李麗瓊,陽世瑩,麻繼仙,但 忠,陳光平,楊 龍,起開斌,木萬福

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所,云南 元謀 651399;2.楚雄州農(nóng)業(yè)科學(xué)院,云南 楚雄 675000)

【研究意義】苦瓜(MomordicacharantiaL.)是葫蘆科(Cucurbitaceae) 苦瓜屬 (Momordica)1年生攀緣性草本植物,別名瓜、錦荔枝、涼瓜等,味苦性寒,以食用嫩瓜為主,具有降血糖、抗腫瘤等豐富的藥用保健價值,深受消費者喜愛[1-2]。在中國,苦瓜廣泛分布于廣東、廣西、湖南和海南等地,近年來苦瓜種植面積逐年增加,據(jù)統(tǒng)計,2020年以來,廣東省全年苦瓜種植面積2.7×104hm2以上,海南省種植面積高達(dá)0.6×104hm2,廣西省種植面積超過0.4×104hm2,而湖南省種植面積約 2.3×104hm2,苦瓜已成為瓜類蔬菜中的重要經(jīng)濟(jì)作物之一,具有重要的產(chǎn)業(yè)地位[1-4]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】遺傳多樣性豐富的種質(zhì)資源是種質(zhì)創(chuàng)新的基礎(chǔ),開展資源多樣性分析有助于了解物種的進(jìn)化潛力和遺傳穩(wěn)定性,還有利于優(yōu)異資源的發(fā)掘和多抗品種的選育[5-7]。形態(tài)特征分析和分子標(biāo)記是育種家獲取種質(zhì)資源遺傳差異的重要途徑,InDel[8]、SSR[9-10]、SRAP[10]、ISSR[11]和MSAP[12]等分子標(biāo)記方法雖然操作快速,但不能反映種質(zhì)資源在生物和非生物逆境脅迫方面的特征。因此,目前對苦瓜種質(zhì)資源的鑒定評價仍以形態(tài)特征為主,形態(tài)特征也是苦瓜等農(nóng)作物新品種DUS 測試的重要依據(jù)[13-14]。前人對苦瓜商品瓜品質(zhì)[15-16]、抗病性[17]、耐冷性[18]、耐熱性[19-20]和農(nóng)藝性狀[20-24]等方面做了頗多研究,但往往存在群體相對較小,評價信息不全,研究結(jié)果局限等問題?！颈狙芯壳腥朦c】由于長期馴化和人工栽培,大部分苦瓜栽培品種遺傳多樣性較低,對病蟲害、高溫、低溫等生物和非生物脅迫較敏感,多抗性較差?？喙鲜钱惢ㄊ诜壑参?種間雜交選育優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、多抗新品種是種質(zhì)創(chuàng)新的主要途徑,但遺傳基礎(chǔ)狹窄且性狀不穩(wěn)定,會嚴(yán)重阻礙苦瓜的良種選育。為選育優(yōu)質(zhì)、多抗和高產(chǎn)的苦瓜新品種,篩選優(yōu)異親本成為目前主要目標(biāo)。隨著蔬菜周年化生產(chǎn)的發(fā)展,苦瓜四季種植成為常態(tài),其種質(zhì)資源的類型不斷增加,數(shù)據(jù)收集的工作量也隨之增加。因此,如何在不丟失性狀關(guān)鍵信息的情況下更準(zhǔn)確有效的評價苦瓜種質(zhì)資源至關(guān)重要?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究以85份苦瓜種質(zhì)資源的20個農(nóng)藝性狀為依據(jù),進(jìn)行苦瓜種質(zhì)資源的分析評價,以期明確評價苦瓜種質(zhì)資源的關(guān)鍵性狀指標(biāo),篩選出優(yōu)異苦瓜種質(zhì)資源,為苦瓜種質(zhì)評價和良種選育提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

