萬永輝 阿不都賽買提·艾買提 龔 明 阿巴白克·扎克 阿不都拉·買提肉孜 丁天龍

(新疆維吾爾自治區(qū)和田蠶?？茖W(xué)研究所,新疆和田 848000)

新疆作為“絲綢之路”的重要節(jié)點(diǎn),栽桑養(yǎng)蠶歷史至少有1700多年,形成類型豐富、分布廣泛、獨(dú)具特色的桑樹種質(zhì)資源[1, 2]。種質(zhì)資源是作物遺傳改良和相關(guān)基礎(chǔ)研究的物質(zhì)基礎(chǔ)。擁有作物種質(zhì)資源的數(shù)量和質(zhì)量,以及其研究和利用的深度和廣度,直接影響到現(xiàn)代種業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,種質(zhì)資源保護(hù)和利用已日益成為世界各國驅(qū)動農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新的重要部分[3]。根據(jù)FAO(1996)的統(tǒng)計資料世界范圍內(nèi)作物種質(zhì)資源收集品已達(dá)740萬份[4]。種質(zhì)資源數(shù)量及資源庫容量的不斷增大給保存、評價、研究和利用帶來了眾多困難[5]。Frankel首次提出核心庫(Core Collection)概念,即能代表一個作物種的遺傳多樣性,且具有最小樣品重復(fù)的物種子集[6],此后核心種質(zhì)的概念不斷得到完善和發(fā)展。核心種質(zhì)概念的提出使種質(zhì)資源的研究有了方向和重點(diǎn),為種質(zhì)資源的利用創(chuàng)造了基礎(chǔ)[7]。

本研究以新疆維吾爾自治區(qū)和田蠶?？茖W(xué)研究所種質(zhì)資源圃內(nèi)收集保存的652份桑種質(zhì)資源為試驗(yàn)材料,基于表型數(shù)據(jù)進(jìn)行遺傳多樣性分析和核心種質(zhì)的構(gòu)建,并對不同方法構(gòu)建的核心種質(zhì)代表性進(jìn)行評價,最終確定選出核心種質(zhì),旨在為新疆桑樹種質(zhì)資源收集保存、評價鑒定及創(chuàng)新利用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

從新疆維吾爾自治區(qū)和田蠶?？茖W(xué)研所桑樹種質(zhì)資源圃中挑選652份桑種質(zhì)作為初級核心種質(zhì)構(gòu)建的原始樣品集,來自國內(nèi)種質(zhì)資源603份,其中新疆432份、四川58份、浙江43份、山東17份、黑龍江14份、陜西8份、貴州7份、河北5份、江蘇5份、湖北4份、重慶3份、安徽2份、吉林2份、山西2份、廣西1份;來自國外種質(zhì)資源49份,其中烏茲別克30份、日本16份、朝鮮3份。種質(zhì)資源圃種植株距為1 m,行距為1.5 m,樹齡為8 a。

1.2 方法

1.2.1 數(shù)據(jù)調(diào)查與整理

參照《農(nóng)作物種質(zhì)資源鑒定技術(shù)規(guī)程 桑樹》[8]調(diào)查652份桑種質(zhì)11個表型性狀,其中種質(zhì)類型、花性為質(zhì)量性狀;發(fā)芽期采取按天調(diào)查的方式,轉(zhuǎn)化成質(zhì)量性狀;一年生枝條長度難以精確測量,按照枝條的長短分為3級,轉(zhuǎn)化成質(zhì)量性狀處理;質(zhì)量性狀的標(biāo)準(zhǔn)化見表1。葉長、葉幅、節(jié)間長度、發(fā)芽率、生長芽率、春季米條葉產(chǎn)量和秋季米條葉產(chǎn)量為數(shù)量性狀,分別用直尺和天平測定。

表1 桑種質(zhì)質(zhì)量性狀賦值

1.2.2 遺傳多樣性分析

遺傳多樣性指數(shù)H'=-∑(Pi)(lnPi),式中Pi為某個性狀中第i個級別的材料占總樣本的百分比。參照芮文婧等[9]、鄭福順等[10]和王振江等[11]的方法,基于平均值和標(biāo)準(zhǔn)差對所有種質(zhì)每個數(shù)量性狀劃分等級,每0.5σ(標(biāo)準(zhǔn)差)為一個等級,共劃分成10級。

