85份苦瓜种质资源农艺性状的遗传多样性分析

李丽琼,阳世莹,麻继仙,但 忠,陈光平,杨 龙,起开斌,木万福

(1.云南省农业科学院热区生态农业研究所,云南 元谋 651399;2.楚雄州农业科学院,云南 楚雄 675000)

【研究意义】苦瓜(MomordicacharantiaL.)是葫芦科(Cucurbitaceae) 苦瓜属 (Momordica)1年生攀缘性草本植物,别名瓜、锦荔枝、凉瓜等,味苦性寒,以食用嫩瓜为主,具有降血糖、抗肿瘤等丰富的药用保健价值,深受消费者喜爱[1-2]。在中国,苦瓜广泛分布于广东、广西、湖南和海南等地,近年来苦瓜种植面积逐年增加,据统计,2020年以来,广东省全年苦瓜种植面积2.7×104hm2以上,海南省种植面积高达0.6×104hm2,广西省种植面积超过0.4×104hm2,而湖南省种植面积约 2.3×104hm2,苦瓜已成为瓜类蔬菜中的重要经济作物之一,具有重要的产业地位[1-4]。【前人研究进展】遗传多样性丰富的种质资源是种质创新的基础,开展资源多样性分析有助于了解物种的进化潜力和遗传稳定性,还有利于优异资源的发掘和多抗品种的选育[5-7]。形态特征分析和分子标记是育种家获取种质资源遗传差异的重要途径,InDel[8]、SSR[9-10]、SRAP[10]、ISSR[11]和MSAP[12]等分子标记方法虽然操作快速,但不能反映种质资源在生物和非生物逆境胁迫方面的特征。因此,目前对苦瓜种质资源的鉴定评价仍以形态特征为主,形态特征也是苦瓜等农作物新品种DUS 测试的重要依据[13-14]。前人对苦瓜商品瓜品质[15-16]、抗病性[17]、耐冷性[18]、耐热性[19-20]和农艺性状[20-24]等方面做了颇多研究,但往往存在群体相对较小,评价信息不全,研究结果局限等问题。【本研究切入点】由于长期驯化和人工栽培,大部分苦瓜栽培品种遗传多样性较低,对病虫害、高温、低温等生物和非生物胁迫较敏感,多抗性较差。苦瓜是异花授粉植物,种间杂交选育优质、高产、多抗新品种是种质创新的主要途径,但遗传基础狭窄且性状不稳定,会严重阻碍苦瓜的良种选育。为选育优质、多抗和高产的苦瓜新品种,筛选优异亲本成为目前主要目标。随着蔬菜周年化生产的发展,苦瓜四季种植成为常态,其种质资源的类型不断增加,数据收集的工作量也随之增加。因此,如何在不丢失性状关键信息的情况下更准确有效的评价苦瓜种质资源至关重要。【拟解决的关键问题】本研究以85份苦瓜种质资源的20个农艺性状为依据,进行苦瓜种质资源的分析评价,以期明确评价苦瓜种质资源的关键性状指标,筛选出优异苦瓜种质资源,为苦瓜种质评价和良种选育提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

85份苦瓜材料种植于云南省农业科学院热区生态农业研究所基地(101°52′9″ E,25°41′56″ N),金沙江干热河谷典型气候区,海拔1286 m,土壤肥力中等,土质为红土。2020年和2021年在苦瓜91 d的生育期内,日均气温大于30 ℃的天气平均有74 d,日均降水量不到5 mm,日最高气温大于35 ℃的天气平均有80 d,其中,日最高气温大于40 ℃的天气平均有51 d。

1.2 试验材料

供试的85份苦瓜种质资源是由云南省农业科学院热区生态农业研究所提供的高代自交系材料,详见表1。

表1 85份苦瓜种质资源的类型及来源地

续表1 Continued table 1

1.3 试验设计

85份苦瓜材料均于2020年3月21日播种,4月6日定植和2021年3月24日播种,4月9日定植,采用大棚搭架式栽培,双行种植,每份材料种植12株,行距1.00 m,株距0.50 m,覆盖地膜,常规管理,设3次重复。

