大薯实生苗和组培苗植物学性状的多样性分析

翟李楠++吴文嫱++许云++刘清桂++施昌昊++黄东益

摘 要 对中国南方大薯实生苗和组培苗植物学性状的多样性进行研究，可为大薯的遗传育种和分类提供重要依据。分别对50份大薯种质的田间实生苗的20个植物学性状和组培苗的18个植物学性状进行观察，并进行聚类分析。结果表明：大薯种质实生苗茎蔓颜色、叶形、叶基部、叶质地、叶缺裂、叶颜色、叶柄色泽、叶柄两端颜色、叶长宽比、薯块内外表皮颜色、薯肉颜色等12个植物学性状存在种内差异；实生苗和组培苗的聚类分析结果分别将50份种质聚为5个类群和6个类群组，二者的聚类结果有部分差异。大薯种质植物学性状存在丰富的遗传多样性，实生苗和组培苗在叶序、叶形、叶颜色等性状上存在差异。

关键词 大薯 ；组织培养 ；植物学性状 ；多样性分析

分类号 S632.1

Genetic Diversity Analysis on the Botanical Characters of the

Seedling Plant and Tissue Culture Plant of Dioscorea alata

ZHAI Linan WU Wenqiang XU Yun

LIU Qinggui SHI Changhao HUANG Dongyi

（College of Agriculture，Hainan University，Haikou，Hainan 570208）

Abstract The genetic diversity of botanical traits in the seedlings and tissue culture seedlings were analyzed in order to provide references for variety breeding and classification of great yam germplasm resources collected from south of China. The 20 botanical characters of the seedlings and 16 botanical characters of the tissue culture seedlings of 50 collected great yam germplasm resources were investigated to to conduct genetic diversity analysis， cluster analysis for exploring their genetic diversity. The 12 botanical characters exist within species differences， as follows：stem color， leaf shape， leaf base， leaf quality， leaf cleft， leaf color， petiole color， at both ends of the petiole color， leaf length and width ratio， tuber， skin color and tuber flesh color. The clustering analysis of seedlings and tissue culture seedlings of 50 great yams were clustered into 6 groups， the genetic similarity coefficient of the two groups were 0.50 and 0.43， respectively. The results showed that different morphological traits of 44 collected yam germplasm resources presented higher diversity. The seedlings and tissue culture seedlings of great yams were different in the traits of phyllotaxy， leaf shape， leaf color trait differences.

Keywords great yam（Dioscorea alata） ； tissue culture ； botanical traits ； cluster analysis

大薯（Dioscorea alata）为一年或多年生缠绕草质藤本，隶属于薯蓣科（Dioscoreaceae）薯蓣属（Dioscorea L.），又名参薯、脚板薯、柱薯等[1]，分布于世界热带、温带地区，在中国海南、广西、广东、福建等长江以南的多个省份均有种植[2]。大薯能形成肥大的地下肉质块茎，块茎富含淀粉、糖类、维生素、蛋白质、必需矿物质和薯蓣皂苷等物质，营养丰富[3]。在环太平洋地区、加勒比海地区、亚洲、西非等地的一些国家，大薯可以作为重要的粮食作物。由于大薯的淀粉含量高达28%，且高产的单株产量高达50 kg以上[4]，大薯还被视为具有很大发展潜力的能源植物。除了大薯块茎外，大薯茎尖葡萄糖含量高达0.27 g/hg，含有18 种游离氨基酸，黄酮类化合物总量为27.8 mg/hg，因此大薯茎尖可望作为一种新型蔬菜被推广利用[5]。同时，很多研究证实，大薯具有极高的药用价值，具有调节胃肠道功能、抗衰老、增强免疫力、抗肿瘤、降血糖、降血脂等功效[6-10]。

