益智种质资源表型性状的遗传多样性分析

李英英 郑云柯 晏小霞 王清隆 羊青 汤欢 王茂媛 王祝年

摘  要：對收集的90份益智种质资源的18个表型性状进行遗传多样性分析，以期为益智品种改良和种质创新提供依据。结果表明：供试的益智种质具有丰富的遗传多样性，质量性状中多样性指数最高的为果形（1.1507），数量性状中多样性指数最高的为株高（2.0700），变异系数最大的为结果枝数（41.32%）;提取的6个主成分累计贡献率为68.339%，第一主成分主要反映的是益智植株的叶片形态和株高，第二主成分主要反映的是益智外观形态及生长状态，第三主成分主要反映的是益智植株的分枝状况，第四主成分主要反映的是益智的产量，第五主成分主要反映的是益智的花果量，第六主成分主要反映的是益智的果产量。通过聚类分析将供试材料划分为4大类群，其中第I类群可作为益智抗倒伏及矮化品种进行开发，第II类群可作为益智品种改良和杂交育种的材料，第III类群可作为益智育种生产材料，第IV类群可用于观赏益智材料的筛选。本研究为益智优异种质筛选、资源合理利用、品种改良和品种选育提供参考依据。

关键词：益智;表型性状;种质资源;遗传多样性

中图分类号：S326      文献标识码：A

Genetic Diversity Analysis of Alpinia oxyphylla Germplasm Resources by Phenotypic Traits

LI Yingying1， ZHENG Yunke2， YAN Xiaoxia1， WANG Qinglong1， YANG Qing1， TANG Huan1， WANG Maoyuan1， WANG Zhunian1*

1. Tropical Crops Genetic Resources Institute， Chinese Academy of Tripical Agricultural Sciences， Haikou， Hainan 571101， China;

2. Institute of Tropical Bioscience and Biotechnology， Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences， Haikou， Hainan 571101， China

Abstract： The genetic diversity by 18 phenotypic traits of 90 Alpinia oxyphylla germplasm resources was analyzed to provide the basis for the improvement and germplasm innovation of Alpinia oxyphylla varieties. The genetic diversity was rich in the germplasms. In qualitative traits， the highest Shannon-Wiener diversity index was for fruit shape （1.1507）. In quantitative traits， the highest genetic diversity indexes were for plant height （2.0700）， the highest coefficient variation （CV） was for the branch number of fruit （41.32%）. The cumulative contribution rate of the first 6 principal components was 68.339%. The first principal component mainly reflected the leaf shape and plant height. The second principal component mainly reflected the appearance and growth state. The third principal component mainly reflected the branching status. The fourth principal component mainly reflected the output. The fifth principal component mainly reflected the amount of fruit. The sixth principal component mainly reflected the fruit yield. The experimental materials were divided into four groups by cluster analysis. Group I could be developed as lodging resistant and dwarfing varieties. Group II could be used as the material for improvement and cross breeding. Group III could be used as the production material. The fourth group could be used for the screening of ornamental materials. This study would provide a basis for the selection of excellent germplasm， rational utilization of resources， variety improvement and breed selection.

Keywords： Alpinia oxyphylla Miq.; phenotypic trait; germplasm resource; genetic diversity

DOI： 10.3969/j.issn.1000-2561.2022.01.013

益智（Alpinia oxyphylla Miq.），别名益智仁、益智子，为姜科（Zingiberaceae）山姜属（Alpinia）多年生草本植物，与槟榔、巴戟和砂仁并称为我国四大南药，在我国中医药领域中应用比较广泛，医学价值较高[1]。种质资源是种质创新和新品种选育的物质基础[2]，对益智开展种质资源遗传多样性研究，可了解益智种质的遗传和变异状况，为益智优异种质筛选、资源合理利用、品种改良和品种选育提供参考依据。

