基于形态学标记的山药种质资源遗传多样性研究

吴金平， 矫振彪， 郭凤领， 陈磊夫， 曾凡顺， 邱正明

(1. 湖北省农业科学院经济作物研究所， 湖北 武汉 430064；2. 恩施宜佳现代农业开发有限公司，湖北 恩施 445000)

基于形态学标记的山药种质资源遗传多样性研究

吴金平1， 矫振彪1， 郭凤领1， 陈磊夫1， 曾凡顺2， 邱正明1

(1. 湖北省农业科学院经济作物研究所， 湖北 武汉 430064；2. 恩施宜佳现代农业开发有限公司，湖北 恩施 445000)

对收集的66份山药种质资源的19个农艺性状进行调查，通过遗传多样性分析、聚类分析与主成分分析，探讨其遗传多样性、亲缘关系及分类特征。结果表明，在15个质量性状中，遗传多样性指数最高的是叶片缺裂(1.18)，其次是地下块茎形状(1.17)。叶脉数频率分布最高(92.65%)，其次为叶先端渐尖(89.71%)。根据各农艺性状的遗传差异，可将66份淮山药种质聚为二大类群；第Ⅰ类群种质均为薯蓣，第Ⅱ类群种质为参薯。主成分分析结果表明，前5个主成分累计贡献率达76.496%，第一主成分反映高产株型综合因子，第二主成分反映山药抗病性因子，第三和第四主成分反应山药地下块茎形状因子，第五主成分反映地下块茎颜色。通过以上研究，为山药品种选育及生产利用提供参考。

山药(Dioscoreaspp.)；表型性状；遗传多样性

我国山药种质资源丰富，且分布广泛，有相当多的品种在许多地区均有种植，因而同名异物及同物异名的情况相当严重，为解决这一问题，许多专家学者对山药种质资源的遗传多样性进行了研究。蔡金辉等通过主要园艺学特点结合块茎品质等特征将山药分为2个种、5个变种、10个品种群[1]。梁任繁等通过对茎蔓、叶片、零余子等主要性状调查分析，通过聚类法将12份广西山药分为4个或2个类群[2]。覃维治等根据各淮山药品种间农艺性状的差异将44份种质聚为四大类，并根据主成分分析结果，总结出在不同育种目标时的注意性状，以便对亲本进行挑选[3]。尽管DNA分子标记在山药种质资源的遗传多样性研究中显示出强大的优势，但是对普通育种者而言，以形态学性状来研究植物遗传变异仍是最直接且有效的方法之一[4]。因此，本研究对来源于我国不同地方的66个山药种质的19个主要农艺性状进行遗传多样性、聚类分析和主成分分析，确定地域间种质的差异，为今后山药育种提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试山药材料为近年从我国山药主产区收集、引进资源，共66份，编号及来源见表1。

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计

试验于2013年3月—2015年12月在湖北省农业科学院经济作物研究所蔬菜试验基地连续进行3年。采用随机区组设计，3次重复，小区两行，行长5 m，小区面积7 m2；每个品种均采用块茎切块种植，每小区种植20株，进行常规立架栽培管理，定期观察记载。田间管理同一般大田栽培。

1.2.2 试验数据采集

每小区抽样5株，地上部茎叶均以11～15节之间作为实验部位，数值型性状每株记录3个数据(3次重复)，共测45个值，取平均值；非数值型性状每株记录1个数据(无重复)，共观测15个值。测定指标主要有叶长、叶宽、叶柄长、叶片质地、叶形、缺裂、质地、叶脉数、茎蔓棱翼有无、茎蔓形状、零余子性状、茎蔓旋性、薯块形状、薯块肉色等。其中非数值型数据根据表型不同赋值。农艺性状调查的主要指标及标准见表2。

1.3 统计分析

应用SPSS 19.0软件计算质量性状统计各组的分布频率和变异系数；计算数量性状统计最小值、最大值，计算平均值、变异幅度、变异系数、标准差。应用Bio-dap软件计算Shannon-Weaver遗传多样性指数，指数的计算公式为H'=-∑PilnPi，其中i为某一性状的分级，Pi为该性状第i级内材料分数占总份数的百分比，ln为自然对数。遗传多样性指数计算中，质量性状的分级根据表2的描述，数量性状的分级参照覃维治[3]和黄玉仙[5]描述的分级方法，根据数据的平均值(M)和标准差(S)将数据分为10级，从第一级Xi

