油莎豆种质资源表型性状遗传多样性分析及综合评价

马紫薇,牛 陆, 杨向东, 任 伟, 杨春明, 赵寒冬, 张原宇*

(1.吉林师范大学生命科学学院， 吉林 四平136100； 2．吉林省农业科学院农业生物技术研究所， 吉林 长春 130033；3．长春农业博览园， 吉林 长春 130033)

油莎豆(CyperusesculeutusL. var.sativusBoeckeler)属莎草科莎草属一年生作物。作为非洲尼罗河流域早期驯化物种和重要的食物来源之一，其栽培种植历史最早可追溯至公元前4 000年的古埃及[1-2]。目前，油莎豆广泛分布于非洲、欧洲、亚洲、北美洲和拉丁美洲等国家[2-3]。油莎豆地上部呈丛生状，叶片狭长，其茎部由叶片包裹形成三棱形的“假茎”，但没有严格意义上的地上茎。地下茎包括水平茎、根状茎及块茎。地下块茎由根状茎顶端膨大形成，水平地下茎可产生萌蘖并产生新的萌蘖苗。油莎豆在我国一般不抽薹开花，个别植株开花无繁殖意义，其繁殖方式主要通过地下块茎进行无性繁殖[4]。油莎豆具有适应性广、生物量高、抗逆性强、病虫害少等特点，适宜在气候温润的砂质土地种植[3]。油莎豆主要收获器官为地下块茎，鲜重产量一般可达1 000 kg·667 m-2，其次地上干草，也具备经济效益，地上草产量达750～1 250 kg·667 m-2。地下块茎富含淀粉、油脂、糖类、蛋白质、膳食纤维、维生素C和E等[5-8]，单位面积油脂产量可达80～100 kg·667 m-2，是大豆的4倍，油菜的2倍，仅次于木本油料作物—油棕[3，9]。地上茎叶富含脂肪、蛋白、多糖和粗纤维，可作为优质畜禽饲料[3，5，10]。因此，目前普遍认为油莎豆是一种粮、油、饲兼用，综合利用价值较高的经济作物。

我国于20世纪50—60年代从前苏联、保加利亚和朝鲜等国引入油莎豆，并在北京等地进行小规模试种[3]。近年来，随着对油莎豆粮、油、饲、药及生态价值认识的逐步深入，以及油莎豆收获、加工设备和技术的逐步提高，我国油莎豆种植面积和产量逐年增加。据中国油莎豆产业联盟不完全统计，2019年种植面积达20万亩左右，种植区域覆盖吉林、内蒙古、新疆等20多个省份，产业发展已初具规模[9]。目前我国油莎豆产业存在许多亟待解决的关键问题，如种质资源和品种极度匮乏，栽培技术不规范，收获工具制约等，严重制约了我国油莎豆产业健康快速发展。广泛开展油莎豆种质资源收集、鉴定与利用，培育适宜不同生态区和用途的专用油莎豆品种，对于推动油莎豆在我国沙化耕地、以及东北和西北沙化边缘土地的规模化种植及油莎豆产业发展具有重要的现实意义。

种质资源遗传多样性评价是开展油莎豆遗传改良及品种选育、复杂性状遗传解析的基础。目前国内外对油莎豆的研究报道大多集中在生物学特性[11]、保健价值、丰产栽培[12]、物质积累[13]、有效成分提取技术[14]等方面，对油莎豆种质资源系统收集、鉴定和表型评价等研究较少，有效应用于油莎豆遗传改良的种质资源则更少。本研究旨在对前期收集的国内外油莎豆种质资源进行表型鉴定，分析不同来源油莎豆遗传多样性，建立油莎豆种质资源综合评价指标，为进一步加快油莎豆种质资源利用及遗传育种提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

2014—2018年间，作者所在团队陆续从国内外油莎豆主要种植区收集种质资源48份，其中国内资源41份，包括湖北15份、吉林8份、河北9份、河南6份、江苏2份、新疆1份。国外资源7份，包括喀麦隆3份，加纳、马里、西班牙、俄罗斯各1份。供试48份油莎豆种质资源保存于吉林省农业科学院种质资源库。根据油莎豆块茎形状和表皮颜色对这些资源进行初步分类(表1)，按块茎粒型划分，椭圆形油莎豆24份，长粒形和圆粒形油莎豆各12份；按粒色划分，47份为黄色，1份为红色(来源于喀麦隆)。

表1 供试 48份油莎豆种质资源信息Table 1 List of 48 Cyperus esculeutus germplasms collected in this study