为提高益智品种选育效率，对益智开展不同表型性状间相关性及其遗传多样性分析变得尤为重要。目前有关益智种质资源多样性的研究报道较少。仅见晏小霞等[3]对海南岛43份益智种质资源的表型性状进行变异性、相关性、主成分和聚类分析，并分析表型性状与环境因子间的相关性，结果表明，24个表型性状的变异系数范围为6.48%～55.12%，各性状之间存在非常复杂的相关性，前7个主成分累计贡献率达到76.029%，在歐氏距离13.0时可将供试材料分为7个类群，表型性状与经度、纬度、海拔、荫蔽度4个环境因子具有极显著相关性。潘坤等[4]统计了海南野生益智居群的平均株高、单丛茎秆数、单丛果穗数、单穗重等影响产量的形态表型数据并计算其变异系数，结果表明，居群间性状差异显著，变异系数差异较大，具有较丰富的遗传多样性;王祝年等[5]对海南岛益智种质资源表型变异及ISSR分析进行研究，结果发现不同益智种质的各种性状均存在变异;郭艺等[6]基于ITS序列研究南药益智遗传多样性，结果表明，海南岛不同居群的益智种内ITS序列无差异，未发现遗传变异位点。本研究以90份益智种质作为试验材料，针对益智18个表型性状进行遗传多样性分析，明确益智表型变异的丰富度及不同种质间的遗传关系，为益智品种改良和种质创新提供参考依据。

1  材料与方法

1.1  材料

90份供试材料由中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所提供，资源居群编号及来源见表1。

1.2  方法

每个居群选择6株试验材料，参照王祝年[7]编制的《南药种质资源数据质量控制规范》，调查益智的18个形态指标，其中数量性状采用测量法，包括株高、分枝数、开花枝数、结果枝数、开花枝叶片数、开花枝茎粗、结果枝果粒数、百粒重、开花枝着花数、果序长、单粒长、单粒宽共12个指标;质量性状采用直接观察法，包括植株姿态、叶片先端形状、叶片颜色、叶柄、果形、叶病共6个指标。

1.3  数据处理

对调查得到的结果进行统计分析，第一类为质量性状，对植株姿态、叶片先端形状、叶片颜色、叶柄、果形、叶病分别赋予数值，统计其分布频率和多样性指数;第二类为数量性状，包括株高、分枝数、开花枝数、结果枝数、开花枝叶片数、开花枝茎粗、结果枝果粒数、百粒重、开花枝着花数、果序长、单粒长、单粒宽，统计其最大值、最小值、平均值、标准差、变异系数和多样性指数（根据平均数、标准差将数量性状分成10个等级，第1级Xi<（x–2s），第10级Xi≥（x+2s），x为标准差，每0.5s为1个等级，用每一组的相对频率来计算多样性指数[8]），遗传多样性指数计算公式为：H′=–∑（Pi×LnPi），式中，H′为遗传多样性指数，Pi为某性状第i个等级的出现频率，Ln为自然对数[9]。

运用SPSS 20.软件对益智18个性状进行相关性分析和主成分分析，采用系统聚类组间聚合的方法对90份益智种质资源进行聚类，以欧氏距离作为品种间距离[10]。

2  结果与分析

2.1  益智种质资源表型性状遗传多样性分析

2.1.1  质量性状分析  对供试种质的6个质量性状进行描述性统计分析，共有19个变异类型。植株姿态的遗传多样性指数H′为0.9517，供试种质中倾斜型植株最多，占56.67%，其次为倒伏型（30.00%），直立型最少（13.33%）。叶片先端形状的遗传多样性指数H′为0.6773，供试种质中叶片形状尾状渐尖的最多（58.89%），渐尖而钝的较少（41.11%）。叶片颜色的遗传多样性指数H′为1.1147，供试种质中绿色最多（60.00%），其次为深绿色（27.78%），复合色（10.00%），最少为黄色（2.22%）。叶柄的遗传多样性指数H′为0.4322，

供试种质中有叶柄的最多（84.44%），无叶柄的很少（15.56%）。果型的遗传多样性指数H′为1.1507，供试种质中椭圆形果最多（45.56%），其次为近圆形（36.67%）、纺锤形（11.11%），倒卵形最少（16.67%）。叶病的遗传多样性指数H′为1.1453，供试种质中叶病为轻型的最多（50.00%），其次为中型的（28.89%），无病的较少（14.44%），重型的最少（6.67%）。

