烤烟种质资源叶片收缩及经济性状表型遗传多样性分析

吴兴富， 焦芳婵， 陈学军， 冯智宇， 张光海， 张谊寒， 李永平

（云南省烟草农业科学研究院，烟草行业烟草生物技术育种重点实验室，昆明 650021）

种质资源的遗传多样性可以反映其遗传背景、育种潜力和利用价值，对资源发掘利用、亲本选择、拓宽育成品种遗传基础和保护优异种质具有重要意义。烤烟是一种特殊的叶用经济作物，烟叶生产最终收获的产品是烘烤后的干烟叶。在烟叶烘烤过程中，叶长、叶宽、叶面积呈逐渐减小的趋势[1]，同时，初烤烟的叶片长度是烤烟分级的重要因素之一[2]。可见，烘烤后的叶片大小对烟叶等级质量和经济性状影响较大，研究烤烟叶片收缩特性对烟叶生产和品种选育具有重要意义。

目前，有关烤烟叶片收缩特性的研究主要集中在不同烤房类型[3-4]、烘烤工艺[5]、采收方式[6-7]、成熟度[8]等对烟叶收缩率的影响，针对烤烟品种或种质资源叶片收缩特性的研究较少。武圣江等[9]报道了不同烤烟品种（系）烟叶烘烤后的收缩率差异显著。烟草种质资源遗传多样性研究主要集中在利用分子标记研究资源的农艺性状及亲缘关系等方面[10-14]，而表型遗传多样性研究报道较少[15-16]，且关于烤烟种质资源叶片收缩特性的遗传多样性研究尚未见报道，为探究烤烟叶片收缩特性及其遗传多样性，本研究以158 份烤烟资源为材料，分析其叶片收缩特性和经济性状的遗传多样性，并进行相关性分析、因子分析和聚类分析，以期为烤烟育种亲本选择或品种改良提供参考。

1 材料与方法

1.1 供试材料

158 份烤烟种质资源（编号001~158）均由云南省烟草农业科学研究院提供，详见表1。

1.2 试验方法

试验于2018 年在云南省石林彝族自治县板桥 镇（N 24°43′43.3″，E 103°12′56.2″，海 拔1 714.4 m）进行，每份材料种植50 株，采用膜下小苗移栽，行距120 cm，株距50 cm，田间管理措施按当地优质烟叶生产技术操作。于烟株中心花开放时打顶，打顶后，每份资源随机选择10 株挂牌标记中部叶，每株标记3 片（从下往上第8～10 叶位），共标记30片叶。于田间烟叶适熟时采烤，每次大田采回的标记烟叶先用软尺（精度0.1 cm）测量烘烤前烟叶的长和宽，测量完后单独编竿烘烤。装烟时，参试资源烟叶全部装在气流下降式密集烤房的中间层，其中挂牌标记烟叶装在中间层的中间位置，按“三段式”烘烤工艺进行烘烤。烟叶出炉回软后下竿，测量标记烟叶的长和宽。田间烟叶采烤结束后，参照文献[2]对每份资源的所有烟叶（包括牌标记烟叶）进行分级测产，统计单株产 量（yield per plant，YPP）和 上 等 烟 比 例（proportion of high grade cured leaf，PHGCL），并按当地当年烟叶收购价格计算均价（average price，AP）和单株产值（output value per plant，OVPP）。

1.3 测定项目及方法

按上述方法用软尺（精度0.1 cm）测量标记烟叶烘烤前和烘烤后的叶长（leaf length，LL）和叶宽（leaf width，LW）。参照文献[2]方法计算烘烤前和烘烤后叶面积（leaf area，LA），参照樊军辉等[4]方法计算叶长和叶宽的收缩率，参照赵铭钦等[5]方法计算叶面积收缩率，参照王继师等[17]方法计算Shannon-Weaver 遗传多样性指数（H'）。计算公共如下。

式中，Pi为某性状第i级的频率。

1.4 数据处理

用Excel 2010 统计各性状的最小值、最大值、极差、平均值、标准差、变异系数和Shannon-Weaver遗传多样性指数。利用DPS软件进行相关性分析和因子分析。同时，用R 语言软件对各性状数据标准化处理后进行Ward层次聚类分析，采用完全随机分析方法对各类群资源16 个性状的平均值进行多重比较。

2 结果与分析

2.1 主要性状描述性统计及遗传多样性分析

参试资源12 个叶片性状及产量、上等烟比例、产值、均价的统计分析（表2）表明，16 个性状的变异系数为7.41%~73.36%，平均22.01%，变异较大。在叶片性状中，叶面积和叶宽的收缩值变异系数大于20%，变异较大；烘烤前叶长和烘烤后叶长的变异系数小于10%，变异较小；其他性状的变异系数为10%~20%，变异中等。烤后烟叶的上等烟比例、单株产值和均价变异系数均大于30%，产量的变异系数为23.73%，表明在这4 个性状上158 份资源蕴含丰富的遗传变异，尤其是上等烟比例。在遗传多样性指数（H'）方面，参试资源16 个性状的H'为1.912 3～2.090 9，平均2.022 4。可见，参试资源叶片收缩特性及经济性状变异较大，遗传多样性较丰富。

