紫苏种质资源表型多样性研究

肖 宇， 魏国江， 王晓飞， 刘淑霞， 孙 力， 关向军， 徐海军

(黑龙江省科学院大庆分院， 黑龙江 大庆 163319)

紫苏(Perillafrutescens(L.) Britt)属唇形科紫苏属紫苏种一年生短日照草本经济植物，被卫生部首批颁布认定为食品、药品中60种中药之一[1]。紫苏是良好的食用植物，无论是作为传统的中药材，还是作为现代良好食材，紫苏都具有良好的加工附加值，紫苏被赋予了一种新的用途，成为健康食用植物[2]。黑龙江省紫苏资源和品种匮乏，遗传多样性差，类型单一，更缺乏商用型资源和品种，为了增加紫苏遗传多样性，广泛搜集资源并进行表型及遗传分析、鉴定和分类，成为黑龙江省资源利用和品种选育的前提[3]。

对植物进行表型性状调查及分类是研究种质资源最客观、有效的方法。胡建斌等[4]对我国257份有代表性的甜瓜种质资源的20个形态性状进行调查分析，研究其遗传多样性。而通过对具有典型植物学性状、不同生态区域的紫苏属植物种系分类进行研究，为紫苏属植物的种群结构、遗传多样性和进化分类系统研究及种质资源的保护与开发利用提供依据[5-8]。近十年来，贵州省、甘肃省、河北省、黑龙江省对紫苏种质资源进行品种选育，收到了良好的效果[9-11]。但是紫苏品种种类缺乏、种子质量参差不齐等问题，严重降低紫苏产量和质量。因此，紫苏种植业迫切需要优良的品种，来解决当前制约产业链发展的瓶颈问题。

本研究选取90份紫苏试验材料，对种子大小、子叶大小、叶片颜色、蒴口绒毛、花色、株型、熟性、株高、总穗数、千粒重、单株籽粒重等生物学性状进行调查和数据整理分析，为丰富和创新黑龙江省紫苏种质资源，以及品种选育提供理论和物质基础。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

田间试验在黑龙江省大庆市东风农场试验基地进行。试验地土壤质地为壤土，土壤有机质3.5%，pH=7.3，速效氮121.2 mg·kg-1，速效磷3.4 mg·kg-1，速效钾141.0 mg·kg-1。

气候为寒温带大陆性季风气候，半干旱类型，昼夜温差大，十年九春旱，降雨多集中在7、8月份，全年降水量350～400 mm，年平均气温2.4 ℃，全年大于10 ℃活动积温2 600～2 700 ℃，无霜期120～130 d。

1.2 试验材料

从贵州省农业科学院油料研究所、甘肃省农业科学院院生物技术研究所、吉林省吉林市、黑龙江省各市县共引进紫苏资源90份。详见表1。

表1 紫苏资源编号及来源

1.3 资源表型性状调查与分析

采用田间种植方法，垄作，垄宽0.65 m，每份资源种植10 m2。每份材料间隔1垄，步道宽1.2 m。5月1日人工播种，穴播，每穴播种10～15粒，播种深度1.5～2.0 cm，播种后及时镇压。土壤干旱时需坐水种。生育期间进行正常的田间管理，适时收获。进行生育期调查及资源评价项目调查。

每份紫苏种质材料随机选取8份，按照《苏子种质资源描述规范和数据标准》[12]进行性状调查。选用12个形态性状和5个数量性状对紫苏资源进行表型多样性调查。观察测量17个形态学质量性状有种皮颜色、种子大小、子叶大小、叶片颜色、叶片大小、叶形、叶脉颜色、蒴口绒毛、花色、株型、穗型、熟性、株高、分枝数、总穗数、千粒重、单株籽粒重。收获期田间取样8株，对株高、分枝数、总穗数、千粒重、单株籽粒重等5个数量性状进行测量。对形态学质量性状进行分类赋值(表2)。

