贵州紫苏种质资源表型性状的遗传多样性

［KH－*3D］魏忠芬，李慧琳，奉斌，杨胜先，林涛，黄泽素

(贵州省油料研究所，贵州贵阳550006)

贵州紫苏种质资源表型性状的遗传多样性

［KH－*3D］魏忠芬，李慧琳，奉斌，杨胜先，林涛，黄泽素

(贵州省油料研究所，贵州贵阳550006)

为贵州紫苏资源的鉴定、分类及遗传改良应用提供科学依据，以53份贵州紫苏(Perilla frutescens)种质资源为材料，应用聚类分析和主成分分析方法，初步分析18个表型性状的遗传多样性。结果表明:贵州紫苏种质资源材料存在广泛的遗传多样性，紫苏资源不同性状间存在显著的正相关或负相关(P＜0．05);53份紫苏资源6个数量性状间的变异系数在24．12%～66．49%，以单株总穗数的变异系数最大(66．49%)，主茎节数的变异系数最小(24．12%);基于所有表现型的聚类分析，53份贵州紫苏种质资源分为3大类群。第Ⅰ类为晚熟型，株型伞型，叶色较深，单株籽粒重较小的观赏型;第Ⅱ类为早熟型，株型塔型，籽粒较大;第Ⅲ类为介于早熟型和晚熟型间的中间类群，基本上反映了各类群间的亲缘关系。经主成分分析，前7个主成分的累计贡献率达84．79%，各主成分性状的载荷值反映了主要性状的育种选择潜力。

紫苏;种质资源;遗传多样性;表型性状

紫苏(Perilla frutescens L．Britt)，属唇形科(Labiatae)一年生草本植物，具有特异芳香，是我国传统的药用、食用和油用等多用途的经济植物。作为卫生部第一批规定的既是药品又是食品的60种作物之一，在医药食品领域有着重要的开发价值［1－2］。贵州地处低纬度山区，地势高差悬殊，气候特点在垂直方向差异较大，立体气候明显，生态环境复杂多样。具有较长的紫苏栽培历史以及特有的喀斯特地貌使其产生了丰富的变异类型，蕴含着丰富的紫苏地方品种和野生资源，是紫苏的主要生产地之一［3－8］。长期以来，由于自然和人为的选择结果，逐渐形成适应不同区域环境生长的生态类型和变异丰富的生物资源，各地生产上的栽培品种或当家品种一般具有明显的地域适应性。目前，基于遗传物质DNA水平上以现代生物技术为主的各种分子标记技术和手段已广泛应用于植物种质资源的鉴定和分类［4，7］，但表型形态性状的鉴定和描述仍是种质资源研究最直接和最基本的方法和手段［5，8］。植物的形态学表型性状标记具有简单、明显和易于识别的特征而成为遗传标记的基础，具有不可替代性。为了对所收集的贵州紫苏资源进行有效的研究利用，必须对收集的贵州紫苏种质资源相关性状进行鉴定和性状考察评价，这是拓展地方种质资源的遗传基础和提高资源利用率的重要途径［4］。因此，应用统计学方法对贵州紫苏资源18个表型性状进行聚类分析和主成分分析具有重要意义。

聚类分析将不同个体按相似程度(距离远近)划分类别，使得同一类中元素间的相似性比其他类的元素相似性更强。目的在于使类间元素的同质性最大化和类与类间元素的异质性最大化。因此，聚类分析不但可揭示种质资源个体间的遗传相似性，还能表明类群间的遗传差异和相互间的亲缘关系;而主成分分析是从多个因素指标中找出数量较少并能控制所有变量因子的主成分，其中每个主成分都能够反映原始变量的大部分信息，且所含信息互不重复。主成分分析可揭示各种质资源的生物学特点和生物学意义，为种质资源的客观评价和分类提供参考依据［5］。王仙萍等［6］对贵州收集的紫苏资源叶色花多样性进行研究，资源来源主要集中在贵阳、开阳、遵义、六盘水和织金等地。但迄今为止，未见应用聚类分析及主成分分析方法对贵州紫苏种质资源形态学性状及主要农艺性状进行鉴定和分析评价的报道。本研究主要以近年来收集贵州33个县市不同乡镇的53份紫苏资源为试验材料，选取株型、第1对真叶颜色、叶色、叶型、叶片大小、叶脉颜色、穗型、花色、蒴口绒毛、种皮色泽和熟性等形态生物学性状以及株高、主茎节数、单株分枝数、单株小穗数、千粒重、单株重等数量性状进行观测考察和统计分析，以期为今后贵州紫苏资源形态学性状的鉴定和开发利用奠定基础。

