生姜种质资源主要农艺性状的遗传多样性分析

李德文，王少铭，李晋华，罗莉斯，冷家归，侯颖辉

（1贵州省农业科学院香料研究所，贵州贵阳 550006；2贵州省农业科学院油料研究所，贵州贵阳 550006）

0 引言

【研究意义】生姜（Rosc.）属于姜科姜属多年生单子叶草本植物，在我国多作为一年生蔬菜栽培，食用部分为地下根状茎，因其含有挥发油及姜辣素等芳香辛辣成分，可加工制成多种调味食品。同时，生姜属于药食同源植物，有发汗、止呕、温胃、解毒、散寒等药效（王红芯等，2017；陈艳和杜红霞，2018），用于治疗风寒感冒、咳嗽、胃痛、呕吐、食欲不振等（周弦等，2022）。我国是世界上生姜种植面积和生产总量最多的国家，栽培历史悠久且分布范围较广，地方品种较多（吴曼等，2019；乔立娟等，2021），北方主要种植疏苗型大姜，以山东种植面积最大，南方主要种植密苗型小黄姜（彭长江，2016），以四川、云南、贵州、湖南等地种植面积较大。由于气候条件和地理环境复杂多样，经过长期的自然及人工选择，导致生姜表型出现变异，如生姜的皮色有金黄色、黄色、白色等，肉色有金黄色、黄色、黄白色、白色、乌青色等，具有相对丰富的种质资源。由于生姜利用根状茎进行无性繁殖，导致种质创制和新品种选育较困难（李录久，2009）。种质资源是作物遗传改良与育种工作的物质基础，而其遗传多样性是作物育种突破的关键（肖鑫辉等，2017）。因此，对喀斯特地区生姜种质资源进行遗传多样性分析，有利于发掘优良目标性状的种质资源，对我国喀斯特地区生姜种质资源创新利用和品种改良具有重要指导意义。【前人研究进展】基于农艺性状的遗传多样性分析是作物种质资源鉴定和评价中最简单有效且表现直观的方法（陈晓杰等，2015）。农艺性状是指代表作物品种特征的相关性状，如株高、叶面积、分枝数、结角数、千粒重和单株重量等，但不同作物影响产量形成的因子存在差异。Singh等（2003）研究发现，影响生姜产量的相关性状受加性基因控制，生姜在长期进化过程中性状可发生一定程度的变异，加之自然环境和人为条件的选择，导致形成不同性状的生姜品种。Nandkangre等（2016）研究发现，生姜植株高度与叶片数、叶长和根茎宽呈极显著相关，根茎产量与单株根茎重呈线性Pearson’s相关性，除与生育期天数呈负相关外，与其他性状均呈显著正相关。可见，生姜产量并非由单一因素控制，而是受多因子影响。张进帅等（2019）研究发现，影响水稻产量的主要农艺性状是有效穗数、每穗总粒数、结实率和千粒重。崔彦芹等（2020）研究发现，株高、每蒴粒数、单株蒴数和千粒重是影响芝麻产量的主要农艺性状。主成分分析、相关分析和聚类分析是种质资源形态特征、遗传多样性研究中广泛应用的分析方法，已应用到柑橘（孙珍珠等，2017）、番茄（芮文婧等，2018）、花生（饶庆琳等，2020）、苦荞（吕丹等，2020）、大蒜（冷家归等，2021）等作物中，但在生姜种质资源的表型性状鉴定评价方面的报道较少。Wahyuni等（2003）研究认为，印度尼西亚小姜品种的遗传多样性高于大姜品种。Jatoi等（2008）研究发现，来源于缅甸、中国、日本、巴基斯坦等东南亚地区的55份生姜资源具有丰富的遗传多样性。李秀等（2012）对日本、韩国、缅甸、南非、尼日利亚以及中国（山东省、浙江省）等地的46份生姜品种12个主要农艺性状进行遗传多样性分析，结果发现这些品种变异较丰富，根茎干物质含量、叶鲜重、茎粗和茎鲜重4个性状是影响生姜产量的主要因子；主成分分析将12个农艺性状分为高产型品种形态决定因子、低产型品种形态决定因子和产量的叶部决定因子，这3个决定因子从不同角度反映了生姜产量形成与不同农艺性状之间的关系，从而得出粗壮的茎秆、较大的叶片和同化系统、较少的分枝数和根茎干物质含量是高产生姜品种的主要形态特征。Nandkangre等（2016）研究发现，非洲西部内陆国家布基纳法索的56份生姜种质资源在形态学和农艺性状表现出丰富的遗传多样性，其聚类结果与来源地无明显相关性，而是取决于根茎产量、单株根茎重、根茎长度、株高等性状。李倩等（2020）对湖南省47份生姜种质资源的15个数量性状和10个质量性状进行分析，结果表明根状茎质量与根状茎宽、地上茎高、子姜粗、地上茎粗、根状茎长、株高和子姜长呈极显著正相关关系，而与分枝数和主茎叶数呈极显著负相关。罗凯等（2020）对8份密苗型生姜农艺性状进行相关分析，结果发现株高、株幅、分枝数和根状茎宽均与单株产量呈极显著相关，产量主要决定因子为分枝数、主茎叶面积、主茎粗、子姜粗和主茎叶片数。【本研究切入点】目前对生姜的研究报道主要集中在栽培技术（李德文，2018；邵海南，2021；贾切等，2022）、成分分析（胡文杰，2020）、脱毒技术（王少铭，2021）及产品加工利用（周陆红，2021）等方面，利用农艺性状对生姜种质资源进行遗传多样性分析的研究报道相对较少且不够全面。因此，对我国喀斯特地区生姜种质资源进行遗传多样性分析，有利于发掘优良性状的种质资源，但目前鲜见相关研究报道。【拟解决的关键问题】对收集的96份不同来源的生姜种质资源进行主要农艺性状评价鉴定，通过相关分析、主成分分析和聚类分析等方法综合评价了96份生姜资源的遗传多样性，筛选出优异核心种质资源，为生姜种质资源的创新利用及品种改良提供材料基础和理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试材料为贵州省农业科学院香料研究所于2016—2017年收集的96份生姜种质资源，其中，75份来自贵州省的8个市（自治州），其余21份来自山东、云南、湖北、四川等12个省（区），材料名称及来源见表1。

