43份芦笋种质资源遗传多样性评价

2022-07-29张冰冰叶艳英尹玉玲金水凤罗稳根周劲松罗绍春汤泳萍

江苏农业科学 2022年13期

张冰冰，叶艳英，尹玉玲，金水凤，罗稳根，周劲松，罗绍春，汤泳萍

(1.江西省农业科学院蔬菜花卉研究所，江西南昌 330200； 2.江西省吉安市农作物良种场，江西吉安 343016)

芦笋(L.)又名石刁柏，为多年生宿根性蔬菜，富含皂苷、芸香苷、黄酮、多糖等多种活性成分，尤其是天冬门酰胺、精氨酸硒、抗坏血酸、胆碱等含量较高，被誉为蔬菜之王。芦笋原产于欧亚大陆及北非河谷及草原地带，清朝末年传入我国。现今，我国已成为世界第一大芦笋生产及出口国，年产量约为780万t，约占世界总贸易量的50%，农业产值已接近200亿元。芦笋产业已发展成为前景广阔的朝阳产业。

我国芦笋种质资源相对贫乏，遗传背景较狭窄，雌雄异株，育种年限长，严重制约了优异品种选育。为解决我国芦笋产业品种制约问题，亟须系统深入地进行芦笋新品种选育和繁殖制种技术研究，筛选适应我国气候条件的芦笋品种。芦笋种质资源的收集、鉴定与评价、利用是芦笋品种创制与基因挖掘的重要基础。目前种质资源遗传多样性的研究主要有形态学、细胞学、生化标记、分子标记等方法。形态学方法简单直观、易于观察，是种质资源鉴定与评价最直接、最快速、最高效的一种方法。为进一步挖掘芦笋的利用价值，选育高品质芦笋品种，本研究收集43份国内外芦笋新品种(系)，通过设施避雨栽培技术，在江西省吉安市农作物良种场进行比较试验。通过对15个主要农艺及品质性状的变异分析、相关分析、通径分析、灰色关联度分析、主成分分析和聚类分析，研究其遗传多样性，以期为芦笋资源利用和新品种选育提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

共收集国内外芦笋品种(系)43个，均为二倍体品种(表1)，其中京紫龙2号为紫芦笋，其余均为绿芦笋。

表1 供试试验材料信息

V16 Aitlas美国V38JX1510江西省V17Supreme美国V39JX1511江西省V18California Early美国V40JX1504江西省V19Purple Passion美国V41丰岛2号浙江省V20Green Pride美国V42京绿1号北京市V21WB-210F1美国V43京绿龙 3号北京市V22 Atals美国

1.2 试验设计

吉安市农作物良种场连体大棚试验地为江西省典型红壤黏土。2017年8月中旬穴盘育苗，10月31日移栽定植，每畦栽单行，株距30 cm，行距为130～160 cm，密度1 500株/667 m。每畦定植2个芦笋品种(系)，每材料61株，随机区组排列，每品种(系)2个重复。参照《芦笋设施避雨栽培技术规程》进行田间管理。

1.3 项目测定及方法

1.3.1 产量和商品性 2019年3月1日始光头笋时期第1次采笋，逐日记载产量至4月1日，并转换成小区产量(，kg)/667 m进行分析。参照Zhu等的方法进行分级，嫩茎基部直径大于1.2cm为优质笋(，kg/667 m)、大于0.6 cm 为商品性笋(，kg/667 m)。

1.3.2 农艺性状和抗病性 2019年初记录各种质见笋日期，并根据2018年底割母茎时间12月10日，转换成见笋时间(，d)。每重复随机连续30株插牌标记抽笋数(，支)。插牌单株地上部生长量最大时，测单株株高(，cm)、茎粗(，cm)、生育指数(，cm)、第二主茎株高(，cm)和第一分枝高度(，cm)。其中，茎粗为距地面 5 cm 的直径，公式：生育指数=株高×茎粗。