1.2.3 數(shù)量性狀相關(guān)性分析

選取枝條長度、葉長、葉幅、節(jié)間長度、發(fā)芽率、生長芽率、春季米條葉產(chǎn)量和秋季米條葉產(chǎn)量為數(shù)量性狀8個性狀進(jìn)行相關(guān)性分析。

1.2.4 表型性狀主成分分析

對652份桑樹種質(zhì)資源的種質(zhì)類型、花性、發(fā)芽期、節(jié)間長度、葉長、葉幅、枝條長度、發(fā)芽率、生長芽率、春季米條產(chǎn)葉量和秋季米條產(chǎn)葉量11個性狀進(jìn)行主成分分析。

1.2.5 核心種質(zhì)構(gòu)建

利用QGA Station 2.0軟件,采用歐氏距離計算遺傳距離,利用不加權(quán)類平均法(unweighted pair-group method with arithmetic means,UPGMA)進(jìn)行聚類,并分別選用隨機(jī)取樣法、優(yōu)先取樣法和偏離度取樣法進(jìn)行取樣,取樣比例為25%,以構(gòu)建核心種質(zhì)。

1.2.6 核心種質(zhì)代表性評價

參考章秋平等[12]和劉遵春[13]等的方法,構(gòu)建的核心種質(zhì)須同時符合2個條件:1)均值同原始種質(zhì)資源群體存在顯著差異(α=0.05)的性狀占全部性狀的百分?jǐn)?shù)小于或等于20%;2)核心種質(zhì)和原始種質(zhì)資源群體的極差符合率不低于80%。利用極差符合率、變異系數(shù)變化率、均值差異百分率、方差差異百分率對核心種質(zhì)的代表性進(jìn)行評價。利用均值t檢驗(yàn)對原群體和核心種質(zhì)表型性狀均值間是否有顯著性差異進(jìn)行檢驗(yàn),利用方差F檢驗(yàn)分析兩者表型性狀變異的同質(zhì)性。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)整理,使用SAS 9.4進(jìn)行相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析,使用Origin 2022繪制聚類圖,使用QGA Station 2.0抽取核心種質(zhì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 桑樹種質(zhì)遺傳多樣性分析

2.1.1 質(zhì)量性狀遺傳多樣性分析

652份桑樹種質(zhì)資源4個質(zhì)量性狀遺傳多樣性見表2。4個質(zhì)量性狀共計14個變異類型,各類型表現(xiàn)出不同的分布頻率。遺傳多樣性指數(shù)分布在0.71～1.18之間?；ㄐ赃z傳多樣性指數(shù)(H')最小為0.71,雌花分布頻率最大為75.61%,雌雄同株分布頻率最小為8.13%。發(fā)芽期遺傳多樣性指數(shù)(H')最大為1.18,4月11日～13日發(fā)芽的種質(zhì)數(shù)量最多,分布頻率為56.14%,4月17日～19日發(fā)芽的種質(zhì)數(shù)量最小,分布頻率為2.91%。種質(zhì)類型遺傳多樣性指數(shù)為0.82,以野生型為主,分布頻率為65.34%,其次為栽培品種,分布頻率為27.91%,品系數(shù)量最小,分布頻率為6.75%。枝條長度遺傳多樣性指數(shù)為0.77,以長枝條類型為主分布頻率為70.86%,短枝條類型數(shù)量最小,為7.82%。

表2 桑種質(zhì)質(zhì)量性狀遺傳多樣性分析

2.1.2 數(shù)量性狀遺傳多樣性分析

652個桑樹種質(zhì)數(shù)量性狀遺傳多樣性見表3。7個數(shù)量性狀變異系數(shù)在16.36%～53.49%之間,其中發(fā)芽率變異系數(shù)最小為16.36%,秋季米條產(chǎn)葉量變異系數(shù)最大,達(dá)到53.49%。7個數(shù)量性狀遺傳多樣性指數(shù)(H')在1.82～2.03之間,其中秋季米條產(chǎn)葉量遺傳多樣性指數(shù)(H')最小,為1.82,葉長遺傳多樣性指數(shù)(H')最大,達(dá)到2.03。由此可見,供試的 652個桑樹種質(zhì)材料具有豐富的遺傳多樣性,是重要的種質(zhì)資源。

