基于表型性状的马铃薯种质资源遗传多样性分析

韩志刚，谢 锐，金晓蕾，郭斌煜，郭景山

（1.内蒙古自治区农牧业科学院，内蒙古 呼和浩特 010031；2.内蒙古农业大学 农学院，内蒙古 呼和浩特 010019；3.河北农业大学，河北 保定 071001）

马铃薯（Solanum tuberosum L.）是全球继水稻、玉米、小麦后的第四大粮食作物，也是最重要的块茎类作物之一[1]。因营养较全面且适应性强，马铃薯在全球约162 个国家和地区种植。马铃薯具有丰富的遗传和形态多样性。由于气候、害虫、病原体以及消费者需求在变化，作物遗传多样性的保存和利用对提高单产、可持续性和营养品质而言是必不可少的[2]。因此，对马铃薯种质遗传多样性进行鉴定、评价是实现以高产、优质、高效为目标的品种创新的前提。

马铃薯种质资源遗传多样性评价主要可以分为形态学指标评价和分子水平评价[3]。在形态学指标评价方面，胡海波等[4]对引进的39 份马铃薯种质资源进行分析鉴定，通过不同选择方向筛选出早熟种质15 份、抗病种质4 份、高产种质5 份、黄色薯肉种质5 份；李芳弟等[5]通过对60 份马铃薯种质资源的熟期、商品薯率、产量和抗病性进行田间鉴定与评价，筛选出11 份抗病性强和5 份高产的资源；罗文彬等[6]对24 份冬作区马铃薯种质资源的营养品质和耐冻性进行评价分析，为选育高品质和耐冻的马铃薯品种（系）提供了亲本资源。在分子水平评价方面，国内学者利用分子标记技术对马铃薯种质资源开展了大量研究[7-10]，包括对种质的分类、评价、鉴定以及指纹图谱的构建方面的工作，为马铃薯育种亲本选配提供了理论依据。

利用多种方法对作物表型特征进行分析，如Shannon-Wiener 指数分析、主成分分析、相关性分析、聚类分析等，既可以实现信息的互补，又能提高表型选择的可靠性和真实性[11]。何虎翼等[12]对63 份马铃薯种质资源进行相关性分析、主成分分析、聚类分析，发现生育期、出苗率、主茎数、株高、单株块茎数和单株块茎重6 个指标可作为南方冬作区马铃薯筛选评价的优先指标。余斌等[13]对119 份引进马铃薯种质资源表型性状进行遗传多样性分析、相关性分析和主成分分析，结果表明，生育期的遗传多样性最为丰富，且单株产量、商品薯率、干物质含量等经济性状可作为评价马铃薯种质资源的主要指标。

内蒙古阴山北麓地区是我国马铃薯北方一作区重要的种薯和商品薯基地，马铃薯种植面积大且对市场上出现的新品种响应快，生产上应用的品种较多。本研究利用Shannon-Wiener 指数、主成分分析、相关性分析与聚类分析相结合的方法，对30 份马铃薯种质资源的遗传多样性进行鉴定、评价，解析其亲缘关系，以期挖掘优异种质资源，为内蒙古中西部地区马铃薯品种创新提供科学依据和物质基础。

1 材料和方法

1.1 供试材料

本试验所用材料由国家马铃薯产业技术体系呼和浩特综合试验站提供，具体信息见表1。

表1 马铃薯种质资源信息

1.2 试验设计

试验设置在阴山北麓呼和浩特市武川县，该县平均海拔1 682 m，年降水量355 mm，年平均温度3 ℃，无霜期110 d 左右。试验于2020年5—10月实施，具体实施地点为德胜沟乡东坡村（40°96′N，111°15′E），土壤类型为栗钙土，肥力均匀，前茬作物为燕麦。试验地0～20 cm 土层土壤理化性质见表2。

表2 试验地土壤理化性质

试验采用随机区组设计，3 次重复，小区为5 行区，行距0.9 m，行长2.0 m，株距0.25 m，每行种植8 株，试验区四周设置2 行保护行。播种机开沟，人工点播，机器覆土、起垄，灌溉方式为滴灌，常规大田管理。

