生姜種質資源主要農藝性狀的遺傳多樣性分析

李德文，王少銘，李晉華，羅莉斯，冷家歸，侯穎輝

（1貴州省農業科學院香料研究所，貴州貴陽 550006；2貴州省農業科學院油料研究所，貴州貴陽 550006）

0 引言

【研究意義】生姜（Rosc.）屬于姜科姜屬多年生單子葉草本植物，在我國多作為一年生蔬菜栽培，食用部分為地下根狀莖，因其含有揮發油及姜辣素等芳香辛辣成分，可加工制成多種調味食品。同時，生姜屬于藥食同源植物，有發汗、止嘔、溫胃、解毒、散寒等藥效（王紅芯等，2017；陳艷和杜紅霞，2018），用于治療風寒感冒、咳嗽、胃痛、嘔吐、食欲不振等（周弦等，2022）。我國是世界上生姜種植面積和生產總量最多的國家，栽培歷史悠久且分布范圍較廣，地方品種較多（吳曼等，2019；喬立娟等，2021），北方主要種植疏苗型大姜，以山東種植面積最大，南方主要種植密苗型小黃姜（彭長江，2016），以四川、云南、貴州、湖南等地種植面積較大。由于氣候條件和地理環境復雜多樣，經過長期的自然及人工選擇，導致生姜表型出現變異，如生姜的皮色有金黃色、黃色、白色等，肉色有金黃色、黃色、黃白色、白色、烏青色等，具有相對豐富的種質資源。由于生姜利用根狀莖進行無性繁殖，導致種質創制和新品種選育較困難（李錄久，2009）。種質資源是作物遺傳改良與育種工作的物質基礎，而其遺傳多樣性是作物育種突破的關鍵（肖鑫輝等，2017）。因此，對喀斯特地區生姜種質資源進行遺傳多樣性分析，有利于發掘優良目標性狀的種質資源，對我國喀斯特地區生姜種質資源創新利用和品種改良具有重要指導意義?！厩叭搜芯窟M展】基于農藝性狀的遺傳多樣性分析是作物種質資源鑒定和評價中最簡單有效且表現直觀的方法（陳曉杰等，2015）。農藝性狀是指代表作物品種特征的相關性狀，如株高、葉面積、分枝數、結角數、千粒重和單株重量等，但不同作物影響產量形成的因子存在差異。Singh等（2003）研究發現，影響生姜產量的相關性狀受加性基因控制，生姜在長期進化過程中性狀可發生一定程度的變異，加之自然環境和人為條件的選擇，導致形成不同性狀的生姜品種。Nandkangre等（2016）研究發現，生姜植株高度與葉片數、葉長和根莖寬呈極顯著相關，根莖產量與單株根莖重呈線性Pearson’s相關性，除與生育期天數呈負相關外，與其他性狀均呈顯著正相關?？梢?，生姜產量并非由單一因素控制，而是受多因子影響。張進帥等（2019）研究發現，影響水稻產量的主要農藝性狀是有效穗數、每穗總粒數、結實率和千粒重。崔彥芹等（2020）研究發現，株高、每蒴粒數、單株蒴數和千粒重是影響芝麻產量的主要農藝性狀。主成分分析、相關分析和聚類分析是種質資源形態特征、遺傳多樣性研究中廣泛應用的分析方法，已應用到柑橘（孫珍珠等，2017）、番茄（芮文婧等，2018）、花生（饒慶琳等，2020）、苦蕎（呂丹等，2020）、大蒜（冷家歸等，2021）等作物中，但在生姜種質資源的表型性狀鑒定評價方面的報道較少。Wahyuni等（2003）研究認為，印度尼西亞小姜品種的遺傳多樣性高于大姜品種。Jatoi等（2008）研究發現，來源于緬甸、中國、日本、巴基斯坦等東南亞地區的55份生姜資源具有豐富的遺傳多樣性。李秀等（2012）對日本、韓國、緬甸、南非、尼日利亞以及中國（山東省、浙江?。┑鹊氐?6份生姜品種12個主要農藝性狀進行遺傳多樣性分析，結果發現這些品種變異較豐富，根莖干物質含量、葉鮮重、莖粗和莖鮮重4個性狀是影響生姜產量的主要因子；主成分分析將12個農藝性狀分為高產型品種形態決定因子、低產型品種形態決定因子和產量的葉部決定因子，這3個決定因子從不同角度反映了生姜產量形成與不同農藝性狀之間的關系，從而得出粗壯的莖稈、較大的葉片和同化系統、較少的分枝數和根莖干物質含量是高產生姜品種的主要形態特征。Nandkangre等（2016）研究發現，非洲西部內陸國家布基納法索的56份生姜種質資源在形態學和農藝性狀表現出豐富的遺傳多樣性，其聚類結果與來源地無明顯相關性，而是取決于根莖產量、單株根莖重、根莖長度、株高等性狀。李倩等（2020）對湖南省47份生姜種質資源的15個數量性狀和10個質量性狀進行分析，結果表明根狀莖質量與根狀莖寬、地上莖高、子姜粗、地上莖粗、根狀莖長、株高和子姜長呈極顯著正相關關系，而與分枝數和主莖葉數呈極顯著負相關。羅凱等（2020）對8份密苗型生姜農藝性狀進行相關分析，結果發現株高、株幅、分枝數和根狀莖寬均與單株產量呈極顯著相關，產量主要決定因子為分枝數、主莖葉面積、主莖粗、子姜粗和主莖葉片數?！颈狙芯壳腥朦c】目前對生姜的研究報道主要集中在栽培技術（李德文，2018；邵海南，2021；賈切等，2022）、成分分析（胡文杰，2020）、脫毒技術（王少銘，2021）及產品加工利用（周陸紅，2021）等方面，利用農藝性狀對生姜種質資源進行遺傳多樣性分析的研究報道相對較少且不夠全面。因此，對我國喀斯特地區生姜種質資源進行遺傳多樣性分析，有利于發掘優良性狀的種質資源，但目前鮮見相關研究報道?！緮M解決的關鍵問題】對收集的96份不同來源的生姜種質資源進行主要農藝性狀評價鑒定，通過相關分析、主成分分析和聚類分析等方法綜合評價了96份生姜資源的遺傳多樣性，篩選出優異核心種質資源，為生姜種質資源的創新利用及品種改良提供材料基礎和理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為貴州省農業科學院香料研究所于2016—2017年收集的96份生姜種質資源，其中，75份來自貴州省的8個市（自治州），其余21份來自山東、云南、湖北、四川等12個?。▍^），材料名稱及來源見表1。

