基于表型性狀的不同梨品種遺傳多樣性分析

白玉娥 李今普 師鵬飛 王榮學 高穎 胡志健 楊榮

關鍵詞：梨；表型性狀；遺傳多樣性；主成分分析；聚類分析

梨在我國栽培歷史悠久，種植范圍覆蓋全國各地。世界上梨屬植物共約35個種，其中有13個種起源于中國，根據起源地不同可分為東方梨和西方梨。不同品種梨在表型（如果實橫縱徑、果形指數、果皮及果實硬度等）及內在營養成分（包括功能活性物質）上均存在較大差異，導致不同品種擁有不同的品質特征，這為梨遺傳改良提供了豐富的種質資源。目前，有關梨種質資源遺傳多樣性的研究，利用RAPD、SSR、SSAP和cpDNA等分子標記技術進行的較多，但基于表型性狀進行的相對較少，且針對內蒙古地區選用的資源往往更有限。張冰冰等對143份寒地梨種質表型性狀的分析結果表明，幼葉顏色、葉面狀態、果實形狀、抗寒性、梨黑星病抗性、單果質量和可溶性固形物含量等性狀變異豐富。

內蒙古自治區大部分地處干旱地區，光熱資源豐富，晝夜溫差大，而且土壤肥沃，獨特的自然環境為農作物生長提供了良好的條件。梨是內蒙古自治區主要栽培水果之一，隨著農業產業結構的優化調整，內蒙古梨果產業得到了快速發展，截至2015年底全區梨樹種植面積1.47萬hm2，果實年產量17萬t，種植品種以蘋果梨為主，其次是錦豐梨、早酥梨和南果梨。但近年來，由于栽培品種單一、專用和特色品種選育及應用滯后、鮮果供應期短、果實品質較差、栽培管理技術落后等原因，果農生產積極性受到影響，梨樹種植面積逐年減少，嚴重阻礙了內蒙古梨產業的發展。因此，引進、篩選、培育內蒙古自治區適生的、多用途的優良梨品種，對于提高當地果農的經濟收益和促進林果業的產業化進程，具有重要的現實意義。

表型多樣性是物種遺傳多樣性的重要組成部分，遺傳多樣性的豐富度對品種改良和新品種選育有著直接影響。一般采用變異分析、相關分析等多種統計分析方法對品種的產量性狀及植株性狀進行考察分析，以幫助篩選出優質的品種。本研究對保存于巴彥淖爾市梨樹資源圃的18個梨品種的140個單株進行表型性狀分析，以揭示梨不同品種的表型差異規律，從而為當地改良現有梨品種、選育新品種及高效利用梨種質資源提供理論支持。

1材料與方法

1.1試驗材料

供試梨株均種植于內蒙古巴彥淖爾市沙漠綜合治理中心的梨樹資源圃，各品種均利用對35年樹齡蘋果梨高接換頭的方式保存。共選取18個梨品種的140株樹齡相同的盛果期樹，其中群體數大于10株的品種選10株進行觀測，群體數不足10株的品種全部進行觀測。詳見表1。

1.2調查性狀及試驗方法

參照《植物新品種特異性、一致性和穩定性測試指南梨》（GB/T 19557.30-2018，以下簡稱測試指南），選擇枝條、葉片、果實部分的9個質量性狀和19個數量性狀，于2021年7-9月進行調查。

1.2.1樣品選取對140個樣株從東、西、南、北4個方向隨機選取樣品，每個樣株各方向隨機選取3個生長良好的枝條、20片位于枝條中部的成熟葉片和10個無病害的成熟果實。

