彭菲，丁劉慧子，邳植，吳則東

（黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，哈爾濱 150080）

0 引言

甜菜（Beta vulgarisL.）為藜科甜菜屬的二年生草本作物。目前栽培甜菜主要分為飼用甜菜、根用甜菜、葉用甜菜和糖用甜菜，糖用甜菜是其中最重要的商業(yè)類型[1]，也是除甘蔗以外的世界第二大糖料作物[2]。我國糖用甜菜種植面積約216 khm2，產(chǎn)量達(dá)1 127.7 萬t（據(jù)中國年鑒2019 年統(tǒng)計http://www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/2019/indexch.htm）。隨著國內(nèi)食糖需求的增加，北方甜菜生產(chǎn)的前景良好[3]。甜菜種子是甜菜生產(chǎn)最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。一方面國內(nèi)生產(chǎn)所使用的甜菜品種近90%為進(jìn)口品種[4]，假冒偽劣種子坑農(nóng)問題時有存在，國產(chǎn)品種的增加和國外品種的引入導(dǎo)致種子存在不同程度上的品種雷同和侵權(quán)問題[5]；另一方面植物新品種測試（DUS）在甜菜品種鑒定上的應(yīng)用還不夠廣泛[6-7]。因此開展甜菜品種鑒定是規(guī)范國內(nèi)種子市場以及確保甜菜產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的基礎(chǔ)?；ㄉ⒔鹌讲莨茸魑锢帽硇托誀铊b定品種差異的相關(guān)研究國內(nèi)已有報道[8-9]，但是甜菜上由于農(nóng)藝性狀差異較小，因此研究較少，本研究采用主成分分析法[10]，對107 份甜菜品種的農(nóng)藝性狀進(jìn)行分析，為進(jìn)一步甜菜品種差異鑒定提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以目前我國市場上使用的107個已登記的甜菜品種作為供試材料，品種名稱及來源見表1。

表1 供試材料品種名及來源Table 1 Name and source of test material

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)區(qū)自然條件：試驗(yàn)地設(shè)在哈爾濱市呼蘭區(qū)黑龍江大學(xué)實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)（經(jīng)度126.58、緯度26.88），試驗(yàn)地地勢平坦，土質(zhì)為黑土，pH 值為6.5。屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年活動積溫2 700 ℃以上，年平均氣溫約6.1 ℃、年均日照時長約為2 555.7 h、無霜期約為150 d[11]。

試驗(yàn)設(shè)計：試驗(yàn)于2020年4月進(jìn)行。機(jī)械開溝，人工播種，每個品種種植2行，行長10 m，壟寬0.67 m，株距20 cm，播深3 cm 左右。每個品種兩個重復(fù)。參照《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測試指南糖用甜菜NY/T2482-2013》制定調(diào)查項目和標(biāo)準(zhǔn)，在各生長區(qū)每個品種選取10株進(jìn)行觀測記錄農(nóng)藝性狀。

1.3 測定項目及方法

試驗(yàn)主要調(diào)查的農(nóng)藝性狀有：葉姿態(tài)（LP）、葉片形狀（LS）、葉片長度（LL）、葉片寬度（LW）、葉片綠色程度（LG）、葉緣波狀（LMU）、葉面皺縮程度（LSWD）、葉先端形狀（LAS）、葉柄長度（PL）、葉基部寬度（LBW）、根形狀（RS）、根長度（RL）、根寬度（RW）、根長寬比（RLWR）、根青頭大?。≧GHS）、根溝深度（RFD）及根表皮質(zhì)地（RET）。葉片長度（LL）、葉片寬度（LW）、葉基部寬度（LBW）使用直尺進(jìn)行群體和個體測量，葉片綠色程度（LG）使用SPAD502 葉綠素含量測定儀測定葉綠素含量，根據(jù)測量結(jié)果進(jìn)行分級。其他性狀根據(jù)《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測試指南糖用甜菜NY/T2482-2013》中的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分級。