1.4 测定指标

2020年和2021年分别测量苦瓜种质的34个农艺性状(蔓色、蔓粗、节长、叶形、叶色、叶片长、叶片宽、叶柄长、株高、分枝、第一雌花节位、雄花始花期、雌花始花期、雌花节率、性型、授粉期、瓜形、瓜皮色、瓜瘤类型、棱瘤稀密、瓜瘤大小、近面蒂端瓜面形状、瓜顶形状、单瓜重、瓜纵径、瓜横径、畸形瓜数、单株瓜数、成熟期、生育期、熟性、单瓜种子数、种皮色、种子千粒重),通过数据一致性检验,并结合实践工作和前人研究结果筛选出20个农艺性状用于统计分析,其中18个数量性状、2个质量性状[21,25,34],分别为分枝节率(T1)、第一雌花节位(T2)、主蔓粗(T3)、节间长(T4)、叶长(T5)、叶宽(T6)、叶柄长(T7)、株高(T8)、雌花始花期(T9)、雌花率(T10)、授粉期(T11)、棱瘤稀密(T12)、瓜瘤大小(T13)、单瓜重(T14)、商品瓜纵径(T15)、商品瓜横径(T16)、畸形率(T17,瓜形弯曲或瓜瘤分布不均等视为畸形瓜),单株产量(T18)、生育期(T19)、单瓜种子数(T20),其中分枝节率(T1)、雌花率(T10)、畸形率(T17)分别按式(1)、(2)、(3)计算。

分枝节率(%)=主蔓上的侧蔓数量/主蔓节位数×100

(1)

雌花率(%)=主蔓上的雌花数量/主蔓节位数×100

(2)

畸形率(%)=畸形瓜数/总瓜数×100

(3)

1.5 数据统计与分析

2020年和2021年的调查数据经一致性检验后以2年数据平均值进行分析统计。采用软件Microsoft Excel 2019 整理并计算85份苦瓜20个指标的最大值、最小值、极差、平均值、标准差及变异系数,采用变异系数(Coefficient of variation,CV)表示不同种质间性状值离散特性,评估85份苦瓜材料的遗传多样性。采用软件R语言对85份苦瓜的20个性状进行相关性分析(Correlation analysis),结合苦瓜育种实践工作中高代系材料评价筛选的主要参考指标,本研究重点分析植株长势、熟性、雌花率、苦瓜大小、瓜瘤、畸形率和产量等性状间的相关性,明确各农艺性状与苦瓜遗传育种间的关系。采用软件R语言对85份苦瓜资源的20个农艺性状进行主成分层次聚类分析(Hierarchical clustering on principal components,HCPC),提取特征值大于1的主成分进行层次聚类分析,在遗传距离为7.5时,将85份苦瓜资源划分类群,提取各类群中每个农艺性状的群内平均值(个体均值)和总体均值,对苦瓜种质资源进行评估与分类。再对每个类群作主成分可视化图,显示每个类群中每个个体间的遗传距离,取每个类群中位于聚类中心处的前5个个体为该类群的最优个体,并计算出每个个体与聚类中心之间的遗传距离,对苦瓜种质资源进行评价与筛选[5,22,26-30]。