85份苦瓜材料種植于云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所基地(101°52′9″ E,25°41′56″ N),金沙江干熱河谷典型氣候區(qū),海拔1286 m,土壤肥力中等,土質(zhì)為紅土。2020年和2021年在苦瓜91 d的生育期內(nèi),日均氣溫大于30 ℃的天氣平均有74 d,日均降水量不到5 mm,日最高氣溫大于35 ℃的天氣平均有80 d,其中,日最高氣溫大于40 ℃的天氣平均有51 d。

1.2 試驗材料

供試的85份苦瓜種質(zhì)資源是由云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所提供的高代自交系材料,詳見表1。

表1 85份苦瓜種質(zhì)資源的類型及來源地

續(xù)表1 Continued table 1

1.3 試驗設(shè)計

85份苦瓜材料均于2020年3月21日播種,4月6日定植和2021年3月24日播種,4月9日定植,采用大棚搭架式栽培,雙行種植,每份材料種植12株,行距1.00 m,株距0.50 m,覆蓋地膜,常規(guī)管理,設(shè)3次重復(fù)。

1.4 測定指標(biāo)

2020年和2021年分別測量苦瓜種質(zhì)的34個農(nóng)藝性狀(蔓色、蔓粗、節(jié)長、葉形、葉色、葉片長、葉片寬、葉柄長、株高、分枝、第一雌花節(jié)位、雄花始花期、雌花始花期、雌花節(jié)率、性型、授粉期、瓜形、瓜皮色、瓜瘤類型、棱瘤稀密、瓜瘤大小、近面蒂端瓜面形狀、瓜頂形狀、單瓜重、瓜縱徑、瓜橫徑、畸形瓜數(shù)、單株瓜數(shù)、成熟期、生育期、熟性、單瓜種子數(shù)、種皮色、種子千粒重),通過數(shù)據(jù)一致性檢驗,并結(jié)合實踐工作和前人研究結(jié)果篩選出20個農(nóng)藝性狀用于統(tǒng)計分析,其中18個數(shù)量性狀、2個質(zhì)量性狀[21,25,34],分別為分枝節(jié)率(T1)、第一雌花節(jié)位(T2)、主蔓粗(T3)、節(jié)間長(T4)、葉長(T5)、葉寬(T6)、葉柄長(T7)、株高(T8)、雌花始花期(T9)、雌花率(T10)、授粉期(T11)、棱瘤稀密(T12)、瓜瘤大小(T13)、單瓜重(T14)、商品瓜縱徑(T15)、商品瓜橫徑(T16)、畸形率(T17,瓜形彎曲或瓜瘤分布不均等視為畸形瓜),單株產(chǎn)量(T18)、生育期(T19)、單瓜種子數(shù)(T20),其中分枝節(jié)率(T1)、雌花率(T10)、畸形率(T17)分別按式(1)、(2)、(3)計算。

分枝節(jié)率(%)=主蔓上的側(cè)蔓數(shù)量/主蔓節(jié)位數(shù)×100

(1)

雌花率(%)=主蔓上的雌花數(shù)量/主蔓節(jié)位數(shù)×100

(2)

畸形率(%)=畸形瓜數(shù)/總瓜數(shù)×100

(3)

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

2020年和2021年的調(diào)查數(shù)據(jù)經(jīng)一致性檢驗后以2年數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行分析統(tǒng)計。采用軟件Microsoft Excel 2019 整理并計算85份苦瓜20個指標(biāo)的最大值、最小值、極差、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù),采用變異系數(shù)(Coefficient of variation,CV)表示不同種質(zhì)間性狀值離散特性,評估85份苦瓜材料的遺傳多樣性。采用軟件R語言對85份苦瓜的20個性狀進(jìn)行相關(guān)性分析(Correlation analysis),結(jié)合苦瓜育種實踐工作中高代系材料評價篩選的主要參考指標(biāo),本研究重點分析植株長勢、熟性、雌花率、苦瓜大小、瓜瘤、畸形率和產(chǎn)量等性狀間的相關(guān)性,明確各農(nóng)藝性狀與苦瓜遺傳育種間的關(guān)系。采用軟件R語言對85份苦瓜資源的20個農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分層次聚類分析(Hierarchical clustering on principal components,HCPC),提取特征值大于1的主成分進(jìn)行層次聚類分析,在遺傳距離為7.5時,將85份苦瓜資源劃分類群,提取各類群中每個農(nóng)藝性狀的群內(nèi)平均值(個體均值)和總體均值,對苦瓜種質(zhì)資源進(jìn)行評估與分類。再對每個類群作主成分可視化圖,顯示每個類群中每個個體間的遺傳距離,取每個類群中位于聚類中心處的前5個個體為該類群的最優(yōu)個體,并計算出每個個體與聚類中心之間的遺傳距離,對苦瓜種質(zhì)資源進(jìn)行評價與篩選[5,22,26-30]。

