王芝懿 李振芳 彭嬋 陳英 張新葉

(湖北省林業(yè)科學(xué)研究院，武漢，430075) (南京林業(yè)大學(xué)) (湖北省林業(yè)科學(xué)研究院)

紫薇(Lagerstroemiaindica)是千屈菜科(Lythraceae)紫薇屬(LagerstroemiaLinn.)落葉灌木或小喬木,品種較多,花色艷麗,有“滿堂紅”之稱[1-2]。紫薇花期較長,一般在6—9月份,是夏季重要的觀賞植物[3]。在我國,紫薇不僅資源豐富,而且具有較高的觀賞價(jià)值,廣受人們喜愛,因此對于紫薇資源的保護(hù)、育種和相關(guān)研究具有十分重要的意義和價(jià)值。

遺傳多樣性分析是種質(zhì)資源研究的主要內(nèi)容之一[4]。各物種遺傳多樣性研究可通過分子標(biāo)記數(shù)據(jù)和表型性狀指標(biāo)兩種方式進(jìn)行分析評價(jià)。依據(jù)分子標(biāo)記進(jìn)行遺傳多樣性分析的優(yōu)點(diǎn)在于,其可大大減少環(huán)境因素影響,穩(wěn)定性較強(qiáng)[5],通過SSR分子標(biāo)記[6]、SNP標(biāo)記[4]、ISSR分子標(biāo)記[7]等方法均可對紫薇進(jìn)行遺傳多樣性研究分析,鑒定種間親緣關(guān)系等。而表型性狀則可更加直接的觀察、統(tǒng)計(jì)、分析,進(jìn)而結(jié)合統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評價(jià)[8]。根據(jù)表型性狀指標(biāo)來檢測物種遺傳變異性是最為直觀、最易操作的方法,目前在甜菜[9]、白木香[10]、油茶[11]、櫻花[12]等物種中均有采用表型性狀進(jìn)行遺傳多樣性分析的研究。于紫薇而言,主要是對其形態(tài)特征、生物學(xué)特性、觀賞性狀及抗性進(jìn)行種質(zhì)資源的評價(jià)。現(xiàn)有關(guān)紫薇表型性狀的研究主要包括：王業(yè)社[13]等人對111個(gè)紫薇品種進(jìn)行了表型性狀的調(diào)查分析,結(jié)果顯示紫薇的表型遺傳多樣性大;張鴿香[14]等人對南京及常州地區(qū)的紫薇種質(zhì)進(jìn)行了表型性狀的統(tǒng)計(jì)調(diào)查,研究表明共記錄了65個(gè)品種;陳發(fā)軍[15]等人對紫薇的花、葉、果物候特征進(jìn)行了綜合分析及評價(jià)。依據(jù)不同表現(xiàn)性狀,學(xué)者們也發(fā)布了不同紫薇新品種,并進(jìn)行推廣栽培[16-20]。

本研究通過對187份紫薇種質(zhì)的13個(gè)表型性狀進(jìn)行變異系數(shù)分析、遺傳多樣性分析和相關(guān)性分析等研究,以揭示其表型遺傳多樣性,為紫薇種質(zhì)資源的開發(fā)、利用和選育提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

本研究材料為種植于武漢九峰國家長期試驗(yàn)基地的187份紫薇種質(zhì),包括從美國引進(jìn)的90份種質(zhì)和從國內(nèi)收集的97份種質(zhì)。

測量方法及指標(biāo)參考《植物新品種特異性、一致性、穩(wěn)定性測試指南紫薇》[21],選取著花數(shù)(S1)、花序長(S2)、花序?qū)?S3)、花瓣數(shù)(S4)、花徑大小(S5)、葉片長(S6)、葉片寬(S7)、當(dāng)年生梢長(S8)、當(dāng)年生梢節(jié)間數(shù)(S9)、花香味(S10)、抗白粉病害能力(S11)、抗象甲蟲害能力(S12)、花色(S13)等13個(gè)表型性狀進(jìn)行觀測和統(tǒng)計(jì)。其中對花香味、抗病蟲害能力的質(zhì)量性狀進(jìn)行賦值表示(表1),花色用RHS植物比色卡比色觀測。

表1 質(zhì)量性狀測定標(biāo)準(zhǔn)

通過Excel 2021對各性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,并計(jì)算各性狀變異系數(shù)和遺傳多樣性指數(shù)。其中變異系數(shù)=(標(biāo)準(zhǔn)偏差/平均值)×100%[22],遺傳多樣性指數(shù)=-∑PilnPi[23-24],Pi為材料中第i種個(gè)體占總材料的比例。再利用SPSS 24.0軟件對紫薇性狀進(jìn)行主成分分析、相關(guān)性分析和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 表型性狀遺傳多樣性