2.1.2  数量性状分析  对供试种质的12个数量性状进行描述性统计分析，结果见表2。90份益智种质资源数量性状的变异系数在9.04%～ 41.32%之间，遗传多样性指数H′在1.8921～2.1451之间，表明益智拥有丰富的遗传多样性。结果枝数、结果枝果粒数、百粒重为益智的产量指标，其中结果枝果粒数的遗传多样性指数H′最高为2.1451，变异系数为18.94%;百粒重的遗传多样性指数H′最低为1.9980，变异系数为27.18%。单粒长和单粒宽为益智果实的外观指标，其中单粒长的遗传多样性指数H′为2.0244，变异系数为9.55%;单粒宽的遗传多样性指数H′为1.9711，变异系数为11.25%。在株高、分枝数、开花枝数、开花枝叶片数、开花枝茎粗、开花枝着花数、果序长中，遗传多样性指数H′最高的是株高（2.0682），变异系数最高的是开花枝数（34.75%）。

2.2  益智种质资源数量性状相关性分析

对益智12个数量性状进行相关性分析（表3），结果显示，多数性状之间存在显著或极显著的相关性，开花枝数、结果枝数、结果枝果粒数与分枝数呈极显著正相关，结果枝数、结果枝果粒数与开花枝数呈极显著正相关，开花枝叶片数、开花枝茎粗、果序长、单粒长与株高呈极显著正相关，开花枝叶片数与分枝数呈显著负相关，开花枝叶片数与开花枝数呈极显著负相关，开花枝茎粗与开花枝叶片数呈极显著正相关，结果枝果粒数与结果枝数呈极显著正相关，百粒重与株高、开花枝数、结果枝数、结果枝果粒数、果序长呈显著正相关， 百粒重与开花枝茎粗呈极显著正相关，果序长与结果枝数、开花枝茎粗呈显著正相关，果序长与开花枝着花数呈极显著正相关，单粒长与开花枝数、单粒宽呈显著正相关。

2.3  益智种质资源表型性状的主成成分分析

为更加清晰地显示各表型性状在益智多样性构成中的作用，对90份益智种质资源的18个表型性状进行主成分分析（表4）。主成分的特征值和贡献率是选择主成分的主要依据，以特征值大于1.0为标准提取成分[11]，结果表明，特征值在1.0以上的有6个主成分，提取前6个主成分积累贡献率为68.339%，表明这6个主成分可反映全部指标的大部分遗传信息。

第一主成分特征值为3.700，贡献率为20.558%，主要包含的农艺性状有叶片先端形状、叶片颜色、叶柄有无、株高等，其特征向量值分别为0.800、0.905、0.774和0.928，这类性状主要反映的是益智植株的叶片形态和株高。第二主成分特征值为2.831，贡献率为15.726%，主要包含的农艺性状有植株姿态、果形、叶病，其特征向量值分别为0.825、0.647、0.709，这类性状主要反映的是益智外观形态及生长状态。第三主成分特征值为1.821，贡献率为10.118%，主要包含的农艺性状有分枝数和开花枝茎粗，其特征向量值分别为–0.566、–0.678，这类性状主要反映的是益智植株的分枝状况。第四主成分特征值为1.606，贡献率为8.923%，主要包含的农艺性状有开花枝数和结果枝数，其特征向量值分别为0.810和0.636，这类性状主要反映的是益智的产量。第五主成分特征值为1.218，贡献率为6.765%，主要包含的农艺性状有开花枝着花数和果序长，其特征向量值分别为0.619和0.494，这类性状主要反映的是益智的花果量。第六主成分特征值为1.125，贡献率为6.249%，主要包含的农艺性状有结果枝果粒数和百粒重，其特征向量值分别为0.680和0.453，这类性状主要反映的是益智的果产量。

