依據表型性狀對紫薇遺傳多樣性的評價1)

王芝懿 李振芳 彭嬋 陳英 張新葉

(湖北省林業科學研究院，武漢，430075) (南京林業大學) (湖北省林業科學研究院)

紫薇(Lagerstroemiaindica)是千屈菜科(Lythraceae)紫薇屬(LagerstroemiaLinn.)落葉灌木或小喬木,品種較多,花色艷麗,有“滿堂紅”之稱[1-2]。紫薇花期較長,一般在6—9月份,是夏季重要的觀賞植物[3]。在我國,紫薇不僅資源豐富,而且具有較高的觀賞價值,廣受人們喜愛,因此對于紫薇資源的保護、育種和相關研究具有十分重要的意義和價值。

遺傳多樣性分析是種質資源研究的主要內容之一[4]。各物種遺傳多樣性研究可通過分子標記數據和表型性狀指標兩種方式進行分析評價。依據分子標記進行遺傳多樣性分析的優點在于,其可大大減少環境因素影響,穩定性較強[5],通過SSR分子標記[6]、SNP標記[4]、ISSR分子標記[7]等方法均可對紫薇進行遺傳多樣性研究分析,鑒定種間親緣關系等。而表型性狀則可更加直接的觀察、統計、分析,進而結合統計數據進行綜合評價[8]。根據表型性狀指標來檢測物種遺傳變異性是最為直觀、最易操作的方法,目前在甜菜[9]、白木香[10]、油茶[11]、櫻花[12]等物種中均有采用表型性狀進行遺傳多樣性分析的研究。于紫薇而言,主要是對其形態特征、生物學特性、觀賞性狀及抗性進行種質資源的評價?，F有關紫薇表型性狀的研究主要包括：王業社[13]等人對111個紫薇品種進行了表型性狀的調查分析,結果顯示紫薇的表型遺傳多樣性大;張鴿香[14]等人對南京及常州地區的紫薇種質進行了表型性狀的統計調查,研究表明共記錄了65個品種;陳發軍[15]等人對紫薇的花、葉、果物候特征進行了綜合分析及評價。依據不同表現性狀,學者們也發布了不同紫薇新品種,并進行推廣栽培[16-20]。

本研究通過對187份紫薇種質的13個表型性狀進行變異系數分析、遺傳多樣性分析和相關性分析等研究,以揭示其表型遺傳多樣性,為紫薇種質資源的開發、利用和選育提供科學依據。

1 材料與方法

本研究材料為種植于武漢九峰國家長期試驗基地的187份紫薇種質,包括從美國引進的90份種質和從國內收集的97份種質。

測量方法及指標參考《植物新品種特異性、一致性、穩定性測試指南紫薇》[21],選取著花數(S1)、花序長(S2)、花序寬(S3)、花瓣數(S4)、花徑大小(S5)、葉片長(S6)、葉片寬(S7)、當年生梢長(S8)、當年生梢節間數(S9)、花香味(S10)、抗白粉病害能力(S11)、抗象甲蟲害能力(S12)、花色(S13)等13個表型性狀進行觀測和統計。其中對花香味、抗病蟲害能力的質量性狀進行賦值表示(表1),花色用RHS植物比色卡比色觀測。

表1 質量性狀測定標準

通過Excel 2021對各性狀數據進行統計分析,并計算各性狀變異系數和遺傳多樣性指數。其中變異系數=(標準偏差/平均值)×100%[22],遺傳多樣性指數=-∑PilnPi[23-24],Pi為材料中第i種個體占總材料的比例。再利用SPSS 24.0軟件對紫薇性狀進行主成分分析、相關性分析和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 表型性狀遺傳多樣性

通過對不同種質資源的表型性狀觀測,可對其遺傳多樣性變異水平有直觀的了解[25]。遺傳多樣性指數是度量性狀遺傳多樣性水平的測度,其指數值越大說明該性狀遺傳多樣性越豐富[26]。變異系數是反映數據離散程度的絕對值,變異系數越大說明該性狀在不同個體間的變異程度越大[27-28]。