2 結(jié)果與分析

2.1 苦瓜種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀的變異性分析

對85份苦瓜材料的18個數(shù)量性狀作變異性分析可知(表2),18個數(shù)量性狀的變異系數(shù)為7.00%～77.00%,呈現(xiàn)出較大變幅,表明苦瓜類型較豐富。其中,畸形率的變異系數(shù)最大,為77.00%,變異幅度為0～50.45%,表明不同苦瓜材料的畸形率發(fā)生了最廣泛的變異,可選擇的親本范圍最大?；温手苯臃磻?yīng)苦瓜品種的適應(yīng)性差異,品種不同,適應(yīng)能力完全不同。而雌花率的變異系數(shù)為65.00%,變異幅度為2.86%～79.50%,表明雌花率在不同苦瓜資源中的差異較大,樣本包括了全雌系、強(qiáng)雌系和弱雌系的苦瓜品種。第一雌花節(jié)位是衡量苦瓜熟性的重要性狀指標(biāo),其變異系數(shù)為31.00%,變異幅度為6～25節(jié)位,表明參試的85份苦瓜的熟性較豐富,包括早熟、中熟和晚熟類型的苦瓜品種。生育期、雌花始花期和授粉期的變異系數(shù)分別為7.00%、9.00%和8.00%,表明該3個性狀的變異性較小,可相對穩(wěn)定遺傳。綜上所述,本研究中用于變異性分析的農(nóng)藝性狀中,除了生育期、雌花始花期和授粉期外,其余農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)均大于10%,說明85份苦瓜資源間存在很大差異,具有豐富的遺傳多樣性,可用于遺傳育種和種質(zhì)創(chuàng)新。

表2 18個數(shù)量性狀的變異性分析

續(xù)表2 Continued table 2

2.2 苦瓜種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果顯示,各農(nóng)藝性狀間存在復(fù)雜的相關(guān)性(圖1)。其中,株高(T8)與節(jié)間長(T4)、葉長(T5)、單瓜重(T14)呈極顯著正相關(guān),表明植株長勢越旺盛的苦瓜,通常葉片越大,節(jié)間越長,苦瓜越大;第一雌花節(jié)位(T2)與雌花始花期(T9)呈極顯著正相關(guān),與葉長(T5)、授粉期(T11)呈顯著正相關(guān),與雌花率(T10)呈極顯著負(fù)相關(guān),表明越早熟的苦瓜,通常第一雌花節(jié)位越低,開花授粉越早,但雌花率小;瓜瘤大小(T13)與葉長(T5)、葉寬(T6)、主蔓粗(T3)呈極顯著正相關(guān),與節(jié)間長(T4)、授粉期(T11)呈顯著正相關(guān),與畸形率(T17)、棱瘤稀密(T12)呈極顯著負(fù)相關(guān),表明瓜瘤越大的苦瓜,通常棱瘤越稀,植株長勢越旺盛,苦瓜畸形率越小且成熟越晚;單株產(chǎn)量(T18)與商品瓜縱徑(T15)、節(jié)間長(T4)、單瓜重(T14)呈極顯著正相關(guān),與雌花率(T10)呈顯著正相關(guān),與畸形率(T17)呈顯著負(fù)相關(guān),表明產(chǎn)量越高,通?？喙显酱?雌花率越高,畸形率越小。