表1 96份生姜种质资源名称及来源Table 1 Names and sources of 96 ginger germplasm resources

1.2 试验设计

试验地位于贵州省贵阳市花溪区金竹镇，海拔1130 m，北纬26°30′15″，东经106°39′24″，属亚热带湿润温和型气候，年平均气温14.9 ℃，无霜期平均246 d，年平均降雨量1178.3 mm。2018—2019年对96份生姜种质资源进行农艺性状鉴定，每份种质种植4行，行宽2 m，4月上旬按行距50 cm、株距25 cm开沟播种，种植密度79500株/ha，田间肥水管理和病虫害防治参照李德文等（2018）的技术。

1.3 性状测定

2018—2019 年连续2年于11月上旬生姜收获期对10个农艺性状进行调查，包括株高（X）、分枝数（X）、主茎叶片数（X）、主茎茎粗（X）、叶长（X）、叶宽（X）、茎叶重（X）、根状茎长（X）、根状茎宽（X）和根状茎重（X）。农艺性状调查参照《姜种质资源描述规范和数据标准》（李锡香和朱德蔚，2006），每份种质资源随机选取中间2行的10株进行测定，取平均值。

1.4 数据处理与分析

式中，为某性状第个级内材料份数占总份数的百分比。运用DPS18.10进行主成分分析、相关分析和聚类分析。聚类分析时先将数据进行标准化转化，然后采用欧式距离的Word法构建聚类图（唐启义，2017）。

