商志伟, 杨仕梅, 张天缘, 徐 静, 王仙萍, 温 贺, 杨 森,张 恒, 田 飞, 张 品, 王文华, 沈 奇,
(1.贵州省农业科学院油菜研究所, 贵阳 550008;2.贵州大学生命科学学院,山地植物资源保护与种质创新省部共建教育部重点实验室, 贵阳 550025)
紫苏(Perillafrutescens(L.)Britt.)别名荏、苏麻、引子、桂荏、白苏、赤苏等,是唇形科一年生草本植物[1-2]。紫苏原产于中国,至今已有2 000多年的栽培历史,在我国的华北、华中、华南、西南等地区均有分布,在印度、缅甸、日本、朝鲜、韩国等国家也有引种及种植[3-5]。中国药典记载紫苏叶、紫苏籽和紫苏梗均可入药,但未做种下变异类型的规定。我国从《证类本草》中就区别紫苏和白苏,前者叫苏,后者叫荏[6-7]。两者的种子特征,包括大小、颜色、硬度及脊纹均有较大差异[8]。紫苏籽形态特征是作为其种群分类的一个重要依据。此外,紫苏籽作为药材,归肺经,主要有降气化痰,止咳平喘,润肠通便等功效,用于治疗痰壅气逆,咳嗽气喘,肠燥便秘[9]。紫苏籽中还富含油脂[10],其油脂中α-亚麻酸含量可高达65%,是陆生植物中α-亚麻酸含量最高的物种之一[11],具有降血脂、降血压、抗血栓,影响脑神经视神经功能,抑制过敏以及免疫调节作用[12],具有重要的应用价值及经济前景。
鉴于紫苏种下变异及果实形态的多样性,而籽粒表型性状与其品质产量间关系的研究又一直缺乏系统性。因此,本研究对431份紫苏种质资源的籽粒表型特征及品质产量进行考察,通过相关性及聚类分析,获得籽粒表型性状与分类对品质产量间影响的依据,以期为紫苏籽的研究与应用提供指导。
431份紫苏为2010—2016年收集的国内各地及日本种质资源(资源来源地及分类情况见表1)。经贵州省农业科学院油菜研究所紫苏课题组鉴定,363份种质属于紫苏原变种(Pfvar.frutescens),68份种质属于回回苏变种(Pfvar.crispa)。
表1 431份紫苏籽粒来源
分析天平(FA 2014 N型),显微镜(OLYMPUS SZX 9),数显谷物硬度仪(浙江托普云,GWJ 1);标准色卡;近红外分析仪(FOSS)。
试验采用随机区组设计,于2017年3月中旬统一播种,直播定苗,每穴1株,行距40 cm,窝距30 cm,小区面积20 m2,重复3次。
收获种子后进行种子表型考察及品质性状分析。
千粒重:随机选取1 000粒称重,重复3次,取平均数。
籽粒大小:取10粒并排一条直线,钢尺测量,重复3次,取平均值。
籽粒硬度:取5粒种子,采用数显谷物硬度仪进行测量,取平均数。
籽粒含油量及α-亚麻酸(C 18:3)含量:采用近红外光谱测定。
单株产量:随机选取5株植株,测定其种子产量,取平均值。
种皮颜色:选择代表性颜色的果实,采用标准色卡核对果皮颜色色号,再合并成一种颜色类型,所有果实样品可以区分为4种颜色,分别赋值:1为褐色,2为白色,3为灰色及4为其他;其中,其他包含花色,粉色,黄色,绿色等。
脊纹高度:在显微镜下观察果实外表纹路,脊纹显著高出果皮,为高脊纹,赋值为1;脊纹略高于果皮或不明显,为低脊纹,赋值为0。
数据统计采用SPSS 19.0软件。形态特征量化后采用R语言包采用k-means法进行聚类及主成分分析。
对供试样品籽粒的千粒重、大小、硬度、含油量、α-亚麻酸(C 18:3)含量、单株产量、种皮颜色、种皮表面脊纹高度等8个指标进行统计分析(见表2)。结果表明,除种皮颜色、种皮表面脊纹高度以外的6个指标中,变异系数从大到小分别为单株产量、千粒重、硬度、含油量、籽粒大小、α-亚麻酸含量。其中籽粒单株产量变幅变异系数最大,为0.838,变幅为0.2~65.371 g。α-亚麻酸的变异系数最小,仅为0.092。种皮颜色中,346份(80.278%)材料的种皮为褐色,44份(10.209%)种皮为白色,24份(5.568%)种皮为灰色,还有17份(3.944%)种皮为黄色,黄粉及绿色等颜色。种皮的脊纹有367份(85.151%)为低脊纹,64份(14.849%)为高脊纹。
