芝麻種質(zhì)資源表型性狀遺傳多樣性分析及綜合評(píng)價(jià)

魏廣偉， 陽(yáng)慧怡， 王 敏， 蘇如奇， 王小慧， 沈庭海， 楊 茜， 方 圣， 吳自明

(江西農(nóng)業(yè)大學(xué)作物生理生態(tài)與遺傳育種教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江西省作物生理生態(tài)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西南昌 330045)

芝麻是我國(guó)古老的油料作物，擁有上千年的栽培歷史，種植地域分布廣泛。表型性狀鑒定是認(rèn)識(shí)作物種質(zhì)資源和培育新品種的基石，通過(guò)鑒定芝麻表型性狀，研究其遺傳變異規(guī)律，對(duì)挖掘不同基因型芝麻種質(zhì)資源并加以利用具有重要意義。人們通常從形態(tài)學(xué)水平、細(xì)胞學(xué)(染色體)水平和分子水平來(lái)研究作物的遺傳多樣性，而形態(tài)學(xué)水平(表型性狀)往往被認(rèn)為是最直觀容易的方法。我國(guó)擁有豐富的芝麻種質(zhì)資源，截至2017年6月已經(jīng)收集到6 068份材料，通過(guò)表型性狀分析遺傳多樣性已被廣泛應(yīng)用于芝麻種質(zhì)資源中。韓俊梅等對(duì)200份芝麻的13個(gè)表型性狀進(jìn)行研究分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，果軸長(zhǎng)遺傳多樣性指數(shù)最大，蒴果棱數(shù)最小，并通過(guò)聚類分析選出一批矮稈、節(jié)間長(zhǎng)度較小、單株蒴果數(shù)少、低始蒴高度的芝麻品種，可以作為培育機(jī)械化芝麻品種的親本材料。楊學(xué)樂等對(duì)湖南省63份芝麻種質(zhì)資源進(jìn)行遺傳多樣性分析，結(jié)果表明，質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀遺傳多樣性指數(shù)最大的分別為莖稈茸毛量和株高，聚類分析將63份材料分為4個(gè)類群，育種家可根據(jù)目標(biāo)性狀選擇相對(duì)應(yīng)的材料作親本。崔彥芹等對(duì)300份河北省地方品種進(jìn)行連續(xù)3年的表型性狀調(diào)查和記載，結(jié)果表明，300份芝麻種質(zhì)資源遺傳多樣性豐富，聚類分析將300份芝麻種質(zhì)資源分為低始蒴高度、高產(chǎn)、長(zhǎng)蒴果等6類，提高了芝麻種質(zhì)資源的利用率。前人對(duì)芝麻種質(zhì)資源遺傳多樣性的研究，多運(yùn)用聚類分析將具有同樣特點(diǎn)的種質(zhì)資源進(jìn)行簡(jiǎn)單的分類，對(duì)芝麻種質(zhì)資源綜合評(píng)價(jià)的文章目前鮮有報(bào)道。本研究對(duì)193份芝麻資源表型性狀進(jìn)行遺傳多樣性分析，通過(guò)主成分分析對(duì)其進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，結(jié)合逐步回歸分析法篩選出評(píng)價(jià)芝麻種質(zhì)資源的關(guān)鍵性指標(biāo)，為芝麻高產(chǎn)栽培和雜交育種親本的選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)材料為我國(guó)芝麻產(chǎn)區(qū)收集的193份芝麻品種(系)，包含江西省內(nèi)材料134份和省外材料59份(表1)。

表1 193份芝麻種質(zhì)資源名稱和來(lái)源

表1(續(xù))

