基于表型性状的不同梨品种遗传多样性分析

白玉娥 李今普 师鹏飞 王荣学 高颖 胡志健 杨荣

关键词：梨；表型性状；遗传多样性；主成分分析；聚类分析

梨在我国栽培历史悠久，种植范围覆盖全国各地。世界上梨属植物共约35个种，其中有13个种起源于中国，根据起源地不同可分为东方梨和西方梨。不同品种梨在表型（如果实横纵径、果形指数、果皮及果实硬度等）及内在营养成分（包括功能活性物质）上均存在较大差异，导致不同品种拥有不同的品质特征，这为梨遗传改良提供了丰富的种质资源。目前，有关梨种质资源遗传多样性的研究，利用RAPD、SSR、SSAP和cpDNA等分子标记技术进行的较多，但基于表型性状进行的相对较少，且针对内蒙古地区选用的资源往往更有限。张冰冰等对143份寒地梨种质表型性状的分析结果表明，幼叶颜色、叶面状态、果实形状、抗寒性、梨黑星病抗性、单果质量和可溶性固形物含量等性状变异丰富。

内蒙古自治区大部分地处干旱地区，光热资源丰富，昼夜温差大，而且土壤肥沃，独特的自然环境为农作物生长提供了良好的条件。梨是内蒙古自治区主要栽培水果之一，随着农业产业结构的优化调整，内蒙古梨果产业得到了快速发展，截至2015年底全区梨树种植面积1.47万hm2，果实年产量17万t，种植品种以苹果梨为主，其次是锦丰梨、早酥梨和南果梨。但近年來，由于栽培品种单一、专用和特色品种选育及应用滞后、鲜果供应期短、果实品质较差、栽培管理技术落后等原因，果农生产积极性受到影响，梨树种植面积逐年减少，严重阻碍了内蒙古梨产业的发展。因此，引进、筛选、培育内蒙古自治区适生的、多用途的优良梨品种，对于提高当地果农的经济收益和促进林果业的产业化进程，具有重要的现实意义。

表型多样性是物种遗传多样性的重要组成部分，遗传多样性的丰富度对品种改良和新品种选育有着直接影响。一般采用变异分析、相关分析等多种统计分析方法对品种的产量性状及植株性状进行考察分析，以帮助筛选出优质的品种。本研究对保存于巴彦淖尔市梨树资源圃的18个梨品种的140个单株进行表型性状分析，以揭示梨不同品种的表型差异规律，从而为当地改良现有梨品种、选育新品种及高效利用梨种质资源提供理论支持。

1材料与方法

1.1试验材料

供试梨株均种植于内蒙古巴彦淖尔市沙漠综合治理中心的梨树资源圃，各品种均利用对35年树龄苹果梨高接换头的方式保存。共选取18个梨品种的140株树龄相同的盛果期树，其中群体数大于10株的品种选10株进行观测，群体数不足10株的品种全部进行观测。详见表1。

1.2调查性状及试验方法

参照《植物新品种特异性、一致性和稳定性测试指南梨》（GB/T 19557.30-2018，以下简称测试指南），选择枝条、叶片、果实部分的9个质量性状和19个数量性状，于2021年7-9月进行调查。

1.2.1样品选取对140个样株从东、西、南、北4个方向随机选取样品，每个样株各方向随机选取3个生长良好的枝条、20片位于枝条中部的成熟叶片和10个无病害的成熟果实。

1.2.2质量性状调查与赋值以测试指南中相应性状的描述或标准图片作为参考，经综合考量与比较后记录各质量性状，并进行赋值（表2）。

1.2.3数量性状测量与调查一年生枝节间长度、叶长、叶宽、叶柄长、果实纵径、果实横径、果梗长度、果梗粗度用游标卡尺测量，精确到0.01mm。每个指标从选取的样品中以20个数据为一组，重复测量3次。树势、树成枝力、树姿态、一年生枝皮孔密度、叶相对枝着生姿态、果实最大横径位置、果实盖色相对面积、果面果锈相对面积、果点大小、果点密度、果梗相对果实纵轴位置参照测试指南的标准进行观测记录，非数值型性状赋值见表3。

