100份西瓜种质果实品质相关性状的遗传多样性分析

李清 郭禄芹 方晓霞 胡倩梅 杨世超 刘东明 杨路明 马长生

摘 要： 以来自世界各地的100份西瓜种质为供试材料，对12个果实品质相关性状进行变异分析、主成分分析及聚类分析。变异分析结果表明，12个果实性状的多样性指数的变化范围为0.44～2.06；变异系数介于16.37%～71.13%，果实剖面的变异系数最大，为71.13%，果实横径的变异系数最小，为16.37%。主成分分析结果表明，12个果实性状归纳为3个主成分，累计贡献率可达71.99%。聚类分析将100份西瓜种质材料分为2大类群，类群Ⅰ包括3份野生西瓜，类群Ⅱ包括97份西瓜材料，其中绝大部分为栽培西瓜。上述研究结果表明，西瓜种质资源果实性状具有较为丰富的多样性表现，这将为西瓜果实遗传改良和优质新品种选育提供重要的参考依据。

关键词： 西瓜；果实性状；变异系数；多样性指数

Abstract：In this study， the variation analysis， principal component analysis and clustering analysis of 12 fruit related traits were investigated of 100 watermelon germplasms selected around the world. The results of variance analysis showed that the diversity index of 12 fruit related traits ranged from 0.44 to 2.06， the coefficient of variation （CV） changed from 16.37% to 71.13%， among of which the maximum CV was 71.13% for fruit profile， whereas the minimum CV was 16.37% for fruit transverse diameter. Principal component analysis suggested that 12 fruit related traits were summarized into three principal components， and the cumulative contribution rate was 71.99%. In addition， the 100 watermelon germplasms were divided into two groups based on the cluster analysis. The group I contained 3 wild watermelons， while the group II included 97 watermelon germplasms， most of which are cultivated watermelons. The results of this study indicate that the fruit related traits in watermelon germplasms have rich diversity， which will lay a basis for genetic improvement and breeding of fruits in watermelon.

Key words：Watermelon； Fruit traits； Variation coefficient； Diversity index

西瓜[Citrullus lanatus（Thunb.）Matsum. & Nakai]為世界十大水果之一，在植物分类学中属于葫芦科（Cucurbitaceae）西瓜属（Citrullus）一年生蔓性草本植物，因其瓜瓤肉质多汁，富含糖类、维生素及矿物质等，并有清热解暑、清凉止渴的作用，深受人们喜爱，在世界各地广泛种植。中国作为西瓜生产和消费第一大国[1]，从20世纪50年代开始进行西瓜培育。利用最为直观、最基础的形态学方法对西瓜种质资源进行遗传多样性分析，有利于从整体上了解西瓜种质资源的丰富程度，为育种工作者提供丰富的原始材料信息[2]。

西瓜果实品质包括果实形状、果实大小、果皮厚度、果皮颜色、果肉质地、果肉颜色、 糖含量、类胡萝卜素含量、香气、风味和营养成分等性状，这些性状具有丰富的多样性差异 [3-5]。Solmaz I等[6]根据国际植物新品种保护联盟（UPOV）标准对134份土耳其西瓜种质材料的56个质量性状的形态特性及与形态相关的性状进行调查，发现不同种质材料的形态性状存在着较大差异。Park S W等[7]认为，西瓜果皮性状已经影响到消费者在市场上的偏好，是西瓜育种的一个重要性状，并对包括果皮颜色、果皮覆纹形状、果实形状等西瓜表皮性状的遗传机制做了相关研究。赵卫星等[8]对国内56个主栽品种的7个果实性状进行变异性、主成分和聚类分析，发现单果质量、果皮厚度、中心糖含量和边糖含量这4个主要指标对西瓜果实品质影响较大，在育种过程中对这4个指标进行选择有利于加速新品种的选育和改良。潘存祥等[9]采用变异系数、多样性指数和聚类分析等方法，对国内外783份西瓜种质资源的24个表型性状进行遗传多样性研究，结果表明，西瓜种质资源表型性状的变异程度和多样性指数较高，具有丰富的变异程度和多样性。纪海波[10]以768份西瓜种质资源为材料，运用多样性分析、相关性分析、主成分分析和聚类分析等方法，对11个质量性状和13个数量性状进行了较全面的研究，为西瓜种质资源的收集和利用奠定基础。尚建立等[11]对国家西甜瓜种质资源中期库西瓜种质资源的9个数量性状进行统计分析，并参照国际植物新品种保护联盟（UPOV）标准，结合我国西瓜种质资源描述评价工作，对果实质量等9个性状进行分级。

