基于表型性狀構建桑樹初級核心種質研究

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

(新疆維吾爾自治區和田蠶?？茖W研究所,新疆和田 848000)

新疆作為“絲綢之路”的重要節點,栽桑養蠶歷史至少有1700多年,形成類型豐富、分布廣泛、獨具特色的桑樹種質資源[1, 2]。種質資源是作物遺傳改良和相關基礎研究的物質基礎。擁有作物種質資源的數量和質量,以及其研究和利用的深度和廣度,直接影響到現代種業的可持續發展,種質資源保護和利用已日益成為世界各國驅動農業科技創新的重要部分[3]。根據FAO(1996)的統計資料世界范圍內作物種質資源收集品已達740萬份[4]。種質資源數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的物種子集[6],此后核心種質的概念不斷得到完善和發展。核心種質概念的提出使種質資源的研究有了方向和重點,為種質資源的利用創造了基礎[7]。

本研究以新疆維吾爾自治區和田蠶?？茖W研究所種質資源圃內收集保存的652份桑種質資源為試驗材料,基于表型數據進行遺傳多樣性分析和核心種質的構建,并對不同方法構建的核心種質代表性進行評價,最終確定選出核心種質,旨在為新疆桑樹種質資源收集保存、評價鑒定及創新利用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

從新疆維吾爾自治區和田蠶?？茖W研所桑樹種質資源圃中挑選652份桑種質作為初級核心種質構建的原始樣品集,來自國內種質資源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;來自國外種質資源49份,其中烏茲別克30份、日本16份、朝鮮3份。種質資源圃種植株距為1 m,行距為1.5 m,樹齡為8 a。

1.2 方法

1.2.1 數據調查與整理

參照《農作物種質資源鑒定技術規程 桑樹》[8]調查652份桑種質11個表型性狀,其中種質類型、花性為質量性狀;發芽期采取按天調查的方式,轉化成質量性狀;一年生枝條長度難以精確測量,按照枝條的長短分為3級,轉化成質量性狀處理;質量性狀的標準化見表1。葉長、葉幅、節間長度、發芽率、生長芽率、春季米條葉產量和秋季米條葉產量為數量性狀,分別用直尺和天平測定。

表1 桑種質質量性狀賦值

1.2.2 遺傳多樣性分析

遺傳多樣性指數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,基于平均值和標準差對所有種質每個數量性狀劃分等級,每0.5σ(標準差)為一個等級,共劃分成10級。

1.2.3 數量性狀相關性分析

選取枝條長度、葉長、葉幅、節間長度、發芽率、生長芽率、春季米條葉產量和秋季米條葉產量為數量性狀8個性狀進行相關性分析。

1.2.4 表型性狀主成分分析

對652份桑樹種質資源的種質類型、花性、發芽期、節間長度、葉長、葉幅、枝條長度、發芽率、生長芽率、春季米條產葉量和秋季米條產葉量11個性狀進行主成分分析。

1.2.5 核心種質構建

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

1.2.6 核心種質代表性評價

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

1.3 數據分析

使用Excel 2016進行數據整理,使用SAS 9.4進行相關性分析、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。

2 結果與分析

2.1 桑樹種質遺傳多樣性分析

2.1.1 質量性狀遺傳多樣性分析

652份桑樹種質資源4個質量性狀遺傳多樣性見表2。4個質量性狀共計14個變異類型,各類型表現出不同的分布頻率。遺傳多樣性指數分布在0.71～1.18之間?；ㄐ赃z傳多樣性指數(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%。發芽期遺傳多樣性指數(H')最大為1.18,4月11日～13日發芽的種質數量最多,分布頻率為56.14%,4月17日～19日發芽的種質數量最小,分布頻率為2.91%。種質類型遺傳多樣性指數為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%,品系數量最小,分布頻率為6.75%。枝條長度遺傳多樣性指數為0.77,以長枝條類型為主分布頻率為70.86%,短枝條類型數量最小,為7.82%。

