不同熟性菜心品质性状的多样性分析

卢宇鹏，夏岩石，温少波，李荣华，李光光，张 华，郭培国

（1.广州大学生命科学学院作物抗逆国际合作研究中心，广东 广州 510006；2.广州市农业科学研究院，广东 广州 510308）

【研究意义】菜心（Brassica campestrisL.ssp.chinensisvar.utilisTsen et Lee），别名菜薹，起源于我国华南地区，主要由白菜类中易抽薹类型经长期选育而成，因其鲜绿脆嫩、风味独特，深受华南地区人们的喜爱［1］。进行菜心种质资源遗传多样性的研究，可充分了解菜心各种质材料的遗传变异，有利于菜心种质资源的合理保存及优异菜心种质资源的挖掘与创新。【前人研究进展】分子标记基因型分析是作物种质资源多样性评估和优异种质挖掘的重要手段［2］。近年来，研究人员利用SRAP、SCOT、MFLP和SSR等分子标记对部分菜心种质资源进行了基因分型，结果发现菜心种质资源遗传多样性较低、亲缘关系较近［3-6］，这可能是由于菜心栽培区域的局限及长期的系统选育产生的结果。现阶段，菜心种质资源的广泛收集和调查研究显得尤为重要。利用形态学标记和生化指标进行种质资源评价，是最基本、最直观的研究方法，可以从整体上了解研究对象的多样性程度，挖掘更加广泛的基因资源［7］。近年来，利用形态标记和生化指标对菜心种质材料进行筛选得到了广泛应用。佘旭东等［8］通过比较15个早熟菜心在夏秋季的表型，初步筛选了菜心早熟耐热种质材料；宋世威等［9］采用系统聚类法对41份菜心品种的生物学和品质性状进行了聚类分析，发现各品种在熟性和品质等方面存在明显差异，提出了根据生产目标选择适宜品种的建议；钟玉娟等［10］和原远等［11］通过系统聚类和主成分分析，分别探讨了44个和23个菜薹材料营养品质的多样性，发现了综合营养品质较佳的菜心品种；史卫东等［7］选用27份菜心种质资源，利用主成分分析和聚类分析评价了菜心表型性状的多样性，获得了比较优异的种质资源。由于选用种质资源数量的限制，前人对菜心多样性信息的反映及特异性状资源的筛选仍然不足，而在油菜［12］、萝卜［13］、大麦［14］、番茄［15］等作物表型多样性的研究中，通过大样本群体在揭示各作物的表型变异规律和分类方面取得了有价值的结果。【本研究切入点】为更加全面准确地进行种质资源的评价，本研究收集了120份菜心种质材料，扩大了菜心种质资源的丰富度，以品质性状为切入点，进行大群体的变异分析、主成分分析和聚类分析。【拟解决的关键问题】通过对菜心群体品质性状的多样性分析，以期筛选出性状优良的菜心种质材料，为菜心种质资源的进一步研究及培育优质菜心品种提供一定的理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试的120份菜心种质材料由广州市农业科学研究院蔬菜研究所提供，编号依次为C001～C120，其中早熟型材料47份、中熟型材料48份、晚熟型材料25份（表1）。所有菜心种质材料于2018年10月24日种植于广州市农业科学研究院农产品栽培示范基地。采用随机区组设计，每份种质材料种植1个小区，小区面积1.44 m2，小区长1.2 m、宽1.2 m，常规田间管理。

1.2 菜心品质性状的检测

于菜心生长至“齐口花”采收期，每份种质材料选取有代表性的植株5株采摘菜薹，参考张华等［16］的菜薹品质评价指标，选择叶绿素含量（SPAD）、开展度、最大叶长、最大叶宽、最大叶柄长、薹高、薹粗和叶形等8个性状进行外观品质评价。其中，SPAD值的测定参考蔡东芳等［18］方法，使用日产SPAD-502型叶绿素计测定叶缘部的SPAD值，每片叶测量3次取平均值；叶形评价参考黄祖梅等［17］方法，计算叶长与叶宽的比值来反映菜薹叶片的细长程度；开展度、最大叶长、最大叶宽、最大叶柄长、薹高、薹粗的测定参照李荣华等［19］方法。同时，选择可溶性蛋白含量和硝酸盐含量两个性状为代表进行营养品质评价，可溶性蛋白含量按SN/T 2497.20—2010中的Bradford法测定，硝酸盐含量按GB5009.33—2016中的紫外分光光度法测定。

表1 供试菜心种质材料的叶色和熟性Table 1 Leaf color and maturity of the Chinese flowering cabbage accessions used in the study

1.3 数据分析

利用Microsoft Excel 2007对检测数据进行整理和分析，利用SPSS 19.0对120个菜心的10个品质性状进行主成分分析。将菜心品质性状的数值进行标准化转换（Z得分），采用系统聚类Ward法对120份菜心种质材料进行聚类分析，用平方欧式距离绘制聚类结果树状图。

