16份桄榔种质主要农艺性状的遗传多样性分析

2022-06-06杨海霞李恒锐梁振华马仙花刘连军陈海生

西南农业学报 2022年5期

兰秀，杨海霞，李恒锐，梁振华，马仙花，刘连军，陈海生

(广西南亚热带农业科学研究所，广西崇左 532415)

【研究意义】桄榔(Arengapinnata)又名砂糖椰子、糖棕、姑榔木，属棕榈科桄榔属植物[1]，我国的桄榔树主要分布在广西、海南、云南、广东、贵州和台湾等地[2]，广西的桄榔树主要分布在西南部的靖西、德保、大新、天等和龙州等市(县)。桄榔树髓心含有淀粉(桄榔粉)，可用作药食同源食物[3]，近年来作为营养保健食品开发愈来愈受到消费者的关注。优异的桄榔种质是提取桄榔粉的基础，但由于桄榔树砍伐后再无复萌能力[4]，加上长期的只砍不种和不保护的恶性循环，以及该物种生长缓慢、种子发芽率低等自然障碍，导致桄榔天然种群更新不良，种群数量已急剧下降[5]。因此，开展桄榔种质资源遗传多样性分析，对桄榔种质资源的保护和优异品种选育均具有重要意义。【前人研究进展】遗传多样性是生物学研究的核心之一，丰富的遗传变异对于培育优质、高抗品种非常重要[6]，而表型农艺性状多样性是遗传多样性的具体表现，是遗传基础与环境多样性的综合体现，其差异在一定程度上可反映遗传的异质性[7]，进行遗传多样性研究一方面可帮助了解种质资源的多样性状况、遗传结构及地域间的亲缘关系，另一方面还可帮助对种质资源进行区划，进而制定合理的开发利用方案和育种策略[8-9]。遗传多样性分析已在核桃[10]、苹果[11]、茶树[12]、睡莲[13]、酸枣[14]、水稻[15]、小麦[16]、芸豆[17]、菜心和芥蓝[18]等多种植物上应用，其中采用较多的统计分析方法有相关分析法、主成分分析法和聚类分析等。李根等[10]应用变异分析法和聚类分析法探讨新疆各地老龄核桃的表型多样性，发现新疆和田地区老龄核桃各性状的遗传多样性最丰富，综合表现最优。张学超等[11]对新疆伊犁天山地区160份新疆野苹果种质的14个表型性状进行评价鉴定，并筛选出特异种质。黄政等[12]以1754 份地方茶树种质为材料，进行形态特征系统鉴定及遗传多样性分析，结果表明，叶色的遗传多样性最丰富，叶厚的遗传多样性最贫乏，采用聚类分析法可将茶树种质分为五大类，并可用于指导筛选优势茶树种质资源及保护利用地方茶树种质资源。潘庆龙等[13]对86份睡莲种质的45个表型性状进行多样性、相关性、聚类和主成分分析并进行综合评价，结果发现澳洲白巨睡莲的排名最高，小白子午莲睡莲的排名最低。史卫东等[18]对菜心和芥蓝进行表型多样性分析，发现主成分分析可简化表达菜心和芥蓝的表型性状及其相互关系，用于评价原始性状更简单直观，用于种质资源评价可提高准确度。杨涛等[19]对多份海岛棉种质的12个表型性状进行遗传多样性分析和综合评价，发现参试海岛棉种质类型较丰富，但遗传多样性较贫乏。余莉等[20]运用描述性分析、相关分析、主成分分析和聚类分析法对35个芸豆品种的农艺性状进行综合评价，并揭示其遗传距离和多样性。王小娟等[21]对13份矮生番茄种质的质量性状和数量性状进行遗传变异、主成分、相关和聚类分析，筛选出适合盆栽观赏的番茄品种和育种材料。【本研究切入点】目前，鲜见应用相关、主成分和聚类分析等方法进行桄榔种质资源多样性分析的报道。【拟解决的关键问题】观测采集自不同地区16份桄榔种质的农艺性状，进行遗传多样性、相关、聚类和主成分分析，在主成分分析的基础上对16份种质进行综合评价，筛选综合表现优良的种质，为桄榔种质资源的保护、开发和优异种质的选育提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

16份桄榔种质于2021年5—6月采集于我国不同地区，材料来源信息见表1。

表1 桄榔种质资源的编号及来源

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计以10 m×10 m的样方为一个桄榔群体进行野外调查采样。在每个桄榔群体中，选定5～8株约8年生有果实的桄榔植株及其果实，采用GPS定位后进行生长和生理指标测定。采集成熟果实30个，用于观察果形、果色和测定种子的农艺性状。

