基于常規(guī)生化成分表型的茶樹品種遺傳多樣性分析

孔祥瑞，楊軍，岳文杰，鄭國(guó)華，王讓劍*

1.福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所國(guó)家茶樹改良中心福建分中心，福建 福州350013；2.福建農(nóng)林大學(xué)金山學(xué)院，福建 福州350002

我國(guó)現(xiàn)代茶樹育種始于上世紀(jì)40年代[1]，其育種目標(biāo)經(jīng)歷了“高產(chǎn)—優(yōu)質(zhì)—早生—多抗”的發(fā)展歷程。進(jìn)入21世紀(jì)，茶樹育種研究逐漸向產(chǎn)品開發(fā)多樣化、茶功能成分優(yōu)化和多抗的育種目標(biāo)轉(zhuǎn)移[2]。茶樹種質(zhì)資源作為現(xiàn)代茶樹育種的物質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)其進(jìn)行深入研究，有助于闡明茶樹起源、分類、生理和遺傳等問題，為茶樹育種工作提供理論依據(jù)，進(jìn)而克服茶樹育種的盲目性，增強(qiáng)預(yù)見性，提高茶樹育種成效[3]。目前，常見利用EST-SSR、AFLP、SNP 等分子標(biāo)記技術(shù)手段研究茶樹種質(zhì)資源遺傳多樣性[4-8]，也有少量基于表型性狀進(jìn)行遺傳多樣性分析的報(bào)道，但多數(shù)報(bào)道的參試材料數(shù)量有限[9-12]。改良品種作為種質(zhì)資源的重要組成部分，是茶樹育種優(yōu)異親本選擇的潛在來源[13]。本研究擬分析189個(gè)具有代表性的茶樹品種常規(guī)生化成分表型遺傳多樣性，以期為基于茶樹表型遺傳多樣性的育種親本材料選配提供參考。

一、材料與方法

1.材料

參試茶樹品種種植于福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所社口基地，立地條件和管理方法相對(duì)一致，品種信息如表1。

2.方法

（1）生化成分測(cè)定

2019年春季，取各參試茶樹品種的一芽二葉嫩梢用液氮固樣，經(jīng)真空冷凍干燥，將干燥葉片在液氮中研磨成粉末，過篩，取10 mg干粉完成各項(xiàng)常規(guī)生化成分的測(cè)定，每個(gè)品種設(shè)6 個(gè)生物學(xué)重復(fù)。氨基酸、茶多酚和兒茶素的測(cè)定按國(guó)標(biāo)方法，結(jié)果以百分含量表示。

（2）數(shù)據(jù)處理

遺傳多樣性分析有關(guān)計(jì)算原理和方法參照董玉琛等的相關(guān)文獻(xiàn)[15]，分析過程中涉及到的計(jì)算公式為：變異系數(shù)（離散系數(shù)）CV＝σ/μ，其中σ和μ分別為表型值的標(biāo)準(zhǔn)差和均值。Shannon-Weaver多樣性指數(shù)（基因型多樣性）H'=－∑PilnPi。Pi表示某性狀第i級(jí)的分布頻率。

通過計(jì)算各品種間的相似性系數(shù)，并用分層聚類法[16]對(duì)189個(gè)品種進(jìn)行聚類，結(jié)合歐氏遺傳距離（Euclidean distance），對(duì)品種間的相似度進(jìn)行了系統(tǒng)評(píng)價(jià)。同時(shí)，選用主成分分析對(duì)供試各品種材料的適制性進(jìn)行了基于生化表型的判別分析，并對(duì)原始變量之間的簡(jiǎn)相關(guān)系數(shù)和偏相關(guān)系數(shù)的相對(duì)大小進(jìn)行檢驗(yàn)（KMO 檢驗(yàn)）。以上數(shù)據(jù)處理均在統(tǒng)計(jì)軟件R 3.3.0中完成。

二、結(jié)果與分析

1.生化性狀表型觀測(cè)值的分布

對(duì)參試品種的4 個(gè)生化性狀值分別進(jìn)行缺失項(xiàng)刪除、建立依次表之后，按照連續(xù)性變量次數(shù)分布表的構(gòu)建原則，在MS Excel 2007中進(jìn)行次數(shù)

分布情況統(tǒng)計(jì)分析。

表1 參試茶樹品種信息

參試茶樹品種的氨基酸含量多數(shù)居于2.3%～3.8%水平，其品種數(shù)量占該分析項(xiàng)樣本整體的58%；茶多酚含量集中在21.5%～33.5%之間，品種數(shù)量占該分析項(xiàng)品種總數(shù)的69%；兒茶素含量集中在11%～20%之間，品種數(shù)量占該分析項(xiàng)品種總數(shù)的78%；咖啡堿含量集中在3.7%～4.9%之間，品種數(shù)量占該分析項(xiàng)樣本總數(shù)的65%（圖1）。

圖1 生化成分含量的次數(shù)分布

2.生化性狀的變異度及遺傳多樣性指數(shù)

對(duì)參試材料的4 個(gè)生化性狀測(cè)定值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表2。在4個(gè)生化性狀中，咖啡堿含量的變異系數(shù)最低，為0.16，說明列入該項(xiàng)分析中的參試材料的咖啡堿含量差異相對(duì)較小。氨基酸含量的變異系數(shù)最高，為0.28，說明氨基酸含量的變異程度大于其他3 個(gè)生化性狀的變異程度。Shannon-Weaver 指數(shù)也表明，參試茶樹品種在氨基酸、兒茶素、茶多酚和咖啡堿含量4 個(gè)生化性狀上蘊(yùn)藏著豐富的遺傳多樣性。

表2 生化性狀的變異系數(shù)與遺傳多樣性指數(shù)

