基于表型性状的宁夏番茄种质资源核心种质构建

郑福顺，王晓敏,2,3,4*，李国花，李洪磊，周鹏泽，王林，白圣懿，刘珮君，张雪艳,2,4*，胡新华，付金军，高艳明,2,3,4，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.宁夏设施园艺技术创新中心（宁夏大学），银川750021；5.宁夏巨丰种苗有限责任公司，银川750021）

番茄（Solanum lycopersicum）是一年生或多年生草本植物，原产于南美洲，在我国南北方被广泛栽培[1]。番茄作为一种世界范围内广泛种植的经济作物之一，具有重要的经济和科研价值。对番茄品种的改良和新品种的选育是当前科研工作者的首要目标[2]。种质资源作为作物遗传改良的基础，对于研发和改良新品种发挥着重要的作用。近年来，我国累计更新农作物种质资源430 925 份[3]。番茄作为宁夏地区的主要经济作物之一，种质资源数量多，对其优质种质资源的发掘、利用和保存是育种工作者亟须解决的问题。

“核心种质”的概念最早由FRANKEL[4]于1984年提出，即以最小的资源份数来最大限度地代表该物种的遗传多样性。这为解决庞大种质资源的研究与利用开辟了新途径，已在很多植物资源中被广泛地应用，如近年来对菜豆[5]、水稻[6]、花生[7]、玉米[8]等作物的核心种质构建。此外，焦禹顺等[9]对45份螺丝椒的20个表型性状进行遗传多样性分析，并采用最小距离逐步取样法（least distance stepwise sampling,LDSS），根据不同的抽样比例成功构建了螺丝椒候选专项核心种质，为辣椒育种提供了更多元化的选择。瞿海鸥等[10]对65 份番茄‘传家宝’资源进行系统进化分析，成功构建了15份核心种质并对其表型性状进行了遗传多样性分析。邓学斌等[11]采用5种不同的方法（Mstrat、Random、REMC、SBS 和SFS），分别利用表型和基因型数据成功构建出3 026份加工番茄的核心种质，通过对其代表性进行评价，最终确定了最佳的核心种质，为构建核心种质提供了方法参考。CORRADO等[12]利用意大利地方番茄品种，采用3 种抽样方法和6 种抽样比例构建核心种质的结果表明，最佳抽样比例在15%～25%之间时可保证广泛的等位基因覆盖和减少冗余，为意大利地方番茄品种的保护和在遗传育种中的应用提供了理论依据。而与其他作物相比，对番茄核心种质的构建研究仍较少。本研究通过对前期收集的具有代表性的480份番茄种质资源的20个表型性状在宁夏地区进行田间调查，然后基于表型数据进行遗传多样性分析和核心种质的构建，并对其代表性进行评价，最终确定核心种质，旨在为宁夏地区番茄种质资源的保存、改良和新品种选育提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

从宁夏大学农学院蔬菜课题组和宁夏巨丰种苗有限责任公司共同收集的2 000余份番茄种质资源中，选择具有代表性的480份番茄种质资源，依次编号为Z001～Z480（附表1，http://www.zjujournals.com/agr/CN/10.3785/j.issn.1008-9209.2020.08.141）；并以樱桃番茄CK1（千禧）和CK2（丰收128）作为对照。

1.2 试验仪器

K70 电子秤、MST-150T 数显卡尺、GY-4 数字式果实硬度计、TD-45手持数显糖度计等。

1.3 试验设计

2019年4月，在宁夏大学实验农场育苗温室内，将每份供试的番茄种质资源播种在72 孔穴盘中进行基质育苗。5 月中旬，选取大小一致的幼苗定植于宁夏大学实验农场番茄育种基地内，采用半高垄双行方式露地栽培，垄高20 cm，畦宽70 cm，株距40 cm；土壤类型为壤土，肥力中等；采用随机区组设计和常规田间管理。

1.4 性状调查

依照《番茄种质资源描述规范和数据标准》[13]，主要选择与番茄叶片、花和果实相关的20个表型性状，包括12 个数量性状（首花序节位、单花序果数、商品果纵径、商品果横径、果梗洼大小、果梗洼木栓化大小、单果质量、硬度、可溶性固形物含量、果肉厚、心室数、畸形果率等）和8 个质量性状（花序类型、成熟果色、叶色、绿肩、生长势、叶片着生状态、裂果性、坐果性等）。

