109份西瓜育种材料果实性状的遗传多样性分析

2020-12-14王铭刘江王长彪郝科星侯富恩张涛杨晋明

中国瓜菜 2020年10期

王铭刘江王长彪郝科星侯富恩张涛杨晋明

摘要：为研究西瓜育种材料间果实性状的遗传多样性，对109份西瓜育种材料的12个果实相关性状指标进行变异分析、主成分分析及聚类分析。变异分析结果表明，12个果实性状的多样性指数变化范围为0.75～2.04，变异系数变化范围为11.73%～60.79%;主成分分析结果表明，6个果实数量性状可归纳为3个主成分，累计贡献率达83.97%，其中，中心可溶性固形物含量对表型影响较大;聚类分析结果表明，当欧式距离为47.8时，可以将供试西瓜育种材料按照果形和单瓜质量的差异分为4类。上述研究结果表明，西瓜育种材料的果实性状具有较丰富的多样性表现，这将为西瓜杂交育种提供重要的参考依据。

关键词：西瓜;育种材料;果实性状;遗传多样性

中图分类号：S651 文献标识码：A 文章编号：1673-2871（2020）10-023-06

Abstract： In order to study the genetic diversity of fruit traits of watermelon breeding materials， the variation analysis， principal component analysis and clustering analysis of 12 fruit related traits were investigated for 109 watermelon breeding materials. The results of variance analysis showed that the diversity index of 12 fruit related traits ranged from 0.75 to 2.04， the coefficient of variation changed from 11.73% to 60.79%. Principal component analysis suggested that 6 fruit related traits were summarized into three principal components， and the cumulative contribution rate was 83.97%， the central soluble solids content has great influence on phenotype. In addition， the 109 watermelon breeding materials were divided into four groups according to the difference of fruit shape and single fruit weight in Euclidean distance 47.8. The results indicate that the fruit related traits in watermelon germplasms have rich diversity， which will lay a basis for watermelon genetic improvement and cross breeding parental selection.

Key words： Watermelon; Breeding lines; Fruit traits; Genetic diversity

西瓜（Citrullus lanatus）起源于非洲，屬于葫芦科（Cucurbitaceae）西瓜属（Citrullus），西瓜属包含4个种：西瓜种[Citrullus lanatus （Thunb.） Matsum. & Nakai]、药西瓜种[C. Colocynthis （L.） Schrad]、缺须西瓜种[C. Ecirrhosus Cogn.]和诺典西瓜种[C. naudinianus （Sond.） Hook.f][1-2]。西瓜种包括毛西瓜亚种（ssp. lanatus）、普通西瓜亚种（ssp. vulgaris）、黏籽西瓜亚种（ssp. mucosospermus）[3-5]。西瓜是世界十大水果之一，在世界各地广泛种植，我国是第一大西瓜生产国和消费国[6]。近年来，随着人们生活水平的提高，人们对西瓜产品的需求正在从高品质向“新、奇、特”等多样性方向转变，这就需要育种工作者掌握丰富的西瓜育种材料来适应现代西瓜产业的发展。西瓜果实性状的差异往往决定西瓜品质的好坏，因此，通过形态学方法调查西瓜果实品质，然后进行西瓜果实性状的遗传分析，了解西瓜育种材料亲缘关系远近，有助于西瓜育种及遗传改良。目前，在甜瓜、南瓜等园艺作物中已经进行了较多关于种质资源遗传多样性的相关研究[7-8]。西瓜果实的果皮颜色、果实形状、果肉颜色、可溶性固形物含量等性状都具有丰富的多样性。为了研究国内外783份西瓜种质资源的24个表型性状的遗传多样性，潘存祥等[9]采用了变异系数、多样性指数和聚类分析等方法进行分析。纪海波等[10]对768份西瓜种质资源材料的11个质量性状和13个数量性状进行了多样性分析、相关性分析、主成分分析和聚类分析。还有赵卫星、郭禄芹、李清、于玉红等[11-14]也进行了相关研究工作，研究结果表明，西瓜种质资源的多样性指数较大，具有丰富的遗传多样性。