3.歐氏遺傳距離

為進(jìn)一步考察參試材料的遺傳基礎(chǔ)組成情況，基于4個(gè)生化性狀值計(jì)算189份材料的歐氏遺傳距離。數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理之后，運(yùn)用系統(tǒng)聚類中的個(gè)案分群質(zhì)心聚類法進(jìn)行分析，結(jié)果表明，參試茶樹品種中兩兩個(gè)體間的遺傳距離多數(shù)居于1.8～4.4 水平，其中最大值為7.6，最小值為0.3，均值為3.1（圖2）。當(dāng)將25 個(gè)烏龍茶品種單獨(dú)進(jìn)行分析時(shí)，個(gè)體間遺傳距離分布在0.6～6.4 之間，而紅綠茶品種間的遺傳距離在0.2～7.5 水平。由此可知，參試茶樹品種中適制同一種茶類的種群內(nèi)遺傳距離比不同適制性種群間小，特別是烏龍茶品種類群內(nèi)的遺傳距離明顯小于紅綠茶品種的類群內(nèi)遺傳距離。

圖2 茶樹品種間的歐氏遺傳距離熱圖

4.品種間的個(gè)體相似性

（1）基于主成分分析的品種分類

鑒于主成分分析具有降低數(shù)據(jù)維數(shù)和能夠最大限度表征原變量的特征[17]，將參試材料的4項(xiàng)生化指標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后，進(jìn)行主成分分析。結(jié)果顯示，KMO值（取樣足夠多的Kaiser-Meyer-Olkin度量）為0.67，所以，考察樣本能夠用主成分分析求其權(quán)重。通過求解不同指標(biāo)在2 個(gè)線性組合中的系數(shù)、計(jì)算主成分方差貢獻(xiàn)率和指標(biāo)權(quán)重的歸一化3 個(gè)步驟，發(fā)現(xiàn)咖啡堿和茶多酚指標(biāo)權(quán)重值最高，分別為0.45 和0.37。以樣本在第一主成分和第二主成分上的得分作圖結(jié)果（圖3）表明，主成分1和主成分2對(duì)紅綠茶品種的聚類作用較為有效，尤其是坐標(biāo)原點(diǎn)附近分布相對(duì)緊密；而烏龍茶品種的聚合度相對(duì)較差，但其分布基本落在各個(gè)象限的紅綠茶品種分布范圍之內(nèi)。這與部分烏龍茶品種同樣適于制作紅綠茶茶類事實(shí)相符。

圖3 189個(gè)茶樹品種的第一、第二主成分載荷圖

（2）聚類分析

利用基于主成分分析的分層聚類法對(duì)參試茶樹品種進(jìn)行聚類，結(jié)果如圖4。分層聚類的亞組歐氏距離熱圖顯示，參試茶樹品種可分為3個(gè)亞組，第一亞組包含龍井43、福鼎大白茶等45個(gè)品種，組內(nèi)歐氏遺傳距離為0～6.86；第二亞組包含悅茗香、黃觀音、金觀音等78個(gè)品種，組內(nèi)歐氏遺傳距離為0～8.41；第三亞組包含鳳凰單叢、鳳凰黃枝香單叢、矮腳烏龍等66個(gè)品種，組內(nèi)歐氏距離為0～7.44。3個(gè)亞組各具地域性、適制性等品種特色，但又有著相似的歐氏遺傳距離水平，說明3個(gè)亞組蘊(yùn)含有相近的親本選擇潛力。

圖4 分層聚類的亞組歐氏距離熱圖

三、討論

黃建安等[18]應(yīng)用AFLP 技術(shù)對(duì)福鼎大毫茶等40 個(gè)茶樹品種進(jìn)行遺傳多樣性和親緣關(guān)系分析，研究結(jié)果表明40 個(gè)材料的遺傳距離介于0.13～0.48 之間。金基強(qiáng)等[19]應(yīng)用EST-SSR 技術(shù)對(duì)大葉烏龍等42個(gè)品種進(jìn)行遺傳多樣性分析，獲得供試材料的遺傳距離處于0.074～0.667 之間。本研究基于常規(guī)化學(xué)表型性狀獲得的189 個(gè)茶樹品種的遺傳距離為0.3～7.6，表明茶樹品種遺傳多樣性十分豐富。

本研究對(duì)189個(gè)具有代表性的茶樹品種進(jìn)行基于表型性狀的遺傳多樣性分析，結(jié)果表明參試茶樹品種的常規(guī)生化成分含量都具有趨中間值分布的特點(diǎn)，咖啡堿含量、茶多酚含量、氨基酸含量和兒茶素含量的中間型品種數(shù)量均在60%以上。結(jié)合變異系數(shù)和Shannon-Weaver 多樣性指數(shù)變化，基于生化表型性狀的遺傳改良在理論上具有可行性。

對(duì)于茶樹育種而言，親本材料的選擇是研究的起點(diǎn)也是關(guān)鍵點(diǎn)。因此，在分析遺傳距離的基礎(chǔ)上應(yīng)用主成分分析對(duì)不同品種個(gè)體間的相似性進(jìn)行判別。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，4個(gè)生化成分中咖啡堿和茶多酚的載荷量較高，總的貢獻(xiàn)率可達(dá)77%，不同適制性的品種可被加以區(qū)分，其中載荷量的大小與王飛權(quán)等[20]用42 份武夷山種質(zhì)進(jìn)行分析得到的結(jié)論相一致。應(yīng)用非經(jīng)典數(shù)據(jù)分析聚類法基于4個(gè)生化成分對(duì)189 個(gè)茶樹品種進(jìn)行歸類，結(jié)果可被分成3 個(gè)亞組，且聚類關(guān)系與品種系譜高度一致，也說明基于表型性狀的多樣性分析可為育種研究中親本材料的選擇提供參考。