基于农艺性状的山药种质资源遗传多样性分析

董俊美， 李锦超， 贾凯旋， 孟义江， 杨太新， 葛淑俊

(1.河北农业大学农学院/教育部华北作物种质资源研究与利用重点实验室，河北保定 071000；2.河北农业大学生命科学学院，河北保定 071000)

山药(Thunb.)为薯蓣科(Dioscoreaceae)薯蓣属多年生缠绕性藤本植物，是我国最古老的作物之一，产量高且适应性强，至今广泛分布于各地。山药根茎中营养成分含量丰富，是中华人民共和国卫生部首批公布的药食同源的中药材之一，也是出口创汇的重要产品。近年来，山药的栽培面积不断扩大，对优异种质的需求也日渐增多，但是目前山药地方性品种居多，种质资源混乱且同名异物或同物异名情况严重。

为了促进山药种质资源的高效利用，亟需开展更多山药遗传多样性的鉴评。目前山药种质资源鉴评主要集中在形态学和分子标记2个方面。在形态学方面，吴金平等采用类平均聚类法将66份山药种质资源分为薯蓣、参薯2种类型，通过主成分分析提取出5个主因子，其中第1主成分反映了高产株型综合因子；覃维治等对44份山药种质资源的19个农艺性状进行质量、数量性状的遗传多样性分析，结果表明，遗传多样性指数最高的是叶形、薯块长度，数量性状的遗传变异主要来自单株产量，各性状间具有较高的多样性；许念芳等以30份山药品种为材料进行差异性及聚类分析，发现各形态指标间的变异较大，将参试种质划分为北方山药、日本山药与南方山药3类，并提到在植物学或园艺学分类中，应考虑结合种质的形态及生态特性；张武君等根据山药叶、根的形态学差异，将山药种质分为薯蓣、参薯、黄独、福州薯蓣4类。在分子标记方面，研究者已经采用DNA随机扩增多态性(RAPD)、简单重复序列(SSR)、扩增片段长度多态性(AELP)、相关序列扩增多态性(SRAP)等一系列技术手段对山药种质资源的分子遗传水平进行了研究，为山药种质资源利用奠定了基础。Padhan等对9份山药资源的遗传多样性水平进行鉴定，采用5个简单序列重复标记，在材料的5个标记位点上检测到10条多态性条带，表明薯蓣()、、与参薯()具有较高的遗传相似性；Cao等通过测定褐苞薯蓣叶绿体全基因组序列，得出其GC含量为37.01%，预测出129个基因，其中包含84个蛋白编码基因、8个rRNA基因、37个tRNA基因。通过上述及一些其他有关生物核型与品质方面的研究得出山药种质资源遗传多样性的丰富程度，为山药种质的进一步评价与利用提供了科学的理论基础。

山药种质资源丰富，基于形态学的遗传多样性评价更为基础且简单直观，是衡量物种多样性的重要指标和研究内容。本研究收集了各主产区的43份山药种质资源，对其进行农艺性状数据采集，通过多种统计方法分析山药的遗传多样性，旨在明确不同山药资源及性状指标间的遗传多样性水平，为山药种质资源的筛选和利用提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究所用的山药材料为43份，主要来自河北省、河南省、山东省和福建省等地，名称及来源见表1。

表1 供试山药资源的基本信息

1.2 试验方法

1.2.1 试验设计 试验所用山药于2019—2020年种植于河北省安国市中药都药博园试验基地，土壤为沙壤土。，每年4月下旬播种，随机区组设计，共3次重复，采用开沟起垄立架的栽培方式种植，行长 5 m，行距40 cm，株距15 cm。将根茎切段后种植，每段40 g左右。种植前施用4 500 kg/hm腐熟有机底肥，生长中期施肥2次，每次追施600 kg/hm，其他田间管理措施同常规大田栽培。

1.2.2 鉴定指标及方法 每种山药资源随机选取无病虫害、无机械损伤的5个单株，挂牌标记。在根茎形成期调查地上部形态指标(叶片与零余子)，地下部形态指标(根茎)的调查于山药收获期进行，采收挂牌植株的根茎进行考种。在鉴定质量性状指标时，应遵循最大相似原则，记录结果并分级赋值。表型性状及鉴定标准参照《山药种质资源描述和数据质量控制规范》执行，详见表2。

表2 山药农艺性状鉴定项目及标准

1.2.3 数据处理与分析 用Excel 2007进行数据整理及绘图，用SPSS Statistics 25.0进行描述性统计、相关性分析、主成分分析及系统聚类，参照杜荣骞的组距式分组法对数值型性状进行分级。鉴于部分资源无零余子，除描述统计外，其余分析使用部分农艺性状。

