茄子种质遗传多样性及群体结构分析

黄月琴, 廖秋石,2, 陈学军, 袁欣捷, 雷 刚, 周坤华, 方 荣

(1.江西省农业科学院蔬菜花卉研究所, 南昌 330200;2.唐河县第一高级中学, 河南 南阳 473400)

茄子(SolanummelongenaL.)为茄科茄属(2 n=2 x=24)蔬菜作物,起源于印度及东南亚热带地区,古印度为其最早驯化地[1]。我国茄子栽培历史悠久,分布广泛,品种类型繁多,我国是茄子次生起源中心,也是目前世界上最大的茄子生产国和消费国[2]。种质资源是农作物种质创新、遗传改良和品种选择的基础,明晰种质资源的遗传多样性和遗传结构是其有效保护和高效利用的前提。我国茄子栽培种遗传基础比较狭窄,在一定程度上限制了茄子的基础研究和育种进展[3]。因此,掌握茄子不同材料间的遗传亲缘关系、遗传多样性信息及遗传组成成分,开展茄子种质资源的遗传多样性和群体结构研究,对茄子遗传改良具有重要意义。

关于茄子遗传多样性,国内外学者开展了形态学、细胞学、生物化学和分子生物等多方面的研究。黄月琴等[4]基于17个表型性状对113份茄子种质进行鉴定与遗传多样性评价;齐东霞等[5]利用25对SSR分子标记和24个表型性状对105份中俄茄子材料进行遗传多样性分析;吴丽艳等[6]为了明确云南野生茄资源的遗传背景,对其进行分类鉴定,利用9个形态性状和8对SSR引物对从云南省搜集的43份野生茄资源进行遗传多样性分析。在茄子群体结构研究方面,谢立峰等[7]采用SRAP标记法对183份茄子种质资源的遗传关系和群体结构进行分析;冯英那等[8]采用SSR标记对70份国内外茄子材料进行多态性扫描、遗传多样性和群体结构分析,结果显示,各种质遗传相似系数平均为0.68,群体遗传结构分析将供试材料分为五个亚群;Flavien Shimira等[9]采用iPBS-反转录转座子标记系统对来自卢旺达两个地区的52份红茄种质进行了鉴定;Liu Jun等[10]利用45个SSR标记对287份国内外茄子种质进行了遗传多样性和群体结构分析。形态学简单直观,是茄子种质资源鉴定评价最常用的方式;SSR分子标记以其多态性好、稳定性高、呈共显性遗传、操作简便等优点,已被广泛应用于作物的遗传多样性研究。本试验利用50对SSR标记和18个表型性状对从国内外引进的77份茄子种质进行遗传多样性和群体结构分析,旨在深入探究茄子种质间亲缘关系和遗传多样性分布特点,为茄子种质资源的有效利用提供理论指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试茄子种质材料77份,其中68份引自国家蔬菜种质资源中期库,包括栽培茄(SolanummelongenaL.)65份、近缘野生茄(Wild relatives of eggplant)12份;国内种质66份(来自我国16个省市自治区)、国外种质11份。供试种质由江西省农业科学院蔬菜花卉研究所提供,详见表1。

1.2 田间表型性状调查

试验于2020年3—7月在江西南昌进行。南昌地处长江中下游地区,属亚热带季风区,雨量充沛,四季分明。试验采用高畦覆膜种植,每品种定植20株,行距65 cm,株距50 cm,每份材料随机选取8株进行农艺性状调查,茄子以嫩果为食用果,表型性状评价以果实为主,因此本研究主要选取果实和花等相关的18个表型性状,调查方法参照《茄子种质资源描述规范和数据标准》[11]进行。

表1 供试材料Table 1 Test accessions

1.3 DNA提取和检测

以茄子嫩叶为材料,采用改良CTAB法[12]提取总DNA,在1.0%琼脂糖凝胶中电泳检测样品DNA的完整性;用紫外分光光度计在波长为260 nm和280 nm处测定OD值,检测DNA的质量和浓度,并稀释到50 ng/μL备用。

1.4 SSR扩增体系的建立及检测

参照文献[13]、[14]的方法,选用120对SSR引物(由武汉金开瑞生物科技有限责任公司合成),利用V 06 B 0140、V 06 B 0523、V 06 B 0659等9份表型差异较大的材料进行引物筛选,通过6%聚丙烯酰胺凝胶电泳筛选出多态性高、条带清晰稳定的引物。设定反应体系为:0.4 μmol/L引物、9.2 μL×2TaqMaster Mix、0.4 μL模板DNA;反应程序为:94 ℃预变性3 min,94 ℃变性30 s,50～60 ℃退火30 s,72 ℃延伸40 s,33～35个循环,72 ℃延伸5 min,4 ℃保存。扩增反应在PCR仪(Biometra TGRADIEN)上进行,反应结束后,扩增产物用6%聚丙烯酰胺凝胶电泳,银染检测。