2 结果与分析

2.1 苦瓜种质资源主要农艺性状的变异性分析

对85份苦瓜材料的18个数量性状作变异性分析可知(表2),18个数量性状的变异系数为7.00%～77.00%,呈现出较大变幅,表明苦瓜类型较丰富。其中,畸形率的变异系数最大,为77.00%,变异幅度为0～50.45%,表明不同苦瓜材料的畸形率发生了最广泛的变异,可选择的亲本范围最大。畸形率直接反应苦瓜品种的适应性差异,品种不同,适应能力完全不同。而雌花率的变异系数为65.00%,变异幅度为2.86%～79.50%,表明雌花率在不同苦瓜资源中的差异较大,样本包括了全雌系、强雌系和弱雌系的苦瓜品种。第一雌花节位是衡量苦瓜熟性的重要性状指标,其变异系数为31.00%,变异幅度为6～25节位,表明参试的85份苦瓜的熟性较丰富,包括早熟、中熟和晚熟类型的苦瓜品种。生育期、雌花始花期和授粉期的变异系数分别为7.00%、9.00%和8.00%,表明该3个性状的变异性较小,可相对稳定遗传。综上所述,本研究中用于变异性分析的农艺性状中,除了生育期、雌花始花期和授粉期外,其余农艺性状的变异系数均大于10%,说明85份苦瓜资源间存在很大差异,具有丰富的遗传多样性,可用于遗传育种和种质创新。

表2 18个数量性状的变异性分析

续表2 Continued table 2

2.2 苦瓜种质资源农艺性状的相关性分析

相关性分析结果显示,各农艺性状间存在复杂的相关性(图1)。其中,株高(T8)与节间长(T4)、叶长(T5)、单瓜重(T14)呈极显著正相关,表明植株长势越旺盛的苦瓜,通常叶片越大,节间越长,苦瓜越大;第一雌花节位(T2)与雌花始花期(T9)呈极显著正相关,与叶长(T5)、授粉期(T11)呈显著正相关,与雌花率(T10)呈极显著负相关,表明越早熟的苦瓜,通常第一雌花节位越低,开花授粉越早,但雌花率小;瓜瘤大小(T13)与叶长(T5)、叶宽(T6)、主蔓粗(T3)呈极显著正相关,与节间长(T4)、授粉期(T11)呈显著正相关,与畸形率(T17)、棱瘤稀密(T12)呈极显著负相关,表明瓜瘤越大的苦瓜,通常棱瘤越稀,植株长势越旺盛,苦瓜畸形率越小且成熟越晚;单株产量(T18)与商品瓜纵径(T15)、节间长(T4)、单瓜重(T14)呈极显著正相关,与雌花率(T10)呈显著正相关,与畸形率(T17)呈显著负相关,表明产量越高,通常苦瓜越大,雌花率越高,畸形率越小。

图1 20个农艺性状的相关性分析Fig.1 Correlation analysis of 20 agronomic traits

以上结果说明苦瓜的各性状指标间均有着不同程度的相关性,这20个农艺性状可用于苦瓜遗传育种的资源评价。但各性状之间存在彼此促进或抑制的复杂关系,反映的信息出现相互重叠现象,增加了根据表型特征进行苦瓜资源评价的盲目性。为科学、有效地评价这85份苦瓜资源,需要在此基础上利用主成分层次聚类分析作进一步研究。

2.3 苦瓜种质资源的综合评价

2.3.1 苦瓜种质资源的主成分层次聚类分析 相关性分析结果显示,85份苦瓜种质的20个农艺性状间存在复杂的内在联系,为了解其中可能的遗传结构作主成分层次聚类分析(表3～4和图2)。结果表明,在特征值大于1时,主成分7的累计贡献率达71.64%,包含20个农艺性状的绝大部分信息。在此基础上保留前7个主成分进行层次聚类分析,遗传距离为7.5时可将85份苦瓜资源分为5个类群。

类群Ⅰ有17份苦瓜,主要表现是畸形率(T17)的个体均值为27.39,高于总体均值15.67,棱瘤稀密度(T12)的个体均值为3.30,高于总体均值2.55,且差异极显著,而分枝节率(T1)、授粉期(T11)、单瓜重(T14)、主蔓粗(T3)、节间长(T4)、株高(T8)、叶长(T5)、叶宽(T6)和瓜瘤大小(T13)的个体均值均低于总体均值,且差异显著,表明类群Ⅰ的典型特征是植株长势弱,苦瓜小且畸形率高,可视为易畸形类种质。

