37份文冠果优新种质资源表型性状遗传变异分析

王娅丽，顾志杰，贾巧霞

(宁夏林业研究院，种苗生物工程国家重点实验室，宁夏 银川 750004)

文冠果（Xanthoceras sorbifoliumBunge）为无患子科（Sapindaceae）文冠果属（Xanthoceras）落叶灌木或小乔木，主要分布在我国北方干旱和半干旱地区[1]，是集木本油料、生态造林、园林观赏等为一体的多功能树种。文冠果种仁含油量高达67%，其中，85%～93%为不饱和脂肪酸，包括37.1%～46.2%的亚油酸以及28.6%～37.1%油酸等人体必需的脂肪酸[2-3]，还含有3.04%左右的神经酸（组成大脑神经细胞的核心天然成分）[4]。此外，文冠果还含有多种生物活性化合物，是益寿宁等中药的组成成分[5]。如从文冠果壳中提取的文冠果皂苷具有抗肿瘤等作用，并且有可能成为治疗阿尔茨海默症的有效成分[6-7]。近年来，由于文冠果重要的经济价值，其发展非常迅速，到2020年种植面积已达5 × 105hm2[1]。由于其广泛的分布、丰富的生长环境以及长期的异花授粉，文冠果具有丰富的表型变异和多样性。因此，开展文冠果种质资源表型变异及多样性的研究，不仅可挖掘出有重要经济价值的育种资源，同时对于文冠果种质资源的鉴定、评价等有重要意义。

表型多样性的研究为通过表型性状分析遗传多样性提供了最传统和最方便的方法[8]。相关性分析、主成分分析和聚类分析是表型多样性研究中应用最普遍和有效的分析方法，目前在李（Prunus salicinaLindl）、宽皮柑橘（Citrus reticulateBlanco）、杜仲（Eucommia ulmoidesOliver）、杏（Armeniaca sibiricaLam）等多种作物中均有应用[9-12]。关于文冠果种质资源表型多样性的研究，王艺林等[13]、张毅等[14]、白鑫磊等[15]及柴春山等[16]对不同种源或群体文冠果的果实和种子的表型性状进行了变异研究和分析，证实文冠果果实和种子表型多样性丰富，且单株结果个数和种子产量变异最大；芦娟等[17]对文冠果花的表型多样性研究结果得出，顶花序不孕花数及顶花序孕花数、侧花序长度等性状变异系数较大；郭军战等[18]对文冠果12个数量性状进行了主成分分析和聚类分析，将12个生物学性状分为树形因子、叶形因子、果形因子、花序因子和综合因子等5类，并将12个数量性状聚为6大类。

以上研究多数是针对野生群体、不同种源等文冠果果实、种子、花等某一部位的性状进行的表型多样性及变异研究，而针对文冠果种质资源枝、叶、花、果实、种子等多部位表型性状的综合研究还未见报道。本研究以银川植物园收集保存的文冠果优新种质资源为研究对象，全面系统的对枝、叶、花、果实、种子等表型性状进行调查分析，旨在揭示文冠果种质资源表型变异多样性，为文冠果种质资源评价及遗传改良等提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019、2020年在银川植物园文冠果种质资源圃内开展。共37份种质，来自10个种源地，包括宁夏银川10份，宁夏吴忠3份，甘肃民勤5份，甘肃定西2份，内蒙赤峰8份，陕西靖边2份，陕西富县1份，山西太原3份，山东辉县1份，辽宁彰武2份。从种质分类上包括品种17份，无性系20份（表1）。2014年春季从各地引进各种质2～3年生的嫁接苗，或从拟引进种质上采集1年生枝条做接穗，采用芽接方式以银川植物园种植的3年生文冠果实生苗为砧木进行嫁接。采用完全随机区组设计，10株小区，3次重复，定植株行距2 m×3 m，密度1650株·hm-2，所有种质均采用统一田间管理措施，采用滴灌进行灌溉和施肥，病虫害和杂草统一防治，每年春季由同一名经验丰富的工作人员对所有种质进行修剪。