在主成分中，按照贡献率和特征值的大小筛选出叶片先端形状、叶片颜色、叶柄有无、株高、植株姿态、果形、叶病、分枝数、开花枝茎粗、开花枝数、结果枝数、开花枝着花数、果序长、结果枝果粒数和百粒重，这些性状可在益智创新育种和种质资源评价过程中作为主要指标。

2.4  益智种质资源的聚类分析

对90份益智种质资源的18个性状进行聚类分析（图1），在欧氏距离为13.7时，可聚为4大类群，不同类群间具有差异。第I类群包含15份材料，其主要特征为株高最小，平均值为143.83 cm;开花枝叶片数最少，平均值为20.67;开花枝茎粗最小，平均值为8.26 mm;开花枝着花数最少，平均值为58.14;果序长最短，平均值为8.68 cm;分枝数、开花枝数、结果枝数、结果枝果粒数、百粒重和单粒长均处在中间水平，該类群株高较矮，植株姿态呈现直立和倾斜，因此，该类群可作为益智抗倒伏及矮化品种进行开发。

第II类群包含59份材料，主要特征为株高最高，平均值为170.50 cm;分枝数最多，平均值为51.61;开花枝数最多，平均值为17.53;结果枝数最多，平均值为13.02;结果枝果粒数最多，平均值为22.77;百粒重最高，平均值为91.81 g;单粒长最长，平均值为16.06 mm;单粒宽最长，平均值为11.76 mm;果序长、开花枝着花数、开花枝茎粗、开花枝叶片数均处于中间水平，该类群株高最高，分枝数、开花枝、结果枝数、结果枝果粒数、百粒重、单粒长和单粒宽均为最大，是优异种质资源，因此，该类群可作为益智品种改良和杂交育种的材料。

第III类群包含12份材料，主要特征为植株开花枝着花数最多，平均值为100.02;果序长在4个居群中最大，平均值为11.82;其他指标均处于中间水平，因此，该类群可作为益智育种的生产材料。

第IV类群包含4份材料，主要特征为植株分枝数、开花枝数、结果枝数、结果枝果粒数、百粒重、单粒长和单粒宽均为最小，开花枝叶片数最多，平均值为24.27，因此，该类群可用于观赏益智材料的筛选。

3  讨论

植物表型性状是由遗传因素和环境因素相互作用的结果，因此，可通过遗传多样性指数和变异系数表示植物性状间的亲缘关系，其中遗传多样性指数反映该物种的遗传丰富度，遗传多样性指数越高，资源对环境的适应性程度越强;变异系数可反映物种在适应环境过程中产生的变异，变异系数越大，表明获得优良资源的可能性越大[12-14]。本研究通过对90份益智种质资源的18个表型性状进行遗传多样性分析，结果表明，益智具有较丰富的遗传变异，6个质量性状中有19个变异类型，其中果形的遗传多样性指数最高，为1.1507;12个数量性状变异系数范围在9.04%～41.32%之间，其中变异系数大于10%的数量性状有8个，最大的是结果枝数为41.32%，这表明供试资源可作为选育不同益智优良种质的材料，为后期益智的品种选育提供基础。

通过对益智种质资源的数量性状进行相关性分析，结果表明，多数性状之间存在显著或极显著的相关性。主成分分析结果表明，特征值在1.0以上的有6个主成分，其积累贡献率为68.339%，第一主成分主要反映的是益智植株的叶片形态和株高，第二主成分主要反映的是益智外观形态及生长状态，第三主成分主要反映的是益智植株的分枝状况，第四主成分主要反映的是益智的产量，第五主成分主要反映的是益智的花果量，第六主成分主要反映的是益智的果产量。

