茄子種質遺傳多樣性及群體結構分析

黃月琴, 廖秋石,2, 陳學軍, 袁欣捷, 雷 剛, 周坤華, 方 榮

(1.江西省農業科學院蔬菜花卉研究所, 南昌 330200;2.唐河縣第一高級中學, 河南 南陽 473400)

茄子(SolanummelongenaL.)為茄科茄屬(2 n=2 x=24)蔬菜作物,起源于印度及東南亞熱帶地區,古印度為其最早馴化地[1]。我國茄子栽培歷史悠久,分布廣泛,品種類型繁多,我國是茄子次生起源中心,也是目前世界上最大的茄子生產國和消費國[2]。種質資源是農作物種質創新、遺傳改良和品種選擇的基礎,明晰種質資源的遺傳多樣性和遺傳結構是其有效保護和高效利用的前提。我國茄子栽培種遺傳基礎比較狹窄,在一定程度上限制了茄子的基礎研究和育種進展[3]。因此,掌握茄子不同材料間的遺傳親緣關系、遺傳多樣性信息及遺傳組成成分,開展茄子種質資源的遺傳多樣性和群體結構研究,對茄子遺傳改良具有重要意義。

關于茄子遺傳多樣性,國內外學者開展了形態學、細胞學、生物化學和分子生物等多方面的研究。黃月琴等[4]基于17個表型性狀對113份茄子種質進行鑒定與遺傳多樣性評價;齊東霞等[5]利用25對SSR分子標記和24個表型性狀對105份中俄茄子材料進行遺傳多樣性分析;吳麗艷等[6]為了明確云南野生茄資源的遺傳背景,對其進行分類鑒定,利用9個形態性狀和8對SSR引物對從云南省搜集的43份野生茄資源進行遺傳多樣性分析。在茄子群體結構研究方面,謝立峰等[7]采用SRAP標記法對183份茄子種質資源的遺傳關系和群體結構進行分析;馮英那等[8]采用SSR標記對70份國內外茄子材料進行多態性掃描、遺傳多樣性和群體結構分析,結果顯示,各種質遺傳相似系數平均為0.68,群體遺傳結構分析將供試材料分為五個亞群;Flavien Shimira等[9]采用iPBS-反轉錄轉座子標記系統對來自盧旺達兩個地區的52份紅茄種質進行了鑒定;Liu Jun等[10]利用45個SSR標記對287份國內外茄子種質進行了遺傳多樣性和群體結構分析。形態學簡單直觀,是茄子種質資源鑒定評價最常用的方式;SSR分子標記以其多態性好、穩定性高、呈共顯性遺傳、操作簡便等優點,已被廣泛應用于作物的遺傳多樣性研究。本試驗利用50對SSR標記和18個表型性狀對從國內外引進的77份茄子種質進行遺傳多樣性和群體結構分析,旨在深入探究茄子種質間親緣關系和遺傳多樣性分布特點,為茄子種質資源的有效利用提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試茄子種質材料77份,其中68份引自國家蔬菜種質資源中期庫,包括栽培茄(SolanummelongenaL.)65份、近緣野生茄(Wild relatives of eggplant)12份;國內種質66份(來自我國16個省市自治區)、國外種質11份。供試種質由江西省農業科學院蔬菜花卉研究所提供,詳見表1。

1.2 田間表型性狀調查

試驗于2020年3—7月在江西南昌進行。南昌地處長江中下游地區,屬亞熱帶季風區,雨量充沛,四季分明。試驗采用高畦覆膜種植,每品種定植20株,行距65 cm,株距50 cm,每份材料隨機選取8株進行農藝性狀調查,茄子以嫩果為食用果,表型性狀評價以果實為主,因此本研究主要選取果實和花等相關的18個表型性狀,調查方法參照《茄子種質資源描述規范和數據標準》[11]進行。

表1 供試材料Table 1 Test accessions

1.3 DNA提取和檢測

以茄子嫩葉為材料,采用改良CTAB法[12]提取總DNA,在1.0%瓊脂糖凝膠中電泳檢測樣品DNA的完整性;用紫外分光光度計在波長為260 nm和280 nm處測定OD值,檢測DNA的質量和濃度,并稀釋到50 ng/μL備用。

1.4 SSR擴增體系的建立及檢測

參照文獻[13]、[14]的方法,選用120對SSR引物(由武漢金開瑞生物科技有限責任公司合成),利用V 06 B 0140、V 06 B 0523、V 06 B 0659等9份表型差異較大的材料進行引物篩選,通過6%聚丙烯酰胺凝膠電泳篩選出多態性高、條帶清晰穩定的引物。設定反應體系為:0.4 μmol/L引物、9.2 μL×2TaqMaster Mix、0.4 μL模板DNA;反應程序為:94 ℃預變性3 min,94 ℃變性30 s,50～60 ℃退火30 s,72 ℃延伸40 s,33～35個循環,72 ℃延伸5 min,4 ℃保存。擴增反應在PCR儀(Biometra TGRADIEN)上進行,反應結束后,擴增產物用6%聚丙烯酰胺凝膠電泳,銀染檢測。

