火龍果種質(zhì)資源果實特性的遺傳多樣性分析

李洪立,胡文斌,洪青梅,濮文輝,何云,張東雪,汪琴琴,李瓊

(1.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所,海南 儋州 571737；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院分析測試中心,海口 571101)

火龍果(Hylocereus undatus)，又稱龍珠果、紅龍果、玉龍果、仙蜜果，為仙人掌科(Cactaceae)量天尺屬植物，原產(chǎn)中美洲哥斯達(dá)黎加、古巴、墨西哥等熱帶沙漠地區(qū)[1]，是典型的熱帶植物[2-4]。目前種植的火龍果主要有白肉火龍果(H.undatus)、紅肉火龍果(H.polyrhizus)和紫紅肉火龍果(H.costarcensis)[5-6]。火龍果是近年來發(fā)展起來的一種新興的熱帶亞熱帶果樹[7]，果實營養(yǎng)豐富，除含有糖類、有機酸、蛋白質(zhì)、氨基酸和多種礦質(zhì)元素外[8]，還含有一般植物少有的甜菜素及水溶性膳食纖維等；花、果、莖均可用來做藥，具有抗癌和預(yù)防高血壓的功效[9]。

火龍果人工栽培遍及中美洲、越南、泰國、中國臺灣及美國南部地區(qū)[10]。我國大陸于20世紀(jì)90年代末從臺灣省和越南引入，目前在廣東、廣西、福建、海南、云南、貴州等省區(qū)都有大規(guī)模種植,在四川、湖南、浙江和上海等地采用大棚有少量種植[11]。但是在產(chǎn)業(yè)發(fā)展中，2013年以前種植的果園存在品種老化、無特色主栽品種，科研水平滯后,采后處理水平低等問題，而近年新種植的果園，采用的大紅、金都一號等品種，在產(chǎn)量、品質(zhì)上得到了很大提高，但仍存在品種單一、采期集中、貨架期短等問題，嚴(yán)重制約了火龍果產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

近年來，在分子水平上對火龍果種質(zhì)資源遺傳多樣性及其親緣關(guān)系有一些研究報道[12-13]。盡管分子標(biāo)記已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于植物種質(zhì)資源的鑒定和分類研究，但是農(nóng)藝性狀的鑒定和描述仍然是種質(zhì)資源研究的最基本的方法和途徑[14-15]，因此開展火龍果種質(zhì)資源果實的表型性狀、農(nóng)藝性狀以及品質(zhì)性狀的遺傳多樣性的基礎(chǔ)研究是非常必要的。本試驗以22份火龍果種質(zhì)資源為材料，以果實的表型、農(nóng)藝和品質(zhì)性狀數(shù)據(jù)為依據(jù)，分析火龍果種質(zhì)資源果實特性的遺傳多樣性，以期豐富火龍果種質(zhì)資源的基礎(chǔ)研究，為火龍果種質(zhì)資源的有效利用、種質(zhì)改良和新品種選育提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試的22份火龍果(Hylocereus undatus)種質(zhì)資源(表1)保存于農(nóng)業(yè)農(nóng)村部火龍果種質(zhì)資源保護(hù)海南創(chuàng)新基地，位于海南省儋州市中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所國家熱帶果樹品種改良中心五隊試驗基地內(nèi)，試驗于2016年6月至2017年12月進(jìn)行。

表1 火龍果種質(zhì)資源信息Table1 Information of Hylocereus undatus germplasm resources

1.2 方法

表型性狀觀察外果皮顏色、是否帶刺、萼片形態(tài)、萼片形狀、果型、果肉顏色。

農(nóng)藝性狀采用電子天平稱量單果質(zhì)量和果皮質(zhì)量，計算可食率。采用甜度計測量果實中間和邊緣部分的甜度，計算平均甜度。

蛋白質(zhì)含量參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.5-2016[16]、膳食纖維含量參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.88-2014[17]、水分含量參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.3-2016[18]、灰分含量參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 5009.4-2016[19]、粗脂肪含量參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6433-2006[20]、總酸含量參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12456-2008[21]、維生素C含量參照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 14754-2010[22]測量，可溶性糖和碳水化合物含量參照國家標(biāo)準(zhǔn)NY/T 2742-2015[23]測量，計算糖酸比。用原子吸收光譜法[24]測定果肉中的礦物元素磷(P)、鈉(Na)、鈣(Ca)、鐵(Fe)、鋅(Zn)、鎂(Mg)、銅(Cu)、硒(Se)含量。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析