对西瓜果实品质性状的研究是西瓜育种工作中不可缺少的一环，良好的果实品质不仅满足人们视觉和味觉上的要求，也为农民增收提供保障[12]。通过对现有的西瓜种质材料进行调查分析，了解其亲本溯源或遗传背景，有利于西瓜优良基因的挖掘和品种改良[8]。因此，笔者对来源于全球不同地区的100份西瓜的5个果实品质质量性状（果粉、果面光滑度、果皮覆纹形状、果肉剖面、果肉质地）和7个果实品质数量性状（果柄长度、果实质量、果实纵径、果实横径、果皮厚度、中心糖含量、边糖含量）进行了遗传多样性分析，旨在为控制西瓜果实品质相关性状的基因挖掘和西瓜种质资源的遗传改良提供重要线索。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为收集于世界各地的100份西瓜种质资源，具体材料名称及来源见表1，分别来源于亚洲（38份）、北美洲（34份）、非洲（20份）、欧洲（4份）、南美洲（4份）。这100份西瓜材料中，有94份属于Citrullus lanatus var. lanatus，2份属于Citrullus colocynthis，2份属于Citrullus lanatus var. citroides和2份育种材料。

1.2 方法

试验在郑州市毛庄绿园蔬菜生产基地进行，西瓜种子经温汤浸种、催芽露白后于2017年2月11日播种于50孔穴盘，每个材料10株，待植株长到2叶1心时定植于日光温室中。試验采用随机区组设计，每个材料定植5株，株距为0.45 m，双蔓整枝，每株材料留1个果。常规栽培管理，开花期进行人工授粉。

1.3 果实性状调查

5月中旬陆续采收成熟的西瓜果实，参照《西瓜种质资源描述规范和数据标准》[13]对西瓜材料的果实品质相关性状进行调查统计。调查的性状包括5个质量性状（果粉、果面光滑度、果皮覆纹形状、果肉剖面、果肉质地）和7个数量性状（果柄长度、果实质量、果实纵径、果实横径、果皮厚度、中心糖含量、边糖含量）。质量性状按照表2进行分级，数量性状利用电子秤（精确到0.01 kg）、直尺（精确到0.1 cm）、手持糖度仪进行测量。

1.4 参数计算

对供试西瓜材料的质量性状进行数量化赋值，并统计各性状的频率分布、变异系数和多样性指数。数量性状在Excel中计算其最小值、最大值、极差、平均值、标准差、变异系数和多样性指数。

利用SPSS 22.0软件，参照潘存祥等[9]多样性指数计算方法，将数量性状根据平均值（X）和标准差（S）分为10级，1级< X-2S，10 ≥ X+2S，中间每级相差0.5S。统计该性状每级出现的频率，采用Shannon-Weaver多样性指数（H）来衡量性状遗传多样性，其计算公式为：H=-∑Piln Pi（i=1，2，3...），Pi为频率，ln为自然对数。利用DPS V 7.05将表型性状转化成遗传矩阵，然后导入MEGA 6.0，对100份西瓜种质材料进行UPGMA聚类分析。