1 材料与方法

1．1 试验地概况

试验地位于贵州省贵阳市花溪区金欣社区贵州省农业科学院油料(香料)研究所试验地，试验地为黄壤土，肥力均匀。试验时间2015年4月19日至10月下旬，4月19日开沟播种，厢宽2．5 m，行距40 cm，株距25 cm，每个品种资源材料种植4行，80～100株，资源材料圃四周设约1 m的保护行。播种时施用复合肥20 kg/667m2，在紫苏生长季节进行匀苗、定苗、除草等田间常规管理。

1．2 试验材料

试验材料共有53份，其中，51份为2014年底收集的贵州省地方资源材料，开阳苏子-1、乌当紫苏来源于中国农业科学院油料作物研究所特种油料研究室，其材料编号、名称及来源见表1。

表1 53份贵州紫苏种质来源及编号Table 1Origin and number of 53 germplasm resources of Perilla frutescens L．in Guizhou

续表1 Continued table 1

1．3 植株表型性状的观测调查与测量

紫苏形态生物学性状的观测调查在紫苏资源材料圃试验地进行，每个资源材料随机选取5～10株挂牌标记，根据严兴初编著的《苏子种质资源描述规范和数据标准》［9］进行相关形态学性状的观测或测量。选用12个描述性的形态性状和6个农艺数量性状描述贵州紫苏资源表型性状的多样性。观测及测量时间为2015年5月上旬至11月下旬，即紫苏出苗至成熟的整个生长期。利用目测法观测的形态学质量性状有株型、第一对真叶叶色、叶色、叶形、叶脉颜色、叶片大小、穗型、花色、蒴口绒毛多少、果口大小、种皮颜色、熟性等12个性状，为了便于统计分析，对属于形态学质量性状进行赋值见表2。成熟时取样10株考察测量的数量性状有株高、主茎节数、单株分枝数、单株总穗数、千粒重、单株籽粒重等6个数量性状。

表2 紫苏种质资源形态性状调查的分类及其赋值Table 2Classification and assignment of morphological characters for Perilla frutescens L．

1．4 数据处理

利用Microsoft Execl-2007和DPS 14．50软件对紫苏各性状形态测定值进行主成分分析和聚类分析处理。

2 结果与分析

2．1 贵州紫苏种质资源的表型性状

由表3可见，贵州53份紫苏种质资源的12个描述性状。由紫苏的各质量性状所占频率分布可知，在12个性状中株型分为平顶型、塔型、伞型3中类型，频率分别为13．21%、49．06%和37．74%，株型以塔型和伞型为主。第一对真叶颜色主要为绿色和紫色，所占频率分别为35．85%和64．15%，大多数紫苏资源的第一对真叶颜色为紫色。叶色分为浅绿色、绿色和紫色，分布频率为15．09%、73．58 %和11．32%。叶脉颜色主要以绿色为主，频率为90．57%;紫色频率为9．43%。叶型以卵形为主，分布频率79．25%;其次是卵圆形(11．32%)，心脏形较少;叶片主要以大叶为主，分布频率为81．13 %，中型叶和小型叶所占频率均为9．43%;穗型主要以短穗型为主，分别频率为92．45%，长穗型很少(7．55%);花色以白色花为主，所占频率为81．13 %，其次是紫色花，频率13．21%，红色花所占频率很少;蒴口绒毛以中等较多，分布频率49．06%;绒毛密集型和稀少型频率均为24．63%。果口的大小以大果口为主，所占频率71．10%;小果口频率为24．53%;中等果口频率为3．77%。种皮颜色以褐色和黄褐色为主，所占频率均为30．19%;其次是白色(18．87%);以灰色和黑色较少。贵州紫苏资源熟性特征以晚熟类型较多，所占频率为52．83%;其次是极晚熟和中熟，所占频率分别为24．53%和13．21%。早熟类型资源2份，特早熟类型1份。

