作为优良种质。

第Ⅲ类群共有6份材料，其主要特征是单花序果数较多、果梗洼较大、可溶性固形物质量分数较高、单果质量适中、硬度较小，其中单花序果数是反映番茄产量的重要指标。果形以扁圆为主，熟性为早熟和极早熟，生长习性为无限，无绿肩，成熟果色为红色。这一类群的材料在今后育种工作中稍加改良，可以作为培育早熟性商品果的重要材料。

第Ⅳ类群包括22份材料，单果质量较高、果梗洼较大、果肉较厚、单果种子数最大、果实横径较大、心室数较多、可溶性固形物质量分数较高，果形以圆形为主，这一类群的多数性状与其他类群相比，整体性状指标表现良好，可以为今后选育不同利用价值的番茄品种提供宝贵材料,筛选出性状值较高的材料有B34、B58和B92号。

第V类群仅1份材料，在研究该材料植株叶片的相关性状和生长类型的基础上，综合所有调查性状值分析可知，B97号材料综合表现稳定、品质性状与产量性状均表现出较高水平，植株生长旺盛，长势较好，属于优良的种质资源。

3 讨 论

植物表型多样性是遗传多样性与环境多样性的综合体现，对表型性状的研究可以从整体上了解研究对象的多样性程度[21-23]。本研究对供试材料的27个表型性状进行遗传多样性分析，H′的变化范围为0.34～2.06，表明供试的番茄种质资源存在广泛的遗传多样性，其中多样性指数最高的是单果种子数和果梗洼大小，商品果纵横径、果梗洼大小、可溶性固形物质量分数、硬度等的遗传多样性指数都在2.0以上，研究结果进一步证实芮文婧等[22]和李春桥等[23]前人研究结论。同时发现，表型遗传多样性分析结果表明供试材料的果实品质性状、果实外观形态指标和植株形态性状的变异类型较为丰富，其中，萼片形状、成熟果色、果实形状的变异类型最为丰富，为后期选育不同育种目标提供理论基础和方向。果实产量的指标中单花序果数的遗传多样性指数最小、变异系数最小，这与前人研究存在差异，这可能与材料来源、种植茬口和地理环境有关。

主成分分析将作物多个主要农艺指标转化为较少的几个主成分，且是综合的、相对独立的指标体系，数值直观，容易分析[18]。周蓉等[24]对番茄表型性状进行分析研究，归纳出花果数、生育期、营养、植株形态因和果形因子5个因子作为考核指标。本研究利用主成分分析法提取的前9个主成分累积贡献率达到67.27%，从中筛选的果实纵横径、果实形状、成熟果色、可溶性固形物质量分数、叶长、叶宽、生长势和熟性等21个性状指标是评价番茄表型遗传多样性的重要指标。研究发现，在第一主成分中果实形态因子与植株形态因子呈现相互促进的关系，这为选育观赏性番茄品种提供了基本的理论依据。在第三主成分与第五、八、九主成分中，番茄植株的生长势和产量因子之间既有正向关系也有负向关系，因此在番茄高产育种工作中也应该适度把握植株的生长状态和生长势，根据地理环境、种植模式的不同，综合考虑施肥状况等因素。

本研究通过聚类分析将供试材料化分为Ⅴ大类群，共筛选出表现突出的种质材料6份。研究发现，其中第Ⅰ类群主要是与品质相关的性状值较高，果形较好，可以作为培育高品质番茄的种质材料；第Ⅱ类群属于小果番茄，其中果实硬度平均值最高，是培育耐贮藏性番茄品种的种质材料；第Ⅲ类群材料果形、成熟果色的变异类型丰富，遗传改良的潜力较大；第Ⅳ类群各项重要指标均有较高表现水平，今后在育种过程中可以根据不同的育种目标进行筛选；第V类群的B97号属于宝贵的种质资源。聚类分析结果为选育出适合不同利用价值的番茄品种提供优化的种质材料[22]，提高了育种的效率，加速了育种的进程。但是，金凤媚等[25]在番茄遗传资源的聚类分析研究中发现，表型聚类和分子标记聚类结果有部分差异，可能是由于表型聚类受到季节限制和环境影响造成。所以，今后要在表型聚类的基础上利用分子标记聚类方法进行科学深入的研究。

在番茄育种工作中，选配材料可以依据主成分的排序，并结合聚类分析结果，合理选配组合[19]。必须要提到的是，不同的生态环境和种植模式对番茄的表型性状有较大影响[11]，并不能够十分准确和严谨地反应遗传信息。因此，在研究番茄种质资源表型多样性的基础上，结合现代分子生物学、细胞生物学研究方法，与常规方法相结合，为番茄遗传育种提供可靠、准确和科学的依据。