红花种质资源表型多样性分析

2019-07-23王沛琦胡学礼李雪蓉胡尊红杨谨郭丽芬刘旭云

热带作物学报 2019年6期

王沛琦胡学礼李雪蓉胡尊红杨谨郭丽芬刘旭云

摘要以来自国内外的312份红花种质为材料，采用主成分分析与聚类分析，对6个主要表型性状进行多样性分析。结果表明：红花种质资源主要表型性状的遗传变异丰富。顶果球着粒数的多样性指数最高，其次是果球直径;单株种子产量的变异系数最大，其次是单株有效果球数。主成分分析表明，前3个主成分累计贡献率达78.30%，反映了6个性状的大部分信息。基于各种质间6个性状的差异，对312份红花种质进行聚类并划分为7大类群，第Ⅰ类群果球大、顶果球着粒数多，具有增产潜力;第Ⅲ类群综合表现最好，可作为高产育种材料;第Ⅵ类群籽粒大，可作为大粒型选育亲本;其余类群表现一般。该结果可为红花的有效利用及新品种选育提供科学依据。

关键词红花;种质资源;表型性状;遗传多样性

中图分类号 S32 文献标识码 A

Abstract The phenotypic diversity of 6 major phenotypic traits was analyzed by principal component analysis and cluster analysis for 312 safflower germplasm resources from domestic and overseas. The results revealed that the genetic diversity of the major phenotypic traits in Safflower resources was abundant. The diversity index of the number of seeds in the top fruit was the highest， followed by the diameter of top fruit. The coefficient variation of the yield per plant was the highest， followed by the effective number of fruits per plant. The principal components analysis of 6 traits showed the first three principal components accounted for 78.30% accumulation contribution rate， reflecting most of the information of 6 traits. Based on the phenotypic difference of the 6 agronomic traits， the 312 safflower germplasm resources were divided into 7 groups. The resources of the first group had the largest fruits ball and seed number of top fruits， which had the potential for increasing yield. The third group had the best comprehensive performance and could be used as the material for high-yield breeding. The sixth group had large grains which could be used as the large-grain selection parent. The performance of other groups was average. This study would provide a scientific information for the effective utilization and breeding of safflower germplasm resources.

Keywords safflower （Carthamus tinctorius L.）; germplasm resources; phenotypic traits; genetic diversity

DOI 10.3969/j.issn.1000-2561.2019.06.010

紅花（Carthamus tinctorius L.）别名刺红花、红兰花及草红花，属于菊科（Compositae）红花属（ Carthamus）的一种一年生草本双子叶植物，其花色为红色、黄色、白色、橘黄或者橘红。红花原产于大西洋的东部、非洲西北部的加那利群岛及地中海沿岸[1-2]，目前在我国已有两千多年的栽培历史，主要分布在新疆、云南、河南、山东、四川等地。红花花瓣主要用于提取红色素与黄色素，红花籽用来榨油，红花籽油中亚油酸含量高达85%，被称为“亚油酸之王”[3-6]。

种质资源的研究是一项基础性工作，新品种的成功选育及应用，与优异种质资源的收集和研究有很大相关性。对红花种质资源表型多样性进行分析，不仅有利于红花种质资源的保存、优异红花种质资源的挖掘，而且对红花新品种选育及种质创新具有重要意义。目前，国内许多学者已经对红花种质资源多样性进行过研究，如郭丽芬等[7]利用12个表型性状对云南本地36份红花种质进行多样性分析，许兰杰等[8]利用12个表型性状对河南本地150份红花种质进行综合评价等。这些学者对红花表型性状的多样性分析多为本地区调查，而且研究规模较小，缺乏对国内外不同地区大批量的红花种质资源的研究。

主成分分析及聚类分析是在遗传育种及种质资源研究中普遍采用的方法，他已在豌豆[9]、油菜[10]、鹰嘴豆[11]、燕麦[12]、小麦[13]等种质资源分析中得到广泛应用，通过这2种分析可以获得不同育种目标的优异种质。本研究利用来自中国的211份以及来自国外的101份红花种质为材料，以多样性指数、主成分分析和聚类分析等方法相结合，综合分析评估国内外红花种质资源表型多样性，依据实际生产需要筛选优异种质，同时为我国红花种质资源的收集、保存和应用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

以收集到的312份红花资源为材料，其中来自中国的有211份，来自国外的有101份，对其6个表型性状进行考察。供试材料来源及种质数目见表1。

1.2 试验地概况

参试种质材料于2016—2017年种植于元谋县南繁基地内（东经101°52'51.57"，北纬25°43'55.67"），海拔1114 m。年平均气温21.9 ℃，年平均降雨量611.3 mm，年蒸发量高达3627 mm，干旱少雨。试验地土壤肥力中等，土质为沙壤土。