表3 贵州紫苏种质资源的表型性状分布频率Table 3Distribution frequency of phenotype characters for Perilla frutescens L．in Guizhou

由表4可知，贵州53份紫苏资源数量性状存在很大的差异，株高、株茎节数等6个数量性状的变异系数为24．12%～66．49%，差异非常明显。单株总穗数10．4～247．6个，其变异系数(66．49%)最大，说明供试的紫苏资源材料在单株总穗数上存在丰富的多样性;其次是单株籽粒重0．22～6．18 g，变异系数为56．31%;其余性状变异系数为分枝个数＞千粒重＞株高＞主茎节数。其中，参试贵州紫苏材料分枝数为6．20～30．10个，变异系数为33．18 %;千粒重为0．773～3．983 g，变异系数为32．72 %;株高为40．0～280．0 cm，变异系数为32．63%;主茎节数为5．00～20．30个，变异系数为24．12%。综合贵州紫苏资源各数量性状的平均值、最大值、最小值、极差及变异系数发现，参试的紫苏种质资源各数量性状间差异较大，不同材料在不同性状间以及同一性状在不同材料间均存在明显的多样性。

表4 贵州紫苏资源数量性状变异Table 4Variation of quantitative characters for Perilla frutescens L．in Guizhou

图1 53份贵州紫苏种质资源聚类图Fig．1Clustering dendrogram of 53 germplasm resources of Perilla frutescens L．in Guizhou

2．2 贵州紫苏资源的表型性状聚类

在欧氏聚类5．20处，可将53份贵州种质资源材料分为3大类群。第Ⅰ类有4份，分别为S9、S11、S22和S53，晚熟型、单株籽粒重较小，株型为伞型、第1对真叶颜色和叶色均为紫色，S22和S53的叶型为心脏形，叶面积较小，熟期晚，千粒重和单株生产力低，只能以紫色叶色、心脏型叶形作为观赏型材料进行利用;第Ⅱ类有4份，分别为S33、S36、S49和S52，早熟型、千粒重、单株籽粒重较大，株型为塔型，叶色为绿色，可作为选择早熟型、大粒型、高产型紫苏品种和遗传改良的重要基础资源材料;第Ⅲ类为介于早熟型和晚熟型间的中间类群，单株籽粒重和千粒重介于第Ⅰ类和第Ⅱ类资源材料之间，这类资源材料数量最多、类型较多，共45份。该类型材料在今后品种改良或选育利用应视具体情况进行选择和利用。

2．3 贵州紫苏资源各形态性状的相关性

对贵州53份紫苏资源形态性状间的相关性分析结果表明:除紫苏花色、蒴口绒毛这两个性状与其他性状间无显著相关外，其余性状间均有显著(P＜0．05)相关(表5)。主茎节数(C8)与植株高度(C7)、单株分枝数(C9)存在显著正相关;单株分枝数(C9)与单株总穗数(C15)、叶片大小(C5)与果口大小(C13)、叶片颜色(C3)与叶脉颜色(C4)、穗型(C10)与单株籽粒重(C17)、株型(C1)与单株总穗数(C15)存在显著正相关;株高、分枝数、主茎节数与生育期(C18)存在显著正相关。单株总穗数(C15)与千粒重(C16)、果口大小(C13)间存在显著(P＜0．05)负相关;叶片大小(C5)与叶脉颜色(C4)、叶形(C6)与叶片大小(C5)、单株分枝数(C9)与千粒重(C16)间存在显著负相关。各性状的相关分析表明植株越高、分枝数、主茎节数越多，其生育期就较长，而植株较矮、分枝数和主茎节数少的材料熟期较早;单株分枝数越多，单株总穗数就越多;叶片颜色与叶脉颜色相关性较高，即叶片为紫色，叶脉为紫色的可能性大;株型为伞型的单株总穗数＞塔型＞平顶型。单株总穗数、分枝数越少其千粒重越大;卵圆形叶片较卵形叶片和心脏形叶片大。可为今后紫苏品种性状的遗传改良和应用提供参考价值。

表5 紫苏种质资源各形态性状间的相关系数Table 5Coefficients between morphology characters of of Perilla frutescens L．