2 结果与分析

2.1 120份菜心品质性状的多样性分析

从表2可以看出，同一栽培条件下，120份菜心种质的品质存在较大变异，变异系数在11.17% ～ 42.76%之间，其中最大叶柄长变异系数最大，变异幅度为4.33 ～ 27.00 cm；SPAD值变异系数最小，变异幅度为27.77 ～ 57.47，其他品质性状变异系数表现为硝酸盐含量（35.67%）＞薹高（31.89%）＞ 可溶性蛋白含量（28.58%）＞ 薹粗（26.51%）＞ 最大叶宽（21.88%）＞ 最大叶长（20.11%）＞ 叶形（16.08%）＞ 开展度（15.42%）。叶绿素含量、开展度、薹粗和硝酸盐含量等4个品质性状的偏度值都较小（＜0.5），表明以上4个品质性状在群体材料中呈较明显的正态分布；而最大叶柄长和薹高的偏度值大于1、分别为1.63和1.20，表明其正态分布呈较大的右偏离，低于平均值的菜心种质材料较多。

2.2 不同熟性菜心的品质性状比较

根据熟性特征，120份菜心种质材料分为早熟、中熟和晚熟等3种类型，不同熟性菜心的品质存在一定差异（表3）。早熟菜心的叶绿素含量、叶形和硝酸盐含量数值最大，但与中晚熟型菜心群体间没有显著差异；开展度、最大叶长、叶宽、最大叶柄长、薹高、薹粗和可溶性蛋白含量等7个指标的数值最小，而晚熟型菜心最大，两者之间的差异均达到显著水平。中熟型菜心的硝酸盐含量最低，其他品质性状都处于中间水平，其中最大叶宽、最大叶柄长和薹粗等3个指标与早熟、晚熟型菜心之间均存在显著差异。

表2 120份菜心品质性状多样性分析Table 2 Variation characteristics of quality traits in 120 Chinese flowering cabbages

2.3 120份菜心品质性状的主成分分析

利用主成分分析法可将菜心10个品质性状转化为3个主成分（表4），其特征值分别为3.879、1.464和1.122，均大于1，各个主成分的方差贡献率分别为48.484%、18.299%和14.030%，其累积贡献率达到80.813%，说明3个主成分能代表菜心品质性状的大部分信息。第1主成分包含菜心的绝大部分品质性状，其中最大叶长的特征值最大；其次为最大叶柄长和最大叶宽；薹高、薹粗和开展度的特征值相似；可溶性蛋白含量和硝酸盐含量的特征值较小；SPAD的特征向量值最小，为负值。第2主成分和第3主成分主要反映菜心的叶形和叶绿素含量两个品质性状。说明10个菜心品质性状中，虽然营养品质和薹茎品质性状有一定程度的变异，但主要变异来源于菜心叶片的品质性状，可选最大叶长、最大叶宽、最大叶柄长、叶形和叶绿素含量等5个性状作为代表性指标。

2.4 120份菜心基于品质性状的聚类分析

利用SPSS 19.0软件处理数据，基于10个品质性状对120份菜心种质材料进行聚类，在平方欧式距离为15.0处（L1）可将供试材料分为两大类群（图1），即Ⅰ大类和Ⅱ大类；在平方欧式距离为4.0处（L2），第Ⅰ大类可分为Ⅰ-Ⅰ和Ⅰ-Ⅱ两个亚类，第Ⅱ大类可分为Ⅱ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅱ-Ⅲ和Ⅱ-Ⅳ等4个亚类。

表4 120份菜心品质性状主成分分析Table 4 Principal component analysis of quality traits in 120 Chinese flowering cabbages

图1 120份菜心基于品质性状的聚类树形图Fig. 1 Dendrogram for 120 Chinese flowering cabbages based on stalk quality traits

第Ⅰ大类包含55份菜心材料，其中早熟型43份、中熟型11份、晚熟型仅1份。与第Ⅱ大类相比，第Ⅰ大类菜薹的开展度、最大叶长、最大叶宽、最大叶柄长、薹高、薹粗和可溶性蛋白含量等7个指标的数值都较小，而叶绿素含量、叶形和硝酸盐含量等3个指标的数值较大（表5），说明第Ⅰ大类菜薹的叶色较深、叶形细长、株型紧凑，但营养品质偏低；其中Ⅰ-Ⅰ亚类比Ⅰ-Ⅱ亚类的叶色浅，营养品质较好，其他性状指标两者相近。

第Ⅱ大类包含65份菜心材料，其中中熟型38份、晚熟型23份、早熟型4份。Ⅱ-Ⅰ亚类均为中晚熟型材料，菜薹的叶绿素含量最小，开展度、最大叶长、最大叶宽、最大叶柄长、薹高和薹粗等6个指标的数值最大，可溶性蛋白含量和硝酸盐含量均达到较优水平；Ⅱ-Ⅱ亚类主要为中熟型材料，菜薹的可溶性蛋白含量和硝酸盐含量均最低，其他品质性状也最符合优质商品菜心的一般要求；Ⅱ-Ⅲ亚类包含早、中、晚3种类型的菜心，其叶色较浅，叶形数值最小，硝酸盐含量最高，其他外观品质性状与Ⅱ-Ⅳ亚类比较接近。

