241份菊芋种质资源地上部性状的遗传多样性分析

田闵玉，郭怡婷，任延靖，韩 睿，田 丰*，赵孟良*

(1.青海大学农林科学院，青海省蔬菜遗传与生理重点实验室，青海 西宁 810016；2.青海大学农牧学院，青海 西宁 810016；3.省部共建三江源生态和高原农牧业国家重点实验室，青海大学，青海 西宁 810016)

菊芋(HelianthustuberosusL.)又称洋姜、鬼子姜，属菊科向日葵属多年生草本植物(2n=102)，原产地北美，18世纪末自欧洲传入中国后在我国被广泛种植[1]。菊芋具有很强的抗逆性且适应性广、生物质产量高，能源利用方式多样，是环境友好型植物[1]。菊芋作为一种新型的多功能经济作物在全球范围广泛种植，种质资源也较为丰富，目前有超过2 000份的菊芋种质资源在世界范围内30多个研究机构保存[2]。种质资源是作物育种的基因来源，也是作物相关基础研究和培育高产、优质、抗病作物新品种的重要物质基础，对遗传改良的发展具有十分重要的意义[3-4]。种质资源利用效率和现代种业的可持续发展受种质资源的数量、质量、研究深度和广度的直接影响[5-6]。随着现代育种技术对作物多年的定向选择导致作物的遗传基础越来越狭窄，因此，收集、研究、利用新的种质资源非常有必要[7]。植物形态学特征能够直观反映出其遗传多样性，可以较快了解其遗传多样性[8-9]。形态学或表型性状检测遗传变异是最直接、最简便易行的方法[10]，也是育种研究者进行复杂机理研究的基础[11]。研究明晰作物种质资源的特性，可为今后高效利用种质资源奠定基础。目前对我国菊芋种质资源遗传多样性研究多限于地下部分块茎品质性状[12-13]，缺乏地上部分性状的相关分析。鉴于此，本研究以241份菊芋种质资源为材料，通过测定菊芋盛花期地上部分的农艺性状指标，并采用多样性分析、聚类分析以及隶属函数等方式进行综合评价，以期为菊芋种质资源评价利用及杂交育种中的亲本选择提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选用的241份菊芋种质资源材料由青海大学农林科学院菊芋研究开发中心提供，其中来自美国的种质资源220份、泰国的种质资源12份、中国的种质资源9份。

1.2 试验设计

试验地位于青海省海南藏族自治州贵德县邓家村(36°03′N、101°44′E)，海拔2 250 m，种植前施用羊粪2 250 kg/hm2。试验材料于2019年4月中旬种植，采用随机区组种植，小区面积120 m2，每小区种植50份种质资源，每份种质资源种植5株，使用块茎繁种，采用株距60 cm，行距80 cm进行种植。9月中旬待菊芋进入盛花期时进行农艺性状的数据采集。

1.3 性状调查

参照NY/T 2503—2013《植物新品种特异性、一致性和稳定性测试指南 菊芋》[14]的方法，采用卷尺及游标卡尺对菊芋的株高、株幅、叶长、叶宽、花直径及花朵数6个数量性状进行测量，对叶缘、叶形、茎色和茎绒毛数4个质量性状采用目测观察法进行调查，并按照相关标准进行赋值。每个指标设置5次重复。

1.4 数据处理与分析方法

采用Excel 2010进行数据统计及处理，分别计算各性状的最大值、最小值、平均值、标准差以及变异系数；各性状的遗传多样性采用Shannon's信息指数(H')进行评价，计算公式H'=-∑PilnPi(其中Pi为某一性状在i个级别出现的频率)。并采用SPSS 20.0以及R-studio软件对各性状进行主成分分析以及聚类分析。最后通过隶属函数对种质资源进行评分，计算公式如下：

R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中：Xi为指标测定值，Xmax、Xmin为所有参试材料某一指标的最大值和最小值。