表1 文冠果37份优新种质资源Table 1 The 37 germplasm resources of X.sorbifolium

1.2 表型性状调查与测定方法

1.2.1 表型性状采样方法 每种质选取3株生长正常、无明显缺陷、未发现病虫害、生长基本一致的结果树作为试验对象。2019—2020年每年4月下旬开花盛期在每株树冠中上部选取花序10个，盛开的小花30朵进行花序和花性状调查；8月上旬果实成熟期采集成熟果实10个，成熟种子15个进行果实及种子性状调查（其中，百粒质量为每单株随机取100粒种子，重复3次，取平均值）；9月中旬在树冠中上部采集当年生枝条5个，成熟复叶15个，成熟小叶15片进行枝、叶性状的调查。所有采样均按照单株进行，枝、叶、花等性状调查鲜样，果实及种子性状自然阴干后调查测定。

1.2.2 表型性状调查与测定 利用电子天平和游

标卡尺等对37份种质资源的35个表型性状进行调查统计，包括2个枝性状：当年生枝条长（ABL/cm）、当年生枝条粗（ABD/mm）；7个叶性状：复叶数量（CLN/个）、叶轴长（RL/cm）、叶轴宽（RW/cm）、小叶数量（LN/个）、小叶长（LL/mm）、小叶宽（LW/mm）、叶型指数（LSI）；5个花序性状：花序长（IL/mm）、花序宽（IW/mm）、花序径（ID/mm）、花序花数量（FN/个）、花序指数（ISI）；7个花性状：花朵长（FL/mm）、花冠径（CD/mm）、花梗长（PL/mm）、花梗径（PD/mm）、花瓣长（PL1/mm）、花瓣宽（PW/mm）、花瓣指数（PSI）；7个果实性状：果实质量（FW/g）、单果种子数（SFSN/个） 、单果种子质量（SFSW/g）、果实横径（FTD/mm）、果实纵径（FLD/mm）、果型指数（FSI）、出种率（SP/%）；7个种子性状：种子横径（STD/mm）、种子纵径（SLD/mm）、种型指数（SSI）、种子质量（SW/g）、种仁质量（KW/g）、出仁率（KP/%）、百粒质量（SHGW/g）。其中，叶形指数 = 叶长/叶宽，花序指数 = 花序长/花序宽、花瓣指数 = 花瓣长/花瓣宽，果形指数 =果纵径/果横径，种形指数 = 种子纵径/种子横径；出种率 = 种子质量/果实质量×100%；出仁率 = 种仁质量/种子质量×100%。数据取2019及2020年2年调查测量的平均值。

1.3 数据处理

用表型分化系数(VST)来反映种质间表型分化的值，即种质间变异占遗传总变异的百分比，VST

采用SPSS软件的描述性统计，统计了各数量性状的平均值、标准差、最小值、最大值等；采用z-score标准化后的数据对35个表型性状进行主成分分析[21-22]；利用平方欧式遗传距离（Squared Euclidean distance）采用离差平方和法（Ward’smethod）进行聚类分析[9,12]。其他统计运算按照常规方法并利用EXCEL2003，SPSS20.0软件包提供的有关程序进行。

2 结果与分析

2.1 文冠果37份种质资源35个表型性状的多样性

表2表明：文冠果种质具有丰富的遗传多样性。Shannon-Wiener指数（H）和Simpson遗传多样性指数（D）变化范围分别为0.20～1.96和0.42 ～0.84，其中，FTD、SHGW、 FL、PL1、FLD、SFSW等几个性状的信息指数和遗传多样性指数较大，说明这些性状在每一级中的分布比较均匀；SFSN、SSI、KP、ABD、LN这几个性状的Shannon-Wiener指数和Simpson遗传多样性指数较小，说明这几个性状表现型较少，且在每个表现型上分布不均匀。枝、叶、花序、花、果和种子性状的Shannon-Wiener指数的大小顺序为花性状（1.774）＞花序性状（1.724）＞叶性状（1.620）＞枝性状（1.615） ＞果实性状（1.581） ＞种子性状（1.559）；Simpson遗传多样性指数的排序与Shannon-Wiener指数排序基本一致。花序、花、果实等性状的表型遗传变异较丰富。

