基于形態學標記的山藥種質資源遺傳多樣性研究

吳金平， 矯振彪， 郭鳳領， 陳磊夫， 曾凡順， 邱正明

(1. 湖北省農業科學院經濟作物研究所， 湖北 武漢 430064；2. 恩施宜佳現代農業開發有限公司，湖北 恩施 445000)

基于形態學標記的山藥種質資源遺傳多樣性研究

吳金平1， 矯振彪1， 郭鳳領1， 陳磊夫1， 曾凡順2， 邱正明1

(1. 湖北省農業科學院經濟作物研究所， 湖北 武漢 430064；2. 恩施宜佳現代農業開發有限公司，湖北 恩施 445000)

對收集的66份山藥種質資源的19個農藝性狀進行調查，通過遺傳多樣性分析、聚類分析與主成分分析，探討其遺傳多樣性、親緣關系及分類特征。結果表明，在15個質量性狀中，遺傳多樣性指數最高的是葉片缺裂(1.18)，其次是地下塊莖形狀(1.17)。葉脈數頻率分布最高(92.65%)，其次為葉先端漸尖(89.71%)。根據各農藝性狀的遺傳差異，可將66份淮山藥種質聚為二大類群；第Ⅰ類群種質均為薯蕷，第Ⅱ類群種質為參薯。主成分分析結果表明，前5個主成分累計貢獻率達76.496%，第一主成分反映高產株型綜合因子，第二主成分反映山藥抗病性因子，第三和第四主成分反應山藥地下塊莖形狀因子，第五主成分反映地下塊莖顏色。通過以上研究，為山藥品種選育及生產利用提供參考。

山藥(Dioscoreaspp.)；表型性狀；遺傳多樣性

我國山藥種質資源豐富，且分布廣泛，有相當多的品種在許多地區均有種植，因而同名異物及同物異名的情況相當嚴重，為解決這一問題，許多專家學者對山藥種質資源的遺傳多樣性進行了研究。蔡金輝等通過主要園藝學特點結合塊莖品質等特征將山藥分為2個種、5個變種、10個品種群[1]。梁任繁等通過對莖蔓、葉片、零余子等主要性狀調查分析，通過聚類法將12份廣西山藥分為4個或2個類群[2]。覃維治等根據各淮山藥品種間農藝性狀的差異將44份種質聚為四大類，并根據主成分分析結果，總結出在不同育種目標時的注意性狀，以便對親本進行挑選[3]。盡管DNA分子標記在山藥種質資源的遺傳多樣性研究中顯示出強大的優勢，但是對普通育種者而言，以形態學性狀來研究植物遺傳變異仍是最直接且有效的方法之一[4]。因此，本研究對來源于我國不同地方的66個山藥種質的19個主要農藝性狀進行遺傳多樣性、聚類分析和主成分分析，確定地域間種質的差異，為今后山藥育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試山藥材料為近年從我國山藥主產區收集、引進資源，共66份，編號及來源見表1。

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計

試驗于2013年3月—2015年12月在湖北省農業科學院經濟作物研究所蔬菜試驗基地連續進行3年。采用隨機區組設計，3次重復，小區兩行，行長5 m，小區面積7 m2；每個品種均采用塊莖切塊種植，每小區種植20株，進行常規立架栽培管理，定期觀察記載。田間管理同一般大田栽培。

1.2.2 試驗數據采集

每小區抽樣5株，地上部莖葉均以11～15節之間作為實驗部位，數值型性狀每株記錄3個數據(3次重復)，共測45個值，取平均值；非數值型性狀每株記錄1個數據(無重復)，共觀測15個值。測定指標主要有葉長、葉寬、葉柄長、葉片質地、葉形、缺裂、質地、葉脈數、莖蔓棱翼有無、莖蔓形狀、零余子性狀、莖蔓旋性、薯塊形狀、薯塊肉色等。其中非數值型數據根據表型不同賦值。農藝性狀調查的主要指標及標準見表2。

1.3 統計分析

應用SPSS 19.0軟件計算質量性狀統計各組的分布頻率和變異系數；計算數量性狀統計最小值、最大值，計算平均值、變異幅度、變異系數、標準差。應用Bio-dap軟件計算Shannon-Weaver遺傳多樣性指數，指數的計算公式為H'=-∑PilnPi，其中i為某一性狀的分級，Pi為該性狀第i級內材料分數占總份數的百分比，ln為自然對數。遺傳多樣性指數計算中，質量性狀的分級根據表2的描述，數量性狀的分級參照覃維治[3]和黃玉仙[5]描述的分級方法，根據數據的平均值(M)和標準差(S)將數據分為10級，從第一級Xi

