基于农艺性状的辣椒种质资源遗传多样性

张 婷,王雪艳,郭勤卫,李朝森,刘慧琴,项小敏,韦 静,赵东风,万红建

(1.衢州市农业林业科学研究院 蔬菜研究所,浙江 衢州 324000; 2.浙江省农业科学院 蔬菜研究所,浙江 杭州 310021)

近年来,我国辣椒种植面积和产量基本保持稳定的水平,辣椒品种的遗传改良、种子繁育与推广成为促进辣椒产业进一步发展的重要工作。种质资源的遗传多样性是遗传改良的基础,目前分子标记技术已用于种质资源遗传多样性鉴定[1-2]。相对而言,形态性状的观测更为直观,操作更简单,在育种和生产实践中也具有重要意义。因此,形态多样性是种质资源鉴定最常用的方法[3]。形态学特征评估与分析方法主要包括标准测量法和形态指数法。前者是根据制定的测量指标与方法,对作物的农艺性状进行测量和记录;后者是通过计算和比较不同形态特征之间的比例关系和指数向量,来评估品种的形态特征[4]。这些方法为定量化地描述和比较品种之间的形态差异提供了数据支持。植物的形态学特征包括植株高度、叶片形状,以及花和果实的大小、形状、颜色等。形态学特征是品种之间遗传差异性和相似性的直观表现,通过测定植物形态特征,可评估种质资源的多样性水平,揭示不同品种之间的遗传差异和亲缘关系[5],为后续的遗传多样性分析提供基础。

辣椒(Capsicumspp.L)作为一种重要的蔬菜作物,其遗传背景的丰富性对于优良品种的选育、种质资源利用与遗传改良具有重要意义。遗传多样性分析有助于筛选具有丰富遗传多样性的亲本进行杂交,从而提高后代的遗传多样性和潜力。同时,通过分析优良品种与野生种质的遗传差异,可挖掘种质中的有利基因和新的遗传变异,以拓宽辣椒的遗传背景,为辣椒的遗传改良和品种选育提供重要参考[6]。遗传差异性和相关性分析可识别与重要农艺性状相关的分子标记,进而实现分子标记辅助选择育种[7-8],提高育种的效率和准确性,缩短育种周期。植株在长期选择和适应过程中可产生表型变异,亦可生成新的稳定基因[9]。系统性地分析辣椒品种的遗传基础和多样性水平,对提高辣椒新品种选育效率具有重要意义。本研究主要以衢州市农业林业科学研究院近10年收集的辣椒种质为材料,以18个主要农艺性状为基础,综合评价分析辣椒种质资源的遗传多样性。

1 材料与方法

1.1 材料

193份辣椒种质资源的性状均能稳定遗传,所有材料均种植在衢州市农业林业科学研究院的东湖创新基地。每个材料定植60株,每个重复20株,共3次重复,采用随机排列,并进行常规管理,编号依次为001～193,其中170、171号材料引自日本,175～193号材料引自美国,其余编号材料均来自中国。

1.2 表型鉴定方法

鉴定方法参考《辣椒种质资源描述规范和数据标准》[10],根据不同性状测定要求的时间进行鉴定。数量性状是每个材料选取3个重复,每个重复测定10株,最后以平均值表示;质量性状中现蕾期、开花期、坐果期以距离实际定植日期(2月27日)的时间为数值进行计算,其余性状描述与赋值参照表1。

表1 质量性状描述与赋值

1.3 数据处理

使用Excel 2010软件整理数据,计算数量性状的基本统计量(最小值、最大值、平均值、标准差和变异系数);以Shannon-Wiener表型多样性指数表示遗传多样性指数,其计算方法参照徐肖等[11]。用R语言进行性状的相关性分析、聚类分析与主成分分析。

