韓志剛，謝 銳，金曉蕾，郭斌煜，郭景山

（1.內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031；2.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019；3.河北農(nóng)業(yè)大學，河北 保定 071001）

馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）是全球繼水稻、玉米、小麥后的第四大糧食作物，也是最重要的塊莖類作物之一[1]。因營養(yǎng)較全面且適應(yīng)性強，馬鈴薯在全球約162 個國家和地區(qū)種植。馬鈴薯具有豐富的遺傳和形態(tài)多樣性。由于氣候、害蟲、病原體以及消費者需求在變化，作物遺傳多樣性的保存和利用對提高單產(chǎn)、可持續(xù)性和營養(yǎng)品質(zhì)而言是必不可少的[2]。因此，對馬鈴薯種質(zhì)遺傳多樣性進行鑒定、評價是實現(xiàn)以高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效為目標的品種創(chuàng)新的前提。

馬鈴薯種質(zhì)資源遺傳多樣性評價主要可以分為形態(tài)學指標評價和分子水平評價[3]。在形態(tài)學指標評價方面，胡海波等[4]對引進的39 份馬鈴薯種質(zhì)資源進行分析鑒定，通過不同選擇方向篩選出早熟種質(zhì)15 份、抗病種質(zhì)4 份、高產(chǎn)種質(zhì)5 份、黃色薯肉種質(zhì)5 份；李芳弟等[5]通過對60 份馬鈴薯種質(zhì)資源的熟期、商品薯率、產(chǎn)量和抗病性進行田間鑒定與評價，篩選出11 份抗病性強和5 份高產(chǎn)的資源；羅文彬等[6]對24 份冬作區(qū)馬鈴薯種質(zhì)資源的營養(yǎng)品質(zhì)和耐凍性進行評價分析，為選育高品質(zhì)和耐凍的馬鈴薯品種（系）提供了親本資源。在分子水平評價方面，國內(nèi)學者利用分子標記技術(shù)對馬鈴薯種質(zhì)資源開展了大量研究[7-10]，包括對種質(zhì)的分類、評價、鑒定以及指紋圖譜的構(gòu)建方面的工作，為馬鈴薯育種親本選配提供了理論依據(jù)。

利用多種方法對作物表型特征進行分析，如Shannon-Wiener 指數(shù)分析、主成分分析、相關(guān)性分析、聚類分析等，既可以實現(xiàn)信息的互補，又能提高表型選擇的可靠性和真實性[11]。何虎翼等[12]對63 份馬鈴薯種質(zhì)資源進行相關(guān)性分析、主成分分析、聚類分析，發(fā)現(xiàn)生育期、出苗率、主莖數(shù)、株高、單株塊莖數(shù)和單株塊莖重6 個指標可作為南方冬作區(qū)馬鈴薯篩選評價的優(yōu)先指標。余斌等[13]對119 份引進馬鈴薯種質(zhì)資源表型性狀進行遺傳多樣性分析、相關(guān)性分析和主成分分析，結(jié)果表明，生育期的遺傳多樣性最為豐富，且單株產(chǎn)量、商品薯率、干物質(zhì)含量等經(jīng)濟性狀可作為評價馬鈴薯種質(zhì)資源的主要指標。

內(nèi)蒙古陰山北麓地區(qū)是我國馬鈴薯北方一作區(qū)重要的種薯和商品薯基地，馬鈴薯種植面積大且對市場上出現(xiàn)的新品種響應(yīng)快，生產(chǎn)上應(yīng)用的品種較多。本研究利用Shannon-Wiener 指數(shù)、主成分分析、相關(guān)性分析與聚類分析相結(jié)合的方法，對30 份馬鈴薯種質(zhì)資源的遺傳多樣性進行鑒定、評價，解析其親緣關(guān)系，以期挖掘優(yōu)異種質(zhì)資源，為內(nèi)蒙古中西部地區(qū)馬鈴薯品種創(chuàng)新提供科學依據(jù)和物質(zhì)基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 供試材料

本試驗所用材料由國家馬鈴薯產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系呼和浩特綜合試驗站提供，具體信息見表1。