1.5 数据处理

采用Excel 2016和SPSS 22.0软件进行变异分析、主成分分析和聚类分析,主成分分析采用相关性矩阵法和最大方差法;聚类分析采用系统聚类,选择组内平方欧氏距离的方法。采用人工读胶法统计电泳谱带,按形成1、0数据矩阵记载,计算单位引物扩增的条带、及多态性条带百分率。利用POPGENE 32软件分析Shannon信息指数(I)、Nei’s基因多样性指数(H)和等位基因频率[15-16]。参照Bostein等[17]的方法,计算各个SSR位点的多态性信息量(Plymorphism information content,PIC)。使用NTSYS-pc(2.10)计算遗传相似系数,用非加权类平均法(UPGMA,unweighted pairgroup method with arithmetic means)进行聚类,生成聚类图[18]。

利用Structure 2.3.4软件进行群体分析,设置程序运行参数,Burnin设置为10 000次,MCMC设置为100 000次,将最优群体数K值的取值范围设定在2～10之间,每个K值重复运行3次,以最大似然值为原则选取最佳的K值作为群体结构的最优群体数目,用Sigma plot 2.5描绘K值折线图,并进一步计算各份种质材料相应的遗传相似性权重值(Q值),绘制群体结构图,确定材料的遗传组成[19]。

2 结果与分析

2.1 基于表型性状的遗传多样性分析

2.1.1变异及遗传多样性分析

如表2所示,18个表型变异系数为11.47%～78.46%,其中果形指数的变异系数最大,为78.46%,其次为果长、果形、熟性、果宽、果色、茎色和主茎高,分别为56.88%、50.05%、42.35%、41.99%、38.88%、38.87%和31.84%;茎表茸毛的变异系数最小,为11.47%。遗传多样性指数(H′)变化范围为0.20～2.06,其中最大的为果形,最小的为茎表茸毛叶刺;株高、主茎高、始花节位、茎色、果形、果长、果宽、果形指数、商品果光泽、商品果色泽、熟性等10个性状的遗传多样性指数均超过1.0,各性状的变异系数及遗传多样性指数表现出不同程度差异,表明供试茄子材料表型具有较为丰富的遗传多样性。

表2 77份茄子种质表型性状变异分析Table 2 Variation analysis on phenotypic traits of 77 eggplant germplasms

2.1.2主成分分析

对18个表型性状进行KMO和Bartlett检验,KMO值为0.641(>0.5),偏相关性弱;Bartlett球型检验,p<0.1%,拒绝原假设,说明可进行主成分分析。如表3所示,特征值大于1的主成分共有6个,累计贡献率为72.208%。第1主成分贡献率为19.298%,包括果长(0.935)、果形指数(0.924)和果形(0.934)、花冠色泽(0.550)和熟性(-0.464),这类性状主要与果实形状相关,可归纳为果形因子;第2主成分贡献率为15.543%,包含茎色(0.831)、果萼色(0.862)和商品果色泽(0.862),主要为颜色性状,可归纳为色泽因子;第3主成分贡献率为12.295%,包含株高(0.787)、主茎高(0.918)和始花节位(0.581),这类性状主要与植株高度相关,可归纳为高度因子;第4主成分贡献率为9.359%,包含果萼刺(0.762)和商品果光泽(-0.689),可归纳为果实光滑因子;第5主成分贡献率为8.339%,包括果宽(-0.658)、叶形(0.779)和叶刺(0.433),可归纳为叶片形态因子;第6主成分贡献率为7.374%,为茎表茸毛(0.740)和叶色(-0.635),可归纳为茸毛因子;6个主因子较为全面地诠释了18个表型性状在供试茄子材料中变异的贡献。

表3 表型性状的主成分分析Table 3 Principal component analysis of phenotypic traits

2.1.3聚类分析

对18个表型性状进行聚类分析,在遗传距离15.5处将77份茄子种质资源分成四类,如图1所示,不同的类群表型性状具有一定的差异。

第Ⅰ类包含24份种质,全部为栽培茄,主要来自中国广东、福建、四川等省份。本类群植株平均株高、主茎高最高,分别为88.5 cm和36.1 cm、始花节位平均10节;果形指数平均为3.82,果实大部分为棒形或长卵圆形,紫色果,果萼刺有刺及无刺各占一半、颜色主要为紫色;茎、花冠均多为紫色,叶色多深绿;熟性早熟和晚熟各占比37.5%和29.2%。