1.2.2 测定项目及方法桄榔树的生长指标为植株的胸径、株高、冠幅及叶厚、叶长和叶宽，生理指标为叶片叶绿素含量(SPAD值)。株高为地面与植株自然高度间的距离，胸径为树干距离地面1.3 m处的直径，冠幅为东西和南北叶尖滴水线距离的积[22]，均以卷尺测量；用便携式SPAD(502)叶绿素仪随机测定5片以上叶片的叶绿素含量(SPAD值)，以游标卡尺测定叶厚，用钢卷尺测定叶长和叶宽。观察采集果实的果形和果色，称取果重，剖取种子，根据林木种子检验规程测定种子粒重，用游标卡尺测量种子纵径、横径和厚度，参考佘诚棋等[23]的方法计算种子体积。

1.2.3 数据分析及评价以变异系数(CV)表示不同种质间性状值的离散特性，以Shannon-Wiener指数(H′)进行遗传多样性分析评价[6，24]。为了便于统计分析，对果形和果色进行量化。果形(果实较长、顶端凹陷为长凹，果实较圆、顶端凹陷为圆凹，果实较长、顶端凸起为长凸，果实较圆、顶端凸起为圆凸)：长凹=1，圆凹=2，长凸=3，圆凸=4；果色(成熟果实的颜色)：黑=1，黄=2，绿=3。对除果形和果色外的性状进行分级，共分为10级(表2)，计算每个性状的平均观测值(X)和标准差(σ)，根据X±Kσ (K=0，1，2，3，4)计算每个性状每级的相对频率，最后计算H′。

表2 桄榔种质资源农艺性状观测值的等级划分

CV(%)=平均值/标准差×100

H′=-∑Pi×lnPi(i=1，2，3，......，n)

式中，CV为变异系数，Pi为某个性状第i个级别出现的频率。

1.3 统计分析

试验数据采用Excel 2010进行整理，以SPSS26.0 进行相关分析、主成分分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 桄榔种质资源农艺性状的遗传变异分析

由表3可知，16份桄榔种质的变异系数为5.14%～102.19%，除叶厚的变异系数(5.14%)小于10.00%外，其他农艺性状的变异系数均大于10.00%。其中，果重及种子粒重、纵径、横径、厚度、体积，以及叶绿素含量和植株胸径8个性状的变异系数在测定的15个农艺性状中均较大，分别为102.19%、35.17%、42.75%、28.67%、22.76%、22.86%、27.46%和36.14%，说明不同地区桄榔种质的变异性较大，尤其以果重的变异系数最大，种子纵径和粒重及植株胸径的变异系数次之；所有农艺性状间的差异均达到显著(P<0.05，下同)或极显著(P<0.01，下同)水平。可见，16份桄榔种质间遗传变异较明显，亲缘关系较远。

表3 桄榔种质资源主要农艺性状变异系数分析

由表4可知，16份桄榔种质的H′为0.832～2.100，平均为1.671，所有农艺性状的H′排序为株高(2.100)>种子纵径(2.068)>果重(1.874)=种子体积(1.874)>叶宽(1.862)>种子横径(1.841)>叶绿素(1.820)>胸径(1.787)>叶厚(1.770)>冠幅(1.635)>粒重(1.510)=叶长(1.510)>种子厚度(1.363)>果形(1.212)>果色(0.832)。其中，H′最高的株高在第1和10级中出现频率相同，均为0.314；H′次之的种子纵径除在第4和7级无频率分布，在其他级别均有分布；果形和果色的H′最低，说明其多样性低，变异性较小，是桄榔种质农艺性状中相对稳定的遗传性状，而果形和果色在第1级中出现的频率均最高(分别为0.363和0.314)，即果形表现长凹为主，果色表现为黑色为主。

表4 桄榔种质资源主要农艺性状的遗传多样性及频率分布

2.2 桄榔种质资源农艺性状的相关分析

对桄榔种质资源的15个农艺性状数据进行双因素相关分析，结果(表5)显示，果实和种子的生长性状与植株的生长性状间无显著相关性(P>0.05，下同)，相关系数均较低；种子粒重和果重与种子纵径、横径、厚度和体积均呈极显著正相关，相关系数均在0.70以上；种子的纵径与体积、横径与厚度和体积、厚度与体积呈显著或极显著正相关；叶厚与叶宽呈极显著正相关，与株高呈显著正相关；叶长与叶宽、株高、冠幅和果形呈显著或极显著正相关，相关系数分别为0.67、0.66、0.57和0.51；胸径与株高和冠幅呈极显著正相关，符合植物生长规律。可见，桄榔种质植株生长对其果实和种子的生长影响不明显，但植株和种子各自的生长性状间表现为相互影响和相互促进。

