基于农艺和品质性状的宛艾种质综合评价

许兰杰，梁慧珍，余永亮，杨 青，李 磊，安素妨，杨红旗，谭政委，李春明，董 薇，鲁丹丹

（河南省农业科学院 芝麻研究中心，河南 郑州 450002）

艾（Artemisia argyi）为菊科（Compositae）蒿属（Artemisia）多年生草本植物，是集药品、食品、保健品于一体的大宗中药材之一[1]。现代研究表明，艾叶含有丰富的矿物质元素[2]、黄酮类[3]、挥发油类成分[4-5]等，具有温经活络[6]、抗菌[7]、抗癌[8]、抗炎[9]、免疫调节[10]、抗凝血[11]等作用。艾分布于我国大部分地区以及朝鲜半岛、日本、蒙古等亚洲东部[12]。在我国，艾主产于河南、湖北、湖南、安徽、山东和河北等。近年来，随着中医药健康服务业的快速发展，艾产业的市场需求与日俱增。艾及其制品在治未病、美容护肤等方面的独特作用得到了社会各界的广泛认同，特别是深受日本、韩国客商的青睐，国际市场需求量大，前景极为广阔。

河南省南阳市是国内外公认的艾产业重要发源地，被誉为“世界艾乡”，全市艾种植面积达2万hm2，各县区均有艾种植，是全国最大的艾原材料供应基地[13]。南阳市艾产品年生产加工量占全球85%以上，南阳市简称宛，因此，所产的艾被外界统称为“宛艾”。宛艾野生资源很多，栽培农家品种也很多，现在推广的一些品种，植株形态特点与产量和品质方面优势并不稳定，经长期种植，品种特性逐渐丧失，急需培育新品种。

丰富多样的种质资源是开展植物新品种选育和基础研究的必备条件之一。目前，关于艾的研究主要集中在其化学成分、生物活性以及栽培技术方面，资源评价方面的研究较少[14-17]。陈昌婕等[17]对来源于我国不同地区的艾种质资源的农艺性状和叶片表型性状进行了多样性分析，并将其划分为3 个类群。为充分了解南阳市艾种质资源的遗传多样性，拟以30 个宛艾种质为试验材料，对其农艺和品质性状进行分析测定，采用相关分析、主成分分析和聚类分析对其进行综合评价，并基于隶属函数法筛选优异宛艾种质，为开展宛艾新品种选育奠定理论基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验材料为河南省农业科学院芝麻研究中心收集的30 个宛艾种质，分别编号Ai01—Ai30。其中，Ai01—Ai07 来自南阳市邓州市、Ai08—Ai10 来自南阳市宛城区、Ai11—Ai17 来自南阳市桐柏县、Ai18—Ai24 来自南召县、Ai25—Ai27 来自南阳市唐河县、Ai28—Ai30 来自南阳市方城县。试验材料于2021 年4 月10 日分株栽种于河南省现代农业科技试验示范基地（经度113.71、纬度35.01）。试验采取完全随机区组设计，重复3 次，每个小区4 行，行长2 m、行距0.6 m、株距0.4 m，常规田间管理。

1.2 性状调查

田间性状调查于2021年6月10日进行，每个小区随机取样5 株进行室内考种，调查株高、叶长、叶宽、叶柄长、主茎分枝高度、主茎分枝数、主茎节间数、主茎节间长度、主茎叶片鲜质量、主茎质量共10个农艺性状。

1.3 品质分析

共计5 个品质性状：采用索氏提取法提取艾叶挥发油含量；采用苯酚—硫酸法测定艾叶低聚糖含量和多糖含量；采用考马斯亮蓝法测定艾叶蛋白质含量；采用芦丁法测定艾叶总黄酮含量。

1.4 数据处理及统计分析

采用Excel 2013 计算供试材料各性状的最大值、最小值、平均值、标准差、变异系数。参考梁慧珍等[18]的方法，通过隶属函数法将30 个宛艾种质的15个性状函数值定义在[0，1]区间内，计算公式：Sin=（Xin-Ximin）/（Ximax-Ximin），式中，Sin表示第i指标、第n个样品的原始数据转化后的隶属函数值，Xin为第i指标、第n个样品的原始测定值，Ximin与Ximax为第i指标在30 个宛艾种质中的最小值和最大值。为了研究宛艾10 个农艺性状和5 个品质性状的遗传多样性，采用Shannon-weaver 遗传多样性指数（H′）进行遗传多样性评价，计算公式：H′=-∑Pi×lnPi（i=1，2，3，…，n），式中，Pi指某个性状第i级别内材料个数占总个数的百分比[19]。采用SPSS 20.0 软件进行相关性分析、主成分分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 宛艾种质的遗传多样性分析

由图1 可知，10 个农艺性状的H′差异较大，介于0.53（主茎分枝高度）～1.58（叶宽），平均为1.35；叶宽（1.58）、主茎节间数（1.56）、叶长（1.54）、株高（1.53）和叶柄长（1.53）的H′居10 个农艺性状的前列。5个品质性状的H′差异稍小，介于0.98（低聚糖含量）～1.55（总黄酮含量），平均为1.38；总黄酮含量（1.55）和挥发油含量（1.53）的H′居5 个品质性状的前列。