江西省位于长江中下游南岸，属亚热带季风气候，雨量丰沛，多年平均年降水量1 638 mm，4—6月为降雨集中期，降水量接近全年一半，是中国多雨省区之一。芦笋露天种植，极易受茎枯病(芦笋癌症)危害，植株提前枯萎，甚至全田毁灭，故采用大棚避雨栽培生产。整体调查每个种质小区芦笋褐斑病、菌核病、根腐病、茎枯病的发生，评价其抗病性()，分别标注好、一般、差。

1.3.3 品质性状测定计算优质笋率(，%)与商品笋率(，%)，参照《植物新品种特异性、一致性和稳定性测试指南芦笋》嫩笋笋头形状、鳞芽包裹程度、笋身粗细对笋均匀度()和笋外观品质()分级，分别标注好、一般、差。

1.4 统计分析

分级结果好、一般、差分别赋值为2、1、0进行分析。采用Microsoft Excel 2010处理各性状数据，并计算其最小值、最大值、平均值、标准差、变异幅度、变异系数；进行10级分类，从第1级[<(-2)]到第10级[≥(+2)]，中间每级间差05，为平均值，为标准差。每一级的相对频率用于计算Simpson多样性指数进行描述和评价，公式：=1-∑()，表示某性状第个代码值(即第级)出现个数，为总个体数。采用SPSS 25.0进行相关性分析、通径分析、主成分分析、系统聚类分析。采用DPS 7.05进行灰色关联度分析。其中相关性分析采用皮尔逊(Pearson)相关系数表示。参考Salkind等对相关性的分级，0～0.2为极弱相关或不相关，>0.2～0.4为弱相关，>0.4～0.6为中等相关，>0.6～0.8为强相关，>0.8～1.0为极强相关。

2 结果与分析

2.1 芦笋种质资源不同性状的多样性

由表2可知，15个农艺及品质性状的变异系数范围为8.03%～53.90%，笋外观品质最大，为53.90%，其次是优质笋产量，为40.90%，见笋时间和商品笋率最小，均为8.03%。变异系数由大到小排序：笋外观品质>优质笋产量>抗病性>商品笋笋产量>笋粗细均匀度>总产量>生育指数>抽笋数>茎粗>第一分枝高度>第二主茎株高>株高>优质笋率>见笋时间=商品笋率。Simpson多样性指数范围为0.279 1～0.850 2，优质笋产量最大，为0.850 2，第二主茎株高次之，为0.845 9，笋粗细均匀度最小，为0.279 1，按由大到小排序：优质笋产量>第二主茎株高>优质笋率>总产量>茎粗>商品笋笋产量>第一分枝高度>生育指数>见笋时间>株高>抽笋数>抗病性>笋外观品质>商品笋率>笋粗细均匀度。综上，该批芦笋种质资源类型丰富，遗传多样性较高，种质之间存在的差异大，有利于优异种质的比较和筛选。

表2 芦笋种质资源农艺与品质性状的多样性分析

2.2 芦笋种质农艺及品质性状的相关性

表3结果显示，芦笋总产量与优质笋产量、商品笋产量极显著极强正相关；与株高极显著强正相关；与茎粗、生育指数、第二主茎株高、第一分枝高度和优质笋率极显著中等正相关，上述性状与芦笋总产量密切相关。而与其他性状相关系数均小于0.3，呈弱相关或极弱相关且不显著，说明芦笋总产量与这些性状无关。见笋时间与株高极显著强负相关，与茎粗、生育指数、第二主茎株高、第一分枝高度极显著中等负相关，说明出笋越早株高越低，进而影响到其他株型性状。品质性状中，优质笋率与总产量、商品笋产量极显著中等正相关，与优质笋产量极显著强相关，说明优质笋率是芦笋产量品质的典型代表性状。笋粗细均匀度与抽笋数、抗病性极显著中等正相关，笋外观品质与抽笋数极显著弱正相关，与抗病性极显著强正相关，表明芦笋抽笋数、抗病性与芦笋品质密切相关，选育抽笋数多、抗病性强的材料有利于提升芦笋品质。