表5 桄榔种质资源主要农艺性状的相关分析

2.3 桄榔种质资源农艺性状的主成分分析

为了能更充分地反映桄榔种质资源农艺性状中起主导作用的因素，需运用主成分分析法对多性状进行综合评判。由表6可知，从15个农艺性状中共提取5个主成分(特征值大于1.00)，贡献率分别为32.68%、29.28%、11.28%、7.80%和7.03%，累积贡献率达88.07%，基本可反映桄榔种质15个农艺性状的的信息。其中，第一主成分(PC1)的特征值为5.23，贡献率为32.68%，载荷值较大的性状是果重及种子的粒重、体积和纵径，载荷值分别为0.91、0.92、0.84和0.76，反映的是果重和种子粒重越大，其体积就越大，与相关分析结果一致；第二主成分(PC2)的特征值为4.69，贡献率为29.28%，载荷值较大的性状是胸径、株高和冠幅，载荷值为0.93、0.88和0.75，反映的是植株生长因子；第三主成分(PC3)的特征值为1.81，贡献率为11.28%，反映的是果色，载荷值为0.70；第四主成分(PC4)的特征值为1.25，贡献率为7.80%，反映的是叶绿素含量，载荷值为0.65；第五主成分(PC5)的特征值为1.12，贡献率为7.03%，反映的是果形，载荷值为0.57。

表6 桄榔种质资源农艺性状的主成分分析

续表6 Continued table 6

参考唐凤等[6]的方法对16份桄榔种质进行综合评价。根据各种质的主成分得分进行综合得分计算并排序(果形和果色因无定量数据，未列入公式中)，相应的因子关系式如下。

F1=0.92X1+0.91X2+0.76X3+0.67X4+0.74X5+0.84X6+0.18X7+0.56X8+0.44X9+0.45X10+0.01X11+0.37X12+0.32X13

F2=-0.33X1-0.33X2-0.20X3-0.45X4-0.36X5-0.33X6+0.13X7+0.49X8+0.66X9+0.48X10+0.93X11+0.88X12+0.75X13

F3=0.13X1+0.13X2-0.24X3+0.32X4+0.42X5-0.04X6+0.36X7-0.16X8-0.41X9-0.45X10+0.28X11+0.11X12+0.08X13

F4=-0.13X1-0.13X2-0.42X3+0.07X4+0.19X5+0.08X6+0.65X7+0.36X8-0.01X9+0.38X10+0.01X11-0.17X12-0.46X13

F5=0.06X1+0.06X2-0.22X3+0.06X4+0.15X5-0.24X6-0.17X7+0.46X8-0.07X9+0.26X10-0.01X11-0.08X12-0.29X13

综合评价函数F=(λ1/λ1+λ2+λ3+λ4+λ5)F1+(λ2/λ1+λ2+λ3+λ4+λ5)F2+(λ3/λ1+λ2+λ3+λ4+λ5)F3+(λ4/λ1+λ2+λ3+λ4+λ5)F4+(λ5/λ1+λ2+λ3+λ4+λ5)F5(λ1、λ2、λ3、λ4和λ5分别为5个主成分对应的特征值)。

根据综合评价函数公式，计算各种质的综合得分(表7)，综合得分越高表明综合性状越优良。由表7可知，16份桄榔种质农艺性状的综合得分排序为V6>V5>V11>V1>V4>V12>V3>V14>V7>V15>V16>V13>V8>V10>V9>V2，其中综合得分较高前6份种质的综合得分分别达151.59、140.12、134.12、132.54、130.78和126.70分，明显高于其他种质的综合得分，说明这些种质的性状综合表现较好，建议将排序前3位的V6、V5和V11作为选育优良桄榔品种的优良种质。