1.3数据处理与统计分析

用Shannon-Weiner多样性指数分析不同梨品种的遗传多样性，计算公式为：

用Microsoft Excel进行数据处理和统计分析。用SPSS 26软件进行主成分分析，根据欧式距离对不同品种和不同性状分别进行Q型和R型聚类分析。

2结果与分析

2.1 18个梨品种质量性状多样性分析

从表4可以看出，18个梨品种的9个质量性状变异程度较大，变异系数为11.78%～64.72%，其中一年生枝向阳面主要颜色的最大，叶边缘形状的最小；多样性指数范围在0.22～1.33之间，平均为0.9。说明这18个品种的9个质量性状都存在着丰富的变异。其中，一年生枝向阳面主要颜色的多样性指数最高，以黄绿色（38.10%）和暗褐色（38.10%）为主，两者分布频率达到76.20%；其次为叶形状，多样性指数为1.11，卵圆形占比最大，为58.62%；叶基部形状的多样性指数为1.09，圆形占比最大，为57.89%：叶片状态的多样性指数为0.97，内卷（47.22%）和平展（44.44%）占比较大：果实盖色的多样性指数为0.96，浅红色最多（57.14%），其次为橙色（28.57%）；果实底色的多样性指数为0.85，绿色占比最大（66.67%），黄色次之（22.22%）；叶尖端形状的多样性指数为0.83，渐尖占比最高，为65.38%：叶片颜色的多样性指数为0.72，绿色占比最大（70.83%）；叶边缘形状的多样性指数最低，为0.22，绝大部分为锐锯齿形（94.40%）。

2.2 18个梨品种数量性状的多样性分析

由表5可见，19个数量性状中果实盖色相对面积的变异系数最大，为59.54%；叶宽的变异系数最小，为9.28%。多样性指数变化范围为0.35～1.53，果实盖色相对面积的多样性指数最大，一年生枝皮孔密度的最小，平均值为1.02，明显高于质量性状，说明这18个梨品种的数量性状变异更为丰富。

2.3 18个梨品种表型性状的主成分分析

影响梨表型的因素较多，所调查的表型性状间存在一定的信息重叠，为了清楚显示各因素在表型多样性构成中的作用，本研究使用主成分分析法对所调查的28个表型性状进行分析。经过KMO检验（KMO>0.6）和巴特利特检验（P<0.05），证明数量性状间关联性较高，说明调查的表型性状间存在信息重复现象，可以用主成分分析降维筛选指标。以特征值>1为标准，共提取出10个主成分，累积贡献率（74.26%）大于70%，表明这10个主成分能够代表大部分表型性状的变异（表6）。

第1主成分的特征值為4.299，对表型变异的贡献率最大，达15.352%，以果实底色的贡献最大（-0.730），果实横径次之（0.710）。第2主成分特征值为3.302．贡献率为11.792%，贡献最大的性状为果实盖色相对面积（-0.831），叶相对枝着生姿态次之（0.615）。第3主成分特征值为2.438，贡献率为8.707%，果点大小贡献最大（0.561），其次为果实盖色（-0.552）。第4主成分的特征值为2.101，贡献率为7.504%，其中，一年生枝皮孔密度的贡献最大（0.660），一年生枝向阳面主要颜色次之（-0.517）。第5主成分的特征值为1.982，贡献率为7.079%，其中，果实盖色贡献最大（-0.521），果实最大横径位置次之（-0.491）。第6主成分的特征值为1.690，贡献率为6.037%，其中，叶长贡献最大（-0.447），叶片颜色次之（0.429）。第7主成分的特征值为1.421，贡献率为5.073%，其中，叶尖端形状的贡献最大（-0.474），树势次之（0.412）。第8主成分的特征值为1.290，贡献率为4.607%，其中，果梗长度贡献最大（0.421），树姿态次之（-0.366）。第9主成分的特征值为1.212，贡献率为4.329%，其中，叶形状的贡献最大（0.525），一年生枝节间长度次之（0.409）。第10主成分的特征值为1.059，贡献率为3.780%，其中，叶柄长贡献最大（0.492），一年生枝节间长度次之（0.471）。

通过分析，提取出18个贡献最大的表型性状，包括树势、树姿态、一年生枝节间长度、一年生枝皮孔密度、一年生枝向阳面主要颜色、叶相对枝着生姿态、叶长、叶柄长、果实横径、果实最大横径位置、果实盖色相对面积、果点大小、果实底色、果实盖色、果梗长度、叶片颜色、叶形状、叶尖端形状。综合来看，导致梨品种表型性状差异的主要因素是果实形态，其次是叶片形状及枝条部分形态，可将其视为梨种质评价的主要形态指标。

2.4 18个梨品种主要形态指标的R型聚类分析

对28个表型性状指标进行R型聚类分析，可将信息重叠的性状聚在一起，从而凸显出重要性状在梨品种分类上的价值。从图1可以看出，在欧氏距离25处可将28个表型性状分为两大类群，在欧式距离15处可将28个表型性状分为19个类群。各类群之间距离较远，说明类群间性状相关性较低，可以用于反映不同品种的差异。同一类群的指标之间具有较强的相关性，因此可结合生产实际，从中选出代表性的指标，如树势和树成枝力聚为一类，可以将树势选为代表性指标：果实纵径和果实横径聚为一类，则可以将果实横径选为代表性指标。总体来看，据此选出的指标与主成分分析筛选出的指标基本一致。