表1 96份生姜種質資源名稱及來源Table 1 Names and sources of 96 ginger germplasm resources

1.2 試驗設計

試驗地位于貴州省貴陽市花溪區金竹鎮，海拔1130 m，北緯26°30′15″，東經106°39′24″，屬亞熱帶濕潤溫和型氣候，年平均氣溫14.9 ℃，無霜期平均246 d，年平均降雨量1178.3 mm。2018—2019年對96份生姜種質資源進行農藝性狀鑒定，每份種質種植4行，行寬2 m，4月上旬按行距50 cm、株距25 cm開溝播種，種植密度79500株/ha，田間肥水管理和病蟲害防治參照李德文等（2018）的技術。

1.3 性狀測定

2018—2019 年連續2年于11月上旬生姜收獲期對10個農藝性狀進行調查，包括株高（X）、分枝數（X）、主莖葉片數（X）、主莖莖粗（X）、葉長（X）、葉寬（X）、莖葉重（X）、根狀莖長（X）、根狀莖寬（X）和根狀莖重（X）。農藝性狀調查參照《姜種質資源描述規范和數據標準》（李錫香和朱德蔚，2006），每份種質資源隨機選取中間2行的10株進行測定，取平均值。

1.4 數據處理與分析

式中，為某性狀第個級內材料份數占總份數的百分比。運用DPS18.10進行主成分分析、相關分析和聚類分析。聚類分析時先將數據進行標準化轉化，然后采用歐式距離的Word法構建聚類圖（唐啟義，2017）。