表2 桑種質質量性狀遺傳多樣性分析

2.1.2 數量性狀遺傳多樣性分析

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

表3 652份桑種質資源數量性狀遺傳多樣性分析

2.1.3 數量相關性分析

652份桑樹種質材料9個數量性狀相關分析見表4。發芽期與葉長、葉幅、春季米條產葉量、秋季米條產葉量呈極顯著正相關,與生長芽率極顯著負相關。節距與葉長、葉幅、枝條長度、秋季米條產葉量成極顯著正相關,與生長芽率成顯著負相關。葉長與葉幅、春季米條產葉量和秋季米條產葉量成極顯著正相關,與發芽率和生長芽率呈極顯著負相關。葉幅與春季米條產葉量和秋季米條產葉量呈極顯著正相關,與發芽率和生長芽率成極顯著負相關。枝條長度與發芽率和生長芽率成顯著負相關。發芽率與生長芽率成極顯著正相關,與秋季米條產葉量呈極顯著負相關。生長芽率與秋季米條產葉量呈極顯著負相關。春季米條產葉量和秋季米條產葉量呈極限顯著正相關。

表4 652份桑樹種質數量性狀相關性分析

2.1.4 表型性狀的主成分分析

652份桑樹種質材料11個性狀主成分分析結果見表5。前4個主成分特征值大于1,方差貢獻率達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。第二主成分特征值為1.693,方差貢獻率為15.395%,主要代表為發芽率和生長芽率,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。第三主成分特征值1.246,方差貢獻率為12.325%,主要代表為節距和枝條長度,特征向量值均超過0.7主要與枝條形態相關。第四主成分特征值為1.135,方差貢獻率為10.314%,主要代表為花性,特征向量值為0.766。

表5 652份桑樹種質資源表型性狀主成分分析

2.1.5 桑樹種質表型形狀聚類分析

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

圖1 652份桑種質資源聚類分析

第I類包含229個種質,主要表現為發芽期、節間長度、葉長、葉幅、條長、發芽率、生長芽率、春季米條產葉量和秋季米條產葉量與群體平均值相近。

第II類包含119個種質,主要表現為發芽期、節間長度、葉長、葉幅、條長與群體平均值相近,發芽率和生長芽率較低,春季米條產葉量較低,秋季米條產葉量較高,秋季米條產葉量高于春季米條產葉量。

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

第IV類包含26個種質,表現為發芽期較晚,節間長度較長,葉長和葉幅較大,枝條長度和群體平均值相近,發芽率和生長芽率與群體平均值相近,春季米條產葉量較高,秋季米條產葉量與群體平均值相近。

第V類包含7個種質,均開雌花,表現為發芽期較晚,節間長度較長,葉長和葉幅較大,枝條長度較長,發芽率和生長芽率與群體平均值接近,春季米條產葉量在7個群體中最高,秋季米條產業量與群體平均值相近。

第VI類包含13個種質,均為栽培種和品系,表現為發芽期較晚,節間長度與群體平均值相近,葉長和葉幅較大,枝條長度較小,發芽率和生長芽率較低,春季米條產葉量和秋季米條產業量均較高。

第VII類包含24個種質,表現為發芽期較晚,節間長度較大,葉長和葉幅較大,枝條長度較小,發芽率和生長芽率較低,春季米條產葉量和秋季米條產業量均高于群體平均值,春季米條產葉量和秋季米條產葉量相近。

2.2 核心種質的構建與評價

使用QGA Station軟件,采用歐式距離計算遺傳距離,利用不加權平均數法(UPGMA)進行聚類分析,取樣比例設為25%,分別采用隨機取樣法、優先取樣法和偏離取樣法取樣,[14-17]構建3組核心種質R1、P1和D1,各核心種質材料信息見表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材料信息表

在R1核心種質中栽培種為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%。

核心種質與原群體差異百分率見表7。與原群體相比,核心種質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符合構建核心種質的原則,具有原種質資源的代表性,能夠較好地反映出原種質群體的遺傳多樣性。

