马铃薯种质资源表型性状的遗传多样性分析

2020-02-26杨春齐海英

农学学报 2020年1期

杨春齐海英

摘要：为了解引进马铃薯种质资源的遗传多样性，为山西马铃薯新品种选育的亲本选配提供参考。田间采集种质资源的11个质量性状和10个数量性状，进行Shannon-Wiener指数、相关性、主成分与聚类分析。质量性状的多样性指数为0.42-1.52，其中薯形、皮色、肉色、株型的多样性指数较高;数量性状中，产量、株高、生育期、单株块茎数的遗传多样性指数较高，均≥2.0。相关分析结果显示，产量与出苗率、商品薯率、单株块茎数、株高、生育期和单薯质量呈极显著正相关。主成分分析确定了单薯质量、生育期、比重、株高4个主成分因子，累计贡献率达83.997%。聚类分析将种质资源分为中早熟低产型、中早熟高产型、中晚熟高产型、中晚熟低产型4大种质群。引进资源具有丰富的遗传多样性，第Ⅱ类种质群可作为早熟高产育种的优异资源，第Ⅲ类种质群可作为多目标性状育种的亲本材料加以利用。

关键词：马铃薯;种质资源;表型性状;遗传多样性

中图分类号：S532

文献标志码：A

论文编号：cjas20190500054

0引言

马铃薯是世界第四大糧食作物，也是中国重要的经济作物之一[1]。山西自然资源环境优越，是中国重要的马铃薯商品薯与种薯生产区，年播种面积20万hm2左右。山西省从20世纪50年代开始马铃薯育种工作，在马铃薯育种技术及育成品种质量上一度处于全国领先地位。到目前，山西省共育成44个马铃薯品种，在生产上真正应用的品种不到20个，主栽品种结构单一，中晚熟、鲜食品种多，早熟、加工品种少，一薯多用，商品性和品质较差。

种质资源是品种改良和育种工作的物质基础[2]，世界范围内，目前保存了大约65000份马铃薯种质资源[3]，其中中国保存有5000余份[4]，对种质资源进行遗传多样性研究，可以为选配亲本、基因重组及杂种优劣的预测提供理论依据，也是品种选育能否成功的关键[5]。种质资源遗传多样性评价方法有表型性状标记、细胞学标记、生化标记和分子标记等[6]，应用最多的是形态学指标评价[7-9]和分子水平评价[10-13]。作物表型性状直观、数据可靠，测量简单且经济方便，长期以来都是作物种质资源分类、评价、鉴定和育种后代选择及遗传多样性研究最基础的标记方法[14-15]。余斌[16]对119份从秘鲁国际马铃薯中心引进的马铃薯材料的表型性状进行遗传多样性分析及综合评价，筛选出5份在干旱半干旱区表现丰产稳产的材料。叶玉珍[17]对24份马铃薯种质资源的13个质量性状和12个数量性状进行遗传多样性分析，发现这些材料的遗传多样性较高，通过聚类分析，把24份材料聚为4类。段绍光等[18]用16个表型性状和36个SSR标记对559份国内外马铃薯资源进行了聚类和多样性分析，其中454份材料分为两大类群，SSR标记把559份分为三大类群，发现表型性状聚类与SSR分子标记聚类结果相似，均与地理位置有很大相关性。

应用多元统计方法综合评价种质资源的遗传多样性与亲缘关系，对丰富遗传变异和种质创新具有重要意义[19]。这一方面国内已有的报道，如李建武等[20]对42份甘肃省主栽的马铃薯品种进行了遗传多样性分析，通过聚类分析将42份材料分为4个类群;何虎翼等[7]对63份马铃薯品种（系）的10个农艺性状进行主成分与聚类分析。本试验通过对106份不同类型的马铃薯资源观察鉴定，采用Shannon-Wiener指数、主成分分析与聚类分析相结合的方法进行遗传多样性分析，探讨马铃薯综合性状的遗传关系，挖掘优质资源，为改良山西马铃薯品种提供理论依据。

1材料与方法

1.1试验材料

供试材料为山西省农业科学院高寒区作物研究所历年引进的79份国内外种质资源及自己选育的27份品系材料。2016年种植于怀仁县毛皂试验基地。试验点肥力均匀，5月1日播种，每材料种2行，每行5株。田间管理按常规栽培方法。资源名称见表1。

