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杏果核与种仁数量性状的遗传多样性分析

发布时间:2022-08-22 08:45:06

摘    要:【目的】研究杏果核与种仁数量性状的遗传变异,筛选特异种质,为仁用杏遗传改良提供理论依据。【方法】本研究以195份杏种质资源为材料,连续2年调查了果核与种仁17个数量性状的变化。【结果】结果表明,17个表型性状的变异系数范围为9.61%-36.88%,杏群体内存在丰富的变异,其中果核破裂力的变异系数最大,核木质素含量的变异系数最小。通过相关性分析,发现出仁率性状与仁侧径、单仁重之间存在着极显著的正相关性,而与核厚度、破裂力和硬度之间存在着极显著的负相关性。通过主成分分析,将17个性状划分为4个综合因子,两年的累计贡献率均达到81%以上,第1主成分包括果核或种仁的纵径、横径以及重量等性状,代表了核/仁大小性状;第2主成分代表了果核形状;第3和4主成分分别代表了果核硬度与木质素含量。基于树形聚类图,当遗传距离为15时,将本研究的杏种质资源划分为5个类群:第I和II类群分别由绿萼山杏和露仁普通杏组成;大多数大扁杏种质聚类在III类群;第IV类群由薄核且出仁率高的普通杏组成;当遗传距离为10时,第V类群被进一步划分为6个亚群,这些亚群中均由山杏种质和普通杏种质混合组成。【结论】杏果核与种仁的数量性状存在着丰富的遗传变异;增加种仁侧径有利于提高仁用杏的出仁率;筛选出6份优异种质和21份特异种质材料,可以作为仁用杏遗传改良的亲本材料。


关键词:杏; 种质资源;果核;种仁;数量性状;多样性;


Genetic diversity analysis of quantitative traits of fruit stone and kernel in apricot

ZHANG Qiuping ZHANG Yuping MA Xiaoxue LIU Weisheng LIU Ning XU Ming LIU Shuo

ZHANG Yujun

Liaoning Institute of Pomolgy



Abstract:

【Objective】 The kernel-using apricot is a unique apricot resource in China, which includes Siberian apricot (Armeniaca sibirica L.),common apricot (Armeniaca vulgaris L.) and Armeniaca cathayana D. L. Fu et al. Although apricot germplasm resources in China are very rich, the available materials in kernel-using apricot breeding are very few. The evaluation of apricot stone and kernel related quantitative traits is the basis for the effective breakthrough of genetic improvement and breeding in kernel-using apricots. 【Method】Based on the phenotypic data of 195 apricot germplasm resources for two consecutive years, in this study, the variation coefficient analysis, principal component analysis, correlation analysis and cluster analysis were carried out in the 17 stone and kernel traits using Origin 9.0 software.【Result】In the 17 quantitative traits, coefficients of variation of the phenotypic traits ranged from 9.61% to 36.88%, and the coefficient of variation of stone breaking force (SBF) was maximum, and the coefficient of variation of stone lignin content (SLC) was minimum. The result of the Shapiro-Wilk test showed that those data were normally distributed except for SBF and SLC traits. The evaluation data for two consecutive years is stable and well repeatability by the correlation analysis. The coefficient of variation of stone dry weight (SDW), kernel dry weight (KDW), stone hardness (SH) and kernel weight ratio (KR) were all higher than 20%, indicating that 195 accession germplasm resources had abundant genetic diversity. The distribution of SH ranged from 305.31 to 1573.37 N, with an average of 902.32 N. The distribution of KR ranged from 12.83 to 51.20%, with an average of 27.88%, which indicated that there was great potential for genetic improvement in SH and KR traits. There was a significant correlation between the size/weight of the stone and kernel. In particular, the correlation coefficient between the stone length (SL) and the kernel length (KL) was as high as 0.899, which indicated that the kernel size was closely related to the size of the stone. The positive correlation between the KR and kernel thickness (KT) trait (r= 0.395) or kernel weight (KW) trait (r= 0.377) was an extremely significant level, and the negative correlation between the KR and the SH trait (r= -0.551) or SBF trait (r= -0.346) or stone shell thickness (SST) (r= -0.570) was a very significant level. This result indicated that the KR could be increased by enlarging the KT or decreasing the SH. The principal component analysis showed that the 17 traits could be integrated into four main factors, and the accumulative contribution rate was more than 81% in two years, and the accumulative contribution rate was more than 81% in two years. The first principal component, accounted for 32.37%, was composed of the SL, stone width (SW), SDW, KL, KW, and KDW, and represented the size of stone or kernel. The second principal component, accounted for 26.43%, was composed of the stone thickness (ST), SL/SW, SL/ST, KT, KL/KT, and KL/KT traits, and represented the shape of stone or kernel. The third (14.87%) and fourth (7.86%) principal component represent the SH and SLC trait, respectively. The 195 accessions were grouped into 5 major clusters by cluster analysis at 15 genetic distances. Cluster I only included one accession of Siberian apricot (Lve), and Cluster II was comprised of one common apricot accessions (Luren) collected from Liaoning province. The most varieties of the A. cathayana apricot, which is thin, little juicy, astringent flesh but large-size sweet kernel within the stone, were clustered into the III cluster. The IV cluster was composed of 27 varieties, most of which had the traits of thin stone shell and high kernel ratio. The V cluster was further divided into 6 subgroups at the genetic distance was 10. In the Va subgroup, four accessions were included, which had an oval shape stone and the great hardness in stone. The Vb subgroup was composed of four accessions with the hard stone. The accessions in the Vc subgroup were consisted of 29 accessions with full kernels and high kernel ratio, such as Dashanxing, Kelala, Boxing, and Liaomei, and so on. The Vd subgroup were consisted of 12 accessions with oblate stone and long transverse diameter. the Ve subgroup were comprised of seven accessions, for example, Caotancaoxing, Zhanggongyuan, Mituoluo, and Hongyu, etc. These accessions have large stone, poorly developed kernels and low kernel yield. The remaining 90 accessions were constituted the Vf subgroup, accounting for 46.15% of the total accessions. The stone or kernel traits of these accessions were intermediate types. Except for group III, the other groups are different types of germplasm of common apricots and Siberian apricots. 【Conclusion】This study indicated that the quantitative traits of apricot stone or kernel had abundant genetic diversity, and the improvement of SL or KL trait was beneficial to the increase of kernel yield in the breeding of kernel-using apricot. The 6 excellent and 21 specific germplasms, especially the common apricot germplasm such as Tianren Huangkouwai, Dapiantou, Kuerdaisheke and Saimati, can be used as important breeding parents to increase the genetic diversity of apricot.