2 結果與分析

2.1 生姜種質資源主要農藝性狀遺傳多樣性

從表2可知，96份生姜種質資源10個農藝性狀間變異較豐富，變異系數為6.77%～36.64%，以分枝數的變異系數最大（36.64%）；其次是莖葉重的變異系數（24.8%），第三是根狀莖重的變異系數（20.8%）。這3個農藝性狀的變異系數均大于20%，說明96份生姜種質資源的分枝數、莖葉重和根狀莖重具有較豐富的遺傳多樣性。其余7個農藝性狀的變異系數由大到小依次為主莖葉片數（11.82%）＞根狀莖寬（10.50%）＞主莖莖粗（8.23%）＞根狀莖長（7.66%）＞株高（7.30%）＞葉寬（7.20%）＞葉長（6.77%）。10個農藝性狀的'為1.935～2.099，變化幅度不大，以葉寬的'最大（2.099），其次是葉長（2.069），分枝數的'最?。?.935）。綜合各農藝性狀的最小值、最大值、極差、平均值、標準差及變異系數發現，不同生姜種質資源在不同農藝性狀間及同一農藝性狀在不同種質資源間均具有豐富的遺傳多樣性，有望篩選出適宜貴州貴陽生態區及相似區域推廣種植的優異生姜品種。

表2 生姜種質資源主要農藝性狀測定結果Table 2 Determination of main agronomic traits of ginger germplasm resources

2.2 生姜種質資源主要農藝性狀相關分析結果

由表3 可知，根狀莖重與莖葉重、根狀莖長、分枝數和根狀莖寬呈極顯著正相關性（＜0.01），而與株高、主莖葉片數、主莖莖粗、葉長和葉寬的相關性不顯著（＞0.05），表明在本試驗生態氣候條件下，影響生姜根狀莖產量的主要農藝性狀是分枝數和莖葉重。

表3 生姜種質資源主要農藝性狀間的相關系數Table 3 Correlation coefficients among main agronomic traits of ginger germplasm resources

2.3 生姜種質資源主要農藝性狀主成分分析結果

對96份生姜種質資源的10個主要農藝性狀進行主成分分析，按照特征值大于1.0000的標準（董勝君等，2020），提取出3個主成分，累計貢獻率為63.4828%，且3個主成分的因子載荷在各性狀間差異較大（表4），說明由多方面原因導致生姜種質資源農藝性狀的變異。第1主成分的特征值為2.7189，貢獻率為27.1888%，荷載較高且特征向量值為正的農藝性狀有分枝數、莖葉重、根狀莖長、根狀莖寬和根狀莖重，表明在一定范圍內，分枝多且植株生長旺盛有利于提高根狀莖產量。第2主成分的特征值為2.3647，貢獻率為23.6474%，荷載較高且特征向量值為正的農藝性狀有株高、葉長、葉寬、主莖莖粗和主莖葉片數，特征向量值為負的農藝性狀有分枝數和莖葉重，主要反映了生姜地上部分的形態性狀，說明植株較高、主莖偏粗、葉片較大有利于地下根狀莖生長，但其分枝數和莖葉重減少會降低根狀莖產量。第3主成分特征值為1.2647，貢獻率為12.6466%，荷載較高且特征向量值為正的農藝性狀有主莖葉片數、葉長和根狀莖寬，荷載較高且特征向量值為負的農藝性狀有主莖莖粗和葉寬，說明隨著主莖葉片數和葉片長度的增加，主莖變細且葉片變窄，從而影響根狀莖產量。

表4 生姜種質資源主要農藝性狀的主成分分析Table 4 Principal component analysis of main agronomic traits of ginger germplasm resources