本研究通過對187份紫薇種質資源9個數量性狀和4個質量性狀進行統計分析,結果表明(表2)：9個數量性狀的遺傳多樣性指數在0.38～2.09,花瓣數遺傳多樣性指數最小為0.38,大部分紫薇花瓣數為6枚,極少花朵花瓣數為5枚,說明紫薇種質花瓣數的表型遺傳多樣性較小,其遺傳變化不大?；ㄐ蜷L遺傳多樣性指數最大為2.09,最大花序長為32.60 cm,最小花序長為6.60 cm,表明紫薇種質的花序長表型遺傳多樣性較為豐富。9個數量性狀的遺傳多樣性指數由大到小排序為：花序長(S2)、著花數(S1)、花序寬(S3)、葉寬(S7)、葉長(S6)、花徑(S5)、當年生梢節間數(S9)、當年生梢長(S8)、花瓣數(S4),各性狀的平均遺傳多樣性指數為1.84。9個數量性狀的變異系數范圍位于2.31%～42.27%,變異系數最大的為著花數,最小的為花瓣數,其中花瓣數的變異系數小于10%,說明花瓣數的變異程度較小,其余性狀的變異系數均大于10%,說明紫薇的其余8個性狀在個體間變異程度較大。9個數量性狀的變異系數由大到小排序為：著花數(S4)、當年生梢長(S8)、當年生梢節間數(S9)、花序長(S2)、花序寬(S3)、葉長(S6)、葉寬(S7)、花徑(S5)、花瓣數(S4),各性狀的平均變異系數為23.97%。

表2 紫薇9個數量性狀遺傳多樣性

對紫薇種質的4個質量性狀進行遺傳多樣性分析,由表3可知,遺傳多樣性指數范圍為0.092～3.489,花色的遺傳多樣性最大,其中花色為紫紅色的最多,占比為64.7%?；ㄏ阄兜倪z傳多樣性最小,其中無香味個體較多,占比為98.4%。參試紫薇樣品中,均有白粉病和象甲蟲害,其中病害程度占整株材料0～10%的有91.4%,蟲害程度在0～10%的有79.1%。質量性狀的遺傳多樣性指數由大到小排序為：花色(S13)、象甲蟲害(S12)、白粉病(S11)、花香味(S10)。

表3 紫薇4個質量性狀遺傳多樣性

2.2 紫薇種質資源數量性狀相關性

相關性分析是衡量兩個性狀間的密切程度。通過對紫薇種質資源9個數量性狀的相關性分析,結果表明(表4),各數量性狀間有24對性狀存在顯著或者極顯著相關性,其余性狀間也存在不同程度的相關性。著花數與花序長寬、葉長寬、當年生梢長存在極顯著正相關,與花徑和當年生梢節間數存在顯著正相關;花序長與花序寬、花徑、葉長寬、當年生梢長存在極顯著正相關;花序寬與花徑、葉長寬、當年生梢長存在極顯著正相關,與當年生梢節間數存在顯著正相關;花瓣數與花徑存在極顯著正相關,與葉長呈顯著負相關;花徑與葉長存在顯著負相關;葉長與葉寬和當年生梢長呈極顯著正相關;葉寬與當年生梢長呈極顯著正相關;當年生梢長與當年生梢節間數呈極顯著正相關。

表4 紫薇數量性狀的相關性

2.3 主成分分析

對參試紫薇材料9個數量性狀進行主成分分析,取特征值大于1.0的前3個主成分,由表5可知,3個主成分的貢獻率分別為38.483%、18.383%和17.821%,累計貢獻率達74.687%。第1主成分特征值為3.464,其中特征向量值大于0.70的有著花數、花序長、花序寬和葉片寬4個表型性狀,主要反映了紫薇著花數、花序大小及葉寬的表型性狀;第2主成分特征值為1.654,特征向量絕對值較大的為花徑的特征向量0.604,反映的是紫薇花的大小;第3主成分特征值為1.604,其中特征向量絕對值較大的為當年生梢長和當年生梢節間數,分別為0.701和0.533,反映了紫薇當年生的樹梢長度。綜合特征值和貢獻率可知,著花數、花序長寬、葉片寬、花徑大小、當年生梢長和當年生梢節間數是紫薇種質表型差異的主要原因。

表5 紫薇數量性狀主成分分析結果

2.4 聚類分析

通過對紫薇種質9個數量表型性狀的聚類分析(圖1),發現在歐氏遺傳距離為15.0時可根據著花數多少、花序大小、花大小、葉長寬及新梢長短等性狀將紫薇分為3類,第1類(Ⅰ)包含156個紫薇種質,平均著花數較少為67.61個,花序較小,平均花序長寬為19.61和16.61 cm,花較大,平均花徑為3.94 cm,葉片較小,平均葉長葉寬為5.00和2.99 cm,當年生新梢較短,平均為34.17 cm;第2類(Ⅱ)包含了30個紫薇種質,平均著花數多為130.96個,花序大,平均花序長寬為24.82和20.43 cm,花較小,平均花徑為3.86 cm,葉片大,平均葉長葉寬為5.58和3.32 cm,當年生新梢長,平均為40.33 cm;第3類(Ⅲ)只有1個種質,為湖北野生紫薇。在歐氏遺傳距離為10.0時可進一步分為6個亞類：Ⅰ-1、Ⅰ-2、Ⅰ-3、Ⅱ-1、Ⅱ-2和Ⅲ。其表型特征如表6所示,在Ⅰ-1中75份種質平均花徑最大,其余8個表型性狀均屬于中間大小;Ⅰ-2中有80份種質,其花徑、葉片大小、當年生新梢和梢上節間數最小;Ⅰ-3中只有1份種質;Ⅱ-1中種質特征是平均著花數大,是6亞類中最大的;Ⅱ-2中主要性狀特征為其平均花徑小;Ⅲ中只有一份種質,其當年生梢和梢上節間數較大。