圖1 20個農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析Fig.1 Correlation analysis of 20 agronomic traits

以上結(jié)果說明苦瓜的各性狀指標(biāo)間均有著不同程度的相關(guān)性,這20個農(nóng)藝性狀可用于苦瓜遺傳育種的資源評價。但各性狀之間存在彼此促進(jìn)或抑制的復(fù)雜關(guān)系,反映的信息出現(xiàn)相互重疊現(xiàn)象,增加了根據(jù)表型特征進(jìn)行苦瓜資源評價的盲目性。為科學(xué)、有效地評價這85份苦瓜資源,需要在此基礎(chǔ)上利用主成分層次聚類分析作進(jìn)一步研究。

2.3 苦瓜種質(zhì)資源的綜合評價

2.3.1 苦瓜種質(zhì)資源的主成分層次聚類分析 相關(guān)性分析結(jié)果顯示,85份苦瓜種質(zhì)的20個農(nóng)藝性狀間存在復(fù)雜的內(nèi)在聯(lián)系,為了解其中可能的遺傳結(jié)構(gòu)作主成分層次聚類分析(表3～4和圖2)。結(jié)果表明,在特征值大于1時,主成分7的累計貢獻(xiàn)率達(dá)71.64%,包含20個農(nóng)藝性狀的絕大部分信息。在此基礎(chǔ)上保留前7個主成分進(jìn)行層次聚類分析,遺傳距離為7.5時可將85份苦瓜資源分為5個類群。

類群Ⅰ有17份苦瓜,主要表現(xiàn)是畸形率(T17)的個體均值為27.39,高于總體均值15.67,棱瘤稀密度(T12)的個體均值為3.30,高于總體均值2.55,且差異極顯著,而分枝節(jié)率(T1)、授粉期(T11)、單瓜重(T14)、主蔓粗(T3)、節(jié)間長(T4)、株高(T8)、葉長(T5)、葉寬(T6)和瓜瘤大小(T13)的個體均值均低于總體均值,且差異顯著,表明類群Ⅰ的典型特征是植株長勢弱,苦瓜小且畸形率高,可視為易畸形類種質(zhì)。

類群Ⅱ有35份苦瓜,主要表現(xiàn)是商品瓜縱徑(T15)的個體均值為23.20,高于總體均值21.79,且差異極顯著,而雌花始花期(T9)、第一雌花節(jié)位(T2)、授粉期(T11)和生育期(T19)的個體均值均低于總體均值,且差異顯著,其中第一雌花節(jié)位和授粉期的個體均值分別為11.32、48.85,總體均值分別為12.64、50.67,表明類群Ⅱ苦瓜的典型特征是苦瓜較長,且早熟,可視為早熟型種質(zhì)。

類群Ⅲ有15份苦瓜,主要表現(xiàn)是第一雌花節(jié)位(T2)、授粉期(T11)、雌花始花期(T9)、生育期(T19)、葉寬(T6)、葉長(T5)和葉炳長(T7)的個體均值均高于總體均值,而單株產(chǎn)量(T18)、單瓜重(T14)和商品瓜縱徑(T15)的個體均值均顯著低于總體均值,且差異顯著。其中第一雌花節(jié)位、授粉期和單株產(chǎn)量的個體均值分別為17.62、55.85、46.51,總體均值分別為12.64、50.67、62.77,表明類群Ⅲ苦瓜的典型特征是晚熟,產(chǎn)量低,可視為晚熟型種質(zhì)。