表3 652份桑種質(zhì)資源數(shù)量性狀遺傳多樣性分析

2.1.3 數(shù)量相關(guān)性分析

652份桑樹種質(zhì)材料9個數(shù)量性狀相關(guān)分析見表4。發(fā)芽期與葉長、葉幅、春季米條產(chǎn)葉量、秋季米條產(chǎn)葉量呈極顯著正相關(guān),與生長芽率極顯著負(fù)相關(guān)。節(jié)距與葉長、葉幅、枝條長度、秋季米條產(chǎn)葉量成極顯著正相關(guān),與生長芽率成顯著負(fù)相關(guān)。葉長與葉幅、春季米條產(chǎn)葉量和秋季米條產(chǎn)葉量成極顯著正相關(guān),與發(fā)芽率和生長芽率呈極顯著負(fù)相關(guān)。葉幅與春季米條產(chǎn)葉量和秋季米條產(chǎn)葉量呈極顯著正相關(guān),與發(fā)芽率和生長芽率成極顯著負(fù)相關(guān)。枝條長度與發(fā)芽率和生長芽率成顯著負(fù)相關(guān)。發(fā)芽率與生長芽率成極顯著正相關(guān),與秋季米條產(chǎn)葉量呈極顯著負(fù)相關(guān)。生長芽率與秋季米條產(chǎn)葉量呈極顯著負(fù)相關(guān)。春季米條產(chǎn)葉量和秋季米條產(chǎn)葉量呈極限顯著正相關(guān)。

表4 652份桑樹種質(zhì)數(shù)量性狀相關(guān)性分析

2.1.4 表型性狀的主成分分析

652份桑樹種質(zhì)材料11個性狀主成分分析結(jié)果見表5。前4個主成分特征值大于1,方差貢獻(xiàn)率達(dá)69.103%,包含了11個性狀的絕大部分信息,表明這4個主成分能代表11個表型性狀的遺傳信息。其中,第一主成分特征值3.528,方差貢獻(xiàn)率為32.069%,主要代表為葉長、葉幅,特征向量值在0.8以上,這一主成分主要與桑樹葉片大小有關(guān)。第二主成分特征值為1.693,方差貢獻(xiàn)率為15.395%,主要代表為發(fā)芽率和生長芽率,特征向量值均在0.7以上,這一主成分主要與桑樹物候特征有關(guān)。第三主成分特征值1.246,方差貢獻(xiàn)率為12.325%,主要代表為節(jié)距和枝條長度,特征向量值均超過0.7主要與枝條形態(tài)相關(guān)。第四主成分特征值為1.135,方差貢獻(xiàn)率為10.314%,主要代表為花性,特征向量值為0.766。

表5 652份桑樹種質(zhì)資源表型性狀主成分分析

2.1.5 桑樹種質(zhì)表型形狀聚類分析

使用SAS 9.4軟件中的CLUSTER過程進(jìn)行層次聚類分析,在分類數(shù)為7的條件下CCC值(立方聚類條件值)達(dá)到峰值為-14,偽F統(tǒng)計量達(dá)到峰值為346,偽t方值達(dá)到最小值為29.6,R方值等于0.763,半偏R方值等于0.0063。因此,將652份桑種質(zhì)劃分成7類,此時聚類之間的平均距離為0.730。聚類結(jié)果見圖1。

圖1 652份桑種質(zhì)資源聚類分析

第I類包含229個種質(zhì),主要表現(xiàn)為發(fā)芽期、節(jié)間長度、葉長、葉幅、條長、發(fā)芽率、生長芽率、春季米條產(chǎn)葉量和秋季米條產(chǎn)葉量與群體平均值相近。

第II類包含119個種質(zhì),主要表現(xiàn)為發(fā)芽期、節(jié)間長度、葉長、葉幅、條長與群體平均值相近,發(fā)芽率和生長芽率較低,春季米條產(chǎn)葉量較低,秋季米條產(chǎn)葉量較高,秋季米條產(chǎn)葉量高于春季米條產(chǎn)葉量。

第III類包含234個種質(zhì),主要表現(xiàn)為發(fā)芽期較早,節(jié)長度較短,葉長和葉幅較短,條長與群體平均值相近,發(fā)芽率和生長芽率高于群體平均值,春季米條產(chǎn)葉量和秋季米條產(chǎn)葉量均較低。

第IV類包含26個種質(zhì),表現(xiàn)為發(fā)芽期較晚,節(jié)間長度較長,葉長和葉幅較大,枝條長度和群體平均值相近,發(fā)芽率和生長芽率與群體平均值相近,春季米條產(chǎn)葉量較高,秋季米條產(chǎn)葉量與群體平均值相近。