Keyword:

apricot; germplasm resources; fruit stone; seed kernel; quantitative traits; genetic diversity;


杏可以划分为肉用杏和仁用杏。仁用杏以收获杏核、加工杏仁为目的,大部分种植在干旱、寒冷、土壤贫瘠的“三北”(东北、华北和西北广阔的荒漠化边缘)地区[1],是我国北方生态脆弱地区重点发展的经济林树种之一。据中国园艺学会李杏分会统计,我国仁用杏种植面积约95.7万 hm²,主要包括山杏(Armeniaca sibirica L.)和大扁杏(Armeniaca cathayana D. L. Fu et al.)。但是,我国仁用杏生产存在良种化程度低、品种混杂和遗传基础狭窄等多种问题。究其主要原因,是种质资源评价与利用不足。


我国仁用杏种质资源类型非常丰富,根据植物学特征可将仁用杏划分为山杏、大扁杏和普通杏(Armeniaca vulgaris L.)3个类群[2],其中仁用普通杏数量很少。大多数山杏人工林以种子实生为主,导致种仁大小不均、产量低等问题,严重影响了农民的经济收入。虽然近年来已经筛选出一些新品种[3,4],但是这些品种多由野生山杏复壮纯化而成,仍存在种仁较小、经济效益低等问题。基于陕北黄土高原区域的山杏不同性状间的相关性分析,认为叶面积、叶柄长、单果重可以作为高产山杏选种的主要指标[5];在比较不同山杏无性系的经济性状差异之后,刘明国等[6]则认为单果重、单核重、单仁重等9个数量性状能够很好地区分66份山杏无性系。董胜君等[7]比较不同来源地山杏株系的数量性状差异,认为山杏果实、核与种仁的变异非常丰富,并将125份山杏种质划分为6个类群。王丹等[8]比较了不同杏种仁的粗脂肪和苦杏仁苷差异;张倩茹等[9]在检测不同杏种质的种仁脂肪酸组成之后筛选出4份含油率高的材料;尹明宇等[10]对内蒙古地区10个不同来源的山杏果核大小、种仁大小以及种仁的脂肪酸、蛋白质等含量进行了评价,筛选出5个不同特征的育种利用群。根据果核和种仁的性状变异,在70份新疆南部普通杏种质中筛选出2份可以改良仁用杏的优良亲本材料[11]。大扁杏是我国特有的杏种质资源类群[12],属于栽培程度较高、经济效益高的类型。然而,该类群主要栽培品种由一窝蜂和龙王帽地方品种实生选育而成[13,14,15],遗传多样性极差[16]。基于多种分子标记讨论以上3类仁用杏的起源之后,认为具有大果核普通杏可能对大扁杏优良特性的形成具有重要贡献[17]。