地上部分的調(diào)查選擇在甜菜葉叢快速生長期，選取葉片為老葉與新葉之外的最大一片真葉。地上調(diào)查前期階段試驗(yàn)地內(nèi)均未發(fā)生褐斑病和根腐病，甜菜生長態(tài)勢良好。觀測期間，8月8日噴灑殺蟲劑一次，整個觀測期內(nèi)未受到甘藍(lán)夜蛾為害。9月25日至10月5日甜菜收獲，并記錄地下部分性狀數(shù)據(jù)。收獲時，部分品種的根部有個別出現(xiàn)根腐病情況，但每個品種均有超過50%的單株未受到病害影響，測試品種整個生長周期符合性狀調(diào)查要求。

1.4 數(shù)據(jù)分析

甜菜的各指標(biāo)性狀在統(tǒng)計分析時根據(jù)《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測試指南糖用甜菜NY/T2482-2013》對農(nóng)藝性狀觀測值進(jìn)行賦值，對不能進(jìn)行測量的觀察性狀進(jìn)行賦值標(biāo)準(zhǔn)化處理。采用Excel統(tǒng)計各性狀的數(shù)據(jù)，計算各性狀的最小值、最大值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)、變異幅度等基本統(tǒng)計參數(shù)。使用SPSS計算辛普森指數(shù)（Simpson's index）、香農(nóng)-維納指數(shù)（Shannon-Wiener's diversity index）等多樣性指數(shù)以及Pielou均勻度指數(shù)[12-14]。使用Rstudio對17個性狀的調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析并進(jìn)行品種鑒定和分類。

2 結(jié)果與分析

2.1 供試品種17項表型性狀變異分析

對107份參試材料的表型性狀進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果見表2和表3。

表2 表型性狀1（測量性狀）的變異參數(shù)Table 2 Variation parameter of phenotypic character 1(measuring character)

表3 表型性狀2（觀測性狀）變異分布Table 3 Variation parameter of phenotypic character 2(observation character)

由表2 可知，107 份供試材料的表型性狀的結(jié)果分析表明，變異系數(shù)較高的是葉基部寬度（11.27%）和葉柄長（11.09%），最小的為葉片長度（6.86%）。這5個農(nóng)藝性狀中，葉片長度（LL）、葉片寬度（LW）和葉片綠色程度（LG）變異系數(shù)均未超過10%，說明這3 個農(nóng)藝性狀的差異性小。整體來看5 個表型性狀的差異性都較小。

由表3可知，107份參試材料的表型性狀中觀測性狀的結(jié)果分析可以看出，甜菜的12項觀察性狀的變異類型劃分為41 種。變異類型最多的性狀為根長度（RL），有5 種變異類型，其中根長度（RL）為“中”和“長”的占比最高，分別為46.73%和35.51%，且無“極短”的根長。其次為葉緣波狀（LMU）、葉面皺縮程度（LSWD）及根溝深度（RFD），變異類型均為4 種。葉緣波狀（LMU）中“中”度的占比最高為36.45%，其次為“小”占比35.51%，“無或極小”的類型占比最少為1.87%。葉面皺縮程度（LSWD）中，“弱”和“中”兩種變異類型占比相同，均為41.12%，僅有6 份材料變異類型為無或極弱，占比為5.61%。在根溝深度（RFD）中，所有參試材料都有根溝，沒有“無或極淺”的變異類型。其中根溝“深”的參試材料超過一半，占比為53.27%，其次為“中”度根溝。其余觀察性狀的變異類型均為3種。葉姿態(tài)（LP）主要為“半直立”，占比59.81%。葉先端為“圓”形的占比最高為62.62%。根形狀（RS）為“楔形”的占比最高為61.68%。根青頭大?。≧GHS）的差異最大，根青頭“大”的類型占比高達(dá)70.09%，根青頭“小”的類型僅有4 份，占比3.74%。整體來說，參試材料的表型性狀表現(xiàn)較為整齊，極少有極端個例的出現(xiàn)。