表2 文冠果37个种质表型性状多样性分析Table 2 Analysis of diversity of 35 phenotypic traits among 37 X. sorbifolium germplasms

35个性状的平均变异系数为25.49%，变异范围为12.80%～63.25%。变异系数较大的几个性状是ABL（63.25%）、PD（53.06%）和ID（42.57%）。枝、叶、花序、花、果和种子性状的平均变异系数依次为：枝性状（45.51%）＞花序性状（31.01%）＞果实性状（24.67%）＞花性状（24.35%）＞种子性状（21.82%）＞叶性状（21.45%）。

2.2 文冠果表型变异研究

表3表明：文冠果表型性状在种质间和种质内存在广泛变异，种质间F值为4.750～385.547 （p＜0.01），种质内F值为1.307～19.667 （p＜0.01）。除LN、PD和SSI外，其他表型性状在种质间和种质内都有极显著差异。

表3 文冠果37份种质资源35个表型性状的方差分析Table 3 Variation analysis of 35 phenotypic traits among 37 X.sorbifolium germplasms

2.3 文冠果表型分化系数

表4表明：文冠果表型分化系数（VST）范围为28.994%～97.836%；VST较小的性状有ID（28.994%）、FTD（45.664%）和 PD（46.223%）3个性状；其余32个性状的VST值均高于50%，说明种质间的变异对表型多样性的贡献高于种质内变异，且种质间变异具有相对优势。枝、叶、花序、花、果实和种子的VST值分别为67.868%、84.535%、76.419%、83.355%、78.876%和80.863%。35个表型性状的平均VST为 80.525%，表明种质间的变异是表型变异的主要来源。

2.4 文冠果表型性状主成分分析

表5显示：有9个主成分特征值大于1，累积贡献率达到80.333%，包含了表型性状的大部分信息，可以替代原来35个性状的信息。PC1-PC9贡献率分别为25.075%, 16.345%, 9.997%,7.221%, 6.122%, 4.800%, 4.143%, 3.633% 和2.998%。从特征向量的绝对值看，PC1主要反映了果实和种子的性状；PC2主要反映花的性状；PC3主要反映叶片性状。

表5 文冠果37份种质资源35个表型性状主成分分析Table 5 The PCA of 35 phenotypic traits among 37 X. sorbifolium germplasms

2.5 文冠果种质资源聚类分析

聚类结果（图1）表明：39个种质分为2个大类群，每一类群表型性状均值见表6。第一类群共有35份种质，分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ 、Ⅴ 共5个亚类群，亚类群Ⅰ包括6个种质（Hrhb、5-B2-1、Fhg、5-C1-1、N920和森淼文冠果），这6个种质枝、叶、花序、花、果、种子等性状的平均值都较小；亚类群Ⅱ包括8个种质（N916、冠硕、Bxg、N923、冠林、5-C3-2、森淼红粉冠、Cfg）特征是其花序和花性状的平均值较大，而枝、叶、果和种子性状的平均值较小或中等；亚类群Ⅲ包括5个种质（N917、Yx02、Jhg、森淼桃红冠和森淼金粉冠）特征为其花序、花、枝、叶、果实和种子的性状均值较大，其中，花序和花性状值为几个亚类群中最大；亚类群Ⅳ由8个种质组成（中石四号、Jhz、森淼橙红冠、森淼金紫冠、Nsjt21、Nsjt29、Jhwm和金公主8号)）特征为枝、叶性状的平均值较大、花序和花性状的平均值较小，而果实和种子性状的平均值为中等水平；亚类群Ⅴ包括9个种质（蒙冠3号、蒙冠1号、开口笑、Nsjt32、中石九号、金公主4号、蒙冠2号、金帝3号和金王1号）主要特征是果实和种子性状的平均值较大。第二类群只有1个种质森淼重瓣冠，其特征为重瓣花，不结果，花小，枝叶性状平均值为中等水平。

表6 文冠果种质资源各类群表型性状特征Table 6 The mean value of phenotypic traits in different groups of X. sorbifolium germplasms

图1 文冠果37份种质资源表型性状聚类分析Fig. 1 Dendrogram of cluster analysis among 37 germplasms of X. sorbifolium by Ward method