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料于2019、2021年在江西省鄱陽(yáng)縣古縣渡鎮(zhèn)羅龍村(116°87′E，29°09′N)進(jìn)行播種，試驗(yàn)地土壤理化性質(zhì)為：pH值6.2，有機(jī)質(zhì)含量26.74 g/kg，堿解氮含量87.84 mg/kg，有效磷含量13.59 mg/kg，速效鉀含量94.95 mg/kg。每份材料播種4行，行距30 cm，芝麻2對(duì)真葉期按照株距 20 cm 間苗。芝麻表型性狀調(diào)查參照《芝麻種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行(表2)。在芝麻生長(zhǎng)期對(duì)株型、花冠顏色、每葉腋花數(shù)、蒴果棱數(shù)、主莖茸毛量等5個(gè)質(zhì)量性狀進(jìn)行調(diào)查，待芝麻成熟后，每個(gè)材料選取長(zhǎng)勢(shì)一致的5個(gè)單株進(jìn)行掛牌，調(diào)查株高、始蒴高度、空梢尖長(zhǎng)度、蒴果長(zhǎng)度、每蒴粒數(shù)、單株蒴果數(shù)、千粒質(zhì)量、單株產(chǎn)量等8個(gè)數(shù)量性狀。

表2 芝麻表型性狀記載標(biāo)準(zhǔn)

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

1.3.1 隸屬函數(shù)分析 采用模糊隸屬函數(shù)計(jì)算出各性狀的隸屬函數(shù)值，將各性狀定義到[0，1]閉區(qū)間。

()=(-min)/(max-min)(=1，2，3，…，)。

(1)

式中：()為某種質(zhì)材料第個(gè)性狀的隸屬函數(shù)值；為某種質(zhì)材料第個(gè)性狀值；max和min分別為所有種質(zhì)材料第個(gè)性狀的最大值和最小值。

1.3.2 遺傳多樣性指數(shù) Shannon-Weaver多樣性指數(shù)計(jì)算公式為：

′=-∑[(ln)]。

(2)

式中：為某性狀的第個(gè)級(jí)內(nèi)材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比，具體方法參照前人的研究方法。

2 結(jié)果與分析

2.1 芝麻種質(zhì)資源聚類分析

通過(guò)聚類分析將193份芝麻種質(zhì)資源分為 4 個(gè)類群(圖1)。Ⅰ類群包含14份材料，占總資源的7.25%，包括江西省內(nèi)12份材料和省外2份材料，均是每葉腋花數(shù)為三花、四棱蒴果和混合、低始蒴高度(39.47 cm)、高單株蒴果數(shù)(89.48)和高單株產(chǎn)量(14.06 g)的優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源；Ⅱ類群共有55份材料，占總資源28.50%，其中來(lái)源為江西省有33份，省外有22份，均是單稈、白花、四棱蒴果和混合、較高單株蒴果數(shù)(74.89)和高千粒質(zhì)量(2.60 g)的具有增產(chǎn)潛力的種質(zhì)資源；Ⅲ類群共有18份材料，其中包括江西省內(nèi)14份材料和省外4份材料，均是白花、高稈(147.30 cm)、高始蒴高度(52.23 cm)、高每蒴粒數(shù)(96.55)和高千粒質(zhì)量(2.64 g)的特殊種質(zhì)資源；Ⅳ類群共有106份材料，其中包括江西省內(nèi)73份材料和省外33份材料，占總資源的54.92%，其均是低稈(114.44 cm)、低單株蒴果數(shù)(49.28)和低產(chǎn)(7.78 g)的較差種質(zhì)資源。

2.2 芝麻種質(zhì)資源表型性狀的遺傳多樣性

2.2.1 質(zhì)量性狀 由表3可知，193份芝麻種質(zhì)資源的主莖茸毛量以少為主，占總資源的64.25%，其次是主莖茸毛量多的種質(zhì)資源，占總資源的20.73%；株型以單稈類型為主，占總資源的94.30%；每葉腋花數(shù)以三花類型為主，其次為單花類型，分別占總資源的74.61%和25.39%；蒴果棱數(shù)以四棱為主，占總資源的84.97%，其次為混合類型，占總資源的11.92%；花冠顏色以白色為主，占總資源的95.85%，紫色和淺紫色只占4.15%。5個(gè)數(shù)量性狀多樣性指數(shù)范圍為0.17～0.90，其中主莖茸毛量遺傳多樣性指數(shù)最大，花冠顏色最小。