表1 供试淮山药材料编号及其来源

表2 山药形态多样性鉴定项目及标准

2 结 果

2.1 山药种质资源形态性状多样性

对66份淮山药种质资源的19个性状进行分析，结果表明，不同材料之间存在很大差异，不同性状在不同材料间表现出不同程度的多样性。在山药15个质量性状中，遗传多样性指数最高的是叶片缺裂，为1.18，其次是地下块茎形状，为1.17。叶脉数以7为主，频率分布为92.65%，叶先端渐尖频率分布为89.71%(表3)。由表3可知，植株长势以中等为主；叶形披针形为主；叶片质地以革质为主；叶先端渐尖为主；叶基部箭形为主；茎蔓棱翼多无；茎蔓颜色以紫绿为主；茎蔓形状以圆形为主；有零余子占70.79%，其中圆形零余子又占了63.24%；块茎形状以棍状为主；薯肉颜色以白色为主。

表3 质量性状的遗传多样性结果

由表4可知，山药4个数量性状，以薯块单株产量的变异系数最大，为153.425%，产量变幅为95.4～3768.5g；其次为叶柄长度，其变异系数为46.20%，变幅为1.94～11.7 cm；叶长和叶宽变异系数分别为35.57%和33.34%，两者变幅分别4.55～17.0 cm和2.94～11.44 cm。

表4 数量形状的分布频率和变异系数

2.2 基于质量性状和数量性状的山药种质资源的聚类分析

整合质量性状和数量性状的表型数据，应用类平均法对66份山药资源进行表型性状的聚类分析，结果表明(图1)，第一类资源(A)主要为薯蓣(DioscoreaoppositaThunb.)资源；第二类资源(B)主要为参薯(DiscoreaalataL.)。第一类资源可以进一步被划分为二个亚类A1和A2，在A1亚类中又可以分为a1和a2两组，a2组资源全部来源于湖北十堰野生山药，植株生长旺盛，叶形为卵形，山药块茎为长棍状。a1又分为2大类，其中a12为薯蓣中掌状山药，a11为薯蓣中的长山药。a11中进一步分类，主要根据地域来源。

图1 66份山药种质资源的聚类分析结果

2.3 山药主要农艺性状的主成分分析

对山药19个主要农艺性状进行主成分分析，结果表明，前5个主成分累计贡献率达76.496%，特征值总和为14.534。在所有主成分构成中，包含农艺性状的绝大部分信息(表5)，第一主成分特征值为7.316，贡献率最大，为38.503%，其次为主成分二、三、四、五。在第一主成分的特征向量中，载荷值较高且为正值的有叶柄长度、叶长、叶宽、单株产量、藤茎截面、植株长势，其特征向量值分别为0.941、0.914、0.877、0.839、0.802、0.762，此类性状为高产株型综合因子；特征向量值为负值的主要农艺性状有藤茎棱翼、藤茎颜色，说明在高产品种选育中这2种性状具一定的选择性。从各载荷数值可看出，在高产育种中，应选择叶柄长、叶长、叶宽、植株长势旺的品种；在一定范围内，随着品种叶大，长势旺，光合作用强，品种产量也会提高。表明在高产育种工作中，应注意对第一主成分的选择。第二主成分特征值为2.507，贡献率为13.196%。在第二主成分的特征向量中，载荷值较高且为正值的有藤茎旋性为0.787、藤茎颜色为0.731，此类性状决定山药抗病性；为负值的农艺性状有零余子形状、叶脉数等，说明在山药抗病性选择上这2种性状具有一定的选择性。第三主成分特征值为1.935，贡献率为10.186%。从载荷数值来看，第三和第四主成分特征值分析，主要反映叶脉数、叶先端，叶基部，此类性状决定山药地下块茎形状。第五主成分特征值为1.142，贡献率为6.01%，主要是反映地下块茎颜色。