表1 供試淮山藥材料編號及其來源

表2 山藥形態多樣性鑒定項目及標準

2 結 果

2.1 山藥種質資源形態性狀多樣性

對66份淮山藥種質資源的19個性狀進行分析，結果表明，不同材料之間存在很大差異，不同性狀在不同材料間表現出不同程度的多樣性。在山藥15個質量性狀中，遺傳多樣性指數最高的是葉片缺裂，為1.18，其次是地下塊莖形狀，為1.17。葉脈數以7為主，頻率分布為92.65%，葉先端漸尖頻率分布為89.71%(表3)。由表3可知，植株長勢以中等為主；葉形披針形為主；葉片質地以革質為主；葉先端漸尖為主；葉基部箭形為主；莖蔓棱翼多無；莖蔓顏色以紫綠為主；莖蔓形狀以圓形為主；有零余子占70.79%，其中圓形零余子又占了63.24%；塊莖形狀以棍狀為主；薯肉顏色以白色為主。

表3 質量性狀的遺傳多樣性結果

由表4可知，山藥4個數量性狀，以薯塊單株產量的變異系數最大，為153.425%，產量變幅為95.4～3768.5g；其次為葉柄長度，其變異系數為46.20%，變幅為1.94～11.7 cm；葉長和葉寬變異系數分別為35.57%和33.34%，兩者變幅分別4.55～17.0 cm和2.94～11.44 cm。

表4 數量形狀的分布頻率和變異系數

2.2 基于質量性狀和數量性狀的山藥種質資源的聚類分析

整合質量性狀和數量性狀的表型數據，應用類平均法對66份山藥資源進行表型性狀的聚類分析，結果表明(圖1)，第一類資源(A)主要為薯蕷(DioscoreaoppositaThunb.)資源；第二類資源(B)主要為參薯(DiscoreaalataL.)。第一類資源可以進一步被劃分為二個亞類A1和A2，在A1亞類中又可以分為a1和a2兩組，a2組資源全部來源于湖北十堰野生山藥，植株生長旺盛，葉形為卵形，山藥塊莖為長棍狀。a1又分為2大類，其中a12為薯蕷中掌狀山藥，a11為薯蕷中的長山藥。a11中進一步分類，主要根據地域來源。

圖1 66份山藥種質資源的聚類分析結果

2.3 山藥主要農藝性狀的主成分分析

對山藥19個主要農藝性狀進行主成分分析，結果表明，前5個主成分累計貢獻率達76.496%，特征值總和為14.534。在所有主成分構成中，包含農藝性狀的絕大部分信息(表5)，第一主成分特征值為7.316，貢獻率最大，為38.503%，其次為主成分二、三、四、五。在第一主成分的特征向量中，載荷值較高且為正值的有葉柄長度、葉長、葉寬、單株產量、藤莖截面、植株長勢，其特征向量值分別為0.941、0.914、0.877、0.839、0.802、0.762，此類性狀為高產株型綜合因子；特征向量值為負值的主要農藝性狀有藤莖棱翼、藤莖顏色，說明在高產品種選育中這2種性狀具一定的選擇性。從各載荷數值可看出，在高產育種中，應選擇葉柄長、葉長、葉寬、植株長勢旺的品種；在一定范圍內，隨著品種葉大，長勢旺，光合作用強，品種產量也會提高。表明在高產育種工作中，應注意對第一主成分的選擇。第二主成分特征值為2.507，貢獻率為13.196%。在第二主成分的特征向量中，載荷值較高且為正值的有藤莖旋性為0.787、藤莖顏色為0.731，此類性狀決定山藥抗病性；為負值的農藝性狀有零余子形狀、葉脈數等，說明在山藥抗病性選擇上這2種性狀具有一定的選擇性。第三主成分特征值為1.935，貢獻率為10.186%。從載荷數值來看，第三和第四主成分特征值分析，主要反映葉脈數、葉先端，葉基部，此類性狀決定山藥地下塊莖形狀。第五主成分特征值為1.142，貢獻率為6.01%，主要是反映地下塊莖顏色。

表5 主要農藝性狀的主成分分析結果

3 討 論

植物的表型性狀是一類由基因控制的表現型，從側面可以反映出基因的不同表現，且表型性狀的觀察與測量較為方便，在研究過程中的花費較低，因此通過表型性狀入手來研究植物的遺傳多樣性和育種是一種應用廣泛的方法[7]。蘇玉環等用西瓜的主要果實性狀將100份西瓜種質分為4大類，且通過4個類群的果實平均重、果皮硬度、千粒重、含糖量這4個指標的比較分析，證明了分類的正確性[8]。徐世松等對收集的32個紅掌品種聚類分析，將32個紅掌品種可劃分為5大類，其中包括4個較小的類群和1個較大的類群[9]。山藥在長期馴化栽培過程中形成了一系列地方品種，由于缺乏系統的鑒定和命名，導致品種種質混亂。前人應用傳統手段以及分子標記技術對不同地區和不同來源的山藥的種質資源進行了一些研究和報道[1-3，10-12]，在我國山藥種質的鑒定、評價和利用等方面發揮了重要的作用。然而，由于我國薯蕷屬植物分布區域廣泛，種類豐富，對不同地區的薯蕷種質進行系統的分析評價存在較大難度。因此，本研究針對收集的不同地域66份山藥資源進行表型性狀的多樣性研究，結果表明，各質量性狀類型豐富，各分組類型中均有一定數量的資源分布，但分布的頻率存在差異。山藥4個數量性狀，以薯塊單株產量的變異系數最大，為153.425%，產量變幅為95.4～3768.5 g；其次為葉柄長度，其變異系數為46.20%，變幅為1.94～11.7 cm。通過聚類分析，根據薯蕷種質形態特征，參考《中國植物志》《中國高等植物圖鑒》，把收集的66份薯蕷種質分為2個類群(圖1)，第一類資源(A)主要為薯蕷(DioscoreaoppositaThunb.)資源；第二類資源(B)主要為參薯(DiscoreaalataL.)。因此，本研究結果與傳統分類方法結果一致，也與我國歷代本草考證及調查的結果一致。對山藥19個主要農藝性狀進行主成分分析，前5個主成分累計貢獻率達76.496%，特征值總和為14.534，第一主成分特征葉柄長度、葉長、葉寬、單株產量、藤莖截面、植株長勢等為高產株型綜合因子。通過以上研究，為山藥品種選育及生產利用提供參考。