表3 芝麻種質(zhì)資源質(zhì)量性狀的分布和遺傳多樣性指數(shù)

2.2.2 數(shù)量性狀 從表4中可以看出，193份芝麻種質(zhì)資源的8個(gè)數(shù)量性狀中，千粒質(zhì)量變異系數(shù)最小，為3.32%，空梢尖變異系數(shù)最大，為45.33%；株高遺傳多樣性指數(shù)為2.04，平均值為129.02 cm，品種17-51的株高最高(175.30 cm)，黑芝麻3954株高最矮(73.86 cm)；始蒴高度遺傳多樣性指數(shù)為1.82，平均值為44.86 cm，17-54始蒴高度最高(84.20 cm)，德安白芝麻最低(16.63 cm)；空梢尖長(zhǎng)度遺傳多樣指數(shù)為1.95，平均長(zhǎng)度為4.63 cm，17-134-2空梢尖最長(zhǎng)(10.13 cm)，18-15最短(0.53 cm)；單株蒴果數(shù)遺傳多樣性指數(shù)為2.00，平均值為65.52個(gè)，巒山黑芝麻單株蒴果數(shù)最多(132.67個(gè))，大頭棒最少(16.33個(gè))；蒴果長(zhǎng)度遺傳多樣性指數(shù)為1.93，平均值為3.32 cm，17-46-2蒴果最長(zhǎng)(4.67 cm)，17-76-1最短(2.37 cm)；每蒴粒數(shù)遺傳多樣性指數(shù)為1.77，武昌八方陀每蒴粒數(shù)最多(142.00粒)，皖芝5號(hào)每蒴粒數(shù)最少(50.33粒)；千粒質(zhì)量遺傳多樣性指數(shù)為1.90，平均值為2.60 g，鄱陽(yáng)黑芝麻2千粒質(zhì)量最大(2.85 g)，18052XH1最小(2.42 g)；單株產(chǎn)量遺傳多樣性指數(shù)為1.98，平均單株產(chǎn)量為11.14 g，孝感獨(dú)角葉三角單株產(chǎn)量最高(19.37 g)，鄱陽(yáng)對(duì)夾烏最低(3.40 g)。

表4 芝麻種質(zhì)資源數(shù)量性狀的變異和多樣性

2.3 芝麻種質(zhì)資源數(shù)量性狀間相關(guān)性分析

由圖2可知，193份芝麻種質(zhì)資源的8個(gè)數(shù)量性狀的分布均符合正態(tài)分布，其中株高與始蒴高度、單株產(chǎn)量、每蒴粒數(shù)、蒴果長(zhǎng)度和單株蒴果數(shù)呈極顯著性正相關(guān)，與千粒質(zhì)量呈顯著性正相關(guān)；空梢尖長(zhǎng)度與單株蒴果粒數(shù)和單株產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)；單株蒴果數(shù)與單株產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.87；每蒴粒數(shù)與蒴果長(zhǎng)度、單株產(chǎn)量均達(dá)到極顯著正相關(guān)，與千粒質(zhì)量呈顯著正相關(guān)；千粒質(zhì)量與單株產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān)；單株蒴果和每蒴粒數(shù)呈現(xiàn)出顯著的負(fù)相關(guān)性。