2 结果与分析

2.1 果实性状的变异统计分析

2.1.1 果实质量性状频率统计 对100份西瓜种质材料的5个果实质量性状按照表2进行赋值分级，并计算频率分布（表3）。结果发现，在100份供试材料中，果实表面有果粉的占71%，无果粉的占29%；果面光滑度主要以光滑为主（86%），果面出现瘤、沟、棱所占的比例较少，为14%。果面光滑度是影响果实外观品质的重要因素之一，果面瘤、沟、棱等性状的出现，除了受基因调控以外，温度、光照和湿度等环境因素的改变也会很大程度上影响果面的光滑度；果皮覆纹形状中，网条占45%，齿条占22%，条带占29%。这3种类型是西瓜比较常见的覆纹形状，黑皮西瓜的果皮表面常表现为无覆纹，而放射条和斑点主要在野生、半野生西瓜中较为常见；果肉剖面均匀所占的比例最大，为55%，纤维块占40%；果肉质地主要以酥脆为主，为78%。果肉剖面均匀一致、口感酥脆的果实更受消费者欢迎。

2.1.2 果实性状变异分析 以100份供试西瓜种质为材料，对12个果实性状指标进行统计分析（表4），代号A～E为质量性状，F～L为数量性状。结果表明，这些性状的多样性指数变化范围为0.44～2.06。其中果实质量的多样性指数最大，为2.06；果面光滑度的多样性指数最小，为0.44；其他性状的多样性指数介于二者之间。另外，数量性状的多样性指数高于质量性状，这说明西瓜数量性状的变异范围更广。西瓜性状的变异频率是性状多样性的数量化体现，变异系数越大，在优异资源中的选择余地就越大[14]。本试验中，果肉剖面的变异系数最大，为71.13%，果实横径的变异系数最小，为16.37%。

2.2 果实性状主成分分析

由于各个性状之间存在一定的相互关联，因此难以分析单个性状因子在表型性状构成中的作用[15]。主成分分析可将相关的多个性状指标在不损失或很少损失的情况下，归纳为数量较少且彼此相互独立的因子[16]。笔者对西瓜12个果实性状进行主成分分析，以特征值大于1为标准，将12个果实性状归纳为3个主成分。这3个主成分的累计贡献率为71.99%，代表了果实性状的主要遗传信息。由表5可知，第1主成分的累计贡献率最大，为34.00%。12个果实性状的载荷符号都为正且全部跟西瓜果实相关，因此可称为果实因子，这些果实因子共同影响西瓜果实品质；第2主成分的贡献率为24.53%，载荷符号为正的性状有果粉、果面光滑度、果皮覆纹形状、果肉剖面和果肉质地，这5个性状是果实的品质性状，因此称为果实品质因子；第3主成分的贡献率为13.46%，载荷符号为负的性状有果皮覆纹形状、中心糖含量和边糖含量。这说明在果粉、果面光滑度、果肉剖面、果肉质地、果柄长度、果实质量、果实纵径、果实横径和果皮厚度等性状相对适宜的情况下，即使不考虑果皮覆纹性状对果实品质的影响，中心糖含量和边糖含量的降低也会影响西瓜果实的整体品质。

2.3 果实性状聚类分析

以西瓜12个果实性状数据为基础，利用UPGMA法对100份西瓜种质材料进行聚类。由图1可知，100份西瓜种质材料可分为2大类群。类群Ⅰ包括1、53、78共3个材料，这3个材料中，1和53属于C. colocynthis，78属于C. lanatus var. citroides；此类群属于野生种西瓜，均表现为果实小且极硬，果肉颜色为绿白色，味极苦，不可食用。类群Ⅱ包括97份材料，其中94份屬于C. lanatus var. lanatus，1份属于C. lanatus var. citorides和2份育种材料（表1）；此类群绝大部分都属于栽培种西瓜，该类群果肉质地酥脆，中心糖含量在5%～10%之间，果肉颜色大多为红色，果皮覆纹形状和果实质量变化丰富，绝大部分果实可食用。