系统评价杏果核、种仁性状的遗传多样性,筛选特异种质,能够促进仁用杏遗传改良进程。长久以来,仁用杏评价工作一直局限于不同山杏类群的筛选或少量大扁杏性状评价,缺乏不同类群杏果核、种仁表型数量性状的整体评价。本文对国家果树种质资源熊岳李杏圃保存的195份杏种质资源进行了系统鉴定评价,筛选出特异或优良的杏种质材料,为仁用杏育种和遗传改良提供可靠依据。


1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验的195份杏品种均来自国家果树种质熊岳李杏圃,其中大扁杏22份(样品编号为1-22)、山杏9份(为23-31)、普通杏160份(为32-191)、辽杏(Armeniaca mandshurica (Maxim.) Skv.)2份(分别为192和193),紫杏(Armeniaca dasycarpa (Ehrh.) Borkh,编号为194)和梅(Armeniaca mume Sieb.,编号为195)各1份。所有品种树龄20年,均以山杏实生苗为砧木。果园株行距为5 m×5 m,栽培条件及管理水平较为一致。每品种随机选取2-4株树,并采集树冠外围果实进行调查。


1.2 性状调查

试验于2019年和2020年夏季果实成熟时期进行,从树冠外围随机选取100个有代表性的果实。样品采集与调查方法参见刘宁等[18]的《杏种质资源描述规范和数据标准》。从果实中取出果核,洗净、晾干,以备调查。本文共调查或测定7个果核、种仁性状,具体方法如下:


果核大小性状调查按照章秋平等[2]描述的方法进行,每个样品随机取30粒杏核,用游标卡尺测量果核纵径(SL)、核横径(SW)和核侧径(ST),并计算样品的核纵/横比(SL/SW)、核纵/侧比(SL/ST)。将杏核敲开后,用游标卡尺测量果核中部最薄处的厚度,即为壳厚度(SST)。利用TMS-PRO物性分析仪(美国Food Technology Corporation公司生产)中的TPA模块和2500 N探头(直径35 mm)测定果核破裂力(SBF)与硬度(SH),具体方法与参数设置与吕春晶等[19]文献中描述相同。


将所有果核样品粉碎,过60目的网筛。按Klason法[20]测定果核中酸不溶性木质素含量(SLC),每个品种重复测定3次。


利用游标卡尺测量杏仁的纵径(KL)、横径(KW)和侧径(KT),并计算仁纵/横径比(KL/KW)、仁纵/侧径比(KL/KT),每品种测量30个。利用电子天平称量核干重(SDW)与单仁重(KDW),均为100粒的平均值。计算100 粒果核的杏仁出仁率(KR)。


1.3 数据分析

利用Excel 2010软件对数据进行整理,计算各样品的平均值。然后,利用Origin 9.0软件对所有性状的数据进行基本描述统计、相关性分析、主因子分析以及聚类分析。


2 结果与分析

2.1 果核主要性状的描述性统计

对195份杏种质资源的果核/仁的主要性状进行描述性统计,如图1和表2所示。通过图1的箱式图可以看出,杏果核、种仁各性状的数据分布范围较大,这表明本文中的杏种质资源具有广泛的遗传变异。


从表2可以看出,17个性状变异系数介于9.61%~36.88%之间,呈现出较大的变异幅度。在连续2年的调查数据中,核破裂力性状的变异系数最大,为36.88%,变异幅度为84.87 N~495.56 N。其后依次为仁干重、核干重、核硬度、出仁率和核壳厚度等性状。通过Shapiro-Wilk检验,除核破裂力和木质素含量外,其余性状数据均符合正态分布。杏果核硬度的分布范围为305.31~1573.37 N,平均值为902.32 N;出仁率的分布范围为12.83%~51.20%,平均值为27.88%,这表明在破核取仁和提高种仁产量等方面具有较大的遗传改良潜力。核侧径的变异系数最小,2年平均变异系数仅为10.8%,变异幅度为1.32~9.89 mm。而其余果核大小性状和种仁大小的性状指标为中等变异。一般认为,变异系数大于10%表示样本间差异较大[21,22]。在本研究中表型性状数据的变异系数均大于10%,表明这195份杏种质资源间存在很大的差异,具有丰富的遗传多样性。