1.5 數據處理

采用Excel 2016和SPSS 22.0軟件進行變異分析、主成分分析和聚類分析,主成分分析采用相關性矩陣法和最大方差法;聚類分析采用系統聚類,選擇組內平方歐氏距離的方法。采用人工讀膠法統計電泳譜帶,按形成1、0數據矩陣記載,計算單位引物擴增的條帶、及多態性條帶百分率。利用POPGENE 32軟件分析Shannon信息指數(I)、Nei’s基因多樣性指數(H)和等位基因頻率[15-16]。參照Bostein等[17]的方法,計算各個SSR位點的多態性信息量(Plymorphism information content,PIC)。使用NTSYS-pc(2.10)計算遺傳相似系數,用非加權類平均法(UPGMA,unweighted pairgroup method with arithmetic means)進行聚類,生成聚類圖[18]。

利用Structure 2.3.4軟件進行群體分析,設置程序運行參數,Burnin設置為10 000次,MCMC設置為100 000次,將最優群體數K值的取值范圍設定在2～10之間,每個K值重復運行3次,以最大似然值為原則選取最佳的K值作為群體結構的最優群體數目,用Sigma plot 2.5描繪K值折線圖,并進一步計算各份種質材料相應的遺傳相似性權重值(Q值),繪制群體結構圖,確定材料的遺傳組成[19]。

2 結果與分析

2.1 基于表型性狀的遺傳多樣性分析

2.1.1變異及遺傳多樣性分析

如表2所示,18個表型變異系數為11.47%～78.46%,其中果形指數的變異系數最大,為78.46%,其次為果長、果形、熟性、果寬、果色、莖色和主莖高,分別為56.88%、50.05%、42.35%、41.99%、38.88%、38.87%和31.84%;莖表茸毛的變異系數最小,為11.47%。遺傳多樣性指數(H′)變化范圍為0.20～2.06,其中最大的為果形,最小的為莖表茸毛葉刺;株高、主莖高、始花節位、莖色、果形、果長、果寬、果形指數、商品果光澤、商品果色澤、熟性等10個性狀的遺傳多樣性指數均超過1.0,各性狀的變異系數及遺傳多樣性指數表現出不同程度差異,表明供試茄子材料表型具有較為豐富的遺傳多樣性。

表2 77份茄子種質表型性狀變異分析Table 2 Variation analysis on phenotypic traits of 77 eggplant germplasms

2.1.2主成分分析

對18個表型性狀進行KMO和Bartlett檢驗,KMO值為0.641(>0.5),偏相關性弱;Bartlett球型檢驗,p<0.1%,拒絕原假設,說明可進行主成分分析。如表3所示,特征值大于1的主成分共有6個,累計貢獻率為72.208%。第1主成分貢獻率為19.298%,包括果長(0.935)、果形指數(0.924)和果形(0.934)、花冠色澤(0.550)和熟性(-0.464),這類性狀主要與果實形狀相關,可歸納為果形因子;第2主成分貢獻率為15.543%,包含莖色(0.831)、果萼色(0.862)和商品果色澤(0.862),主要為顏色性狀,可歸納為色澤因子;第3主成分貢獻率為12.295%,包含株高(0.787)、主莖高(0.918)和始花節位(0.581),這類性狀主要與植株高度相關,可歸納為高度因子;第4主成分貢獻率為9.359%,包含果萼刺(0.762)和商品果光澤(-0.689),可歸納為果實光滑因子;第5主成分貢獻率為8.339%,包括果寬(-0.658)、葉形(0.779)和葉刺(0.433),可歸納為葉片形態因子;第6主成分貢獻率為7.374%,為莖表茸毛(0.740)和葉色(-0.635),可歸納為茸毛因子;6個主因子較為全面地詮釋了18個表型性狀在供試茄子材料中變異的貢獻。

表3 表型性狀的主成分分析Table 3 Principal component analysis of phenotypic traits

2.1.3聚類分析

對18個表型性狀進行聚類分析,在遺傳距離15.5處將77份茄子種質資源分成四類,如圖1所示,不同的類群表型性狀具有一定的差異。

第Ⅰ類包含24份種質,全部為栽培茄,主要來自中國廣東、福建、四川等省份。本類群植株平均株高、主莖高最高,分別為88.5 cm和36.1 cm、始花節位平均10節;果形指數平均為3.82,果實大部分為棒形或長卵圓形,紫色果,果萼刺有刺及無刺各占一半、顏色主要為紫色;莖、花冠均多為紫色,葉色多深綠;熟性早熟和晚熟各占比37.5%和29.2%。