通過對不同種質(zhì)資源的表型性狀觀測,可對其遺傳多樣性變異水平有直觀的了解[25]。遺傳多樣性指數(shù)是度量性狀遺傳多樣性水平的測度,其指數(shù)值越大說明該性狀遺傳多樣性越豐富[26]。變異系數(shù)是反映數(shù)據(jù)離散程度的絕對值,變異系數(shù)越大說明該性狀在不同個(gè)體間的變異程度越大[27-28]。

本研究通過對187份紫薇種質(zhì)資源9個(gè)數(shù)量性狀和4個(gè)質(zhì)量性狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果表明(表2)：9個(gè)數(shù)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)在0.38～2.09,花瓣數(shù)遺傳多樣性指數(shù)最小為0.38,大部分紫薇花瓣數(shù)為6枚,極少花朵花瓣數(shù)為5枚,說明紫薇種質(zhì)花瓣數(shù)的表型遺傳多樣性較小,其遺傳變化不大。花序長遺傳多樣性指數(shù)最大為2.09,最大花序長為32.60 cm,最小花序長為6.60 cm,表明紫薇種質(zhì)的花序長表型遺傳多樣性較為豐富。9個(gè)數(shù)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)由大到小排序?yàn)椋夯ㄐ蜷L(S2)、著花數(shù)(S1)、花序?qū)?S3)、葉寬(S7)、葉長(S6)、花徑(S5)、當(dāng)年生梢節(jié)間數(shù)(S9)、當(dāng)年生梢長(S8)、花瓣數(shù)(S4),各性狀的平均遺傳多樣性指數(shù)為1.84。9個(gè)數(shù)量性狀的變異系數(shù)范圍位于2.31%～42.27%,變異系數(shù)最大的為著花數(shù),最小的為花瓣數(shù),其中花瓣數(shù)的變異系數(shù)小于10%,說明花瓣數(shù)的變異程度較小,其余性狀的變異系數(shù)均大于10%,說明紫薇的其余8個(gè)性狀在個(gè)體間變異程度較大。9個(gè)數(shù)量性狀的變異系數(shù)由大到小排序?yàn)椋褐〝?shù)(S4)、當(dāng)年生梢長(S8)、當(dāng)年生梢節(jié)間數(shù)(S9)、花序長(S2)、花序?qū)?S3)、葉長(S6)、葉寬(S7)、花徑(S5)、花瓣數(shù)(S4),各性狀的平均變異系數(shù)為23.97%。

表2 紫薇9個(gè)數(shù)量性狀遺傳多樣性

對紫薇種質(zhì)的4個(gè)質(zhì)量性狀進(jìn)行遺傳多樣性分析,由表3可知,遺傳多樣性指數(shù)范圍為0.092～3.489,花色的遺傳多樣性最大,其中花色為紫紅色的最多,占比為64.7%?；ㄏ阄兜倪z傳多樣性最小,其中無香味個(gè)體較多,占比為98.4%。參試紫薇樣品中,均有白粉病和象甲蟲害,其中病害程度占整株材料0～10%的有91.4%,蟲害程度在0～10%的有79.1%。質(zhì)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)由大到小排序?yàn)椋夯ㄉ?S13)、象甲蟲害(S12)、白粉病(S11)、花香味(S10)。

表3 紫薇4個(gè)質(zhì)量性狀遺傳多樣性

2.2 紫薇種質(zhì)資源數(shù)量性狀相關(guān)性

相關(guān)性分析是衡量兩個(gè)性狀間的密切程度。通過對紫薇種質(zhì)資源9個(gè)數(shù)量性狀的相關(guān)性分析,結(jié)果表明(表4),各數(shù)量性狀間有24對性狀存在顯著或者極顯著相關(guān)性,其余性狀間也存在不同程度的相關(guān)性。著花數(shù)與花序長寬、葉長寬、當(dāng)年生梢長存在極顯著正相關(guān),與花徑和當(dāng)年生梢節(jié)間數(shù)存在顯著正相關(guān);花序長與花序?qū)挕⒒◤?、葉長寬、當(dāng)年生梢長存在極顯著正相關(guān);花序?qū)捙c花徑、葉長寬、當(dāng)年生梢長存在極顯著正相關(guān),與當(dāng)年生梢節(jié)間數(shù)存在顯著正相關(guān);花瓣數(shù)與花徑存在極顯著正相關(guān),與葉長呈顯著負(fù)相關(guān);花徑與葉長存在顯著負(fù)相關(guān);葉長與葉寬和當(dāng)年生梢長呈極顯著正相關(guān);葉寬與當(dāng)年生梢長呈極顯著正相關(guān);當(dāng)年生梢長與當(dāng)年生梢節(jié)間數(shù)呈極顯著正相關(guān)。