表7 16份桄榔种质资源的综合得分

2.4 桄榔种质资源农艺性状的聚类分析

对16份桄榔种质进行聚类分析，以欧氏距离为8可将其划分为三大类群(图1)，各类群的性状见表8。其中，第一类群包括V2、V7、V8、V9、V10、V13、V14、V15和V16共9份种质，占种质总数的56.25%，表现为种子粒重和果重较重，种子纵径和横径较长，叶厚、叶长及植株的胸径、株高和冠幅等较小，果形为圆凹、圆凸和长凹，果色为绿色和黑色；第二类群包括V1、V11和V12共3份种质，占种质总数的18.75%，表现为种子厚度较小，叶长、叶宽和植株的胸径较大，果形为圆凸、长凹和长凸，果色为黄色和绿色；第三类群包括V3、V4、V5和V6共4份种质，占种质总数的25.00%，表现为种子体积和纵径较小，叶厚较厚，叶宽和植株的胸径较小，株高和冠幅较大，果形为圆凹和长凹，果色为黄色和绿色。可见，采自同一区域的桄榔种质资源多数聚为一类，亲缘关系较近，遗传变异程度小，而采自不同区域的桄榔种质资源亲缘关系较远，遗传变异程度大。

表8 不同类群桄榔种质资源的15个农艺性状比较

图1 16份桄榔种质的系统聚类分析结果

3 讨论

尽管现代分子生物学手段为种质资源研究提供了稳定有效的方法，但仍需对种质资源表型性状进行调查和分析[25-26]。桄榔属于稀少特色作物，目前对其种质遗传基础的研究还属空白，而近年来桄榔树被过度砍伐又导致桄榔种质资源数量急剧下降，因此，开展桄榔种质资源遗传多样性研究，对保护桄榔种质资源和扩大现有亲本范围意义重大[27]。本研究基于16份桄榔种质资源表型性状主要从H′、变异系数及相关、主成分和聚类分析法进行遗传多样性分析，发现采自不同地区桄榔种质的变异系数在5.14%～102.19%，说明其群体样本差异较明显；除叶厚的变异系数小于10.00%外，其他农艺性状的变异系数均大于10.00%，属于强变异，其中果重的变异系数最大，为102.19%，说明该性状特征在居群中受环境影响最明显；所有性状间的差异均达显著或极显著水平，说明各种质间遗传变异较明显，亲缘关系较远[6]；H′在0.832～2.100，平均为1.671，高于同为棕榈科的油棕(H′为1.640)[22]，可能与本研究所采集资源和所观测农艺性状较少，且不同属类植物间遗传多样性不同有关；在所观测性状中，株高的H′最高，说明该性状在16份桄榔种质中遗传基础最广，改良潜力最大，而果色的H′最低，说明其遗传基础较窄，改良潜力较小；对15个农艺性状进行相关分析，发现果实和种子的生长性状与植株的生长性状间无显著相关性，但除果形和果色外其他果实和种子的生长性状两两之间多呈显著或极显著相关，植株的株高、胸径和冠幅等也呈极显著相关。

主成分分析法通过降维方式将作物各性状间复杂的关系转化为较少的几个主成分，利用少数几个综合指标简化数据，有利于亲本选配，因而得到广泛应用[28-29]。本研究将桄榔种质的15个农艺性状指标进行主成分分析，提取到5个主成分，其累积贡献率为88.07%，其中，第一主成分(PC1)与果重及种子的粒重、体积和纵径有关，第二主成分(PC2)与胸径、株高和冠幅有关，第三主成分(PC3)与果色有关，第四主成分(PC4)与叶绿素含量有关，第五主成分(PC5)与果形有关，说明桄榔种质的表型多样性是种子性状和生殖性状共同作用的结果，种子性状和生殖性状是引起桄榔种质表型性状多样化的主要影响因素；对16份桄榔种质进行综合评价发现，V6、V5和V11的综合评分排名前三位，可初步确定属于较优异种质。张忠武等[30]研究表明，聚类分析结果可反映不同品种间的遗传差异和亲缘关系，同一聚类类群内品种的农艺性状特征差异较小，而类群间品种的农艺性状特征差异较明显。本研究在主成分分析基础上通过系统聚类将16份桄榔种质聚为三大类，其中，采自同一区域的种质多数聚为一类，例如采自广西靖西市的V7、V8和V9种质同聚到第二类群中，采自海南的V3、V4、V5和V6种质同聚到第三类群中，但采自不同地区的少数种质也可聚为一类，例如V2、V7、V8、V9、V10、V13、V14、V15和V16共9份种质同聚到第一类群中，说明原始生境不同不是造成桄榔种质遗传多样性存在差异的唯一因素，桄榔种质遗传多样性的差异还与桄榔种质各自经历遗传分化但又存在频繁的基因交流[31]有关，与赵永强等[32]、黎裕等[33]的研究结果一致。