本课题组经过多年创制和收集西瓜种质资源，目前已经有500余份不同类型的西瓜育种材料。了解这些育种材料的遗传关系可以更好地进行利用和创新工作。笔者对其中具有代表性且可溶性固形物含量较高的109份西瓜育种材料的果实性状多样性进行分析，这些材料为目前西瓜育种所用的主流材料，包括不同果形、不同花色和不同瓤色等各种类型材料。这些材料的共同点是可溶性固形物含量较高、具有较强的抗病性，通过本试验可以为这些西瓜种质资源的利用和遗传改良提供重要依据。

1 材料与方法

1.1 材料

109份供试材料均为本课题组通过多年多代自交选择获得的纯系材料，包括不同花色和不同瓤色，其中美国2份、日本5份、中国台湾8份、中国北京35份、中国河南52份、中国新疆5份、中国宁夏2份（表1）。

1.2 方法

试验于2017—2019年在山西省农业科学院东阳试验基地进行，试验采用随机区组设计，3年进行3次重复，每年每份材料定植20株，株行距为0.4 m×2.0 m，双蔓整枝，每株留1果，常规栽培管理，开花期进行人工套袋授粉。每份材料随机选取5株进行性状记载及调查。各个性状数据为3次重复的平均值。

1.3 果实性状调查

西瓜成熟采收后，参照《西瓜种质资源描述规范和数据标准》[15]对西瓜材料的果实品质相关性状进行调查统计。调查6个质量性状（果粉、果实形状、果皮底色、果皮覆纹形状、果肉颜色、果肉质地）和6个数量形状（单瓜质量、纵径、横径、果皮厚度、中心可溶性固形物含量、边部可溶性固形物含量）。质量性状按照表2进行分级。数量性状利用直尺、电子秤、手持测糖仪进行测量，取5个单瓜的平均值。

1.4 数据处理及分析

对供试西瓜材料的6个质量性状按照《西瓜种质资源描述规范和数据标准》进行分级和数量化赋值，然后统计各性状的频率分布、变异系数和多样性指数。将6个数量性状的测量值在Excel中计算出最大值、最小值、平均值、标准差、变异系数和多样性指数。

多样性指数的计算方法潘存祥等[9]的方法，将6个数量性状根据平均值、标准差分为10级，1级Xi<（x-2δ），10级Xi≥（x-2δ），（其中i表示级数，x表示平均值，δ表示标准差），中间每级相差0.5δ。统计各性状在10个级别中的分布频率，每级的相对频率（Pi）用于计算多样性指数。采用 Shannon-weaver 遗传多样性指数来衡量性状遗传多样性大小。计算公式为：H=-ΣPilnPi。其中 Pi为某性状第i级内材料份数占总份数的百分比，ln为自然对数。

用SPSS统计分析软件，通过相关性检验、提取主成分和公因子、因子旋转等步骤进行数量性状的主成分分析。再使用SPSS统计分析软件采用欧式距离法计算各样品间的遗传距离并使用离差平方和法对样品进行聚类。

2 结果与分析

2.1 西瓜果实性状的多样性和变异性分析

2.1.1 果实质量性状频率统计对109份西瓜育种材料的6个质量性状按照表2进行赋值分级，并计算频率分布（表3）。由表3可知，这些西瓜育种材料涵盖了大部分西瓜类型。其中，果实表面有果粉的23份，占21.1%，无果粉的86份，占78.9%;果实形状以圆形为主，共61份，占55.9%，近圆形9份，占8.3%，椭圆形21份，占19.3%，长椭圆形18份，占16.5%;果实表皮底色以绿色为主，共48份，占44%，深绿色4份，占3.7%，墨绿色23份，占21.1%，黄色5份，占4.6%，浅黄色4份，占3.7%;果皮覆纹形状类型以网条和齿条为主，分别为34份和45份，占31.2%和41.3%，光皮无条带22份，占20.2%，网纹7份，占6.4%，斑点1份，占0.9%;果肉颜色以红色和大红为主，分别为39份和36份，占35.8%和33.1%，粉红8份，占7.3%，橘红1份，占0.9%，黄色21份，占19.2%，橘黄4份，占3.7%;从果肉质地来看，除质地为软的类型较少外，其余4种质地类型材料的数量相差无几，各占21.1%～24.8%。