1.2.2質量性狀調查與賦值以測試指南中相應性狀的描述或標準圖片作為參考，經綜合考量與比較后記錄各質量性狀，并進行賦值（表2）。

1.2.3數量性狀測量與調查一年生枝節間長度、葉長、葉寬、葉柄長、果實縱徑、果實橫徑、果梗長度、果梗粗度用游標卡尺測量，精確到0.01mm。每個指標從選取的樣品中以20個數據為一組，重復測量3次。樹勢、樹成枝力、樹姿態、一年生枝皮孔密度、葉相對枝著生姿態、果實最大橫徑位置、果實蓋色相對面積、果面果銹相對面積、果點大小、果點密度、果梗相對果實縱軸位置參照測試指南的標準進行觀測記錄，非數值型性狀賦值見表3。

1.3數據處理與統計分析

用Shannon-Weiner多樣性指數分析不同梨品種的遺傳多樣性，計算公式為：

用Microsoft Excel進行數據處理和統計分析。用SPSS 26軟件進行主成分分析，根據歐式距離對不同品種和不同性狀分別進行Q型和R型聚類分析。

2結果與分析

2.1 18個梨品種質量性狀多樣性分析

從表4可以看出，18個梨品種的9個質量性狀變異程度較大，變異系數為11.78%～64.72%，其中一年生枝向陽面主要顏色的最大，葉邊緣形狀的最小；多樣性指數范圍在0.22～1.33之間，平均為0.9。說明這18個品種的9個質量性狀都存在著豐富的變異。其中，一年生枝向陽面主要顏色的多樣性指數最高，以黃綠色（38.10%）和暗褐色（38.10%）為主，兩者分布頻率達到76.20%；其次為葉形狀，多樣性指數為1.11，卵圓形占比最大，為58.62%；葉基部形狀的多樣性指數為1.09，圓形占比最大，為57.89%：葉片狀態的多樣性指數為0.97，內卷（47.22%）和平展（44.44%）占比較大：果實蓋色的多樣性指數為0.96，淺紅色最多（57.14%），其次為橙色（28.57%）；果實底色的多樣性指數為0.85，綠色占比最大（66.67%），黃色次之（22.22%）；葉尖端形狀的多樣性指數為0.83，漸尖占比最高，為65.38%：葉片顏色的多樣性指數為0.72，綠色占比最大（70.83%）；葉邊緣形狀的多樣性指數最低，為0.22，絕大部分為銳鋸齒形（94.40%）。

2.2 18個梨品種數量性狀的多樣性分析

由表5可見，19個數量性狀中果實蓋色相對面積的變異系數最大，為59.54%；葉寬的變異系數最小，為9.28%。多樣性指數變化范圍為0.35～1.53，果實蓋色相對面積的多樣性指數最大，一年生枝皮孔密度的最小，平均值為1.02，明顯高于質量性狀，說明這18個梨品種的數量性狀變異更為豐富。

2.3 18個梨品種表型性狀的主成分分析

影響梨表型的因素較多，所調查的表型性狀間存在一定的信息重疊，為了清楚顯示各因素在表型多樣性構成中的作用，本研究使用主成分分析法對所調查的28個表型性狀進行分析。經過KMO檢驗（KMO>0.6）和巴特利特檢驗（P<0.05），證明數量性狀間關聯性較高，說明調查的表型性狀間存在信息重復現象，可以用主成分分析降維篩選指標。以特征值>1為標準，共提取出10個主成分，累積貢獻率（74.26%）大于70%，表明這10個主成分能夠代表大部分表型性狀的變異（表6）。