大薯被认为是由野生型在人为选择压力下栽培衍生而来的真正意义上的栽培作物[11]。中国含有非常丰富的大薯种质资源，对大薯种质进行系统的表型和基因型的遗传多样性研究非常有必要。自从20世纪70年代起，研究人员就根据植株的叶子大小、叶脉和薯块形状、肉色等形态特征，对薯蓣属进行种类分析，并开始逐步建立分类系统[12-13]。蔡金辉等[14]通过对山药品种资源的茎横断面、叶脉颜色、棱翼颜色、叶颜色、叶形、叶长、叶宽、叶缺裂、叶基、零余子、开花与否、 薯外表皮颜色、薯肉颜色、肉质等共22个园艺学性状和8项感官品质特征进行分类，将山药分为普通山药和大薯2 个种；再分为5个变种，分别是：长山药、棒山药、长柱形大薯、圆筒形大薯和扁块形大薯；再细分为10个品种群，包含长山药3个品种群、棒山药1个品种群及长柱形大薯、圆筒形大薯和扁块形大薯各2个品种群；程文杰等[15]对113份大薯的叶尖类型、叶色、叶序、茎棱数、自旋程度、自旋方向、缠绕方向、茎有无棱、感病情况、茎基部直径、叶长宽比、单株平均产量等性状进行聚类分析，将南方的大薯种质资源分为六大类。李俏等[16]对19份大薯的8个植物学性状（叶颜色、叶柄颜色、茎颜色、叶脉、茎棱、叶形、叶长、叶宽）进行考察。大薯是多倍体植株，具有几种不同的倍性品种，其中以四倍体植株为优势种[17-18]，迫切需要对大薯制定有效的育种计划，以便对其进行遗传多样性分析以及系统发育和物种起源的阐明[19]。本研究拟对50份收集自中国南方不同省份的大薯种质的田间实生苗和组培苗的植物学性状进行统计，对大薯种质表型的遗传多样性进行研究，探讨能稳定遗传并能表现出来的表型性状，将有利于中国大薯种质资源的分类，并为进一步研究大薯表型与基因型的关系及其与植株抗病、抗逆、产量等的相关性提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 材料

从海南大学薯蓣薯课题组实验基地选取50份大薯种质作为供试材料，材料具体来源见表1，分别来自中国的福建、云南、海南、广西、贵州等省。

1.2 方法

1.2.1 大薯组培苗的培养

用升汞将大薯外植体（幼嫩茎段）消毒（8～10 min）后进行接种，培养基配方为：MS+3% 蔗糖+0.1% PVP+80 mg/L Ad+0.7% 琼脂粉，培养温度为25℃，光照强度为 1 500～2 000 lx，光照12 h。

1.2.2 组培苗和实生苗性状观察和记录

参照黄东益等[20]的方法，在50份大薯种质中分别选取3份材料进行茎蔓、叶片和薯块观察，对实生苗和组培苗的茎蔓旋性、茎蔓截面、茎蔓颜色、茎蔓棱翼、茎刺、叶序、叶形状、叶缺裂、叶质地、叶颜色、叶脉数、叶基部、叶先端、叶长、叶宽、叶柄色泽、叶柄端颜色等进行考察，此外，对实生苗的薯块外表皮颜色、薯块内表皮颜色、薯肉颜色进行考察，对组培苗根的颜色进行考察。

1.2.3 数据处理

利用Excel对数据进行简单处理分析后，利用NTSYS-pc（version 2.10e）分析软件进行标准化转换，然后计算遗传相似系数，并采用非加权配对算术平均法（UPGMA）对植物学性状进行聚类分析， 构建聚类图。