续表1

1.2 试验设计

田间试验于2020—2021年在吉林省农安县杨树林乡进行。该地区属北温带风沙半干旱区，土壤类型为半干旱半湿润沙地。年平均气温4.6℃，年平均降雨量507.7 mm，生长期145 d，年有效积温2 982.7℃。播种时期为5月中旬，每个试验材料种植5行，行长5 m，行间距65 cm，株距12 cm，单粒点播，试验地四周播种10行保护行。试验采取完全随机区组设计，设3次重复，田间管理措施同当地常规田间日常管理。

1.3 数据采集

收获前对48份油莎豆资源表型性状进行调查。从每个小区中间位置随机选择10 穴油莎豆，对株高(Plant height)、叶宽(Leaf width)、叶长宽比(Leaf length/Width ratio)、分蘖数(Tillers)、粒长(Tuber length)、粒宽(Tuber width)、粒长宽比(Tuber length/width ratio)、百粒重(100-tuber weight)、鲜草产量(Fresh grass yield)、块茎产量(Tuber yield)指标进行测定。对每个小区中间位置行长2米范围内的植株分蘖数、地下块茎和地上鲜草产量分别进行测定，并折算为每株分蘖数(Tiller number per plant)，每667 m2块茎产量(Tuber yield)和鲜草产量(Grass yiled)。

1.4 数据分析

采用Microsoft Excel 2016、SPSS 26和Origin 2022对48份油莎豆种质资源的10个表型性状进行数据分析。利用最佳线性无偏估计值进行描述性统计，通过方差分析、聚类分析、双因素相关分析和主成分分析，将标准化表型性状数据代入每个主成分中，计算各主成分得分及综合得分，进一步筛选油莎豆种质资源的综合评价指标。采用模糊隶属函数计算出各性状的隶属函数值[22-23]，将各性状定义到[0，1]闭区间

μ(xi)=(xi-ximin)/(ximax-ximin)(i=1，2，3，…，48)

式中，μ(xi)为某种质材料第i个性状的隶属函数值，xi为某种质材料的第i个性状值，ximax，ximin分别为所有种质资源中第i个性状的最大值和最小值。采用Shannon-Wiener多样性指数(Shannon-Wiener diversity index，H′)进行评价。

式中，为某性状第i级别内材料份数占总份数的百分比。

2 结果与分析

2.1 油莎豆种质资源表型性状遗传多样性分析

2.1.148份油莎豆种质资源表型性状的变化及分布特征 根据遗传多样性测算的分级标准分析表型性状的分布状况(图1)。数量性状在10个等级上均有分布，其中株高，叶宽，叶长宽比主要集中于2～9级；分蘖主要分布于2～6级；鲜粒长、鲜粒宽、鲜粒长宽比集中于 2～7级之间。而在质量性状上，百粒重鲜草重量，产量主要分布于2～8级。可见 10个性状均表现出一定的集中性，以鲜草产量，块茎产量，块茎大小为主。

图1 10个表型性状的隶属值分布Fig.1 Distribution diagram of subordinate function value of 10 phenotypic traits注：PH，株高；LW，叶宽；比RL，叶长宽；NT，分蘖；GL，粒长；GL，粒宽；RG，粒长宽比；TW，百粒重；GY，鲜草产量；TY，块茎产量Note：PH：Plant Height；LW：Leaf width；LR：Ratio of length to width of leaf；NT：Number of tillers；GL：Grain length；GW：Grain Width；RG：Ratio of grain length to width；SW：100 tuber weight；GW：Grass yield；TY：Tuber yield

2.1.248份油莎豆种质资源表型性状间的遗传变异性和遗传多样性指数 对48份油莎豆种质资源的10个表型性状进行描述性分析，由表2可以看出，10个性状的变异系数(CV)介于10.71%～47.38%之间。其中，绝大多数表型性状(除株高外)均具有较大的变异幅度(16.15%～47.38%)。变异幅度最大的为分蘖数(50.37%)，其次为百粒重(36.33%)，这2个性状均与地下块茎产量相关。表明与其他性状相比，分蘖数和百粒重在不同油莎豆种质资源中具有更大的变异和更丰富的表型多样性。这对油莎豆新品种选育，和育种目标具有一定的参考价值。

为了研究表型性状的遗传多样性和分布频率的平衡性，采用Shannon-Wiener多样性指数(H′)比较48份油莎豆资源的10个表型的多样性指数。由表2可知，10个表型性状间的遗传多样性指数不同，表型性状的遗传多样性指数(H′)差异较大，变化在 1.67(粒长)和 2.17(块茎产量)之间。叶长宽比(2.08)、块茎产量(2.17)、鲜草产量(2.08)、分蘖数(1.95)及粒宽(1.95)5个性状的H′值居表型性状前列，说明这些表型性状在种质资源中具有较高的遗传多样性和分布平衡性。其中块茎产量最高达到1 333.7 kg·667 m-2，鲜草产量最高1 220 kg·667 m-2，表现出一定的经济效益潜力。