2.1.2 果实性状变异分析笔者以109份西瓜育种材料为研究对象，将12个果實性状（6个质量性状和6个数量性状）指标进行统计分析（表4）。结果表明，这12个果实性状中果实形状的变异系数最大，为60.79%，其次变异范围较大的还有果皮覆纹类型、果肉质地、果肉颜色、单瓜质量、果粉，变异系数分别为38.42%、38.09%、35.74%、34.32%、33.84%。近年来，由于我们的育种目标主要是选择可溶性固形物含量较高的品种，因此中心可溶性固形物含量和边部可溶性固形物含量的变异系数都比较小，分别为11.73%和14.81%。12个果实性状的多样性指数变幅为4.52～4.68，其中果肉颜色多样性指数最大，为2.04，横径的多样性指数最小，为0.75。

2.2 西瓜果实数量性状的主成分分析

笔者通过对6个西瓜果实数量性状进行主成分分析，以特征值大于1为标准，将6个性状归纳为3个主成分来代表果实性状的主要遗传信息。由表5可知，第一主成分的贡献特征值最大，为39.65%，其中除中心可溶性固形物含量的载荷符号为负外，其余5个性状的载荷符号都是正向，说明在其他性状都适宜的情况下中心可溶性固形物含量的高低是影响西瓜果实品质的主要性状。第二主成分的贡献特征值为28.89%，其中除单瓜质量为负向载荷外，其余5个性状的载荷符号都是正向，说明在这5个性状水平相当的情况下单瓜质量是影响西瓜果实产量的主要性状。第三主成分的贡献特征值为15.43%，其中纵径和果皮厚度为负载荷，其他4个性状的载荷符号为正向，说明在其他性状水平相当的情况下，纵径和果皮厚度是影响西瓜外观品质的主要性状。这3个主成分的累计贡献特征值达83.97%。

2.3 西瓜果实性状的聚类分析

在SPSS中，采用欧式距离法和离差平方和法，将109份西瓜育种材料依据12个果实性状进行聚类分析。由图1可以看出，当欧式距离为47.8时，可以将109份西瓜育种材料分为4类。

第1类（Ⅰ）为圆形类型（包括圆形和近圆形）中的大果类型，共 35份材料，其中有30份来自中国北京和中国河南，其余5份引自于日本、中国新疆、中国宁夏和中国台湾。单瓜质量基本都大于2 kg，平均值达3.1 kg左右。果肉颜色中红色类型和黄色类型基本各占一半。果皮底色以浅绿和绿色为主。果实的纵径和横径平均值分别为18.9 cm和18.5 cm。中心可溶性固形物含量平均为11%，边部可溶性固形物含量平均为9.1%。

第2类（Ⅱ）为圆形类型（包括圆形和近圆形）中的小果类型，共38份材料，其中16份来自中国河南，13份来自中国北京，中国台湾2份，中国新疆2份，日本2份，美国2份。单瓜质量基本在2 kg以下，最小为0.77 kg，平均1.47 kg。果肉颜色基本全为红色类型。果皮底色除2份为黄色类型外其余36份为绿色类型。果实的纵径和横径平均值分别为14.8 和14.4 cm。中心可溶性固形物含量平均为11.5%，边部可溶性固形物含量平均为9.9%。