第Ⅱ類包含24份種質,全部為栽培茄,主要來源于中國浙江、廣東等省。本類群植株平均株高最低、主莖高最矮,分別為59.6 cm和20.8 cm,平均始花節位9節,大部分種質熟性偏早熟或早中熟。在遺傳距離10.0處可繼續細分為3個亞群:Ⅱ-1包含6份種質,全部為長條形果,果實紫黑色或紫色、果萼刺紫色,花紫色,莖紫色;Ⅱ-2包含11份種質,大部分為棒形果,果實紫色為主,花紫色,莖主要為紫色;Ⅱ-3包含了7份種質,為長棒形或長條形果,果實白色、果萼刺綠色,莖綠色,花淡紫色或紫色。

第Ⅲ類包含來自中國江西、貴州、遼寧、甘肅等省份及意大利等國家的15份種質,均為栽培茄。本類群植株平均株高76.5 cm、主莖高26.4 cm、始花節位與類群Ⅱ一樣;果實指數1.1,種質為扁圓形或圓形果,果實紫色或紫黑色,大部分有果萼刺,果萼多為紫色,葉色綠或深綠,莖紫色、少部分為綠色或紫黑色,熟性以早熟和中熟為主。

第Ⅳ類包含14份種質資源,12份近緣野生茄和2份栽培茄,主要來自中國云南、海南、黑龍江等省份及日本、巴西和孟加拉國等國家。本類群整體表型性狀表現為圓形小果,商品果及老果色澤豐富、少數果面有斑紋,野生茄整體植株及葉片帶刺,多為腋生總裝花序、花冠色澤為白色或淡紫色,莖色多為綠色,熟性整體較晚,田間抗性好。根據各植株特征特性,在遺傳距離10.0處可繼續細分為兩個亞群,Ⅳ-1包含9份種質,植株長勢中等,平均主莖高最低,為18.7 cm,部分果實果面有深縱溝,嫩果以綠色為主、少數有白色、紅色等,除近緣野生茄V 06 B 1264外都無葉刺;Ⅳ-2包含5份種質,植株長勢強,植株平均株高、主莖高最高,分別為97.4 cm和38.8 cm,嫩果白綠色為主,植株及葉片大部分有刺,聚類結果可將栽培茄與近緣野生茄區分開。

圖1 茄子77份材料18個表型性狀的Square euclidean distance樹狀圖Fig.1 Square euclidean distance dendrogram based on 18 phenotypic traits of 77 eggplant accessions

2.2 SSR多樣性分析

2.2.1SSR引物標記多態性分析

用篩選出的50對多態性SSR引物對77份茄子種質進行檢測,擴增條帶分子量在50～500 bp之間,擴增反應共檢測到條帶252個,其中多態性條帶139個;平均每對標記擴增出5.040個條帶,多態性位點比例(P)為60.057%。不同引物對擴增的條帶數為2～8條,多態性條帶1～7條。有研究表明,當PIC>50%時,該標記為高度多態性標記;25%

圖2 77份茄子材料SM遺傳相似系數的UPGMA聚類圖Fig.2 UPGMA clustering diagram of SM genetic similarity coefficient of 77 accessions

2.2.2基于SSR的聚類分析

基于SSR分子標記對供試材料進行聚類分析,通過計算材料間SM遺傳相似系數,以UPGMA方式獲得聚類圖(圖2)。由圖2可知,供試材料的遺傳相似系數在0.43～0.94之間,平均為0.78。在遺傳相似系數0.64處,將供試材料劃分為六個類群:第Ⅰ類群包含34份材料,全部為栽培茄,主要來自中國浙江、四川、廣東、江西等省份,果實多為長棒形或條形,早熟類型材料居多。第Ⅱ類群中只含1份材料,即V 06 B 1297,引自孟加拉國,花紫色、果實卵圓形、嫩果綠色有淺色花紋,無葉刺,果萼綠色帶刺。第Ⅲ類群包含28份材料,均屬栽培茄,主要來自中國遼寧、貴州、廣東、江西、四川等省份和意大利,以棒形果為主,熟性多為中熟。第Ⅳ類群包含4份近緣野生茄,即V 06 B 864、V 06 B 865、V 06 B 874、V 06 B 0140和1份栽培茄V 06 B 659;近緣野生茄3份來自中國云南、1份來自中國海南,栽培茄來自日本;5份種質果形多為卵圓形或扁圓形,晚熟、抗性較好。第Ⅴ類群包含2份材料,即近緣野生茄V 06 B 0523和栽培茄V 06 B 0543,2份材料均來自我國遼寧,果萼均無刺、圓形果、晚熟,V 06 B 0523老熟果為紅色。第Ⅵ類群包含7份材料,全部為近緣野生茄,除1份來自中國云南、2份引自中國黑龍江外,其他均為國外引進品種;主要表現為嫩果以綠色為主,老熟果多為紅色,腋生總狀花序,果實圓形或扁圓形、部分帶縱溝,種質多為早熟、有果萼刺。