2 结果与分析

2.1 大薯实生苗的植物学性状

对50份大薯种质实生苗的20个植物学性状进行考察可知，大薯种质的实生苗在茎蔓颜色、叶形、叶缺裂、叶质地、叶颜色、叶基部、叶长宽比、叶柄颜色、叶柄端颜色、薯块外表皮颜色、内表皮颜色和薯肉颜色 等12个性状都存在种内变异（表2），但是茎蔓旋性、截面、棱翼、茎刺、叶序、叶尖端和叶脉数等性状不存在差异。结果表明，同一份种质的实生苗间，植物学性状基本一致，色彩、叶形等均没有明显的区别。实生苗的茎蔓都是右旋，截面呈棱形，有棱翼，没有茎刺；茎蔓颜色有绿色和紫色2种，分别占32%和68%。叶序都是兼生，近地部分为互生，中上部为对生；叶先端都是尾尖，叶脉数为7；叶片颜色有绿色和深绿色2种，分别占12%和88%；叶缺裂有全缘和浅缘2种，分别占 94%和6%；叶质地有纸质和革质2种，分别占14%和86%；叶子的长宽比平均值为1.56，分布在1.27～1.82，叶子长都大于宽；叶形有卵形、心形和披针形3种，分别占80%、1%和8%；叶基部有戟形、箭形和耳形3种，分别占10%、52%和38%；植株叶柄颜色有紫色、绿色和浅绿色 3 种，分别占56%、36%和8%；叶柄两端颜色有绿色、紫红色和紫色3种，分别占52%、42%和6%。薯块外表皮颜色有灰褐色和黑褐色2种，分别占56%和44%；内表皮颜色有紫色、白色和紫白相间3种，分别占63%、35%和2%。薯肉颜色有紫色、白色和紫白相间3种，分别占50%、48%和2%。此外，Da77、Da88、Da100、Da101、Da103和Da112等6份种质薯块易发生褐化，薯肉紫白相间的薯块存在紫色和白色分布区域和比例的区别（图1）。

2.2 大薯组培苗的植物学性状

对50份大薯组培苗植物学性状进行观察，大薯种质组培苗的叶形、叶缺裂、叶质地、叶基部、叶长宽比、幼叶颜色、和气生根颜色等7个性状都存在一定的差异（表3），但是茎蔓旋性、截面、棱翼、茎刺、叶序、叶尖端和叶脉数7个性状不存在差异。结果表明，大薯组培苗茎蔓底部右旋，顶部未出现茎蔓旋性；底部成熟茎蔓截面呈棱形，有棱翼，幼嫩茎蔓截面圆形，无棱翼。叶序都是互生；叶形有卵形、心形和三角形3种，分别占46%、46%和8%；叶缺裂有全缘和浅缘2种，分别占94% 和6%；基部叶质地有革质和纸质2种，分别占74%和26%；叶基有戟形、箭形、心形和耳形4种，分别占 52%、6%、34%和8%；大薯叶片长宽比平均值为1.21，分布在0.84～2.00，不同种质之间差异显著，说明这50份大薯组培苗的叶形大小存在明显差异。大薯幼叶颜色有绿色、紫红色和紫色3种，分别占36%、30%和34%。底部根颜色有白色1种；气生根颜色有白色、紫色和紫白色3种，分别占58%、28%和14%。

2.3 大薯组培苗和实生苗植物学性状的比较

通过比较组培苗和实生苗植物学性状，可以发现，组培苗和实生苗的茎蔓旋性、截面、棱翼、茎刺、叶脉数、叶先端等6个性状几乎不存在差异。此外，二者叶缺裂全缘和叶质地革质所占比重均明显较浅缘和纸质大。实生苗和组培苗的叶形、叶基、叶长宽比和颜色之间存在较大的差异。此外，组培苗易长气生根，同一份种质的植株叶片、茎蔓等颜色容易发生变化。除了Da5、Da100和Da272外，所有种质的实生苗长宽比都大于相应种质的组培苗，长宽比相差高达0.7，说明组培苗的叶子大小、叶形与实生苗差异显著。