1.3 测试指标及方法

1.3.1 性状调查 本试验田间性状的采集以《马铃薯种质资源描述规范》和《马铃薯种质资源数据质量控制规范》为依据，于马铃薯生育期间及收获后，对参试30 个品种的11 个质量性状（表3）和11 个数量性状（株高、茎粗、主茎数、单株块茎数、商品薯率、产量、干物质含量、粗淀粉含量、还原糖含量、VC含量、粗蛋白含量）进行调查、测定。收获后对马铃薯块茎进行干物质、粗淀粉、粗蛋白、VC、还原糖含量的测定，分别按食品安全标准GB 5009.3—2016、NY/T 11—1985、GB 5009.5—2016、GB 5009.86—2016、GB 5009.7—2016 进行。

表3 马铃薯质量性状赋值

1.3.2 数据分析 采用Excel 2010 和SPSS 22.0 软件进行数据处理和统计分析。对质量性状进行数字化处理，计算各质量性状的频数及遗传多样性指数；计算各数量性状的平均值、最大值、最小值、极差、标准差、变异系数；计算遗传多样性指数时将各性状进行10 级分类，第1 级为小于X-2δ，中间每级间隔0.5δ，第10 级为大于X+2δ，X 为每个数量性状的平均值，δ 为标准差。以Shannon-Wiener 指数标示遗传多样性指数，计算公式为：H=-∑PilnPi，Pi为某一个表型性状指标第i 个级别出现的概率情况。采用Ward 系统聚类法对马铃薯种质资源进行聚类分析，种质资源间遗传距离为欧式距离，同时，对数量性状进行主成分分析及相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同马铃薯品种（系）质量性状遗传多样性分析

由图1 可知，30 份马铃薯株型以直立为主，占56.7%；其次为半直立，占40.0%；开展株型仅占3.3%。茎颜色以绿色为主，占76.7%。叶片颜色以浅绿色和绿色为主，占76.7%。花繁茂性以少花和繁茂为主，分别占43.3%、50.0%。花色以白色为主，占67.9%；紫花占17.9%。薯形以椭圆形和圆形为主，分别占36.7%、26.7%；扁圆形占20.0%；长椭圆形占13.3%。皮色以黄色和淡黄色为主，占93.4%。肉色以淡黄色、黄色、白色为主，分别占40.0%、30.0%、20.0%。芽眼浅的占60.0%；中间型占33.0%；芽眼深的品种有2 个，占6.7%。表皮光滑度以光滑为主，占73.3%。块茎大小整齐的品种有18 个，占60.0%；中等整齐的占40.0%。

图1 质量性状频率

由图2 可知，30 份马铃薯的11 个质量性状遗传多样性指数（H 值）为0.673～1.424。质量性状H 值大于1 的主要有叶片颜色、肉色、薯形，分别为1.039、1.390、1.424；H 值大于0.800 的有皮色、花繁茂性、芽眼深浅、花色、株型，分别为0.938、0.889、0.853、0.849、0.802；表皮光滑度、茎颜色、块茎大小整齐度H 值分别为0.730、0.703、0.673。

图2 11 个质量性状遗传多样性指数

2.2 不同马铃薯品种（系）数量性状遗传多样性分析

由表4 可知，30 份马铃薯数量性状各指标间均存在不同程度的差异。平均值在0.4～33 615.0、最大值在0.7～57 330.0、最小值在0.1～13 200.0、变幅在0.5～44 130.0、标准差在0.1～10 875.1；变异系数为8.58%～38.85%，还原糖的变异系数最大、干物质含量变异系数最小；遗传多样性指数为1.705～1.997，商品薯率的遗传多样性指数最大、主茎数遗传多样性指数最小，其他性状的遗传多样性指数介于两者之间。上述结果表明，供试种质资源遗传多样性较为丰富。在参试品种中数量性状的遗传多样性指数整体高于质量性状，这与数量性状变异呈连续性的特点是一致的。

表4 马铃薯品种（系）数量性状遗传多样性分析

2.3 数量性状主成分分析

主成分分析可将大量指标转化为少量有效指标，基于主成分分析特征值大于1 的原则，得到4 个主成分（表5），贡献率分别为27.259%、23.558%、13.172%、12.000%，累计贡献率达75.989%，能较好地反映9 个数量性状的主要信息，因粗淀粉、还原糖、VC、粗蛋白含量为干物质含量的组成部分，在主成分分析时不再将干物质含量作为原始变量。