第1主成分的特征值為4.299，對表型變異的貢獻率最大，達15.352%，以果實底色的貢獻最大（-0.730），果實橫徑次之（0.710）。第2主成分特征值為3.302．貢獻率為11.792%，貢獻最大的性狀為果實蓋色相對面積（-0.831），葉相對枝著生姿態次之（0.615）。第3主成分特征值為2.438，貢獻率為8.707%，果點大小貢獻最大（0.561），其次為果實蓋色（-0.552）。第4主成分的特征值為2.101，貢獻率為7.504%，其中，一年生枝皮孔密度的貢獻最大（0.660），一年生枝向陽面主要顏色次之（-0.517）。第5主成分的特征值為1.982，貢獻率為7.079%，其中，果實蓋色貢獻最大（-0.521），果實最大橫徑位置次之（-0.491）。第6主成分的特征值為1.690，貢獻率為6.037%，其中，葉長貢獻最大（-0.447），葉片顏色次之（0.429）。第7主成分的特征值為1.421，貢獻率為5.073%，其中，葉尖端形狀的貢獻最大（-0.474），樹勢次之（0.412）。第8主成分的特征值為1.290，貢獻率為4.607%，其中，果梗長度貢獻最大（0.421），樹姿態次之（-0.366）。第9主成分的特征值為1.212，貢獻率為4.329%，其中，葉形狀的貢獻最大（0.525），一年生枝節間長度次之（0.409）。第10主成分的特征值為1.059，貢獻率為3.780%，其中，葉柄長貢獻最大（0.492），一年生枝節間長度次之（0.471）。

通過分析，提取出18個貢獻最大的表型性狀，包括樹勢、樹姿態、一年生枝節間長度、一年生枝皮孔密度、一年生枝向陽面主要顏色、葉相對枝著生姿態、葉長、葉柄長、果實橫徑、果實最大橫徑位置、果實蓋色相對面積、果點大小、果實底色、果實蓋色、果梗長度、葉片顏色、葉形狀、葉尖端形狀。綜合來看，導致梨品種表型性狀差異的主要因素是果實形態，其次是葉片形狀及枝條部分形態，可將其視為梨種質評價的主要形態指標。

2.4 18個梨品種主要形態指標的R型聚類分析

對28個表型性狀指標進行R型聚類分析，可將信息重疊的性狀聚在一起，從而凸顯出重要性狀在梨品種分類上的價值。從圖1可以看出，在歐氏距離25處可將28個表型性狀分為兩大類群，在歐式距離15處可將28個表型性狀分為19個類群。各類群之間距離較遠，說明類群間性狀相關性較低，可以用于反映不同品種的差異。同一類群的指標之間具有較強的相關性，因此可結合生產實際，從中選出代表性的指標，如樹勢和樹成枝力聚為一類，可以將樹勢選為代表性指標：果實縱徑和果實橫徑聚為一類，則可以將果實橫徑選為代表性指標。總體來看，據此選出的指標與主成分分析篩選出的指標基本一致。

2.5 18個梨品種的Q型聚類分析

基于主成分分析篩選出的18個主要形態指標，采用Q型聚類分析法對18個梨品種進行聚類分析，結果見圖2。可以看出，在歐氏距離8處可以將18個品種分為4大類群。第一類群僅包含巴梨，因其果實大小遠超平均水平（果實縱徑149.9mm，果實橫徑97.0mm），被單獨分為一類。第二類群為寒香梨和寒雅梨，這兩個品種均來源于吉林且果實相對其他品種較小（果實縱徑和橫徑均值都小于60.0mm）。第三類群為早酥梨、紅早酥梨、柯夫梨和蘋果梨，均來源于巴彥淖爾市。第四類群包括余下的11個品種，在歐式距離5處又可分為3組，其中，第1組包括新梨七號、紅香酥、玉露香三個品種，均來自于山西晉中；第2組僅包含吉香梨，來自吉林；其余7個品種均聚在第3組。