2.4 基于主要農藝性狀的聚類分析結果

對96份不同生姜種質資源的10個農藝性狀進行聚類分析，在遺傳距離10.5處可將96份生姜種質資源劃分為6個類群（圖1），各類群生姜種質資源的農藝性狀平均值如表5所示。類群I包括12份資源，全部來源于貴州省，其中，六盤水市4份，黔西南州4份，黔南州2份，貴陽市和遵義市各1份，該類群主要特征為株高最矮（78.65 cm）、分枝最多（20.86個）、莖葉最重（545.58 g）、根狀莖最長（23.83 cm）和根狀莖最重（655.67 g），屬于植株較矮、多分枝、地上莖葉重、根狀莖產量高的優異資源。類群Ⅱ包括13份資源，除山東和湖北各1份外，其余11份種質來源于貴州省，其中，安順市4份，黔西南州2份，遵義市2份，黔南州、黔東南州和銅仁市各1份，該類群主要特征為株高較矮（80.65 cm）、分枝數適中（14.01枝）、莖葉較重（410.69 g）、根狀莖較長（22.66 cm）和根狀莖較重（573.69 g），屬于植株偏矮、分枝適中、根狀莖產量較高的優異資源。類群Ⅲ包括18份資源，除福建和廣東各1份外，其余16份種質來源于貴州省，其中，遵義市6份，黔南州4份，黔東南州2份，黔西南州2份，安順市和銅仁市各1份，該類群主要特征為株高較矮（78.84 cm）、分枝較少（11.96枝）、主莖葉片最少（21.87片）、莖粗最細（1.03 cm）、莖葉重最輕（316.11 g）和根狀莖重最輕（430.0 g），屬于植株較矮、分枝較少、莖稈纖細、莖葉少且根狀莖產量低的資源。類群Ⅳ包括22份資源，其中，有14份來源于貴州省，銅仁市6份，黔南州5份，黔東南州3份，該類群主要特征為株高適中（83.08 cm）、分枝較少（10.36枝）、主莖葉片最多（26.33片）、莖粗最細（1.03 cm）、莖葉重較輕（346.32 g）和根狀莖偏輕（469.23 g），屬于分枝少、莖稈纖細、莖葉較輕且根狀莖產量偏低類型；其余8份種質來自其他省份，其中，云南2份，四川、安徽、廣西、江西、山東和海南各1份，這些種質在貴陽生態區的性狀表現一般，可能與其生態環境適應性有一定關系。類群Ⅴ包括18份資源，有15份來源于貴州省，其中，銅仁市5份，黔東南州4份，黔南州3份，黔西南州2份，貴陽市1份，其余3份種質來自其他省份，云南、湖北和河南各1份，該類群主要特征為株高最高（89.88 cm）、分枝較少（10.55枝）、主莖葉片較多（26.13片）、莖稈較粗（1.13 cm）、莖葉偏重（387.22 g）和根狀莖較重（545.17 g），屬于植株高、分枝較少、莖稈粗壯、地上莖葉較重且根狀莖產量較高類型。類群Ⅵ包括13份資源，其中，云南、湖北、湖南和四川各1份，其余9個種質來源于貴州省，黔西南州3份，黔東南州2份，山東2份，遵義市和銅仁市各1份；該類群主要特征為植株偏高（86.77 cm）、分枝最少（7.97枝）、莖稈最粗（1.15 cm）、莖葉較輕（317.38 g）和單株根狀莖產量偏低（451.0 g），屬于植株偏高、分枝少、莖稈粗壯、地上莖葉較輕且根狀莖產量較低類型。

表5 不同生姜種質資源類群的農藝性狀平均值Table 5 Average of agronomic traits in different groups of ginger germplasm resources

圖1 96份生姜種質資源農藝性狀聚類分析結果Fig.1 Agronomic traits cluster analysis of 96 ginger germplasm resources

2.5 不同來源生姜群體親緣關系分析結果

通過對不同來源的生姜群體農藝性狀進行聚類分析，在遺傳距離為7.5時，將20個生姜群體分為3個組群（圖2）。其中，組群I為廣東、福建、海南、江西和云南群體，組群Ⅱ為河南、湖南、山東、安徽、四川、湖北及貴州黔東南州和貴州銅仁市群體，組群Ⅲ為廣西群體及貴州黔西南州、黔南州、遵義市、安順市、六盤水市和貴陽市群體，表明貴州省內的生姜種質群體與廣西群體、湖北群體和四川群體的遺傳背景相似，親緣關系較近，來源于廣西、湖北和四川的生姜地方資源適宜在貴州生態區推廣種植，可在貴州省內開展優良生姜品種引種試驗。

