田閔玉，郭怡婷，任延靖，韓 睿，田 豐*，趙孟良*

(1.青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院，青海省蔬菜遺傳與生理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016；2.青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧 810016；3.省部共建三江源生態(tài)和高原農(nóng)牧業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海大學(xué)，青海 西寧 810016)

菊芋(HelianthustuberosusL.)又稱洋姜、鬼子姜，屬菊科向日葵屬多年生草本植物(2n=102)，原產(chǎn)地北美，18世紀(jì)末自歐洲傳入中國(guó)后在我國(guó)被廣泛種植[1]。菊芋具有很強(qiáng)的抗逆性且適應(yīng)性廣、生物質(zhì)產(chǎn)量高，能源利用方式多樣，是環(huán)境友好型植物[1]。菊芋作為一種新型的多功能經(jīng)濟(jì)作物在全球范圍廣泛種植，種質(zhì)資源也較為豐富，目前有超過(guò)2 000份的菊芋種質(zhì)資源在世界范圍內(nèi)30多個(gè)研究機(jī)構(gòu)保存[2]。種質(zhì)資源是作物育種的基因來(lái)源，也是作物相關(guān)基礎(chǔ)研究和培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病作物新品種的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)遺傳改良的發(fā)展具有十分重要的意義[3-4]。種質(zhì)資源利用效率和現(xiàn)代種業(yè)的可持續(xù)發(fā)展受種質(zhì)資源的數(shù)量、質(zhì)量、研究深度和廣度的直接影響[5-6]。隨著現(xiàn)代育種技術(shù)對(duì)作物多年的定向選擇導(dǎo)致作物的遺傳基礎(chǔ)越來(lái)越狹窄，因此，收集、研究、利用新的種質(zhì)資源非常有必要[7]。植物形態(tài)學(xué)特征能夠直觀反映出其遺傳多樣性，可以較快了解其遺傳多樣性[8-9]。形態(tài)學(xué)或表型性狀檢測(cè)遺傳變異是最直接、最簡(jiǎn)便易行的方法[10]，也是育種研究者進(jìn)行復(fù)雜機(jī)理研究的基礎(chǔ)[11]。研究明晰作物種質(zhì)資源的特性，可為今后高效利用種質(zhì)資源奠定基礎(chǔ)。目前對(duì)我國(guó)菊芋種質(zhì)資源遺傳多樣性研究多限于地下部分塊莖品質(zhì)性狀[12-13]，缺乏地上部分性狀的相關(guān)分析。鑒于此，本研究以241份菊芋種質(zhì)資源為材料，通過(guò)測(cè)定菊芋盛花期地上部分的農(nóng)藝性狀指標(biāo)，并采用多樣性分析、聚類分析以及隸屬函數(shù)等方式進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期為菊芋種質(zhì)資源評(píng)價(jià)利用及雜交育種中的親本選擇提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用的241份菊芋種質(zhì)資源材料由青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院菊芋研究開(kāi)發(fā)中心提供，其中來(lái)自美國(guó)的種質(zhì)資源220份、泰國(guó)的種質(zhì)資源12份、中國(guó)的種質(zhì)資源9份。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地位于青海省海南藏族自治州貴德縣鄧家村(36°03′N、101°44′E)，海拔2 250 m，種植前施用羊糞2 250 kg/hm2。試驗(yàn)材料于2019年4月中旬種植，采用隨機(jī)區(qū)組種植，小區(qū)面積120 m2，每小區(qū)種植50份種質(zhì)資源，每份種質(zhì)資源種植5株，使用塊莖繁種，采用株距60 cm，行距80 cm進(jìn)行種植。9月中旬待菊芋進(jìn)入盛花期時(shí)進(jìn)行農(nóng)藝性狀的數(shù)據(jù)采集。