表1 馬鈴薯種質(zhì)資源信息

1.2 試驗設(shè)計

試驗設(shè)置在陰山北麓呼和浩特市武川縣，該縣平均海拔1 682 m，年降水量355 mm，年平均溫度3 ℃，無霜期110 d 左右。試驗于2020年5—10月實施，具體實施地點為德勝溝鄉(xiāng)東坡村（40°96′N，111°15′E），土壤類型為栗鈣土，肥力均勻，前茬作物為燕麥。試驗地0～20 cm 土層土壤理化性質(zhì)見表2。

表2 試驗地土壤理化性質(zhì)

試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，3 次重復，小區(qū)為5 行區(qū)，行距0.9 m，行長2.0 m，株距0.25 m，每行種植8 株，試驗區(qū)四周設(shè)置2 行保護行。播種機開溝，人工點播，機器覆土、起壟，灌溉方式為滴灌，常規(guī)大田管理。

1.3 測試指標及方法

1.3.1 性狀調(diào)查 本試驗田間性狀的采集以《馬鈴薯種質(zhì)資源描述規(guī)范》和《馬鈴薯種質(zhì)資源數(shù)據(jù)質(zhì)量控制規(guī)范》為依據(jù)，于馬鈴薯生育期間及收獲后，對參試30 個品種的11 個質(zhì)量性狀（表3）和11 個數(shù)量性狀（株高、莖粗、主莖數(shù)、單株塊莖數(shù)、商品薯率、產(chǎn)量、干物質(zhì)含量、粗淀粉含量、還原糖含量、VC含量、粗蛋白含量）進行調(diào)查、測定。收獲后對馬鈴薯塊莖進行干物質(zhì)、粗淀粉、粗蛋白、VC、還原糖含量的測定，分別按食品安全標準GB 5009.3—2016、NY/T 11—1985、GB 5009.5—2016、GB 5009.86—2016、GB 5009.7—2016 進行。

表3 馬鈴薯質(zhì)量性狀賦值

1.3.2 數(shù)據(jù)分析 采用Excel 2010 和SPSS 22.0 軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。對質(zhì)量性狀進行數(shù)字化處理，計算各質(zhì)量性狀的頻數(shù)及遺傳多樣性指數(shù)；計算各數(shù)量性狀的平均值、最大值、最小值、極差、標準差、變異系數(shù)；計算遺傳多樣性指數(shù)時將各性狀進行10 級分類，第1 級為小于X-2δ，中間每級間隔0.5δ，第10 級為大于X+2δ，X 為每個數(shù)量性狀的平均值，δ 為標準差。以Shannon-Wiener 指數(shù)標示遺傳多樣性指數(shù)，計算公式為：H=-∑PilnPi，Pi為某一個表型性狀指標第i 個級別出現(xiàn)的概率情況。采用Ward 系統(tǒng)聚類法對馬鈴薯種質(zhì)資源進行聚類分析，種質(zhì)資源間遺傳距離為歐式距離，同時，對數(shù)量性狀進行主成分分析及相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同馬鈴薯品種（系）質(zhì)量性狀遺傳多樣性分析

由圖1 可知，30 份馬鈴薯株型以直立為主，占56.7%；其次為半直立，占40.0%；開展株型僅占3.3%。莖顏色以綠色為主，占76.7%。葉片顏色以淺綠色和綠色為主，占76.7%?；ǚ泵砸陨倩ê头泵癁橹?，分別占43.3%、50.0%。花色以白色為主，占67.9%；紫花占17.9%。薯形以橢圓形和圓形為主，分別占36.7%、26.7%；扁圓形占20.0%；長橢圓形占13.3%。皮色以黃色和淡黃色為主，占93.4%。肉色以淡黃色、黃色、白色為主，分別占40.0%、30.0%、20.0%。芽眼淺的占60.0%；中間型占33.0%；芽眼深的品種有2 個，占6.7%。表皮光滑度以光滑為主，占73.3%。塊莖大小整齊的品種有18 個，占60.0%；中等整齊的占40.0%。

圖1 質(zhì)量性狀頻率

由圖2 可知，30 份馬鈴薯的11 個質(zhì)量性狀遺傳多樣性指數(shù)（H 值）為0.673～1.424。質(zhì)量性狀H 值大于1 的主要有葉片顏色、肉色、薯形，分別為1.039、1.390、1.424；H 值大于0.800 的有皮色、花繁茂性、芽眼深淺、花色、株型，分別為0.938、0.889、0.853、0.849、0.802；表皮光滑度、莖顏色、塊莖大小整齊度H 值分別為0.730、0.703、0.673。