第V類包含7個種質(zhì),均開雌花,表現(xiàn)為發(fā)芽期較晚,節(jié)間長度較長,葉長和葉幅較大,枝條長度較長,發(fā)芽率和生長芽率與群體平均值接近,春季米條產(chǎn)葉量在7個群體中最高,秋季米條產(chǎn)業(yè)量與群體平均值相近。

第VI類包含13個種質(zhì),均為栽培種和品系,表現(xiàn)為發(fā)芽期較晚,節(jié)間長度與群體平均值相近,葉長和葉幅較大,枝條長度較小,發(fā)芽率和生長芽率較低,春季米條產(chǎn)葉量和秋季米條產(chǎn)業(yè)量均較高。

第VII類包含24個種質(zhì),表現(xiàn)為發(fā)芽期較晚,節(jié)間長度較大,葉長和葉幅較大,枝條長度較小,發(fā)芽率和生長芽率較低,春季米條產(chǎn)葉量和秋季米條產(chǎn)業(yè)量均高于群體平均值,春季米條產(chǎn)葉量和秋季米條產(chǎn)葉量相近。

2.2 核心種質(zhì)的構(gòu)建與評價

使用QGA Station軟件,采用歐式距離計算遺傳距離,利用不加權(quán)平均數(shù)法(UPGMA)進(jìn)行聚類分析,取樣比例設(shè)為25%,分別采用隨機(jī)取樣法、優(yōu)先取樣法和偏離取樣法取樣,[14-17]構(gòu)建3組核心種質(zhì)R1、P1和D1,各核心種質(zhì)材料信息見表6。在原群體中栽培種為182份,占群體27.91%;品系為44份,占群體的6.75%;野生種為426份,占群體的65.34%。

表6 原群體與各核心種質(zhì)材料信息表

在R1核心種質(zhì)中栽培種為58份,占群體的35.58%;品系為15份,占群體的9.20%;野生種為90份,占群體的55.21%。在P1核心種質(zhì)中栽培種為60份,占群體36.81%;品系為16份,占群體的9.82%;野生種為87份,占群體的53.37%。在D1核心種質(zhì)中栽培種為46份,占群體28.22%;品系為15份,占群體的9.20%;野生種為102份,占群體的62.58%。

核心種質(zhì)與原群體差異百分率見表7。與原群體相比,核心種質(zhì)R1和P1均值差異百分率均大于20%,分別為54.55%和45.45%,D1均值差異百分率為18.18%,小于20%。三者極差符合率均大80%,分別為98.92%、100.00%和99.37%。表明D1符合構(gòu)建核心種質(zhì)的原則,具有原種質(zhì)資源的代表性,能夠較好地反映出原種質(zhì)群體的遺傳多樣性。

表7 核心種質(zhì)與原群體差異百分率

利用t檢驗(yàn)檢驗(yàn)核心種質(zhì)與原群體表型性狀均值之間是否存在顯著性差異,利用方差F檢驗(yàn)分析兩者表型性狀變異是否同質(zhì)。構(gòu)建的3組核心種質(zhì)與原群體的均值、方差差異比較見表8。R1有2個指標(biāo)與均值與原群體存在顯著性差異,有4個指標(biāo)均值與原群體存在極顯著性差異。P1有3個指標(biāo)均值與原群體存在顯著性差異,有2個指標(biāo)均值與原群體存在極限性差異。D1只有2個指標(biāo)均值與原群體存在極顯著性差異。表明R1和P1獲得了更大的變異性,而D1變異較小。除秋季米條產(chǎn)葉量外,R1、P1和D1的變異系數(shù)均大于原群體,表明所構(gòu)建的3組核心種質(zhì)具有良好的異質(zhì)性。

表8 核心種質(zhì)與原群體的差異性比較

3 討 論

我國幅員遼闊,地勢復(fù)雜,生態(tài)各異,栽桑歷史悠久,在長期自然和人工選擇下形成極為豐富的種質(zhì)資源[18,19]。據(jù)不完全統(tǒng)計,全國保存的各類桑樹種質(zhì)資源超過3000份[20],保存桑種質(zhì)資源數(shù)量居世界之首[21]。開展桑樹種質(zhì)資源遺傳多樣性研究,對種質(zhì)親緣關(guān)系鑒定、保存、利用、核心種質(zhì)的構(gòu)建、評價及桑樹育種都具有重要的實(shí)用價值和理論意義[22]。王振江等[11]基于 8 個農(nóng)藝性狀對 569 份桑種質(zhì)進(jìn)行了遺傳多樣性分析,將569 份桑樹種質(zhì)資源進(jìn)劃分為 5 個類群,不同類群間則具有明顯差異。本研究基于表型指標(biāo)采用相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析對652份桑種質(zhì)遺傳多樣性進(jìn)行研究,結(jié)果表明652份桑種質(zhì)具有豐富的遺傳多樣性,可以作為遺傳研究的試驗(yàn)材料。