2 结果与分析

2.1 生姜种质资源主要农艺性状遗传多样性

从表2可知，96份生姜种质资源10个农艺性状间变异较丰富，变异系数为6.77%～36.64%，以分枝数的变异系数最大（36.64%）；其次是茎叶重的变异系数（24.8%），第三是根状茎重的变异系数（20.8%）。这3个农艺性状的变异系数均大于20%，说明96份生姜种质资源的分枝数、茎叶重和根状茎重具有较丰富的遗传多样性。其余7个农艺性状的变异系数由大到小依次为主茎叶片数（11.82%）＞根状茎宽（10.50%）＞主茎茎粗（8.23%）＞根状茎长（7.66%）＞株高（7.30%）＞叶宽（7.20%）＞叶长（6.77%）。10个农艺性状的'为1.935～2.099，变化幅度不大，以叶宽的'最大（2.099），其次是叶长（2.069），分枝数的'最小（1.935）。综合各农艺性状的最小值、最大值、极差、平均值、标准差及变异系数发现，不同生姜种质资源在不同农艺性状间及同一农艺性状在不同种质资源间均具有丰富的遗传多样性，有望筛选出适宜贵州贵阳生态区及相似区域推广种植的优异生姜品种。

表2 生姜种质资源主要农艺性状测定结果Table 2 Determination of main agronomic traits of ginger germplasm resources

2.2 生姜种质资源主要农艺性状相关分析结果

由表3 可知，根状茎重与茎叶重、根状茎长、分枝数和根状茎宽呈极显著正相关性（＜0.01），而与株高、主茎叶片数、主茎茎粗、叶长和叶宽的相关性不显著（＞0.05），表明在本试验生态气候条件下，影响生姜根状茎产量的主要农艺性状是分枝数和茎叶重。

表3 生姜种质资源主要农艺性状间的相关系数Table 3 Correlation coefficients among main agronomic traits of ginger germplasm resources

2.3 生姜种质资源主要农艺性状主成分分析结果

对96份生姜种质资源的10个主要农艺性状进行主成分分析，按照特征值大于1.0000的标准（董胜君等，2020），提取出3个主成分，累计贡献率为63.4828%，且3个主成分的因子载荷在各性状间差异较大（表4），说明由多方面原因导致生姜种质资源农艺性状的变异。第1主成分的特征值为2.7189，贡献率为27.1888%，荷载较高且特征向量值为正的农艺性状有分枝数、茎叶重、根状茎长、根状茎宽和根状茎重，表明在一定范围内，分枝多且植株生长旺盛有利于提高根状茎产量。第2主成分的特征值为2.3647，贡献率为23.6474%，荷载较高且特征向量值为正的农艺性状有株高、叶长、叶宽、主茎茎粗和主茎叶片数，特征向量值为负的农艺性状有分枝数和茎叶重，主要反映了生姜地上部分的形态性状，说明植株较高、主茎偏粗、叶片较大有利于地下根状茎生长，但其分枝数和茎叶重减少会降低根状茎产量。第3主成分特征值为1.2647，贡献率为12.6466%，荷载较高且特征向量值为正的农艺性状有主茎叶片数、叶长和根状茎宽，荷载较高且特征向量值为负的农艺性状有主茎茎粗和叶宽，说明随着主茎叶片数和叶片长度的增加，主茎变细且叶片变窄，从而影响根状茎产量。

表4 生姜种质资源主要农艺性状的主成分分析Table 4 Principal component analysis of main agronomic traits of ginger germplasm resources

