野生甜瓜果实性状变异及聚类分析

高路银，杨森要，王艳玲，许夏静，胡建斌

（河南农业大学园艺学院 郑州 450002）

甜瓜（Cucumis melo）隶属葫芦科黄瓜属一年生蔓性草本植物，是世界上最重要的园艺作物之一。甜瓜果实性状的变异非常大，是鉴定种质类型的重要表型指标。野生甜瓜是处于野生或未经驯化栽培状态的类型，在亚洲的印度分布较为丰富[1]。中国甜瓜栽培历史悠久，1981年在我国鲁南、苏北等地相继发现了俗称‘马泡’的野生甜瓜植物，并认为它就是东方甜瓜（即薄皮甜瓜）的野生祖先[2]。近年来，在我国新疆、甘肃、河南等地方也相继发现了野生甜瓜，这些野生资源的发现，进一步丰富了甜瓜的种质类型，是甜瓜遗传研究或遗传育种的重要试材。

目前有关甜瓜性状变异的研究报道较多，大多是针对栽培种质，涉及的性状包括株期产量[3]、果实性状[4]等。Liu等[5]对72份欧美甜瓜种质的35个形态性状进行了主成分分析，发现与果实形态及品质相关的性状变异极大，对表型总变异贡献率50%。Szamosi等[6]利用17个数量性状和70个质量性状对匈牙利和土耳其2个国家的甜瓜种质遗传多样性进行了分析，发现这2个国家甜瓜种质的形态差异主要表现在果实形状、果实皮色、网纹、果肉质地和果肉糖酸含量等果实相关性状上。张永兵等[7]利用14个数量性状和18个质量性状对新疆甜瓜表型变异进行分析，发现新疆甜瓜形态多样性丰富。上述研究都表明，甜瓜果实性状的变异较大，具有一定的改良空间。在野生甜瓜种质资源研究方面，Roy等[8]对来自印度不同地区的43份野生甜瓜进行了研究，发现其表型性状变异较大；Hu等[9]利用SSR标记研究分析我国野生甜瓜与栽培甜瓜亲缘关系，发现我国西北地区的野生种与栽培甜瓜的关系较远，而中部地区的野生种与栽培甜瓜关系密切；王吉明等[10]对国外引进的100份野生甜瓜种质进行了多样性分析，发现其数量性状变异较大，大体可分为野生和半野生2大类群。前期，本课题组收集了40份野生甜瓜种质，主要来自南亚、东亚等甜瓜起源地。笔者采用多种统计方法分析其果实性状的变异，旨在为有效利用野生甜瓜种质资源提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

40份野生甜瓜种质材料均来自国家西瓜甜瓜种质中期库（中国农业科学院郑州果树研究所）和美国USDA-North Central Regional PI Station(NC7)引种站，主要来自印度、中国、美国等国家（表1）。

表1 40份供试野生甜瓜种质材料

1.2 方法

试验在河南农业大学科技园区蔬菜生产基地进行。播种前期，40份野生甜瓜种子浸种4～6 h后进行催芽，出芽后播种于基地的日光温室72孔穴盘中。待幼苗长到2叶1心后，定植于塑料大棚中。40份野生甜瓜材料采用每垄2行，每行12株苗，每份材料6株，行距1.6 m，株距0.45 m。40份野生甜瓜材料采用双蔓整枝，常规管理，2017年5月1日开始授粉，晴天一般在上午7：00—11：00进行人工授粉，授粉持续1个月左右，35 d左右甜瓜成熟。

1.3 项目测定

在40份野生甜瓜材料成熟之后进行采摘，进行果期性状的调查和统计，每个材料随机选3～6株进行调查。参考其他学者的研究选取变异较大的14个性状。5个数量性状分别为果实长度、果实宽度、单果质量、可溶性固形物含量、果肉厚度，采用最小刻度单位为0.10 cm的直尺和精确度为0.01 mm的电子游标卡尺来对数量性状指标进行测量；9个质量性状分别为果实茸毛、果实形状、果实底色、覆纹颜色、覆纹形状、外果肉颜色、内果肉颜色、瓜瓤颜色、果实香味。待果实成熟后调查，调查标准参照《甜瓜种质资源描述规范和数据标准》[12]。数量性状调查标准见表2，其中，质量性状分级赋值见表3。

表2 甜瓜种质资源数量性状及调查标准

1.4 数据统计与分析

1.4.1 表型性状统计 将5个数量性状根据平均值（X）和标准差（S）分为10级，和质量性状的分级类似，参照1级＜X-2S，10级≥X+2S，其中每级相差0.5S[12]。质量性状根据表3赋值。

1.4.2 参数计算 用Excel 2010对各性状数据进行统计，并计算最小值、最大值、平均值、极差、变异系数等基本统计量。采用Shannon's信息指数（H'）对各性状的遗传多样性进行评价。H'=-∑PilnPi，第i种变异类型出现的频率用Pi表示，一组或所有种质的遗传多样性程度用所有性状H'的平均值来表示。