2 结果与分析

2.1 辣椒种质资源果实性状与遗传多样性指数

供试辣椒材料果实颜色、果实形状和果实纵横径差异较大。其中,成熟果色有红色、黄色、橙色;果实形状可分为短牛角形、指形、锥形、圆球形等(图1)。

遗传多样性分析发现,辣椒18个表型性状的Shannon多样性指数均在5.0左右,其中成熟果颜色多样性指数最高,为5.25,辣椒成熟果果色有黄色、红色、橙色等。因部分材料引自美国,其生长周期较长,现蕾、开花、坐果期较国内常见种质资源要延迟月余,故现蕾期、开花期、坐果期多样性指数也较高。单果重多样性指数最低,但也达到4.95(表2)。

表2 辣椒各性状遗传多样性分析

2.2 辣椒种质资源数量性状多样性

辣椒不同性状间差异较大,其中数量性状的平均变异系数为42.49%,单果重的变异系数最大(81.98%),其次是果实宽度(53.53%),心室数、开花时间、坐果时间较其他性状而言变异系数较小,分别为23.25%、28.81%、25.85%(表3)。供试的193份辣椒种质资源的18个性状的变异系数均大于20%。

表3 辣椒种质资源数量性状形态多样性统计

2.3 辣椒种质资源主要农艺性状的相关性

对辣椒种质资源的18个农艺性状进行相关性分析发现,多数农艺性状间存在显著或极显著的正相关或负相关关系(表4),且相关系数差异较大。主茎高度与首花节位、柱头相对花药的位置、现蕾期、开花期、坐果期呈极显著正相关,其中与首花节位的相关系数高达0.820,说明主茎高度与首花节位紧密相关。首花节位与现蕾期、开花期、坐果期呈极显著正相关,相关系数约0.600,说明首花节位与现蕾期、开花期、坐果期的相关性中等。现蕾期与开花期、坐果期呈极显著正相关,相关系数分别为0.918和0.866,说明现蕾期和开花期、坐果期相关性极高。开花期与坐果期呈极显著正相关,相关系数最高为0.944,说明开花期和坐果期相关度最高。

2.4 辣椒种质资源的聚类分析

基于马氏距离的类平均法,使用R语言对193份辣椒种质进行聚类分析,结果见图2。193份辣椒种质在马氏距离为40处可分为3大类,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类群中分别含有150、24、19份辣椒种质资源。Ⅰ类群种质数量最多,该类种质花柱高度多数为高于或与花药平齐,主茎高度为极高或极低。Ⅱ类群种质数量次之,其果型偏小、现蕾期、开花期、坐果期较晚。其中,175～193号均引自美国,属于茸毛椒种(CapsicumpubescensKeep.),除175、176、178号聚在Ⅰ类群外,其余均在Ⅱ类群中,且175、176、178号主茎高度约为25 cm,各生育期约42 d,远低于其他美国材料(平均主茎高度43 cm,生育期60～90 d),推测175、176、178号在多年驯化和栽培过程中表型发生稳定变异。Ⅲ类群种质的果实较大,萼片平展或浅包、绒毛稀或无。193份种质资源中有27份种质资源青熟果颜色为乳白色,其中26份分布在Ⅰ类群,且白色果皮种质多数呈相邻的聚类状态,又可分为5个不同类群,其中38、86、35、33、37、31、36和80号聚类在一起,其平均果长小于15 cm ;22、24、21和73号聚类在一起可能是因为其平均果长为15～17 cm;84、23、79、71和72号聚为一类,其平均果长为17～19 cm;74、27、28、58、29和30号聚为一类,其首花节位均在6～8节;78、85和75号聚为一类,其单果重较大,约45 g。由此可说明,白色辣椒种质资源的果形比较丰富;Ⅱ类群中有1份白色果皮种质资源编号为32,推测因其各生育期较长,而分到该类群。

1～193为辣椒种质资源编号。标注红点的种质青熟果颜色为乳白色。1-193 are the No. of pepper germplasm resources. The color of the green ripe fruit of the germplasm marked with red dots is cream.