表5 马铃薯品种（系）数量性状主成分分析

第一主成分载荷较高的因子是株高、茎粗、产量，特征值分别为0.798、0.732、0.676，主要体现植株的繁茂性与产量的关系。通常情况下，植株健壮的马铃薯品种，块茎的产量增加。第二主成分载荷较高的因子是VC 含量、主茎数、商品薯率，特征值分别为0.713、-0.710、0.688。第三主成分载荷较高的因子是还原糖含量，特征值为0.844。第四主成分载荷较高的因子是粗淀粉含量，特征值为-0.511，该主成分主要反映了块茎粗淀粉含量的主要信息。

为进一步分析各资源的综合得分情况，利用提取的4 个主成分计算出综合主成分F 值，即可对各品种进行综合评价比较，结果见表6。排名前10 位的品种分别为晋1021-5、晋0905-14、晋薯16 号、同薯29 号、D518、京张2、东农310、冀张薯8 号、中薯25、D860。

表6 综合主成分得分情况

2.4 数量性状相关性分析

对30 个马铃薯种质资源的11 个数量性状进行相关性分析，结果见表7。株高、茎粗、主茎数、商品薯率与产量呈正相关，其中株高、商品薯率与产量呈显著正相关（P＜0.05），说明植株高大的品种（系）易获高产；商品薯率与单株块茎数呈显著负相关（P＜0.05）；干物质含量与粗淀粉含量呈极显著正相关（P＜0.01）；VC 含量与茎粗、主茎数、干物质含量、粗淀粉含量呈负相关关系，与单株块茎数呈极显著正相关关系（P＜0.01）。从本研究的30 份马铃薯种质资源看，株高更高、茎粗更粗的品种（系）有获得较高块茎产量的趋势；单株块茎数较多的品种（系）商品薯率倾向于较低。

表7 数量性状相关性分析

2.5 聚类分析

采用Ward 系统聚类法，以11 个数量性状为依据对30 份马铃薯种质资源进行聚类分析，当欧氏距离为5.0 时，可将30 份资源划分为3 大类群（图3），其性状特征见表8。第Ⅰ类群包含8 份马铃薯材料，分别为克新1 号、2013-53-2、BF0747.41、BF0743.13、D943、陇薯11 号、L1039-6、红美，占供试材料的26.7%。该类群平均株高64.68 cm、茎粗1.22 cm、主茎数1.9 个、单株块茎数4.9 个、商品薯率70.3%、平均产量19 327.5 kg/hm2、干物质含量20.31%、粗淀粉含量14.58%、还原糖含量0.41%、VC 含量22.22 mg/100 g、粗蛋白含量1.58%，株高、茎粗、主茎数较小，产量在3 个类群中最低，但粗蛋白含量、VC 含量较高，可用于特殊用途马铃薯改良的亲本材料。第Ⅱ类群包含9 份马铃薯材料，分别为兴佳2 号、京张2、冀张薯8 号、中薯早35、1105-8、同薯29 号、中薯25、陇薯3 号、冀张薯12 号，占供试材料的30.0%。该类群平均株高74.63 cm、茎粗1.31 cm、主茎数2.2 个、单株块茎数4.7 个、商品薯率80.4%、平均产量45 838.5 kg/hm2、干物质含量20.12%、粗淀粉含量14.78%、还原糖含量0.28%、VC 含量19.95 mg/100 g、粗蛋白含量1.40%。株高、茎粗、主茎数适中，产量、商品薯率在3 个类群里最高，且还原糖较低，可用于高产组合的亲本。第Ⅲ类群包含13 份马铃薯材料，分别为冀张薯14 号、BF1020.1、晋薯16 号、晋0905-14、晋1021-5、Shepody、D518、中心801、康尼贝克、陇薯9 号、大同里外黄、D860、东农310，占供试材料的43.3%。该类群平均株高82.85 cm、茎粗1.37 cm、主茎数2.5 个、单株块茎数5.1 个、商品薯率77.9%、平均产量33 945.0 kg/hm2、干物质含量21.12%、粗淀粉含量15.39%、还原糖含量0.38%、VC 含量18.73 mg/100 g、粗蛋白含量1.49%。株高、茎粗、主茎数、单株块茎数、干物质含量、粗淀粉含量在3 个类群中最高，且产量适中。