2.2 性状间相关性分析

对2019年和2020年间不同性状的调查数据进行配对相关性分析,发现17个性状在不同年份间存在着极显著的相关性,这表明195份杏品种在连续2年的性状调查中表现稳定。故,仅以2019年数据分析进行论述。通过不同性状间的相关性分析,由图2可以看出,195份果核、种仁的17个性状间存在不同程度的相关性。总体看来,果核大小、重量与种仁大小、重量之间存在极显著的相关性,特别是果核纵径与仁纵径的相关系数高达0.899,这表明种仁大小与果核大小存在着密切联系。果核破裂力与壳厚度、核横径、核侧径以及纵/横径比、纵/侧比等性状呈极显著的正相关,这说明果核破裂力可能与果核形状存在一定的联系。果核硬度与核侧径、壳厚度、木质素含量之间呈极显著的正相关。出仁率与单仁重、仁侧径呈极显著的正相关,而与壳厚度、核破裂力、硬度等其余大部分性状呈负相关,这表明种仁侧径增加能够提高杏核出仁率。


对17个表型性状进行R型聚类分析,采用欧氏距离和Ward法聚类分析,由聚类结果(图3)可知,在欧氏距离为15处,可以将表型性状划分为4类。第I类群包含核纵径、仁纵径、核纵/横径、核纵/侧径、仁纵/横径和仁纵/侧径,均为决定果核、种仁形状的性状。第II类群包含核横径、核侧径、核干重、壳厚度、核破裂力、核硬度、仁横径和单仁重等性状。第III类群仅包含木质素含量一个性状。第IV类群包含出仁率和仁侧径2个性状。R型聚类也在一定程度上反映出17个性状间的相关性。


2.3 主成分分析

由于17个性状间相关关系比较复杂,故基于连续2年的表型性状数据进行主成分分析,提取主因子成分进行深入分析。如表3所示,2年数据前4个主成分的积累贡献率分别为81.53%和81.25%,包含了杏种质资源果核/仁描述的绝大部分信息。在2019年调查数据中,第1主成分特征值为5.503,贡献率为32.37%,果核和种仁的纵横侧等8个性状的特征值(绝对值)较大,可以看出这些性状主要描述核/仁大小、重量的性状。第2个主成分特征值为4.493,贡献率为26.43%,有6个性状的特征值绝对值较大,包括核侧径、核/仁的三径比值以及核破裂力,这表明在质构仪正面加压时果核的破裂与果核形状有直接关系。第3个主成分的特征值为2.528,贡献率为14.87%,由核硬度、仁侧径和出仁率3个性状组成。第4个主成分的特征值为1.336,贡献率为7.86%,果核木质素含量有较高的荷载量。2020年数据与2019年数据具有类似规律。


2.4 聚类分析与综合评价

根据38个形态性状数据和欧氏距离对195份杏种质资源进行聚类分析,由图4可以看出,当遗传距离为15时,可以分为6个类群。


第I和第II类群均为1份材料组成,分别是山杏绿萼和普通杏露仁杏。绿萼,具有果核三径小、近球形,壳薄、种仁饱满且出仁率高等特点。露仁杏,属于杏种质资源中的珍稀材料,其果核发育不完全,成熟时部分种仁与果肉直接连在一起[23]。第III类群由18份大扁杏和2份果核纵径较长的品种(库尔代什克和甜仁黄口外)组成,具有核/仁外观大等特点。第IV类群由27份普通鲜食杏材料组成,该组大部分种质具有核壳薄、出仁率高等特点。其余146份材料组成了第V类群,占总体材料74.87%的比例。


在遗传距离为10时,第V类群进一步被划分为6个亚群。在Va亚群中,包含4份种质,其果核椭圆形且硬度较大。第Vb亚群由果核圆形且硬度较大的4份种质组成。第Vc亚群由种仁饱满出仁率较高的29份种质组成,如辽梅、大山杏、伯杏、克拉拉等。第Vd亚群由12份果核横径较长的扁圆形种质组成,包括草坯杏、仙居杏、银香白等品种。第Ve亚群由草滩曹杏、张公园、蜜陀罗、红玉等7份种质组成,这些种质果核较大、种质发展较差,出仁率低。第Vf亚群,由90份种质材料组成,占整体材料46.15%的比例,这些材料的果核、种仁性状均属于中间类型。除第III类群以大扁杏为主以外,其余组群均由鲜食普通杏和山杏的不同类型组成。