图1 宛艾种质15个性状的遗传多样性指数Fig.1 Diversity index of 15 traits in Wan A.argyi germplasm

2.2 宛艾种质的变异系数分析

对30 个供试宛艾种质农艺性状和品质性状的变异系数进行比较，结果（表1）表明，15个性状的变异系数为16.95%～160.71%，以主茎分枝高度的变异程度最高，变异系数最小的是总黄酮含量。10个农艺性状的变异系数平均为52.14%，5 个品质性状的变异系数平均为24.00%。农艺性状的平均变异系数大于品质性状，说明宛艾种质品质性状间的差异较小。

表1 宛艾种质15个性状的基本统计分析Tab.1 Basic statistical analysis of 15 traits in Wan A. argyi germplasm

续表1 宛艾种质15个性状的基本统计分析Tab.1（Continued） Basic statistical analysis of 15 traits in Wan A. argyi germplasm

2.3 宛艾种质的相关性分析

相关分析（表2）表明，株高与主茎分枝数、主茎节间数、主茎叶片鲜质量、主茎质量呈极显著正相关，与叶柄长呈显著负相关。叶长与叶宽、叶柄长呈极显著正相关，与主茎节间数呈显著负相关。叶宽与叶柄长呈极显著正相关，与主茎节间长度呈显著正相关，与多糖含量呈极显著负相关。叶柄长与主茎节间数呈极显著负相关，与主茎分枝数、主茎叶片鲜质量和主茎质量呈显著负相关。主茎分枝高度与主茎叶片鲜质量呈显著负相关，与低聚糖含量呈极显著正相关。主茎分枝数与主茎节间数、主茎叶片鲜质量、主茎质量呈极显著正相关，与挥发油含量呈极显著负相关。主茎节间数与主茎叶片鲜质量、主茎质量呈极显著正相关。主茎节间长度与主茎叶片鲜质量呈显著正相关，与总黄酮含量呈极显著负相关。主茎叶片鲜质量与主茎质量呈极显著正相关，与挥发油含量呈显著负相关，与低聚糖含量呈极显著负相关。主茎质量与挥发油含量呈极显著负相关，与低聚糖含量呈显著负相关。总黄酮含量与多糖含量呈显著负相关，与蛋白质含量呈极显著负相关。多糖含量与蛋白质含量呈显著正相关。以上说明，植株大部分农艺性状之间是相互协调、相互影响的，品质性状之间也存在一定的相关性，但农艺性状与品质性状之间相关性较差。

表2 宛艾种质15个性状的相关性分析Tab.2 Correlation analysis of 15 traits in Wan A. argyi germplasm

2.4 宛艾种质的主成分分析

采用SPSS 20.0 对15 个性状进行主成分分析。结果（表3）表明，可以用5 个主成分因子代表15 个性状，贡献率分别为28.99%、19.32%、15.35%、13.35%、8.11%，累积贡献率为85.12%。第1、2、4 主成分主要反映农艺性状信息，其中，第1主成分主要反映主茎分枝数、主茎叶片鲜质量和主茎质量信息，且都为正向荷载因子；第2 主成分主要反映叶长、叶宽和叶柄长信息，且都为正向荷载因子；第4主成分主要反映主茎分枝高度信息，且为正向荷载因子。第3个主成分主要反映农艺和品质性状信息，主茎节间长度和蛋白质含量为较大正向荷载因子，总黄酮含量为较大负向荷载因子。第5 个主成分主要反映品质性状挥发油信息。

表3 主成分的因子载荷和贡献率Tab.3 Factor loading matrix and contribution percentages of principal components

2.5 宛艾种质的综合评价

根据《中华人民共和国药典》对艾叶品质性状的规定，桉油精不得少于0.050%、龙脑不得少于0.020%，而桉油精和龙脑是挥发油的重要成分[20]，对15 个性状分别赋予如下权重：株高0.10、叶长0.05、叶宽0.05、叶柄长0.02、主茎分枝高度0.01、主茎分枝数0.10、主茎节间数0.03、主茎节间长度0.05、主茎叶片鲜质量0.15、主茎质量0.04、挥发油0.15、总黄酮0.08、多糖0.02、蛋白质0.10 和低聚糖0.05。参考梁慧珍等[18]的方法计算隶属函数值，获得30 个宛艾种质的综合得分，其中Ai01、Ai05、Ai27、Ai04、Ai28 等5 个艾种质的综合得分分别为0.797、0.781、0.727、0.710、0.706，居于前五（表4）。