表2 紫苏籽粒形态特征
通过相关性分析(表3)发现,紫苏籽粒千粒重与籽粒大小呈显著正相关,即表现为千粒重越大的籽粒大小也越大。两者均与硬度呈显著负相关,即表现为千粒重小,籽粒小的种子硬度越高。种皮的颜色与千粒重及种子大小呈正相关。种皮脊纹与千粒重、籽粒大小及颜色呈正相关。由于种皮颜色和脊纹均为赋值数据,其表现相关性规律还需进一步分析。籽粒品质中,α-亚麻酸与千粒重、颜色呈正相关,与其他指标的相关性不显著。而含油量与千粒重,种子大小均呈显著正相关,与硬度呈现显著负相关。即表现为千粒重大,籽粒大,硬度低的种子含油量较高。产量性状中的单株籽粒产量与千粒重、籽粒大小呈显著正相关。总之,从分类特征看,紫苏类型与千粒重、大小、硬度、颜色、脊纹及含油量均有显著相关性。
表3 紫苏籽粒形态特征的相关性分析
综上所述,籽粒千粒重、大小、硬度与籽粒含油量品质相关性较高,因此可通过籽粒表型选择作为品质育种初判指标。产量与品质性状也表现为显著正相关,暗示选育产量及品种均优良的紫苏种质的可能性。
以产地、千粒重、大小、硬度、颜色、脊纹、亚麻酸含量、含油量等为籽粒特征,用k-means法进行聚类分析,结果见图1,紫苏资源可分为两个主要类群。Ⅰ类群主要由回回苏变种及紫苏原变种的小粒种组成,籽粒平均千粒重1.619 g,平均粒径1.590 mm,平均硬度7.797 g,籽粒颜色除Ⅰ.11(来自北京及河北的材料)外,其余均为褐色,全部为低脊纹材料。含油量平均为29.753%,亚麻酸平均含量为56.041%,单株产量为14.519 g。Ⅱ类群主要由紫苏原变种组成,籽粒平均千粒重2.245 g,平均粒径1.830 mm,平均硬度3.276 g。
籽粒颜色多样性,种子脊纹主要为低脊纹,含油量平均为42.894%,亚麻酸含量平均为57.325%,单株产量为12.534 g。两个类群比较,Ⅰ类群为小粒种,硬度较高。Ⅱ类群为大粒种,硬度较低。Ⅰ类群含油量比Ⅱ类群低11个百分点,亚麻酸比Ⅱ类群低1个百分点,而平均单株产量比Ⅱ类群高2个百分点。
如图1,进一步分析,Ⅰ类群下又可分为两个亚类群,两个亚类群分别由3个组构成。Ⅱ类群下又可分为4个亚类群,其中,有3个亚类群均由3个组构成,一个亚类群由4个组构成。如表4,种皮颜色的多样性主要集中在Ⅱ.1亚类群及Ⅱ.24、Ⅱ.31、Ⅱ.43。如Ⅱ.11主要以花色、粉色、黄色、绿色等颜色为主,Ⅱ.12以白色为主,Ⅱ.13以白色及灰色为主。脊纹类型来看,Ⅱ.1亚类群为高脊纹,其余均为低脊纹。对每个组的特征进行分析,如Ⅰ.21由24个材料组成,均为贵州省来源的回回苏变种,平均千粒重仅为0.659 g,平均粒径1.160 mm,为供试材料中种子最小的组。其平均硬度3.725 g,亚麻酸含量59.229%,含油量31.502%,单株产量8.493 g。如Ⅱ.21亚类群,千粒重1.544 g,平均粒径16.227 mm,尽管种子大小居中,但含油量却达到49.957%,亚麻酸含量53.729%,是一组优良的高油种质。但其单株产量仅为7.501 g,还有待改良提升。Ⅱ.41亚类群,其千粒重为1.387 g,平均粒径14.467 mm,硬度5.652 g,尽管含油量为39.512%,但其单株产量可达到52.048 g,是一组优良的高产材料。
表4 紫苏种质组内特征分析
由此可见,通过籽粒特征进行聚类分析可以有效的对材料进行分类利用。如小粒种Ⅰ类群中含油量均较低,不宜作为油用资源。油用紫苏主要来源于Ⅱ种群中,主要有Ⅱ.21高油种质,Ⅱ.33为大粒且高油种质,Ⅱ.43为高产的种质。籽粒特征聚类与种质分类有一定的关系,如回回苏变种主要集中在Ⅰ类群中。但是种质来源地点与籽粒特征聚类关联不大。
