贾平平,靳 娟,阿布都卡尤木·阿依麦提,郝 庆,王冠玉,3,张雁飞,3,牛建新,杨 磊

(1.石河子大学 农学院,特色果蔬栽培生理与种质资源利用兵团重点实验室,新疆石河子 832003;2.新疆农业科学院 园艺作物研究所,农业部新疆地区果树科学观测实验站,乌鲁木齐 830091;3.新疆农业大学 园艺学院,乌鲁木齐 830052)

枣(ZiziphusjujubaMill.)原产于中国,是中国特有的果树品种,栽培历史悠久,在古代与桃、李、杏、栗并称为“五果”[1]。中国是世界上枣的主产区,此外韩国进行了小规模栽培,其他国家均以种质资源的形式保存[2]。枣果实酸甜可口营养丰富,拥有良好的保健作用[3],经济用途广泛,即可入药亦可制干或鲜食,是水果中的“冠中之王”,被誉为“活药丸”[4]。同时,枣树具有很强的适应性和抗逆能力,能够在山区、平原乃至荒滩正常生长;同时,早果速丰、管理措施简单集中让枣树兼顾了改善生态环境和农民经济收入的重任[5]。

由于高等植物的复杂性导致表型性状在不同环境条件下既保持一定的稳定性又为快速适应环境变化拥有一定的变异性,表型性状是环境多样性与遗传多样性共同作用的结果,表型变异是环境变化作用于基因的外在表现[6-7]。虽然表型性状易受外部环境的影响,导致个体与个体种质间差异较大,但是通过大样本的调查依然能体现其遗传变异的整体特征及方向[8],表型性状的离散程度越大,则种质资源的变异系数越大,合理利用种质变异是品种创新的重要途径。目前国内外学者已经在大量作物上运用了表型性状的研究方法,例如东北杏[9]、观赏桃[10]、新疆地区梨种质资源[11]、西伯利亚杏种质资源[12]、核桃[13]、山核桃等[14]。

新疆因其独特的地理环境,光热资源丰富、降水稀少、土地广袤,不仅适合枣的集约化生产,还有利于高品质枣的形成[15]。本研究以118份枣种质资源为样本,通过对叶、花、枝、枣吊表型性状的分析,探究表型遗传的多样性,了解物种的稳定性和进化潜能,对现有枣种质资源特性进行挖掘,为品种创新、枣种质资源的系统评价和种质保护提供数据支撑;提高育种效率,为今后核心种质的筛选提供依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

以新疆农业科学院园艺作物研究所叶城县果树试验基地资源圃保存的118个枣品种为观测对象(表1)。叶城县地处昆仑山北麓,紧连塔克拉玛干沙漠,干旱荒漠型气候,为喀什地区最南端的县。资源圃株行距为2 m×3 m,所有样本材料均为砧木一致的嫁接成年树,树势中庸,树体健壮,试验地管理一致。

表1 枣种质资源品种名称Table 1 Name of germplasm resources of Jujube

1.2 方 法

参照国家农作物种质资源平台出版的《枣种质资源描述规范》相关标准(以下简称为标准),并结合参考文献和样本实际情况进行观察测量。

枣头性状:在枣头停止生长后,每个品种选取3棵样本树,调查枣头节数,使用游标卡尺测量样本树上着生的5个比较健壮的枣头节间长度。

二次枝性状:选取样本树上枣头4～8节处生长健壮的二次枝,使用直尺、游标卡尺和量角器分别测量二次枝长度、节间长度、二次枝开张角度,调查二次枝节数。

花序数、花序花朵数、枣吊叶片数:每个品种选择3株生长一致、树势强壮的样本树,同时选择花朵生长良好、没有病害侵染的枣吊5个,盛花期时调查花序数、花序花朵数、枣吊叶片数,用游标卡尺测量花直径,卷尺测量枣吊长度。

叶片性状调查:叶片描述型性状的调查参照标准和董玉慧[16]的分类方法,叶片数量性状的测定使用ImageJ-win64版本自定标尺进行测量。

吊果比:在果实脆熟期时每个品种随机选取30个枣吊,统计果实数量,计算吊果比=枣吊数/果实数。

1.3 数据处理

对118个枣品种的表型性状进行观察测定,用Excel 2020计算各品种数量性状的变异程度、Simpson指数及Shannon-wiener指数,用SPSS 26.0统计软件进行主成分分析、聚类分析,用R语言进行相关性分析并制作热图。