1.3 性狀調(diào)查

參照NY/T 2503—2013《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測(cè)試指南 菊芋》[14]的方法，采用卷尺及游標(biāo)卡尺對(duì)菊芋的株高、株幅、葉長(zhǎng)、葉寬、花直徑及花朵數(shù)6個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行測(cè)量，對(duì)葉緣、葉形、莖色和莖絨毛數(shù)4個(gè)質(zhì)量性狀采用目測(cè)觀察法進(jìn)行調(diào)查，并按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行賦值。每個(gè)指標(biāo)設(shè)置5次重復(fù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析方法

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及處理，分別計(jì)算各性狀的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差以及變異系數(shù)；各性狀的遺傳多樣性采用Shannon's信息指數(shù)(H')進(jìn)行評(píng)價(jià)，計(jì)算公式H'=-∑PilnPi(其中Pi為某一性狀在i個(gè)級(jí)別出現(xiàn)的頻率)。并采用SPSS 20.0以及R-studio軟件對(duì)各性狀進(jìn)行主成分分析以及聚類分析。最后通過(guò)隸屬函數(shù)對(duì)種質(zhì)資源進(jìn)行評(píng)分，計(jì)算公式如下：

R(Xi)=(Xi-Xmin)/(Xmax-Xmin)

式中：Xi為指標(biāo)測(cè)定值，Xmax、Xmin為所有參試材料某一指標(biāo)的最大值和最小值。

2 結(jié)果與分析

2.1 菊芋種質(zhì)資源質(zhì)量性狀的多樣性分析

對(duì)241份菊芋種質(zhì)資源的4個(gè)質(zhì)量性狀的多樣性分析結(jié)果顯示(表1)，其多樣性指數(shù)分布在0.74～1.29，平均多樣性指數(shù)為1.08。其中，葉緣的多樣性指數(shù)最低(0.74)，葉形、莖色以及莖絨毛數(shù)的多樣性指數(shù)均大于1.0，葉形的多樣性指數(shù)最高(1.29)。在241份菊芋種質(zhì)資源中，葉緣以鋸齒形為主，占總資源量的73.86%；葉形以闊卵形葉片最少，僅占總資源數(shù)的8.71%，其他不同形狀分布較為平均；莖色以綠色為主，占總資源量的43.15%；莖絨毛數(shù)以中等數(shù)量居多，達(dá)到總資源量的46.89%，此外還有3份莖桿光滑的資源，占總資源量的1.24%。4個(gè)質(zhì)量性狀中葉緣的變異系數(shù)最大(55.74%)，莖絨毛數(shù)的變異系數(shù)最小(33.92%)。

表1 菊芋質(zhì)量性狀賦值、分布及多樣性分析

2.2 菊芋種質(zhì)資源數(shù)量性狀的差異性分析

對(duì)241份菊芋種質(zhì)資源的6個(gè)數(shù)量性狀差異性分析(表2)，由表2可知，6個(gè)數(shù)量性狀的變異系數(shù)在16.22%～36.62%，平均22.61%，其中單株花朵數(shù)的變異系數(shù)最高(36.62%)，葉長(zhǎng)、葉寬和花直徑的變異系數(shù)較小，均低于20%，說(shuō)明241份菊芋種質(zhì)資源中花朵數(shù)的變異性最豐富；241份菊芋種質(zhì)資源的6個(gè)數(shù)量性狀中，花朵數(shù)、株高和株幅的極差很大，花朵數(shù)極差高達(dá)339.70個(gè)，株高和株幅的極差分別達(dá)到226.50 cm和115.06 cm。綜合各數(shù)量性狀的極差和變異系數(shù)分析，這6個(gè)數(shù)量性狀之間存在較為明顯的遺傳差異。

表2 菊芋地上部數(shù)量性狀表型的差異性分析

2.3 相關(guān)性分析

對(duì)241份菊芋種質(zhì)資源的10個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性分析(表3)表明，株高與株幅呈極顯著正相關(guān)，其相關(guān)系數(shù)為0.610，株高與葉長(zhǎng)、葉寬、花直徑也呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)介于0.378～0.482；花朵數(shù)與株幅之間呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.640，說(shuō)明菊芋植株的株幅越大其花朵數(shù)越多；花直徑與葉長(zhǎng)、葉寬呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.360、0.269；此外，葉長(zhǎng)、葉寬、花朵數(shù)之間兩兩呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.278～0.667，其中葉長(zhǎng)與葉寬的相關(guān)系數(shù)最高(0.667)。