3討論與結論

表型性狀是生物體在基因型與生活環境共同作用下形成的外在形態特征，是物種鑒別、保護以及新品種選育的重要依據。表型多樣性可直觀反映物種遺傳多樣性，是最直接且簡便的遺傳變異評價方法，在物種的適應性及農藝性狀改良方面具有重要意義。本研究對巴彥淖爾市梨樹資源圃中保存的18個梨品種的140個單株進行表型質量性狀和數量性狀分析，結果表明供試梨種質從樹形、一年生枝、葉片、果實形態方面均表現出豐富的表型多樣性。張麗娟對滇中南地區野生川梨砧木資源的研究也得到類似結論。豐富的遺傳多樣性為我國梨品種改良及新品種選育奠定了良好的基礎。Shannon-Weiner多樣性指數能夠直觀反映出植物性狀的分級與分布情況，數值大小能夠反映出表型的均勻度與豐富度。本研究結果顯示，梨品種數量性狀的Shannon-Weiner多樣性指數平均值為1.02，大于質量性狀的平均值（0.90），說明在表型多樣性方面數量性狀差異要高于質量性狀，該結果與周兆禧、鄭斌等在梨種質表型多樣性方面的研究結果類似。本研究發現所調查的9個質量性狀中果實顏色和葉片形態方面性狀在不同梨品種間差異性較大，葉形、葉片基部形狀和尖端形狀表型較為豐富，這也與頡剛剛等的研究結論較為一致。

變異系數是品種間表型性狀變異幅度大小的反映，值越大說明該表型性狀在品種間的差異越大，遺傳多樣性越豐富，用于鑒別品種時更具科學合理性：值越小說明該表型性狀在品種間的差異越小，遺傳穩定性越好，越不易受到外界環境因素等的影響。本研究調查的梨19個數量性狀變異系數范圍為9.28%～59.54%，除葉寬外變異系數均大于10%，說明這些性狀在梨品種間差異較大。其中，果實縱徑的變異系數最大，葉柄長和果梗長度的次之，表明梨的果實和葉片變異更為豐富。

主成分分析可以通過降維的方法將關系復雜的多個性狀轉化為較少的幾個主成分，從而去除冗余，簡化資源評價及篩選程序。本研究對選用的9個質量性狀和19個數量性狀進行主成分分析，以特征值大于1為標準共提取出10個主成分，累積貢獻率為74.260%，其中前5個主成分的累積貢獻率為50.434%，主要解釋果實底色、果實橫徑、果實蓋色相對面積、葉相對枝著生姿態、果點大小、果實蓋色、一年生枝皮孔密度、一年生枝向陽面主要顏色、果實蓋色、葉長，說明果實形態、葉片大小和枝條形態在反映梨品種特征方面有著重要作用。本研究對28個表型性狀的R型聚類分析也得到基本一致的結果。然而，本次主成分分析的累計貢獻率沒有超過80%，因此只能大體上反映本次試驗調查的表型性狀。

本研究所用的18個梨品種主要來自內蒙古巴彥淖爾市、山西晉中和吉林。通過Q型聚類分析在歐式距離8處可將這18個品種分為4大類：巴梨來自巴彥淖爾市且果實大小遠超平均水平，被單獨分為一類：寒香梨和寒雅梨均來源于吉林且果實相對其他品種較小，被聚為一類；早酥梨、紅早酥、柯夫梨和蘋果梨均來源于巴彥淖爾市，表現較優，被聚為一類；余下的11個品種聚為一類。前三類的7個品種表型變異程度較大，多樣性豐富，應著重保護和管理。第四類的11個品種在歐氏距離5處又可分為3組，第1組包括新梨七號、紅香酥、玉露香三個品種，均來自于山西晉中；第2組僅包含吉香梨，來自吉林；其余品種劃分為第3組。可以看出Q型聚類中品種間的表型差異與種源地有著一定關系。但有些品種并沒有按照來源地分類，可能是由于梨資源的交叉利用或者是部分表型性狀容易受到外界環境影響。

表型性狀研究是生物學研究的基礎，但表型性狀分析結果容易受主觀因素及環境條件等的影響，而且梨的遺傳背景復雜，僅依靠表型性狀分析無法對其進行準確分類和深入研究，還需結合生理生化分析和分子生物學手段等綜合進行，從而為新品種的選育以及核心種質的構建等奠定基礎。

綜合本研究結果，供試18個梨品種具有極其豐富的表型多樣性，且數量性狀的多樣性高于質量性狀：果實形態和葉片形狀相關性狀是梨種質資源評價的重要指標。這可為當地梨品種的保護利用及新品種選育提供參考。