基于農藝性狀的山藥種質資源遺傳多樣性分析

董俊美， 李錦超， 賈凱旋， 孟義江， 楊太新， 葛淑俊

(1.河北農業大學農學院/教育部華北作物種質資源研究與利用重點實驗室，河北保定 071000；2.河北農業大學生命科學學院，河北保定 071000)

山藥(Thunb.)為薯蕷科(Dioscoreaceae)薯蕷屬多年生纏繞性藤本植物，是我國最古老的作物之一，產量高且適應性強，至今廣泛分布于各地。山藥根莖中營養成分含量豐富，是中華人民共和國衛生部首批公布的藥食同源的中藥材之一，也是出口創匯的重要產品。近年來，山藥的栽培面積不斷擴大，對優異種質的需求也日漸增多，但是目前山藥地方性品種居多，種質資源混亂且同名異物或同物異名情況嚴重。

為了促進山藥種質資源的高效利用，亟需開展更多山藥遺傳多樣性的鑒評。目前山藥種質資源鑒評主要集中在形態學和分子標記2個方面。在形態學方面，吳金平等采用類平均聚類法將66份山藥種質資源分為薯蕷、參薯2種類型，通過主成分分析提取出5個主因子，其中第1主成分反映了高產株型綜合因子；覃維治等對44份山藥種質資源的19個農藝性狀進行質量、數量性狀的遺傳多樣性分析，結果表明，遺傳多樣性指數最高的是葉形、薯塊長度，數量性狀的遺傳變異主要來自單株產量，各性狀間具有較高的多樣性；許念芳等以30份山藥品種為材料進行差異性及聚類分析，發現各形態指標間的變異較大，將參試種質劃分為北方山藥、日本山藥與南方山藥3類，并提到在植物學或園藝學分類中，應考慮結合種質的形態及生態特性；張武君等根據山藥葉、根的形態學差異，將山藥種質分為薯蕷、參薯、黃獨、福州薯蕷4類。在分子標記方面，研究者已經采用DNA隨機擴增多態性(RAPD)、簡單重復序列(SSR)、擴增片段長度多態性(AELP)、相關序列擴增多態性(SRAP)等一系列技術手段對山藥種質資源的分子遺傳水平進行了研究，為山藥種質資源利用奠定了基礎。Padhan等對9份山藥資源的遺傳多樣性水平進行鑒定，采用5個簡單序列重復標記，在材料的5個標記位點上檢測到10條多態性條帶，表明薯蕷()、、與參薯()具有較高的遺傳相似性；Cao等通過測定褐苞薯蕷葉綠體全基因組序列，得出其GC含量為37.01%，預測出129個基因，其中包含84個蛋白編碼基因、8個rRNA基因、37個tRNA基因。通過上述及一些其他有關生物核型與品質方面的研究得出山藥種質資源遺傳多樣性的豐富程度，為山藥種質的進一步評價與利用提供了科學的理論基礎。

山藥種質資源豐富，基于形態學的遺傳多樣性評價更為基礎且簡單直觀，是衡量物種多樣性的重要指標和研究內容。本研究收集了各主產區的43份山藥種質資源，對其進行農藝性狀數據采集，通過多種統計方法分析山藥的遺傳多樣性，旨在明確不同山藥資源及性狀指標間的遺傳多樣性水平，為山藥種質資源的篩選和利用提供參考依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究所用的山藥材料為43份，主要來自河北省、河南省、山東省和福建省等地，名稱及來源見表1。

表1 供試山藥資源的基本信息

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗設計 試驗所用山藥于2019—2020年種植于河北省安國市中藥都藥博園試驗基地，土壤為沙壤土。，每年4月下旬播種，隨機區組設計，共3次重復，采用開溝起壟立架的栽培方式種植，行長 5 m，行距40 cm，株距15 cm。將根莖切段后種植，每段40 g左右。種植前施用4 500 kg/hm腐熟有機底肥，生長中期施肥2次，每次追施600 kg/hm，其他田間管理措施同常規大田栽培。

1.2.2 鑒定指標及方法 每種山藥資源隨機選取無病蟲害、無機械損傷的5個單株，掛牌標記。在根莖形成期調查地上部形態指標(葉片與零余子)，地下部形態指標(根莖)的調查于山藥收獲期進行，采收掛牌植株的根莖進行考種。在鑒定質量性狀指標時，應遵循最大相似原則，記錄結果并分級賦值。表型性狀及鑒定標準參照《山藥種質資源描述和數據質量控制規范》執行，詳見表2。

表2 山藥農藝性狀鑒定項目及標準

1.2.3 數據處理與分析 用Excel 2007進行數據整理及繪圖，用SPSS Statistics 25.0進行描述性統計、相關性分析、主成分分析及系統聚類，參照杜榮騫的組距式分組法對數值型性狀進行分級。鑒于部分資源無零余子，除描述統計外，其余分析使用部分農藝性狀。

