不同熟性菜心品質(zhì)性狀的多樣性分析

盧宇鵬，夏巖石，溫少波，李榮華，李光光，張 華，郭培國

（1.廣州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院作物抗逆國際合作研究中心，廣東 廣州 510006；2.廣州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510308）

【研究意義】菜心（Brassica campestrisL.ssp.chinensisvar.utilisTsen et Lee），別名菜薹，起源于我國華南地區(qū)，主要由白菜類中易抽薹類型經(jīng)長期選育而成，因其鮮綠脆嫩、風(fēng)味獨(dú)特，深受華南地區(qū)人們的喜愛［1］。進(jìn)行菜心種質(zhì)資源遺傳多樣性的研究，可充分了解菜心各種質(zhì)材料的遺傳變異，有利于菜心種質(zhì)資源的合理保存及優(yōu)異菜心種質(zhì)資源的挖掘與創(chuàng)新?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】分子標(biāo)記基因型分析是作物種質(zhì)資源多樣性評估和優(yōu)異種質(zhì)挖掘的重要手段［2］。近年來，研究人員利用SRAP、SCOT、MFLP和SSR等分子標(biāo)記對部分菜心種質(zhì)資源進(jìn)行了基因分型，結(jié)果發(fā)現(xiàn)菜心種質(zhì)資源遺傳多樣性較低、親緣關(guān)系較近［3-6］，這可能是由于菜心栽培區(qū)域的局限及長期的系統(tǒng)選育產(chǎn)生的結(jié)果。現(xiàn)階段，菜心種質(zhì)資源的廣泛收集和調(diào)查研究顯得尤為重要。利用形態(tài)學(xué)標(biāo)記和生化指標(biāo)進(jìn)行種質(zhì)資源評價(jià)，是最基本、最直觀的研究方法，可以從整體上了解研究對象的多樣性程度，挖掘更加廣泛的基因資源［7］。近年來，利用形態(tài)標(biāo)記和生化指標(biāo)對菜心種質(zhì)材料進(jìn)行篩選得到了廣泛應(yīng)用。佘旭東等［8］通過比較15個(gè)早熟菜心在夏秋季的表型，初步篩選了菜心早熟耐熱種質(zhì)材料；宋世威等［9］采用系統(tǒng)聚類法對41份菜心品種的生物學(xué)和品質(zhì)性狀進(jìn)行了聚類分析，發(fā)現(xiàn)各品種在熟性和品質(zhì)等方面存在明顯差異，提出了根據(jù)生產(chǎn)目標(biāo)選擇適宜品種的建議；鐘玉娟等［10］和原遠(yuǎn)等［11］通過系統(tǒng)聚類和主成分分析，分別探討了44個(gè)和23個(gè)菜薹材料營養(yǎng)品質(zhì)的多樣性，發(fā)現(xiàn)了綜合營養(yǎng)品質(zhì)較佳的菜心品種；史衛(wèi)東等［7］選用27份菜心種質(zhì)資源，利用主成分分析和聚類分析評價(jià)了菜心表型性狀的多樣性，獲得了比較優(yōu)異的種質(zhì)資源。由于選用種質(zhì)資源數(shù)量的限制，前人對菜心多樣性信息的反映及特異性狀資源的篩選仍然不足，而在油菜［12］、蘿卜［13］、大麥［14］、番茄［15］等作物表型多樣性的研究中，通過大樣本群體在揭示各作物的表型變異規(guī)律和分類方面取得了有價(jià)值的結(jié)果。【本研究切入點(diǎn)】為更加全面準(zhǔn)確地進(jìn)行種質(zhì)資源的評價(jià)，本研究收集了120份菜心種質(zhì)材料，擴(kuò)大了菜心種質(zhì)資源的豐富度，以品質(zhì)性狀為切入點(diǎn)，進(jìn)行大群體的變異分析、主成分分析和聚類分析?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過對菜心群體品質(zhì)性狀的多樣性分析，以期篩選出性狀優(yōu)良的菜心種質(zhì)材料，為菜心種質(zhì)資源的進(jìn)一步研究及培育優(yōu)質(zhì)菜心品種提供一定的理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試的120份菜心種質(zhì)材料由廣州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院蔬菜研究所提供，編號依次為C001～C120，其中早熟型材料47份、中熟型材料48份、晚熟型材料25份（表1）。所有菜心種質(zhì)材料于2018年10月24日種植于廣州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院農(nóng)產(chǎn)品栽培示范基地。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每份種質(zhì)材料種植1個(gè)小區(qū)，小區(qū)面積1.44 m2，小區(qū)長1.2 m、寬1.2 m，常規(guī)田間管理。