圖1 紫薇表型性狀聚類圖

3 結論與討論

遺傳多樣性可為種質資源的利用、保護和評價提供必要信息[29],而表型性狀正是內外部環境對物種綜合影響下的直觀表現[24,30],其中表型的遺傳多樣性指數和變異系數可有效描述品種的變異程度[31]。本研究通過對187份紫薇種質資源的著花數、花序長、花序寬、花瓣數、花徑大小、葉片長、葉片寬、當年生梢長、當年生梢節間數、花香味、抗白粉病害能力、抗象甲蟲害能力、花色等13個表型性狀進行觀測、統計和遺傳多樣性分析,發現本研究觀測的紫薇種質表型性狀具有豐富的遺傳多樣性和變異度。其表型平均遺傳多樣性指數為1.84,比王業社[13]等人的研究結果0.707更加豐富,數量性狀中著花數遺傳多樣性最大,說明紫薇著花數在遺傳過程中較為豐富,而花瓣數的遺傳多樣性最小,說明紫薇花瓣數變異較小;質量性狀中花色的遺傳多樣性指數最大,花香味的遺傳多樣性指數最小,說明紫薇花色變化較為豐富。變異系數在0～15%時表示遺傳變異度較小,變異系數在15%～30%時表示遺傳變異度中等,變異系數大于30%時分別表示遺傳變異度較大[32]。本研究紫薇變異系數范圍在2.31%～42.27%,平均變異系數為23.97%,除花瓣數的變異程度較小,其余表型性狀變異程度均為中等或較大,說明該性狀具有較豐富的優良遺傳潛力,這與楊彥伶[33]等的研究結果不一致,但差異不大,可能與材料選取不同有關,總體變異程度結果一致。結合數量性狀和質量性狀綜合分析,數量性狀的遺傳多樣性大于質量性狀,這與大多物種研究結果相同,如孫佩[22]等人在對119份月季的表型性狀研究結果中顯示,其數量性狀的遺傳多樣性總體大于質量性狀的遺傳多樣性;王業社[13]等在對111個紫薇品種進行表型多樣性分析后得出其數量性狀多樣性大于質量性狀多樣性;張葉[23]等人在77份文心蘭種質表型研究方面也得出相同結論。本研究除花瓣數和花色性狀外,花瓣數的變異系數和遺傳多樣性均為最小,說明紫薇花瓣數不易受環境和基因影響,而其余數量性狀和花色的遺傳多樣性指數和變異系數較大,說明其更易受到環境和基因的影響而變化,這與王業社[20]、Szamosi et al.[34]的研究結果一致。

表6 聚類分析表型性狀特征值

通過對9個數量性狀相關性分析,有效揭示了紫薇數量性狀間的關聯性,其24對性狀存在顯著或者極顯著相關性,其余性狀間也存在著不顯著的相關性,其中葉長和葉寬、當年生梢長和當年生梢節間數、花序長和花序寬等性狀關聯性較為密切,這與賀丹[35]、楊彥伶[36]的研究結果一致,均顯示葉片長與葉片寬相關性較大。主成分分析通過降維的統計方法將多個表型性狀指數統計為幾個較為重要的成分,可進一步對其進行綜合評價和分析[37-38]。本研究利用主成分分析,選取特征值大于1.0的前3個主成分,累計貢獻率達74.687%,其中著花數、花序長寬、葉片寬、花徑大小、當年生梢長和當年生梢節間數等性狀可作為評價紫薇種質資源遺傳多樣性的重要指標。通過聚類分析,在歐氏遺傳距離為15.0時可將紫薇根據著花數、花序大小、花大小、葉長寬及新梢長等性狀不同分為3大類,在歐氏遺傳距離為10.0時又可根據其余不同表型性狀細分為6個亞類。

本研究通過對187份紫薇種質資源的13個表型性狀進行遺傳多樣性分析、主成分分析、相關性分析和聚類分析,結果表明,紫薇種質資源遺傳多樣性較為豐富,變異程度較大,為紫薇種質資源的開發、利用、保護和選育提供科學依據和參考。