2.2 供試品種17項表型性狀多樣性分析

對107 份甜菜參試品種表型多樣性分析描述見表4，17 項表型的辛普森指數(shù)在0.00～0.01，其中葉片姿態(tài)、根形狀（RS）和葉基部寬度（LBW）均為0.00，其余13 項（除根長寬比外）均為0.01。香農(nóng)-維納指數(shù)在4.53～4.67，其中根長寬比（RLWR）最低（4.53），葉片長度（LL）、葉片寬度（LW）、葉片綠色程度（LG）、葉柄長（PL）及葉基部寬度（LBW）最高為4.67。Pielou 均勻度指數(shù)在0.97～1.00，其中最低的為根長寬比（RLWR）為0.97，葉片長度（LL）、葉片寬度（LW）、葉片綠色程度（LG）、葉柄長（PL）及葉基部寬度（LBW）最高為1.00。與香農(nóng)-維納指數(shù)計算結(jié)果十分相似，測量性狀的指數(shù)最大，觀測性狀指數(shù)數(shù)值較低。這說明測量性狀的遺傳多樣性更加豐富且群體內(nèi)變異分布相對比較均勻。

表4 表型性狀遺傳多樣性Table 4 Genetic diversity of phenotypic traits

2.3 供試品種表型性狀主成分分析

2.3.1 主成分特征值向量分析

通過主成分分析法分析甜菜表型性狀的多樣性[15-16]，為甜菜品種鑒定提供參考。由表5可知，甜菜的前5個主成分能夠表征其相關(guān)指標(biāo)的主要變量信息，累計貢獻(xiàn)率達(dá)51.13%。其中第一主成分的特征值為2.43，貢獻(xiàn)率為14.28%，主要農(nóng)藝性狀有根長寬比（RLWR）、根寬度（RW）、根長度（RL），特征向量分別為36.35、23.58、19.44，該主成分可以歸納為塊根根形指數(shù)。第二主成分的特征值為1.86，貢獻(xiàn)率為10.92%，特征值向量與各性狀均成正比,其中主要農(nóng)藝性狀有葉片長度（LL）、葉柄長（PL）、葉基部寬度（LBW），特征向量分別為28.77、21.84和13.57，該主成分可歸納為葉面積。第三主成分的特征值為1.62，貢獻(xiàn)率為9.50%，其中主要農(nóng)藝性狀有葉姿態(tài)（LP）、葉先端形狀（LAS）和葉基部寬度（LBW），特征向量分別為23.05、18.09 和10.30。第四主成分特征值為1.51，貢獻(xiàn)率為8.87%，主要農(nóng)藝性狀有葉片寬度（LW）、葉片形狀（LS）、葉片綠色程度（LG），特征向量分別為18.84、16.01和15.47。第五主成分特征值為1.29，貢獻(xiàn)率為7.56%，其中主要農(nóng)藝性狀有葉片綠色程度（LG）和葉柄長度（PL），特征向量分別為34.14、16.45。第三、四及第五主成分均能歸納為葉片生長指數(shù)，前5個主成分的累計貢獻(xiàn)率達(dá)到51.13%。

表5 參試材料前5 個主成分的特征向量描述Table 5 Characteristic vector description of the first five principal components of test materials

由圖1 可知，將主成分1 和2 的貢獻(xiàn)因子質(zhì)量可視化后，可以看到根長寬比（RLWR）（圖中呈紅色）貢獻(xiàn)率最高，其次為葉片長度（LL）、葉柄長度（PL）、葉基部寬度（LBW）、根寬度（RW）和根長度（RL）（圖中呈黃色）。綜合這5個主成分的特性性狀影響和累計的貢獻(xiàn)率，葉片長度（LL）、葉片寬度（LW）、葉柄長度（PL）、葉基部寬度（LBW）、根長度（RL）、根寬度（RW）及根長寬比（RLWR）這7個性狀具有較高的差異性，可作為品種鑒定的核心性狀。

