張 婷,王雪艷,郭勤衛(wèi),李朝森,劉慧琴,項小敏,韋 靜,趙東風,萬紅建

(1.衢州市農(nóng)業(yè)林業(yè)科學研究院 蔬菜研究所,浙江 衢州 324000; 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學院 蔬菜研究所,浙江 杭州 310021)

近年來,我國辣椒種植面積和產(chǎn)量基本保持穩(wěn)定的水平,辣椒品種的遺傳改良、種子繁育與推廣成為促進辣椒產(chǎn)業(yè)進一步發(fā)展的重要工作。種質(zhì)資源的遺傳多樣性是遺傳改良的基礎,目前分子標記技術已用于種質(zhì)資源遺傳多樣性鑒定[1-2]。相對而言,形態(tài)性狀的觀測更為直觀,操作更簡單,在育種和生產(chǎn)實踐中也具有重要意義。因此,形態(tài)多樣性是種質(zhì)資源鑒定最常用的方法[3]。形態(tài)學特征評估與分析方法主要包括標準測量法和形態(tài)指數(shù)法。前者是根據(jù)制定的測量指標與方法,對作物的農(nóng)藝性狀進行測量和記錄;后者是通過計算和比較不同形態(tài)特征之間的比例關系和指數(shù)向量,來評估品種的形態(tài)特征[4]。這些方法為定量化地描述和比較品種之間的形態(tài)差異提供了數(shù)據(jù)支持。植物的形態(tài)學特征包括植株高度、葉片形狀,以及花和果實的大小、形狀、顏色等。形態(tài)學特征是品種之間遺傳差異性和相似性的直觀表現(xiàn),通過測定植物形態(tài)特征,可評估種質(zhì)資源的多樣性水平,揭示不同品種之間的遺傳差異和親緣關系[5],為后續(xù)的遺傳多樣性分析提供基礎。

辣椒(Capsicumspp.L)作為一種重要的蔬菜作物,其遺傳背景的豐富性對于優(yōu)良品種的選育、種質(zhì)資源利用與遺傳改良具有重要意義。遺傳多樣性分析有助于篩選具有豐富遺傳多樣性的親本進行雜交,從而提高后代的遺傳多樣性和潛力。同時,通過分析優(yōu)良品種與野生種質(zhì)的遺傳差異,可挖掘種質(zhì)中的有利基因和新的遺傳變異,以拓寬辣椒的遺傳背景,為辣椒的遺傳改良和品種選育提供重要參考[6]。遺傳差異性和相關性分析可識別與重要農(nóng)藝性狀相關的分子標記,進而實現(xiàn)分子標記輔助選擇育種[7-8],提高育種的效率和準確性,縮短育種周期。植株在長期選擇和適應過程中可產(chǎn)生表型變異,亦可生成新的穩(wěn)定基因[9]。系統(tǒng)性地分析辣椒品種的遺傳基礎和多樣性水平,對提高辣椒新品種選育效率具有重要意義。本研究主要以衢州市農(nóng)業(yè)林業(yè)科學研究院近10年收集的辣椒種質(zhì)為材料,以18個主要農(nóng)藝性狀為基礎,綜合評價分析辣椒種質(zhì)資源的遺傳多樣性。

1 材料與方法

1.1 材料

193份辣椒種質(zhì)資源的性狀均能穩(wěn)定遺傳,所有材料均種植在衢州市農(nóng)業(yè)林業(yè)科學研究院的東湖創(chuàng)新基地。每個材料定植60株,每個重復20株,共3次重復,采用隨機排列,并進行常規(guī)管理,編號依次為001～193,其中170、171號材料引自日本,175～193號材料引自美國,其余編號材料均來自中國。

1.2 表型鑒定方法

鑒定方法參考《辣椒種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》[10],根據(jù)不同性狀測定要求的時間進行鑒定。數(shù)量性狀是每個材料選取3個重復,每個重復測定10株,最后以平均值表示;質(zhì)量性狀中現(xiàn)蕾期、開花期、坐果期以距離實際定植日期(2月27日)的時間為數(shù)值進行計算,其余性狀描述與賦值參照表1。

表1 質(zhì)量性狀描述與賦值

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2010軟件整理數(shù)據(jù),計算數(shù)量性狀的基本統(tǒng)計量(最小值、最大值、平均值、標準差和變異系數(shù));以Shannon-Wiener表型多樣性指數(shù)表示遺傳多樣性指數(shù),其計算方法參照徐肖等[11]。用R語言進行性狀的相關性分析、聚類分析與主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 辣椒種質(zhì)資源果實性狀與遺傳多樣性指數(shù)

