假木豆属种质资源植物学性状遗传多样性分析
时间：2023-06-27 19:30:03 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
袁秉琛，王燕茹，孙郁婷，李承臻，虞道耿
1.海南大学热带作物学院，海南海口 570228；
2.海南大学林学院，海南海口 570228；
3.中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所，海南海口 571101
假木豆属（DendrolobiumDesv.）是一种多年生灌木或者小乔木，全属共14种，分布于亚洲热带地区，我国共有4种，产地分布于广东、海南、广西、贵州、云南、台湾等省（区）[1]。研究表明假木豆的植物营养干物质为39.18%，粗蛋白含量为17.22%~26.79%[2]，纤维含量适中，有较高的营养价值，是一种非常具有潜力的饲用资源[3]。除了作优良饲料以外，假木豆中可以提取生物碱[4]、偶氮化合物[5]、黄酮等[6]，具有良好细胞损伤保护性、消炎、灭菌等药用价值[7]。此外假木豆有着丰富的根瘤菌资源还可以用作退化生态系统修复等作用[8]。
植物遗传多样性分析在遗传资源保护、生物资源开发与可持续利用、探究物种进化史和未来演化等方面有着重要意义[9]。遗传多样性主要通过遗传标记来反映，而形态学标记是遗传标记广泛使用的主要标记方法之一[10]，其通过直接观测植物的性状来进行分类鉴定，有着方便快捷、经济实惠等优点[11]。目前仅有山蚂蝗亚族之间的遗传多样性研究[12]，假木豆属的形态学遗传多样性的分析研究比较匮乏，缺少大范围的种质形态学遗传多样性研究。为了探究假木豆属的种质资源分类，本研究对76份假木豆属种质资源的35个表型性状进行观测，分析假木豆属的遗传多样性特点，为今后的假木豆选育工作提供基础材料。
1.1 材料
供试的76份假木豆属种质（包括假木豆和单节荚假木豆）来源于中国热带农业科学院热带作物品种资源研究所热带牧草中心，供试材料基本信息详见表1。
表1 试验材料基本信息Tab.1 Basic information of test materials
续表1 试验材料基本信息Tab.1 Basic information of test materials (continued)
1.2 方法
1.2.1 试验地基本情况 在中国热带农业科学院品种资源研究所试验基地（109°57′E, 19°53′N，海拔121.87 m）进行，试验地为热带季风气候，阳光与降水充沛[13]。土壤为砖红土，pH为4.6左右，肥力较低。
1.2.2 表型性状调查与指标 2020年3月15日进行播种育苗，5月11日将苗移栽至大田，试验地采用随机区组设计，每份假木豆材料种植2行，12株，株距为0.5 m，行距1 m，植株生长成熟后随机抽取5株进行观测，植物学性状的观测主要根据《热带牧草种质资源质量控制规范》[14]测量并对质量性状进行赋值，共35个植物学性状指标（表2），其中，中央小叶长、中央小叶宽、荚果长、荚果宽为数量指标，其余为质量指标。
表2 假木豆属种质植物学性状及其赋值Tab.2 Batanical characters and their assignment of Desmodium Desv.
1.3 数据处理
1.3.1 相关指标计算 将假木豆各指标观测的原始数据输入 Excel软件进行汇总，通过统计分析得到各表型性状的分布频率、最小值、最大值、极差、平均值、标准差及变异系数。遗传多样性指数由公式H′=∑Pi×lnPi计算，其中Pi是指性状的第i级所含材料份数占总材料份数的百分比，ln为自然对数。使用统计软件SPSS 26.0对数据进行Pearson相关性分析[15]。
1.3.2 聚类分析 将76份假木豆的35个植物学性状指标数据标准化后采用SPSS 26.0统计分析软件进行系统聚类分析，通过各指标间欧式距离进行聚类，分析各物种间的相关性。
2.1 假木豆种质植物学性状的变异与规律
由表3可知，观测的35个假木豆属资源质量性状指标中，茎的颜色，荚果颜色遗传多样性指数均大于 1，其中茎的颜色遗传多样性指数是所有性状中最高的，为1.71；
而生活型、叶的类型、中央小叶脉序、叶缘、叶腹面毛被类型、托叶、托叶形状、托叶质地、花序类型、花序着生部位、花萼形状、荚果毛况类型、裂荚性共13个性状的遗传多样性指数均为0。
表3 假木豆属种质资源质量性状频率Tab.3 Frequency distribution of quality traits of Dendrolobium Desv.