圖1 主成分因子質(zhì)量貢獻(xiàn)分布圖Fig.1 Distribution of quality contribution of principal component factor

2.3.2 主成分質(zhì)量因子分布分析

由圖2 可知，這107 個品種在表型性狀分析中距離最遠(yuǎn)的是41 號品種，其次為42 號品種、11 號、12 號及16 號品種，在質(zhì)量因子分布圖上與其它品種距離最大。這表明通過表型性狀分析可以得出這5 個品種具有較高的特異性，與其他品種差異性較大。類群I中，有10個甜菜品種來自SES Vander Have。第III類群中9個品種來自BETA SEED，11個品種來自SES Vander Have。KWS SAAT SE的品種除了31號，其余的品種均分布在第II 和第III 類群。類群IV 中，13 個品種來自SES Vander Have。由此可見SES Vander Have 品種與BETA SEED和KWS SAAT SE的品種在形態(tài)上更為相似。

圖2 107份甜菜品種農(nóng)藝性狀質(zhì)量因子影響分布圖Fig.2 Distribution diagram of quality factors influencing agronomic traits of 107 sugar beet varieties

根據(jù)107份參試品種的17個農(nóng)藝性狀在主成分分析中所表現(xiàn)出的質(zhì)量，將參試品種分為4個類群（圖2、表6）。

表6 107 份甜菜品種農(nóng)藝性狀質(zhì)量因子分組Table 6 The group of quality factors of agronomic traits of 107 sugar beet varieties

其中類群I 包含24個甜菜品種，此類群中，葉片長度（LL）在26.20～31.45 cm，且有22個品種超過平均值（27.11 cm），葉片較長。葉片寬度（LW）在15.08～20.94 cm，葉片寬度（LW）超過平均值（17.15 cm）的品種有16 個（4、9、10、11、12、16、31、37、46、50、59、65、80、89、97、98）。葉柄長度（PL）在21.11～27.5 cm，且有13個品種在該群內(nèi)平均值（23.53 cm）以上，葉柄長度（PL）較長。根長度（RL）賦值為“5”極長的5個品種（11、12、13、16、98）全部分布在這個類群之中，其中14 個品種（4、11、12、13、16、37、40、43、46、51、89、91、97、106）根寬度（RW）賦值為“1”，9個品種（9、10、31、54、57、59、65、80、98）賦值為“2”，僅有1個品種（50）賦值為“3”。這一類群的品種屬于塊根極長且窄，葉片面積較大的品種。

類群II包含27 個甜菜品種，此類群中，葉片長度（LL）在25.30～33.30 cm，有22 個甜菜品種（3、6、19、32、33、34、35、36、41、42、44、45、53、56、63、68、76、78、83、85、86、100）超過平均值，且41 號品種的葉片長度（LL）達(dá)到樣品中最大值33.30 cm。葉片寬度（LW）在15.21～20.11 cm，超過平均值的有25 個甜菜品種（1、3、5、6、19、23、32、33、34、35、36、41、42、44、45、53、56、63、68、76、78、83、85、86、100）。23 個甜菜品種（1、3、5、6、19、23、32、33、36、41、42、44、45、48、53、56、63、78、83、85、86、100、102）葉柄長度（PL）超過平均值。根長度（RL）賦值“4”的為6 個（19、36、48、53、56、68），賦值“3”的為16 個（3、5、23、34、35、41、44、45、63、76、78、83、85、86、100、102），其中有13 個品種（3、23、32、33、34、35、36、44、45、48、53、68、86）根寬度（RW）賦值為“3”。這表明類群II中的甜菜品種大多數(shù)屬于塊根寬，長度適中，葉柄極長的品種。

