甜瓜種質(zhì)資源主要性狀的多變量分析

甜瓜種質(zhì)資源主要性狀的多變量分析

cucumismelo。l是葫蘆島科的一種高度形態(tài)多樣性的物種。在生長(zhǎng)、外觀、品質(zhì)、口感、營(yíng)養(yǎng)成分、抗性等方面存在著很大的變化。這種多態(tài)性產(chǎn)生了許多不同的變體和類型。最早對(duì)甜瓜進(jìn)行系統(tǒng)分類的是1895年法國(guó)的Naudin,根據(jù)相互雜交的親和性將甜瓜分為10個(gè)類型(相當(dāng)于現(xiàn)在植物分類學(xué)的變種),但目前使用較多的分類可能是2000年P(guān)itrat提出來的,將C.melo分為2個(gè)亞種16類型。我國(guó)栽培甜瓜主要分為薄皮甜瓜和厚皮甜瓜2大類。有學(xué)者認(rèn)為,厚皮與薄皮兩類甜瓜同源性極強(qiáng),其差異為不同生態(tài)型變種間的差異,分為2個(gè)亞種是不合理的。甜瓜生產(chǎn)栽培品種多屬于變種cantalupensis、reticulatus、inodorus和makuwa或chinensis。在過去的幾十年里,一方面是甜瓜各種類型之間的雜交育種及新品種推廣等因素,使新的品種不斷增加,也越來越難以對(duì)栽培品種及育種材料進(jìn)行明確分類;另一方面,和許多果蔬作物一樣,由于地方生態(tài)類型和傳統(tǒng)地方品種不斷被雜種一代所代替,以及重要基因資源保護(hù)的缺失,種內(nèi)遺傳多樣性減少,使種質(zhì)資源遺傳背景愈加狹窄。對(duì)育種材料多樣性的評(píng)價(jià)和鑒定是開展育種研究的重要步驟。雖然分子標(biāo)記是一種有效的研究植物資源特征性的方法,但是通過農(nóng)藝學(xué)性狀的多變量分析方法,可以使育種家能夠更直接地鑒定和選擇有價(jià)值的育種資源。本研究將該方法用于370份現(xiàn)代甜瓜育種資源的研究中,鑒定不同變種或類型甜瓜的特征及主要農(nóng)藝性狀的變異性。1材料和方法1.1大、面臨的生物學(xué)性狀本試驗(yàn)所用材料系課題組多年從國(guó)內(nèi)外收集和選育所得,包括5個(gè)變種,共370份育種材料,其中部分材料屬于不同亞種間雜交選育的高代品系,難以進(jìn)行明確的分類(表1)。調(diào)查了包括植株、花性型和果實(shí)等方面的24個(gè)生物學(xué)性狀,其中數(shù)量性狀13個(gè),質(zhì)量性狀11個(gè)(表2)。試驗(yàn)于2009年3-7月在天津市西青區(qū)辛口實(shí)驗(yàn)基地溫室大棚中進(jìn)行。3月6日播種,4月14日移栽至大棚,每個(gè)品系種植10株。單蔓整枝,高畦吊蔓栽培,采用人工授粉,厚皮甜瓜每株留1個(gè)瓜,薄皮甜瓜每株留瓜2~4個(gè),整個(gè)生育期內(nèi)的栽培管理同常規(guī)生產(chǎn)。果實(shí)達(dá)到生理成熟期進(jìn)行采收,測(cè)定并記錄數(shù)量性狀,質(zhì)量性狀的記錄和轉(zhuǎn)化參照UPOV(TheInternationalUnionfortheProtectionofNewVarietiesofPlants)。1.2數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和分析方法分別計(jì)算9個(gè)類型甜瓜材料數(shù)量性狀的平均值,所有原始數(shù)據(jù)通過Zscores方法,轉(zhuǎn)化為均值為0、方差為1的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值,用SPSS17.0軟件對(duì)370份育種資源的24個(gè)性狀進(jìn)行聚類分析和主成分分析。