第Ⅱ类包含24份种质,全部为栽培茄,主要来源于中国浙江、广东等省。本类群植株平均株高最低、主茎高最矮,分别为59.6 cm和20.8 cm,平均始花节位9节,大部分种质熟性偏早熟或早中熟。在遗传距离10.0处可继续细分为3个亚群:Ⅱ-1包含6份种质,全部为长条形果,果实紫黑色或紫色、果萼刺紫色,花紫色,茎紫色;Ⅱ-2包含11份种质,大部分为棒形果,果实紫色为主,花紫色,茎主要为紫色;Ⅱ-3包含了7份种质,为长棒形或长条形果,果实白色、果萼刺绿色,茎绿色,花淡紫色或紫色。

第Ⅲ类包含来自中国江西、贵州、辽宁、甘肃等省份及意大利等国家的15份种质,均为栽培茄。本类群植株平均株高76.5 cm、主茎高26.4 cm、始花节位与类群Ⅱ一样;果实指数1.1,种质为扁圆形或圆形果,果实紫色或紫黑色,大部分有果萼刺,果萼多为紫色,叶色绿或深绿,茎紫色、少部分为绿色或紫黑色,熟性以早熟和中熟为主。

第Ⅳ类包含14份种质资源,12份近缘野生茄和2份栽培茄,主要来自中国云南、海南、黑龙江等省份及日本、巴西和孟加拉国等国家。本类群整体表型性状表现为圆形小果,商品果及老果色泽丰富、少数果面有斑纹,野生茄整体植株及叶片带刺,多为腋生总装花序、花冠色泽为白色或淡紫色,茎色多为绿色,熟性整体较晚,田间抗性好。根据各植株特征特性,在遗传距离10.0处可继续细分为两个亚群,Ⅳ-1包含9份种质,植株长势中等,平均主茎高最低,为18.7 cm,部分果实果面有深纵沟,嫩果以绿色为主、少数有白色、红色等,除近缘野生茄V 06 B 1264外都无叶刺;Ⅳ-2包含5份种质,植株长势强,植株平均株高、主茎高最高,分别为97.4 cm和38.8 cm,嫩果白绿色为主,植株及叶片大部分有刺,聚类结果可将栽培茄与近缘野生茄区分开。

图1 茄子77份材料18个表型性状的Square euclidean distance树状图Fig.1 Square euclidean distance dendrogram based on 18 phenotypic traits of 77 eggplant accessions

2.2 SSR多样性分析

2.2.1SSR引物标记多态性分析

用筛选出的50对多态性SSR引物对77份茄子种质进行检测,扩增条带分子量在50～500 bp之间,扩增反应共检测到条带252个,其中多态性条带139个;平均每对标记扩增出5.040个条带,多态性位点比例(P)为60.057%。不同引物对扩增的条带数为2～8条,多态性条带1～7条。有研究表明,当PIC>50%时,该标记为高度多态性标记;25%

图2 77份茄子材料SM遗传相似系数的UPGMA聚类图Fig.2 UPGMA clustering diagram of SM genetic similarity coefficient of 77 accessions

2.2.2基于SSR的聚类分析

基于SSR分子标记对供试材料进行聚类分析,通过计算材料间SM遗传相似系数,以UPGMA方式获得聚类图(图2)。由图2可知,供试材料的遗传相似系数在0.43～0.94之间,平均为0.78。在遗传相似系数0.64处,将供试材料划分为六个类群:第Ⅰ类群包含34份材料,全部为栽培茄,主要来自中国浙江、四川、广东、江西等省份,果实多为长棒形或条形,早熟类型材料居多。第Ⅱ类群中只含1份材料,即V 06 B 1297,引自孟加拉国,花紫色、果实卵圆形、嫩果绿色有浅色花纹,无叶刺,果萼绿色带刺。第Ⅲ类群包含28份材料,均属栽培茄,主要来自中国辽宁、贵州、广东、江西、四川等省份和意大利,以棒形果为主,熟性多为中熟。第Ⅳ类群包含4份近缘野生茄,即V 06 B 864、V 06 B 865、V 06 B 874、V 06 B 0140和1份栽培茄V 06 B 659;近缘野生茄3份来自中国云南、1份来自中国海南,栽培茄来自日本;5份种质果形多为卵圆形或扁圆形,晚熟、抗性较好。第Ⅴ类群包含2份材料,即近缘野生茄V 06 B 0523和栽培茄V 06 B 0543,2份材料均来自我国辽宁,果萼均无刺、圆形果、晚熟,V 06 B 0523老熟果为红色。第Ⅵ类群包含7份材料,全部为近缘野生茄,除1份来自中国云南、2份引自中国黑龙江外,其他均为国外引进品种;主要表现为嫩果以绿色为主,老熟果多为红色,腋生总状花序,果实圆形或扁圆形、部分带纵沟,种质多为早熟、有果萼刺。