表4 紫薇數(shù)量性狀的相關(guān)性

2.3 主成分分析

對參試紫薇材料9個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行主成分分析,取特征值大于1.0的前3個(gè)主成分,由表5可知,3個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率分別為38.483%、18.383%和17.821%,累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)74.687%。第1主成分特征值為3.464,其中特征向量值大于0.70的有著花數(shù)、花序長、花序?qū)捄腿~片寬4個(gè)表型性狀,主要反映了紫薇著花數(shù)、花序大小及葉寬的表型性狀;第2主成分特征值為1.654,特征向量絕對值較大的為花徑的特征向量0.604,反映的是紫薇花的大小;第3主成分特征值為1.604,其中特征向量絕對值較大的為當(dāng)年生梢長和當(dāng)年生梢節(jié)間數(shù),分別為0.701和0.533,反映了紫薇當(dāng)年生的樹梢長度。綜合特征值和貢獻(xiàn)率可知,著花數(shù)、花序長寬、葉片寬、花徑大小、當(dāng)年生梢長和當(dāng)年生梢節(jié)間數(shù)是紫薇種質(zhì)表型差異的主要原因。

表5 紫薇數(shù)量性狀主成分分析結(jié)果

2.4 聚類分析

通過對紫薇種質(zhì)9個(gè)數(shù)量表型性狀的聚類分析(圖1),發(fā)現(xiàn)在歐氏遺傳距離為15.0時(shí)可根據(jù)著花數(shù)多少、花序大小、花大小、葉長寬及新梢長短等性狀將紫薇分為3類,第1類(Ⅰ)包含156個(gè)紫薇種質(zhì),平均著花數(shù)較少為67.61個(gè),花序較小,平均花序長寬為19.61和16.61 cm,花較大,平均花徑為3.94 cm,葉片較小,平均葉長葉寬為5.00和2.99 cm,當(dāng)年生新梢較短,平均為34.17 cm;第2類(Ⅱ)包含了30個(gè)紫薇種質(zhì),平均著花數(shù)多為130.96個(gè),花序大,平均花序長寬為24.82和20.43 cm,花較小,平均花徑為3.86 cm,葉片大,平均葉長葉寬為5.58和3.32 cm,當(dāng)年生新梢長,平均為40.33 cm;第3類(Ⅲ)只有1個(gè)種質(zhì),為湖北野生紫薇。在歐氏遺傳距離為10.0時(shí)可進(jìn)一步分為6個(gè)亞類：Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅱ-1、Ⅱ-2和Ⅲ。其表型特征如表6所示,在Ⅰ-1中75份種質(zhì)平均花徑最大,其余8個(gè)表型性狀均屬于中間大小;Ⅰ-2中有80份種質(zhì),其花徑、葉片大小、當(dāng)年生新梢和梢上節(jié)間數(shù)最小;Ⅰ-3中只有1份種質(zhì);Ⅱ-1中種質(zhì)特征是平均著花數(shù)大,是6亞類中最大的;Ⅱ-2中主要性狀特征為其平均花徑小;Ⅲ中只有一份種質(zhì),其當(dāng)年生梢和梢上節(jié)間數(shù)較大。