表2 紫苏种质资源调查的分类及其赋值

1.4 数据处理

数据处理利用SPSS 22软件进行分析。

2 结果与分析

2.1 紫苏种质资源的表型性状

通过紫苏的质量性状数据分析(见表3)，种子颜色以灰色和栗色为主，所占频率为37.8%和22.2%。种子大小以小粒为主，所占频率为71.1%。子叶大小以大叶为主，所占频率为90%，小叶所占频率为10%。叶片颜色以浅绿为主，所占频率为70%，绿色所占频率为23.3%，紫色所占频率为6.7%。叶片中大叶所占频率为58.9%，特大型叶所占频率较小。叶形以卵圆形频率最高，为54.4%，卵形所占频率为45.6%。叶脉颜色中绿色和紫色所占频率分别为66.7%和33.3%。蒴口绒毛以密集型为主，分布频率为57.8%，绒毛稀少型频率为42.2%。花色中白色花占主要频率为90.0%，紫色花频率为8.9%，红色花频率为1.1%。株型分为平顶型、塔型、伞型3种类型，频率分别为16.7%、74.4%、8.9%，株型以平顶型、塔型为主。穗型主要以长穗型为主，分别频率为77.8%，短穗型所占频率为22.2%。熟性特征以早熟类型较多，所占频率为41.1%，其次是晚熟，所占频率为38.9%，中熟类型所占频率为20%。

表3 紫苏种质表型性状频率分布

2.2 紫苏资源数量性状变异

由表4可见，90份紫苏资源数量性状存在很大的差异，株高、分枝数等5个数量性状的变异系数为19.01%～28.66%，差异显著。千粒重为0.90～5.76 g，其变异系数为28.66%，表明单株千粒重遗传多样性最为丰富；其次是单株总穗数，为41.17～238.00个，其变异系数为26.01%；株高为25.15～174.00 cm，变异系数为19.59%；分枝数为4.54～32.00个，变异系数为19.01%；单株籽粒重为5.07～50.20 g，变异系数为16.48%。综合表明，紫苏种质资源每个数量性状间具有显著差异，不同参试材料其性状之间也具有明显的多样性。

表4 紫苏种质表型数量性状分析

2.3 紫苏资源表型性状聚类

由图1可见，可将90份紫苏参试材料划分为三大类群。其中，第Ⅰ类有54份，代表资源有HZ 3-1和HZ 5。这类材料数量最多，类型较多，株高最高，总穗数最多，千粒重最高，穗型长，属于晚熟型；第Ⅱ类有28份，代表资源有Z 9和Z 2早，叶色浅绿色，叶形呈卵型，叶脉颜色呈绿色，花色以白色为主，属于早熟型；第Ⅲ类有8份，代表资源有HZ 57和丰香2号，种子颜色为褐色，子叶最小，叶脉颜色为紫色，花色以紫色为主，株型为伞型，穗型短小，株高最矮，主茎分枝数最少，总穗数最少，千粒重最小，单株籽粒重最大，属于中熟型。

2.4 紫苏资源各形态性状相关性

对90份紫苏资源形态性状间的相关性分析表明，种皮颜色分别与叶形、千粒重呈极显著负相关；种子大小与叶片大小呈显著正相关，与叶形、叶脉颜色、穗型、熟性、株高、总穗数、千粒重表现为极显著正相关；子叶大小与叶片颜色、单株籽粒重表现为极显著负相关，与叶脉颜色呈负相关，与穗型、株高、分枝数、总穗数、千粒重呈极显著正相关；叶片颜色与子叶大小、蒴口绒毛、穗型、株高、分枝数表现为极显著负相关，与叶形、叶脉颜色、花色、熟性、单株籽粒重表现为极显著正相关，与叶片大小表现显著正相关；叶片大小与蒴口绒毛呈显著负相关，分别与叶形、叶脉颜色、株型、熟性、单株籽粒重、呈极显著正相关，与总穗数呈显著正相关；叶形与蒴口绒毛呈极显著负相关，分别与叶脉颜色、熟性、总穗数、千粒重、单株籽粒重呈极显著正相关，与株型呈显著正相关；叶脉颜色分别与蒴口绒毛、分枝数呈极显著负相关，与花色、熟性、单株籽粒重呈极显著正相关，与总穗数呈显著正相关；蒴口绒毛分别与熟性、单株籽粒重呈极显著负相关，与千粒重呈显著负相关，与分枝数呈显著正相关；花色分别与分枝数、千粒重呈极显著和性状负相关，与熟性、单株籽粒重呈极显著正相关；穗型与株高、分枝数、总穗数、千粒重呈极显著正相关；熟性与分枝数呈显著负相关，分别与总穗数、单株千粒重呈极显著正相关；株高分别与分枝数、总穗数、千粒重呈极显著正相关；分枝数分别与总穗数、千粒重呈极显著和显著正相关，与单株籽粒重呈极显著负相关；总穗数与千粒重呈极显著正相关。各性状相关分析表明，种皮颜色越深千粒重越小。种子越大叶片、株高、总穗数、千粒重、千粒重越大，生育期延长。子叶越大叶片和叶脉颜色越浅，单株籽粒重越低。因此，根据性状相关性为紫苏品种改良和应用提供依据(见表5)。