2結(jié)果與分析2.1果實(shí)大小及生長(zhǎng)和發(fā)育通過370份育種資源材料的聚類分析,根據(jù)性狀相關(guān)性緊密程度可將24個(gè)性狀分成5個(gè)聚類——聚類Ⅰ~Ⅴ,如圖1所示。聚類Ⅰ主要包括表現(xiàn)果實(shí)大小、種子大小、植株生長(zhǎng)期和果實(shí)發(fā)育期的性狀。聚類Ⅰ中千粒質(zhì)量、種子長(zhǎng)度和種子寬度三者呈高度極顯著正相關(guān)(r=0.863**~0.936**);果實(shí)橫徑、果肉厚度和單果質(zhì)量三者相關(guān)性亦達(dá)到極顯著水平(r=0.811**~0.853**);反映種子大小和果實(shí)大小的性狀同屬于聚類Ⅰ,說明果實(shí)大小與種子大小變化趨勢(shì)一致,二者間r=0.577**~0.759**。果實(shí)發(fā)育期、植株生長(zhǎng)期與單果質(zhì)量及千粒質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)(r=0.517**~0.825**),可以解釋為薄皮甜瓜比厚皮甜瓜早熟。聚類Ⅱ主要包括控制果實(shí)表皮性狀的網(wǎng)紋、棱溝和果皮色以及控制成熟的果肉顏色、脫落和黃化性狀。其中,果實(shí)的脫落與黃化性狀呈極顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)r=0.672**,它們是判斷Americancantaloupe和Europeancantaloupe類型甜瓜成熟與否的重要指標(biāo)。聚類Ⅲ包括種皮顏色、花性型和可溶性固形物含量3個(gè)性狀,但三者間相關(guān)性很小(r=0.187~0.242)。由于遺傳基礎(chǔ)的不同,進(jìn)化與選擇的結(jié)果,甜瓜具有豐富的性型表現(xiàn),值得一提的是本研究中的雌雄異花同株植株可以省略雜交時(shí)的去雄工序,提高雜交率,而且避免了人工去雄損傷雌蕊,造成授粉不良及坐果率下降的問題。聚類Ⅳ包括果肉質(zhì)地性狀,甜瓜果肉質(zhì)地有硬、脆、酥、軟、多汁和面(粉質(zhì))等多種表現(xiàn)型。而聚類Ⅴ主要指果形指數(shù)。2.2不同品種甜瓜發(fā)育性狀所調(diào)查的農(nóng)藝性狀在9個(gè)類型370份甜瓜材料中表現(xiàn)出很大的變異性(表3)。在9個(gè)類型中,Casaba和Hamimelon的植株生長(zhǎng)期(分別為128d和126d)和果實(shí)發(fā)育期(分別為47d和45d)最長(zhǎng);HoneyDew、Muskmelon、Europeancantaloupe和Americancantaloupe這4個(gè)類型的植株生長(zhǎng)期和果實(shí)發(fā)育期非常相近,分別為122~123d和39~42d;薄皮甜瓜類型的3個(gè)變種conomon、chinensis和agrestis的植株生長(zhǎng)期及果實(shí)發(fā)育期明顯短于厚皮甜瓜類型,分別為114~116d和28~30d。果實(shí)發(fā)育期性狀變異很大,從chinensis的最短22d到Casaba中的最長(zhǎng)53d,相差31d,為不同熟性的育種提供了豐富的資源。