表3 甜瓜种质资源质量性状及分级

1.4.3 主成分分析 利用SSPS 19.0软件对表型数据进行降维抽提，在不损失或很少损失原有信息的基础上进行数据因子简化，抽取特征根值大于1的主成分，综合成较少的且相互独立的因子[13]。

1.4.4 聚类分析 采用MEGA 6.0对种质进行聚类分析，并对试验数据采用非加权配对算术平均法，对表型数据进行聚类，生成聚类图。

2 结果与分析

2.1 果实性状的变异统计分析

2.1.1 基本数据统计与多样性分析 9个甜瓜质量性状按照表3进行赋值，并对各性状进行统计，结果见表4。40份野生甜瓜材料中，其果肉香味、果实底色、果纹颜色、果实长度、果实宽度等5个性状的标准差大于 2，标准差最大的是果实长度，为4.68，其次是果纹颜色（3.89），最小的是果实茸毛，为0.32。变异系数最大的是果实质量，高达205.25%，其次为果实茸毛，变异系数为151.85%，变异系数最小的是可溶性固形物含量，仅为29.62%。

表4 40份野生甜瓜材料果实性状变异统计分析

2.1.2 质量性状多样性分析 40份野生甜瓜材料9个质量性状频率分布[15]及其多样性指数统计见表5。由表5可以看出，多样性指数在 0.45～2.38之间，平均值为1.27，其中果实形状、果皮底色、覆纹形状、果纹颜色、外果肉颜色、内果肉颜色、瓜瓤颜色的多样性指数均大于1，说明这7个性状变异丰富，其中果皮底色的变异系数最高，为2.38，且主要以绿色（24.39%）和黄色（27.44%），两者共占51.83%，其次为果纹颜色，变异系数为2.0；变异系数最小的是果肉的香味，仅为0.45。果实的性状主要以卵形和椭圆为主，其中卵形占52.43%，椭圆占23.78%。40份野生甜瓜种质资源中有49.58%没有覆纹形状，其次覆纹形状中斑条占18.33%，斑块占13.75%，同样49.58%的野生甜瓜种质资源没有果纹颜色，而黄色占10.83%，绿色占10.42%。在40份野生甜瓜种质资源中，外果肉颜色和内果肉颜色都是以白色和橙色为主，外果肉颜色中白色占73.01%，橙色占 17.46%，2者高达90.47%；内果肉颜色中白色为 70.55%，橙色为 16.56%，两者达87.01%。果实的瓜瓤颜色主要以白色、绿色和橘色为主，白色占 51.53%，绿色占21.47%，而橘色占19.02%。

表5 40份野生甜瓜种质资源质量性状频率分布及多样性

2.1.3 数量性状多样性分析 甜瓜的果肉厚度、果实长度、果实宽度、果实质量和可溶性固形物含量5个数量性状直方图见图1。由图1可知，果实长度、果实宽度和可溶性固形物含量这3个数量性状基本符合正态分布，而果肉厚度和果实质量基本遵从单峰侧向分布，说明野生甜瓜果实普遍较小，果肉较少。

图1 5个数量性状的频数分布

由表6可知，在这5个数量性状中，单果质量的变异系数最大，为205.25%，可溶性固形物含量的变异系数最小，为29.62%。多样性指数（H'）变化范围为0.76～1.96，最大为可溶性固形物含量，为1.96，最小为果实质量，仅为0.76，平均值为 1.566，明显高于质量性状的H'值，说明野生甜瓜数量性状的多样性更为丰富。

表6 40份野生甜瓜种质材料数量性状变异统计

2.2 主成分分析

由于各个性状之间存在一定的相关性，所以单个因子在性状表型构成的作用难以分析。主成分分析可以将多个相关指标在保证原有信息的前提下，简化为数量较少且独立的因子。通过对40份野生甜瓜果实的14个性状进行主成分分析，以特征值等于1为阈值，以此来把14个性状综合成5个主成分。这5个主成分累计贡献率达72.39%（表7），说明40份野生甜瓜果实14个性状的大部分信息可以用这5个主成分代表[15-16]。