2.4 基于主要农艺性状的聚类分析结果

对96份不同生姜种质资源的10个农艺性状进行聚类分析，在遗传距离10.5处可将96份生姜种质资源划分为6个类群（图1），各类群生姜种质资源的农艺性状平均值如表5所示。类群I包括12份资源，全部来源于贵州省，其中，六盘水市4份，黔西南州4份，黔南州2份，贵阳市和遵义市各1份，该类群主要特征为株高最矮（78.65 cm）、分枝最多（20.86个）、茎叶最重（545.58 g）、根状茎最长（23.83 cm）和根状茎最重（655.67 g），属于植株较矮、多分枝、地上茎叶重、根状茎产量高的优异资源。类群Ⅱ包括13份资源，除山东和湖北各1份外，其余11份种质来源于贵州省，其中，安顺市4份，黔西南州2份，遵义市2份，黔南州、黔东南州和铜仁市各1份，该类群主要特征为株高较矮（80.65 cm）、分枝数适中（14.01枝）、茎叶较重（410.69 g）、根状茎较长（22.66 cm）和根状茎较重（573.69 g），属于植株偏矮、分枝适中、根状茎产量较高的优异资源。类群Ⅲ包括18份资源，除福建和广东各1份外，其余16份种质来源于贵州省，其中，遵义市6份，黔南州4份，黔东南州2份，黔西南州2份，安顺市和铜仁市各1份，该类群主要特征为株高较矮（78.84 cm）、分枝较少（11.96枝）、主茎叶片最少（21.87片）、茎粗最细（1.03 cm）、茎叶重最轻（316.11 g）和根状茎重最轻（430.0 g），属于植株较矮、分枝较少、茎秆纤细、茎叶少且根状茎产量低的资源。类群Ⅳ包括22份资源，其中，有14份来源于贵州省，铜仁市6份，黔南州5份，黔东南州3份，该类群主要特征为株高适中（83.08 cm）、分枝较少（10.36枝）、主茎叶片最多（26.33片）、茎粗最细（1.03 cm）、茎叶重较轻（346.32 g）和根状茎偏轻（469.23 g），属于分枝少、茎秆纤细、茎叶较轻且根状茎产量偏低类型；其余8份种质来自其他省份，其中，云南2份，四川、安徽、广西、江西、山东和海南各1份，这些种质在贵阳生态区的性状表现一般，可能与其生态环境适应性有一定关系。类群Ⅴ包括18份资源，有15份来源于贵州省，其中，铜仁市5份，黔东南州4份，黔南州3份，黔西南州2份，贵阳市1份，其余3份种质来自其他省份，云南、湖北和河南各1份，该类群主要特征为株高最高（89.88 cm）、分枝较少（10.55枝）、主茎叶片较多（26.13片）、茎秆较粗（1.13 cm）、茎叶偏重（387.22 g）和根状茎较重（545.17 g），属于植株高、分枝较少、茎秆粗壮、地上茎叶较重且根状茎产量较高类型。类群Ⅵ包括13份资源，其中，云南、湖北、湖南和四川各1份，其余9个种质来源于贵州省，黔西南州3份，黔东南州2份，山东2份，遵义市和铜仁市各1份；该类群主要特征为植株偏高（86.77 cm）、分枝最少（7.97枝）、茎秆最粗（1.15 cm）、茎叶较轻（317.38 g）和单株根状茎产量偏低（451.0 g），属于植株偏高、分枝少、茎秆粗壮、地上茎叶较轻且根状茎产量较低类型。

表5 不同生姜种质资源类群的农艺性状平均值Table 5 Average of agronomic traits in different groups of ginger germplasm resources

图1 96份生姜种质资源农艺性状聚类分析结果Fig.1 Agronomic traits cluster analysis of 96 ginger germplasm resources

2.5 不同来源生姜群体亲缘关系分析结果

通过对不同来源的生姜群体农艺性状进行聚类分析，在遗传距离为7.5时，将20个生姜群体分为3个组群（图2）。其中，组群I为广东、福建、海南、江西和云南群体，组群Ⅱ为河南、湖南、山东、安徽、四川、湖北及贵州黔东南州和贵州铜仁市群体，组群Ⅲ为广西群体及贵州黔西南州、黔南州、遵义市、安顺市、六盘水市和贵阳市群体，表明贵州省内的生姜种质群体与广西群体、湖北群体和四川群体的遗传背景相似，亲缘关系较近，来源于广西、湖北和四川的生姜地方资源适宜在贵州生态区推广种植，可在贵州省内开展优良生姜品种引种试验。