1.2 菜心品質(zhì)性狀的檢測

于菜心生長至“齊口花”采收期，每份種質(zhì)材料選取有代表性的植株5株采摘菜薹，參考張華等［16］的菜薹品質(zhì)評價(jià)指標(biāo)，選擇葉綠素含量（SPAD）、開展度、最大葉長、最大葉寬、最大葉柄長、薹高、薹粗和葉形等8個(gè)性狀進(jìn)行外觀品質(zhì)評價(jià)。其中，SPAD值的測定參考蔡東芳等［18］方法，使用日產(chǎn)SPAD-502型葉綠素計(jì)測定葉緣部的SPAD值，每片葉測量3次取平均值；葉形評價(jià)參考黃祖梅等［17］方法，計(jì)算葉長與葉寬的比值來反映菜薹葉片的細(xì)長程度；開展度、最大葉長、最大葉寬、最大葉柄長、薹高、薹粗的測定參照李榮華等［19］方法。同時(shí)，選擇可溶性蛋白含量和硝酸鹽含量兩個(gè)性狀為代表進(jìn)行營養(yǎng)品質(zhì)評價(jià)，可溶性蛋白含量按SN/T 2497.20—2010中的Bradford法測定，硝酸鹽含量按GB5009.33—2016中的紫外分光光度法測定。

表1 供試菜心種質(zhì)材料的葉色和熟性Table 1 Leaf color and maturity of the Chinese flowering cabbage accessions used in the study

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Excel 2007對檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，利用SPSS 19.0對120個(gè)菜心的10個(gè)品質(zhì)性狀進(jìn)行主成分分析。將菜心品質(zhì)性狀的數(shù)值進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換（Z得分），采用系統(tǒng)聚類Ward法對120份菜心種質(zhì)材料進(jìn)行聚類分析，用平方歐式距離繪制聚類結(jié)果樹狀圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 120份菜心品質(zhì)性狀的多樣性分析

從表2可以看出，同一栽培條件下，120份菜心種質(zhì)的品質(zhì)存在較大變異，變異系數(shù)在11.17% ～ 42.76%之間，其中最大葉柄長變異系數(shù)最大，變異幅度為4.33 ～ 27.00 cm；SPAD值變異系數(shù)最小，變異幅度為27.77 ～ 57.47，其他品質(zhì)性狀變異系數(shù)表現(xiàn)為硝酸鹽含量（35.67%）＞薹高（31.89%）＞ 可溶性蛋白含量（28.58%）＞ 薹粗（26.51%）＞ 最大葉寬（21.88%）＞ 最大葉長（20.11%）＞ 葉形（16.08%）＞ 開展度（15.42%）。葉綠素含量、開展度、薹粗和硝酸鹽含量等4個(gè)品質(zhì)性狀的偏度值都較小（＜0.5），表明以上4個(gè)品質(zhì)性狀在群體材料中呈較明顯的正態(tài)分布；而最大葉柄長和薹高的偏度值大于1、分別為1.63和1.20，表明其正態(tài)分布呈較大的右偏離，低于平均值的菜心種質(zhì)材料較多。