1.2性状的选取和测定方法

数据描述及记载标准依据《马铃薯种质资源描述规范和数据标准》[21]，分别于马铃薯生长期及收获后，对试验材料的11个质量性状（见表2）进行调查及采集，同时对其生育期、株高、出苗率、单株块茎数、单株主茎数、单薯块茎重、商品薯率、比重、干物质含量和平均产量等10个数量性状进行数据测定。

1.3数据处理

采用Microsoft Excel 2017进行数据处理，采用SPSS18.0软件进行作图和统计分析。

不同种质间性状值的离散性特征用变异系数表示（CV）表示，计算见公式（1）[22]。

CV=s/x×100%………………………（1）

多样性指数的计算采用Shannon-Wiener指数（H'） [23-24]，计算见公式（2）。

H'= -∑PilogPi……………………（2）式中，Pi为某一性状第i个级别出现的概率。为方便数据统计分析，对11个马铃薯质量性状进行赋值[17]。

在聚类分析中，种质间遗传距离为欧氏距离，采用类平均法对供试材料进行系统聚类分析[25]。

主成分分析中，依据特征值>l的原则，筛选提取主成分分析因子，同一指标在各因子中的最大绝对值所在位置即为其所属主成分[25]。

2结果与分析

2.1马铃薯种质资源的形态多样性

对供试资源的11个质量性状的频数分布和遗传多样性分析表明（表3）：株型以直立型为主，占到85%;茎色以绿色为主，占75%;叶色以绿色为主，占到61%;白色花占58%，浅紫色16%，紫色19%;薯形为椭圆的33%，圆形的为24%，扁圆形的为26%;资源中黄色薯皮的最多，占36%，浅黄色的29%，白色薯皮的20%，其他颜色占14%;肉色以白色为主，占39%，淡黄色及黄色占到51%，其他薯肉色占10%;这些资源大多芽眼较浅（67%），匍匐茎短（76%），薯皮光滑（83%），块茎大小整齐（63%）;11个质量性状的遗传指数为0.42-1.52，薯形的遗传指数最高为1.52，其次是皮色和肉色，遗传多样性指数为1.50和1.47，说明供试材料在这3个性状上的遗传多样性最为丰富。

对供试马铃薯种质10个数量性状进行变异系数和遗传多样性分析，结果见表4。10个性状的遗传多样性指数在0.70-2.08之间，平均多样性指数为1.79，产量最高为2.08，其余依次是株高、单株块茎数、生育期，比重的多样性指数最小，为0.70。说明供试材料的各性状遗传差异较大，尤其在产量、株高、单株块茎数、生育期等性状上具有较丰富的遗传多样性。

供试材料不同性状的变异系数在0.92%-39.84%之间，不同品种（系）间差异很大，其中单薯质量的变异系数最大，为39.84%，其次为单株块茎数和单株主茎数，分别为31.01%、30.94%，产量和株高的变异系数为27.43%、24.96%，比重的变异系数最小。

2.2马铃薯数量性状的遗传相关性分析

对马铃薯种质资源的10个数量性状进行相关性分析，结果如表5所示。9个性状均与产量呈正相关，其中出苗率、商品薯率、单株块茎数、株高、生育期、单薯质量与产量呈极显著正相关，说明选育马铃薯产量性状时可以重点参考地上部植株特征;干物质含量与比重、单株主茎数、生育期呈极显著正相关;商品薯率、单薯质量与生育期、株高呈极显著正相关，与单株主茎数和单株块茎数呈极显著负相关;商品薯率与单薯质量呈极显著正相关;单株块茎数与单株主茎数呈极显著正相关，生育期与株高、单株块茎重、商品薯率、比重等呈极显著正相关，而与单株块茎数呈显著负相关。说明块茎产量会随着出苗率、商品薯率、单株块茎数、株高、生育期、单薯质量的增加而提高，而商品薯率会随着单株主茎数和单株块茎数的增加而降低。

2.3马铃薯数量性状的主成分分析

根据特征值大于1的原则，得到4个主成分（表6），贡献率分别为31.85g%、24.564%、17.402%和10.171%，累计贡献率达83.997%，可以较好地反映10个农艺性状的主要信息。