在假木豆茎的颜色性状分布频率中，最高是红褐色分布频率为39%，最小是绿色、褐色、深褐色3种颜色分布频率均为3%；
荚果的性状分布频率中，最高是红褐色和深褐色，分布频率均为33%，最低是棕色，分布频率为5%。
2.2 假木豆属种质资源植物学性状变异性分析
对76份假木豆属材料的35个植物学性状调查表明（表4），供试材料的植物学性状变异系数最大的是叶柄毛况（68.93%），其次是叶背面毛况（46.92%）和茎的颜色（39.77%）；
生活型、茎毛类型、叶的类型、中央小叶脉序、叶缘、叶腹面毛被类型、托叶、托叶类型、托叶质地、花序类型、花序着生部位、雄蕊类型、雌蕊类型、荚果毛况类型、裂荚性等植物学性状无变异情况，说明假木豆这部分性状保持稳定，而其余部分性状遗传多样性较为丰富。在所测指标中，茎的相关指标有5个，变异系数的平均值为26.97%；
叶相关的指标有17个，变异系数的平均值为 16.67%；
花的相关指标有5个，变异系数平均值为8.09%；
荚果的相关指标有 7个变异系数平均值为 18.62%。通过 LSD多重比较茎、叶、花、荚果的变异系数平均值（表5），结果显示茎、叶与花的之间存在显著差异，说明假木豆遗传多样性来源分布并不均匀。在所观测指标中叶的背面毛况、茎的颜色、叶柄毛况、叶尖、茎的毛况这5个性状变异系数较大，说明这些指标在假木豆的遗传多样性中起着关键作用。
表4 试验材料各性状变异情况Tab.4 Variation of various characters of test materials
表5 假木豆属茎、叶、花、荚果的LSD多重比较Tab.5 LSD multiple comparison of stems, leaves, flowers and pods of Desmodium Desv.
2.3 假木豆属种质资源植物学性状的相关性分析
对假木豆标准差不为 0的植物学性状进行相关性分析（表6），结果显示有多组性状之间存在显著相关，表明假木豆各性状之间存在关联性。茎的形状与旗瓣形状、旗瓣颜色、荚果形状、荚果毛况、叶长度、叶宽度存在相关性，相关系数分别为-0.276、0.307、-0.258、-0.276、-0.459、-0.491，说明假木豆属茎与叶、花、荚果等部分存在关联，可以通过茎的形状预测假木豆叶、花、荚果相关的指标。中央小叶叶形与叶背面毛况、叶长度、叶宽度、旗瓣形状、旗瓣颜色、荚果形状、荚果长、荚果宽呈极显著相关，相关系数分别为 0.522、0.375、0.507、0.635、-0.586、0.634、0.360、-0.585，与叶柄毛况呈显著相关，相关系数为0.251，说明同一植物叶的各项指标相关性较高，并且可以根据叶的形态预测假木豆旗瓣和荚果相关指标。叶背面毛况与叶柄毛况、荚果毛况呈极显著相关，相关系数分别为 0.462、0.589，说明同一植物不同组织结构毛被状况有着较高的相似度。旗瓣颜色与旗瓣形状、荚果形状呈极显著相关，相关系数分别为-0.894、-0.945，说明假木豆属资源不同种之间旗瓣与荚果存在明显差异。叶长度与叶宽度呈极显著相关，相关系数为0.887，说明叶宽随着叶长增大。荚果长度与荚果宽度呈极显著相关，相关系数为-0.542，说明假木豆荚果宽度随着荚果长度的增大而缩小。
2.4 假木豆属种质植物学性状的系统聚类分析
对假木豆20个标准差不为0的性状指标标准化后进行系统聚类分析，得到其聚类图（图1）。
图1 假木豆属植物学性状聚类分析Fig.1 Cluster analysis of Desmodium Desv.based on morphological data
由聚类结果的欧式距离进行遗传距离判断，并分析这些假木豆种质资源的亲缘关系。结果表明，供试材料的遗传距离范围为 0.666~11.378，说明 76份假木豆材料种质资源具有较为丰富的遗传多样性。在遗传距离方面，假木豆49和单节假木豆71之间的欧式距离为11.378，是所有假木豆材料中最大的，说明二者亲缘关系比较远；