2.2 不同熟性菜心的品質(zhì)性狀比較

根據(jù)熟性特征，120份菜心種質(zhì)材料分為早熟、中熟和晚熟等3種類型，不同熟性菜心的品質(zhì)存在一定差異（表3）。早熟菜心的葉綠素含量、葉形和硝酸鹽含量數(shù)值最大，但與中晚熟型菜心群體間沒有顯著差異；開展度、最大葉長、葉寬、最大葉柄長、薹高、薹粗和可溶性蛋白含量等7個(gè)指標(biāo)的數(shù)值最小，而晚熟型菜心最大，兩者之間的差異均達(dá)到顯著水平。中熟型菜心的硝酸鹽含量最低，其他品質(zhì)性狀都處于中間水平，其中最大葉寬、最大葉柄長和薹粗等3個(gè)指標(biāo)與早熟、晚熟型菜心之間均存在顯著差異。

表2 120份菜心品質(zhì)性狀多樣性分析Table 2 Variation characteristics of quality traits in 120 Chinese flowering cabbages

2.3 120份菜心品質(zhì)性狀的主成分分析

利用主成分分析法可將菜心10個(gè)品質(zhì)性狀轉(zhuǎn)化為3個(gè)主成分（表4），其特征值分別為3.879、1.464和1.122，均大于1，各個(gè)主成分的方差貢獻(xiàn)率分別為48.484%、18.299%和14.030%，其累積貢獻(xiàn)率達(dá)到80.813%，說明3個(gè)主成分能代表菜心品質(zhì)性狀的大部分信息。第1主成分包含菜心的絕大部分品質(zhì)性狀，其中最大葉長的特征值最大；其次為最大葉柄長和最大葉寬；薹高、薹粗和開展度的特征值相似；可溶性蛋白含量和硝酸鹽含量的特征值較??；SPAD的特征向量值最小，為負(fù)值。第2主成分和第3主成分主要反映菜心的葉形和葉綠素含量兩個(gè)品質(zhì)性狀。說明10個(gè)菜心品質(zhì)性狀中，雖然營養(yǎng)品質(zhì)和薹莖品質(zhì)性狀有一定程度的變異，但主要變異來源于菜心葉片的品質(zhì)性狀，可選最大葉長、最大葉寬、最大葉柄長、葉形和葉綠素含量等5個(gè)性狀作為代表性指標(biāo)。

2.4 120份菜心基于品質(zhì)性狀的聚類分析

利用SPSS 19.0軟件處理數(shù)據(jù)，基于10個(gè)品質(zhì)性狀對120份菜心種質(zhì)材料進(jìn)行聚類，在平方歐式距離為15.0處（L1）可將供試材料分為兩大類群（圖1），即Ⅰ大類和Ⅱ大類；在平方歐式距離為4.0處（L2），第Ⅰ大類可分為Ⅰ-Ⅰ和Ⅰ-Ⅱ兩個(gè)亞類，第Ⅱ大類可分為Ⅱ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅱ-Ⅲ和Ⅱ-Ⅳ等4個(gè)亞類。

表4 120份菜心品質(zhì)性狀主成分分析Table 4 Principal component analysis of quality traits in 120 Chinese flowering cabbages

圖1 120份菜心基于品質(zhì)性狀的聚類樹形圖Fig. 1 Dendrogram for 120 Chinese flowering cabbages based on stalk quality traits

第Ⅰ大類包含55份菜心材料，其中早熟型43份、中熟型11份、晚熟型僅1份。與第Ⅱ大類相比，第Ⅰ大類菜薹的開展度、最大葉長、最大葉寬、最大葉柄長、薹高、薹粗和可溶性蛋白含量等7個(gè)指標(biāo)的數(shù)值都較小，而葉綠素含量、葉形和硝酸鹽含量等3個(gè)指標(biāo)的數(shù)值較大（表5），說明第Ⅰ大類菜薹的葉色較深、葉形細(xì)長、株型緊湊，但營養(yǎng)品質(zhì)偏低；其中Ⅰ-Ⅰ亞類比Ⅰ-Ⅱ亞類的葉色淺，營養(yǎng)品質(zhì)較好，其他性狀指標(biāo)兩者相近。