2 结果与分析

2.1 变异分析

如表2所示,枣种质资源的表型性状都有不同程度的变异,变异系数为7.94%～63.34%,平均20.60%。吊果比的变异与枣吊和花的变异密切相关,同时又受不同品种坐果能力的影响,因此其变幅最大,为63.34%,变幅为0.05～1.157每吊/果实数;叶绿素含量变异系数最小,仅为 7.94%,变幅为33.37～51.23 SPAD。枣吊数量性状变异差异不明显,花各项性状的变异差异明显,其中花序花朵数变异最大,为46.33%,变幅为1.5～30.6每花序/花朵数;花序数变异系数为13.45%,花直径为8.59%。叶片数量性状的变异表现为叶面积42.31%、叶片横径18.13%、叶片纵径23.62%、叶型指数11.72%。枝条中二次枝节数变异大于枣头节数变异,二次枝节间长度的变异小于枣头枝节间长度的变异。各器官的平均变异大小为花 23.01%、叶片20.75%、枣头17.04%、枣吊 13.38%、二次枝13.31%。

表2 枣种质资源表型性状变异分析Table 2 Variation analysis of phenotypic characters of planting resources of jujube

2.2 叶片描述型性状多样性分析

由表3可知,叶片颜色主要集中在深绿区,85个品种占72.1%,“光亮”叶片居多,92个品种占77.9%,“平展”叶片95个品种占80.5%。叶片形状以“椭圆形”居多,其次是“卵圆”和“卵状披针形”。叶尖形状以“急尖”为主,叶基以“圆形”为主,叶缘以“钝锯齿”为主。Shannon-wiener指数和Simpson指数是衡量种质资源遗传多样性的重要指标,值越大则遗传多样性越丰富。由表4可知,叶片的7个描述型性状中Shannon-wiener指数为0.76～1.70,其中叶片状态的多样性最低,为0.76;叶基性状的多样性最高,为1.70。Simpson指数为0.32～0.61,大小与Shannon-wiener指数排列一致,表现为叶基形状>叶尖形状>叶片形状>叶缘形状>叶片光泽>叶片颜色>叶片状态。

表3 叶片描述型性状多样性Table 3 Diversity of leaf quality traits

表4 枣种质资源叶表型描述型性状多样性指数Table 4 Diversity index of leaf surface quality traits of Jujube germplasm resources

2.3 相关性分析

如图1所示,通过叶片与其他营养器官相关性分析中得出极显著性相关关系20对,其中16对极显著性正相关和4对极显著性负相关;显著性相关关系5对,其中3对显著性正相关和2对显著性负相关。叶片宽与叶面积的相关性大于叶片长与叶面积的相关性,其相关性系数为0.94**> 0.90**,很好地解释了二次枝节间长度与叶片宽、叶面积呈极显著性正相关,与叶片长呈显著性正相关,说明二次枝节间长度的生长需要较大的光合面积和较多的养分支持。枣头节间长度与叶片宽和叶面积呈显著性正相关,与枣头节数呈极显著性正相关,这与二次枝节间长度的相关性完全不同。二次枝开张角度与叶型指数及二次枝节数呈极显著性负相关,说明开张角度越大叶片长度越长,宽度越窄,果树内膛空间更大,同时,二次枝节数越多,开张角度越小,因二次枝生长方向趋于水平,节数越多则对二次枝与主干连接处的压力越大,过大的开张角度容易造成连接处的断裂,因此呈极显著性负相关。

A.叶片长; B.叶片宽; C.叶面积; D.叶型指数; E.叶绿素含量; F.枣头节数; G.枣头节间长; H.二次枝长度; I.二次枝节数; J.二次枝节间长度; K.二次枝开张角度A.Leaf length; B.Leaf width; C.Leaf area; D.Leaf shape index; E.chlorophyll content; F.Number of extension shoot; G.Length of extension shoot internode; H.Length between secondary branches; I.Number of shoot; J.Length of shoot; K.Degree of shoot图1 叶片与营养器官相关性分析Fig.1 Correlation analysis between leaf and vegetative growth