图2 20个生姜群体的聚类分析结果Fig.2 Cluster analysis of 20 ginger groups

2.6 生姜种质资源主要农艺性状综合评价结果

将标准化处理的10个农艺性状带入3个主成分（冷家归等，2021），可得到96份生姜种质资源的3个主成分得分，计算公式如下：

根据3个主成分的贡献率计算权重系数，得出生姜种质资源农艺性状综合得分公式如下：

根据上述公式计算出综合得分（），通过对96份生姜种质资源的农艺性状进行综合评价，值越大表示农艺性状综合表现越好。由表6可知，96份生姜种质资源的综合得分为-2.0321～1.9924，其中，排名前14位生姜种质资源的综合得分超过1.0000，在聚类分析中分别聚在第Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ类群，除了2份资源来源于云南和山东外，其余12份资源来源于贵州省境内，可作为核心生姜种质资源开发利用。

表6 96份生姜种质资源农艺性状的综合得分值（F）Table 6 Comprehensive scores of 96 ginger germplasm resources based on agronomic traits（F）

3 讨论

3.1 生姜种质资源的农艺性状评价

农艺性状由作物自身遗传物质决定，是遗传物质在形态水平上的表现形式，反映了作物本身遗传物质与外界环境相互作用的结果。变异系数反映了某性状变量的离散程度，说明农艺性状在品种间的变异程度，而遗传多样性指数反映了种质资源间性状的多样性，变异系数和遗传多样性指数之间不存在相关性（吕伟等，2020）。本研究结果表明，96份生姜种质资源10个农艺性状的'为1.935～2.099，变化幅度不大，而10个农艺性状的变异系数为6.77%～36.64%，变化幅度较大，由大到小排序为分枝数＞主茎叶片数＞根状茎宽＞主茎茎粗＞根状茎长＞株高＞叶宽＞叶长，与前人的研究结果（李秀，2012；李倩等，2020）基本一致，且分枝数、茎叶重、根状茎重、主茎叶片数和根状茎宽的变异系数大于10.00%，说明这5个农艺性状的遗传背景较丰富，在种质资源间的差异较大，可结合品种改良目标，选择分枝数偏少、主茎叶片数多且根状茎较大的生姜种质资源，并采用茎尖组培脱毒快繁技术培育出新品种（王少铭等，2021），推广应用于生产。相关分析是对两个或两个以上有相关性的变量进行分析，确定变量之间的相关程度。本研究中根状茎重与分枝数、茎叶重、根状茎长和根状茎宽呈极显著正相关性，而与株高、主茎叶片数、主茎茎粗、叶长和叶宽的相关性不显著，与李秀等（2012）的研究结果不一致，可能是由于贵州省内生姜资源类型以密苗型小黄姜为主，每个分枝对应一个姜球，分枝数越多，姜球数越多，地上茎秆和叶片为姜球输送更多的营养，从而促进地下根状茎的生长。主成分分析可在不损失或少损失原有形态性状信息的前提下，将形态学性状信息通过降维的方法分类出几个综合因子来反映原有众多形态性状变量的信息量，从而简化形态性状的分类工作（吕伟等，2020）。本研究对96份生姜种质资源的10个农艺性状进行主成分分析，前3个主成分累计贡献率达63.48%，低于前人的研究结果（李秀等，2012；李倩等，2020；罗凯等，2020），且3个主成分的因子载荷在各性状间差异较大，可能与供试生姜种质资源的类型、测定农艺性状指标以及生态气候条件不同有关。今后将增加生姜种质资源的类型，特别是疏苗型生姜资源，并对根鲜重、叶面积、子姜长、子姜粗、根状茎干物质含量等性状进行调查，系统分析生姜种质资源主要性状间的相关性，为发掘优良的生姜种质资源提供可靠参考依据。