第Ⅱ大類包含65份菜心材料，其中中熟型38份、晚熟型23份、早熟型4份。Ⅱ-Ⅰ亞類均為中晚熟型材料，菜薹的葉綠素含量最小，開展度、最大葉長、最大葉寬、最大葉柄長、薹高和薹粗等6個(gè)指標(biāo)的數(shù)值最大，可溶性蛋白含量和硝酸鹽含量均達(dá)到較優(yōu)水平；Ⅱ-Ⅱ亞類主要為中熟型材料，菜薹的可溶性蛋白含量和硝酸鹽含量均最低，其他品質(zhì)性狀也最符合優(yōu)質(zhì)商品菜心的一般要求；Ⅱ-Ⅲ亞類包含早、中、晚3種類型的菜心，其葉色較淺，葉形數(shù)值最小，硝酸鹽含量最高，其他外觀品質(zhì)性狀與Ⅱ-Ⅳ亞類比較接近。

表5 不同類群菜心品質(zhì)性狀特征Table 5 Characteristics of quality traits in Chinese flowering cabbages of different groups

3 討論

系統(tǒng)研究菜心品質(zhì)性狀的多樣性對菜心遺傳育種具有十分重要的意義。本研究顯示120份菜心種質(zhì)的10個(gè)品質(zhì)性狀存在較大變異，變異系數(shù)在11.17% ～ 42.76%之間，其中最大葉柄長變異系數(shù)最大，葉綠素含量變異系數(shù)最小。這一結(jié)果與前人研究有些不同，如徐顯亮等［20］發(fā)現(xiàn)16份菜心材料中葉柄長的變異系數(shù)僅為19.48%，而史衛(wèi)東等［7］發(fā)現(xiàn)27份菜心材料中薹粗的變異系數(shù)最大（67.18%），這可能是由于試驗(yàn)材料的數(shù)量和來源不同導(dǎo)致。硝酸鹽和可溶性蛋白含量的變異系數(shù)與鐘玉娟等［10］研究結(jié)果基本一致，硝酸鹽含量的變異系數(shù)較大。早、中、晚3類不同熟性菜心材料中，早熟型菜心的葉綠素含量、葉形和硝酸鹽含量的數(shù)值最大，而開展度、最大葉長、葉寬、葉柄長、薹高、薹粗和可溶性蛋白含量等7個(gè)指標(biāo)的數(shù)值顯著小于晚熟型菜心；中熟型菜心的硝酸鹽含量為最低水平，其所有性狀都為中間水平，非常符合優(yōu)質(zhì)菜心商品性狀的一般要求［16］。徐顯亮等［20］、鐘玉娟等［10］研究結(jié)果也顯示，早熟型菜心株型矮小、營養(yǎng)品質(zhì)較差，晚熟型菜心株型高大、營養(yǎng)品質(zhì)較好。

主成分分析將作物多個(gè)主要指標(biāo)轉(zhuǎn)化為較少的幾個(gè)主成分，且是綜合的、相對獨(dú)立的指標(biāo)體系，數(shù)值直觀，容易分析［21］。史衛(wèi)東等［7］對27份菜心種質(zhì)資源的分析研究顯示，絕大部分表型可由主薹因子和葉片因子來表示；原遠(yuǎn)等［11］研究表明，菜心品種營養(yǎng)品質(zhì)的主要影響因子是甜度因子和酸度因子。本研究利用主成分分析法提取的3個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到80.813%，同時(shí)發(fā)現(xiàn)最大葉長、葉寬、葉柄長、葉形和葉綠素含量等5個(gè)反映葉片性狀的指標(biāo)可作為評價(jià)菜薹品質(zhì)性狀的重要指標(biāo)，可溶性蛋白質(zhì)含量和硝酸鹽含量等兩個(gè)營養(yǎng)指標(biāo)的貢獻(xiàn)率都不大，因此在菜心高品質(zhì)育種工作中可首選菜薹的葉片性狀作為篩選指標(biāo)，再綜合考慮其他性狀。