表2 48份油莎豆种质资源10个性状变化及分布特征Table 2 Variation and distribution of 10 phenotypic traits in 48 Cyperus esculeutus

2.1.310个性状的年度间变异 稳定性是种质资源的重要构成因素之一。在同一地理生态环境下，连续2年对油沙豆种质资源的10个性状进行调查(表3)。由于2020年春播后，连续遭遇低温天气，导致出苗滞后半个月，收获期与2021年相同，因此，2020年测定的10个性状平均值均略低于2021年。2020年和2021年，叶长宽比、分蘖数、粒长宽比、百粒重、鲜草产量、块茎产量均表现出较高的变异系数，说明这些表型性状受环境影响大。2年间测定的各个形状的变异系数虽有浮动，但表现出相同的趋势，说明各种质资源表现出较好遗传稳定性。

表3 2020—2021 年主要农艺性状年度间变异Table 3 Genetic variation of agronomic traits in 2020—2021

2.1.4不同粒型油莎豆种质资源表型性状差异 根据油莎豆块茎的长宽比，较为直观的把油莎豆块茎分为3种类型，长形油莎豆，椭圆形油莎豆，圆形油莎豆。对不同块茎粒型种质资源表型性状分析表明，长粒形分蘖数、叶长宽比、粒长宽比、块茎产量、鲜草产量显著高于圆粒形和椭圆形，其他性状与圆粒形和椭圆形无显著差异；圆粒形和椭圆形除了在粒长宽比略有差异外，其他性状均无显著性差异。通过不同块茎粒型间的各个性状指标间比较分析，说明分蘖数、叶长宽比、粒长宽比这些指标与产量构成有着重要关联(表4)。

表4 不同粒型油莎豆种质资源表型性状差异Table 4 Difference of the agronomic traits in tigernut accessions with different tuber shapes

2.2 油莎豆种质资源表型性状相关性分析

对48份油莎豆种的10个表型性状进行相关性分析(表5)，结果表明，10个性状间存在不同程度的相关性，且多数性状间存在极显著与显著相关性。其中鲜草产量与分蘖、粒长、粒长宽比存在极显著的正相关，相关系数分别为0.57，0.53和0.51；块茎产量与分蘖、粒长和粒长宽比存在极显著的正相关，相关系数分别为0.40，0.46和0.49；说明上述3个指标可以对油莎豆的重要经济性状进行评价，也为提高油莎豆经济效益遗传育种提供参考。其他各项指标间也存在极显著或显著相关性，可为油莎豆的某一特异性状改良提供理论支持。

表5 10个油莎豆表型性状相关系数Table 5 Correlation coefficient among 10 agronomic and biochemical traits of tigernut accessions

2.3 油莎豆种质资源表型性状主成分分析

为消除性状间的相关性对种质资源产生的影响，故对48份油莎豆种质资源的10个表型性状进行主成分分析(表6)[22-24]，结果显示前3个主成分的累计贡献率达 76.78%，表明前3个主成分代表了油莎豆表型性状的大部分信息。将每个主成分向量特征值除以其对应成分的初始特征值的平方根，得到各个成分每个指标的特征向量值，不同成分各个性状特征向量值、特征值、累计贡献率如表6所示。第一主成分贡献率最大，为40.36%，特征向量值较大的为粒长宽比、分蘖数及叶宽，说明第一主成分主要是与油莎豆外形及块茎大小相关的性状；第二主成分的贡献率为20.57%，特征向量较大的为粒长，百粒重及草产量，说明第二主成分主要是与子粒形状和生物量相关的性状；第三主成分贡献率为15.86%，其中叶长宽比，株高及产量的特征向量值大于其他性状，说明在第三主成分主要是与地上生物量和地下生物量相关的产量性状。

表6 10个油莎豆表型性状主成分分析Table 6 Principal analysis of 10 agronomic and biochemical traits of tigernut accessions

2.4 油莎豆种质资源表型性状综合评价

为了对48份油莎豆种质进行综合评分时，消除数据量纲的影响，利用IBMSPSS Statistics 26.0对各性状指标的平均值进行标准化处理[22-24]。根据标准化值和载荷矩阵得出每个主成分得分的线性方程，然后以3个主成分对应的方差贡献率作为权重系数建立综合评价模型进行综合评价得分(表7)。3个主成分得分的线性方程和综合评价模型如下：

表7 不同来源油莎豆种质表型性状综合评价Table 7 Comprehensive assessment of the agronomic and biochemical traits among tigernut accessions