類群III 包含了35 個品種，葉片長度（LL）在23.73～28.60 cm，超過平均值的品種僅8 個（2、7、18、38、70、75、77、82），不足1/4，約3/4 的品種分布在24.00～27.00 cm，其中22 號品種葉片最短。葉片寬度（LW）在13.95～18.69 cm，超過平均值的品種（7、15、28、47、55、58、60、70、72、88、）不足1/3，超過半數(shù)的品種分布在16.00～17.00 cm。14 個甜菜品種葉柄長度（PL）在18.18～26.83 cm，超過平均值的不足1/2，且多數(shù)分布在21.00～26.00 cm。7 個甜菜品種（18、52、69、70、72、77、104）的根長度（RL）賦值為“4”，16個品種（3、6、23、33、34、41、44、45、63、76、78、83、85、86、100、102）根長度（RL）賦值為“3”。13個品種（3、23、32、33、34、35、36、44、45、48、53、68、86）根寬度（RW）賦值為“3”，13 個品種（1、6、19、23、41、42、63、68、76、78、83、100、102）根寬賦值為“2”。這表明類群III中的甜菜品種屬于塊根長寬均較為中等至短窄、葉面偏小的品種。

類群IV 包含21個品種，葉片長度（LL）在24.30～28.93 cm，僅有4個品種（39、49、74、105）長度超過均值，大多數(shù)品種葉片長度（LL）在25.00～27.00 cm。葉片寬度（LW）在14.35～18.89 cm，超過均值的品種有7個（8、20、21、39、73、94、99）。葉柄長度（PL）在20.00～26.87 cm，僅4個品種（8、49、94、101）的長度超過均值。13個品種（8、14、17、20、29、49、62、67、74、81、94、95、101）的根長度（RL）賦值為“4”，其余8 個品種均為“3”。根寬度（RW）中7個品種（14、17、49、62、67、73、103）賦值為“2”，其余均為“1”。這表明類群IV屬于塊根長且窄，葉面積非常小的甜菜品種。

3 討論

表型標(biāo)記多指農(nóng)作物的農(nóng)藝性狀，主要由作物的表型特征、生理狀況并受栽培環(huán)境等因素影響而形成的評價標(biāo)準(zhǔn)[17-18]。表型標(biāo)記具有檢測特性清楚、檢測方法簡便、檢測結(jié)果直觀等優(yōu)勢，形態(tài)學(xué)研究一直是品種鑒定的重要方式[19]，農(nóng)藝性狀多樣性研究對于品種鑒定研究具有重要的指導(dǎo)意義[20]。表型標(biāo)記鑒定需要前期大量的形態(tài)學(xué)指標(biāo)數(shù)據(jù)，以此開展主成分分析、聚類分析等研究進(jìn)行鑒定，可以較為準(zhǔn)確地反映參試品種的綜合農(nóng)藝性狀，從而得到準(zhǔn)確的品種鑒定結(jié)果。但表型性狀也有一定的缺陷，試驗(yàn)觀測的周期長，需要統(tǒng)計記錄的數(shù)據(jù)量很大，容易受到土壤、天氣等外部環(huán)境因素的影響，并且在性狀調(diào)查時，也可能會受到調(diào)查者主觀影響[21]。加上一些表型標(biāo)記與不良性狀會產(chǎn)生連鎖效應(yīng)，都會造成結(jié)果出現(xiàn)偏差。由于可供選擇的表型性狀較多，不同的研究角度也會對結(jié)果的一致性產(chǎn)生影響，因此在調(diào)查的性狀上也盡量選擇種內(nèi)穩(wěn)定性高，種間差異性較大的性狀作為調(diào)查的指標(biāo)。