表3 性狀的相關(guān)分析

2.4 主成分分析

對(duì)241份菊芋種質(zhì)資源的10個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析(表4)，以特征值大于1.0為標(biāo)準(zhǔn)提取出4個(gè)主成分值，其方差貢獻(xiàn)率分別為32.64%、19.70%、12.30%、10.66%，累計(jì)方差貢獻(xiàn)率為75.30%，說(shuō)明這4個(gè)主成分基本可以代表原始變量的大部分信息。第1個(gè)主成分特征值為3.26，方差貢獻(xiàn)率最大，占主導(dǎo)地位，其中株高、株幅、葉寬、花朵數(shù)作用均達(dá)到0.7以上；第2個(gè)主成分特征值為1.97，方差貢獻(xiàn)率為19.70%，其主要作用性狀為葉長(zhǎng)(0.86)、花直徑(0.67)以及葉型(0.66)；第3個(gè)主成分的特征值為1.23，方差貢獻(xiàn)率為12.30%，主要性狀為株幅(0.73)、莖色(0.44)；第4個(gè)主成分特征值為1.07，方差貢獻(xiàn)率為10.66%，起主要作用的指標(biāo)為葉緣(0.88)。

表4 菊芋農(nóng)藝性狀的主成分分析

2.5 聚類分析

對(duì)241份菊芋種質(zhì)資源的10個(gè)農(nóng)藝性狀指標(biāo)進(jìn)行聚類分析(圖1)表明，241份菊芋資源在歐式距離為10處可劃分為2大類群；第I類群包含HT-147、HT-215等13份菊芋資源，此類群中主要特征為株高高，葉片大(葉長(zhǎng)且寬大)，莖桿絨毛多，花朵大，莖桿呈現(xiàn)紫色；第II類群在歐式距離為5處分為3個(gè)亞類群，其中II-1類群包含91份菊芋資源，該類群的資源總體表現(xiàn)為株高低、葉片小，莖絨毛少，花直徑小，莖桿多為淺紫色的特征；II-2類群包含85份菊芋資源，該類群的資源總體表現(xiàn)為株高高、葉片大、莖絨毛多，花直徑大，莖桿多呈現(xiàn)綠色的特征；II-3類群包含52份菊芋資源，此類群的資源總體表現(xiàn)為植株矮小，葉片小，葉片多呈現(xiàn)闊卵形，莖絨毛少，花直徑小的特征。綜上可知，株高、葉長(zhǎng)、葉寬、莖桿絨毛數(shù)以及莖桿顏色這5個(gè)指標(biāo)在資源分類時(shí)起主要作用，此外花直徑也起到一定作用。

2.6 隸屬函數(shù)分析

通過(guò)計(jì)算分析241份菊芋種質(zhì)資源的隸屬函數(shù)均值可知(表5)，供試菊芋種質(zhì)資源的隸屬函數(shù)均值介于0.21～0.72，其中隸屬函數(shù)均值大于等于0.70的有4份，分別是HT-230(0.72)、HT-214(0.71)、HT-213(0.71)及HT-226(0.70)，該4份種質(zhì)資源均屬于第I類群，株高、葉長(zhǎng)及葉寬等表型性狀具有較大優(yōu)勢(shì)；隸屬函數(shù)均值小于0.30的有6份，分別為HT-132(0.21)、HT-109(0.25)、HT-175(0.26)、HT-48(0.29)、HT-100(0.29)及HT-131(0.29)，均屬于第Ⅱ-3亞類群，其表型特征較小，其中HT-132、HT-131以及HT-175在株高上表現(xiàn)明顯矮小。