圖2 20個生姜群體的聚類分析結果Fig.2 Cluster analysis of 20 ginger groups

2.6 生姜種質資源主要農藝性狀綜合評價結果

將標準化處理的10個農藝性狀帶入3個主成分（冷家歸等，2021），可得到96份生姜種質資源的3個主成分得分，計算公式如下：

根據3個主成分的貢獻率計算權重系數，得出生姜種質資源農藝性狀綜合得分公式如下：

根據上述公式計算出綜合得分（），通過對96份生姜種質資源的農藝性狀進行綜合評價，值越大表示農藝性狀綜合表現越好。由表6可知，96份生姜種質資源的綜合得分為-2.0321～1.9924，其中，排名前14位生姜種質資源的綜合得分超過1.0000，在聚類分析中分別聚在第Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ類群，除了2份資源來源于云南和山東外，其余12份資源來源于貴州省境內，可作為核心生姜種質資源開發利用。

表6 96份生姜種質資源農藝性狀的綜合得分值（F）Table 6 Comprehensive scores of 96 ginger germplasm resources based on agronomic traits（F）

3 討論

3.1 生姜種質資源的農藝性狀評價

農藝性狀由作物自身遺傳物質決定，是遺傳物質在形態水平上的表現形式，反映了作物本身遺傳物質與外界環境相互作用的結果。變異系數反映了某性狀變量的離散程度，說明農藝性狀在品種間的變異程度，而遺傳多樣性指數反映了種質資源間性狀的多樣性，變異系數和遺傳多樣性指數之間不存在相關性（呂偉等，2020）。本研究結果表明，96份生姜種質資源10個農藝性狀的'為1.935～2.099，變化幅度不大，而10個農藝性狀的變異系數為6.77%～36.64%，變化幅度較大，由大到小排序為分枝數＞主莖葉片數＞根狀莖寬＞主莖莖粗＞根狀莖長＞株高＞葉寬＞葉長，與前人的研究結果（李秀，2012；李倩等，2020）基本一致，且分枝數、莖葉重、根狀莖重、主莖葉片數和根狀莖寬的變異系數大于10.00%，說明這5個農藝性狀的遺傳背景較豐富，在種質資源間的差異較大，可結合品種改良目標，選擇分枝數偏少、主莖葉片數多且根狀莖較大的生姜種質資源，并采用莖尖組培脫毒快繁技術培育出新品種（王少銘等，2021），推廣應用于生產。相關分析是對兩個或兩個以上有相關性的變量進行分析，確定變量之間的相關程度。本研究中根狀莖重與分枝數、莖葉重、根狀莖長和根狀莖寬呈極顯著正相關性，而與株高、主莖葉片數、主莖莖粗、葉長和葉寬的相關性不顯著，與李秀等（2012）的研究結果不一致，可能是由于貴州省內生姜資源類型以密苗型小黃姜為主，每個分枝對應一個姜球，分枝數越多，姜球數越多，地上莖稈和葉片為姜球輸送更多的營養，從而促進地下根狀莖的生長。主成分分析可在不損失或少損失原有形態性狀信息的前提下，將形態學性狀信息通過降維的方法分類出幾個綜合因子來反映原有眾多形態性狀變量的信息量，從而簡化形態性狀的分類工作（呂偉等，2020）。本研究對96份生姜種質資源的10個農藝性狀進行主成分分析，前3個主成分累計貢獻率達63.48%，低于前人的研究結果（李秀等，2012；李倩等，2020；羅凱等，2020），且3個主成分的因子載荷在各性狀間差異較大，可能與供試生姜種質資源的類型、測定農藝性狀指標以及生態氣候條件不同有關。今后將增加生姜種質資源的類型，特別是疏苗型生姜資源，并對根鮮重、葉面積、子姜長、子姜粗、根狀莖干物質含量等性狀進行調查，系統分析生姜種質資源主要性狀間的相關性，為發掘優良的生姜種質資源提供可靠參考依據。