2.4 芝麻種質(zhì)資源表型性狀主成分分析

對(duì)芝麻種質(zhì)資源的13個(gè)表型性狀進(jìn)行主成分分析，KMO(0.43)和Bartlett(<0.01)檢驗(yàn)合格，前7個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到了80%以上(表5)，其中第1主成分(PV1)貢獻(xiàn)率最大，達(dá)到了19.238 2%，對(duì)應(yīng)的特征向量中單株蒴果數(shù)和單株產(chǎn)量值較大，此類性狀與產(chǎn)量密切相關(guān)，因此，第1主成分為產(chǎn)量因子；第2主成分(PV2)貢獻(xiàn)率為16.891 9%，對(duì)應(yīng)的特征向量中每蒴粒數(shù)和蒴果棱數(shù)值較大，此類性狀與蒴果密切相關(guān)，因此，第2主成分為蒴果因子；第3主成分(PV3)貢獻(xiàn)率為12.667 9%，對(duì)應(yīng)的特征向量中蒴果長(zhǎng)度值最大，主莖茸毛量負(fù)向量值最大，說(shuō)明蒴果長(zhǎng)度與主莖茸毛量呈負(fù)相關(guān)；第4主成分(PV4)貢獻(xiàn)率為10.500 3%，對(duì)應(yīng)的特征向量中始蒴高度值最大，蒴果長(zhǎng)度負(fù)向量值最大，說(shuō)明始蒴高度和蒴果長(zhǎng)度具有一定的負(fù)相關(guān)性；第5主成分(PV5)貢獻(xiàn)率為 8.171 7%，對(duì)應(yīng)的特征向量中花冠顏色值最大，因此，第5主成分代表花冠顏色因子；第6主成分(PV6)貢獻(xiàn)率為7.543 2%，對(duì)應(yīng)的特征向量中空梢尖長(zhǎng)度值最大，株型為負(fù)向量值最大，表明空梢尖的長(zhǎng)度與株型有一定的相關(guān)性；第7主成分(PV7)貢獻(xiàn)率為6.792 9%，對(duì)應(yīng)的特征向量中株高值最大，因此第7主成分稱為株高因子。

表5 芝麻種質(zhì)資源表型性狀主成分分析

2.5 芝麻種質(zhì)資源綜合評(píng)價(jià)

對(duì)193份芝麻種質(zhì)資源的13個(gè)表型性狀原始數(shù)據(jù)用隸屬函數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，計(jì)算7個(gè)主成分得分，將7個(gè)主成分得分歸一化處理，計(jì)算各主成分權(quán)重系數(shù)(23.52%、20.64%、15.49%、12.84%、9.99%、9.22%、8.30%)，求得每個(gè)品種的綜合評(píng)價(jià)值，利用值對(duì)每個(gè)品種進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其中值越大，表明品種越優(yōu)，值越小，品種越差。 根據(jù)值篩選出綜合排名前五的品種(系)分別為17-52、17-51、孝感獨(dú)角葉三角、ND-7和武昌竹竿青早麻，綜合表現(xiàn)較差的5個(gè)品種(系)分別為金黃麻、黑芝麻3954、18052XH1、大頭棒和鄂芝7號(hào)。

2.6 回歸模型的建立及篩選

以綜合評(píng)價(jià)值與13個(gè)表型性狀為基礎(chǔ)，以值作為因變量，利用逐步回歸法建立最優(yōu)回歸方程：

=014+002+054+003+009+025+020+008-0049。

式中：、、、、、、、分別代表單株產(chǎn)量、株高、主莖茸毛量、始蒴高度、空梢尖長(zhǎng)度、千粒質(zhì)量、每葉腋花數(shù)和蒴果棱數(shù)8個(gè)表型性狀，方程復(fù)相關(guān)系數(shù)=0.997，調(diào)整后=0.994，這8個(gè)指標(biāo)解釋了值99.40%的變異，=4 108.88，方程極顯著，相關(guān)性分析表明，上述8個(gè)性狀均與值呈現(xiàn)出極顯著性的正相關(guān)(表6)，上述 8個(gè)指標(biāo)可作為篩選芝麻優(yōu)異種質(zhì)的關(guān)鍵性指標(biāo)， 該回歸方程可用于芝麻種質(zhì)資源的綜合評(píng)價(jià)。