表5 紫苏种质资源各形态性状的相关系数

2.5 紫苏资源表型性状主成分分析

在主成分的特征性状构成中，前4个主成分累计贡献率为69.792%，表明其集中了表型性状的主要信息。第Ⅰ主成分的特征值为3.488，贡献率为26.829%，其特征向量中分枝数、株高、穗型、总穗数、子叶大小性状指标载荷较高，这些性状与其表达的主要生物学信息有关。因此，第Ⅰ主成分分枝数、株高、穗型、子叶大小、总穗数构成因子，特征向量关系说明共5个变量承载的较多。第Ⅱ主成分的特征值为2.892，其贡献率为22.250%，其特征向量中熟性、单株籽粒重、叶片大小、叶片颜色性状指标有较高的载荷。第Ⅲ主成分的特征值为1.517，其贡献率为11.673%，特征向量中种子颜色、千粒重2个变量载荷最高。第Ⅳ主成分的特征值为1.175，其贡献率为9.040%，特征向量中株型载荷较重。4个主成分累计贡献率为69.792%，说明4个主因子分析是可行的(见表6、表7)。

表6 主因子变异数统计表

表7 旋转元件矩阵表

3 讨 论

3.1 紫苏资源表型性状多样性

种质资源的遗传多样性主要代表群体内个体基因组成的差异，遗传多样性的表现主要通过多数基因组合实现[13-15]。种质资源遗传差异大小直接影响性状遗传改良和研究利用的效果，新品种的选育或新材料创新依赖于优异基因的发掘与利用[16-18]。植物不同性状变异幅度是物种特有的遗传特性，是生物多样性的具体表现，也是反映某一物种资源丰富程度的重要指标[18]，因此，种质资源群体应保持一定的丰富度和多样性。大量学者在不同作物中利用不同研究方法对收集种质资源的遗传多样性进行综合评价、核心种质资源库构建、以提高种质资源利用效率[19-21]。

本研究通过对90份紫苏种质资源12个质量性状进行分析比较。根据12个质量性状的分布频率，其种子颜色、子叶大小、叶片颜色及熟性等性状变异系数较大，各性状差异明显，各紫苏种质资源之间存在明显的多样性。为今后紫苏资源多类型用途的品种选育提供亲本材料。

3.2 紫苏资源多样性的利用前景

本研究利用SPSS聚类分析方法对90份紫苏种质的17个性状进行了聚类，分为三大类，各类的特征差异明显[22]。第Ⅰ类54份，多为黑龙江省和吉林省搜集的地方品种和少部分育成品种，生育期在120 d左右，适于第一、第二积温带，该类型加以系统选育可应用于生产。第Ⅱ类28份，生育期90～100 d，通过驯化可以在第三至第五积温带种植。栽培上应合理密植，增加群体产量。第Ⅲ类8份，此类材料适于在温室、大棚等保护地栽培。其中z 84、zs 85、zs 86是紫叶材料，色素含量高，可直接用于红色素紫苏的商业种植。根据聚类分析结果和实际调查数据进行统筹分析资源，对资源利用和品种选育具有很好的前瞻性。

主成分分析是将多个变量转化为少数几个综合因子，每个主成分基本上又能反映原始变量的大部分信息，其所含信息互不重复。依据各因子的贡献率大小确定其重要性，因此将主成分分析用于对紫苏资源的生物学性状进行评价和筛选，可最大限度的简化相关性状选择程序。90份参试紫苏种质资源材料各性状类型差异较大，各主成分性状的载荷值反映了主要性状的育种选择潜力[2]。

由于紫苏表型性状的鉴定易受外界环境条件的影响，其表型性状表现不稳定，因此，还应结合分子标记鉴定方法对紫苏种质资源和品种进行遗传鉴定，为紫苏新品种选育和杂种优势的利用提供依据，促进杂种优势利用最大化[23]。

4 结 论

通过对紫苏种质资源的研究，了解种质类型多样性，对不同性状进行差异化选择可为资源改良利用和杂交品种选育提供原始材料，优良的种质通过系统选育改良后可以直接利用。