第3类（Ⅲ）为椭圆类型（包括椭圆形和长椭圆型）中的小果类型，共24份材料，其中10份来自中国河南，9份来自中国北京，1份来自中国台湾，2份来自中国新疆，1份来自中国宁夏，1份来自日本。单瓜质量平均为1.82 kg。果肉颜色为红色和大红。果皮底色有6份黄色类型，18份绿色类型。果实的纵径和横径平均值分别为19.7 cm和14.3 cm。中心可溶性固形物含量平均为11.3%，边部可溶性固形物含量平均为9.7%。

第4类（Ⅳ）为椭圆类型（包括椭圆形和长椭圆型）中的大果类型，共12份材料，其中6份来自中国河南，3份来自中国北京，2份来自中国台湾，1份来自日本。单瓜质量都在2.5 kg以上，平均值为2.89 kg。果肉颜色中有2份黄色类型，其余10份为红色类型。果皮底色包括浅绿和绿色，其中以绿色为主。果实的纵径和横径平均值分别为27.5 cm和14.5 cm。中心可溶性固形物含量平均为11%，边部可溶性固形物含量平均为9.2%。

3 讨论

从上述试验结果可以看出，根据聚类结果可以直观反映育种材料间的亲缘关系，为杂交亲本的选择提供参考，提高育种效率。

变异系数是反映遗传多样性的一个重要参数，它表示某一性状的离散程度，变异系数越大表明该性状的变异程度就越大。纪海波等[10]对786份西瓜种质资源表型性状进行了遗传研究，24个性状的变异系数均值为32.41%。郭禄芹等[12]对167份西瓜种质材料的遗传多样性进行分析，18个性状变异系数变化范围为16.43%～90.73%，平均值为34.12%。于玉红等[14]对154份西瓜育种材料果实性状进行了主成分分析和聚类分析。14个果实性状的变异系数的变幅范围为 8.42%～62.51%，平均值为 28.38%。在本研究中，12个果实性状变异系数的变幅范围为11.73%～60.79%，其中，中心可溶性固形物含量和边部可溶性固形物含量的变异系数都比较小，这可能与笔者近年来把选择含糖量较高的品种作为育种目标有关系。从总体来看，本研究试验结果与前人研究结果相符，表明本课题组的西瓜育种材料在果实性状方面多样性程度较高，这将为我们培育不同瓤色、不同花色和不同形状的西瓜新品种提供材料支撑。

由于西瓜果实数量性状之间存在一定的相互关联，难以分析单个性状在表型性状构成中的作用[16]，主成分分析可以将较多的变量综合为少数几个公共因子达到降维的效果，因此可用主成分分析方法来评价果实各数量性状指标对果实综合性状的影响。王志强等[17]将6个数量性状综合成为3个主成分，累计贡献率为84.30%。于玉红等[14]将8个性状归为4个主成分，累计贡献率为83.80%。李清等[13]将12个果实性状归纳为3个主成分，3个主成分的累计贡献率为71.99%。笔者通过对西瓜果实的6个数量性状进行主成分分析，将6个性状归纳为3个主成分，累计贡献率为83.97%。这6个果实性状与西瓜的果实品质密切相关，因此，在对西瓜某个果实品质性状进行研究时，要综合考虑其他性状间的相互作用。

聚类分析是將品种资源根据它们综合性状之间的相近程度进行分类[18]。陈萍等[19]根据单果质量、含糖量和果皮厚度将119份西瓜种质材料聚类分为10类。苏玉环等[20]基于果实性状采用系统聚类法将试样材料分为4大类。赵卫星等[11]以综合成分中的4个主要因子为指标进行聚类分析，将56份西瓜品种按照果形大小分为了4类。笔者以12个果实性状（6个数量性状和6个质量性状）为指标对109份西瓜育种材料进行聚类分析，当欧式距离为47.8时，这些西瓜育种材料可以分为4类。其中2类为不同形状的小果类型，另外2类为不同形状的大果类型。其中2类西瓜小果类型育种材料的可溶性固形物含量高于另外2类西瓜大果型育种材料的可溶性固形物含量。笔者通过对西瓜育种材料果实性状进行鉴定与分析，了解了育种材料具有丰富的多样性，进而为西瓜的种质创新和杂交亲本的选择等方面提供一定的借鉴意义[13-14]。