2.5 18个梨品种的Q型聚类分析

基于主成分分析筛选出的18个主要形态指标，采用Q型聚类分析法对18个梨品种进行聚类分析，结果见图2。可以看出，在欧氏距离8处可以将18个品种分为4大类群。第一类群仅包含巴梨，因其果实大小远超平均水平（果实纵径149.9mm，果实横径97.0mm），被单独分为一类。第二类群为寒香梨和寒雅梨，这两个品种均来源于吉林且果实相对其他品种较小（果实纵径和横径均值都小于60.0mm）。第三类群为早酥梨、红早酥梨、柯夫梨和苹果梨，均来源于巴彦淖尔市。第四类群包括余下的11个品种，在欧式距离5处又可分为3组，其中，第1组包括新梨七号、红香酥、玉露香三个品种，均来自于山西晋中；第2组仅包含吉香梨，来自吉林；其余7个品种均聚在第3组。

3讨论与结论

表型性状是生物体在基因型与生活环境共同作用下形成的外在形态特征，是物种鉴别、保护以及新品种选育的重要依据。表型多样性可直观反映物种遗传多样性，是最直接且简便的遗传变异评价方法，在物种的适应性及农艺性状改良方面具有重要意义。本研究对巴彦淖尔市梨树资源圃中保存的18个梨品种的140个单株进行表型质量性状和数量性状分析，结果表明供试梨种质从树形、一年生枝、叶片、果实形态方面均表现出丰富的表型多样性。张丽娟对滇中南地区野生川梨砧木资源的研究也得到类似结论。丰富的遗传多样性为我国梨品种改良及新品种选育奠定了良好的基础。Shannon-Weiner多样性指数能够直观反映出植物性状的分级与分布情况，数值大小能够反映出表型的均匀度与丰富度。本研究结果显示，梨品种数量性状的Shannon-Weiner多样性指数平均值为1.02，大于质量性状的平均值（0.90），说明在表型多样性方面数量性状差异要高于质量性状，该结果与周兆禧、郑斌等在梨种质表型多样性方面的研究结果类似。本研究发现所调查的9个质量性状中果实颜色和叶片形态方面性状在不同梨品种间差异性较大，叶形、叶片基部形状和尖端形状表型较为丰富，这也与颉刚刚等的研究结论较为一致。

变异系数是品种间表型性状变异幅度大小的反映，值越大说明该表型性状在品种间的差异越大，遗传多样性越丰富，用于鉴别品种时更具科学合理性：值越小说明该表型性状在品种间的差异越小，遗传稳定性越好，越不易受到外界环境因素等的影响。本研究调查的梨19个数量性状变异系数范围为9.28%～59.54%，除叶宽外变异系数均大于10%，说明这些性状在梨品种间差异较大。其中，果实纵径的变异系数最大，叶柄长和果梗长度的次之，表明梨的果实和叶片变异更为丰富。

主成分分析可以通过降维的方法将关系复杂的多个性状转化为较少的几个主成分，从而去除冗余，简化资源评价及筛选程序。本研究对选用的9个质量性状和19个数量性状进行主成分分析，以特征值大于1为标准共提取出10个主成分，累积贡献率为74.260%，其中前5个主成分的累积贡献率为50.434%，主要解释果实底色、果实横径、果实盖色相对面积、叶相对枝着生姿态、果点大小、果实盖色、一年生枝皮孔密度、一年生枝向阳面主要颜色、果实盖色、叶长，说明果实形态、叶片大小和枝条形态在反映梨品种特征方面有着重要作用。本研究对28个表型性状的R型聚类分析也得到基本一致的结果。然而，本次主成分分析的累计贡献率没有超过80%，因此只能大体上反映本次试验调查的表型性状。

本研究所用的18个梨品种主要来自内蒙古巴彦淖尔市、山西晋中和吉林。通过Q型聚类分析在欧式距离8处可将这18个品种分为4大类：巴梨来自巴彦淖尔市且果实大小远超平均水平，被单独分为一类：寒香梨和寒雅梨均来源于吉林且果实相对其他品种较小，被聚为一类；早酥梨、红早酥、柯夫梨和苹果梨均来源于巴彦淖尔市，表现较优，被聚为一类；余下的11个品种聚为一类。前三类的7个品种表型变异程度较大，多样性丰富，应着重保护和管理。第四类的11个品种在欧氏距离5处又可分为3组，第1组包括新梨七号、红香酥、玉露香三个品种，均来自于山西晋中；第2组仅包含吉香梨，来自吉林；其余品种划分为第3组。可以看出Q型聚类中品种间的表型差异与种源地有着一定关系。但有些品种并没有按照来源地分类，可能是由于梨资源的交叉利用或者是部分表型性状容易受到外界环境影响。

表型性状研究是生物学研究的基础，但表型性状分析结果容易受主观因素及环境条件等的影响，而且梨的遗传背景复杂，仅依靠表型性状分析无法对其进行准确分类和深入研究，还需结合生理生化分析和分子生物学手段等综合进行，从而为新品种的选育以及核心种质的构建等奠定基础。

综合本研究结果，供试18个梨品种具有极其丰富的表型多样性，且数量性状的多样性高于质量性状：果实形态和叶片形状相关性状是梨种质资源评价的重要指标。这可为当地梨品种的保护利用及新品种选育提供参考。