2.4 50份大薯种质聚类分析结果

2.4.1 50份大薯种质实生苗聚类分析结果

通过观察发现，50份大薯种质实生苗的植物学性状具有不同程度的区别， 根据茎蔓颜色、叶形、叶基、叶质地、叶缺裂、叶颜色、叶柄色泽、叶柄端颜色、叶长宽比、薯块内、外表皮颜色、薯肉颜色等12个性状数据，对50份种质进行聚类分析。结果表明，当欧氏距离为4.85时，50份大薯种质分为5个类群（如图2和表4）。不同类群的特征如下：类群Ⅰ包括32份材料，茎蔓紫色，叶全缘，叶颜色为深绿，叶的长宽比分布在1.30～1.75，其中Da154和Da191只在叶长宽比上略有差异，Da115和Da139也是只在叶长宽比上略有差异；类群Ⅱ包括10份材料，茎蔓绿色，叶全缘、叶革质，叶片为深绿色，叶的长宽比分布在1.29～1.63，叶柄颜色为绿色；类群Ⅲ只有5份材料，茎蔓颜色为绿色，叶全缘，叶纸质，叶颜色为绿色，叶的长宽比分布在1.58～1.64；类群Ⅳ包括2份材料，叶形为披针形，叶浅缘，叶革质，叶色为深绿，叶基部为耳形，叶柄端颜色为绿色，薯肉颜色为白色，叶长宽比分布在1.64～1.75；类群Ⅴ包括1份材料，茎蔓颜色为紫色，叶形为披针，叶浅缘，叶革质，叶绿色，叶基部戟形，叶柄紫色，叶柄端紫红，外表皮黑褐，内表皮紫色，薯肉紫白色，叶的长宽比为1.82。

2.4.2 50份大薯种质组培苗的聚类分析结果

经观察发现，50份大薯种质组培苗的植物学性状具有一定程度的差异。根据有差异的7个表型性状（叶形、叶缺裂、老叶质地、叶基部、叶长宽比、幼叶颜色、气生根颜色）进行聚类分析。结果表明，当欧式距离为3.60时，50份大薯种质组培苗被聚为6个类群（如图3和表5）。分别对各类群进行分析，其特征如下：类群Ⅰ包括34份种质，叶全缘，老叶质地为革质，叶长宽比分布于0.84～1.69，其中Da32和Da77所测性状一致；类群Ⅱ包括11份种质，叶全缘，叶为纸质，叶长宽比分布于0.88～1.42；类群Ⅲ包括1份种质，为Da100；类群Ⅳ包括1份种质，为Da272；类群Ⅴ包括1份种质，为Da24；类群Ⅵ包括 2份种质，为Da62和Da215，叶形为卵形，叶浅缘，老叶革质，气生根颜色为白色。

3 讨论与结论

3.1 大薯种质的植物学性状

大薯属于薯蓣植物的周生翅组，茎蔓右旋，截面棱形，有棱翼，无茎刺，叶脉数为7。本研究结果显示，无论组培苗还是实生苗，木薯茎蔓旋性、截面形状、棱翼和茎刺的有无、叶序、叶脉数、叶尖端这7个性状均不存在差异，与黄玉仙等[21]的研究结论基本相符。同时通过连续2年的大薯植物学性状统计数据对比发现，经过驯化后，大薯茎蔓、叶片、薯块的田间植物学性状基本稳定。聚类分析发现，大薯茎蔓颜色、叶形、叶基、叶质地、叶缺裂、叶颜色、叶柄色泽、叶柄端颜色、叶长宽比、薯块内、外表皮颜色、薯肉颜色等12个植物学性状变异大，这些性状可能受基因型和生存环境的共同影响。