供試辣椒材料果實顏色、果實形狀和果實縱橫徑差異較大。其中,成熟果色有紅色、黃色、橙色;果實形狀可分為短牛角形、指形、錐形、圓球形等(圖1)。

遺傳多樣性分析發(fā)現(xiàn),辣椒18個表型性狀的Shannon多樣性指數(shù)均在5.0左右,其中成熟果顏色多樣性指數(shù)最高,為5.25,辣椒成熟果果色有黃色、紅色、橙色等。因部分材料引自美國,其生長周期較長,現(xiàn)蕾、開花、坐果期較國內(nèi)常見種質(zhì)資源要延遲月余,故現(xiàn)蕾期、開花期、坐果期多樣性指數(shù)也較高。單果重多樣性指數(shù)最低,但也達到4.95(表2)。

表2 辣椒各性狀遺傳多樣性分析

2.2 辣椒種質(zhì)資源數(shù)量性狀多樣性

辣椒不同性狀間差異較大,其中數(shù)量性狀的平均變異系數(shù)為42.49%,單果重的變異系數(shù)最大(81.98%),其次是果實寬度(53.53%),心室數(shù)、開花時間、坐果時間較其他性狀而言變異系數(shù)較小,分別為23.25%、28.81%、25.85%(表3)。供試的193份辣椒種質(zhì)資源的18個性狀的變異系數(shù)均大于20%。

表3 辣椒種質(zhì)資源數(shù)量性狀形態(tài)多樣性統(tǒng)計

2.3 辣椒種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀的相關性

對辣椒種質(zhì)資源的18個農(nóng)藝性狀進行相關性分析發(fā)現(xiàn),多數(shù)農(nóng)藝性狀間存在顯著或極顯著的正相關或負相關關系(表4),且相關系數(shù)差異較大。主莖高度與首花節(jié)位、柱頭相對花藥的位置、現(xiàn)蕾期、開花期、坐果期呈極顯著正相關,其中與首花節(jié)位的相關系數(shù)高達0.820,說明主莖高度與首花節(jié)位緊密相關。首花節(jié)位與現(xiàn)蕾期、開花期、坐果期呈極顯著正相關,相關系數(shù)約0.600,說明首花節(jié)位與現(xiàn)蕾期、開花期、坐果期的相關性中等?，F(xiàn)蕾期與開花期、坐果期呈極顯著正相關,相關系數(shù)分別為0.918和0.866,說明現(xiàn)蕾期和開花期、坐果期相關性極高。開花期與坐果期呈極顯著正相關,相關系數(shù)最高為0.944,說明開花期和坐果期相關度最高。

2.4 辣椒種質(zhì)資源的聚類分析

基于馬氏距離的類平均法,使用R語言對193份辣椒種質(zhì)進行聚類分析,結(jié)果見圖2。193份辣椒種質(zhì)在馬氏距離為40處可分為3大類,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類群中分別含有150、24、19份辣椒種質(zhì)資源。Ⅰ類群種質(zhì)數(shù)量最多,該類種質(zhì)花柱高度多數(shù)為高于或與花藥平齊,主莖高度為極高或極低。Ⅱ類群種質(zhì)數(shù)量次之,其果型偏小、現(xiàn)蕾期、開花期、坐果期較晚。其中,175～193號均引自美國,屬于茸毛椒種(CapsicumpubescensKeep.),除175、176、178號聚在Ⅰ類群外,其余均在Ⅱ類群中,且175、176、178號主莖高度約為25 cm,各生育期約42 d,遠低于其他美國材料(平均主莖高度43 cm,生育期60～90 d),推測175、176、178號在多年馴化和栽培過程中表型發(fā)生穩(wěn)定變異。Ⅲ類群種質(zhì)的果實較大,萼片平展或淺包、絨毛稀或無。193份種質(zhì)資源中有27份種質(zhì)資源青熟果顏色為乳白色,其中26份分布在Ⅰ類群,且白色果皮種質(zhì)多數(shù)呈相鄰的聚類狀態(tài),又可分為5個不同類群,其中38、86、35、33、37、31、36和80號聚類在一起,其平均果長小于15 cm ;22、24、21和73號聚類在一起可能是因為其平均果長為15～17 cm;84、23、79、71和72號聚為一類,其平均果長為17～19 cm;74、27、28、58、29和30號聚為一類,其首花節(jié)位均在6～8節(jié);78、85和75號聚為一類,其單果重較大,約45 g。由此可說明,白色辣椒種質(zhì)資源的果形比較豐富;Ⅱ類群中有1份白色果皮種質(zhì)資源編號為32,推測因其各生育期較長,而分到該類群。

1～193為辣椒種質(zhì)資源編號。標注紅點的種質(zhì)青熟果顏色為乳白色。1-193 are the No. of pepper germplasm resources. The color of the green ripe fruit of the germplasm marked with red dots is cream.