表3 芦笋种质农艺与品质性状的相关性分析

2.3 芦笋种质总产量与各性状的通径分析

以芦笋总产量为因变量、其他性状为自变量进行通径分析。线性回归方差分析表明，=676.832且达到极显著水平，说明芦笋总产量与各性状间存在极显著线性关系，可以进行下一步通径分析(表4)。各性状对芦笋总产量的直接作用大小排序为：优质笋产量(0.566)>商品笋产量(0.533)>生育指数(|-0.158|)>茎粗(0.125)>优质笋率(|-0.124|)>商品笋率(|-0.111|)>第二主茎株高(0.036)>抗病性(0.032)>株高(0.024)>第一分枝高度(|-0.023|)>笋外观品质(|-0.019|)>笋粗细均匀度(|-0.013|)>抽笋数(0.011)>见笋时间(|-0.008|)。直接通径系数越大，性状对产量的影响也越大，优质笋产量和商品笋产量对芦笋总产量直接贡献最大。而茎粗、第二主茎株高、抗病性、株高、抽笋数增加，芦笋总产量也增加。

表4 芦笋种质资源总产量与各性状的通径分析

从间接通径系数可知，优质笋产量通过商品笋产量的间接通径系数(0.546)最大，而商品笋产量通过优质笋产量的间接通径系数(0.514)次之，说明优质笋产量通过商品笋产量对芦笋总产量产生较大的影响；株高、茎粗、生育指数、第二主茎株高、第一分枝高度、优质笋率通过商品笋产量的间接通径系数分别为0.321、0.267、0.314、0.313、0.299、0.290，说明这6个性状通过商品笋产量对芦笋总产量产生较大影响。结果进一步证实了优质笋产量与商品笋产量是直接影响芦笋总产量的重要性状，株高、茎粗、生育指数、第二主茎株高、第一分枝高度、优质笋率也对芦笋产量产生较大的影响。

2.4 芦笋种质总产量与各性状的灰色关联度分析

以芦笋总产量为母因素，其他性状为子因素进行灰色关联度分析(表5)，依据各性状关联度值排序为：优质笋产量>商品笋产量>优质笋率>株高>生育指数>第二主茎株高>第一分枝高度茎粗>茎粗>笋外观品质>抽笋数>抗病性>商品笋率>笋粗细均匀度>见笋时间。其结果与“2.2”“2.3”节结果基本一致，可相互验证。

表5 芦笋种质资源总产量与各性状的灰色关联度分析

2.5 芦笋种质性状的主成分分析

对43份芦笋种质的15个农艺及品质性状进行KMO和Bartlett’s检验，KMO系数为0.703，Bartlett’s球形检验=0.000<0.05，说明本研究考察性状适合进行下一步主成分分析。根据特征值大于1的原则提取了4个因子(表6)，前4个特征根在15个特征根中累计贡献率达79.121%，基本能反映全部特征。

表6 最大方差法旋转因子载荷矩阵

K150.2290.1800.745-0.366特征值4.5933.5042.4711.300贡献率(%)30.62323.35916.4728.667累计贡献率(%)30.62353.98270.45479.121

第1主成分特征值为4.593，贡献率为30.623%；正向载荷较高的有株高、茎粗、生育指数、第二主茎株高、第一分枝高度、见笋时间，这些性状皆为植株农艺性状指标，故第1主成分命名为芦笋植株农艺因子。第2主成分特征值为3.504，贡献率为23.359%；正向载荷较高的性状有芦笋总产量、优质笋产量、商品笋产量、优质笋率，均为直接产量因子，故第2主成分命名为芦笋产量因子。第3主成分特征值为2.471，贡献率为16.472%，正向载荷较高的性状有抗病性、笋外观品质、抽笋数、笋粗细均匀度，多数与嫩笋性状有关，故第3主成分命名为嫩笋性状因子。第4主成分特征值为1.300，贡献率为8.667%，正向载荷较高的仅商品笋率1个指标，因此第4主成分命名为商品笋率因子。