假木豆61和假木豆62之间的欧式距离为0.666，是所有假木豆材料中最小的，说明二者亲缘关系比较近。
根据聚类图，当欧氏距离为 14时，可以将76份假木豆材料聚成 5大类，第一大类共有 60份假木豆材料，分别为61、62、32、35、73、14、17、75、76、45、69、74、68、70、65、66、57、60、58、59、52、53、5、31、67、7、36、12、30、38、18、19、13、6、24、26、34、29、20、22、15、16、9、21、25、11、4、23、3、10、47、8、51、46、54、63、33、48、1、2；
第二大类共有5份假木豆材料，分别为49、55、50、37、56；
第三大类共1份假木豆材料（56）；
第四大类共有10份单节假木豆材料，分别为71、72、43、44、39、28、42、41、40、27；
为第五大类共有 1份假木豆材料（64）。根据以上的聚类结果，可以完全将假木豆和单节假木豆区分开，单节假木豆聚在一起，说明这些材料关系比较近，而假木豆材料有4个分类，说明假木豆的种内变异波动较大。
当前国内牧草产业发展潜力巨大，而南方热区主要豆科牧草品种单一，不利于畜牧业健康发展，迫切需要培育牧草新品种，假木豆是优质豆科牧草材料之一，进行遗传多样性分析，有助于新品种的选育[16-18]。植物学性状是物种的本身遗传物质的外在表现，在牧草的遗传多样性分析方面有着广泛应用。通过多种植物学性状评价牧草的品质是一种有效可行的方式[19]。研究表明，木本植物有着较高的蛋白质含量和多种微量元素，但本身又具有茎叶被毛、有尖叶及质地硬等多种抗营养因子，导致家畜的采食量降低[2,20]。有研究表明，牧草生长时间会影响牧草的品质，同时牧草产量和植株高度、茎叶的相关指标密切相关[21]；
因此，在选择育种材料时应选择株高较高、叶形大作为目标材料，让候选材料具有高产特征；
同时也要注意叶尖无或小、质地较软、茎叶毛况较少或者无的材料，使材料具有适口性好的特征。
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本研究的76份假木豆植物学性状中，植物学特性变异系数最大的是叶柄毛况（68.93%），其次是叶背面毛况（46.92%）和茎的颜色（39.77%），说明这几个性状在假木豆遗传过程中变异情况较大，是区分材料的重要指标。而变异系数小于20%的有叶基（13.49%）、旗瓣形状（10.04%）、叶色（5.4%）、叶背面毛类型（2.81%）共4种性状，其他植物学性状中叶柄毛况的变异系数最高，为68.96%，与刘苗苗等[22]关于山蚂蝗属的分析结果相似，说明山蚂蝗亚族之间变异性具有一些相似性。假木豆的植物学性状之间有多个存在相关性，叶长与叶宽之间呈极显著正相关，相关系数为0.887，长宽比约 2.0，叶形比较接近椭圆形。茎的形状与叶长度、叶宽度存在相关性，相关系数为-0.459、-0.491，这表明如果假木豆产量以叶面积为主，应尽量选择圆柱形的茎。中央小叶叶形与荚果长度呈极显著相关，相关系数为0.360，所以选育时选择倒卵圆形的叶，可以提高种子产量。叶背面毛况与叶柄毛况、荚果毛况呈极显著相关，相关系数分布为 0.462、0.589，说明同一植株毛被状况具有较高的关联性，可进行筛选整株毛被较少的资源。通过聚类分析与系统评价为筛选合适的假木豆种质资源奠定基础，结果显示第一类中 070314022假木豆、GX121121004假木豆、050218087假木豆、050307492假木豆具有叶形大、叶尖小、茎叶毛况少或无等共同特点，是假木豆育种工作下一步的重点关注对象。
近年来，分子标记技术在遗传多样性研究中广泛应用，有着显著的技术优势[23-26]，但是受到种群和基因型数量的限制，在当前无法取代测量简单的植物学性状分析。本研究或可为接下来的分子标记工作提供基础，缩小材料选择范围，为育种工作提供一定的参考。
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