通过聚类分析将供试材料划分为4大类群，其中第I类群株高较矮，植株姿态呈现直立和倾斜，该类群可作为益智抗倒伏及矮化品种进行开发;第II类群株高最高，分枝数、开花枝、结果枝数、结果枝果粒数、百粒重、单粒长和单粒宽均为最大，是优异种质资源，可作为益智品种改良和杂交育种的材料;第III类群果序长在4个居群中最大，其他指标均处于中间水平，该类群可作为益智育种生产材料;第IV类群分枝数、开花枝数、结果枝数、结果枝果粒数、百粒重、单粒长和单粒宽均为最小，开花枝叶片数最多，该类群可用于观赏益智材料的筛选。晏小霞等[3]对43份益智资源进行聚类分析，欧氏距离在13.0时，可将供试材料分为7个类群。本研究的聚类结果与晏小霞等[3]的研究结果不同，其原因可能是受环境、数量、株龄等多种因素的影响。本研究对划分的4大类群进行了不同应用情况分析，可为益智的不同需求情况提供选择参考。

在植物育种工作中，一方面可依据聚类分析和主成分排序来进行筛选和组合，但不同的外界环境和种植模式对植物的表型性状有一定的影响[13， 15]，随着现代分子生物技术的快速发展，植物遗传多样性的研究开始借助分子标记的手段开展[16]，因此，开展益智遗传育种时，将表型性状研究和分子生物学技术相结合，将会使遗传育种的结果更加科学精准。

参考文献

[1] 李英英， 王祝年， 晏小霞， 王清隆， 羊  青， 汤  欢， 王茂媛. 不同氮磷钾配比对益智生长指标及产量的影响[J]. 中药材， 2020， 43（10）： 2345-2349.

LI Y Y， WANG Z N， YAN X X， WANG Q L， YANG Q， TANG H， WANG M Y. Effects of different fertilizer ratios on growth indexes and yield of Alpinia oxyphylla[J]. Journal of Chinese Medicinal Materials， 2020， 43（10）： 2345-2349. （in Chinese）

[2] 刘  旭， 李立会， 黎  裕， 方  沩. 作物种质资源研究回顾与发展趋势[J]. 农学学报， 2018， 8（1）： 1-6.

LIU X， LI L H， LI Y， FANG W. Crop germplasm resources： Advances and trends[J]. Journal of Agriculture， 2018， 8（1）： 1-6. （in Chinese）

[3] 晏小霞， 邱燕連， 王茂媛， 王清隆， 羊  青， 李英英， 王祝年. 海南产益智种质资源表型多样性及其与环境因子相关性研究[J]. 中药材， 2020， 43（11）： 2644-2649.

YAN X X， QIU Y L， WANG M Y， WANG Q L， YANG Q， LI Y Y， WANG Z N. Phenotypic diversity of germplasm resources of Alpinia oxyphylla and its correlation with environmental factors in Hainan province[J]. Journal of Chinese Medicinal Materials， 2020， 43（11）： 2644-2649. （in Chinese）

[4] 潘  坤， 刘晓静， 高炳淼， 王海燕， 王文泉. 海南益智野生居群表型多样性分析[J]. 安徽农业科学， 2016， 44（16）： 106-108， 116.

PAN K， LIU X J， GAO B M， WANG H Y， WANG W Q. Phenotypic diversity analysis on wild populations of Alpinia oxyphylla Miq. of Hainan Island[J]. Journal of Anhui Agricultural Science， 2016， 44（16）： 106-108， 116. （in Chinese）

[5] 王祝年， 邱燕连， 晏小霞， 陈永锋， 叶才华. 海南岛益智种质资源表型变异及ISSR分析[J]. 热带作物学报， 2016， 37（9）： 1695-1702.

WANG Z N， QIU Y L， YAN X X， CHEN Y F， YE C H. Morphological variation and ISSR analysis of Alpinia oxyphylla germplasm resources from Hainan Island[J]. Chinese Journal of Tropical Crops， 2016， 37（9）： 1695-1702. （in Chinese）

[6] 郭  艺， 高炳淼， 潘  坤， 侯  杰， 李永辉， 张俊清. 基于ITS序列研究南药益智遗传多样性[J]. 分子植物育种， 2018， 16（3）： 1027-1032.