2 結果與分析

2.1 山藥種質資源農藝性狀的分布

2.1.1 質量性狀的頻率分布 對43份山藥種質資源的9個質量性狀進行頻率分析，由圖1可以看出，各性狀在不同級別上的分布不均勻。在葉片形狀上，心形葉片最多，占74.4%；其次為矛形葉片，占16.3%；戟形葉片占比最少。在葉色上，深綠色的葉片最多，占58.1%；其次為綠色葉片，占25.6%；淺綠色葉片多數為南方資源，占比少，葉片較嫩。在葉缺裂上，淺裂葉片資源最多，占53.5%；其次為全緣葉片，占比為32.6%。葉腋處結有零余子的資源最多，占76.7%；南方資源多數無零余子。零余子形狀以球形為主，占51.5%；其次為橢圓形、不規則形，分別占33.3%、12.1%。根莖形狀以棍狀、 棒狀為主，分別為37.2%、34.9%。根莖表皮光滑的資源占比達58.1%，其余均為表面粗糙型資源。薯皮顏色以黃褐色為主，占比達30.2%。葉脈數分為7條(90.7%)、9條(9.3%)2種類型。

2.1.2 數量性狀的分布頻次 由圖2可以看出，各數量性狀的分布頻次存在差異，其中葉面積在 25.5～67.5 cm的分布頻次最高，此類種質有小白嘴、白玉等；葉綠素含量(SPAD值)在>2.4～2.7分布頻次占比最高，分布相對均勻，此類種質有棒藥、太古等；葉形指數在1.42～1.54范圍內的分布頻次最高，此類種質有紫山藥、佛手等；零余子球形指數在0.84～1.16范圍的分布頻次占比最高，此類種質有華山、貴港山藥等；百粒質量在>35.5～57.5 g 的分布頻次最高，此類種質有黃皮、隴山藥1號等；根莖全長在>68.5～88.5 cm范圍的分布頻次占比最高，為44.19%，此類種質有靳家嶺2號、偃野1號等；莖粗在17.5～34.5 mm范圍的分布頻次最高，此類種質有山東2號、晉城2號等；蘆頭長在>12.5～24.5 cm范圍的分布頻次最高，此類種質有白皮、鐵棍山藥等。

2.2 山藥種質資源農藝性狀的變異特征

由表3可知，山藥種質資源性狀指標間變異豐富，平均變異系數達到38.95%，變異范圍在9.32%～79.86%之間。農藝性狀中除葉形指數、SPAD值及零余子直徑外，其他性狀的變異系數均大于25%，葉片性狀中變異系數最大的是葉面積，達79.86%，南方種質資源的葉面積相對較大，且葉形指數較大，表示葉片較狹長。在零余子性狀中，變異系數較大的為零余子百粒質量、球形指數，分別為48.83%、30.30%，球形指數接近1，代表零余子呈現出圓形。在根莖性狀中，變異系數較大的為蘆頭長、莖粗，分別為56.10%、51.97%，其次為單株質量，為51.16%，其余性狀的變異系數均大于35%。北方資源的蘆頭較長，蘆頭占比最高達36.47%；南方資源的蘆頭較短，最小占比僅為7.08%。由此可見，蘆頭占比是品種選育時的重要指標。

表3 山藥種質資源的主要性狀

總體來說，山藥種質資源主要農藝性狀間均存在較大變異，地下部相關性狀的變異幅度大于地上部相關性狀，表明其種質資源的遺傳多樣性較豐富，為優良種質的選擇和育種創造了條件。

2.3 山藥主要農藝性狀與小區產量的相關性分析

對供試山藥資源的主要農藝性狀與小區產量進行相關性分析發現，葉色、根莖全長與小區產量均呈極顯著正相關，相關系數分別為0.408、0.429；葉缺裂與小區產量呈顯著正相關，相關系數為0.354；其余性狀與產量間的相關性均未達到顯著水平(表4)。表明葉色深綠、根莖粗長及單莖高質量是高產山藥種質資源的特征，在進行品種選育時要注意選擇有此類特征的資源。

表4 山藥主要農藝性狀與小區產量的相關性

分別對供試的南北方山藥種質資源的主要農藝性狀與小區產量進行相關性分析，表5結果表明，在南方種質資源中，莖粗、葉色與小區產量呈顯著或極顯著正相關，相關系數分別為0.244、0.369；葉面積與小區產量呈負相關。由此可見，在實際生產中，南方資源在北方生態區域環境條件的影響下，產量會有一定變化。在北方種質資源中，葉色、根莖形狀、莖粗與小區產量呈極顯著正相關，相關系數分別為0.480、0.466、0.437，蘆頭占比與產量呈極顯著負相關，相關系數為 -0.360，表明蘆頭占比越大，產量越低，因此蘆頭長度也是影響山藥產量的重要因素。

表5 山藥不同來源種質主要農藝性狀與小區產量的相關性

2.4 山藥主要農藝性狀的主成分分析

對山藥種質資源的21個主要農藝性狀進行主成分分析，表6結果顯示，前5個主成分的累積貢獻率達80.705%，特征值總和為16.949，表明前5個主成分覆蓋了農藝性狀的大部分信息。

