依据表型性状对紫薇遗传多样性的评价1)

王芝懿 李振芳 彭婵 陈英 张新叶

(湖北省林业科学研究院，武汉，430075) (南京林业大学) (湖北省林业科学研究院)

紫薇(Lagerstroemiaindica)是千屈菜科(Lythraceae)紫薇属(LagerstroemiaLinn.)落叶灌木或小乔木,品种较多,花色艳丽,有“满堂红”之称[1-2]。紫薇花期较长,一般在6—9月份,是夏季重要的观赏植物[3]。在我国,紫薇不仅资源丰富,而且具有较高的观赏价值,广受人们喜爱,因此对于紫薇资源的保护、育种和相关研究具有十分重要的意义和价值。

遗传多样性分析是种质资源研究的主要内容之一[4]。各物种遗传多样性研究可通过分子标记数据和表型性状指标两种方式进行分析评价。依据分子标记进行遗传多样性分析的优点在于,其可大大减少环境因素影响,稳定性较强[5],通过SSR分子标记[6]、SNP标记[4]、ISSR分子标记[7]等方法均可对紫薇进行遗传多样性研究分析,鉴定种间亲缘关系等。而表型性状则可更加直接的观察、统计、分析,进而结合统计数据进行综合评价[8]。根据表型性状指标来检测物种遗传变异性是最为直观、最易操作的方法,目前在甜菜[9]、白木香[10]、油茶[11]、樱花[12]等物种中均有采用表型性状进行遗传多样性分析的研究。于紫薇而言,主要是对其形态特征、生物学特性、观赏性状及抗性进行种质资源的评价。现有关紫薇表型性状的研究主要包括：王业社[13]等人对111个紫薇品种进行了表型性状的调查分析,结果显示紫薇的表型遗传多样性大;张鸽香[14]等人对南京及常州地区的紫薇种质进行了表型性状的统计调查,研究表明共记录了65个品种;陈发军[15]等人对紫薇的花、叶、果物候特征进行了综合分析及评价。依据不同表现性状,学者们也发布了不同紫薇新品种,并进行推广栽培[16-20]。

本研究通过对187份紫薇种质的13个表型性状进行变异系数分析、遗传多样性分析和相关性分析等研究,以揭示其表型遗传多样性,为紫薇种质资源的开发、利用和选育提供科学依据。

1 材料与方法

本研究材料为种植于武汉九峰国家长期试验基地的187份紫薇种质,包括从美国引进的90份种质和从国内收集的97份种质。

测量方法及指标参考《植物新品种特异性、一致性、稳定性测试指南紫薇》[21],选取着花数(S1)、花序长(S2)、花序宽(S3)、花瓣数(S4)、花径大小(S5)、叶片长(S6)、叶片宽(S7)、当年生梢长(S8)、当年生梢节间数(S9)、花香味(S10)、抗白粉病害能力(S11)、抗象甲虫害能力(S12)、花色(S13)等13个表型性状进行观测和统计。其中对花香味、抗病虫害能力的质量性状进行赋值表示(表1),花色用RHS植物比色卡比色观测。

表1 质量性状测定标准

通过Excel 2021对各性状数据进行统计分析,并计算各性状变异系数和遗传多样性指数。其中变异系数=(标准偏差/平均值)×100%[22],遗传多样性指数=-∑PilnPi[23-24],Pi为材料中第i种个体占总材料的比例。再利用SPSS 24.0软件对紫薇性状进行主成分分析、相关性分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 表型性状遗传多样性

通过对不同种质资源的表型性状观测,可对其遗传多样性变异水平有直观的了解[25]。遗传多样性指数是度量性状遗传多样性水平的测度,其指数值越大说明该性状遗传多样性越丰富[26]。变异系数是反映数据离散程度的绝对值,变异系数越大说明该性状在不同个体间的变异程度越大[27-28]。