表7 核心種質與原群體差異百分率

利用t檢驗檢驗核心種質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檢驗分析兩者表型性狀變異是否同質。構建的3組核心種質與原群體的均值、方差差異比較見表8。R1有2個指標與均值與原群體存在顯著性差異,有4個指標均值與原群體存在極顯著性差異。P1有3個指標均值與原群體存在顯著性差異,有2個指標均值與原群體存在極限性差異。D1只有2個指標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。除秋季米條產葉量外,R1、P1和D1的變異系數均大于原群體,表明所構建的3組核心種質具有良好的異質性。

表8 核心種質與原群體的差異性比較

3 討 論

我國幅員遼闊,地勢復雜,生態各異,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資源[18,19]。據不完全統計,全國保存的各類桑樹種質資源超過3000份[20],保存桑種質資源數量居世界之首[21]。開展桑樹種質資源遺傳多樣性研究,對種質親緣關系鑒定、保存、利用、核心種質的構建、評價及桑樹育種都具有重要的實用價值和理論意義[22]。王振江等[11]基于 8 個農藝性狀對 569 份桑種質進行了遺傳多樣性分析,將569 份桑樹種質資源進劃分為 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采用相關性分析、主成分分析和聚類分析對652份桑種質遺傳多樣性進行研究,結果表明652份桑種質具有豐富的遺傳多樣性,可以作為遺傳研究的試驗材料。

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、鑒定及創新利用帶來了困難,構建核心種質是解決這一問題的有效措施之一[23]。曾欽朦等[24]以245份貴州核桃種質資源為試材,基于13個數量性狀數據,采用隨機取樣策略、偏離度取樣策略和位點優先取樣策略,結合8個取樣比例(5%、15%、20%、25%、25%、30%、40%、50%),進行多次聚類構建核心種質。結果表明,取樣比例設置為50%,采用偏離度取樣策略構建的核心種質最具代表性。劉闖萍等[25]利用156份山葡萄種質資源采用采集地分組-花型分組-聚類-分組法構建核心種質,核心種質包含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個農藝性狀,設置取樣比例為25%,采用逐步聚類隨機取樣法、最小距離逐步取樣法和優化LDSS法構建核心種質,結果顯示優化后的ILDSS法構建出的核心種質最具代表性。劉娟等[26]以135份新疆野杏株系為試材,根據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種系統聚類方法相互組合構建了24個核心種質,并對核心種質的代表性進行了評價。結果表明,取樣比例為25%時,采用優先取樣策略,使用歐氏距離和離差平方和法進行逐步聚類構建的核心種質最有代表性,是構建新疆野杏核心種質的較好方法。本研究樣本容量為652份,根據前人的研究經驗將取樣比例設置為25%,利用不加權類平均法(unweighted pair-group method with arithmetic means,UPGMA)進行聚類,并分別選用隨機取樣法、優先取樣法和偏離度取樣法進行取樣,成功構建出3組核心種質。

利用表型數據構建核心種質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境因素的影響,無法準確地表現出基因水平上的差異。目前,利用分子標記技術構建核心種質是研究熱點,如利用SSR、ISSR、SNP等分子標記方法成功構建了山核桃[27]、新疆野杏[28]、荔枝[29]等園林作物核心種質。我們下一步擬利用分子標記與農藝性狀相結合構建桑核心種質,為特異種質挖掘和品種改良提供參考依據。

4 結 論

本研究以652份桑樹種質為供試材料,通過相關性分析、主成分分析和聚類分析,發現該 652份桑種質資源具有豐富的遺傳多樣性。以 25%為取樣比例,分別采用隨機取樣法、優先取樣法和偏離取樣法進行取樣,成功構建出3組核心種質R1、P1和D1,其中D1符合構建核心種質的原則,具有原種質資源的代表性,能夠較好地反映出原種質群體的遺傳多樣性。