圖2 11 個質(zhì)量性狀遺傳多樣性指數(shù)

2.2 不同馬鈴薯品種（系）數(shù)量性狀遺傳多樣性分析

由表4 可知，30 份馬鈴薯數(shù)量性狀各指標間均存在不同程度的差異。平均值在0.4～33 615.0、最大值在0.7～57 330.0、最小值在0.1～13 200.0、變幅在0.5～44 130.0、標準差在0.1～10 875.1；變異系數(shù)為8.58%～38.85%，還原糖的變異系數(shù)最大、干物質(zhì)含量變異系數(shù)最小；遺傳多樣性指數(shù)為1.705～1.997，商品薯率的遺傳多樣性指數(shù)最大、主莖數(shù)遺傳多樣性指數(shù)最小，其他性狀的遺傳多樣性指數(shù)介于兩者之間。上述結(jié)果表明，供試種質(zhì)資源遺傳多樣性較為豐富。在參試品種中數(shù)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)整體高于質(zhì)量性狀，這與數(shù)量性狀變異呈連續(xù)性的特點是一致的。

表4 馬鈴薯品種（系）數(shù)量性狀遺傳多樣性分析

2.3 數(shù)量性狀主成分分析

主成分分析可將大量指標轉(zhuǎn)化為少量有效指標，基于主成分分析特征值大于1 的原則，得到4 個主成分（表5），貢獻率分別為27.259%、23.558%、13.172%、12.000%，累計貢獻率達75.989%，能較好地反映9 個數(shù)量性狀的主要信息，因粗淀粉、還原糖、VC、粗蛋白含量為干物質(zhì)含量的組成部分，在主成分分析時不再將干物質(zhì)含量作為原始變量。

表5 馬鈴薯品種（系）數(shù)量性狀主成分分析

第一主成分載荷較高的因子是株高、莖粗、產(chǎn)量，特征值分別為0.798、0.732、0.676，主要體現(xiàn)植株的繁茂性與產(chǎn)量的關(guān)系。通常情況下，植株健壯的馬鈴薯品種，塊莖的產(chǎn)量增加。第二主成分載荷較高的因子是VC 含量、主莖數(shù)、商品薯率，特征值分別為0.713、-0.710、0.688。第三主成分載荷較高的因子是還原糖含量，特征值為0.844。第四主成分載荷較高的因子是粗淀粉含量，特征值為-0.511，該主成分主要反映了塊莖粗淀粉含量的主要信息。

為進一步分析各資源的綜合得分情況，利用提取的4 個主成分計算出綜合主成分F 值，即可對各品種進行綜合評價比較，結(jié)果見表6。排名前10 位的品種分別為晉1021-5、晉0905-14、晉薯16 號、同薯29 號、D518、京張2、東農(nóng)310、冀張薯8 號、中薯25、D860。

表6 綜合主成分得分情況

2.4 數(shù)量性狀相關(guān)性分析

對30 個馬鈴薯種質(zhì)資源的11 個數(shù)量性狀進行相關(guān)性分析，結(jié)果見表7。株高、莖粗、主莖數(shù)、商品薯率與產(chǎn)量呈正相關(guān)，其中株高、商品薯率與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），說明植株高大的品種（系）易獲高產(chǎn)；商品薯率與單株塊莖數(shù)呈顯著負相關(guān)（P＜0.05）；干物質(zhì)含量與粗淀粉含量呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）；VC 含量與莖粗、主莖數(shù)、干物質(zhì)含量、粗淀粉含量呈負相關(guān)關(guān)系，與單株塊莖數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（P＜0.01）。從本研究的30 份馬鈴薯種質(zhì)資源看，株高更高、莖粗更粗的品種（系）有獲得較高塊莖產(chǎn)量的趨勢；單株塊莖數(shù)較多的品種（系）商品薯率傾向于較低。