类群Ⅱ有35份苦瓜,主要表现是商品瓜纵径(T15)的个体均值为23.20,高于总体均值21.79,且差异极显著,而雌花始花期(T9)、第一雌花节位(T2)、授粉期(T11)和生育期(T19)的个体均值均低于总体均值,且差异显著,其中第一雌花节位和授粉期的个体均值分别为11.32、48.85,总体均值分别为12.64、50.67,表明类群Ⅱ苦瓜的典型特征是苦瓜较长,且早熟,可视为早熟型种质。

类群Ⅲ有15份苦瓜,主要表现是第一雌花节位(T2)、授粉期(T11)、雌花始花期(T9)、生育期(T19)、叶宽(T6)、叶长(T5)和叶炳长(T7)的个体均值均高于总体均值,而单株产量(T18)、单瓜重(T14)和商品瓜纵径(T15)的个体均值均显著低于总体均值,且差异显著。其中第一雌花节位、授粉期和单株产量的个体均值分别为17.62、55.85、46.51,总体均值分别为12.64、50.67、62.77,表明类群Ⅲ苦瓜的典型特征是晚熟,产量低,可视为晚熟型种质。

类群Ⅳ有3份苦瓜,主要表现是生育期(T19)、雌花率(T10)、授粉期(T11)、分枝节率(T1)和单株产量(T18)的个体均值均显著高于总体均值,而第一雌花节位(T2)和单瓜种子数(T20)的个体均值均显著低于总体均值,且差异显著。其中雌花率、单株产量和第一雌花节位的个体均值分别为71.54、99.67、7.17,总体均值分别为28.60、62.77、12.64,表明类群Ⅳ苦瓜的典型特征是雌花率高,开花早且高产,可视为高产强雌系种质。

类群Ⅴ有15份苦瓜,主要表现是单瓜重(T14)、商品瓜横径(T16)、商品瓜纵径(T15)、株高(T8)、叶长(T5)、节间长(T4)、瓜瘤大小(T13)和单株产量(T18)的个体均值均极显著高于总体均值,而畸形率(T17)、瓜瘤密度和雌花率(T10)的个体均值均显著低于总体均值,且差异显著。其中单瓜重、单株产量、畸形率和雌花率的个体均值分别为407.83、79.15、9.29、15.43,总体均值分别为281.90、62.77、15.67、28.60,表明类群Ⅴ苦瓜的典型特征是苦瓜大,畸形率低,植株长势旺,高产但雌花率偏低,可视为高产型种质。

表3 各主成分特征值和贡献率

图2 85份苦瓜种质的聚类分析Fig.2 Cluster analysis of 85 germplasm resources of bitter gourds

表4 各类群主要农艺性状的比较

续表4 Continued table 4

2.3.2 苦瓜种质资源遗传距离的计算 基于上述主成分层次聚类分析结果,对每个聚类作主成分可视化图,并显示5个类群中每个个体间的遗传距离(图3、表5)。结果表明,类群Ⅰ中离聚类中心最近的前5个品种有K44、K72、K13、K80、K45,与聚类中心之间的遗传距离分别为0.37、0.54、0.59、0.73、0.80,可作为该类群的代表品种;类群Ⅱ中离聚类中心最近的前5个品种有K65、K38、K10、K9、K26,离聚类中心的遗传距离分别为0.29、0.42、0.57、0.59、0.68,可作为该类群的代表品种;类群Ⅲ中离聚类中心最近的前5个品种有K59、K62、K74、K16、K17,与聚类中心之间的遗传距离分别为1.09、1.79、1.94、1.94、2.10,可作为该类群的代表品种;类群Ⅳ中离聚类中心最近的前3个品种有K43、K83、K24,与聚类中心之间的遗传距离分别为1.62、1.99、3.33,可作为该类群的代表品种;类群Ⅴ中离聚类中心最近的前5个品种有K37、K30、K28、K84、K2,与聚类中心之间的遗传距离分别为0.92、0.97、0.97、1.05、1.07,可作为该类群的代表品种。