類群Ⅳ有3份苦瓜,主要表現(xiàn)是生育期(T19)、雌花率(T10)、授粉期(T11)、分枝節(jié)率(T1)和單株產(chǎn)量(T18)的個體均值均顯著高于總體均值,而第一雌花節(jié)位(T2)和單瓜種子數(shù)(T20)的個體均值均顯著低于總體均值,且差異顯著。其中雌花率、單株產(chǎn)量和第一雌花節(jié)位的個體均值分別為71.54、99.67、7.17,總體均值分別為28.60、62.77、12.64,表明類群Ⅳ苦瓜的典型特征是雌花率高,開花早且高產(chǎn),可視為高產(chǎn)強(qiáng)雌系種質(zhì)。

類群Ⅴ有15份苦瓜,主要表現(xiàn)是單瓜重(T14)、商品瓜橫徑(T16)、商品瓜縱徑(T15)、株高(T8)、葉長(T5)、節(jié)間長(T4)、瓜瘤大小(T13)和單株產(chǎn)量(T18)的個體均值均極顯著高于總體均值,而畸形率(T17)、瓜瘤密度和雌花率(T10)的個體均值均顯著低于總體均值,且差異顯著。其中單瓜重、單株產(chǎn)量、畸形率和雌花率的個體均值分別為407.83、79.15、9.29、15.43,總體均值分別為281.90、62.77、15.67、28.60,表明類群Ⅴ苦瓜的典型特征是苦瓜大,畸形率低,植株長勢旺,高產(chǎn)但雌花率偏低,可視為高產(chǎn)型種質(zhì)。

表3 各主成分特征值和貢獻(xiàn)率

圖2 85份苦瓜種質(zhì)的聚類分析Fig.2 Cluster analysis of 85 germplasm resources of bitter gourds

表4 各類群主要農(nóng)藝性狀的比較

續(xù)表4 Continued table 4

2.3.2 苦瓜種質(zhì)資源遺傳距離的計算 基于上述主成分層次聚類分析結(jié)果,對每個聚類作主成分可視化圖,并顯示5個類群中每個個體間的遺傳距離(圖3、表5)。結(jié)果表明,類群Ⅰ中離聚類中心最近的前5個品種有K44、K72、K13、K80、K45,與聚類中心之間的遺傳距離分別為0.37、0.54、0.59、0.73、0.80,可作為該類群的代表品種;類群Ⅱ中離聚類中心最近的前5個品種有K65、K38、K10、K9、K26,離聚類中心的遺傳距離分別為0.29、0.42、0.57、0.59、0.68,可作為該類群的代表品種;類群Ⅲ中離聚類中心最近的前5個品種有K59、K62、K74、K16、K17,與聚類中心之間的遺傳距離分別為1.09、1.79、1.94、1.94、2.10,可作為該類群的代表品種;類群Ⅳ中離聚類中心最近的前3個品種有K43、K83、K24,與聚類中心之間的遺傳距離分別為1.62、1.99、3.33,可作為該類群的代表品種;類群Ⅴ中離聚類中心最近的前5個品種有K37、K30、K28、K84、K2,與聚類中心之間的遺傳距離分別為0.92、0.97、0.97、1.05、1.07,可作為該類群的代表品種。