表7 數(shù)量性狀相關(guān)性分析

2.5 聚類分析

采用Ward 系統(tǒng)聚類法，以11 個數(shù)量性狀為依據(jù)對30 份馬鈴薯種質(zhì)資源進行聚類分析，當歐氏距離為5.0 時，可將30 份資源劃分為3 大類群（圖3），其性狀特征見表8。第Ⅰ類群包含8 份馬鈴薯材料，分別為克新1 號、2013-53-2、BF0747.41、BF0743.13、D943、隴薯11 號、L1039-6、紅美，占供試材料的26.7%。該類群平均株高64.68 cm、莖粗1.22 cm、主莖數(shù)1.9 個、單株塊莖數(shù)4.9 個、商品薯率70.3%、平均產(chǎn)量19 327.5 kg/hm2、干物質(zhì)含量20.31%、粗淀粉含量14.58%、還原糖含量0.41%、VC 含量22.22 mg/100 g、粗蛋白含量1.58%，株高、莖粗、主莖數(shù)較小，產(chǎn)量在3 個類群中最低，但粗蛋白含量、VC 含量較高，可用于特殊用途馬鈴薯改良的親本材料。第Ⅱ類群包含9 份馬鈴薯材料，分別為興佳2 號、京張2、冀張薯8 號、中薯早35、1105-8、同薯29 號、中薯25、隴薯3 號、冀張薯12 號，占供試材料的30.0%。該類群平均株高74.63 cm、莖粗1.31 cm、主莖數(shù)2.2 個、單株塊莖數(shù)4.7 個、商品薯率80.4%、平均產(chǎn)量45 838.5 kg/hm2、干物質(zhì)含量20.12%、粗淀粉含量14.78%、還原糖含量0.28%、VC 含量19.95 mg/100 g、粗蛋白含量1.40%。株高、莖粗、主莖數(shù)適中，產(chǎn)量、商品薯率在3 個類群里最高，且還原糖較低，可用于高產(chǎn)組合的親本。第Ⅲ類群包含13 份馬鈴薯材料，分別為冀張薯14 號、BF1020.1、晉薯16 號、晉0905-14、晉1021-5、Shepody、D518、中心801、康尼貝克、隴薯9 號、大同里外黃、D860、東農(nóng)310，占供試材料的43.3%。該類群平均株高82.85 cm、莖粗1.37 cm、主莖數(shù)2.5 個、單株塊莖數(shù)5.1 個、商品薯率77.9%、平均產(chǎn)量33 945.0 kg/hm2、干物質(zhì)含量21.12%、粗淀粉含量15.39%、還原糖含量0.38%、VC 含量18.73 mg/100 g、粗蛋白含量1.49%。株高、莖粗、主莖數(shù)、單株塊莖數(shù)、干物質(zhì)含量、粗淀粉含量在3 個類群中最高，且產(chǎn)量適中。

表8 各種質(zhì)類群數(shù)量性狀特征

圖3 30 份馬鈴薯種質(zhì)資源聚類圖

3 討論與結(jié)論

種質(zhì)資源是作物遺傳改良的物質(zhì)基礎(chǔ)，明確現(xiàn)有種質(zhì)的遺傳多樣性對提高資源利用率、品種創(chuàng)新具有重要意義[14]。本試驗通過對國內(nèi)外30 份馬鈴薯種質(zhì)資源基于表型性狀進行遺傳多樣性的分析，結(jié)果表明，該群體表型多樣性豐富，尤其是薯形、肉色、葉片顏色及皮色，遺傳多樣性指數(shù)分別達到了1.424、1.390、1.039、0.938；產(chǎn)量、商品薯率、單株塊莖數(shù)、粗淀粉含量等的遺傳多樣性指數(shù)也都達到了1.900 以上。產(chǎn)量、還原糖含量、主莖數(shù)變異系數(shù)較大，表明以上3 個性狀在該研究所用的30 份材料中變異程度較大。在收集的種質(zhì)資源中薯形以圓形、橢圓形為主，薯皮色以淡黃色、黃色居多，薯肉色以淡黃色、黃色占比較大，因此，在今后工作中應(yīng)加強收集薯形、薯皮色、薯肉色等農(nóng)藝性狀多樣化的種質(zhì)資源，用以豐富育種資源，從而適應(yīng)市場的多元化。