表2 参试资源16个性状描述性统计及遗传多样性指数Table 2 Descriptive statistics and Shannon-Weaver index of 16 traits on tested flue-cured tobacco resources

2.2 主要性状相关性分析

相关性分析（表3）表明，在叶片性状方面，烘烤后叶宽与叶长收缩值、叶宽收缩值、叶长收缩率相关性不显著；烘烤后叶面积与叶长、叶宽、叶面积的收缩率相关性不显著；烘烤后叶宽与叶宽收缩率、叶面积收缩率呈极显著负相关；其他性状间呈显著或极显著正相关。在经济性状方面，产量与上等烟比例、均价相关性不显著；产量与产值、上等烟比例与产值、上等烟比例与均价、产值与均价呈极显著正相关。在叶片性状与经济性状间，产量与烘烤前叶长、叶面积和烘烤后叶长、叶面积呈极显著正相关；产量与其他叶片性状间相关性不显著；上等烟比例与叶宽、叶面积的收缩值及叶宽、叶面积的收缩率呈极显著负相关，与其他叶片性状相关性不显著；产值与叶长、叶宽、叶面积的收缩值及叶长、叶宽、叶面积的收缩率呈极显著负相关，与其他叶片性状相关性不显著；均价与烘烤前叶长、叶宽、叶面积及叶长、叶宽、叶面积的收缩值和叶长、叶宽、叶面积的收缩率呈极显著负相关，与烘烤后叶长呈显著负相关，与烘烤后叶宽和叶面积相关性不显著。可见，6 个叶片收缩性状与产量间相关性不显著，但与产值和均价呈极显著负相关；叶宽、叶面积的收缩值和收缩率与上等烟比例呈显著或极显著负相关。

表3 参试资源16个性状相关性分析Table 3 Correlation Analysis of 16 traits on tested flue-cured tobacco resources

2.3 主要性状因子分析

参试资源16 个性状Bartlett 球形检验χ2=5 244.137 5（P<0.001），表明所有数据适合进行因子分析[18]。按特征值大于1、累计贡献率大于85%的因子保留原则，前4 个因子累计贡献率88.058%，包含了全部性状的绝大部分信息（表4）。从斜交参考因子模式矩阵（表4）可以看出，第1因子中，叶面积、叶宽、叶长收缩率以及叶长、叶宽、叶面积收缩值载荷较大，对第1 因子影响较大，叶长、叶宽、叶面积的收缩值与收缩率呈极显著正相关，故将第1 因子命名为叶片收缩因子。第2 因子中，烘烤后叶宽和叶面积、烘烤前叶宽和叶面积载荷较大，对第2因子影响较大，相关性分析表明这4 个性状间呈极显著正相关，故将第2 因子命名为叶面积因子。第3因子中，上等烟比例、均价、产值载荷较大，对第3因子影响较大，相关性分析表明这3个性状间呈极显著正相关，且上等烟比例主要反映烤后烟叶的等级质量，故将第3因子命名为烟叶等级质量及产值因子。第4 因子中，产量载荷最大，对第4 因子影响最大，烘烤后叶长也有较大载荷，烘烤后叶长与产量呈极显著正相关，故将第4 因子命名为产量因子。从斜交参考因子相关矩阵（表5）可以看出，因子2与因子4、因子1 与因子2、因子1 与因子4、因子3 与因子4 均具有正相关关系；因子1与因子3 具有负相关关系；因子2 与因子3 相关性弱。可见，烤烟叶片收缩因子与烟叶等级质量及产值因子具有负相关关系。

表4 斜交参考因子模式矩阵Table 4 Factor pattern matrix of promax rotation

表5 斜交参考因子相关矩阵Table 5 Factor correlation matrix of promax rotation

2.4 主要性状聚类分析

聚类分析将158 份参试资源划分为4 个类群（图1）：Ⅰ类群包括050、153 等31 份资源；Ⅱ类群包括097、040等35份资源；Ⅲ类群包括120、084等27份资源；Ⅳ类群包括109、116 等65 份资源。类群间性状差异极显著（表6）。Ⅰ类群烘烤前叶片大，烘烤后叶片较大，叶长、叶宽、叶面积的收缩值和收缩率大，产量、上等烟比例、产值、均价低，经济性状差。Ⅱ类群烘烤前和烘烤后叶片大，叶长的收缩值和收缩率大，叶宽、叶面积的收缩值和收缩率较大，产量高，上等烟比例、均价、产值较高，经济性状较好。Ⅲ类群烘烤前叶片较大，烘烤后叶片大，叶长收缩值较大、收缩率小，叶面积收缩值较小、收缩率小，叶宽收缩值和收缩率小，产量、上等烟比例、产值、均价高，经济性状好。Ⅳ类群烘烤前和烘烤后叶片小，叶长、叶宽、叶面积的收缩值小，叶长收缩率小、叶宽和叶面积收缩率较小，产量低，上等烟比例和产值较低，均价较高，经济性状稍差。