豐富的遺傳資源為遺傳研究及育種工作提供了大量的材料,然而,如此眾多的資源給保存、評價、鑒定及創(chuàng)新利用帶來了困難,構(gòu)建核心種質(zhì)是解決這一問題的有效措施之一[23]。曾欽朦等[24]以245份貴州核桃種質(zhì)資源為試材,基于13個數(shù)量性狀數(shù)據(jù),采用隨機(jī)取樣策略、偏離度取樣策略和位點(diǎn)優(yōu)先取樣策略,結(jié)合8個取樣比例(5%、15%、20%、25%、25%、30%、40%、50%),進(jìn)行多次聚類構(gòu)建核心種質(zhì)。結(jié)果表明,取樣比例設(shè)置為50%,采用偏離度取樣策略構(gòu)建的核心種質(zhì)最具代表性。劉闖萍等[25]利用156份山葡萄種質(zhì)資源采用采集地分組-花型分組-聚類-分組法構(gòu)建核心種質(zhì),核心種質(zhì)包含48份材料,較好地代表了總體樣本的遺傳變異。章秋平等[12]以447份普通杏為供試材料,基于40個農(nóng)藝性狀,設(shè)置取樣比例為25%,采用逐步聚類隨機(jī)取樣法、最小距離逐步取樣法和優(yōu)化LDSS法構(gòu)建核心種質(zhì),結(jié)果顯示優(yōu)化后的ILDSS法構(gòu)建出的核心種質(zhì)最具代表性。劉娟等[26]以135份新疆野杏株系為試材,根據(jù)35個表型性狀的遺傳多樣性,采用逐步聚類法,以25%的取樣比例為例,通過3種取樣策略、2種遺傳距離和4種系統(tǒng)聚類方法相互組合構(gòu)建了24個核心種質(zhì),并對核心種質(zhì)的代表性進(jìn)行了評價。結(jié)果表明,取樣比例為25%時,采用優(yōu)先取樣策略,使用歐氏距離和離差平方和法進(jìn)行逐步聚類構(gòu)建的核心種質(zhì)最有代表性,是構(gòu)建新疆野杏核心種質(zhì)的較好方法。本研究樣本容量為652份,根據(jù)前人的研究經(jīng)驗(yàn)將取樣比例設(shè)置為25%,利用不加權(quán)類平均法(unweighted pair-group method with arithmetic means,UPGMA)進(jìn)行聚類,并分別選用隨機(jī)取樣法、優(yōu)先取樣法和偏離度取樣法進(jìn)行取樣,成功構(gòu)建出3組核心種質(zhì)。

利用表型數(shù)據(jù)構(gòu)建核心種質(zhì)是一種較為成熟的方法,可以極大地減輕工作量。但表型性狀較易受環(huán)境因素的影響,無法準(zhǔn)確地表現(xiàn)出基因水平上的差異。目前,利用分子標(biāo)記技術(shù)構(gòu)建核心種質(zhì)是研究熱點(diǎn),如利用SSR、ISSR、SNP等分子標(biāo)記方法成功構(gòu)建了山核桃[27]、新疆野杏[28]、荔枝[29]等園林作物核心種質(zhì)。我們下一步擬利用分子標(biāo)記與農(nóng)藝性狀相結(jié)合構(gòu)建桑核心種質(zhì),為特異種質(zhì)挖掘和品種改良提供參考依據(jù)。

4 結(jié) 論

本研究以652份桑樹種質(zhì)為供試材料,通過相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析,發(fā)現(xiàn)該 652份桑種質(zhì)資源具有豐富的遺傳多樣性。以 25%為取樣比例,分別采用隨機(jī)取樣法、優(yōu)先取樣法和偏離取樣法進(jìn)行取樣,成功構(gòu)建出3組核心種質(zhì)R1、P1和D1,其中D1符合構(gòu)建核心種質(zhì)的原則,具有原種質(zhì)資源的代表性,能夠較好地反映出原種質(zhì)群體的遺傳多樣性。