2.5 辣椒种质资源的主成分分析与种质评价

辣椒种质各性状间存在不同程度的相关性,为消除各性状间的相关影响,利用主成分分析对种质进行评价。以特征值大于1.0为标准[12],提取前6个主成分作为辣椒表型性状的综合指标,累计贡献率达96%(表5),表明这6个主成分能涵盖18个性状的大部分信息。第1主成分的特征值是4.13,贡献率为34%,主茎高度、首花节位、现蕾期、开花期和坐果期的特征值最大,且为正值。田间生产中,主茎矮、首花节位低,现蕾期、开花期和坐果期短更有利于早熟;第2主成分的特征值是2.20,贡献率为18%,萼片形态、果实先端形状、果宽的特征值最大,前者为负值,后两者为正值,该类指标主要与果实性状相关;第3主成分的特征值是1.81,贡献率为15%,果实绿熟期颜色特征值最大,其次为果实长度,前者为正值,后者为负值;第4主成分的特征值是1.52,贡献率为12%,茸毛密度、心室数的特征值较大,分别为0.69、0.67;第5主成分的特征值是1.37,贡献率为11%,花冠颜色、花柱颜色的特征值最大,均为正值,该主成分主要描述花的性状;第6主成分的特征值是1.19,贡献率为6%,成熟期果皮颜色特征值最大且为正。

3 讨论

种质资源的遗传多样性、遗传变异度是育种工作的基础。基于农艺性状有针对地进行品种选择、综合考虑各性状的相互作用是提高育种效率的重要措施[13]。多样性越高,即群体内变异越丰富,筛选到优质育种材料的概率越高[14]。

果色是果实形态研究的重要指标之一,对消费有明显影响,也是品种选育需考虑的因素之一。对于果实形态的遗传多样性研究在诸多园艺作物上均有表现[15-16]。本研究对193份辣椒资源的10个质量性状、8个数量性状进行遗传分析,发现青熟果颜色较为丰富,其Shannon遗传多样性指数为5.18,青熟果颜色除常见的绿色系外还有白色、紫色和黄色,大部分青熟果颜色为白色的辣椒种质聚类在同一个类群,在同一类群中形成5个分布区域,且果长差异明显,说明白辣椒种质资源果形丰富,亲缘关系相对较远。

变异系数是衡量遗传变异潜力大小的标志,表明该群体中调查性状的选择范围。本研究中辣椒单果重变异系数达81.98%,说明从该群体中选出目标单果重个体的几率大。另外,变异系数和遗传多样性指数间未表现出完全一致性,如开花期和坐果期的遗传多样性指数略高于平均水平,而变异系数却低于平均。相关性分析可以通过选择一种性状间接达到选择另一种性状的效果,本研究中开花期、坐果期和现蕾期相关性极高,说明选择其中一个指标即可,从而提高育种的选择效率[17]。果宽与单果重呈极显著正相关,该结果在69个辣椒种质资源(4个辣椒栽培种)中也得到验证,其分析发现的相关系数达85%[18]。

主成分分析和聚类分析是评估作物遗传多样性和筛选优异种质资源中常用的一种分析方法,通过这些方法能够反映作物种质间的遗传差异和相关性状特点,且在作物中已经得到广泛应用[19-20]。本研究通过对18个表型性状进行主成分分析,使各性状之间的影响更为明显。提取的前6个主成分可以反映辣椒主要农艺性状96%的遗传信息。在第3主成分中,果长的特征值虽较大,但为负值。Castillo等[21]研究发现,在第1主成分中果长与单果重的特征值最大且为正,推测可能由于各主成分反映的性状不同而导致差异。根据贡献率、特征值的大小从主成分中选择的果长、果宽、主茎高、花药颜色、开花期等性状是造成辣椒种质资源表型差异的主要原因。遗传聚类图的层次数量可清晰地展示辣椒种质的遗传多样性和亲缘关系的远近,说明经过多年的引种,辣椒资源已经较丰富。此外,来自同一地区的种质并没有聚在一起,可能与种质的变异有关。聚类分析结果可指导育种者有目的地进行种质资源的优化组合,提高育种效率。