2.5 辣椒種質(zhì)資源的主成分分析與種質(zhì)評價

辣椒種質(zhì)各性狀間存在不同程度的相關性,為消除各性狀間的相關影響,利用主成分分析對種質(zhì)進行評價。以特征值大于1.0為標準[12],提取前6個主成分作為辣椒表型性狀的綜合指標,累計貢獻率達96%(表5),表明這6個主成分能涵蓋18個性狀的大部分信息。第1主成分的特征值是4.13,貢獻率為34%,主莖高度、首花節(jié)位、現(xiàn)蕾期、開花期和坐果期的特征值最大,且為正值。田間生產(chǎn)中,主莖矮、首花節(jié)位低,現(xiàn)蕾期、開花期和坐果期短更有利于早熟;第2主成分的特征值是2.20,貢獻率為18%,萼片形態(tài)、果實先端形狀、果寬的特征值最大,前者為負值,后兩者為正值,該類指標主要與果實性狀相關;第3主成分的特征值是1.81,貢獻率為15%,果實綠熟期顏色特征值最大,其次為果實長度,前者為正值,后者為負值;第4主成分的特征值是1.52,貢獻率為12%,茸毛密度、心室數(shù)的特征值較大,分別為0.69、0.67;第5主成分的特征值是1.37,貢獻率為11%,花冠顏色、花柱顏色的特征值最大,均為正值,該主成分主要描述花的性狀;第6主成分的特征值是1.19,貢獻率為6%,成熟期果皮顏色特征值最大且為正。

3 討論

種質(zhì)資源的遺傳多樣性、遺傳變異度是育種工作的基礎?；谵r(nóng)藝性狀有針對地進行品種選擇、綜合考慮各性狀的相互作用是提高育種效率的重要措施[13]。多樣性越高,即群體內(nèi)變異越豐富,篩選到優(yōu)質(zhì)育種材料的概率越高[14]。

果色是果實形態(tài)研究的重要指標之一,對消費有明顯影響,也是品種選育需考慮的因素之一。對于果實形態(tài)的遺傳多樣性研究在諸多園藝作物上均有表現(xiàn)[15-16]。本研究對193份辣椒資源的10個質(zhì)量性狀、8個數(shù)量性狀進行遺傳分析,發(fā)現(xiàn)青熟果顏色較為豐富,其Shannon遺傳多樣性指數(shù)為5.18,青熟果顏色除常見的綠色系外還有白色、紫色和黃色,大部分青熟果顏色為白色的辣椒種質(zhì)聚類在同一個類群,在同一類群中形成5個分布區(qū)域,且果長差異明顯,說明白辣椒種質(zhì)資源果形豐富,親緣關系相對較遠。

變異系數(shù)是衡量遺傳變異潛力大小的標志,表明該群體中調(diào)查性狀的選擇范圍。本研究中辣椒單果重變異系數(shù)達81.98%,說明從該群體中選出目標單果重個體的幾率大。另外,變異系數(shù)和遺傳多樣性指數(shù)間未表現(xiàn)出完全一致性,如開花期和坐果期的遺傳多樣性指數(shù)略高于平均水平,而變異系數(shù)卻低于平均。相關性分析可以通過選擇一種性狀間接達到選擇另一種性狀的效果,本研究中開花期、坐果期和現(xiàn)蕾期相關性極高,說明選擇其中一個指標即可,從而提高育種的選擇效率[17]。果寬與單果重呈極顯著正相關,該結(jié)果在69個辣椒種質(zhì)資源(4個辣椒栽培種)中也得到驗證,其分析發(fā)現(xiàn)的相關系數(shù)達85%[18]。

主成分分析和聚類分析是評估作物遺傳多樣性和篩選優(yōu)異種質(zhì)資源中常用的一種分析方法,通過這些方法能夠反映作物種質(zhì)間的遺傳差異和相關性狀特點,且在作物中已經(jīng)得到廣泛應用[19-20]。本研究通過對18個表型性狀進行主成分分析,使各性狀之間的影響更為明顯。提取的前6個主成分可以反映辣椒主要農(nóng)藝性狀96%的遺傳信息。在第3主成分中,果長的特征值雖較大,但為負值。Castillo等[21]研究發(fā)現(xiàn),在第1主成分中果長與單果重的特征值最大且為正,推測可能由于各主成分反映的性狀不同而導致差異。根據(jù)貢獻率、特征值的大小從主成分中選擇的果長、果寬、主莖高、花藥顏色、開花期等性狀是造成辣椒種質(zhì)資源表型差異的主要原因。遺傳聚類圖的層次數(shù)量可清晰地展示辣椒種質(zhì)的遺傳多樣性和親緣關系的遠近,說明經(jīng)過多年的引種,辣椒資源已經(jīng)較豐富。此外,來自同一地區(qū)的種質(zhì)并沒有聚在一起,可能與種質(zhì)的變異有關。聚類分析結(jié)果可指導育種者有目的地進行種質(zhì)資源的優(yōu)化組合,提高育種效率。