表5 主要农艺性状的主成分分析结果

3 讨 论

植物的表型性状是一类由基因控制的表现型，从侧面可以反映出基因的不同表现，且表型性状的观察与测量较为方便，在研究过程中的花费较低，因此通过表型性状入手来研究植物的遗传多样性和育种是一种应用广泛的方法[7]。苏玉环等用西瓜的主要果实性状将100份西瓜种质分为4大类，且通过4个类群的果实平均重、果皮硬度、千粒重、含糖量这4个指标的比较分析，证明了分类的正确性[8]。徐世松等对收集的32个红掌品种聚类分析，将32个红掌品种可划分为5大类，其中包括4个较小的类群和1个较大的类群[9]。山药在长期驯化栽培过程中形成了一系列地方品种，由于缺乏系统的鉴定和命名，导致品种种质混乱。前人应用传统手段以及分子标记技术对不同地区和不同来源的山药的种质资源进行了一些研究和报道[1-3，10-12]，在我国山药种质的鉴定、评价和利用等方面发挥了重要的作用。然而，由于我国薯蓣属植物分布区域广泛，种类丰富，对不同地区的薯蓣种质进行系统的分析评价存在较大难度。因此，本研究针对收集的不同地域66份山药资源进行表型性状的多样性研究，结果表明，各质量性状类型丰富，各分组类型中均有一定数量的资源分布，但分布的频率存在差异。山药4个数量性状，以薯块单株产量的变异系数最大，为153.425%，产量变幅为95.4～3768.5 g；其次为叶柄长度，其变异系数为46.20%，变幅为1.94～11.7 cm。通过聚类分析，根据薯蓣种质形态特征，参考《中国植物志》《中国高等植物图鉴》，把收集的66份薯蓣种质分为2个类群(图1)，第一类资源(A)主要为薯蓣(DioscoreaoppositaThunb.)资源；第二类资源(B)主要为参薯(DiscoreaalataL.)。因此，本研究结果与传统分类方法结果一致，也与我国历代本草考证及调查的结果一致。对山药19个主要农艺性状进行主成分分析，前5个主成分累计贡献率达76.496%，特征值总和为14.534，第一主成分特征叶柄长度、叶长、叶宽、单株产量、藤茎截面、植株长势等为高产株型综合因子。通过以上研究，为山药品种选育及生产利用提供参考。

[1] 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,1991,21(1):53-57.

[2] 梁任繁,王军民,覃芳,等.广西山药和质资源聚类分析[J].中国蔬菜,2009,4:30-34.

[3] 覃维治,韦本辉,甘秀芹,等.淮山药种质资源主要农艺性状遗传多样性分析[J].南方农业学报,2014,10:1726-1733.

[4] 玉光惠,方宣钧.表型组学的概念及植物表型组学的发展[J].分子植物育种,2009,7(4):639-645.

[5] 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(3):318-324.

[6] 李宁,姚明华,焦春海,等. 亚洲及非洲茄子种质资源主要农艺性状的遗传多样性分析[J]. 湖北农业科学,2014,23:5769-5774.

[7] 杨明.山药种质资源遗传多样性的研究[D].呼和浩特:内蒙古农业大学,2012.

[8] 苏玉环,王静华,李文芹.西瓜种质资源果实性状及聚类分析[J].河北农业大学学报,2008,31(6):21-25.

[9] 徐世松,王呈丹,黄素荣,等. 红掌种质资源形态学标记与遗传多样性分析[J].热带作物学报,2014,10:1890-1896.

[10] 周延清,景建洲,李振勇,等.用ISSR标记技术分析山药品种遗传多样性[J]. 实验生物学报,2005(4):54-60.

[11] 吴志刚.山药种质资源遗传亲缘关系与药材质量研究[D].广州:广州中医药大学,2012.

[12] 华树妹.福建山药资源品质成分与遗传多样性分析[D]. 福州:福建农林大学,2010.

Study on Germplasm Genetic Diversity of Yam Based on Morphological Markers

Wu Jinping1, Jiao Zhenbiao1, Guo Fengling1, Chen Leifu1, Zeng Fanshun2, Qiu Zhengming1*

(1. Institute of Industrial Crops, Hubei Academy of Agricultural Sciences, Wuhan 430064, China;2. Enshi Yijia Agriculture Development Co., Ltd., Enshi 445000, China)

The 19 agronomic traits of 66 collected yam germplasm resources were investigated to conduct genetic diversity analysis, cluster analysis and principal component analysis for exploring their genetic diversity, genetic relationship and classification characteristics. The results showed that different morphological traits of 66 collected yam germplasm resources presented higher diversity. Amongst 15 qualitative traits, the genetic diversity index of leaf split was the highest (1.18), followed by tuber shape (1.17). The frequency distribution of leaf vein was the highest (92.65%), followed by leaf apex acuminate (89.71%). According to genetic differences of different agronomic traits, 66 yam germplasm resources could be clustered into 2 groups. The first group materials wereDioscoreaoppositaThunb. The second group materials wereDiscoreaalataL.. The principal component analysis results indicated that the contribution rate of the first 5 principal components accounted for 76.496%. The first principal component reflected comprehensive factors of high-yield plant type, the second one reflected disease resistance factors， the third and the fourth reflected tuber shape factors. The fifth principal components reflected stem skin color. The different yam germplasm resources were analyzed to provide references for variety breeding and production utilization of yam.

Yam (Dioscoreaspp.); phenotypic traits; genetic diversity

10.3969/j.issn.1006-9690.2017.01.004

2016-05-18

湖北省科技支撑计划项目(2015BBA192)；农业部现代农业产业技术体系项目(nycytx-35-02-06)。

吴金平，副研究员，博士，从事薯芋类蔬菜研究。E-mail:274184394@qq.com

S632.1

A

1006-9690(2017)01- 0011-04