2．4 贵州紫苏种质资源主要性状的主成分分析

由表6表明:在所有主成分构成中，其主要信息集中在前7个主成分，其累计贡献率为84．79%。第1主成分的特征值为3．2725，贡献率为28．18 %。其特征向量中，株高、主茎节数、单株分枝数、总穗数和熟性等性状指标有较高的载荷，其特征向量表达的生物学信息主要与这些性状相关。因此第1主成分植株高度、主茎节数、分枝数、生育期为熟性构成因子，特征向量关系说明生育期越长植株高度越高，承载的紫苏资源主茎节数和分枝数越多。第2主成分特征值为2．3544，贡献率为16．97%。特征值中贡献最大的是单株总穗数，故第2主成分为总穗数的构成因子。特征向量所传递的信息表明，总穗数越多，分枝数越多。而千粒重和果口越小。第3主成分特征值为2．1631，贡献率为12．02%。其特征向量值中株型有较高的载荷，第3主成分为株型构成因子，株型为伞型、塔型的紫苏较平顶型的生长发育好，具有较高的生产潜力。第4主成分贡献率最大的穗型，称为穗型构成因子。向量关系表明穗型越长、总穗数越多，单株籽粒重越高，但千粒重越小。第5主成分贡献率最大的是蒴口绒毛，称为蒴口绒毛构成因子，向量关系表明蒴口绒毛越少，千粒重越大，株型越松散。第6主成分贡献率最大的是叶形，称为叶形构成因子，向量特征关系表明:心脏形叶片较卵圆形、卵形叶片的紫苏千粒重、单株籽粒重大，穗型也较长。第7主成分贡献率最大的是第一对真叶颜色，向量关系表明，第一对真叶颜色越浅，生育期越长，叶色、花色也越浅，蒴口绒毛较多。

3 结论与讨论

种质资源的遗传多样性主要代表群体内个体基因组成的差异，遗传多样性的表现主要通过多数基因组合实现［10－13］。种质资源遗传差异大小直接影响性状遗传改良和研究利用的效果，新品种的选育或新材料创新依赖于优异基因的发掘与利用［14－15］。植物不同性状变异幅度是物种特有的遗传特性，是生物多样性的具体表现，也是反映某一物种资源丰

表6 贵州紫苏种质资源主要生物学性状的主成分分析Table 6The principal components of of Perilla frutescens L．genetic resources analysis of main biological traits

富程度的重要指标［16］，因此种质资源群体应保持一定的丰富度和多样性。大量学者在不同作物中利用不同研究方法对收集种质资源的遗传多样性进行综合评价、核心种质资源库构建、以提高种质资源利用效率［17－19］。本研究通过对53份贵州紫苏种质资源12个质量性状6个数量性状进行分析比较，根据质量性状的分布频率，其株型频率为塔型＞伞型＞平顶型;第一对真叶颜色紫色多于绿色;生长中期叶色为绿色的多于紫色和浅绿色;叶型以卵形多于卵圆型和心脏;白色花较紫色花多;短穗型多于长穗型;果口以大果口为主;种皮色泽以黄褐色和褐色比例较多;生育期各种熟性以晚熟型＞极晚熟型＞中熟型＞早熟型＞极早熟型。变异系数是揭示样本间差异的参数，一般认为变异系数＞10%则样本间的差异较大［8，10］。不同紫苏资源材料6个数量性状间的变异系数在24．12%～66．49%，以单株总穗数的变异系数为最大，其次是单株籽粒重，以单株节数的变异系数最小，不同紫苏材料在不同性状间表现出不同程度的多样性，为不同功用优良紫苏品种提供丰富的原始资源。

本研究利用聚类分析方法对53份贵州紫苏种质的18个性状进行了聚类，分为3大类群，让性状相近的聚为一类，使其同质化程度最高，各组群具有其特定的形态特征，以便更系统的分析贵州紫苏资源种质特点。第Ⅰ类为晚熟型、单株籽粒重较小的资源材料，这类材料株型为伞型、第1对真叶颜色和叶色均为紫色，有些叶形较为奇特为心脏形，叶片较小，紫色叶色、心脏型叶形资源材料可作为观赏型材料加以利用;第Ⅱ类为早熟型、千粒重、单株籽粒重较大的资源材料，株型为塔型，叶色为绿色，这类材料可作为选择早熟型、大粒型、高产型紫苏品种和遗传改良基础材料;第Ⅲ类为介于早熟型和晚熟型间的中间类群，这类资源材料数量最多、类型较多，在今后遗传改良或品种选育中应对其进行选择性利用。