目前馬鈴薯新品種選育以常規(guī)雜交育種為主，由于設(shè)定的育種目標不同，育種者往往依據(jù)少數(shù)表現(xiàn)優(yōu)異的性狀對親本材料進行篩選，人為增加了雜交組合配制過程中選擇親本材料時的局限性和片面性。主成分分析可將大量相關(guān)指標轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個綜合因子，即用少數(shù)的變量因子概括解釋所有變量信息，從而實現(xiàn)提高農(nóng)藝性狀信息的準確性。潘哲超等[15]對68 份馬鈴薯品種的14 個農(nóng)藝性狀進行主成分分析，確定了生物量因子、塊莖大小因子、主莖數(shù)因子等，累計貢獻率達83.290%，較好地反映了14 個農(nóng)藝性狀的大部分信息；李守田等[16]對15 個馬鈴薯的7 個營養(yǎng)品質(zhì)指標進行了主成分分析，提取了4 個主成分，累計貢獻率達89.592%。本研究通過對30 份馬鈴薯品種（系）的9 個性狀開展主成分分析，提取了4 個主成分，分別為營養(yǎng)品質(zhì)、產(chǎn)量、干物質(zhì)含量、還原糖含量，累計貢獻率達75.989%，可較好地反映9 個數(shù)量性狀信息。

馬鈴薯的經(jīng)濟器官是塊莖，塊莖產(chǎn)量的形成與地上部形態(tài)建成（光合器官的多寡、維持時間的長短）以及根系對礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收能力等密切相關(guān)。楊春等[17]、孫邦升等[18]研究結(jié)果顯示，株高與產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)分別為0.351、0.268。本研究發(fā)現(xiàn)塊莖產(chǎn)量與株高、莖粗、主莖數(shù)、商品薯率呈正相關(guān)，且株高與產(chǎn)量相關(guān)系數(shù)達0.389，說明地上部植株性狀一定程度上決定著塊莖產(chǎn)量。此外，由于育種者在馬鈴薯新品種選育過程中將注意力更多地放在對產(chǎn)量和外觀性狀的追求，忽視了營養(yǎng)品質(zhì)，致使育成的品種（主要指鮮食型）往往高產(chǎn)卻營養(yǎng)品質(zhì)欠佳，表現(xiàn)為一定群體內(nèi)產(chǎn)量與營養(yǎng)品質(zhì)的負相關(guān)。本研究和葉玉珍[19]的報道均證明這一點。另外，鮮食消費市場早已不再滿足于解決溫飽，而對品質(zhì)要求越來越高。基于這種現(xiàn)狀，在今后新品種選育的過程中，營養(yǎng)品質(zhì)也要作為考查的主要指標。

在根據(jù)育種目標進行雜交組合選配前，常規(guī)育種的育種者在選擇親本時往往以親本表型互補為基本原則，這種做法有一定的局限性，聚類分析可一定程度上彌補這方面的不足。本研究將30 份種質(zhì)材料在歐氏距離為5.0 時分為三大類群，第Ⅰ類群株高較低、產(chǎn)量低，但營養(yǎng)品質(zhì)（VC、粗蛋白）表現(xiàn)最好，可作為鮮食型品種選育營養(yǎng)品質(zhì)基因的來源；第Ⅱ類群株高適中、產(chǎn)量高、商品薯率高、單株塊莖數(shù)少且還原糖含量較低，可作為培育高經(jīng)濟價值親本材料；第Ⅲ類群株高最高、產(chǎn)量適中，干物質(zhì)、粗淀粉含量表現(xiàn)優(yōu)良，且單株塊莖數(shù)較多，可作為淀粉加工雜交組合的親本。第Ⅱ、第Ⅲ類性狀間互補，且符合油炸加工品種選育的要求。通過聚類分析結(jié)果能充分體現(xiàn)各種質(zhì)資源間的遺傳差異和親緣關(guān)系，有目的地優(yōu)化雜交組合，為培育不同利用價值的馬鈴薯新品種奠定基礎(chǔ)。

種質(zhì)評價的目的是對其特點進行充分了解，以便用于種質(zhì)創(chuàng)新、品種改良，因此，所調(diào)查性狀的有效性、精準性、全面性是表型性狀遺傳多樣性分析的重中之重。本研究所用馬鈴薯種質(zhì)性狀是基于一年一點的試驗數(shù)據(jù)，具有一定局限性，考慮到數(shù)量性狀由多基因控制及基因型與環(huán)境互作的因素，下一步工作將開展多年多環(huán)境的鑒定；另外，還必須補充育性性狀的調(diào)查，如花粉育性、花粉活力、天然結(jié)實情況、TPS 有無、花期長短等，通過對育性的調(diào)查、鑒定，確保其作為有性雜交親本時可育，從而提高雜交效率。