試驗進(jìn)行2年，第1年選取3批完全成熟的果實進(jìn)行測定，每批果隨機選取5個；第2年同樣選取3批完全成熟的果實進(jìn)行測定，所有數(shù)據(jù)取平均值,采用Microsoft Excel 2016和SPSS 24.0軟件進(jìn)行分析。

為便于進(jìn)行Shannon’s信息指數(shù)分析，將表型性狀進(jìn)行賦值(表2)，品質(zhì)性狀根據(jù)平均值(X)和標(biāo)準(zhǔn)差(δ)分為 10 級，1 級 ＜ X-2δ，10 級 ≥X+2δ,每級相差0.5δ。遺傳多樣性采用Shannon-Wiener指數(shù)(H′)評價：式中Pi表示第i種變異類型出現(xiàn)的頻率，用相應(yīng)性狀H′的平均值表示1組或所有種質(zhì)的遺傳多樣性程度[25]。

表2 火龍果種質(zhì)資源表型性狀的賦值Table2 Assignment of phenotypic traits of Hylocereus undatus germplasm resources

2 結(jié)果和分析

2.1 表型性狀的遺傳多樣性分析

對22份火龍果種質(zhì)資源的6個表型性狀進(jìn)行賦值(表2)，統(tǒng)計各性狀出現(xiàn)的頻率并計算多樣性指數(shù)，由表3可知，火龍果表型性狀的多樣性指數(shù)為0～1.04。其中外果皮顏色和果皮是否帶刺的多樣性指數(shù)為0，這說明22份資源不涉及其他顏色的果皮和外果皮不帶刺，后續(xù)試驗應(yīng)擴(kuò)大樣本量。這6個表型性狀中，果形的多樣性指數(shù)最高。萼片以直立和外翻為主；萼片形狀以漸尖為主，少量為鈍狀；果肉顏色以紫紅色為主，少量為白肉品種。

表3 火龍果種質(zhì)資源表型性狀的頻率分布和多樣性指數(shù)Table3 Frequency and diversity index of phenotypic traits of Hylocereus undatus

2.2 農(nóng)藝性狀的變異性分析

由表4可知，火龍果種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)為0.07～0.38，一般認(rèn)為變異系數(shù)大于0.1則表明樣本間存在顯著差異[26]，即火龍果不同種質(zhì)間的單果質(zhì)量、果皮質(zhì)量、可食率和邊緣甜度存在顯著性差異，而中間甜度和平均甜度無顯著差異。對火龍果農(nóng)藝性狀進(jìn)行聚類分析，由圖1可知，在遺傳距離為15時，22份資源分為5類：第一類有6份種質(zhì)，包含橫縣2號、火龍2號、火龍10號、云南7號、云南9號和云南6號，單果質(zhì)量較小，甜度高，可食率低；第二類有云南3號和紫龍，單果質(zhì)量較小，甜度低，可食率低；第三類有火龍3號、云南1號、云南12號、云龍1號和火龍8號，單果質(zhì)量較大，甜度高，可食率高；第四類有火龍1號、白肉8號、橫縣1號、火龍6號、云南2號、光明紅、大翼水晶和細(xì)翼水晶共8份種質(zhì)，單果質(zhì)量較大，甜度低，可食率高；第五類僅云南8號種質(zhì)，單果質(zhì)量中等，甜度中等，可食率中等。

2.3 品質(zhì)性狀的遺傳多樣性分析

由表5可知，火龍果品質(zhì)性狀的變異系數(shù)為0.01～0.62，說明除水分之外，其余品質(zhì)性狀在種質(zhì)間均存在顯著的變異性，其中粗脂肪含量的變異系數(shù)最大，達(dá)0.62，水分含量的最小，為0.01。品質(zhì)性狀的多樣性指數(shù)(H′)為0.40～2.01，最大的是磷含量和鎂含量，最小的是維生素C含量，除維生素C含量之外，其余品質(zhì)性狀的多樣性指數(shù)均大于1。