圖1 紫薇表型性狀聚類圖

3 結(jié)論與討論

遺傳多樣性可為種質(zhì)資源的利用、保護(hù)和評價(jià)提供必要信息[29],而表型性狀正是內(nèi)外部環(huán)境對物種綜合影響下的直觀表現(xiàn)[24,30],其中表型的遺傳多樣性指數(shù)和變異系數(shù)可有效描述品種的變異程度[31]。本研究通過對187份紫薇種質(zhì)資源的著花數(shù)、花序長、花序?qū)?、花瓣?shù)、花徑大小、葉片長、葉片寬、當(dāng)年生梢長、當(dāng)年生梢節(jié)間數(shù)、花香味、抗白粉病害能力、抗象甲蟲害能力、花色等13個(gè)表型性狀進(jìn)行觀測、統(tǒng)計(jì)和遺傳多樣性分析,發(fā)現(xiàn)本研究觀測的紫薇種質(zhì)表型性狀具有豐富的遺傳多樣性和變異度。其表型平均遺傳多樣性指數(shù)為1.84,比王業(yè)社[13]等人的研究結(jié)果0.707更加豐富,數(shù)量性狀中著花數(shù)遺傳多樣性最大,說明紫薇著花數(shù)在遺傳過程中較為豐富,而花瓣數(shù)的遺傳多樣性最小,說明紫薇花瓣數(shù)變異較小;質(zhì)量性狀中花色的遺傳多樣性指數(shù)最大,花香味的遺傳多樣性指數(shù)最小,說明紫薇花色變化較為豐富。變異系數(shù)在0～15%時(shí)表示遺傳變異度較小,變異系數(shù)在15%～30%時(shí)表示遺傳變異度中等,變異系數(shù)大于30%時(shí)分別表示遺傳變異度較大[32]。本研究紫薇變異系數(shù)范圍在2.31%～42.27%,平均變異系數(shù)為23.97%,除花瓣數(shù)的變異程度較小,其余表型性狀變異程度均為中等或較大,說明該性狀具有較豐富的優(yōu)良遺傳潛力,這與楊彥伶[33]等的研究結(jié)果不一致,但差異不大,可能與材料選取不同有關(guān),總體變異程度結(jié)果一致。結(jié)合數(shù)量性狀和質(zhì)量性狀綜合分析,數(shù)量性狀的遺傳多樣性大于質(zhì)量性狀,這與大多物種研究結(jié)果相同,如孫佩[22]等人在對119份月季的表型性狀研究結(jié)果中顯示,其數(shù)量性狀的遺傳多樣性總體大于質(zhì)量性狀的遺傳多樣性;王業(yè)社[13]等在對111個(gè)紫薇品種進(jìn)行表型多樣性分析后得出其數(shù)量性狀多樣性大于質(zhì)量性狀多樣性;張葉[23]等人在77份文心蘭種質(zhì)表型研究方面也得出相同結(jié)論。本研究除花瓣數(shù)和花色性狀外,花瓣數(shù)的變異系數(shù)和遺傳多樣性均為最小,說明紫薇花瓣數(shù)不易受環(huán)境和基因影響,而其余數(shù)量性狀和花色的遺傳多樣性指數(shù)和變異系數(shù)較大,說明其更易受到環(huán)境和基因的影響而變化,這與王業(yè)社[20]、Szamosi et al.[34]的研究結(jié)果一致。

表6 聚類分析表型性狀特征值

通過對9個(gè)數(shù)量性狀相關(guān)性分析,有效揭示了紫薇數(shù)量性狀間的關(guān)聯(lián)性,其24對性狀存在顯著或者極顯著相關(guān)性,其余性狀間也存在著不顯著的相關(guān)性,其中葉長和葉寬、當(dāng)年生梢長和當(dāng)年生梢節(jié)間數(shù)、花序長和花序?qū)挼刃誀铌P(guān)聯(lián)性較為密切,這與賀丹[35]、楊彥伶[36]的研究結(jié)果一致,均顯示葉片長與葉片寬相關(guān)性較大。主成分分析通過降維的統(tǒng)計(jì)方法將多個(gè)表型性狀指數(shù)統(tǒng)計(jì)為幾個(gè)較為重要的成分,可進(jìn)一步對其進(jìn)行綜合評價(jià)和分析[37-38]。本研究利用主成分分析,選取特征值大于1.0的前3個(gè)主成分,累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)74.687%,其中著花數(shù)、花序長寬、葉片寬、花徑大小、當(dāng)年生梢長和當(dāng)年生梢節(jié)間數(shù)等性狀可作為評價(jià)紫薇種質(zhì)資源遺傳多樣性的重要指標(biāo)。通過聚類分析,在歐氏遺傳距離為15.0時(shí)可將紫薇根據(jù)著花數(shù)、花序大小、花大小、葉長寬及新梢長等性狀不同分為3大類,在歐氏遺傳距離為10.0時(shí)又可根據(jù)其余不同表型性狀細(xì)分為6個(gè)亞類。

本研究通過對187份紫薇種質(zhì)資源的13個(gè)表型性狀進(jìn)行遺傳多樣性分析、主成分分析、相關(guān)性分析和聚類分析,結(jié)果表明,紫薇種質(zhì)資源遺傳多樣性較為豐富,變異程度較大,為紫薇種質(zhì)資源的開發(fā)、利用、保護(hù)和選育提供科學(xué)依據(jù)和參考。