表7表明：37份种质资源共10个地理来源，部分相同来源的种质分布在同一组中，如来自宁夏银川和和甘肃民勤的种质主要分布在亚组I中，来自内蒙赤峰的种质主要分布在亚组Ⅴ中；其他来源的种质则分散在各个亚组中。说明相同地理来源的种质既有相对聚合的现象，也有分布混杂的现象，并未完全归为一类。

表7 不同地理来源的种质在聚类分析中的分布Table 7 Distribution of the different original X. sorbifolium germplasms in clustered groups

3 讨论

表型性状的变异是基于植物基因型和环境之间的变异和相互作用[23]。系统的形态学性状描述和鉴定是种质资源研究的最基本的方法和最便捷的途径[24]。本研究首次将枝、叶、花序、花、果实、种子等多部位表型性状进行全面系统的综合研究，对37份种质资源的35个表型性状的遗传变异进行了分析。文冠果种质资源表型变异丰富，表型多样性高，其中，花序、果实和花等性状变异范围大于叶片和种子。

变异系数（CV）反映性状的离散程度，变异系数越大，观测值的离散度越高，表型多样性越丰富[25]。 本研究中，文冠果枝、叶、花序、花、果实和种子性状的变异系数均处于中等水平。叶性状的平均变异系数为21.45%，高于戚建莉等[7]16.18%、白鑫磊等[15]19.21% 的报道；花序平均变异系数为31.01%，花平均变异系数为24.35%，花序和花平均为27.13%，小于卢娟等[17]报道的32.64%；果实性状的平均变异系数为24.67%，小于马新等[26]和柴春山等[16]报道的43.6%和28.72%，但大于王艺林等[13]报道的6.14%；种子性状平均变异系数为21.82%，小于白鑫磊等[15]报道的29.19%，大于王艺林等[13]和柴春山等[16]报道的10.02%和13.57%。与其他植物相比，文冠果种质资源间的表型分化（VST=80.525%）处于较高水平，如硬叶兜兰[27]（Paphiopedilum micranthumT. Tang,VST=64%）、水青树[28]（Tetracentron sinenseOliv,VST=56.34%）和闽楠[25]（Phoebe bourneiYang,VST=53.77%）。

主成分分析（PCA）是降低多元数据集维度的有力工具，它可以将大量的指标整合压缩成少量的反映较多信息的综合指标[29]，该方法非常适合用来进行多性状的选择，以此来确定导致所选材料变异的最主要的性状[30]。本文主成分分析结果表明，前9个主成分的累积方差贡献率达到80.333%，可以综合反映35个性状的信息；该数值略高于白鑫磊报道的74.693%[15]和郭军战报道的70.260%[18]的结果，与马新等[26]的86.053%的结果相似。

聚类分析将37份文冠果种质资源划分为2个大类群和6个亚类，初步明确了每个亚类群的特征，可为其合理开发利用提供帮助，其中，亚类Ⅳ叶性状值较大，可用于选育以叶用为主的品种，如开发文冠果叶茶等；亚类Ⅱ和Ⅲ具有较高的花序和花性状值，可用于选育观花等为主的观赏类品种；亚类Ⅴ的果实性状和种子性状都较大，具有较高的 FW、SFSN、SFSW、FTD、KP、SW、KW KP和SHGW值，这些性状与果实和种子等产量成显著正相关[15,26]，因此，亚类Ⅴ的种质可用于选育果用型品种。

聚类分析结果与种质地理来源分布并不完全一致，同一地理区域的种质资源既相互聚合，又与来自其他类群的种质资源相互关联。这主要是因为本试验所用的种质均是从当地苗木中筛选获得的优良品种（品系）；在长期选择的过程中，不同省份的种质也进行了资源交换，这种种质交换导致聚类结果与地理来源之间并不完全一致。

4 结论

37份文冠果优新种质资源表型性状遗传变异丰富，按部位划分，花序、果实和花等性状变异范围大于叶片和种子；主成分分析可以简化种质资源筛选评价指标；聚类分析初步明确了各亚类群特征和育种价值。这些结果很好的揭示了文冠果优新种质资源的表型遗传变异，为种质资源的遗传改良、保存和评价提供了有益的信息。