根据多样性分析、变异性分析、主成分分析及聚类分析结果，了解到这109份西瓜育种材料具有丰富的遗传多样性，可以为西瓜种质创新和杂交亲本选择时提供可靠依据。根据不同的育种目标，可以精准选择双亲，减少盲目性，提高育种效率。小果型西瓜的可溶性固形物含量普遍较高，但是抗性较差，大果型西瓜一般具有较强的抗性，因此，可以通过将两种类型的材料杂交然后进行连续回交创制可溶性固形物含量高且抗性较强的新育种材料。

参考文献

[1] LEVI A，THOMAS C E，KEINATH A P，et al.Estimation of genetic diversity among Citrullus accessions using RAPD markers[J].Hort Science，2000，35（3）：385-390.

[2] JARRET R L，MERRICK L C，HOLMS T.Simple sequence repeats in watermelon[Citrullus lanatus（Thunb.）Matsum. & Nakai][J].Genome，1997，40（4）：433-441.

[3] 林德佩.西瓜属（Citrullus Schrad.）的分类系统研究[J].中国瓜菜，2015，28（5）：1-4.

[4] CHOMICKI G，RENNER S S.Watermelon origin solved with molecular phylogenetics including Linnaean material： another example of museomics[J].New Phytologist，2015，205（2）：526-532.

[5] ZAMIR D，NAVOT N，RUDICH J.Enzyme polymorphism in Citrullus lanatus，and C. colocynthis in Israel and Sinai[J].Plant Systematics & Evolution，1984，146（3/4）：163-170.

[6] 刘文革，何楠，赵胜杰，等.我国西瓜品种选育研究进展[J].中国瓜菜，2016，29（1）：1-7.

[7] 颜国荣，王威，马艳明，等.甜瓜种质资源若干果实数量性状差异研究及分级探讨[J].新疆农业科学，2006（4）：328-331.

[8] 周俊国，李新峥，朱月林，等.蔓生型南瓜资源部分植物学数量性状的评价探讨[J].植物遗传资源学报，2007，8（1）：30-34.

[9] 潘存祥，许勇，纪海波，等.西瓜种质资源表型多样性及聚类分析[J].植物遗传资源学报，2015，16（1）：59-63.

[10] 紀海波，张玉鑫，李玉明，等.西瓜种质资源主要性状的表型多样性[J].西北农林科技大学学报（自然科学版），2013，41（8）：155-160.

[11] 赵卫星，李晓慧，徐小利，等.西瓜品种果实性状的变异性及主成分和聚类分析[J].中国河南农业科学，2017，46（1）：105-109.

[12] 郭禄芹，赵世豪，朱华玉，等.167份西瓜种质材料的遗传多样性分析[J].中国瓜菜，2018，31（1）：5-11.

[13] 李清，郭禄芹，方晓霞，等.100份西瓜种质果实品质相关性状的遗传多样性分析[J].中国瓜菜，2019，32（1）：12-17.

[14] 于玉红，马运粮，赵小龙，等.154份西瓜育种材料果实性状的主成分分析及聚类分析[J].中国瓜菜，2019，32（11）：6-12.

[15] 马双武，刘君璞.西瓜种质资源描述规范和数据标准[M].北京：中国农业出版社，2005.

[16] 胡建斌，马肖静，李琼.薄皮甜瓜表型性状的主成分分析[J].江西农业学报，2010，22（12）：30-33.

[17] 王志强，刘声锋，郭守金，等.西瓜种质资源种子性状的遗传多样性和相关性分析[J].中国农学通报，2013，29（25）：205-208.