表4 火龍果種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的變異性Table4 Variation of agronomic traits of Hylocereus undatus germplasms

圖1 火龍果種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的聚類圖Fig.1 Cluster dendrogram of pitaya germplasms based on agronomic traits

火龍果中含有人體所需的磷、鈉、鈣、鐵、鋅、鎂、銅、硒等礦質(zhì)元素，其中磷、鈣、鎂元素的含量較高。22份火龍果種質(zhì)資源所含的營養(yǎng)物質(zhì)和礦質(zhì)營養(yǎng)元素含量存在一定的差異，其中，蛋白質(zhì)含量最多的是云南12號，遠(yuǎn)高于蘋果(Malus pumila)、橙(Citrus junos)[27]等水果；膳食纖維最多的是云南7號；水分最多的是紫龍；灰分最多的是大翼水晶；粗脂肪最多的是橫縣1號；總酸最多的是火龍10號；維生素C最多的是橫縣2號、橫縣1號和云南8號；可溶性糖最多的是云南8號；磷最多的是紫龍；鈉最多的是云南9號；鈣最多的是云南2號；鐵最多的是云南8號；鋅最多的是云南7號；鎂最多的是云南8號；銅最多的是火龍1號；硒最多的是火龍3號，但硒含量未達(dá)到富硒水平[28]；碳水化合合物最多的是云南3號；糖酸比最大的是云南2號。

表5 火龍果種質(zhì)資源品質(zhì)性狀的變異系數(shù)(CV)和多樣性指數(shù)(H’)Table5 Variation coefficient(CV)and diversity index(H’)of quality traits of Hylocereus undatus germplasms

3 結(jié)論和討論

種質(zhì)資源是植物育種的基本物質(zhì)材料，是所有植物改良的基礎(chǔ)，廣泛收集并對其性狀表現(xiàn)型進(jìn)行觀察分析，了解性狀的多樣性，可以為新品種的培育提供指導(dǎo)[29]。種質(zhì)資源遺傳多樣性的分析研究不僅有助于種質(zhì)資源的管理、評價和利用，更有利于進(jìn)行核心種質(zhì)的創(chuàng)新研究。本試驗通過對22份火龍果種質(zhì)資源的遺傳多樣性分析表明，6個表型性狀和18個品質(zhì)性狀均存在不同程度的遺傳多樣性，因而說明火龍果在其演變過程中有遺傳基礎(chǔ)的改變，火龍果性狀遺傳改良具有較大的潛力，這對于分析、評價種質(zhì)資源、進(jìn)行品種選育具有很大的實際意義。

本研究結(jié)果表明，火龍果種質(zhì)資源的表型性狀的多樣性指數(shù)為0～1.04，而品質(zhì)性狀的多樣性指數(shù)為0.40～2.01，說明品質(zhì)性狀的多樣性指數(shù)大于表型性狀，這與高紅霞等[30]對苦瓜(Momordica charantia)的研究結(jié)果一致。火龍果種質(zhì)資源的農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)為0.06～0.38，而品質(zhì)性狀的變異系數(shù)為0.01～0.62，說明火龍果的品質(zhì)性狀具有更大的變異性，更豐富的多樣性，其中較為優(yōu)異的白肉品種為白肉8號，優(yōu)異的紫紅肉品種為云南12號。

聚類分析結(jié)果表明，在遺傳距離為15時，火龍果種質(zhì)資源可以分為5類，說明火龍果種質(zhì)資源的遺傳多樣性豐富，不同資源間差異比較大，親緣關(guān)系較遠(yuǎn)，在品種選育方面具有很高的利用價值。

農(nóng)藝性狀作為研究火龍果種質(zhì)資源最基礎(chǔ)的指標(biāo)，對火龍果的分類、鑒定和良種選育具有重要的作用，而品質(zhì)性狀的高低決定了火龍果品質(zhì)的好壞和市場的接受程度，本研究表明22份火龍果種質(zhì)資源的果實具有豐富的多樣性和較高的變異性,可以為育種工作者提供更多的選擇。但僅僅對表型性狀研究是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，下一步還需要結(jié)合分子生物學(xué)、化學(xué)成分分析等多個領(lǐng)域?qū)瘕埞N質(zhì)資源進(jìn)行綜合研究和評價。