表5 不同类群菜心品质性状特征Table 5 Characteristics of quality traits in Chinese flowering cabbages of different groups

3 讨论

系统研究菜心品质性状的多样性对菜心遗传育种具有十分重要的意义。本研究显示120份菜心种质的10个品质性状存在较大变异，变异系数在11.17% ～ 42.76%之间，其中最大叶柄长变异系数最大，叶绿素含量变异系数最小。这一结果与前人研究有些不同，如徐显亮等［20］发现16份菜心材料中叶柄长的变异系数仅为19.48%，而史卫东等［7］发现27份菜心材料中薹粗的变异系数最大（67.18%），这可能是由于试验材料的数量和来源不同导致。硝酸盐和可溶性蛋白含量的变异系数与钟玉娟等［10］研究结果基本一致，硝酸盐含量的变异系数较大。早、中、晚3类不同熟性菜心材料中，早熟型菜心的叶绿素含量、叶形和硝酸盐含量的数值最大，而开展度、最大叶长、叶宽、叶柄长、薹高、薹粗和可溶性蛋白含量等7个指标的数值显著小于晚熟型菜心；中熟型菜心的硝酸盐含量为最低水平，其所有性状都为中间水平，非常符合优质菜心商品性状的一般要求［16］。徐显亮等［20］、钟玉娟等［10］研究结果也显示，早熟型菜心株型矮小、营养品质较差，晚熟型菜心株型高大、营养品质较好。

主成分分析将作物多个主要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［21］。史卫东等［7］对27份菜心种质资源的分析研究显示，绝大部分表型可由主薹因子和叶片因子来表示；原远等［11］研究表明，菜心品种营养品质的主要影响因子是甜度因子和酸度因子。本研究利用主成分分析法提取的3个主成分累计贡献率达到80.813%，同时发现最大叶长、叶宽、叶柄长、叶形和叶绿素含量等5个反映叶片性状的指标可作为评价菜薹品质性状的重要指标，可溶性蛋白质含量和硝酸盐含量等两个营养指标的贡献率都不大，因此在菜心高品质育种工作中可首选菜薹的叶片性状作为筛选指标，再综合考虑其他性状。

系统聚类分析在揭示个体间关系时能提供丰富的信息，被广泛应用于物种内种质资源亲缘关系的研究和分类，针对不同类群材料的特点，在实际生产中可将其作为改良某一性状的材料加以利用［22］。在萝卜［13］、大麦［14］、番茄［15］、大豆［22］等作物中，通过系统聚类分析筛选到优异性状的种质资源，为后续种质创新和新品种的研发提供了资源保障。基于菜薹的10个品质性状可将120份菜心种质材料划分为2个大类和6个亚类，类群的划分与菜心熟性显著相关，第Ⅰ大类主要为早熟材料，第Ⅱ大类主要为中晚熟材料。第Ⅰ大类中，Ⅰ-Ⅰ和Ⅰ-Ⅱ两个亚类整体都表现为株型矮小的特点，其中Ⅰ-Ⅰ亚类的硝酸盐含量低、可溶性蛋白含量高，适合作为高品质矮株型菜心品种的选育材料。第Ⅱ大类中，Ⅱ-Ⅰ亚类是株型特征最大的亚类，可溶性蛋白含量和硝酸盐含量等两个指标也都达到较优水平，这类菜心材料拥有强大的创新育种潜力；Ⅱ-Ⅱ亚类的可溶性蛋白含量和硝酸盐含量都最低，其他品质性状也最符合优质商品菜心的一般要求，这类菜心材料容易向外推广，可作为培育高品质菜心的种质材料。聚类分析结果可为选育适合不同利用价值的菜心品种提供优化的种质材料，可提高育种效率，加速育种进程。由于不同的生态环境和种植模式对菜心的表型性状有较大影响，并不能十分准确和严谨地反映遗传信息。因此，在控制试验条件和扩大样本量的基础上，分析菜心种质资源表型多样性，并结合先进的分子标记技术［6］，对试验结果进行更加具体的分析研究，会更好地为选育菜心材料提供理论依据。

4 结论

通过对120份菜心种质品质性状的多样性分析和评价，发现收集的菜心种质资源丰富，10个品质性状的变异系数在11.17% ～ 42.76%之间。早、中、晚3种熟型菜心材料中，中熟型菜心的硝酸盐含量最低，其外观品质也最符合优质菜心商品性状的一般要求。基于主成分分析发现，叶片性状特征是影响菜心品质的主要指标，其中最大叶长、叶宽、叶柄长、叶形和叶色等5个性状能代表菜心品质性状的大部分信息。聚类分析较好地判断了120份菜心材料的品质差异并进行了分类，其中Ⅱ-Ⅱ亚类菜心的综合品质性状表现优良，生产上可根据菜育种要求进行选择利用。