表型性狀鑒定是適用于所有植物品種鑒定的方式，并且仍然是目前品種鑒定中的主流鑒定方式。甜菜的形態(tài)學(xué)研究主要集中在葉和根的性狀，從甜菜農(nóng)藝性狀的調(diào)查和分析來看，相較于其他作物，如大豆[22]、菜豆[23]、高粱[24]等作物，農(nóng)藝性狀差異較小。比如大豆、菜豆的花色、種皮顏色、莢色、粒色以及莖節(jié)數(shù)、分枝數(shù)等性狀上都具有較高的差異性，而甜菜的農(nóng)藝性狀調(diào)查主要為葉片和塊根的性狀，與其它作物相比，性狀多樣性較低，可選擇性少，差異性明顯低于其它作物，因此在表型鑒定上也存在更高的難度。甜菜作為小作物品種，近年來雖然種植面積有所上升，但仍屬于小眾作物，科研關(guān)注度不夠[25]。甜菜的種子市場被國外品種侵占，品種鑒定的研究也較為稀少，這對國內(nèi)甜菜的品種保護(hù)和甜菜育種研究十分不利。由于中國屬非甜菜起源地且甜菜起源單一，甜菜種質(zhì)資源匱乏，同一優(yōu)良不育系或者授粉系會在不同的品種中反復(fù)使用，而造成甜菜品種遺傳基礎(chǔ)狹窄[26]，因而甜菜的表型鑒定研究越發(fā)困難。

本研究采用了主成分分析法，得出了根長寬比（RLWR）、葉片長度（LL）、葉柄長度（PL）、葉基部寬度（LBW）、根寬度（RW）在表型性狀鑒定中更具有差異性，鑒定力更高。同時根據(jù)提取的cos2 值，在成分中所占的貢獻(xiàn)率來將品種進(jìn)行了分類。這在以往的表型分類方法中具有創(chuàng)新性，開創(chuàng)了除了以表型數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析以外的分析方法，計算出具有更高貢獻(xiàn)值的性狀以及各個品種在主成分中相對貢獻(xiàn)的分布。

4 結(jié)論

參試品種表型性狀中，測量性狀變異系數(shù)最大的是葉基部寬度（11.27%），最小的為葉片長度（6.86%）。觀察性狀的變異類型共41 種，根長度（RL）的變異類型最多為5 種。17 項表型性狀的辛普森指數(shù)在0.00～0.01，香農(nóng)-維納指數(shù)在4.53～4.67，Pielou 均勻度指數(shù)在0.97～1.00。提取了前5 個主成分進(jìn)行分析，其累計貢獻(xiàn)率為51.13%，其中第一主成分的特征值為2.43，貢獻(xiàn)率為14.28%，特征值向量與17個農(nóng)藝性狀均成正相關(guān)，第一主成分可以歸納為塊根根形指數(shù)。第二主成分的特征值為1.86，貢獻(xiàn)率為10.92%，特征值向量與各性狀均成正比，第二主成分可以歸結(jié)為葉面積。第三主成分的特征值為1.62，貢獻(xiàn)率為9.50%；第四主成分特征值為1.51，貢獻(xiàn)率為8.87%；第五主成分特征值為1.29，貢獻(xiàn)率為7.56%，第三、四及第五主成分均能歸納為葉片生長指數(shù)。葉片長度（LL）、葉片寬度（LW）、葉柄長度（PL）、葉基部寬度（LBW）、根長度（RL）、根寬度（RW）及根長寬比（RLWR）這7 個性狀具有較高的差異性，作為品種鑒定的核心性狀。根據(jù)107 份參試品種的17個農(nóng)藝性狀在主成分分析中所表現(xiàn)出的質(zhì)量，將參試品種能夠全部區(qū)分，并且能夠分為4個類群。其中類群I包含24個甜菜品種，特征為塊根極長且窄，葉片面積較大。類群II包含27個甜菜品種，特征為塊根寬，長度適中，葉柄極長。類群III 包含了35 個品種，特征為塊根長寬均較為中等至短窄、葉面偏小。類群IV 包含21個品種，特征為塊根長且窄，葉面積非常小。通過因子質(zhì)量分布圖可以看出，表型性狀能夠清晰地區(qū)分各甜菜品種，這表明表型標(biāo)記在甜菜品種鑒定和分類上具有良好的利用價值。