圖4 77份茄子種質的群體遺傳結構Fig.4 Population genetic structure of 77 eggplant germplasms

2.2.3基于SSR的群體結構分析

利用Structure 2.3.4軟件對77份茄子材料的50個SSR標記位點信息基于混合模型法進行分析。參考Evanno等[21]的方法,引入ΔK值來確定最佳K值,當K值隨ΔK值的變化出現明顯的峰值時,則作為最優群體數。當K=6時,將77份茄子材料劃分為PopⅠ、PopⅡ、PopⅢ、PopⅣ、PopⅤ和PopⅥ共6個亞群,不同亞群之間間隔明顯(圖3和圖4),各亞群所含種質數與UPGMA聚類一樣,如PopⅠ為UPGMA類群Ⅳ、PopⅢ為UPGMA類群Ⅴ、PopⅥ為UPGMA類群Ⅰ。當Q≥0.6時,表明材料血緣較純;Q<0.6則認為,該材料具有混合來源,遺傳背景較復雜[22]。本研究77份供試材料中96.11%的材料Q值≥0.6,說明供試茄子種質大部分遺傳背景單一,與其他亞群間基因交流較少;3份材料V 06 B 0367、V 06 B 1297和V 06 B 0912的Q值<0.6,具有混合來源,其中種質V 06 B 0367含有較多的PopⅤ(36.5%)遺傳背景,V 06 B 1297和V 06 B 0912含有較多的PopⅡ(1.38%和1.54%)和PopⅣ(3.71%和2.71%)背景,均混合了不同亞群的遺傳成分,遺傳背景均比較復雜,在使用這些混合來源材料作親本時應特別注意。

圖3 ΔK值隨K值的變化Fig.3 Change of ΔK value with K value

3 討 論

本研究77份茄子種質的18個表型性狀變異系數為11.47%～78.46%、平均值為33.58%,略高于許競生[24]報道的平均變異系數32%;遺傳多樣性指數(H′)變化范圍為0.20～2.06、平均值為1.24,與鄒敏等[25]研究結果(0.32～2.01,平均值為1.15)相一致,表明供試茄子材料表型多態性高、遺傳多樣性較為豐富,其中果形指數、果長、果形、熟性、果寬等性狀表現出較高的多態性,但莖表茸毛、葉刺、葉形等性狀多態性較低。主成分分析將18個表型性狀歸納為6個主因子,這與齊東霞等[5]的研究結果一致,其中果實形態特征占主要成分、且其多態性高,說明在種質資源鑒定及遺傳改良方面應注重果實相關指標。

表型聚類與分子UPGMA聚類和群體結構分析結果相似,均能區分開栽培茄和近緣野生茄,這與Li等[25]、房超等[26]研究結果相一致。類群的劃分與茄子果形分類較為一致,如長條形或長棒形果,扁圓或圓形果大部分上各聚為一類群;與地理來源有一定相關性,但不完全一致,這與張鴻燕等[27]、林琿等[28]的研究結果相似。但也有研究表明,聚類結果與茄子地理來源無直接關系[5,7,29],張強強等[29]采用19對InDel分子標記對46份茄子種質資源的遺傳多樣性進行了分析,認為其聚類結果與地理來源關聯性不大。群體結構分析可進一步揭示種質資源的遺傳組分,本研究供試材料中只有3份種質Q<0.6、具有混合來源,在選用這些種質進行遺傳改良時,應充分考慮其遺傳構成。

供試茄子材料的分子遺傳相似系數為0.43～0.94,平均值為0.78,說明供試材料具有一定的遺傳多樣性,但材料間的遺傳相似性較高,遺傳基礎相對較窄,這與齊東霞等[5]、何倚劍等[30]、Ge等[31]的研究結果相一致。莊勇等[32]研究表明,通過常規手段,SolanumintegrifoliumPoir、SolanumaethiopicumL.等少數近緣野生種可獲得種間雜種,供試的12份近緣野生茄分子聚類和群體結構分析中被劃分為三個類/亞群,其生物學形態特征分別表現出與黃水茄(SolanumincanumL.)、非洲剛果茄(SolanumaethiopicumL.)和紅茄(SolanumintegrifoliumPoir)表型相似,說明可基于種間雜交滲透的方法將這些近緣野生茄種內優異等位基因進行茄子品種遺傳改良,擴寬遺傳基礎。