表8 各种质类群数量性状特征

图3 30 份马铃薯种质资源聚类图

3 讨论与结论

种质资源是作物遗传改良的物质基础，明确现有种质的遗传多样性对提高资源利用率、品种创新具有重要意义[14]。本试验通过对国内外30 份马铃薯种质资源基于表型性状进行遗传多样性的分析，结果表明，该群体表型多样性丰富，尤其是薯形、肉色、叶片颜色及皮色，遗传多样性指数分别达到了1.424、1.390、1.039、0.938；产量、商品薯率、单株块茎数、粗淀粉含量等的遗传多样性指数也都达到了1.900 以上。产量、还原糖含量、主茎数变异系数较大，表明以上3 个性状在该研究所用的30 份材料中变异程度较大。在收集的种质资源中薯形以圆形、椭圆形为主，薯皮色以淡黄色、黄色居多，薯肉色以淡黄色、黄色占比较大，因此，在今后工作中应加强收集薯形、薯皮色、薯肉色等农艺性状多样化的种质资源，用以丰富育种资源，从而适应市场的多元化。

目前马铃薯新品种选育以常规杂交育种为主，由于设定的育种目标不同，育种者往往依据少数表现优异的性状对亲本材料进行筛选，人为增加了杂交组合配制过程中选择亲本材料时的局限性和片面性。主成分分析可将大量相关指标转化为少数几个综合因子，即用少数的变量因子概括解释所有变量信息，从而实现提高农艺性状信息的准确性。潘哲超等[15]对68 份马铃薯品种的14 个农艺性状进行主成分分析，确定了生物量因子、块茎大小因子、主茎数因子等，累计贡献率达83.290%，较好地反映了14 个农艺性状的大部分信息；李守田等[16]对15 个马铃薯的7 个营养品质指标进行了主成分分析，提取了4 个主成分，累计贡献率达89.592%。本研究通过对30 份马铃薯品种（系）的9 个性状开展主成分分析，提取了4 个主成分，分别为营养品质、产量、干物质含量、还原糖含量，累计贡献率达75.989%，可较好地反映9 个数量性状信息。

马铃薯的经济器官是块茎，块茎产量的形成与地上部形态建成（光合器官的多寡、维持时间的长短）以及根系对矿质营养的吸收能力等密切相关。杨春等[17]、孙邦升等[18]研究结果显示，株高与产量相关系数分别为0.351、0.268。本研究发现块茎产量与株高、茎粗、主茎数、商品薯率呈正相关，且株高与产量相关系数达0.389，说明地上部植株性状一定程度上决定着块茎产量。此外，由于育种者在马铃薯新品种选育过程中将注意力更多地放在对产量和外观性状的追求，忽视了营养品质，致使育成的品种（主要指鲜食型）往往高产却营养品质欠佳，表现为一定群体内产量与营养品质的负相关。本研究和叶玉珍[19]的报道均证明这一点。另外，鲜食消费市场早已不再满足于解决温饱，而对品质要求越来越高。基于这种现状，在今后新品种选育的过程中，营养品质也要作为考查的主要指标。

在根据育种目标进行杂交组合选配前，常规育种的育种者在选择亲本时往往以亲本表型互补为基本原则，这种做法有一定的局限性，聚类分析可一定程度上弥补这方面的不足。本研究将30 份种质材料在欧氏距离为5.0 时分为三大类群，第Ⅰ类群株高较低、产量低，但营养品质（VC、粗蛋白）表现最好，可作为鲜食型品种选育营养品质基因的来源；第Ⅱ类群株高适中、产量高、商品薯率高、单株块茎数少且还原糖含量较低，可作为培育高经济价值亲本材料；第Ⅲ类群株高最高、产量适中，干物质、粗淀粉含量表现优良，且单株块茎数较多，可作为淀粉加工杂交组合的亲本。第Ⅱ、第Ⅲ类性状间互补，且符合油炸加工品种选育的要求。通过聚类分析结果能充分体现各种质资源间的遗传差异和亲缘关系，有目的地优化杂交组合，为培育不同利用价值的马铃薯新品种奠定基础。

种质评价的目的是对其特点进行充分了解，以便用于种质创新、品种改良，因此，所调查性状的有效性、精准性、全面性是表型性状遗传多样性分析的重中之重。本研究所用马铃薯种质性状是基于一年一点的试验数据，具有一定局限性，考虑到数量性状由多基因控制及基因型与环境互作的因素，下一步工作将开展多年多环境的鉴定；另外，还必须补充育性性状的调查，如花粉育性、花粉活力、天然结实情况、TPS 有无、花期长短等，通过对育性的调查、鉴定，确保其作为有性杂交亲本时可育，从而提高杂交效率。