2 结果与分析

2.1 山药种质资源农艺性状的分布

2.1.1 质量性状的频率分布 对43份山药种质资源的9个质量性状进行频率分析，由图1可以看出，各性状在不同级别上的分布不均匀。在叶片形状上，心形叶片最多，占74.4%；其次为矛形叶片，占16.3%；戟形叶片占比最少。在叶色上，深绿色的叶片最多，占58.1%；其次为绿色叶片，占25.6%；浅绿色叶片多数为南方资源，占比少，叶片较嫩。在叶缺裂上，浅裂叶片资源最多，占53.5%；其次为全缘叶片，占比为32.6%。叶腋处结有零余子的资源最多，占76.7%；南方资源多数无零余子。零余子形状以球形为主，占51.5%；其次为椭圆形、不规则形，分别占33.3%、12.1%。根茎形状以棍状、 棒状为主，分别为37.2%、34.9%。根茎表皮光滑的资源占比达58.1%，其余均为表面粗糙型资源。薯皮颜色以黄褐色为主，占比达30.2%。叶脉数分为7条(90.7%)、9条(9.3%)2种类型。

2.1.2 数量性状的分布频次 由图2可以看出，各数量性状的分布频次存在差异，其中叶面积在 25.5～67.5 cm的分布频次最高，此类种质有小白嘴、白玉等；叶绿素含量(SPAD值)在>2.4～2.7分布频次占比最高，分布相对均匀，此类种质有棒药、太古等；叶形指数在1.42～1.54范围内的分布频次最高，此类种质有紫山药、佛手等；零余子球形指数在0.84～1.16范围的分布频次占比最高，此类种质有华山、贵港山药等；百粒质量在>35.5～57.5 g 的分布频次最高，此类种质有黄皮、陇山药1号等；根茎全长在>68.5～88.5 cm范围的分布频次占比最高，为44.19%，此类种质有靳家岭2号、偃野1号等；茎粗在17.5～34.5 mm范围的分布频次最高，此类种质有山东2号、晋城2号等；芦头长在>12.5～24.5 cm范围的分布频次最高，此类种质有白皮、铁棍山药等。

2.2 山药种质资源农艺性状的变异特征

由表3可知，山药种质资源性状指标间变异丰富，平均变异系数达到38.95%，变异范围在9.32%～79.86%之间。农艺性状中除叶形指数、SPAD值及零余子直径外，其他性状的变异系数均大于25%，叶片性状中变异系数最大的是叶面积，达79.86%，南方种质资源的叶面积相对较大，且叶形指数较大，表示叶片较狭长。在零余子性状中，变异系数较大的为零余子百粒质量、球形指数，分别为48.83%、30.30%，球形指数接近1，代表零余子呈现出圆形。在根茎性状中，变异系数较大的为芦头长、茎粗，分别为56.10%、51.97%，其次为单株质量，为51.16%，其余性状的变异系数均大于35%。北方资源的芦头较长，芦头占比最高达36.47%；南方资源的芦头较短，最小占比仅为7.08%。由此可见，芦头占比是品种选育时的重要指标。

表3 山药种质资源的主要性状

总体来说，山药种质资源主要农艺性状间均存在较大变异，地下部相关性状的变异幅度大于地上部相关性状，表明其种质资源的遗传多样性较丰富，为优良种质的选择和育种创造了条件。

2.3 山药主要农艺性状与小区产量的相关性分析

对供试山药资源的主要农艺性状与小区产量进行相关性分析发现，叶色、根茎全长与小区产量均呈极显著正相关，相关系数分别为0.408、0.429；叶缺裂与小区产量呈显著正相关，相关系数为0.354；其余性状与产量间的相关性均未达到显著水平(表4)。表明叶色深绿、根茎粗长及单茎高质量是高产山药种质资源的特征，在进行品种选育时要注意选择有此类特征的资源。

表4 山药主要农艺性状与小区产量的相关性

分别对供试的南北方山药种质资源的主要农艺性状与小区产量进行相关性分析，表5结果表明，在南方种质资源中，茎粗、叶色与小区产量呈显著或极显著正相关，相关系数分别为0.244、0.369；叶面积与小区产量呈负相关。由此可见，在实际生产中，南方资源在北方生态区域环境条件的影响下，产量会有一定变化。在北方种质资源中，叶色、根茎形状、茎粗与小区产量呈极显著正相关，相关系数分别为0.480、0.466、0.437，芦头占比与产量呈极显著负相关，相关系数为 -0.360，表明芦头占比越大，产量越低，因此芦头长度也是影响山药产量的重要因素。

表5 山药不同来源种质主要农艺性状与小区产量的相关性

2.4 山药主要农艺性状的主成分分析

对山药种质资源的21个主要农艺性状进行主成分分析，表6结果显示，前5个主成分的累积贡献率达80.705%，特征值总和为16.949，表明前5个主成分覆盖了农艺性状的大部分信息。