1.5 遗传多样性分析

遗传多样性指数H´=－∑（Pi）（lnPi），式中Pi为某性状的第i个级别的材料数占总材料数的百分比。参照芮文婧等[14]的方法，基于平均值和标准差对所有材料的每个性状数据进行等级划分，每0.5σ（标准差）为一级，共10级。

1.6 核心种质的构建

利用QGA Station 2.0软件，采用欧氏距离计算遗传距离，利用不加权类平均法（unweighted pair-group method with arithmetic means, UPGMA）进行聚类，并分别选用随机取样法、优先取样法和偏离度取样法进行取样，取样比例为10%，以构建核心种质。

1.7 核心种质代表性评价

参考邓学斌等[11]的方法，构建的核心种质须同时符合2个条件：1）均值同原始种质资源群体存在显著差异（α=0.05）的性状占全部性状的百分数小于或等于20%；2）核心种质和原始种质资源群体的极差符合率不低于80%。利用极差符合率、变异系数变化率、均值差异百分率、方差差异百分率对核心种质的代表性进行评价。利用均值t检验对原群体和核心种质表型性状均值间是否有显著性差异进行检验，利用方差F检验分析两者表型性状变异的同质性。

1.8 数据处理

用Excel 2010整理数据，用SPSS 20.0进行相关性分析和主成分分析，用MEGA 5.0进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 表型性状遗传多样性分析

2.1.1 质量性状遗传多样性分析

480 份番茄试验材料的8 个表型质量性状遗传多样性见表1：8个质量性状共计27个变异类型，各性状变异类型的分布频率不同。其中：遗传多样性指数（H´）在0.43～1.81 之间，H´超过1 的为花序类型、生长势和坐果性。裂果性性状的遗传多样性指数（H´）最小，为0.43，以无裂果为主，占84.79%。花序类型的遗传多样性指数（H´）最大，为1.81，以双歧花序为主，占74.79%。成熟果色的遗传多样性指数（H´）为1.00，变异类型较为丰富，以红色为主，占总调查材料的59.79%；黄色较少，仅占总调查材料的0.21%。叶色以浅绿和绿为主，分别占供试材料的51.67%和47.29%。叶片着生状态的主要变异类型为水平和下垂，分布频率分别为53.33%和46.67%。对于绿肩性状，以无绿肩为主，占83.96%，仅有77份供试材料有绿肩。生长势遗传多样性指数（H´）为1.03，以较强和强为主，占40.42%和48.75%。坐果性的遗传多样性指数（H´）为1.14，较弱的占42.50%，强的占7.08%，后者仅有34份材料。

2.1.2 数量性状遗传多样性分析

480 份番茄试验材料的表型数量性状如表2 所示。变异系数在12.36%～374.51%之间，其中：可溶性固形物含量的变异系数最小，为12.36%；畸形果率的最大，为374.51%。遗传多样性指数（H´）在0.40～2.07之间，其中：畸形果率的H´最小，为0.40；硬度的H´最大，为2.07。根据田间表型调查结果，该480 份供试材料具有丰富的遗传多样性，是非常好的种质资源材料。

2.1.3 数量性状的相关性分析

480份番茄试验材料的12个数量性状的相关性分析结果如表3所示。大多数性状之间都表现出显著或极显著相关性。其中：单果质量与可溶性固形物含量、首花序节位、单花序果数呈极显著负相关；果梗洼大小与果梗洼木栓化大小、商品果纵径、商品果横径、硬度、心室数、果肉厚呈极显著正相关，与可溶性固形物含量和单花序果数呈极显著负相关；可溶性固形物含量除了与首花序节位呈显著正相关，与单花序果数呈极显著正相关，与畸形果率不相关外，与其他所有性状均呈极显著负相关；畸形果率与商品果横径呈显著正相关，与首花序节位和单花序果数呈显著负相关。