生物界的很多性状之间具有相关性，在遗传改良和品种选育中可以充分利用性状间的相关性，对难以选择的性状进行间接选择。本研究主要运用形态学标记方法，观测53份贵州紫苏种质资源的表型特征并分析指标之间的相关性，除紫苏花色、蒴口绒毛这两个性状与其他性状间无显著相关外，其余性状间均有显著相关。其中株高与主茎节数的相关性最大，相关系数为0．785;单株分枝数与穗数间的相关系数为0．669。植株高度与分枝数、主茎节数、生育期呈负相关，即植株较矮、分枝数和主茎节数少的材料熟期较早;叶片颜色与叶脉颜色相关性较高;单株总穗数、分枝数越少其千粒重越大。其他作物这方面的研究报道较多［45，8，11－12］，但对于紫苏主要表型性状的相关性研究未见报道。

主成分分析是将多个变量转化为少数几个综合因子，每个主成分基本上又能反映原始变量的大部分信息，其所含信息互不重复。依据各因子的贡献率大小确定其重要性，因此将主成分分析用于对贵州紫苏资源的生物学性状进行评价和筛选，可最大限度的简化相关性状选择程序。前7个主成分的累计贡献率达到84．79%，7个主成分间包含的性状信息具有一定的相关性，且各性状类型差异较大，各主成分性状的载荷值反映了主要性状的育种选择潜力。

通过对贵州紫苏种质的形态标记研究，其种质类型多样性丰富，对不同性状进行差异化选择可为紫苏遗传改良和品质选育提供丰富的原始资源材料，其中优良的种质通过系统选育改良后可作为生产及旅游观光业的后备资源进行利用开发。但是针对现有贵州紫苏资源丰富的表型多样性，结合现代生物学分子标记技术和全基因组测序等方法对各表型性状进行精确鉴定、关联分析和优异基因发掘，从中挖掘出优异基因并与常规育种方法相结合以促进贵州紫苏资源的遗传改良和应用。

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(责任编辑 刘忠丽)

Genetic Diversity of Phenotype Characters of Perilla frutescens Germplasm Resources in Guizhou

WEI Zhong-fen，LI Hui-lin，FENG Bin，YANG Sheng-xian，LIN Tao，HUANG Ze-su
(Guizhou Institute of Oil Crops，Guizhou Guiyang 550006，China)

The genetic diversity of 18 phenotype characters of 53 Frutescens germplasm resources was analyzed by the clustering and principal component analysis methods to provide the scientific basis for identification，taxonomy and genetic improvement application of Perilla Frutescens germplasm resources in Guizhou．Results:There is wide genetic diversity in Frutescens germplasm resources and are significant positive correlations or negative correlations between different characters of Frutescens germplasm resources．The variation coefficient of six quantitative characters of 53 Frutescens germplasm resources is 24．12%－66．49%．The variation coefficient of total panicles per plant and nodes of main stem is maximum(66．49%)and minimum(24．12%)respectively．53 Frutescens germplasm resources are divided into three groups by clustering analysis based on different phenotype．Group I belongs to the ornamental type with late maturity，umbrella plant type，deep leaf color and less seed weight per plant，group II is of early maturity，tower plant type and big seed and group III is the middle group between early maturity type and late maturity type，which reflects the genetic relationship among three groups basically．The principal component analysis shows that the accumulative contribution rate of former 7 principal components is up to 84．79%．The load value of different principal components reflects the breeding selection potential of major characters．

Perilla frutescens;Germplasm resources;Genetic diversity;Phenotype

S5429．9

A

1001－4829(2017)1－0045－08

10．16213/j．cnki．scjas．2017．1．009

2016－06－21

国家自然科学基金项目［31560403］;贵州省科研机构服务企业行动计划［黔科合服企(2014)4004号］;贵州省联合基金项目［黔科合LH(2014)7687号］;贵州省农业科学院自主创新专项［黔农科院自主创新科研专项字(2014)013号］

魏忠芬(1966－)，女，研究员，从事油料作物遗传育种研究，E-mail:1453978945@qq．com。