在性狀聚類分析結(jié)果中,同在聚類Ⅰ的種子大小(種子長(zhǎng)度、種子寬度、種子厚度和千粒質(zhì)量)和果實(shí)大小(果實(shí)縱徑、果實(shí)橫徑、果肉厚度和單果質(zhì)量)性狀表現(xiàn)出與植株生長(zhǎng)期和果實(shí)發(fā)育期相同的趨勢(shì),Hamimelon和Casaba類型的平均單果質(zhì)量分別為1969g和1531g,平均千粒質(zhì)量分別為43.2g和50.6g,遠(yuǎn)高于其他類型;HoneyDew、Muskmelon、Europeancantaloupe和Americancantaloupe這4個(gè)類型表現(xiàn)相近,平均單果質(zhì)量為1059~1347g,千粒質(zhì)量為28.6~35.6g;而薄皮甜瓜3個(gè)亞種表現(xiàn)出較大的差異,平均單果質(zhì)量為185~711g,千粒質(zhì)量為12.6~16.4g。值得注意的是,在370份育種資源中,種子千粒質(zhì)量表現(xiàn)出極大的變異性,從最小的6.5g到最大的62.7g。可溶性固形物含量是評(píng)價(jià)甜瓜品質(zhì)的重要指標(biāo)之一,在本研究所用的材料中,除了conomon和agrestis變種的可溶性固形物含量顯著較低外(分別為6.9%和5.8%),其他類型的可溶性固形物平均含量均在10%以上,最高的為HoneyDew(13.1%),chinensis、Hamimelon、Casaba和Muskmelon類型中也有不少高可溶性固形物含量的材料,都可以作為甜瓜品質(zhì)育種的重要來源。甜瓜種質(zhì)資源遺傳多樣性表現(xiàn)最為豐富的器官甜瓜果實(shí),370份甜瓜材料不僅在果皮顏色、果皮斑紋、皺皮與否、有無棱溝和網(wǎng)紋等外觀性狀上表現(xiàn)出很大的變異性,而且在果肉色、口感、質(zhì)地、香氣及成熟類型等方面差異也很大。2.3ssrpcr通過主成分分析法作因子提取,方差極大值法旋轉(zhuǎn),得到6個(gè)特征值大于1的綜合性狀,選前3個(gè)主成分——PC1,PC2和PC3作主成分散點(diǎn)圖,其累計(jì)貢獻(xiàn)率為50.2%。根據(jù)因子載荷判斷(表4),PC1的貢獻(xiàn)率最高,達(dá)33%,主要與反映果實(shí)大小(單果質(zhì)量、果實(shí)橫徑和果肉厚度)、種子大小(種子長(zhǎng)度、種子寬度和種子厚度)及果實(shí)發(fā)育期的性狀相關(guān),因此可以將PC1概括為果實(shí)大小因子,通過PC1將生態(tài)學(xué)上的2個(gè)類型——薄皮甜瓜和厚皮甜瓜明顯區(qū)分開來。果實(shí)較小的類型,如薄皮甜瓜變種chinensis、conomon和agrestis的材料位于X軸左側(cè)(圖2-A,Ⅰ),它們親緣關(guān)系較近,混合分布在一起,其共同特點(diǎn)是果實(shí)發(fā)育期短,成熟早,果小,果肉薄,種子小,不耐貯運(yùn),單株可以坐多個(gè)果實(shí)等。在本研究中,雌雄異花同株多來自chinensis變種,位于X軸右側(cè)。厚皮甜瓜類型如Hamimelon、Casaba、HoneyDew、Europeancantaloupe、AmericanCantaloupe和MuskmelonCantaloape位于X軸右側(cè)(圖2-A,Ⅱ),它們果實(shí)較大,果肉厚度均在3.5cm以上,可溶性固形物含量較高,果實(shí)發(fā)育期長(zhǎng),尤其是Casaba和Hamimelon,屬于晚熟甜瓜類型,果皮硬,肉質(zhì)較硬或脆酥,非常耐貯運(yùn),這類材料多適用于選育長(zhǎng)貨架期的品種。PC2主要與成熟時(shí)的果實(shí)脫落和果皮黃化性狀有關(guān),其因子載荷遠(yuǎn)大于其他性狀,分別為0.449和0.441,另外PC2也和果皮性狀(網(wǎng)紋和棱溝)、種皮色及花性型有關(guān),因此可以將PC2概括為成熟因子,用于判斷是否具有呼吸躍變現(xiàn)象。