2.1.4 表型性状的主成分分析

对480 份供试番茄种质资源的20 个表型性状进行主成分分析，结果如表4 所示。前4 个主成分累计贡献率为62.901%，包含了20 个表型性状指标的大部分信息，表明这4个主成分能代表这20个性状的遗传信息。其中：第1 主成分特征值为8.824，贡献率为44.120%，主要为单果质量、果梗洼大小、果梗洼木栓化大小、商品果纵径、商品果横径、果肉厚、单花序果数，特征向量值都在0.9 以上，这一成分主要与番茄果实性状有关；第2 主成分特征值为1.393，贡献率为6.967%，主要为成熟果色和首花序节位；第3主成分特征值为1.238，贡献率为6.190%，

主要为叶色和畸形果率，特征向量值在0.5以上；第4 主成分特征值为1.125，贡献率为5.623%，主要为叶片着生状态和裂果性。后3个主成分主要与植株叶片性状有关。

表1 480份番茄种质资源质量性状遗传多样性分析Table 1 Genetic diversity analysis of qualitative traits of 480 tomato germplasm resources

表2 480份番茄种质资源数量性状遗传多样性分析Table 2 Genetic diversity analysis of quantitative traits of 480 tomato germplasm resources

表3 480份番茄种质资源的数量性状相关性分析Table 3 Correlation analysis of quantitative traits of 480 tomato germplasm resources

2.1.5 表型性状的聚类分析

对480 份番茄供试材料的表型性状进行UPGMA 聚类分析，在欧氏距离为1.25 时，分为6 大类群，结果如图1所示。

第Ⅰ类群包含13份材料，主要表现为单果质量较大，果形指数近似1，果实近似圆形，硬度和可溶性固形物含量适中，果肉较厚，畸形果率为0，坐果性较低。第Ⅱ类群包含56 份材料，主要表现为单果质量较大，首花序节位较多，果梗洼大小、果梗洼木栓化大小、硬度、果肉厚度适中，叶片着生状态下垂或水平，叶色浅绿，长势较强，这一类群可作为大果番茄选育供试材料。第Ⅲ类群包含40 份材料，主要表现为单果质量适中，成熟果色多为粉红色（仅1 份材料为绿果），果梗洼和果梗洼木栓化较大，果形指数平均值为0.86，该类群果实以扁圆为主，绿肩较少，长势较强，首花序节位较多，为晚熟品种。第Ⅳ类群包含178 份材料，占供试材料的37.08%，主要表现为成熟果色呈红色，单果质量较大，果梗洼较大，果梗洼木栓化适中，果实近似圆形，硬度和可溶性固形物含量适中，心室较多，单花序果数适中，花序类型为单序，绿肩较少，裂果少，畸形果率低，长势较强，该类群有待继续调查。第Ⅴ类群包含42 份材料，主要表现为成熟果色呈红色，心室数和首花序节位较多，单花序果数适中，花序为单序，生长势适中，坐果性较低。第Ⅵ类群包含151 份材料，占供试材料的31.46%，成熟果色以粉红和红色为主，硬度适中，可溶性固形物含量较大，果实近似圆形，果肉厚度适中，叶片着生状态为水平，部分有绿肩，生长势较强，裂果现象少，畸形果率低，首花序节位适中，该类群可针对果实品质性状进一步展开研究。

图1 480份番茄种质资源聚类分析Fig.1 Cluster analysis of 480 tomato germplasm resources

2.2 核心种质的构建与评价

利用QGA Station 2.0 软件，采用欧氏距离计算遗传距离，利用不加权类平均法（UPGMA）进行聚类，并分别通过随机取样法、优先取样法和偏离度取样法，取样比例为10%，成功构建出3组核心种质R1、P1 和D1。根据常规分类将番茄分为大粉、大红、樱桃番茄（表5）。各核心种质中大红番茄份数均 最 多，分 别 为21、22、27 份，占 核 心 种 质 的43.75%、45.83%和56.25%；R1中的大粉番茄份数在3 个核心种质中最多，为15 份；P1 中的大粉番茄份数在3个核心种质中最少，为5份；P1中的樱桃番茄份数在3个核心种质中最多，为19份。

核心种质与原群体差异百分率如表6所示。与原群体相比，核心种质R1、D1的均值差异百分率均为0（＜20%），而P1为60%（＞20%），三者的极差符合率分别为92.4%、100.0%、98.3%（均大于80%）。表明R1、D1符合构建核心种质的原则，也说明只有R1、D1具有原群体种质资源代表性，能够反映出原种质资源的遗传多样性。