主成分1中载荷量较高的指标是单薯质量、单株主茎数、单株块茎数、商品薯率，其中单薯质量的特征向量为负值，显示单薯质量与单株主茎数和单株块茎数呈负相关关系，这与相关分析结果一致。该主成分主要反映的是块茎的经济性状，以单薯质量为代表，因此将其命名为“单薯质量因子”。单株主茎数增加，单株块茎数会随着增加，导致单薯质量降低，块茎的商品薯率降低，因此在栽培时要根据品种特性和生产需要确定合理的主茎数和栽培密度，以保证较高的产量和商品薯率。

主成分2中所有因子的特征向量值均为正值，且载荷量高的因子是生育期、产量和干物质含量，特征值为0.693、0.690、0.592，主要反映的是生育期和产量的信息，因此将其命名为“生育期因子”。生育期长，积累的营养物质较多，块茎产量相应增加。

主成分3中载荷量较高的因子是比重、干物质含量和产量，特征值分别-0.642、-0.632、0.583，该成分主要反映了块茎比重信息，因此将其命名为“比重因子”。

主成分4中载荷量较高是株高和出苗率，特征值分别为0.643、-0.521该成分主要反映了株高信息，因此可命名为“株高因子”。

2.4马铃薯数量性状的聚类分析

根据马铃薯种质资源的10个数量性状进行聚类（图1），采用类平均法，在欧氏距离为8.23處将106份马铃薯材料划分为4个种质群，各类群特征见表7。第1类种质群属于中早熟低产型，包含25份材料，这一类种质的平均生育期为80.28天，出苗率为93.52%，株高为47.45cm，单株主茎数为2.15个，单株块茎数为5.17个，单薯质量为101.43g，商品薯率为73.23%，比重为1.073，干物质含量为18.13%，产量为22142.16kg;第Ⅱ类种质群属于中早熟高产型，包含36份材料，这一类种质的平均生育期为87.97天，出苗率为96.13%，株高57.97cm，单株主茎数3.49个，单株块茎数8.21个，单薯质量76.70g，商品薯率70.10%，比重为1.077，干物质含量19.14%，产量为26715.88 kg;第Ⅲ类种质群属于中晚熟高产型，包含23份材料，这一类种质的平均生育期为107.43天，出苗率96.8g%，株高70.90cm，单株主茎数2.46个，单株块茎数5.77个，单薯质量133.47g，商品薯率为80.23%，比重1.085，干物质含量20.79%，产量为31368.88kg;第Ⅳ类种质群属于中晚熟低产型，包含22份材料，这一类种质的平均生育期为99.64天，出苗率89.53%，株高为76.40cm，单株主茎数2.05个，单株块茎数5.12个，单薯质量168.46g，商品薯率84.10%，比重1.069，干物质含量17.32%，产量为26565.33kg。

3讨论与结论

植物表型多样性是其遗传多样性的重要部分，了解和掌握种质多样性水平，对于挖掘有益种质，提高种质利用率、创制新种质等方面具有重要意义[26]。本研究结果表明，106份材料具有较丰富的遗传多样性，在薯形、皮色、肉色的多样性指数分别为1.52、1.50、1.47，生育期、株高和单株块茎数的遗传性多样性指数都达到了2.0以上，这与叶玉珍[17]、何虎翼等[7]的结果基本一致。单薯质量、单株块茎数和单株主茎数的变异系数较大，均达到30%以上，说明这几个性状受环境影响较大。相关分析结果表明，产量与出苗率、商品薯率、单株块茎数、株高、生育期和单薯质量都呈极显著正相关，这与余斌[6]的结论相似。商品薯率与单薯质量呈极显著正相关，与单株块茎数呈极显著负相关，单株块茎数与单株主茎数呈极显著正相关，这与何虎翼等[7]的研究结果一致。本研究发现主茎数与单薯质量和商品薯率呈极显著负相关，与产量没有明显相关性。也就是说主茎数增加，产量不会有明显提高，但是单株块茎数会增加，同时单薯质量会降低，商品薯率随之降低。因此在选育马铃薯产量性状时可以重点参考地上部植株特征，同时应该结合地域、市场、消费习惯等实际需求综合考虑商品薯率、单株块茎数、株高、生育期和单薯质量等因素。