1.3 试验设计及性状调查

每个材料播种4行，行长1.5 m，行距40 cm，间苗时每行留苗总数为8株，撒播，常规栽培管理。果实成熟收获时，按照《红花种质资源描述规范和数据标准》[13]的要求进行性状调查，每小区随机抽取5株进行调查，分别测量株高、单株有效果球数、顶果球着粒数、果球直径、百粒重、单株种子产量等表型性状。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2007软件计算性状的平均值（X）、标准差（s）以及变异系数（CV，%），根据平均值（X）和标准差（s）对所有性状进行10级分类，第一级为Xi<（X-2s），中间每1级增加0.5 s，直到第10级为Xi>（X+2s）。计算每一级的相对频率（Pi），进而用Pi计算各性状的多样性指数。多样性指数采用Shannon-Wiener index指数（H'），其计算公式如下：

公式中n为某一性状表型级别的数目，Pi为每一级相对频率（某性状第i级别内包含材料数占总材料数的百分比）。

应用SPSS 20.0软件进行相关性分析、主成分分析及聚类分析，聚类分析时先将数据进行标准化处理，聚类方法为Ward法，遗传距离为欧氏距离。

2 结果与分析

2.1 红花种质资源农艺性状的表型多样性分析

对收集到的312份红花种质的6个农艺性状进行统计分析表明，各性状在不同红花种质间差异明显，说明这些性状变异丰富（表2）。

6个农艺性状平均的变异系数为31.62%。其中单株种子产量的变异系数最高（52.93%），变异幅度为3～115.33 g;果球直径的变异系数最低（11.59%），变异幅度为1.59～3.19 cm。变异系数大小的排序为：单株种子产量>单株有效果球数>顶果球着粒数>百粒重>株高>果球直径，说明果球直径、株高以及百粒重一致性较好，变异不大;顶果球着粒数、有效果球数以及种子产量变异范围大。6个农艺性状的平均多样性指数为2.004，其中顶果球着粒数的多样性指数最高（2.052），单株种子产量的最低（1.916），两者相差0.136。遗传多样性指数的排序为：顶果球着粒数>果球直径>株高>单株有效果球数>百粒重>单株种子产量，说明顶果球着粒数、果球直径以及株高的多样性更丰富。

2.2 红花种质资源表型性状的相关性分析

相关分析结果表明，株高与顶果球着粒数、果球直径呈极显著正相关（P<0.01），与单株种子产量呈显著正相关（P<0.05）;单株有效果球数与单株种子产量呈极显著正相关，且相关系数最大;顶果球着粒数与果球直径、单株种子产量呈极显著正相关，与百粒重呈极显著负相关;果球直径与单株种子产量呈极显著正相关;百粒重与单株种子产量呈显著正相关（表3）。以上结果表明，随着单株有效果球数、顶果球着粒数、果球直径的增加，产量也会有所提高。但各表型性状间存在相互影响及相互制约，在选育时要注意平衡，以达到最佳效果。

2.3 红花种质资源农艺性状的主成分分析

主成分分析结果表明，前3个主成分包含了6个性状的大部分信息，其贡献率分别为34.06%、26.02%和18.21%，累计贡献率达78.30%（表4）。从表4可以看出，第一主成分载荷最高的为顶果球着粒数，其次为单株种子产量、果球直徑，主要反映果球大小。第二主成分载荷最高的为单株有效果球数及单株种子产量，主要反映种质种子产量。第三主成分载荷最高的为百粒重，其次为果球直径，主要反映种质籽粒大小。前3个主成分包括的株高、单株有效果球数、顶果球着粒数是造成红花种质资源表型差异的主要因素，也是评价红花种质的主要表型指标。

2.4 聚类分析

采用SPSS 20.0软件，根据6个表型性状在312份红花种质间的不同表现，在欧式距离为5的位置将各参试材料分为7大类群，每个类群的均值及变异系数见表5。

第Ⅰ类群包括20份材料，其主要特征是株高在7个类群中最高（159.80），变异系数较低（10.19%），顶果球着粒数（46.75）、果球直径（2.73）也最高，单株种子产量在7个类群中位居第2、变异系数较低。综合来看，该类群果球大、顶果球着粒数多，具有增产潜力，包括中国云南8份，中国新疆7份，阿富汗2份，印度、葡萄牙以及伊朗各1份。

第Ⅱ类群包括49份材料，其主要特征是株高（150.63）适中;果球直径（2.64）较大;单株有效果球数（24.57）在7个类群中最低;单株种子产量（33.77）在7个类群中倒数第3。该类群总体上表现一般。包括中国云南17份，中国新疆9份，中国山东、四川、河南、江苏及安徽各1份;伊朗、印度各4份，土耳其3份，埃及、苏联各2份，苏丹、西班牙以及美国各1份。

第Ⅲ类群包括30份材料，其主要特征是株高（148.91）适中;单株有效果球数（66.53）、单株种子产量（84.06）在7个类群中均最高，这2个性状的变异系数在7个类群中均较低，分别为22.85%、19.11%;百粒重（5.50）、顶果球着粒数（28.13）较高。该类资源表现最好，可作为高产育种的材料。包括中国云南8份，中国新疆7份，中国河北、江苏各1份;葡萄牙5份，澳大利亚、伊朗各2份，荷兰、以色列、埃及及苏联各1份。