表5(續(xù))

表5(續(xù))

3 討論與結(jié)論

圍繞菊芋種質(zhì)資源前人已做相關(guān)[15-17]研究。為進(jìn)一步豐富菊芋種質(zhì)資源庫(kù)，本研究主要對(duì)美國(guó)、泰國(guó)引進(jìn)的菊芋種質(zhì)資源進(jìn)行了農(nóng)藝性狀的調(diào)查分析。遺傳多樣性指數(shù)作為評(píng)價(jià)不同種質(zhì)間性狀變異的一個(gè)綜合指標(biāo)，其值越高說(shuō)明性狀越豐富、越均勻[18]。其中，變異系數(shù)和多樣性指數(shù)代表的含義有所差別，變異系數(shù)表示變異范圍的大小，而多樣性指數(shù)不僅表示變異范圍，還對(duì)數(shù)量的多少進(jìn)行了反映[19]。在實(shí)際應(yīng)用中，常常將兩者配合使用從不同方面來(lái)表示多樣性。本研究對(duì)241份菊芋種質(zhì)資源的10個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行分析，其質(zhì)量性狀的遺傳變異系數(shù)普遍大于數(shù)量性狀的遺傳變異系數(shù)，其原因可能是質(zhì)量性狀通過(guò)賦值進(jìn)行整合計(jì)算，賦值相差較多，因此變異系數(shù)相對(duì)較大。其數(shù)量性狀中花朵數(shù)的遺傳變異系數(shù)達(dá)到36.62%，說(shuō)明241份資源中花朵數(shù)量的變異性最豐富的。與現(xiàn)有的資源進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)此批資源中HT-205、HT-134、HT-203及HT-40四份資源的單株花朵數(shù)量均超過(guò)300個(gè)，且其他性狀表現(xiàn)也較好，符合觀賞型菊芋專用品種的選育要求。

主成分分析法可以通過(guò)降維的方法利用新特征代替原先繁雜的舊特征，將作物各性狀間復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系轉(zhuǎn)化為較少的幾個(gè)主成分，最大限度地將各個(gè)舊特征完整的表達(dá)出來(lái)，是現(xiàn)代育種常用的一種輔助手段[20-21]。已被應(yīng)用于水稻[22]、棉花[23]、大豆[24]、玉米[25]、小麥[26]等作物。本研究對(duì)241份菊芋種質(zhì)資源的10個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析時(shí)提取出4個(gè)主成分因子，分別包含株高、株幅、葉長(zhǎng)、葉寬、花直徑以及花朵數(shù)中的因子，能夠客觀地表示菊芋的資源特征，且對(duì)菊芋種質(zhì)資源進(jìn)行聚類分析時(shí)這幾個(gè)因子也起到重要作用。在聚類分析歐式距離為10處將菊芋種質(zhì)資源分為2大類群，其中第I類群的菊芋種質(zhì)資源總體上均表現(xiàn)為地上部生物量大，符合牧草型專用菊芋品種育種的要求，且此類資源的菊芋在隸屬函數(shù)評(píng)價(jià)分析中整體得分較高，同樣具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此后續(xù)可加大該類資源在牧草型菊芋品種方面的應(yīng)用研究。

綜上可知，本研究通過(guò)地上部農(nóng)藝性狀、聚類分析、隸屬函數(shù)分析等評(píng)價(jià)方式分析了241份菊芋種質(zhì)資源，最終篩選出4份觀賞型菊芋資源(HT-205、HT-134、HT-203及HT-40)，牧草型菊芋資源13份，對(duì)豐富我國(guó)菊芋種質(zhì)資源的多樣性及菊芋專用品種的選育奠定了基礎(chǔ)。另外本研究?jī)H對(duì)地上部的10個(gè)性狀進(jìn)行了調(diào)查研究，后續(xù)還需結(jié)合塊莖產(chǎn)量、品質(zhì)等性狀進(jìn)行綜合分析評(píng)價(jià)。