山栀种质资源果实性状多样性分析

赫雯琳, 盘鑫海, 王 肖, 葛璐瑶, 杜勤辉, 曾艳玲

(中南林业科技大学经济林培育与保护教育部重点实验室,经济林育种与栽培国家林业和草原局重点实验室, 长沙 410004)

山栀(GardeniajasminoidesEllis)为茜草科栀子属常绿灌木植物[1],原产中国,主产于川、湘、鄂、赣、浙、闽等南部省份[2-4]。我国栀子属植物包括山栀子、水栀子、大黄栀子、大花栀子、重瓣栀子、雀舌栀子、海南栀子、狭叶栀子、匙叶栀子和花叶栀子等[5]。山栀子为常用清热类中药,除药用外还用于食品或工业染色[6]。山栀喜光耐荫、较耐高温,喜壤质肥沃、排水性良好的酸性砂壤土,山地、丘陵均可生长[7],其果实入药,具有泻火除烦,清热利尿,凉血解毒等功效[8],作为一种药食两用的植物资源,本身具有较高的经济价值,加上其对生长环境要求低,成活率高,目前已成为许多林场以及农户种植的先锋经济树种,山栀为异花授粉植物,基因型差异明显,表现型千差万别,在自然群体中存在较多变异类型,目前很多人工栽培的山栀种源都是未经选育的野生实生植株,这不仅导致山栀品质参差不齐,而且会破坏山栀野生资源的多样性[9]。为促进我国栀子产业的健康持续发展,需要充分有效地利用优良种质资源[10]。优良种质的确定则需深入了解不同山栀种质性状表现,通过评价生长特性、农艺性状、品质特征等综合指标,结合当地水土特性及立地条件,进行全面系统的鉴定[11]。

表型性状是植物基因型与环境因素共同作用的结果[12],当样本容量足够大时,几乎可以代表其变异及遗传多样性[13]。费曜等[14]对9个不同产地栀子的多个表型性状及活性成分等进行研究,将样品分为五个类型;邓绍勇等[3]以9个省25个野生山栀居群为研究对象,分析其叶片和果实表型性状,揭示了野生山栀丰富的表型是基因型和环境因子共同作用的结果;刘若楠[15]研究发现,栀子果实多个指标在各品种间存在显著差异,其中单果重变异幅度最大。

本研究遵循“湖南省全覆盖,周边省市参比”的原则,对24个县、市野生山栀居群种质资源8个农艺性状进行多样性、相关性、主成分及聚类分析等,通过综合评价,以期为山栀优良品种选育提供参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

实验于2022年10—12月在湖南省长沙市中南林业科技大学经济林实验室进行。供试的24个不同居群野生型山栀果实材料分别收集于湖南省及周边省份24个县、市(表1、图1),每份供试材料选取生长发育良好且长势基本一致的3株野生型山栀成熟果,封于保鲜袋内带回实验室进行数据测量。

1.2 方 法

每份供试材料随机挑选10颗饱满、光滑、健康的果实进行数据测量,包括果实纵径(x1)、百粒重(x2)、果实横径(x3)、出仁率(x4)、果仁折干率(x5)、萼片长度(x6)、出油率(x7)、果形指数(x8)等8个果实性状。其中果实横径、果实纵径、萼片长度用电子游标卡尺测量,百粒重用电子分析天平称重,使用索氏提油法对果实提油并计算果实出油率。

1.3 数据分析

使用Excel 2010软件计算各性状的最大值(Ximax)、最小值(Ximin)、极差(R)、平均值(Xi)、标准差(σ)和变异系数(CV)。使用IBM SPSS Statistics 26软件进行主成分分析、相关性分析、聚类分析及综合得分计算,使用Origin 2021软件制作相关热图。