3.2 大薯种质颜色的变异

研究发现，大薯组培苗容易发生颜色变化，可能受到各种色素成分、含量和比例的影响。一般情况下，植物花青素的含量较高时，叶片等呈现紫红色，叶绿素所占比例较大时，呈现绿色[22]。大薯叶片、茎蔓等发生颜色变化，可能是相关色素含量和比例的差异所导致。光、温度、营养元素、叶片形态、结构特征等易对色素生物合成和含量产生影响[23]，因此，大薯组培苗颜色变化的原因可能如下：一是实验室的光照条件，实验室的光照时间和光照强度虽然恒定，但是与大田的自然光还是存在一定的差异，此外，各个植株不同部位的实际光照条件也可能存在差异，从而影响色素的合成和积累；二是实验室的温度，温度高低对叶片色素含量和色素的稳定性存在影响；三是培养基的环境，组培苗是在培养基中存活，培养基和大田土壤可能存在酸碱度、含水量、矿质元素的种类和含量等方面的差异，从而导致色素种类、含量和比例的不同；四是叶片形态和结构。本研究发现，组培苗的叶形、叶基部等形状与实生苗存在差异，这些可能影响到植物光合作用，导致色素比例、含量的差异[24]。具体原因有待将组培苗移栽至大田后进一步观察，考察大薯相关性状的遗传稳定性以及影响花青素合成的环境因素。

3.3 大薯种质聚类分析比较

实生苗和组培苗的聚类结果存在差异，比如组培苗中，Da32和Da77聚为同一类，不存在差异；而实生苗中这2份种质聚为2组，说明二者存在差异。实生苗结果和组培苗结果存在差异，可能是由于二者分类依据的植物学性状不一致及组培苗叶形、叶颜色等植物学性状易发生变化等原因所导致。

本研究中，50份大薯种质实生苗和组培苗的植物学性状欧式距离分别在0.23～6.61和0～5.34，说明大薯种内遗传差异较显著，与吴志刚等[25]对大薯种质遗传多样性的ISSR分析结果和Tamiru等[26]对山药种质遗传多样性的AFLP分析结果相一致。将本研究中的实生苗聚类分析结果与李俏[27]的聚类结果进行比较，发现在17份相同的种质中，二者的聚类结果相似度很高，说明根据大薯植株的植物学形态对大薯种质进行分类，具有较高的可信度。本研究中，部分种质的表型聚类结果与许云等[28]的AFLP聚类分析结果相同，如Da90、Da103、Da140、Da142、Da174等都聚为一类，但也有部分种质在这2种聚类分析中并没有都聚为同一类，说明大薯的表型聚类与分子遗传多样性的聚类结果有所差异，应加大表型测定群体数量及指标。本研究中，组培苗和实生苗的表型聚类结果并未一致，说明部分表型性状受环境因素影响大，这可能是由于大薯种质在组培过程中发生了适应性的变异。聚类分析中第I类实生苗的32份材料中有23份与组培苗第I类中的34份材料同聚为一类，说明这些种质有更加紧密联系的遗传基础。

参考文献

[1] 广东植物所. 海南植物志（第四卷）[M]. 北京：科学出版社，1977：148-149.

[2] 刘媛洁，余 俏，张 良. 脚板薯的研究进展[J]. 安徽农业学报，2013，41（24）：9 951-9 953，9 956.

[3] 邱珊莲，王伟英，张少平，等. 福建武平参薯与其同属植物山药中营养成分的比较分析[J]. 热带作物学报，35（11）：2 307-2 311.

[4] 中国科学院中国植物志编辑委员会. 中国植物志（第16卷）[M]. 北京：科学出版社，2004：117-119.

[5] 宋曙辉，刘庞源，何伟明，等. 紫山药茎尖营养及功能成分分析[J]. 营养学报，2014，36（5）：508-510.

[6] 程道梅，韩珍琼. 山药蜂蜜保健果冻制作工艺优化[J]. 安徽农业科学，2011，39（49）：11 961-11 963.

[7] Omoruyi F O，McAnuff M A，Morrison E Y，et al. Asemota. Bitter yam as a source of sterols with cholesterol-reducing properties in the blood[C]. Proceedings of the 3～（rd） International Conference on Natural Products ：Natural Products -a Must for Human Survival ABSTRACTS，2004：1.

[8] 徐 皓，杨培君，柳亚辉. 紫参薯中花色苷提取工艺研究[J]. 中国调味品，2013，38（6）：71-74.