长期以来在传统育种中，由于选育目标不同，育种者通常会根据单个或少数几个优异性状的表现对种质资源进行分类和筛选，具有一定的主观性和片面性。主成分分析法利用降维思想将多个相关指标转化为少数几个独立综合因子，依据各因子贡献率大小确定其重要性，即用少数的变量因子来概括解释所有变量信息[27]。由于各主成分之间是一个独立的系统，相互间不存在相关性，常被应用于种质资源的鉴定评价。马恢等[28]对31份CIP马铃薯无性系进行主成分分析，确定出苗率、单株块茎重、商品薯率3个主成分因子，累计贡献率达87.2788%;何虎翼对63份资源进行主成分分析，发现生育期、出苗率、主茎数、株高、单株块茎数和单株块茎质量累计贡献率达85.198%，可以较好地代替10个农艺性状来评价马铃薯品种（系）[7]。本研究通过对106份马铃薯材料进行主成分分析，根据特征值大于1的原则，确定了单薯质量、生育期、比重、株高4个主成分因子，其累计贡献率达83.997%，可以较好地反应10个农艺性状的主要信息。

通过聚类分析弥补了凭经验分类或以少数性状进行直观评价的不足，也为马铃薯杂交育种亲本选配提供参考价值。本研究借助于聚类分析将106份马铃薯种质资源分成4类，每类种质群各有特征，且从聚类结果中可看出，马铃薯种质的遗传距离阈值偏大，说明各类品种间的亲缘关系较远，在创制新种质方面有较高的利用价值。第1类群平均生育期最短，80.28天，株高较低、产量低，可以作为早熟资源选用;第Ⅱ类种质群包含36份材料，平均生育期为87.97天，出苗率为96.13%，株高为57.97 cm，单株主茎数为3.49个，单株块茎数为最多，产量较高，干物质含量和商品薯率较低，可作为早熟高产育种目标的亲本材料加以利用;第Ⅲ类种质群包含23份材料，生育期最长，干物质含量、产量均最高，综合表现良好，可作为多目标性状选育的优良亲本加以利用;第Ⅳ类群出苗率、单株主茎数、单株块茎数、干物质含量均表现最低，产量低，株高、单薯质量、商品薯率表现最高，如果对商品薯率有特殊要求可以考虑。山西省育成的品系材料大多位于第Ⅳ类群中，这在一定程度上反映了山西省的马铃薯遗传基础比较狭窄。马铃薯的表型性状是由其遗传信息和生长环境共同决定的，且易受后者的影响，表型聚类分析只能从一定程度上反映不同材料的形态差异，并不能从本质上体现马铃薯的遗传差异”[18]。‘威芋3号和‘凉薯14的亲缘关系很近，但在徐敏[29]和段绍光[18]的研究中却得到了不同的聚类结果，所以，单纯依靠表型聚类方法难以确定马铃薯品种间的遗传本质，应该与分子标记聚类结合起来才能更准确地揭示马铃薯品种的亲缘关系。

利用表型性状评价马铃薯种质资源的遗传多样性，直观、测量简单、经济方便，可以利用一些较为直观的地上植株表型特征，如出苗率、生育期、株高、单株主茎数等来判断地下块茎的一些重要经济性状。但是表型性状需要观察的数据繁多，工作量大，易存在主观误差，尤其是数量性状受环境影响较大。分子标记具有快速操作分析和避免环境干扰的技术优点，二者结合，可以更准确地分析马铃薯种质资源遗传多样性，为更好地利用马铃薯种质资源和新品种选育提供参考依据。

综上所述，本研究中106份资源具有丰富的遗传多样性，尤其在薯形、皮色、肉色、生育期、株高和單株块茎数等性状尤为突出，为块茎外观改良和熟性等性状的选育提供丰富的资源。相关分析结果显示，出苗率、商品薯率、单株块茎数、株高、生育期和单薯质量，都与产量呈极显著正相关。单株主茎数与单株块茎数呈极显著正相关，与单薯质量和商品薯率呈极显著负相关，与产量没有明显相关性。主成分分析确定了单薯质量、生育期、株高、比重4个因子，累计贡献率83.997%;聚类分析将种质资源分为中早熟低产型、中早熟高产型、中晚熟高产型、中晚熟低产型四大种质群，第Ⅱ类种质群可作为早熟高产育种的优异资源，第Ⅲ类种质群可作为多目标性状育种的亲本材料加以利用。

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