本研究通过对187份紫薇种质资源9个数量性状和4个质量性状进行统计分析,结果表明(表2)：9个数量性状的遗传多样性指数在0.38～2.09,花瓣数遗传多样性指数最小为0.38,大部分紫薇花瓣数为6枚,极少花朵花瓣数为5枚,说明紫薇种质花瓣数的表型遗传多样性较小,其遗传变化不大。花序长遗传多样性指数最大为2.09,最大花序长为32.60 cm,最小花序长为6.60 cm,表明紫薇种质的花序长表型遗传多样性较为丰富。9个数量性状的遗传多样性指数由大到小排序为：花序长(S2)、着花数(S1)、花序宽(S3)、叶宽(S7)、叶长(S6)、花径(S5)、当年生梢节间数(S9)、当年生梢长(S8)、花瓣数(S4),各性状的平均遗传多样性指数为1.84。9个数量性状的变异系数范围位于2.31%～42.27%,变异系数最大的为着花数,最小的为花瓣数,其中花瓣数的变异系数小于10%,说明花瓣数的变异程度较小,其余性状的变异系数均大于10%,说明紫薇的其余8个性状在个体间变异程度较大。9个数量性状的变异系数由大到小排序为：着花数(S4)、当年生梢长(S8)、当年生梢节间数(S9)、花序长(S2)、花序宽(S3)、叶长(S6)、叶宽(S7)、花径(S5)、花瓣数(S4),各性状的平均变异系数为23.97%。

表2 紫薇9个数量性状遗传多样性

对紫薇种质的4个质量性状进行遗传多样性分析,由表3可知,遗传多样性指数范围为0.092～3.489,花色的遗传多样性最大,其中花色为紫红色的最多,占比为64.7%。花香味的遗传多样性最小,其中无香味个体较多,占比为98.4%。参试紫薇样品中,均有白粉病和象甲虫害,其中病害程度占整株材料0～10%的有91.4%,虫害程度在0～10%的有79.1%。质量性状的遗传多样性指数由大到小排序为：花色(S13)、象甲虫害(S12)、白粉病(S11)、花香味(S10)。

表3 紫薇4个质量性状遗传多样性

2.2 紫薇种质资源数量性状相关性

相关性分析是衡量两个性状间的密切程度。通过对紫薇种质资源9个数量性状的相关性分析,结果表明(表4),各数量性状间有24对性状存在显著或者极显著相关性,其余性状间也存在不同程度的相关性。着花数与花序长宽、叶长宽、当年生梢长存在极显著正相关,与花径和当年生梢节间数存在显著正相关;花序长与花序宽、花径、叶长宽、当年生梢长存在极显著正相关;花序宽与花径、叶长宽、当年生梢长存在极显著正相关,与当年生梢节间数存在显著正相关;花瓣数与花径存在极显著正相关,与叶长呈显著负相关;花径与叶长存在显著负相关;叶长与叶宽和当年生梢长呈极显著正相关;叶宽与当年生梢长呈极显著正相关;当年生梢长与当年生梢节间数呈极显著正相关。

表4 紫薇数量性状的相关性

2.3 主成分分析

对参试紫薇材料9个数量性状进行主成分分析,取特征值大于1.0的前3个主成分,由表5可知,3个主成分的贡献率分别为38.483%、18.383%和17.821%,累计贡献率达74.687%。第1主成分特征值为3.464,其中特征向量值大于0.70的有着花数、花序长、花序宽和叶片宽4个表型性状,主要反映了紫薇着花数、花序大小及叶宽的表型性状;第2主成分特征值为1.654,特征向量绝对值较大的为花径的特征向量0.604,反映的是紫薇花的大小;第3主成分特征值为1.604,其中特征向量绝对值较大的为当年生梢长和当年生梢节间数,分别为0.701和0.533,反映了紫薇当年生的树梢长度。综合特征值和贡献率可知,着花数、花序长宽、叶片宽、花径大小、当年生梢长和当年生梢节间数是紫薇种质表型差异的主要原因。

表5 紫薇数量性状主成分分析结果

2.4 聚类分析

通过对紫薇种质9个数量表型性状的聚类分析(图1),发现在欧氏遗传距离为15.0时可根据着花数多少、花序大小、花大小、叶长宽及新梢长短等性状将紫薇分为3类,第1类(Ⅰ)包含156个紫薇种质,平均着花数较少为67.61个,花序较小,平均花序长宽为19.61和16.61 cm,花较大,平均花径为3.94 cm,叶片较小,平均叶长叶宽为5.00和2.99 cm,当年生新梢较短,平均为34.17 cm;第2类(Ⅱ)包含了30个紫薇种质,平均着花数多为130.96个,花序大,平均花序长宽为24.82和20.43 cm,花较小,平均花径为3.86 cm,叶片大,平均叶长叶宽为5.58和3.32 cm,当年生新梢长,平均为40.33 cm;第3类(Ⅲ)只有1个种质,为湖北野生紫薇。在欧氏遗传距离为10.0时可进一步分为6个亚类：Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅱ-1、Ⅱ-2和Ⅲ。其表型特征如表6所示,在Ⅰ-1中75份种质平均花径最大,其余8个表型性状均属于中间大小;Ⅰ-2中有80份种质,其花径、叶片大小、当年生新梢和梢上节间数最小;Ⅰ-3中只有1份种质;Ⅱ-1中种质特征是平均着花数大,是6亚类中最大的;Ⅱ-2中主要性状特征为其平均花径小;Ⅲ中只有一份种质,其当年生梢和梢上节间数较大。