表6 山藥部分農藝性狀的主成分分析

第1主成分的特征值為10.833，貢獻率為51.584%，特征向量中載荷值較高且為正值的有零余子有無、葉長及葉周長等，說明此類性狀主要反映地上部植株長勢，在品種選育時應選擇長勢旺、光合利用率良好的品種，在一定范圍內有利于實現高產。第2主成分的特征值為2.510，貢獻率為11.951%，特征向量中載荷值較高且為正值的是單株質量，載荷值高達0.951，這類因子被稱作高產因子。第3主成分的特征值為1.375，貢獻率為6.546%，特征向量中載荷值較高且為正值的為葉形、葉形指數，此類性狀反映了植株葉片在不同地區生長環境與資源間的差異，因此在進行不同生態區域的引種時應注意此類性狀的選擇。第4主成分的特征值為1.138，主要反映了山藥種質的薯皮顏色。第5主成分的特征值為1.093，反映了山藥的葉脈數因子。

2.5 山藥種質資源的聚類分析

采用組間聯接法對種質進行聚類，在遺傳距離為6.5處將供試山藥材料分為四大類群。

由表7、圖3可以看出，第Ⅰ大類群包括33份資源，占供試材料總數的76.7%，主產于北方地區。這類材料的特征如下：長勢一般；葉片中淺裂且相對較小；葉色深綠，多為心形；結有零余子；根莖形狀多為棍、棒狀且多數根莖、蘆頭長度分別為68.8～88.5、12.5～24.5 cm；表皮較光滑且呈黃褐色。第Ⅱ類群包括2份資源，占供試材料總數的4.7%，主產于南方地區。這類材料的特征如下：長勢中等；葉片全緣、葉色淺綠，無零余子；根莖、蘆頭長度分別為8.5～28.5、0.5～6.5 cm，表皮粗糙，呈褐紫色。第Ⅲ類群包括5份資源，占供試材料總數的比例為11.6%，這類材料的特征如下：長勢較好，藤蔓粗長；無零余子；根莖粗壯，呈不規則短圓形，粗度為70～100 mm；蘆頭較短。第Ⅳ類群包含3份資源，占供試材料總數的比例為7%，這類材料的特征如下：葉面積最大，生長最為旺盛，其余特點均與第Ⅱ、Ⅲ類群相似。在遺傳距離為4.0處可將第Ⅰ類群分為2個亞類，第2亞類的根莖比第1亞類粗長，產量相對較高。

表7 山藥種質資源農藝性狀的分類

3 討論

明確種質資源的遺傳多樣性水平是開展育種工作的基礎和前提，山藥在長期栽培過程中積累了豐富的種質資源類型，尤其是山藥地方性品種，雖然有關產量性狀不如部分育成品種，但在某一特定性狀上保持著較高的遺傳多樣性水平。目前，山藥的育種方法主要有選擇育種和誘變育種2種，其中選擇育種是山藥的主要育種手段，而群體內的變異是選擇育種的前提。在本研究中，山藥種質資源類型表現出了較高的遺傳多樣性水平，為選育出適合河北省種植的山藥品種奠定了基礎。

本試驗通過農藝性狀與產量的相關性分析，發現構成山藥產量的主要因子為葉色、葉缺裂、根莖全長。舒銳等通過對山藥種薯的研究也得出過類似的結果。葉面積是影響植物光合效能的重要豐產指標，本試驗發現葉面積性狀與產量呈負相關，因此對南北方類型資源各自進行相關性分析。結果表明，北方資源中葉面積與產量呈正相關關系，南方資源中葉面積與產量呈負相關關系。由此可見，在生產中，在北方生態環境條件的影響下，南方資源的產量可能會產生一定差異。

本研究通過主成分分析，將山藥的主要農藝性狀簡化為植株長勢因子、產量因子、區域性因子、薯皮顏色與葉脈數因子，該結果與吳金平等的研究結果基本一致，不同主成分反映的性狀存在差異，在實際生產中應注意對前3個主成分的選擇。聚類結果顯示，在遺傳距離6.5處可將山藥分為四大類群，與覃維治等的分類結果相似，尤其是第一大類群，符合北方區域資源特征，其余3類全部符合南方區域特征，由于個別形態差異被劃分開，反映了不同地域資源間的類型差異及遺傳多樣性，通過差異性聚類，為山藥綜合分類提供了參考。在實際育種工作中，建議通過引種馴化增加當地種質資源，提高其產量及質量，同時加強不同類群間的親本互配及種質交流。

基于形態學性狀的鑒定方法易受外界環境影響，因此在進行多年多點鑒定的同時，還應結合分子標記、生理生化等多技術手段，進行更深層的基因組學等方面的研究。通過加大種質資源收集力度，并采用多鑒定手段使山藥種質的一系列遺傳信息逐步揭示和完善，從而達到全方位、更準確的鑒定。

4 結論

本研究通過對不同山藥種質資源進行農藝性狀鑒定，發現種質性狀指標間存在豐富的遺傳多樣性。綜合相關性和主成分分析，篩選出葉面積、根全長、莖粗等性狀，可作為山藥鑒定的重要參考指標。聚類分析結果反映了不同地域資源間的類型差異，為山藥后續種質資源的創新利用及優良品種選育奠定了基礎。