叶片与生殖器官的相关性分析如图2所示,共得到极显著性相关关系21对,其中极显著性正相关16对,极显著性负相关5对;显著性相关关系12对,显著性正相关5对,显著性负相关7对。花直径与叶片宽、叶面积呈极显著性正相关,说明植物的光合面积与花直径大小有着强相关关系,光合产物越多则花生长状况越良好。花序数与枣吊长度及枣吊叶片数呈极显著性正相关,与叶片宽和叶面积呈负相关,枣吊长度越长则花序可着生位置越多,叶片数量越多越能提供充足的光合产物,有利于花序的生长,但叶片的生长与花序的生长在部分时空重合,对养分存在竞争关系,因此与叶片宽和叶面积呈负相关关系。花序花朵数与枣吊叶片数呈极显著性负相关,说明枣吊生长过程中,花朵的形成和叶片的生长时期相近,养分竞争更加激烈。

A.叶片长; B.叶片宽; C.叶面积; D.叶型指数; E.叶绿素含量; F.枣吊长度; G.枣吊叶片数; H.花序数; I.花序花朵数; J.花直径;K.吊果比A.Leaf length; B.Leaf width; C.Leaf area; D.Leaf shape index; E.Chlorophyll content; F.Length of bearing; G.Number of leaf on shoot; H.Inflorescence number; I.Inflorescence flower number; J.Flower diameter; K.Fruit to shoot图2 叶片与生殖器官相关性分析Fig.2 Correlation analysis between leaves and reproductive organs

2.4 主成分分析

如表5所示,前6个主成分特征值均大于1,累计贡献率为75.64%,表明前6个主成分能描述118个枣品种的大部分信息。第一主成分主要反映叶片长、宽、叶面积等与叶片大小相关的性状,特征向量绝对值分别是0.88、0.829和 0.697;第二主成分主要反映花序数、枣吊长度、枣吊叶片数等性状,其特征向量绝对值分别为 0.716、0.714、0.711;第三主成分反映二次枝和花序花朵数等性状,包括二次枝长节间度、二次枝节数、二次枝开张角度,特征向量绝对值分别为 0.707、 0.681、0.525、0.654;第四、五、六的主成分主要代表二次枝节数、二次枝节间长度、枣头节数的特征,特征向量绝对值分别为0.44、0.533、 0.666。

表5 枣种质资源数量性状主成分特征值、贡献率和累计贡献率分析Table 5 Analysis of principal component eigenvalue, contribution rate and accumulative contribution rate of quantitative traits in Jujube germplasm resources

枣吊叶片数与花序数在第一主成分中高度重合,出于节约时间及成本的目的,在实际操作中可以舍去其中一个性状。叶片长、宽、叶面积、二次枝长节间度、枣吊叶片数、花序花朵数、花序数对于枣种质资源的描述能力在17个数量性状中较强。叶绿素、枣头节数、枣头节间长度、二次枝节数、二次枝长度对枣种植资源的描述能力相对较弱。

2.5 聚类分析

由表6和图3可知,在欧氏距离10处将118个品种聚为6类,第一类品种数量最多,包含105个品种,其特征是各项指标表现均较为中庸。第二类包含两个品种,分别是‘喀什小圆枣’和‘库尔勒小枣’,其特征是枣吊叶片数、花序数、枣头节数较多,花直径和吊果比较小,二次枝长度和节间长度较短。第三类包含3个品种,分别是‘新郑大鸡心’‘新郑大马牙’‘羊奶枣’,其特征是枣吊长度较长、花序花朵数和二次枝节数较少、吊果比较大。第四类包含5 个品种,‘赞皇大枣’‘赞新大枣’‘晋赞大枣’、‘抗裂赞皇’‘苹果枣’,其特征为花直径较大、二次枝节间长度较长,开张角度较大、叶片宽和面积较大。第五类两个品种,分别是‘遵义甜枣’和‘南京冷枣’,其特征是二次枝长度较长、二次枝节数较多、枣头节间长度较短、叶绿素含量较低。第六类仅1个品种--‘山东大柿饼’,其特征是花序花朵数较多、枣头节间长度较长、叶片长度较长、枣吊叶片数较少、花序数较少。