图3 5个类群的聚类图Fig.3 Cluster map of 5 clusters

表5 各类群的代表品种及遗传距离

3 讨 论

科学客观地分析评价种质资源是种质创新的基础[27,31]。本研究以85份苦瓜连续2年的20个农艺性状为数据依据,保证了数据的全面性和稳定性。变异性分析表明,除生育期(T19)、雌花始花期(T9)和授粉期(T11)3个农艺性状相对稳定遗传外,其余性状的变异系数均大于10.00%,表明苦瓜样本间遗传差异较大[32-33],可知这85份苦瓜种质资源间的亲缘关系较远,具有丰富的遗传多样性,适合作为种质创新的亲本材料。相关性分析结果显示,20个农艺性状间的关联较为紧密,彼此间存在相互促进或抑制的关系,且有叠加现象,反映了根据农艺性状判定苦瓜种质遗传的不可预知性及复杂性,从而增加了根据农艺性状进行综合评价的盲目性。这与李家明等[21]、刘子记等[34]的研究结果有所不同,可能是由于本试验样本数量较大,测定指标较多,且本研究选用了前人文献中没有的指标(畸形率和雌花率)造成。本研究尝试将畸形率和雌花率作为苦瓜综合评价的性状指标,发现畸形率和雌花率对苦瓜综合评价的影响较大,决定着苦瓜的产量,在一定程度上反映了苦瓜的遗传潜力和抗逆性,可作为苦瓜资源综合评价的重要性状指标,在今后的育种工作中应加以重视。

利用R语言将主成分分析与聚类分析相结合,基于常规的种质资源综合评价分析方法加以改进,对85份苦瓜作进一步的评估,提取特征值大于1的主成分进行聚类分析,在遗传距离为7.5时将85份苦瓜分为5个类群,并评估每个类群的典型特征。在此基础上,分别计算每个类群中每个个体与聚类中心间的遗传距离,离聚类中心最近的样本则具有该类群的典型特征,筛选出前5个离聚类中心最近的样本作为该类群的代表品种,对苦瓜资源进行评价。这与张燕等[23]、刘子记等[26]、王心迪[27]的分析方法有所不同。本文在精简分析步骤的同时降低了数据分析的难度,将数据分析可视化,更加直接具体的对各类群的种质资源作客观评价,提高了资源评价的效率,更增强了种质评价的参考性。

经评价分析发现,85份苦瓜含17份易畸形类苦瓜种质(类群Ⅰ),35份早熟型苦瓜种质(类群Ⅱ),15份晚熟型苦瓜种质(类群Ⅲ),3份高产强雌系苦瓜种质(类群Ⅳ),15份高产型苦瓜种质(类群Ⅴ)。对于性状表现优异的类群Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ,其最优个体可直接用作种质创新的亲本材料进行良种选育,而对于性状表现较差的类群Ⅰ,其最优个体可直接淘汰弃用,未筛选到的其余品种将作进一步的分离提纯再评价,这为今后的育种工作提供了有利参考。

4 结 论

参试的85份苦瓜种质资源类型丰富,亲缘关系较远,适合作为种质创新的亲本材料。筛选出的早熟型种质K65、K38、K10、K9、K26,可作为早熟型品种的亲本选择;早熟强雌系种质K43、K83、K24,可作为早熟高产型品种的亲本选择;高产型种质K37、K30、K28、K84、K2,可作为高产型品种的亲本选择;以及晚熟型种质K59、K62、K74、K16、K17,可作为晚熟型品种的亲本选择,该18份苦瓜种质可作为重要目标亲本选择,用于今后的良种选育。而易畸形种质K44、K72、K45、K13、K80可淘汰。