Guo Y， Gao B M， Pan K， Hou J， Li Y H， Zhang J Q. Genetic diversity study of southern medicine Alpinia oxyphylla Miquel based on the ITS sequence[J]. Molecular Plant Breeding， 2018， 16（3）： 1027-1032. （in Chinese）

[7] 王祝年. 南药种质资源数据质量控制规范[M]. 北京： 中国农业出版社， 2007.

WANG Z N. Specification for data quality control of germplasm resources of Southern medicine[M]. Beijing： China Agriculture Press Co.， Ltd， 2007. （in Chinese）

[8] Shannon C E， Weaver W. The mathematical theory of communication[M]. Chicago： The University of Illinois Urbana， 1949： 3224.

[9] 孔繁玲. 植物数量遗传学[M]. 北京： 中国农业大学出版社， 2006.

KONG F L. Plant quantitative genetics[M]. Beijing： China Agricultural University Press， 2006. （in Chinese）

[10] 连子豪， 黄少华， 陈艳艳， 牛俊海， 尹俊梅. 红掌种质资源重要观赏性状遗传多样性分析[J]. 热带作物学报， 2020， 41（12）： 2413-2419.

LIAN Z H， HUANG S H， CHEN Y Y， NIU J H， YIN J M. Genetic diversity analysis of important ornamental traits in Anthurium germplasm resources[J]. Chinese Journal of Tropical Crops， 2020， 41（12）： 2413-2419. （in Chinese）

[11] 魏仕伟， 杨  华， 张前荣， 陈海荣， 罗利军， 龙  萍. 基于表型性状的叶用莴苣资源多样性分析[J]. 植物遗传资源学报， 2016， 17（5）： 871-876.

WEI S W， YANG H， ZHANG Q R， CHEN H R， LUO L J， LONG P. The diversity of lettuce resource based on the analysis of phenotypic traits[J]. Journal of Plant Genetic Resources， 2016， 17（5）： 871-876. （in Chinese）

[12] 王  娟， 李荫藩， 梁秀芝， 郑敏娜. 北方主栽燕麦品种种质资源形态多样性分析[J]. 作物杂志， 2017（4）： 27-32.

WANG J， Li Y F， LIANG X Z， ZHENG M N. Morphological diversity of main oat germplasm resources in Northern China[J]. Crops， 2017（4）： 27-32. （in Chinese）

[13] 张向前， 刘景辉， 齐冰洁， 郭晓霞， 焦伟红. 燕麦种质资源主要农艺性状的遗传多样性分析[J]. 植物遗传资源学报， 2010， 11（2）： 168-174.

ZHANG X Q， LIU J H， QI B J， GUO X X， JIAO W H. Cluster diversity analysis of the main agronomic traits in oat germplasm[J]. Journal of Plant Genetic Resources，， 2010， 11（2）： 168-174. （in Chinese）

[14] 郝  峰， 徐  柱， 李  平， 李金在， 马玉宝， 闫伟红. 雀麦属13种植物形态遗传多样性研究[J]. 中国草地学报， 2011， 33（2）： 17-24.

AO F， XU Z， LI P， LI J Z， MA Y B， YAN W H. Morphological genetic diversity of Bromus L.[J]. Chinese Journal of Grassland， 2011， 33（2）： 17-24. （in Chinese）

[15] 王曉静. 番茄种质资源品质性状遗传多样性研究[D]. 杨陵： 西北农林科技大学， 2010.

WANG X J. Study on genetic diversity of quality traits of tomato germplasm resources[D]. Yangling： Northwest University of Agriculture and Forestry Science and Technology， 2010. （in Chinese）

[16] 芮文婧， 王晓敏， 张倩男， 胡学义， 胡新华， 付金军， 高艳明， 李建设. 番茄353份种质资源表型性状遗传多样性分析[J]. 园艺学报， 2018， 45（3）： 561-570.

RUI W Q， WANG X M， ZHANG Q N， HU X Y， HU X H， FU J J， GAO Y M， LI J S. Genetic diversity analysis of 353 tomato germplasm resources by phenotypic traits[J]. Acta Horticulturae Sinica， 2018， 45（3）： 561-570. （in Chinese）