系統(tǒng)聚類分析在揭示個(gè)體間關(guān)系時(shí)能提供豐富的信息，被廣泛應(yīng)用于物種內(nèi)種質(zhì)資源親緣關(guān)系的研究和分類，針對不同類群材料的特點(diǎn)，在實(shí)際生產(chǎn)中可將其作為改良某一性狀的材料加以利用［22］。在蘿卜［13］、大麥［14］、番茄［15］、大豆［22］等作物中，通過系統(tǒng)聚類分析篩選到優(yōu)異性狀的種質(zhì)資源，為后續(xù)種質(zhì)創(chuàng)新和新品種的研發(fā)提供了資源保障。基于菜薹的10個(gè)品質(zhì)性狀可將120份菜心種質(zhì)材料劃分為2個(gè)大類和6個(gè)亞類，類群的劃分與菜心熟性顯著相關(guān)，第Ⅰ大類主要為早熟材料，第Ⅱ大類主要為中晚熟材料。第Ⅰ大類中，Ⅰ-Ⅰ和Ⅰ-Ⅱ兩個(gè)亞類整體都表現(xiàn)為株型矮小的特點(diǎn)，其中Ⅰ-Ⅰ亞類的硝酸鹽含量低、可溶性蛋白含量高，適合作為高品質(zhì)矮株型菜心品種的選育材料。第Ⅱ大類中，Ⅱ-Ⅰ亞類是株型特征最大的亞類，可溶性蛋白含量和硝酸鹽含量等兩個(gè)指標(biāo)也都達(dá)到較優(yōu)水平，這類菜心材料擁有強(qiáng)大的創(chuàng)新育種潛力；Ⅱ-Ⅱ亞類的可溶性蛋白含量和硝酸鹽含量都最低，其他品質(zhì)性狀也最符合優(yōu)質(zhì)商品菜心的一般要求，這類菜心材料容易向外推廣，可作為培育高品質(zhì)菜心的種質(zhì)材料。聚類分析結(jié)果可為選育適合不同利用價(jià)值的菜心品種提供優(yōu)化的種質(zhì)材料，可提高育種效率，加速育種進(jìn)程。由于不同的生態(tài)環(huán)境和種植模式對菜心的表型性狀有較大影響，并不能十分準(zhǔn)確和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)胤从尺z傳信息。因此，在控制試驗(yàn)條件和擴(kuò)大樣本量的基礎(chǔ)上，分析菜心種質(zhì)資源表型多樣性，并結(jié)合先進(jìn)的分子標(biāo)記技術(shù)［6］，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行更加具體的分析研究，會(huì)更好地為選育菜心材料提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

通過對120份菜心種質(zhì)品質(zhì)性狀的多樣性分析和評價(jià)，發(fā)現(xiàn)收集的菜心種質(zhì)資源豐富，10個(gè)品質(zhì)性狀的變異系數(shù)在11.17% ～ 42.76%之間。早、中、晚3種熟型菜心材料中，中熟型菜心的硝酸鹽含量最低，其外觀品質(zhì)也最符合優(yōu)質(zhì)菜心商品性狀的一般要求。基于主成分分析發(fā)現(xiàn)，葉片性狀特征是影響菜心品質(zhì)的主要指標(biāo)，其中最大葉長、葉寬、葉柄長、葉形和葉色等5個(gè)性狀能代表菜心品質(zhì)性狀的大部分信息。聚類分析較好地判斷了120份菜心材料的品質(zhì)差異并進(jìn)行了分類，其中Ⅱ-Ⅱ亞類菜心的綜合品質(zhì)性狀表現(xiàn)優(yōu)良，生產(chǎn)上可根據(jù)菜育種要求進(jìn)行選擇利用。