不具備脫落、黃化等性狀,貨架期較長(zhǎng)的類型如Muskmelon、Casaba和Hamimelon位于Y軸下方(圖2-A);而大部分AmericanCantaloupe類型及部分EuropeanCantaloupe類型的材料,在成熟時(shí)果實(shí)脫落,果皮迅速黃化,香氣濃郁,貨架期較短,分布于Y軸上方(圖2-A,Ⅲ),其果肉普遍為橘色,果肉較軟,表現(xiàn)出典型的呼吸躍變現(xiàn)象。與PC1和PC2相比,PC3的貢獻(xiàn)率僅有7.1%,它與多個(gè)性狀相關(guān),特別是果實(shí)質(zhì)地、果肉顏色、果皮顏色、果實(shí)網(wǎng)紋和果皮花紋等性狀。表皮具有花斑、口感酥脆的Hamimelon位于Y軸上方(圖2-B,Ⅳ),表面皺皮、果肉較硬的Casaba位于Y軸下方(圖2-B,Ⅴ)。其他類型均勻分布于Y軸兩側(cè),說明果肉質(zhì)地、果肉顏色、果皮顏色和果皮網(wǎng)紋等性狀在不同類型中變異較大,是具有高度多樣性的性狀,這種多樣性為不同類型的品種選育提供了豐富的來源,同時(shí)也說明隨著現(xiàn)代甜瓜育種的不斷發(fā)展,各地種質(zhì)資源相互雜交,培育的新品種同時(shí)具備了不同變種或類型的復(fù)合性狀,對(duì)新品種的分類更加模糊。對(duì)未定類型的分布觀察發(fā)現(xiàn),它們大部分分布于厚皮甜瓜區(qū)域,與栽培類型HoneyDew、Americancantaloupe、EuropeanCantaloupe和Muskmelon等類型存在廣泛交叉重疊,說明未定類型多來源于這幾個(gè)類型間的雜交后代,具備了不同變種多個(gè)優(yōu)良性狀,難于對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確分類。3甜瓜育種材料的多樣性本研究對(duì)370份甜瓜種質(zhì)資源進(jìn)行多變量分析發(fā)現(xiàn),雖然聚類分析和因子分析所用的計(jì)算方法不同(前者根據(jù)Pearson系數(shù),后者采用主成分分析方法),但得到的聚類與主成分比較一致。聚類分析中的相關(guān)系數(shù)大小用于說明各性狀相關(guān)性程度,從而提取少數(shù)具有代表性的性狀,達(dá)到減少調(diào)查量的目的。本研究中第一主成分(PC1)主要與果實(shí)發(fā)育期、果實(shí)大小及種子大小性狀緊密相關(guān),這些性狀對(duì)甜瓜的分類起了重要作用,與前人的研究結(jié)果一致。尤其是種子性狀表現(xiàn)出與果實(shí)性狀(尤其是果實(shí)大小)的極顯著相關(guān)水平,且在不同甜瓜類型間存在高度多樣性,對(duì)區(qū)分不同變種或類型具有指導(dǎo)意義。世界范圍內(nèi)生產(chǎn)上的栽培甜瓜多為cantalupensis、reticulatus、inodorus和makuwa(或chinensis)類型,長(zhǎng)期的甜瓜育種也多在這些類型間進(jìn)行雜交選育,導(dǎo)致了現(xiàn)有育種資源中cantalupensis、reticulatus和inodorus這幾個(gè)變種在散點(diǎn)圖上的分布部分交叉重疊,許多未能明確分類的育種資源材料也分散在其中。本研究中HoneyDew類型育種材料在主成分散點(diǎn)圖中的分布廣泛,與多種類型甜瓜交叉重疊,其果形、表皮性狀、果肉顏色、果肉質(zhì)地均呈現(xiàn)出多樣性,可能與部分育種材料來自于HoneyDew與薄皮類型甜瓜的雜交后代,經(jīng)多代選擇獲得有關(guān)。日本的網(wǎng)紋甜瓜(Muskmelon)多引種自歐美國(guó)家,選于reticulatu