将紫苏亚种类型8项农艺性状数据进行无量纲化处理后再进行主成分分析,如图2和表5结果显示,为了更好地呈现紫苏资源籽粒特性,文中仅提取主成分一和主成分二。第一主成分(PC 1)和第二主成分(PC 2)方差贡献率为33.8%和18.6%。根据每个形态特征在主成分上的特征向量分析,千粒重、种子大小、颜色、脊纹、含油量、亚麻酸含量及单株产量均在PC 1起正向作用,而硬度在PC 1起负向作用。千粒重、种子大小、含油量及单株产量在PC 2起负向作用,而其他指标,如硬度、颜色、脊纹、亚麻酸在PC 2起正向作用。因此回回苏种质,形态特征为小粒种、含油量低,主要集中在第一象限。紫苏原变种在坐标上分布情况较广,主要分布在第三、四象限,少量在第二象限。特征指标中,千粒重、种子大小、含油量及单株产量指向相近,并在第四象限发散,暗示这部分资源在大粒、高油及高产种质选育上较具优势。硬度与其方向相反,向第一象限发散,这部分种质较为坚硬。颜色与脊纹的发散方向与其基本垂直,两个指标对种质材料的选育干扰较小。
表5 紫苏形态特征在主成分上的特征向量
鉴于以上分析未得到种质来源地点对籽粒特征影响的结论,进一步对供试资源采集地点,即来自14个省份获得的2个亚种的紫苏种子特征进行分析。结果(表6)发现,北方地区,包括北京、甘肃、河北、宁夏、吉林、辽宁地区主要以原变种为主要类型。甘肃地区种质籽粒大、千粒重大,而硬度较低,种子含油量也较高,亚麻酸含量略低。该地区种子颜色较多,高脊纹及低脊纹种质均存在。宁夏地区种子同样籽粒大,千粒重大,而硬度较低,种子含油量也较高,亚麻酸含量也较高。而同样以原变种为主的河北地区种子千粒重略小,硬度高,但含油量较低。晋中地区山西、山东、陕西、安徽地区也主要以原变种为主要类型。该地区种子籽粒大小、千粒重及硬度均属中等。4个省份相比较,山东地区亚麻酸含量最高,含油量最低;安徽地区亚麻酸含量最高,含油量最高;湖南与日本种质主要以回回苏变种为主,籽粒较小,千粒重小,含油量也较低;贵州地区两种类型均有,该地区原变种类型籽粒,千粒重、硬度均属中等。
表6 产地对紫苏籽粒指标的影响分析
紫苏为唇形科一年生草本植物,无论从叶片挥发油类型及种子含油量等有效成分,均显示出其种质广泛的多样性。对其种子特征进行梳理,判定种质分类与籽粒形态特征分类之间关系,明确籽粒性状对品质产量的影响,对紫苏鉴定及应用有着重要的意义。张琛武等[8]对55份中国产紫苏的果实形态特征(粒径、百粒重、颜色、硬度、表面脊纹高度)进行了描述和统计分析,经聚类分析将其分为6个大类,并从种群分类及化学型上对其进行归类分析,得到小粒、脊纹低、质地硬、黄棕色或深褐色的果实形态具有较大可能为药典规定的紫苏醛型(PA型)紫苏,且主要为回回苏变种。在其研究基础上,扩大研究的样本量,选择覆盖国内18个省以及日本的两大类型种质进行分析,获得如下结论,1)紫苏种质的多样性复杂,供试6个指标变异系数从大到小分别为单株产量、千粒重、硬度、含油量、籽粒大小、α-亚麻酸含量;2)籽粒千粒重、大小、硬度与籽粒含油量品质相关性较高,因此可通过籽粒表型选择作为品质育种初判指标。产量与品质性状也表现为显著正相关,暗示选育产量及品种均优良的紫苏种质的可能性;3)通过籽粒特征进行的聚类分析可以有效的对材料进行分类利用。籽粒特征聚类与种质分类有一定的关联,但是种质来源地点与籽粒特征聚类关联不大;4)主成分分析表明千粒重、种子大小、含油量及单株产量指向相近,并在第四象限发散,暗示这部分资源在大粒、高油及高产种质选育上较具优势;5)对供试资源采集地点分析,各区域种质受栽培环境及选择驯化的影响,资源具有一定的特征性。
通过对431份紫苏种质资源的形态特征、品质产量及分类特点进行分析,建立了系统的紫苏籽粒表型聚类图谱。并通过分析,深入了解紫苏籽粒大小、千粒重及硬度等表型特征对其品质产量的影响,明确油用紫苏育种材料的来源,并筛选获得优异的组系。另外,籽粒千粒重及种子大小可作为品质育种的初判指标,且在育种中可选择兼顾大粒、高油及高产的育种目标等结论。该研究结果将为紫苏资源的深入开发及品质育种提供指导。