通过主因子综合得分进行种质筛选是客观评价优异种质的一个重要方法[22]。根据表3中不同性状在各主成分中占比权重以及贡献率,计算不同品种的各主成分得分和综合因子得分。在195份杏种质资源果核/仁性状的综合得分中,综合排名前10名的种质材料分别为甜仁黄口外、丰仁、超仁、库尔代什克、一窝蜂、围选1号、优一、馍馍杏、国仁和大偏头。再结合不同聚类群中的性状特异性,分别筛选出6份性状优异的大扁杏品种(如表4)与19份性状特异的大扁杏、普通杏或山杏种质资源(如表5),尤其是甜仁黄口外、库尔代什克、克孜克西米西、赛买提等普通杏种质可以进一步筛选作为仁用杏育种的重要亲本材料。


3 讨论

我国山杏、普通杏种质资源非常丰富,存在许多变异类型[6,24],但是由于在果核、种仁性状方面的评价不足,在仁用杏育种中很少能够利用这些种质资源。在本文研究中,杏果核大小、种仁大小和出仁率等性状的遗传变异系数均高于10%,与以前的山杏[6,7,10]和普通杏[11,24]的多样性报道类似,这表明本研究所选材料存在着丰富的遗传变异。从核/仁形态上来看,大扁杏的优点是果核大、平均单仁重均显著高于其它品种群,在大扁杏类群中‘80D05’杏的单仁重最高,达1.19 g。通过特异种质资源筛选,能够丰富仁用杏育种的亲本选择范围、以扩大遗传基础。本文也从普通杏类群中筛选出甜仁黄口外和馍馍杏2份单仁重超过1.0 g的特异种质资源。


通过相关性分析,发现本文中的出仁率与核仁侧径呈极显著的正相关,这表明杏核越鼓其出仁率越高。因此,在仁用杏育种时增加种仁侧径可能是提高杏仁产量一个重要措施。本文也发现平均单仁重与果核大小存在极显著的正相关,与果核厚度呈负相关,这表明在驯化选择大种仁大果核的过程中也连带增加了杏果核的厚度。大扁杏果核厚度增加,不仅降低了出仁率也加大了种仁加工过程的开核难度,因此,对于仁用杏的加工性状改良也需要新的种质引入到大扁杏的杂交育种中。在本文所选杏品种中,露仁杏果核极薄、发育不完整并且种仁饱满[23]是仁用杏育种的良好亲本材料。同时,在普通杏和山杏类群中也筛选出了克孜克西米西、绿萼、‘B110-2’和‘C202-2’等果核薄、出仁率高的特异种质资源。但是,这些种质的缺点是单仁重较小,这可能需要通过多代杂交才能筛选出符合理想性状的株系。


木质化的杏核增加了种仁加工成本,因此易开核性状(壳硬度低)是仁用杏选育的一个重要育种目标。吕春晶等[19]认为杏的果核硬度与厚度存在极显著的相关性,这与本文结果相吻合。在本文中,除了调查果核厚度外,还检测了不同类群杏果核的硬度和开裂破裂力变化。杏核硬度的分布范围为305.31~1573.37 N,平均值为902.32 N;杏核的开裂破裂力范围为84.87~495.56 N,平均值为196.75 N,变异多样性极为丰富。通过综合评价,认为克孜阿恰、克孜克西米西、赛买提、Hacihaliloglu、白仁等普通杏以及垂枝杏、大山杏、辽梅、绿萼、‘C202-2’、‘B110-2’等山杏的果核硬度小、易开核,这些种质材料可以用于易开核品种的选育。


主成分分析、聚类分析和综合因子得分等降维统计方法已被广泛应用于种质资源多样性评价和优良种质筛选等研究中[22]。本文通过多种统计方法筛选,认为丰仁、超仁、围选1号、一窝蜂、优一、国仁等6个大扁杏品种是目前仁用杏栽培中综合性状表现优良的品种。另外,甜仁黄口外、库尔代什克、大偏头、馍馍杏等综合得分较高的鲜食普通杏可以作为仁用杏育种的亲本材料,而克孜克西米西、赛买提、绿萼、垂枝以及‘C202-2’等种质资源是仁用杏出仁率和加工破壳性状改良的潜在亲本材料。


4 结论

杏果核与种仁数量性状具有丰富的遗传变异,是仁用杏新品种改良的重要基础;增加种仁侧径长度可能是提高出仁率的重要方式。从195份杏种质资源中共筛选出6份优异种质和21份特异种质材料,这些种质在仁用杏遗传改良过程中具有较大潜力。


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