表4 宛艾种质综合得分Tab.4 Score of Wan A. argyi germplasm

2.6 宛艾种质的聚类分析

通过离差平方和法对30 个宛艾种质进行系统聚类分析，在欧式距离14.0 处，将30 个宛艾种质聚为三大类（图2）。第一类为优质型，表现为低秆小叶，挥发油、多糖、低聚糖和蛋白质含量较高，包含的8 个种质分别是Ai11、Ai12、Ai14、Ai18、Ai22、Ai23、Ai25 和Ai29；第二类为丰产型，表现为高秆大叶、多分枝、茎叶高产、挥发油中等，包含的8个种质分别是Ai01、Ai02、Ai03、Ai04、Ai05、Ai07、Ai16 和Ai27；第三类介于第一类和第二类之间，表现为株高中等、叶片面积中等、挥发油含量中等、总黄酮含量较高，包含的14 个种质分别是Ai06、Ai08、Ai09、Ai10、Ai13、Ai15、Ai17、Ai19、Ai20、Ai21、Ai24、Ai26、Ai28和Ai30。

图2 宛艾种质聚类分析树状图Fig.2 Dendrogram of cluster analysis of Wan A. argyi germplasm

3 结论与讨论

种质资源的遗传多样性是新品种成功选育及应用方面突破的关键，对其进行分析和保护，既拓宽了中药材品种改良的遗传基础，也可以根据产业的需求变化培育新品种[21]。遗传多样性分析手段随着生物学技术的快速发展，经历了形态学水平、细胞学水平、生化水平和分子水平。形态标记因具有直接、简便、易操作等优势一直被广大科学家采用，广泛应用于粮食作物[22]、经济作物[23]、油料作物[24]、蔬菜[25]、水果[26]和中药材[27]等种质资源调查和遗传育种。

为充分了解宛艾种质现状，对来自南阳市6 个市区县的30 个宛艾种质的15 个性状进行Shannonweaver 遗传多样性分析，15 个性状的H′为0.53～1.58，其中叶宽、主茎节间数、叶长、株高和叶柄长的H′居10 个农艺性状前列；5 个品质性状的H′差异稍小，挥发油含量和总黄酮含量的H′居5 个品质性状前列。

15 个性状的变异系数为16.95%～160.71%，以主茎分枝高度的变异程度最高，最小的是总黄酮含量；10 个农艺性状的变异系数平均为52.14%，5 个品质性状的平均变异系数为24.00%，农艺性状的平均变异系数大于品质性状，说明宛艾种质品质性状间的差异较小。陈昌婕等[17]对收集的来自全国59个地区的100 个艾种质资源进行表型多样性分析发现，20 个性状的H′为0.82～4.37。而本研究中选取的试验材料均来自南阳市，长期的自然选择和人为驯化导致材料H′低于陈昌婕等[17]的研究结果，建议宛艾开展新品种培育或遗传改良时拓宽亲本圃，多引进国内外其他地区艾种质资源。

性状相关性可以通过一种性状间接反映另一种性状，从而提高选择效率。本研究中15个性状间的相关性分析主要呈现出3种趋势。大部分农艺性状之间存在着显著的相关性。例如株高与主茎分枝数、主茎节间数、主茎叶片鲜质量、主茎质量呈极显著正相关，叶长与叶宽、叶柄长呈极显著正相关，主茎分枝数与主茎节间数、主茎叶片鲜质量、主茎质量、株高呈极显著正相关。品质性状间也存在一定的显著相关性。如总黄酮含量与多糖含量呈显著负相关，与蛋白质含量呈极显著负相关；多糖含量与蛋白质含量呈显著正相关。农艺性状与品质性状间相关性相对较差，仅有部分农艺性状与品质性状间相关性显著或极显著。因此，可依据农艺性状间的相关性分析，合理搭配目标性状以达到增产目的；但仅依据农艺性状并不能判断品质指标的含量，改良品质性状前还需要进行材料的品质检测。

聚类分析将供试30个宛艾种质划分为三大类，第一类为优质型，表现为低秆小叶，挥发油、多糖、低聚糖和蛋白质含量较高；第二类为丰产型，表现为高秆大叶、多分枝、茎叶高产、挥发油中等；第三类介于第一类和第二类之间，表现为株高中等、叶片面积中等、挥发油含量中等、总黄酮含量较高。此分类反映了所有供试材料的类型及亲缘关系，为生产上的应用提供参考，但还需结合ISSR、SSR 等分子标记进一步进行DNA 水平的验证[25]。基于宛艾种质的综合评价，明确了各类群间的特征特性和变异范围，可为宛艾种质资源的遗传进化研究提供参考。

主成分分析是把原来多个具有一定相关性的变量简化为少数几个互不相关的综合性状，该方法可简化选择程序[28-29]。本研究通过主成分分析，提取了5 个主成分，与前人研究结果[17]相比，主成分提取值相对减少。分析原因，本研究增加了挥发油、总黄酮、低聚糖、多糖、蛋白质等品质性状，如总黄酮为第3 主成分的较大荷载因子，挥发油为第5 主成分较大负向荷载因子，说明品质性状在宛艾种质资源评价中具有非常重要的作用。

本研究通过对宛艾种质农艺和品质性状的多样性分析，进一步明确了宛艾种质表型和品质变异的丰富程度。依据综合得分大小，Ai01、Ai05、Ai27、Ai04、Ai28 等5 个宛艾种质在产量和品质方面综合表现优异，今后既可作为宛艾新品种选育亲本直接加以利用，又可作为宛艾遗传改良中优良基因挖掘利用的研究材料。