[1] 蔡金輝,嚴漸子,黃曉輝,等.山藥品種資源的分類研究[J].江西農業大學學報,1991,21(1):53-57.

[2] 梁任繁,王軍民,覃芳,等.廣西山藥和質資源聚類分析[J].中國蔬菜,2009,4:30-34.

[3] 覃維治,韋本輝,甘秀芹,等.淮山藥種質資源主要農藝性狀遺傳多樣性分析[J].南方農業學報,2014,10:1726-1733.

[4] 玉光惠,方宣鈞.表型組學的概念及植物表型組學的發展[J].分子植物育種,2009,7(4):639-645.

[5] 黃玉仙,王豐青,杜家方,等. 薯蕷屬植物種質資源形態變異的數量分析[J]. 中國中藥雜志,2013(3):318-324.

[6] 李寧,姚明華,焦春海,等. 亞洲及非洲茄子種質資源主要農藝性狀的遺傳多樣性分析[J]. 湖北農業科學,2014,23:5769-5774.

[7] 楊明.山藥種質資源遺傳多樣性的研究[D].呼和浩特:內蒙古農業大學,2012.

[8] 蘇玉環,王靜華,李文芹.西瓜種質資源果實性狀及聚類分析[J].河北農業大學學報,2008,31(6):21-25.

[9] 徐世松,王呈丹,黃素榮,等. 紅掌種質資源形態學標記與遺傳多樣性分析[J].熱帶作物學報,2014,10:1890-1896.

[10] 周延清,景建洲,李振勇,等.用ISSR標記技術分析山藥品種遺傳多樣性[J]. 實驗生物學報,2005(4):54-60.

[11] 吳志剛.山藥種質資源遺傳親緣關系與藥材質量研究[D].廣州:廣州中醫藥大學,2012.

[12] 華樹妹.福建山藥資源品質成分與遺傳多樣性分析[D]. 福州:福建農林大學,2010.

Study on Germplasm Genetic Diversity of Yam Based on Morphological Markers

Wu Jinping1, Jiao Zhenbiao1, Guo Fengling1, Chen Leifu1, Zeng Fanshun2, Qiu Zhengming1*

(1. Institute of Industrial Crops, Hubei Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430064, China;2. Enshi Yijia Agriculture Development Co., Ltd., Enshi 445000, China)

The 19 agronomic traits of 66 collected yam germplasm resources were investigated to conduct genetic diversity analysis, cluster analysis and principal component analysis for exploring their genetic diversity, genetic relationship and classification characteristics. The results showed that different morphological traits of 66 collected yam germplasm resources presented higher diversity. Amongst 15 qualitative traits, the genetic diversity index of leaf split was the highest (1.18), followed by tuber shape (1.17). The frequency distribution of leaf vein was the highest (92.65%), followed by leaf apex acuminate (89.71%). According to genetic differences of different agronomic traits, 66 yam germplasm resources could be clustered into 2 groups. The first group materials wereDioscoreaoppositaThunb. The second group materials wereDiscoreaalataL.. The principal component analysis results indicated that the contribution rate of the first 5 principal components accounted for 76.496%. The first principal component reflected comprehensive factors of high-yield plant type, the second one reflected disease resistance factors， the third and the fourth reflected tuber shape factors. The fifth principal components reflected stem skin color. The different yam germplasm resources were analyzed to provide references for variety breeding and production utilization of yam.

Yam (Dioscoreaspp.); phenotypic traits; genetic diversity

10.3969/j.issn.1006-9690.2017.01.004

2016-05-18

湖北省科技支撐計劃項目(2015BBA192)；農業部現代農業產業技術體系項目(nycytx-35-02-06)。

吳金平，副研究員，博士，從事薯芋類蔬菜研究。E-mail:274184394@qq.com

S632.1

A

1006-9690(2017)01- 0011-04