2 结果与分析

2.1 24份山栀种质资源多性状变异特征分析

变异系数反映了品种的固有特征及品种间的个体差异,其系数大小直接反映了性状遗传的多样性[16]。如表2、图2所示,24份山栀资源8个数值型性状变异系数范围在9.14%～47.33%之间,百粒重变异系数最大(47.33%),其次为出油率(33.01%),说明百粒重及出油率变异幅度较大。果实纵径的变异系数为18.53%,果仁折干率的变异系数为16.37%,果实横径、萼片长度、出仁率的变异系数分别为14.56%、14.06%、14.41%,果形指数变异系数最小,为9.14%,说明其变异幅度较小,遗传较为稳定。由此可见,24份山栀种质资源各性状间遗传差异较为明显,为筛选优质种质资源提供了条件[17]。

图2 24个不同居群野生型山栀8个数值型性状及产地经纬度斯皮尔曼相关性热图Fig.2 Spearman correlation heat maps of 8 numerical characters and latitude and longitude of 24 different populations of wild Gardenia jasminoides

表2 24个不同居群野生型山栀8个数值型性状变异分析Table 2 Variation analysis of 8 numerical characters from 24 different populations of wild type Gardenia jasminoides

2.2 相关性分析

对24份山栀种质材料8个数值型性状及各产地所在位置经纬度进行斯皮尔曼相关性分析(表3、图1),结果表明,果实纵径与果实横径、果形指数、百粒重呈极显著正相关,果实横径与百粒重呈极显著正相关,百粒重与出仁率呈显著正相关,果仁折干率与出油率呈显著正相关。

表3 24个不同居群野生型山栀8个数值型性状及产地经纬度相关性分析Table 3 Correlation analysis of 8 numerical traits and producing area latitude and longitude of Gardenia jasminoides in 24 different populations

2.3 主成分分析与综合评价

对24份山栀资源8个性状原始变量进行KMO和Bartlett球形检验,结果显示,KMO值大于0.5,可进行主成分分析,结果如表4所示。前3个主成分累积贡献率达77.805%,解释了全部指标的大部分信息,第1主成分(y1)贡献率最大,为42.078%,反映果实质量指标(横径、纵径、百粒重、出仁率);第2主成分(y2)贡献率为22.497%,反映果实经济价值(果仁折干率、出油率);第3主成分(y3)贡献率为13.231%,解释了果实形状(果形指数)。根据特征值及特征向量对24份山栀资源进行综合评价,公式如下:

表4 主成分得分系数矩阵及方差贡献率Table 4 Component score coefficient matrix and variance contribution rate

y1=0.524x1+0.486x2+0.477x3+0.392x4+0.027x5+0.115x6+0.074x7+0.296x8;

y2=-0.013x1+0.048x2-0.022x3-0.334x4+0.597x5+0.516x6+0.511x7+0.039x8;

y3=0.122x1-0.139x2-0.359x3-0.035x4+0.349x5-0.293x6-0.193x7+0.768x8。

利用y=42.078%×y1+22.497%×y2+13.231%×y3计算主成分综合得分,综合得分及排序见表5。

表5 24个居群综合得分及排名Table 5 Comprehensive scores and rankings of 24 populations

2.4 聚类分析

基于主成分分析结果对24份山栀资源8个数值型性状采用系统聚类分析,平方欧式距离为5时进行分类。如图2所示,可分为五大类,不同类群特征平均值如表6。第Ⅰ类群由重庆市南川区三泉镇居群构成,平均综合得分最高,为5.95,该类群各方面表现最为突出,果实最大,果形呈卵形,平均单果重最重,出仁率最高;第Ⅱ类群包括湖南省湘潭市岳塘区昭山镇居群、湖南省岳阳市岳阳县黄家屋居群、湖南省湘西土家族苗族自治州保靖县居群、湖南省长沙市岳麓区居群,平均综合得分最低,为-3.02,其果形呈卵形,平均单果重最小;第Ⅲ类群包括湖南省长沙市望城区居群、湖南省株洲市夷陵市居群、湖南省岳阳市岳阳县古太村居群、湖南省邵阳市邵阳县居群,平均综合得分-1.96,该类群果实大小最小,果形呈卵形,出油率最低;第Ⅳ类群包括四川省宜宾市高县文江镇居群、湖南省张家界市武陵源区居群、湖北省黄冈市蕲春县狮子镇花园村居群,平均综合得分3.18,该类群果实较大,果形呈椭圆形,萼片最长,平均单果重较第Ⅰ类群次之,但整体较高,果仁折干率最高,出仁率及出油率较高;第Ⅴ类群包括湖南省娄底市居群、广东省韶关市南雄市界址镇居群、湖南省长沙市长沙县白鹤塘居群、湖南省怀化市会同县居群、湖南省常德市澧县大堰垱镇居群、湖南省浏阳市沙市镇友助村居群、湖南省岳阳市汨罗市弼时镇居群、江西省吉安市泰和县居群、湖南省永州市蓝山县居群、湖南省郴州市临武县居群、湖南省益阳市赫山区居群以及湖南省浏阳市石塘居群,平均综合得分0.37,该类群果形呈卵圆形,萼片较长,出仁率及出油率较高。