表6 山药部分农艺性状的主成分分析

第1主成分的特征值为10.833，贡献率为51.584%，特征向量中载荷值较高且为正值的有零余子有无、叶长及叶周长等，说明此类性状主要反映地上部植株长势，在品种选育时应选择长势旺、光合利用率良好的品种，在一定范围内有利于实现高产。第2主成分的特征值为2.510，贡献率为11.951%，特征向量中载荷值较高且为正值的是单株质量，载荷值高达0.951，这类因子被称作高产因子。第3主成分的特征值为1.375，贡献率为6.546%，特征向量中载荷值较高且为正值的为叶形、叶形指数，此类性状反映了植株叶片在不同地区生长环境与资源间的差异，因此在进行不同生态区域的引种时应注意此类性状的选择。第4主成分的特征值为1.138，主要反映了山药种质的薯皮颜色。第5主成分的特征值为1.093，反映了山药的叶脉数因子。

2.5 山药种质资源的聚类分析

采用组间联接法对种质进行聚类，在遗传距离为6.5处将供试山药材料分为四大类群。

由表7、图3可以看出，第Ⅰ大类群包括33份资源，占供试材料总数的76.7%，主产于北方地区。这类材料的特征如下：长势一般；叶片中浅裂且相对较小；叶色深绿，多为心形；结有零余子；根茎形状多为棍、棒状且多数根茎、芦头长度分别为68.8～88.5、12.5～24.5 cm；表皮较光滑且呈黄褐色。第Ⅱ类群包括2份资源，占供试材料总数的4.7%，主产于南方地区。这类材料的特征如下：长势中等；叶片全缘、叶色浅绿，无零余子；根茎、芦头长度分别为8.5～28.5、0.5～6.5 cm，表皮粗糙，呈褐紫色。第Ⅲ类群包括5份资源，占供试材料总数的比例为11.6%，这类材料的特征如下：长势较好，藤蔓粗长；无零余子；根茎粗壮，呈不规则短圆形，粗度为70～100 mm；芦头较短。第Ⅳ类群包含3份资源，占供试材料总数的比例为7%，这类材料的特征如下：叶面积最大，生长最为旺盛，其余特点均与第Ⅱ、Ⅲ类群相似。在遗传距离为4.0处可将第Ⅰ类群分为2个亚类，第2亚类的根茎比第1亚类粗长，产量相对较高。

表7 山药种质资源农艺性状的分类

3 讨论

明确种质资源的遗传多样性水平是开展育种工作的基础和前提，山药在长期栽培过程中积累了丰富的种质资源类型，尤其是山药地方性品种，虽然有关产量性状不如部分育成品种，但在某一特定性状上保持着较高的遗传多样性水平。目前，山药的育种方法主要有选择育种和诱变育种2种，其中选择育种是山药的主要育种手段，而群体内的变异是选择育种的前提。在本研究中，山药种质资源类型表现出了较高的遗传多样性水平，为选育出适合河北省种植的山药品种奠定了基础。

本试验通过农艺性状与产量的相关性分析，发现构成山药产量的主要因子为叶色、叶缺裂、根茎全长。舒锐等通过对山药种薯的研究也得出过类似的结果。叶面积是影响植物光合效能的重要丰产指标，本试验发现叶面积性状与产量呈负相关，因此对南北方类型资源各自进行相关性分析。结果表明，北方资源中叶面积与产量呈正相关关系，南方资源中叶面积与产量呈负相关关系。由此可见，在生产中，在北方生态环境条件的影响下，南方资源的产量可能会产生一定差异。

本研究通过主成分分析，将山药的主要农艺性状简化为植株长势因子、产量因子、区域性因子、薯皮颜色与叶脉数因子，该结果与吴金平等的研究结果基本一致，不同主成分反映的性状存在差异，在实际生产中应注意对前3个主成分的选择。聚类结果显示，在遗传距离6.5处可将山药分为四大类群，与覃维治等的分类结果相似，尤其是第一大类群，符合北方区域资源特征，其余3类全部符合南方区域特征，由于个别形态差异被划分开，反映了不同地域资源间的类型差异及遗传多样性，通过差异性聚类，为山药综合分类提供了参考。在实际育种工作中，建议通过引种驯化增加当地种质资源，提高其产量及质量，同时加强不同类群间的亲本互配及种质交流。

基于形态学性状的鉴定方法易受外界环境影响，因此在进行多年多点鉴定的同时，还应结合分子标记、生理生化等多技术手段，进行更深层的基因组学等方面的研究。通过加大种质资源收集力度，并采用多鉴定手段使山药种质的一系列遗传信息逐步揭示和完善，从而达到全方位、更准确的鉴定。

4 结论

本研究通过对不同山药种质资源进行农艺性状鉴定，发现种质性状指标间存在丰富的遗传多样性。综合相关性和主成分分析，筛选出叶面积、根全长、茎粗等性状，可作为山药鉴定的重要参考指标。聚类分析结果反映了不同地域资源间的类型差异，为山药后续种质资源的创新利用及优良品种选育奠定了基础。