3.2 生姜種質資源的聚類分析

聚類分析是根據供試材料不同變量的觀測數值，得到能夠度量材料間相似程度的統計量，依據統計量作為其分類標準，按照順序依次將相似程度大的2個材料聚在一起，直到所有的材料聚到一個完整的系統發育進化樹中（呂偉等，2020）。本研究通過Word法聚類分析，在遺傳距離為10.5 時將96份生姜種質資源劃分為6個類群，同一地區生姜資源并沒有完全聚到一個類群，與Nandkangre等（2016）研究結論相似，說明地理來源并不是引起生姜農藝性狀差異的主要因素，其農藝性狀可能與生姜對種植區域環境的適應能力有一定的關系。初步確定了各類群的基本特征，其中，類群Ⅰ屬于植株較矮、分枝較多、地上莖葉較重、根狀莖產量高的優異資源，類群Ⅱ屬于植株偏矮、分枝適中且根狀莖產量較高的優異資源，類群Ⅲ屬于植株較矮、分枝較少、莖稈纖細、莖葉少且根狀莖產量低的資源，類群Ⅳ屬于分枝少、莖稈纖細、莖葉較輕且根狀莖產量偏低類型，類群Ⅴ屬于植株較高、分枝少、莖稈粗壯、地上莖葉較重且根狀莖產量較高類型，類群Ⅵ屬于植株偏高、分枝少、莖稈粗壯、地上莖葉較輕且根狀莖產量較低類型。通過對不同來源生姜群體聚類分析結果表明，貴州省內生姜種質群體與廣西群體、湖北群體和四川群體的遺傳背景較近，應加大對廣西、湖北和四川生姜種質資源的引進與適應性鑒定，篩選出適宜貴州生態區種植的生姜優異資源。

作物種質資源的綜合評價是育種研究的重要環節，以采用隸屬函數和主成分分析法進行綜合評價的報道較多（董勝君等，2020；冷家歸等，2021）。本研究通過農藝性狀綜合得分（值）判斷生姜資源的綜合優劣程度，14份生姜種質資源的綜合得分超過1.0000，分別被聚為第Ⅰ、Ⅱ、Ⅴ類群，屬于根狀莖產量較高資源，除了2份資源來源于云南和山東外，其余12份資源來源于貴州省，可作為核心生姜種質資源進行利用。

農藝性狀易受到自然條件和其他環境因素以及人為因素的影響，表現為不同年份間和不同地點種植的生姜種質資源的農藝性狀差異較大，難以準確把握不同種質資源間親緣關系的遠近和遺傳變異情況，導致基于農藝性狀的聚類分析可能出現偏差。生姜中含有多種功能性成分，如姜辣素、姜烯酚和姜酮等，具有抗氧化、改善心血管和胃腸道、增強免疫等功能（王紅芯等，2017）；同時含有揮發類物質，如姜精油等成分，能起到緩解疲倦、降糖、抑菌消炎等多種功效，可治療心血管疾病等（陳艷和杜紅霞，2018）。本研究供試生姜種質資源多數來源于貴州省，來自省外的生姜種質資源偏少，并且沒有調查質量性狀和品質性狀。為了準確深入地了解生姜種質資源的遺傳多樣性，還需補充收集（引進）省內外生姜種質資源，采用表型性狀和DNA分子標記（李秀等，2014；王向東等，2018）相結合的手段，對生姜種質資源的主要表型性狀和品質性狀進行遺傳多樣性分析，篩選出綜合表型性狀和品質性狀均優良的生姜種質資源，為生姜品種改良和新品種選育提供核心親本材料。

4 結論

96份生姜種質資源主要農藝性狀的遺傳多樣性豐富，分枝數和莖葉重是影響喀斯特地區生姜高產的主要性狀，且廣西、湖北和四川的生姜地方資源適宜在貴州生態區推廣種植。從類群Ⅰ、Ⅱ和Ⅴ篩選出的14份綜合農藝性狀優良的種質可作為核心生姜種質資源開發利用，分別為三穗大白姜、云南小黃姜、余慶小黃姜、惠水小黃姜、德江大白姜、山東大姜、從江大白姜、花溪小黃姜、普定小黃姜、品甸生姜和鎮寧小黃姜。