[9] ZHAO Y L， SONG H R， FEI J X， et al. The effects of Chinese Yam-Epimedium mixture on respiratory function and quality of life in patients with chronic obstructive pulmonary disease[J]. Journal of Traditional Chinese Medicine， 2012， 32（2）： 203-207.

[10] Jaleel C A， Gopi R，Manivannan P， et al. Changes in biochemical constituents and induction of early sprouting by triadimefon treatment in white yam（Dioscorea rotundata Poir.） tubers during storage[J]. Journal of Zhejiang University（Science B：An International Biomedicine & amp； Biotechnology Journal）， 2007， 8（4）： 283-288.

[11] Joseph S， Norman S. Evolution of crops plants[M]. London：Longman Group Limited.， 1995： 112-120.

[12] Velayudhan K C， Muralidharan V K， Amalraj V A， et al. Studies on the morphotypie variability，distribution and genetic divergence in an indigenous collection of greater yam（Dioscorea alata L.）[J]. Journal of Root Craps， 1989， 15（2）： 79-89.

[13] Lebot V， Trilles B， Noyer J L， et al Genetic relationships between Dioscorea alata L. Cultivars[J]. Genetic Resources and Crop Evolution， 1998， 45（6）： 499-509.

[14] 蔡金辉，严渐子，黄晓辉，等. 山药品种资源的分类研究[J]. 江西农业大学学报，1999，21（1）：55-57，59.

[15] 程文杰. 大薯种质资源遗传多样性分析[D]. 海口：海南大学，2010.

[16] 李 俏，黄小龙，陈银华，等. 薯蓣植物的染色体数目与形态特征相关性分析[J]. 热带作物学报，2011，32（9）：1 605-1 609.

[17] Arnau G， Nemorin A， Maledon E， et al. Revision of ploidy status of Dioscorea alata L.（Dioscoreaceae）by cytogenetic and microsatellite segregation analysis[J]. Theoretical and Applied Genetics， 2009， 118（7）： 1 239-1 249.

[18] Obidiegwu J E， Rodriguez E， Ene-obong E E， et al. Estimation of the nuclear DNA content in some representative of genus Dioscorea[J]. Scientific Research and Essay， 2009， 4： 448-452.

[19] Lebot V. Tropical root and tuber crops： cassava， sweet potato， yams and aroids（Crop production science in horticulture）[M]. Wallingford： CABI Press， 2009： 413.

[20] 黄东益，黄小龙. 山药种质资源描述和数据质量控制规范[M]. 北京：科学出版社，2013.

[21] 黄玉仙，王丰青，杜家方，等. 薯蓣属植物种质资源形态变异的数量分析[J]. 中国中药杂志，2013，38（3）：318-324.

[22] 张 平. 几种常见彩叶植物的色素组成与叶色关系的研究[J]. 山东林业科技，2008（3）：14-16.

[23] 陈延惠，李跃霞，郭晓丽，等. 园艺植物叶色变化机制研究进展[J]. 河南农业科学，2011，40（12）：30-34.

[24] 占达东，陈娃姑，黄宏健. 参薯色素的稳定性研究[J]. 海南大学学报（自然科学版），2005，23（3）：233-237.

[25] 吴志刚，冷春鸿，陶正明，等. 参薯种质遗传多样性的ISSR分析[J]. 中国中药杂志，2009，34（23）：3 017-3 020.

[26] Oli M T， Becker H C， Maass B L. Genetic diversity in yam germplasm from ethiopia and their relatedness to the main cultivated dioscorea species assessed by AFLP markers[J]. Crop Science，2007，47（4）： 1 744-1 753.

[27] 李 俏. 薯蓣植物种质资源初步评价[D]. 海口：海南大学，2011.

[28] 许 云，吴文嫱，谢 俊，等. 111份大薯种质资源遗传多样性AFLP分析[J]. 植物遗传资源学报，2014，15（2）：299-304.