根据第2主成分产量因子各性状载荷量的大小研究其对总产量的影响，排序为：优质笋产量(0.929)>商品笋产量(0.876)>优质笋率(0.776)>生育指数(0.327)>株高(0.305)>茎粗(0.294)>第二主茎株高(0.292)>第一分枝高度(0.268)>笋外观品质(0.180)>见笋时间(|-0.073|)>商品笋率(0.066)>笋粗细均匀度(|-0.028|)>抗病性(0.017)>抽笋数(0.004)。结果显示优质笋产量和商品笋产量依旧是影响芦笋总产量的直接因素，优质笋率对产量的影响也较大，农艺性状中生育指数对产量的影响最大，株高、茎粗、第二主茎株高、第一分枝高度对产量的影响次之。

主成分综合评价见表7，依据各种质主成分综合得分进行排名，可分为4级。包括3份性状优良(≥1)、15份性状较好(0.1≤<1)、3份性状一般(0≤<0.1)、22份性状较差(<0)。对主成分综合评价筛选的3份性状优良种质(V4、V18、V3)与其田间表现比较分析，具有产量高、株型高大、出笋早的优质特征，表明主成分综合评价具有一定的代表性。

表7 芦笋种质资源主成分综合评价

2.6 43份芦笋种质系统聚类分析

组间连接法对43份芦笋种质的15个农艺及品质性状聚类分析，当阈值为10.0时将供试种质划分为4个群集(图1)，各类群的性状平均值与变异系数见表8。第Ⅰ群集包括20份种质，占供试种质的46.51%，主要特征是综合性状一般材料，性状特征介于第Ⅱ群集和第Ⅲ群集之间。

表8 芦笋种质资源各群集性状特征表现

第Ⅱ群集包括8份种质，占供试种质的18.60%，主要特征是芦笋总产量较低(58.17 kg/667 m)，株高(114.38 cm)、茎粗(0.37 cm)、生育指数(41.88 cm)、第二主茎株高(96.50 cm)和第一分枝高度(27.50 cm)，表现株型矮小，见笋时间晚(115.25 d)。

第Ⅲ群集包括14份种质，占供试种质的32.56%，主要特征是芦笋总产量较高(111.42 kg/667 m)，株高(157.71 cm)、茎粗(0.53 cm)、生育指数(84.25 cm)、第二主茎株高(140.71 cm)和第一分枝高度(45.79 cm)，表现株型高大、见笋时间早(106.93 d)。

第Ⅳ群集包括1份种质，占供试种质的2.33%，主要特征是芦笋总产量最高(161.41 kg/667 m)、株高(185.00 cm)、茎粗(0.57 cm)、生育指数(105.45 cm)、第二主茎高度(165.00 cm)和第一分枝高度(55.00 cm)，表现株型最高大壮硕，见笋时间最早(97.00 d)，即最优种质。

2.7 优异种质筛选

根据性状鉴定结果，综合考虑矮秆(株高≤100 cm)，高秆(株高≥170 cm)，出笋早(见笋时间<100 d)，高产(总产量≥120 kg/667 m)等性状，筛选上述4类优异种质共9份(表9)，其中矮秆种质2份，为JX1506(江西)、京紫龙2号(北京)，隶属于聚类群集Ⅱ；高秆种质4份，分别为Dogeras、Jersey knight、UC115、Imperial，均收集于美国，隶属于聚类群集Ⅲ；高产种质2份，为巨丰(山东)、JX1516(江西)，隶属于聚类群集Ⅲ；兼具高秆、出笋早、高产最优种质1份，为California early(美国)，隶属于群集聚类Ⅳ，有利于进一步生产与育种利用。

表9 芦笋优异种质性状特征表现

3 结论与讨论

种质资源遗传多样性研究对资源引选、亲本组配、杂种优势利用及新品种创制具有重要的指导意义。农艺性状与作物生产直接相关，易识别鉴定，是作物种质研究和遗传分类的重要依据。但农艺性状复杂多样，易受环境影响，选择难度大，因此科学方法的运用显得尤为重要。本研究搜集43份国内外芦笋新品种(系)，对15个主要农艺及品质性状进行变异分析、Simpson 多样性指数、相关分析、通径分析、灰色关联度分析、主成分分析、系统聚类分析，研究其遗传多样性，结果可为育种实践提供参考。