图1 紫薇表型性状聚类图

3 结论与讨论

遗传多样性可为种质资源的利用、保护和评价提供必要信息[29],而表型性状正是内外部环境对物种综合影响下的直观表现[24,30],其中表型的遗传多样性指数和变异系数可有效描述品种的变异程度[31]。本研究通过对187份紫薇种质资源的着花数、花序长、花序宽、花瓣数、花径大小、叶片长、叶片宽、当年生梢长、当年生梢节间数、花香味、抗白粉病害能力、抗象甲虫害能力、花色等13个表型性状进行观测、统计和遗传多样性分析,发现本研究观测的紫薇种质表型性状具有丰富的遗传多样性和变异度。其表型平均遗传多样性指数为1.84,比王业社[13]等人的研究结果0.707更加丰富,数量性状中着花数遗传多样性最大,说明紫薇着花数在遗传过程中较为丰富,而花瓣数的遗传多样性最小,说明紫薇花瓣数变异较小;质量性状中花色的遗传多样性指数最大,花香味的遗传多样性指数最小,说明紫薇花色变化较为丰富。变异系数在0～15%时表示遗传变异度较小,变异系数在15%～30%时表示遗传变异度中等,变异系数大于30%时分别表示遗传变异度较大[32]。本研究紫薇变异系数范围在2.31%～42.27%,平均变异系数为23.97%,除花瓣数的变异程度较小,其余表型性状变异程度均为中等或较大,说明该性状具有较丰富的优良遗传潜力,这与杨彦伶[33]等的研究结果不一致,但差异不大,可能与材料选取不同有关,总体变异程度结果一致。结合数量性状和质量性状综合分析,数量性状的遗传多样性大于质量性状,这与大多物种研究结果相同,如孙佩[22]等人在对119份月季的表型性状研究结果中显示,其数量性状的遗传多样性总体大于质量性状的遗传多样性;王业社[13]等在对111个紫薇品种进行表型多样性分析后得出其数量性状多样性大于质量性状多样性;张叶[23]等人在77份文心兰种质表型研究方面也得出相同结论。本研究除花瓣数和花色性状外,花瓣数的变异系数和遗传多样性均为最小,说明紫薇花瓣数不易受环境和基因影响,而其余数量性状和花色的遗传多样性指数和变异系数较大,说明其更易受到环境和基因的影响而变化,这与王业社[20]、Szamosi et al.[34]的研究结果一致。

表6 聚类分析表型性状特征值

通过对9个数量性状相关性分析,有效揭示了紫薇数量性状间的关联性,其24对性状存在显著或者极显著相关性,其余性状间也存在着不显著的相关性,其中叶长和叶宽、当年生梢长和当年生梢节间数、花序长和花序宽等性状关联性较为密切,这与贺丹[35]、杨彦伶[36]的研究结果一致,均显示叶片长与叶片宽相关性较大。主成分分析通过降维的统计方法将多个表型性状指数统计为几个较为重要的成分,可进一步对其进行综合评价和分析[37-38]。本研究利用主成分分析,选取特征值大于1.0的前3个主成分,累计贡献率达74.687%,其中着花数、花序长宽、叶片宽、花径大小、当年生梢长和当年生梢节间数等性状可作为评价紫薇种质资源遗传多样性的重要指标。通过聚类分析,在欧氏遗传距离为15.0时可将紫薇根据着花数、花序大小、花大小、叶长宽及新梢长等性状不同分为3大类,在欧氏遗传距离为10.0时又可根据其余不同表型性状细分为6个亚类。

本研究通过对187份紫薇种质资源的13个表型性状进行遗传多样性分析、主成分分析、相关性分析和聚类分析,结果表明,紫薇种质资源遗传多样性较为丰富,变异程度较大,为紫薇种质资源的开发、利用、保护和选育提供科学依据和参考。