图4 77份茄子种质的群体遗传结构Fig.4 Population genetic structure of 77 eggplant germplasms

2.2.3基于SSR的群体结构分析

利用Structure 2.3.4软件对77份茄子材料的50个SSR标记位点信息基于混合模型法进行分析。参考Evanno等[21]的方法,引入ΔK值来确定最佳K值,当K值随ΔK值的变化出现明显的峰值时,则作为最优群体数。当K=6时,将77份茄子材料划分为PopⅠ、PopⅡ、PopⅢ、PopⅣ、PopⅤ和PopⅥ共6个亚群,不同亚群之间间隔明显(图3和图4),各亚群所含种质数与UPGMA聚类一样,如PopⅠ为UPGMA类群Ⅳ、PopⅢ为UPGMA类群Ⅴ、PopⅥ为UPGMA类群Ⅰ。当Q≥0.6时,表明材料血缘较纯;Q<0.6则认为,该材料具有混合来源,遗传背景较复杂[22]。本研究77份供试材料中96.11%的材料Q值≥0.6,说明供试茄子种质大部分遗传背景单一,与其他亚群间基因交流较少;3份材料V 06 B 0367、V 06 B 1297和V 06 B 0912的Q值<0.6,具有混合来源,其中种质V 06 B 0367含有较多的PopⅤ(36.5%)遗传背景,V 06 B 1297和V 06 B 0912含有较多的PopⅡ(1.38%和1.54%)和PopⅣ(3.71%和2.71%)背景,均混合了不同亚群的遗传成分,遗传背景均比较复杂,在使用这些混合来源材料作亲本时应特别注意。

图3 ΔK值随K值的变化Fig.3 Change of ΔK value with K value

3 讨 论

本研究77份茄子种质的18个表型性状变异系数为11.47%～78.46%、平均值为33.58%,略高于许竞生[24]报道的平均变异系数32%;遗传多样性指数(H′)变化范围为0.20～2.06、平均值为1.24,与邹敏等[25]研究结果(0.32～2.01,平均值为1.15)相一致,表明供试茄子材料表型多态性高、遗传多样性较为丰富,其中果形指数、果长、果形、熟性、果宽等性状表现出较高的多态性,但茎表茸毛、叶刺、叶形等性状多态性较低。主成分分析将18个表型性状归纳为6个主因子,这与齐东霞等[5]的研究结果一致,其中果实形态特征占主要成分、且其多态性高,说明在种质资源鉴定及遗传改良方面应注重果实相关指标。

表型聚类与分子UPGMA聚类和群体结构分析结果相似,均能区分开栽培茄和近缘野生茄,这与Li等[25]、房超等[26]研究结果相一致。类群的划分与茄子果形分类较为一致,如长条形或长棒形果,扁圆或圆形果大部分上各聚为一类群;与地理来源有一定相关性,但不完全一致,这与张鸿燕等[27]、林珲等[28]的研究结果相似。但也有研究表明,聚类结果与茄子地理来源无直接关系[5,7,29],张强强等[29]采用19对InDel分子标记对46份茄子种质资源的遗传多样性进行了分析,认为其聚类结果与地理来源关联性不大。群体结构分析可进一步揭示种质资源的遗传组分,本研究供试材料中只有3份种质Q<0.6、具有混合来源,在选用这些种质进行遗传改良时,应充分考虑其遗传构成。

供试茄子材料的分子遗传相似系数为0.43～0.94,平均值为0.78,说明供试材料具有一定的遗传多样性,但材料间的遗传相似性较高,遗传基础相对较窄,这与齐东霞等[5]、何倚剑等[30]、Ge等[31]的研究结果相一致。庄勇等[32]研究表明,通过常规手段,SolanumintegrifoliumPoir、SolanumaethiopicumL.等少数近缘野生种可获得种间杂种,供试的12份近缘野生茄分子聚类和群体结构分析中被划分为三个类/亚群,其生物学形态特征分别表现出与黄水茄(SolanumincanumL.)、非洲刚果茄(SolanumaethiopicumL.)和红茄(SolanumintegrifoliumPoir)表型相似,说明可基于种间杂交渗透的方法将这些近缘野生茄种内优异等位基因进行茄子品种遗传改良,扩宽遗传基础。