3.2 生姜种质资源的聚类分析

聚类分析是根据供试材料不同变量的观测数值，得到能够度量材料间相似程度的统计量，依据统计量作为其分类标准，按照顺序依次将相似程度大的2个材料聚在一起，直到所有的材料聚到一个完整的系统发育进化树中（吕伟等，2020）。本研究通过Word法聚类分析，在遗传距离为10.5 时将96份生姜种质资源划分为6个类群，同一地区生姜资源并没有完全聚到一个类群，与Nandkangre等（2016）研究结论相似，说明地理来源并不是引起生姜农艺性状差异的主要因素，其农艺性状可能与生姜对种植区域环境的适应能力有一定的关系。初步确定了各类群的基本特征，其中，类群Ⅰ属于植株较矮、分枝较多、地上茎叶较重、根状茎产量高的优异资源，类群Ⅱ属于植株偏矮、分枝适中且根状茎产量较高的优异资源，类群Ⅲ属于植株较矮、分枝较少、茎秆纤细、茎叶少且根状茎产量低的资源，类群Ⅳ属于分枝少、茎秆纤细、茎叶较轻且根状茎产量偏低类型，类群Ⅴ属于植株较高、分枝少、茎秆粗壮、地上茎叶较重且根状茎产量较高类型，类群Ⅵ属于植株偏高、分枝少、茎秆粗壮、地上茎叶较轻且根状茎产量较低类型。通过对不同来源生姜群体聚类分析结果表明，贵州省内生姜种质群体与广西群体、湖北群体和四川群体的遗传背景较近，应加大对广西、湖北和四川生姜种质资源的引进与适应性鉴定，筛选出适宜贵州生态区种植的生姜优异资源。

作物种质资源的综合评价是育种研究的重要环节，以采用隶属函数和主成分分析法进行综合评价的报道较多（董胜君等，2020；冷家归等，2021）。本研究通过农艺性状综合得分（值）判断生姜资源的综合优劣程度，14份生姜种质资源的综合得分超过1.0000，分别被聚为第Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ类群，属于根状茎产量较高资源，除了2份资源来源于云南和山东外，其余12份资源来源于贵州省，可作为核心生姜种质资源进行利用。

农艺性状易受到自然条件和其他环境因素以及人为因素的影响，表现为不同年份间和不同地点种植的生姜种质资源的农艺性状差异较大，难以准确把握不同种质资源间亲缘关系的远近和遗传变异情况，导致基于农艺性状的聚类分析可能出现偏差。生姜中含有多种功能性成分，如姜辣素、姜烯酚和姜酮等，具有抗氧化、改善心血管和胃肠道、增强免疫等功能（王红芯等，2017）；同时含有挥发类物质，如姜精油等成分，能起到缓解疲倦、降糖、抑菌消炎等多种功效，可治疗心血管疾病等（陈艳和杜红霞，2018）。本研究供试生姜种质资源多数来源于贵州省，来自省外的生姜种质资源偏少，并且没有调查质量性状和品质性状。为了准确深入地了解生姜种质资源的遗传多样性，还需补充收集（引进）省内外生姜种质资源，采用表型性状和DNA分子标记（李秀等，2014；王向东等，2018）相结合的手段，对生姜种质资源的主要表型性状和品质性状进行遗传多样性分析，筛选出综合表型性状和品质性状均优良的生姜种质资源，为生姜品种改良和新品种选育提供核心亲本材料。

4 结论

96份生姜种质资源主要农艺性状的遗传多样性丰富，分枝数和茎叶重是影响喀斯特地区生姜高产的主要性状，且广西、湖北和四川的生姜地方资源适宜在贵州生态区推广种植。从类群Ⅰ、Ⅱ和Ⅴ筛选出的14份综合农艺性状优良的种质可作为核心生姜种质资源开发利用，分别为三穗大白姜、云南小黄姜、余庆小黄姜、惠水小黄姜、德江大白姜、山东大姜、从江大白姜、花溪小黄姜、普定小黄姜、品甸生姜和镇宁小黄姜。