圖3 5個類群的聚類圖Fig.3 Cluster map of 5 clusters

表5 各類群的代表品種及遺傳距離

3 討 論

科學(xué)客觀地分析評價種質(zhì)資源是種質(zhì)創(chuàng)新的基礎(chǔ)[27,31]。本研究以85份苦瓜連續(xù)2年的20個農(nóng)藝性狀為數(shù)據(jù)依據(jù),保證了數(shù)據(jù)的全面性和穩(wěn)定性。變異性分析表明,除生育期(T19)、雌花始花期(T9)和授粉期(T11)3個農(nóng)藝性狀相對穩(wěn)定遺傳外,其余性狀的變異系數(shù)均大于10.00%,表明苦瓜樣本間遺傳差異較大[32-33],可知這85份苦瓜種質(zhì)資源間的親緣關(guān)系較遠(yuǎn),具有豐富的遺傳多樣性,適合作為種質(zhì)創(chuàng)新的親本材料。相關(guān)性分析結(jié)果顯示,20個農(nóng)藝性狀間的關(guān)聯(lián)較為緊密,彼此間存在相互促進(jìn)或抑制的關(guān)系,且有疊加現(xiàn)象,反映了根據(jù)農(nóng)藝性狀判定苦瓜種質(zhì)遺傳的不可預(yù)知性及復(fù)雜性,從而增加了根據(jù)農(nóng)藝性狀進(jìn)行綜合評價的盲目性。這與李家明等[21]、劉子記等[34]的研究結(jié)果有所不同,可能是由于本試驗樣本數(shù)量較大,測定指標(biāo)較多,且本研究選用了前人文獻(xiàn)中沒有的指標(biāo)(畸形率和雌花率)造成。本研究嘗試將畸形率和雌花率作為苦瓜綜合評價的性狀指標(biāo),發(fā)現(xiàn)畸形率和雌花率對苦瓜綜合評價的影響較大,決定著苦瓜的產(chǎn)量,在一定程度上反映了苦瓜的遺傳潛力和抗逆性,可作為苦瓜資源綜合評價的重要性狀指標(biāo),在今后的育種工作中應(yīng)加以重視。

利用R語言將主成分分析與聚類分析相結(jié)合,基于常規(guī)的種質(zhì)資源綜合評價分析方法加以改進(jìn),對85份苦瓜作進(jìn)一步的評估,提取特征值大于1的主成分進(jìn)行聚類分析,在遺傳距離為7.5時將85份苦瓜分為5個類群,并評估每個類群的典型特征。在此基礎(chǔ)上,分別計算每個類群中每個個體與聚類中心間的遺傳距離,離聚類中心最近的樣本則具有該類群的典型特征,篩選出前5個離聚類中心最近的樣本作為該類群的代表品種,對苦瓜資源進(jìn)行評價。這與張燕等[23]、劉子記等[26]、王心迪[27]的分析方法有所不同。本文在精簡分析步驟的同時降低了數(shù)據(jù)分析的難度,將數(shù)據(jù)分析可視化,更加直接具體的對各類群的種質(zhì)資源作客觀評價,提高了資源評價的效率,更增強(qiáng)了種質(zhì)評價的參考性。

經(jīng)評價分析發(fā)現(xiàn),85份苦瓜含17份易畸形類苦瓜種質(zhì)(類群Ⅰ),35份早熟型苦瓜種質(zhì)(類群Ⅱ),15份晚熟型苦瓜種質(zhì)(類群Ⅲ),3份高產(chǎn)強(qiáng)雌系苦瓜種質(zhì)(類群Ⅳ),15份高產(chǎn)型苦瓜種質(zhì)(類群Ⅴ)。對于性狀表現(xiàn)優(yōu)異的類群Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ,其最優(yōu)個體可直接用作種質(zhì)創(chuàng)新的親本材料進(jìn)行良種選育,而對于性狀表現(xiàn)較差的類群Ⅰ,其最優(yōu)個體可直接淘汰棄用,未篩選到的其余品種將作進(jìn)一步的分離提純再評價,這為今后的育種工作提供了有利參考。

4 結(jié) 論

參試的85份苦瓜種質(zhì)資源類型豐富,親緣關(guān)系較遠(yuǎn),適合作為種質(zhì)創(chuàng)新的親本材料。篩選出的早熟型種質(zhì)K65、K38、K10、K9、K26,可作為早熟型品種的親本選擇;早熟強(qiáng)雌系種質(zhì)K43、K83、K24,可作為早熟高產(chǎn)型品種的親本選擇;高產(chǎn)型種質(zhì)K37、K30、K28、K84、K2,可作為高產(chǎn)型品種的親本選擇;以及晚熟型種質(zhì)K59、K62、K74、K16、K17,可作為晚熟型品種的親本選擇,該18份苦瓜種質(zhì)可作為重要目標(biāo)親本選擇,用于今后的良種選育。而易畸形種質(zhì)K44、K72、K45、K13、K80可淘汰。