表5 各核心种质材料信息表Table 5 Information table of each core collection material

利用均值t检验可以检验原群体和核心种质表型性状均值间是否有显著性差异，而利用方差F检验可以分析两者表型性状变异是否同质，变异系数可以代表性状离散程度的大小[15]。构建的3组核心种质与原群体的均值、方差差异比较如表7 所示。P1 有12 个性状的均值与原群体存在显著或极显著差异，有15个性状的方差与原群体存在显著或极显著差异，表明只有P1核心种质获得了更大的遗传变异。R1、P1、D1 的变异系数绝大多数高于原群体，表明所构建的3组核心种质均具有良好的异质性。

表6 核心种质与原群体差异百分率Table 6 Percentage difference between core collection and initial population %

表7 核心种质与原群体的差异比较Table 7 Difference comparisons between core collection and initial population

表7（续）Continuation of Table 7

表7（续）Continuation of Table 7

3 讨论

番茄是严格的自花授粉作物，其遗传变异、品种改良较为困难。育种工作者必须长期、广泛地收集种质资源，以丰富其遗传多样性，并做好种质资源的保存工作。芮文婧等[14]通过对番茄表型数据的遗传多样性分析，明确了番茄表型变异的丰富程度及不同种质间的遗传关系，并确定了其评价指标。本研究通过对480份番茄种质资源表型性状的田间调查，采用相关性分析、主成分分析和聚类分析的结果表明，该480 份番茄种质资源具有丰富的遗传多样性，可以作为育种工作者进行相关研究的试验材料。

目前，很多育种和相关科研工作者都会广泛收集种质资源，但有关种质资源的保存利用技术尚不成熟，因此，构建核心种质是有效解决这个问题的措施之一。随着相关研究技术的成熟，构建核心种质方法的思路愈发清晰，已成为现阶段的研究热点。缪黎明等[16]综述了园艺作物核心种质构建的研究进展以及核心种质的概念及其构建方法，表明核心种质构建方法研究的重点是种质分组及取样策略。郎彬彬等[17]利用不同取样方法、系统聚类方法以及抽样比例对118 份野生毛花猕猴桃果实相关的表型性状进行初级核心种质构建的结果表明，取样方法中优先取样法优于随机取样法、偏离度取样法，系统聚类方法中类平均法优于离差平方和法、最长距离法和最短距离法，且30%取样比例为最适取样比例。张欢等[18]构建的水青树核心种质资源库的特征值和累计贡献率较高，有效地避免了种质资源库的冗杂，同时，也保证了它的代表性，并确定了45%的抽样比例是最适合构建水青树核心种质资源库的比例。根据前人的研究结果[12,17-18]，为更好地保存原群体种质资源遗传多样性，样本容量较少时则选择较高的抽样比例。构建核心种质一般基于表型性状和分子标记2 种方法。利用表型数据构建核心种质是一种较为成熟的方法，可以极大地减轻工作量。但表型性状较易受环境因素的影响，无法准确地表现出基因水平上的差异[19]。目前，利用分子标记技术构建核心种质是研究热点，分子标记种类较多，如利用简单重复序列（SSR）、扩增片段长度多态性（AFLP）、相关序列扩增多态性（SRAP）等分子标记方法成功构建了辣椒[20]、蚕豆[21]、百合[22]等作物的核心种质。我们下一步拟利用单核苷酸多态性（SNP）分子标记技术构建番茄核心种质，以期进一步减轻番茄种质资源保存利用的负担，为番茄品种改良提供便捷有效的方法。

4 结论

本研究通过对前期收集的480份番茄种质资源的20个表型性状在宁夏地区的田间调查，并通过相关性分析、主成分分析和聚类分析，发现该480份番茄种质资源具有丰富的遗传多样性。首次成功构建出宁夏地区3 组番茄种质资源核心种质，分别为R1、P1 和D1。其中：R1 和D1 符合核心种质的构建原则，具有原群体种质资源代表性，能够反映出原种质资源的遗传多样性；只有P1核心种质获得了更大的遗传变异；R1、P1和D1变异系数绝大多数高于原群体，表明构建的3 组核心种质具有良好的异质性。