图3 基于表型数据的聚类分析图Fig.3 Cluster analysis based on phenotypic data

3 讨 论

本研究发现118个枣品种各数量性状均有不同程度的变异,各器官变异大小关系为花表型性状>叶片表型性状>枣头表型性状>枣吊表型性状>二次枝表型性状。花表型性状的变异大于营养器官的变异,可能是因为枣树与其他果树不同,枣花以聚伞形花序着生在枣吊上,枣吊长度对花序数量和花朵数量的影响较大,营养供给的水平不同,导致花序数、花序花朵数产生较大的变异;同时,该118个品种引自全国不同地区,因长期地里隔离导致遗传物质的交流较少,加之不同的自然选择和基因突变导致其自身开花能力差异较大,又因为生境的改变,在引种地出现了不同程度的分化。郁香荷等[17]在中国李资源遗传多样性研究中发现不同国家不同地区的李种质资源其种内种间变异各不相同;王博等[18]对宁夏5个不同地区的酸枣表型性状、生理指标以及果实品质测定后发现不同地区酸枣种群各项指标均存在较大差异;陆琦文[19]在对枣实生后代多样性研究中发现不同种源地群体数量性状差异明显。叶绿素含量变异幅度较小,这一点与昆明市主要园林植物叶性状的研究[20]及新疆野苹果无性系的研究[21]所得出的结论具有相似性。

叶片与枝条有着较大的相关性[22-23],二次枝的节间长度与叶片的相关性明显强于二次枝节数、二次枝长度和开张角度,其中以叶宽和叶面积对二次枝节间长度的影响最大,说明光合积累是影响二次枝节间长度的重要原因,二次枝的总长同时受到节数和节间长度的影响,与叶片各性状的相关性弱于节间长度。本研究均以1 a生脱落性枣吊为调查对象,枣吊叶片数与花序花朵数呈极显著性负相关,可能是因为当年生脱落性枣吊自身生长需要耗费大量的养分,树体能提供的养分数量有限,花与枣吊叶片的生长在一定时间内重合,两者会进行养分的竞争,因此呈极显著性负相关。

主成分分析中得到6个主成分因子,特征值均大于1,累计贡献率为75.64%。说明该6个主成分因子能够代表118份枣资源的枝、叶和花表型性状的大部分信息。各主成分的特征因子不同,对于资源的描述能力大小不一,其中叶片长、宽、叶面积、二次枝长节间度、枣吊叶片数、花序花朵数、花序数对于枣种质资源的描述能力在17个数量性状中较强。林存学等[24]在对东北寒地96个李种质资源表型性状的分析中得出5个主成分,贡献率达78.19%,发现果实纵横径、叶片宽等对资源的描述能力较强;李春侨等[25]在对天山樱桃表型多样性研究中得出4个主成分,累计贡献率为76.02%,发现果实纵横径、单果质量、种核质量、种仁质量等对于资源描述起着决定性的作用。聚类分析将118个品种分为7大类,除第七类只有一个品种外其余6类均是多个品种的组合。聚类分析通过数量性状标准化判断遗传距离和遗传一致度,确定各种质的亲缘关系,结果表明,大部分种质按照种源地、选育关系、种质用途聚为一类,但个别种质没能完全分开,其原因可能与新疆野苹果[26]、酸枣[27]研究遇到的问题相似,结合文献分析本研究各种质未完全分离的原因可能是:(1)不同品种的原始种源地距离远近不同,基因交流程度不一,高频率基因交流可能导致无法完全分开;(2)目前品种流动现象比较突出,部分品种或许并非采自种源地,在品种漂流过程中对当地环境发生了适应性或突变;(3)不同种质集中栽培统一管理,降低了原始差异;(4)数量性状测量过程中或许产生了人为误差。

4 结 论

118个枣品种各数量性状的变幅为 7.94%～63.34%,平均变异系数为20.60%,变异范围较为宽阔,能够清晰地体现出不同器官的变异能力,据此,将不同器官根据变异系数的大小排序,具体表现为花表型性状>叶片表型性状>枣头表型性状>枣吊表型性状>二次枝表型性状。枣种质资源叶片的描述型性状存在极为丰富的多样性,Simpson和Shannon-wiener指数平均值分别为0.48和1.16,表明叶片的描述型性状遗传多样性丰富,可以作为资源评价的一项重要指标。相关性分析中发现17个数量性状存在多对极显著性正相关和极显著性负相关,且相关性较大,能够较好反应不同组织器官间的关系。主成分分析得到6个主成分因子,累计贡献率为75.64%,说明该6个主成分因子可以代表118个品种的大部分信息,综合相关性分析与主成分分析,叶片长、宽、叶面积、二次枝长节间度、枣吊叶片数、花序花朵数、花序数对118个枣品种的信息具有较强的描述能力,可以作为资源评价的重要指标。聚类分析中在欧氏距离5处将118个品种分为6大类,同一类别共性明显,不同类别差异较大,能够清晰看出各品种遗传距离的远近,其中‘山东大柿饼’与群体的遗传距离最远;综上所述,118份枣品种群体内有较大的遗传距离和明显的群体分化。