表6 表型性狀與綜合得分(D值)間的相關(guān)性

3 討論與結(jié)論

遺傳多樣性是生物保持和發(fā)展的基礎(chǔ)，是生物多樣性的基礎(chǔ)和核心。本研究采用Shannon-Wieners 多樣性指數(shù)對(duì)芝麻種質(zhì)資源的13個(gè)表型性狀進(jìn)行遺傳多樣性分析，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，株高遺傳多樣性指數(shù)最大，花冠顏色最小。王治會(huì)等研究指出，遺傳多樣性指數(shù)較大，表明該性狀遺傳基礎(chǔ)較廣，改良潛力較大，遺傳多樣性指數(shù)較小，則表明該性狀遺傳基礎(chǔ)較窄，改良潛力較小。此外，本研究發(fā)現(xiàn)193份芝麻種質(zhì)資源的數(shù)量性狀遺傳多樣性指數(shù)普遍高于質(zhì)量性狀，這與楊學(xué)樂等的研究結(jié)果一致，說(shuō)明芝麻數(shù)量性狀更易受環(huán)境的影響，而質(zhì)量性狀受環(huán)境影響較小，遺傳更加穩(wěn)定，因此，具有更小的遺傳多樣性指數(shù)。變異系數(shù)和遺傳多樣性指數(shù)都是描述遺傳多樣性的指標(biāo)，變異系數(shù)是表現(xiàn)某性狀變量的離散程度，遺傳多樣性指數(shù)反映的是種質(zhì)資源間性狀的豐富度。本研究表明，變異系數(shù)最高的為空梢尖長(zhǎng)度，最低的為千粒質(zhì)量，與遺傳多樣性指數(shù)排序有所不同，這與呂偉等的研究結(jié)果一致，遺傳多樣性指數(shù)與變異系數(shù)之間不存在相關(guān)性。

聚類分析是應(yīng)用多元統(tǒng)計(jì)分析原理，按照相似程度研究分類問題的一種數(shù)學(xué)方法，分析結(jié)果客觀科學(xué)。本研究采用聚類分析的方法將193份芝麻種質(zhì)資源分為四大類，每一類群都有其顯著的特征特性，這為育種家親本的選擇提供了依據(jù)。主成分分析利用降維的思想，把眾多指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少量綜合指標(biāo)因子，用較少的綜合性指標(biāo)因子對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。呂偉等研究了246 份不同來(lái)源芝麻的14 個(gè)表型性狀，選出產(chǎn)量因子、蒴果因子、株型因子等。韓俊梅等通過(guò)對(duì)200份芝麻進(jìn)行主成分分析，選出株高因子、蜜腺因子、株型因子等。本研究通過(guò)主成分分析將193份芝麻種質(zhì)資源的13個(gè)性狀簡(jiǎn)化為7個(gè)主成分，選出產(chǎn)量因子、蒴果因子、蒴果長(zhǎng)度因子等。以上結(jié)果具有一定的差異，產(chǎn)生這些差異的主要原因可能是選用的種質(zhì)資源和目標(biāo)性狀不同所導(dǎo)致的。

芝麻表型性狀相互之間存在著復(fù)雜的相關(guān)性，影響芝麻種質(zhì)資源高效研究和利用，采用逐步回歸的方法，可以簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)芝麻種質(zhì)資源指標(biāo)。本研究以值為因變量，13個(gè)表型性狀為自變量，篩選出單株產(chǎn)量、株高等8個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)芝麻種質(zhì)資源的關(guān)鍵性指標(biāo)，為高效評(píng)價(jià)芝麻種質(zhì)資源提供理論基礎(chǔ)。此外，基于表型性狀研究具有一定的局限性，為了更加全面了解芝麻種質(zhì)資源的遺傳本質(zhì)，還應(yīng)結(jié)合細(xì)胞生物學(xué)與分子標(biāo)記技術(shù)等，擴(kuò)寬芝麻種質(zhì)資源研究的寬度和深度。

193份芝麻種質(zhì)資源類型豐富，遺傳多樣性豐富，數(shù)量性狀遺傳多樣性指數(shù)高于質(zhì)量性狀。單株產(chǎn)量、株高、主莖茸毛量、始蒴高度、空梢尖長(zhǎng)度、千粒質(zhì)量、每葉腋花數(shù)、蒴果棱數(shù)可作為評(píng)價(jià)芝麻種質(zhì)資源的關(guān)鍵性指標(biāo)，綜合評(píng)價(jià)17-52和17-51表現(xiàn)最好，在今后的育種工作中可加以利用。