2 结果与分析

2.1 菊芋种质资源质量性状的多样性分析

对241份菊芋种质资源的4个质量性状的多样性分析结果显示(表1)，其多样性指数分布在0.74～1.29，平均多样性指数为1.08。其中，叶缘的多样性指数最低(0.74)，叶形、茎色以及茎绒毛数的多样性指数均大于1.0，叶形的多样性指数最高(1.29)。在241份菊芋种质资源中，叶缘以锯齿形为主，占总资源量的73.86%；叶形以阔卵形叶片最少，仅占总资源数的8.71%，其他不同形状分布较为平均；茎色以绿色为主，占总资源量的43.15%；茎绒毛数以中等数量居多，达到总资源量的46.89%，此外还有3份茎杆光滑的资源，占总资源量的1.24%。4个质量性状中叶缘的变异系数最大(55.74%)，茎绒毛数的变异系数最小(33.92%)。

表1 菊芋质量性状赋值、分布及多样性分析

2.2 菊芋种质资源数量性状的差异性分析

对241份菊芋种质资源的6个数量性状差异性分析(表2)，由表2可知，6个数量性状的变异系数在16.22%～36.62%，平均22.61%，其中单株花朵数的变异系数最高(36.62%)，叶长、叶宽和花直径的变异系数较小，均低于20%，说明241份菊芋种质资源中花朵数的变异性最丰富；241份菊芋种质资源的6个数量性状中，花朵数、株高和株幅的极差很大，花朵数极差高达339.70个，株高和株幅的极差分别达到226.50 cm和115.06 cm。综合各数量性状的极差和变异系数分析，这6个数量性状之间存在较为明显的遗传差异。

表2 菊芋地上部数量性状表型的差异性分析

2.3 相关性分析

对241份菊芋种质资源的10个农艺性状进行相关性分析(表3)表明，株高与株幅呈极显著正相关，其相关系数为0.610，株高与叶长、叶宽、花直径也呈极显著正相关，相关系数介于0.378～0.482；花朵数与株幅之间呈极显著正相关，相关系数高达0.640，说明菊芋植株的株幅越大其花朵数越多；花直径与叶长、叶宽呈极显著正相关，相关系数分别为0.360、0.269；此外，叶长、叶宽、花朵数之间两两呈极显著正相关，相关系数为0.278～0.667，其中叶长与叶宽的相关系数最高(0.667)。

表3 性状的相关分析

2.4 主成分分析

对241份菊芋种质资源的10个农艺性状进行主成分分析(表4)，以特征值大于1.0为标准提取出4个主成分值，其方差贡献率分别为32.64%、19.70%、12.30%、10.66%，累计方差贡献率为75.30%，说明这4个主成分基本可以代表原始变量的大部分信息。第1个主成分特征值为3.26，方差贡献率最大，占主导地位，其中株高、株幅、叶宽、花朵数作用均达到0.7以上；第2个主成分特征值为1.97，方差贡献率为19.70%，其主要作用性状为叶长(0.86)、花直径(0.67)以及叶型(0.66)；第3个主成分的特征值为1.23，方差贡献率为12.30%，主要性状为株幅(0.73)、茎色(0.44)；第4个主成分特征值为1.07，方差贡献率为10.66%，起主要作用的指标为叶缘(0.88)。

表4 菊芋农艺性状的主成分分析

2.5 聚类分析

对241份菊芋种质资源的10个农艺性状指标进行聚类分析(图1)表明，241份菊芋资源在欧式距离为10处可划分为2大类群；第I类群包含HT-147、HT-215等13份菊芋资源，此类群中主要特征为株高高，叶片大(叶长且宽大)，茎杆绒毛多，花朵大，茎杆呈现紫色；第II类群在欧式距离为5处分为3个亚类群，其中II-1类群包含91份菊芋资源，该类群的资源总体表现为株高低、叶片小，茎绒毛少，花直径小，茎杆多为浅紫色的特征；II-2类群包含85份菊芋资源，该类群的资源总体表现为株高高、叶片大、茎绒毛多，花直径大，茎杆多呈现绿色的特征；II-3类群包含52份菊芋资源，此类群的资源总体表现为植株矮小，叶片小，叶片多呈现阔卵形，茎绒毛少，花直径小的特征。综上可知，株高、叶长、叶宽、茎杆绒毛数以及茎杆颜色这5个指标在资源分类时起主要作用，此外花直径也起到一定作用。