F1=-0.17X1-0.74X2+0.60X3+0.79X4+0.53X5-0.75X6+0.93X7-0.44X8+0.59X9+0.46X10

F2=0.12X1+0.32X2-0.20X3+0.22X4+0.76X5+0.54X6+0.14X7+0.79X8+0.43X9+0.39X10

F3=-0.85X1-0.25X2+0.74X3-0.21X4+0.06X5+0.24X6-0.10X7+0.09X8+0.19X9-0.33X10

F=0.12X1-0.36X2+0.42X3+0.43X4+0.49X5-0.20X6+0.51X7+0.46X9+0.28X10

图2 48份油莎豆种质资源表型性状主成分分析双标图Fig.2 PCA-biplot for phenotype traits of 48 tigernut accessions

根据方程数值，以及各主成分的贡献率权重(0.526，0.268，0.207)得到综合得分公式；F=0.526F1+0.268F2+0.207F3，计算出F值。表型性状与表型性状F值的的相关分析表明(表8)，F值与分蘖、粒长、粒长宽比、草产量、块茎产量呈极显著正相关。

表8 10个表型性状与表型综合值(F值)间的相关系数Table 8 Correlation coefficients among 10 phenotypic traits and comprehensive value (F-value)

2.5 油莎豆种质资源表型性状聚类分析

基于10个地区油莎豆10个性状的聚类分析，将油莎豆种质资源划分为4个类群(图3)：第一类群有15个品系包含14个国内品系，1个喀麦隆品系，主要以长粒形油莎豆资源为主，圆粒形为辅；第二类群有5个品系4个国内品系，1个俄罗斯品系，全部为长粒形；第三类群有12个品系，全部为国内品系，其中椭圆形油莎豆11份，圆形油莎豆1份。第四类群有16个品系其中国内品系15个，国外品系1个，以椭圆形油莎豆为主，圆形油莎豆为辅。在叶宽性状中，资源JYD-35表现出极特异性的差别；在块茎形状中，JYD-41，JYD-46表现出特异性的差别。

图3 基于表型性状的油莎豆种质资源系统聚类图Fig.3 Cluster analysis of 48 tigernut accessions based on their 10 agronomic and biochemical traits

3 讨论

3.1 油莎豆应用核心种质的表型遗传多样性

本研究中48份油莎豆种质资源10个表型性状均表现丰富的变异性，各性状的变幅和变异系数均很高，变异系数为8.94%～50.3%，说明本研究中的应用种质变异丰富，不仅较好地代表了油莎豆资源的遗传多样性，在遗传育种中也有较好的利用价值。稳定性是种质资源的一个重要构成要素，虽然多数性状的平均值2021年的结果大于2020年的结果，且年度间的变异系数有一定变化，但表现出相同的趋势。两年的农艺性状调查结果表明，在吉林省农安县的生态环境下不同年度之间的结果是稳定的。年度间变化较为明显的是株高、分蘖数、粒长宽比、百粒重、鲜草产量和块茎产量，说明这些性状可能受环境因素影响较大。因试验实施地点所处我国北方区域，生长周期为130 d左右，较油莎豆适宜生长区域少20 d左右，所以生物量积累也相应减少，总体草产量，块茎产量也不如南方地区。因此通过不断的驯化，生物技术的辅助，发掘耐低温，适合北方区域种植的油莎豆资源，也是今后育种目标之一。遗传多样分析也可为优异基因的发掘提供必要信息，而表型性状的调查更是为油莎豆的育种研究和复杂性状机理解析提供重要依据[15-16]。

3.2 基于表型性状对油莎豆的综合评价

种质资源评价直接关系到遗传育种的应用。目前，基于表型数据标准化处理和主成分分析[17]、相关性分析[18]、聚类分析[19]、方差分析[20]、多元回归分析[21]对作物种质资源的农艺性状进行综合评价报道较多[22-24]。本研究利用这些方法构建了油莎豆种质资源的表型综合性状评价体系，这为育种和遗传研究提供了参考基础。本研究表明块茎粒宽比、百粒重、叶长宽比的综合评分较高，说明这几个性状对资源评价较为重要，在油莎豆种质资源性状鉴定和育种实践中应注重对这些性状的选择。本研究的性状相关分析建立在材料遗传基础丰富和连续两年数据的基础上，根据统计学原理，有的相关系数较小，但相关性仍显著或者极显著。10个调查性状中，各个性状间存在极显著和显著相关性，参考各指标之间的相关性，从而指导实际育种目标，这对油莎豆育种有着重要意义。

4 结论

利用表型鉴定对48份油莎豆的10个表型性状统计分析，结果表明不同地理来源的油莎豆种质具有较高的遗传多样性，块茎长宽比、百粒重、叶长宽比等性状可作为油莎豆种质资源综合评价的重要指标，分蘖数，粒长宽比，草产量，块茎产量等4个表型性状，可作为油莎豆表型综合鉴定的指标，其中JYD-27，JYD-41，JYD-20，JYS-29，和JYD-3表型综合鉴定位列前茅，JYD-27，JYD-28，JYD-37，JYD-17，JYD-35综合表现居后。