图1 烤烟种质资源聚类分析Fig. 1 Cluster analysis in flue-cured tobacco leaf germplasm resources

表6 不同类群的表型Table 6 Phenotype of different clusters

2.5 优异种质资源分析

烤烟生产强调“优质、高效”，即烟叶等级质量好，种植效益高。从参试资源中筛选出上等烟比例、均价、产值兼顾性好的优异资源，如表7所示。与158 份资源的平均值相比，025 和002 烘烤前叶片较大，叶片收缩率小，烘烤后叶片大，且上等烟比例、均价、产值突出。001 烘烤前叶片较大，叶片收缩率较小，烘烤后叶片大，上等烟比例和均价高、产值突出。072 烘烤前和烘烤后叶片较大、叶片收缩率中等偏小；093和036烘烤前和烘烤后叶片稍大，093 叶片收缩率小、036 叶片收缩率中等偏小；072、093、036 上等烟比例和均价高，072 和093 产值高、036产值较高。可见，这6份优异资源的上等烟比例、均价、产值兼顾性好，且均聚在Ⅲ类群，与Ⅲ类群经济性状好的特点吻合，表明聚类分析在种质资源综合性状筛选鉴定方面具有一定优势。

表7 6份优异资源叶片性状及经济性状Table 7 Leaf and economic characters of 6 excellent resources

3 讨论

158份参试资源在16个性状上的变异系数为7.41%～73.36%，平均22.01%；遗传多样性指数为1.912 3～2.082 9，平均2.022 2，表明变异较大，遗传多样性较丰富。本研究表明，中部叶片的收缩率表现为叶面积>叶宽>叶长，这与樊军辉等[4]、赵铭钦等[5]、武圣江等[9]、王涛等[19]、向先友等[20]、杨天旭等[21]结果一致。叶宽收缩率大于叶长收缩率的原因主要有两方面，一方面可能是由于叶脉的木质化程度比叶肉高，主脉和侧脉内夹角较小，叶肉组织纵向收缩力小于叶脉的收缩力所引起[5]；另一方面是由于烘烤前叶长与叶宽的差异导致。158 份参试资源烘烤前叶长平均值比叶宽平均值大37.8 cm，烘烤后叶长收缩值与叶宽收缩值差异小，结合叶长和叶宽收缩率计算公式看，烘烤前叶长与叶宽的差异是引起叶长收缩率小于叶宽收缩率的直接原因。此外，本研究只分析了烤烟中部叶片的收缩特性，有关烤烟上部叶片和下部叶片的收缩特性有待进一步研究。

烤烟作为一种特殊的叶用经济作物，烟叶生产强调“优质、高效（产值高）、适产（产量适宜）”，在保证烟叶质量的同时，要兼顾种植效益和产量。叶片收缩性状与经济性状的相关性分析表明，叶长、叶宽、叶面积的收缩值和收缩率与产量相关性不显著；叶长收缩值和收缩率与上等烟比例呈弱负相关；叶宽、叶面积的收缩值和收缩率与上等烟比例呈显著或极显著负相关；叶长、叶宽、叶面积的收缩值和收缩率与产值和均价呈极显著负相关，表明烤烟叶片收缩过大，对上等烟比例、产值、均价有不利影响，这与赵铭钦等[5]、黎平等[3]、刘勇等[7]研究中收缩率大、烤后烟叶等级质量或经济性状较差的结果一致。因子分析表明，叶片收缩因子与烟叶等级质量及产值因子呈负相关关系，这与叶片收缩性状和经济性状的相关性分析结果吻合，可见，叶片收缩因子应作为重要性状给予关注。

本研究将158份参试资源划分为4个类群，其中Ⅲ类群烘烤后叶片较大，收缩率小，经济性状好。对烤烟而言，烟叶等级质量、种植效益兼顾性好的品种（资源）在烟叶生产或品种选育中具有较好的应用前景。从Ⅲ类群中筛选出6 份优异资源，即‘云烟97’（025）‘长脖黄’（002）‘云烟116’（001）‘峨山烤烟’（036）‘红花云烟85’（072）‘GL939’（093），叶片收缩率中等至小，上等烟比例59.10%～80.56%，接近或达到了闫新甫等[22]报道的依据单株叶片数和单叶重估算的上等烟比例理论最大值（60.00%和69.30%），这6 份优异资源的烟叶等级质量和种植效益兼顾性好，可用于烟叶生产或作为亲本用于品种选育。