2.6 隶属函数分析

通过计算分析241份菊芋种质资源的隶属函数均值可知(表5)，供试菊芋种质资源的隶属函数均值介于0.21～0.72，其中隶属函数均值大于等于0.70的有4份，分别是HT-230(0.72)、HT-214(0.71)、HT-213(0.71)及HT-226(0.70)，该4份种质资源均属于第I类群，株高、叶长及叶宽等表型性状具有较大优势；隶属函数均值小于0.30的有6份，分别为HT-132(0.21)、HT-109(0.25)、HT-175(0.26)、HT-48(0.29)、HT-100(0.29)及HT-131(0.29)，均属于第Ⅱ-3亚类群，其表型特征较小，其中HT-132、HT-131以及HT-175在株高上表现明显矮小。

表5(续)

表5(续)

3 讨论与结论

围绕菊芋种质资源前人已做相关[15-17]研究。为进一步丰富菊芋种质资源库，本研究主要对美国、泰国引进的菊芋种质资源进行了农艺性状的调查分析。遗传多样性指数作为评价不同种质间性状变异的一个综合指标，其值越高说明性状越丰富、越均匀[18]。其中，变异系数和多样性指数代表的含义有所差别，变异系数表示变异范围的大小，而多样性指数不仅表示变异范围，还对数量的多少进行了反映[19]。在实际应用中，常常将两者配合使用从不同方面来表示多样性。本研究对241份菊芋种质资源的10个农艺性状进行分析，其质量性状的遗传变异系数普遍大于数量性状的遗传变异系数，其原因可能是质量性状通过赋值进行整合计算，赋值相差较多，因此变异系数相对较大。其数量性状中花朵数的遗传变异系数达到36.62%，说明241份资源中花朵数量的变异性最丰富的。与现有的资源进行对比发现此批资源中HT-205、HT-134、HT-203及HT-40四份资源的单株花朵数量均超过300个，且其他性状表现也较好，符合观赏型菊芋专用品种的选育要求。

主成分分析法可以通过降维的方法利用新特征代替原先繁杂的旧特征，将作物各性状间复杂的相关关系转化为较少的几个主成分，最大限度地将各个旧特征完整的表达出来，是现代育种常用的一种辅助手段[20-21]。已被应用于水稻[22]、棉花[23]、大豆[24]、玉米[25]、小麦[26]等作物。本研究对241份菊芋种质资源的10个农艺性状进行主成分分析时提取出4个主成分因子，分别包含株高、株幅、叶长、叶宽、花直径以及花朵数中的因子，能够客观地表示菊芋的资源特征，且对菊芋种质资源进行聚类分析时这几个因子也起到重要作用。在聚类分析欧式距离为10处将菊芋种质资源分为2大类群，其中第I类群的菊芋种质资源总体上均表现为地上部生物量大，符合牧草型专用菊芋品种育种的要求，且此类资源的菊芋在隶属函数评价分析中整体得分较高，同样具有明显优势，因此后续可加大该类资源在牧草型菊芋品种方面的应用研究。

综上可知，本研究通过地上部农艺性状、聚类分析、隶属函数分析等评价方式分析了241份菊芋种质资源，最终筛选出4份观赏型菊芋资源(HT-205、HT-134、HT-203及HT-40)，牧草型菊芋资源13份，对丰富我国菊芋种质资源的多样性及菊芋专用品种的选育奠定了基础。另外本研究仅对地上部的10个性状进行了调查研究，后续还需结合块茎产量、品质等性状进行综合分析评价。