由表7可知，第1主成分对表型总变异的贡献率最大，达27.89%，对应的特征向量依次为果实长度、果实宽度、果肉厚度、内果肉颜色、瓜瓤颜色，因和果实长度性状相关所以可称之为长度因子。在这一主成分中，对应的可溶性固形物含量、外果肉颜色和果皮底色的负向系数比较大，说明果实长度较长的果实可溶性固形物含量低，且外果肉颜色和瓜瓤颜色较浅。第2主成分的贡献率为15.11%，对应的果纹颜色、外果肉颜色和果肉香味较大，可称为果纹因子，果实质量、果实宽度等呈负向系数关系，说明果实较小的种质果纹颜色较深、外果肉颜色较深和果肉香味较大。第3主成分的贡献率为12.01%，对应的特征向量中覆纹形状和果皮底色较大，可称之为覆纹因子，果肉香味、可溶性固形物含量、瓜瓤颜色、果实茸毛和果实长度与这些指标呈一定程度负相关，说明果实覆纹越多，果皮底色越深，果实的果肉香味越淡，可溶性固形物含量越低，瓜瓤颜色越淡等。第4主成分的贡献率为10.09%，对应特征向量中果实形状、果实茸毛和可溶性固形物含量，可称为形状因子，外果肉颜色、果纹颜色和果皮底色负向系数较大，说明果实形状大，果实的外果肉颜色浅，果纹颜色和果皮底色也浅。第5主成分的贡献率为7.29%，对应特征向量中可溶性固形物含量、果实质量和果纹颜色，可称为可溶性因子，与果实形状这些指标呈一定程度的负相关，说明可溶性固形物含量高，果实的果形小。

表7 主成分分析的特征向量系数

2.3 聚类分析

利用DPS 7.5软件对40份野生甜瓜种质的5个主成分进行分析，计算材料之间的欧式距离，并构建聚类图（图2）。在遗传距离为12.45时，聚为2类：其中 HW06、HW12和HW36聚为一类，剩余的终止聚为一类。在遗传距离为11.1时，聚为3类：一类包括 HW06、HW12、HW36共 3个材料，均无茸毛，有斑点，可溶性固形物含量相近。

图2 基于果实形态性状40份野生甜瓜种质聚类图

第 2 类包括 ：HW01、HW29、HW27、HW32、HW35、HW04、HW05、HW24、HW25、HW26、HW37、HW33、HW30、HW34、HW31、HW39、HW40、HW38、HW02、HW03 共 20 个材料，除了HW03甜瓜种质材料外，其余的果实质量都比较轻；除了 HW25、HW37、HW40外，其余果皮厚度均未大于1 cm。

第 3 类包括 ：HW07、HW17、HW10、HW20、HW21、HW22、HW23、HW13、HW08、HW09、HW19、HW15、HW18、HW16、HW11、HW14、HW28共17个材料，这些果皮都较厚，果实质量也比较大。

3 讨论与结论

在甜瓜的诸多形态性状中，果实性状变异最明显，是表型总变异的主要来源，也是甜瓜植物学分类的重要依据。例如，Pitrat[17]根据甜瓜果实性状的多样性，将世界甜瓜分为2大亚种（多毛亚种和少毛亚种）及其下属的16个变种，在此分类标准中，野生甜瓜被划为少毛亚种（薄皮亚种），但并未说明变种归属。笔者对40份野生甜瓜种质资源14个形态学性状的分析中，质量性状中果实形状和果纹颜色，以及数量性状中果实长度与果肉厚度的变异异系数及其多样性指数都较高，对于多样性高的一类性状，作为育种的载体材料较容易获得，且这些性状的遗传改良具有较大的提升空间；果肉香味多样性指数偏低，而对于多样性低的性状，可能存在稀有变异类型，这些稀有变异性状材料不容易获得，且难以进行遗传改良。

通过对40份野生甜瓜果实性状的形态学性状分析发现[18]，所得的遗传多样性参数中质量性状的多样性指数明显低于数量性状，说明野生甜瓜种质质量性状多样性没有数量性状丰富。在数量性状中，果实质量变异系数最高，果肉厚度次之，这与王吉明等[10]的数量性状具有更丰富的形态多样性，尤其是果实质量性状表现最为明显的观点一致。在数量性状中，果实质量、果肉厚度与甜瓜的食用价值及生产栽培价值密切相关，变异较大有利于人工选择优质种质，突破甜瓜育种瓶颈，在生产中获得更高的价值。

一般而言，野生种被认为是其同类栽培种的祖先，展开对野生甜瓜的遗传分析有利于探讨甜瓜的起源。从世界甜瓜种质的分布来看，野生甜瓜主要集中在南亚、西亚和东亚，其中以印度最多。尽管大多研究认为，世界甜瓜的初生起源地在非洲，然而近年来的研究结果以及最近的分子系统的研究却越来越倾向于亚洲起源的观点[19-21]，其主要原因是非洲的野生甜瓜种很少，大多是甜瓜近缘野生种，而印度等地分布有大量的野生、半野生及未驯化的变异类型。如Serres-Giardi等[22]用SSR标记对来自世界各地的栽培种或半栽培种，野生种、近缘种进行分析，认为野生甜瓜驯化中心在印度，并形成远东甜瓜起源中心。在聚类分析的第2类型中来自河南的‘马泡-1’（HW33）与来自印度的HW26、HW30、HW37和南疆的 HW34材料聚在一起，说明它们在某些性状上相似。这一结果推测国内野生甜瓜与印度野生甜瓜可能具有一定的关系，但这一结果还需要分子标记的进一步验证。