第Ⅳ类群包括55份材料，其主要特征是株高（153.93）稍高;单株有效果球数（56.33）在7个类群中排第2;果球较小，百粒重轻;单株种子产量（53.23）在7个类群中排第3。该类群表现一般。包括中國云南14份，中国新疆11份，中国山东3份，中国河北、四川2份，中国陕西、河南、江苏1份;土耳其7份，伊朗4份，埃及、葡萄牙2份，约旦、荷兰、阿富汗、印度及巴基斯坦各1份。

第Ⅴ类群包括41份材料，其主要特征是株高（110.79）在7个类群中最低、变异系数（19.08%）最大;顶果球着粒数（17.05）在7个类群中最少;单株种子产量（28.45）倒数第2。该类群表现较差，丰产性一般，但其株型较矮，可以用于筛选携带矮秆基因的品种。包括中国云南19份，中国新疆5份，中国河北、河南、江苏各1份;印度3份，葡萄牙、伊朗、巴基斯坦各2份，土耳其、阿富汗、苏联、埃及、摩洛哥各1份。

第Ⅵ类群包括38份材料，其主要特征是株高（137.41）适中、变异系数（10.14%）最小;百粒重（5.64）在7个类群中最大、变异系数（13.10%）最小;单株种子产量（43.76）一般。该类群可以依据育种目标作为大粒杂交亲本加以利用。包括中国云南16份，中国新疆7份，中国甘肃、山东各1份;美国、埃及、以色列、葡萄牙各2份，匈牙利、西班牙、阿尔及利亚、约旦、印度各1份。

第Ⅶ类群包括79份材料，其主要特征是株高（153.71）较高;单株有效果球数（27.06）、顶果球着粒数（23.32）及百粒重（4.27）在7个类群中都是倒数第2，变异系数均较高，分别为37.98%、32.78%及17.49%;单株种子产量（24.94）在7个类群中最低，变异系数较高，为43.44%。该类群属于小粒型籽粒，产量最低，表现最差。包括中国云南27份，中国新疆12份，中国山东6份，中国河南5份，中国河北4份，中国安徽3份，中国宁夏、甘肃、江苏、黑龙江各1份;埃及5份，印度4份，土耳其2份，巴基斯坦、葡萄牙、苏联、墨西哥、美国、约旦、叙利亚各1份。

3 讨论

丰富的种质资源是现代育种的物质基础，种质资源多样性的高低与其有效利用有直接关系。表型性状的鉴定以及描述是研究种质资源最基本的方法和途径[14]。通过对来自中国的211份以及来自国外的101份红花资源的6个表型性状的多样性进行分析，结果表明除果球直径外，其余5个主要表型性状的变异系数均在15%以上，变异范围为16.28%～52.93%;多样性指数均在1.9以上。本研究结果与刘金等[15]、郭丽芬等[16]研究结果基本一致，红花种质多样性指数最高的均为顶果球着粒数。这些种质资源表型性状变异丰富，类型广泛，对其充分利用可以有效的拓宽红花新品种选育的遗传背景，同时也可为不同的育种目标提供丰富的种质材料。相关分析表明，红花种质资源表型性状间存在不同程度的相关性。可以将单株有效果球数、顶果球着粒数、果球直径作为选育高产红花新品种的主要目标性状，同时也要注意这些性状与其他性状的协调性。

应用主成分分析将红花种质资源6个表型性状转化为3个主成分，这3个主成分代表了性状78.30%的信息，且各主成分包含的性状信息具有一定的相关性。根据各主成分特征向量值的大小可以看出，因子1和因子2代表的性状与产量之间有直接的关系;因子3主要反映种子大小，与产量之间有间接的关系。因此，在对红花种质资源进行初步筛选时可以把这些因子作为评价标准[17]。聚类分析将312份红花种质资源的6个表型性状划分为7大类群，性状相近的聚为一类，各类群之间在各性状上表现出明显的差异性及互补性。其中类群Ⅲ属于高产、优质、适应性强的品系，可作为高产育种的亲本材料进行重点利用。通过对各个类群进行分析，发现同一类群中包含了来源于不同国家的种质资源，这表明不同来源的种质资源有比较宽的遗传基础，聚类分析的结果与种质资源的来源没有明显的相关性，这与万述伟等[9]和王丽侠等[18]在绿豆上的研究结果一致。通过对红花种质资源多样性的综合分析，红花种质资源多样性较丰富，一些优良种质经系统选育后可直接进行利用。

本研究主要对312份红花种质资源的6个农艺性状进行了多样性、相关性、主成分及聚类分析与评价，但农艺性状容易受到自然环境以及栽培因素的影响，因此单一从表型性状上研究多样性具有局限性，不能全面了解种质资源的遗传背景[19]。随着生物技术的发展，分子育种成为作物遗传改良的重要手段[20]，在表型多样性分析的基础上结合分子标记技术进行遗传多样性评价是今后研究的重要方向。

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