3.1 芦笋种质遗传多样性

遗传变异系数是遗传变异潜力大小的标志，表示群体中直接选择的范围。对43份芦笋种质的主要农艺及品质性状分析发现，变异系数最大为53.90%，最小为8.03%，平均26.33%，Simpson多样性指数最大为0.850 2，最小为0.279 1，平均0.749 0，说明该批芦笋种质资源性状的资源类型丰富，农艺性状差异明显，具有丰富的遗传多样性。优质笋产量、商品笋产量、茎粗、生育指数、第一分枝高度、抽笋数、抗病性、笋外观品质等8个性状的变异系数均在20%以上，且均大于0.6，说明上述性状指标具有较大的选择潜力，可利用杂交配组进行高产、高抗、品优的选育。

3.2 芦笋种质产量与各性状的多重分析

相关性分析结果显示，各性状至少与其他1个性状存在极显著或显著相关。优质笋产量、商品笋产量与芦笋总产量极显著强正相关，是影响其总产量的直接因素。总产量与株高极显著强相关，与茎粗、生育指数、第二主茎株高、第一分枝高度极显著中等相关，与优质笋率极显著中等相关，说明这些性状的变化直接影响芦笋总产量的变化，其结论在通径分析、灰色关联度分析和主成分因子载荷量中都得到相互验证，表明上述性状的改良有利于快速提升芦笋品质。值得注意的是，见笋时间与产量指标呈弱负相关且不显著，与株高、茎粗、生育指数、第二主茎株高、第一分枝高度呈中等或强负相关且极显著，说明见笋时间通过影响芦笋株形而影响产量。但芦笋最重要的采收时间为春季光头笋时期，出笋越早，越有利于提前上市，产品价格越高。据调查发现，1、2月份春节期间上市的鲜芦笋比平时价格高20～30元/kg。因此在创制新品种时应注意育种目标与生产实际结合，选育贴合市场的优良品种。陈河龙等认为，株高、第一分枝高度、茎粗是芦笋的主要农艺性状，株高与产量密切相关。王培等认为，芦笋品种间株高和茎数差异显著，与产量密切相关。李霞等认为，优质笋率是评价芦笋质量的重要指标。本研究结果与前人结论基本一致，但是主成分累计贡献率为79.12%，说明还有一些性状未被考虑在内，如一级分枝数、一级分枝间距、笋鳞片数量、长宽度等。

3.3 芦笋种质主成分综合评价与系统聚类分析

主成分分析可将较多的性状进行降维分类，以提炼出较少的比较独立的主成分，用于作物农艺性状的评价和筛选，既能把握其综合性状表现，又能简化选择程序，且更具有科学性。本研究通过主成分分析，将15个性状降为4个主成分，分别反映了芦笋的植株农艺因子、产量因子、嫩笋性状因子与商品笋率因子，累计贡献率79.121%。通过主成分综合评价，将43份种质划分为4类，其中3份性状优良，15份性状较好，3份性状一般，22份性状较差。育种工作者可根据上述4个主要特征及材料群集，有针对性地发掘育种中间材料，进而有效利用资源。

系统聚类分析不仅可揭示品种类群间的遗传差异，还可了解类群内品种的遗传相似性，为作物新品种选育提供科学依据。本研究当阈值为10时，将43份芦笋种质划分为4类，分别为综合性状一般种质，低产、株型矮小、晚出笋种质，高产、株型高大、早出笋种质与最优种质。与主成分综合评价结果比较分析，发现3份性状优良种质分别隶属于第Ⅲ和第Ⅳ群集，性状较好的15份种质除V10和V11隶属于第Ⅰ群集外，其余均隶属第Ⅲ群集。表明虽算法不同，但其对种质的最终评价基本可以相互印证。