从地理来源上看，类群Ⅰ的3个材料中，1和78来自非洲，53来自欧洲。类群Ⅱ的97份材料中，有38份材料来源于亚洲，18份来源于非洲，4份来源于南美洲，3份来源于欧洲，3份来源于北美洲。由图1可知，来源不同的西瓜材料在同一簇群中是相互交织在一起的，并未按照来源地域区分开来，这暗示西瓜材料间的亲缘关系与其地理来源可能并无显著相关性。当然这也可能是由于地理环境的改变导致的表型差异。进一步结合SNP、SSR等分子标记研究可以更准确地探索西瓜种质间的亲缘关系。

3 讨 论

表型性状变异系数反映了某一性状数据的离散程度，变异系数越大，则表明该性状的变异程度就越大[9]。笔者通过对来源不同的100份西瓜种质材料的12个果实品质相关性状进行调查分析，发现所有性状的变异系数都大于10%，说明西瓜果实品质具有丰富的变异度。尚建立等[11]分析结果表明，果实质量、果实长度、果实宽度、果皮厚度和中心糖含量的变异系数分别为43.0%、23.1%、15.5%、30.1%和22.5%。纪海波等[10]研究中的果皮斑纹性状、单果质量、果实纵径、果实横径、果皮厚度和果实质地的变异系数分别为37.72%、52.63%、21.43%、17.47%和33.55%。郭禄芹等[17]研究发现，边糖含量的变异系数最大，为90.73%，中心糖含量、果柄长度、果实质量、果皮厚度的变异系数分别为88.52%、58.68%、49.84%和36.54%。从总体上看，本研究结论与前人研究较为一致，均表明西瓜种质资源表型性状的变异程度较高。

西瓜果实品质包含的相关性状个数较多，这些性状既有数量性状又有质量性状，且各性状之间又相互关联，使得育种工作难度加大[18]。主成分分析将较多的变量综合为少数几个公共因子，从而减少数据维度，以减少评价工作量。赵卫星等[8]将7个西瓜果实性状归纳为4个主成分，累计贡献率为93.94%。王志强等[19]将6个数量性状综合成为3个主成分，且这3个主成分构成的信息可解释总信息量的84.30%。朱子成等[12]的研究表明，前3个主成分特征值的累计贡献率达87.84%，应从单果质量、可溶性固形物含量和果形指数等方面选育高产量、高品质品种。笔者将12个果实性状归纳为3个主成分，累计贡献率达71.99%。这12个果实性状与西瓜的果实品质密切相关，且第1主成分中各性状的载荷全部为正。因此在对西瓜某个果实品质性状进行研究时，要综合考虑这12个性状间的相互作用。

聚类分析是将一个总体内的各个元素，根据它们之间的相近程度进行分类[10]。苏玉环等[20]基于果实性状的聚类分析，将供试材料分为4个类群。陈萍等[21]根据单果质量、果皮厚度和含糖量，采用系统聚类法将119份西瓜种质材料分为10类。潘存祥等[9]基于24个表型性状，将供试西瓜在欧氏距离为25时聚为2类。纪海波等[10]在欧氏距离25时将768份西瓜种质材料聚为2类。赵卫星等[8]以综合成分中主要因子为指标进行聚类分析，将56份西瓜品种分为4类。本研究的聚类结果将100份西瓜种质材料分为野生西瓜（C. colocynthis）和栽培西瓜（C. lanatus）。ZHU等[22]采用32对SSR标记将134份西瓜种质材料聚为2类，一类包括C. lanatus var. citorides 和 C. colocynthis，另一类包括C. lanatus var. lanatus和C. colocynthis。笔者基于表型数据的UPGMA聚类结果与纪海波、潘存祥等的研究结果类似，与ZHU等[22]从分子角度分析UPGMA的聚类结果基本一致。通过对西瓜种质材料表型性状的差异化进行统计分析，了解材料间丰富的形态多样性，将为西瓜分子标记辅助选择及基因定位等提供基础，进而促进西瓜的新品种选育及遗传改良。

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