表6 不同类群特征平均值Table 6 Average values of characteristics form different groups

图3 24个不同居群野生型山栀系统聚类分析Fig.3 System clustering analysis of 24 different populations of wild Gardenia jasminoides

3 讨 论

遗传多样性分析是种质资源创新的基础[18],性状评价是研究种质资源遗传多样性最基本、最直接的方法[19]。张悦等[20]对260份柿种质资源9个农艺性状进行多样性分析,将供试材料划分为五个类群;吕正鑫等[21]对66份猕猴桃种质资源的19个表型性状进行分析,结果表明,10个描述性状最丰富变异类型为果形;郑思宇等[22]对48份青萝卜种质资源的33个主要农艺性状进行分析,发现9个数量性状均有不同程度的变异,其中单株质量变异系数最大,对48份供试材料进行聚类分析,共可划分为三个类群。

本研究结果表明,山栀资源8个性状变异系数范围在9.14%～47.33%之间,百粒重及出油率变异幅度较大,说明变异大,果形指数变异幅度最小,说明果形遗传较为稳定,各类果形以卵圆形分布频率最高,为79.20%。果实横、纵径与果实百粒重分别呈极显著正相关,果实百粒重与出仁率呈显著正相关,果仁折干率与出油率呈显著正相关,说明在良种选育过程中可以从果实横纵径预判果重和出仁率,根据果仁折干率估计其含油率高低。本研究中,经纬度与8个性状无显著相关性,可能是由于果实的大小、形态等表型性状受遗传和多重环境因素协同调节[23],纬度变化主要导致温度因子的变化,经度变化主要反映水分状况的变化[3],除经纬度调控的气候条件外,栀子果实还可能与各地土壤环境条件及立地条件息息相关,长期大面积的跨省、跨区域引种栽培也可能对此产生影响。

根据8个性状对24份山栀资源进行聚类分析,平方欧式距离为5时可分为五类,同一类群形态学特性较为显著,而不同类群间差异较为明显。其中第Ⅰ类群整体表现最优,果实最大,果形呈卵形,平均单果重最重,出仁率最高,第Ⅳ类群果实较大,果形呈椭圆形,萼片最长,平均单果重较第Ⅰ类群次之,但整体较高,果仁折干率高,出仁率及出油率较高。主成分分析法在遗传多样性典型性状的筛选中被广泛应用[20]。本研究对24份山栀资源的8个性状原始变量进行KMO和Bartlett球形检验,检测得到KMO值为0.521,说明可进行主成分分析,共提取到3个主成分,前3个主成分累积贡献率为77.805%,解释了8个性状原始变量的大部分信息,第1主成分主要反映果实质量,第2主成分反映了果实经济价值,第3主成分反映了果实形状。基于主成分分析对24个野生居群进行综合评价,综合得分最高为重庆市南川区三泉镇居群,其次为四川省宜宾市高县文江镇居群、湖南省张家界市武陵源区居群、湖南省娄底市居群、湖北省黄冈市蕲春县狮子镇居群。

目前,山栀种质资源研究主要集中在种质资源的调查、栽培和保护方面,对其分布区域、生长习性及形态特征已有较为全面的认知,但在新品种和优良品种选育等方面尚未形成完善的体系。果实作为山栀的重要经济产物,是种质筛选的最佳评价指标,本研究以24个野生居群山栀果实的8个表型及经济性状为对象进行比较,可以为山栀种质资源的类别划分和甄别利用提供参考。