482份红花种质资源农艺性状的遗传多样性分析

覃尔岱，湛蔚，严兴初，卢博杰，刘虹，吴智华，黄稳，李刚，陈雁，刘娇，王靖，覃瑞*

（1.湖北省武陵山区特色植物种质资源保护与利用重点实验室，中南 民族大学，湖北 武汉，430074；2.中国农业科学院油料作物研究所，湖北 武汉，430062；3.中国农业科学院农业农村部食物与营养发展研究所，北京 ，100081）

红花Carthamus tinctoriusL. 属于菊科（Compositae）红花属（CarthamusL.），为一年生草本植物，在全球范围内广泛分布和种植，具有悠久的栽培历史[1]。红花不仅是世界第七大油料作物，也是一种多用途特种经济作物[2]。红花的价值主要体现在耐干旱耐盐碱，籽粒含油率高（最高可达干重的34%），亚油酸含量最高可达红花籽油的80%，具有高亚油酸、低饱和脂肪酸的特点，因此被称为植物中的亚油酸之王，具有降血脂、预防动脉粥样硬化的作用。红花籽榨油后籽粕中富含必需氨基酸，可做饲料，还可以从中提纯蛋白，作其它用途[3～6]。研究还发现，红花的花丝中富含黄酮类物质，有重要的药理活性，其中的羟基红花黄色素A 更是为红花中所特有[7]。在表型上不同红花的花丝颜色有差别，可分为红色、黄色、白色、橘黄、橘红和黄变红[8]，有研究发现红花的花色与花丝中黄酮、羟基红花黄色素A 的含量高低具有显著的关联性[9,10]。这表明可通过某些特殊的生长表型直接对红花的重要经济性状进行简单快速的筛选。相较于玉米、水稻这些农作物，红花的驯化历史较短，容易受到生物或非生物胁迫的影响，造成产量低和多刺的特性，缺乏高产优质早熟抗性强的红花品种，限制了红花发展和利用。因此，对全球红花作物种质的遗传多样性进行广泛研究，改良现有红花种质具有深远的意义。

具有遗传多样性的种质资源是杂交育种的基础[11～13]。农艺性状对红花产量具有直接影响，如株高较高的品种易倒伏，有刺无刺影响采摘效率，开花期决定红花在某一地区是否可以一年两季的种植等。通过红花农艺性状的调查，可对红花品种特点、品质和产量进行综合性的评估。红花的农艺性状大多为数量性状，表型受环境影响较大。如贾玉广等[14]对16 份红花种质的14 个农艺性状进行主成分分析，结果表明：红花各农艺性状间存在着彼此促进或抑制的关系。周子馨等[15]对国外40 份红花种质进行了相关性、通径、多元线性回归和主成分分析，结果表明植株高大、单株果球数多、顶球直径较大、生育期较长和籽粒含油率高是高产红花品种的主要形态特征。郭丽芬等[16]对68 份红花种质进行了主成分和聚类分析，结果表明不同地理来源的红花种质资源遗传多样性丰富，多样性从高到低分别是分枝总数、单株有效果球数、单株产量和分枝长度；产量性状与红花有效果球数在一定范围内正相关，第1分枝过高会导致分枝总数、单株有效果球数、顶果球着粒数减少，而生育期延长将直接影响产量。

前人对红花农艺性状的研究，往往存在群体相对较小的问题，材料来源、种植环境和种植方式也各有不同，研究结果难免存在差异。早期红花的收集，也缺乏全球性和多样性，限制了它们在育种工作中的应用。本研究对482 份来源于30 个国家和地区的红花种质资源（图1）在武汉的生长情况进行评估，测定了12 个农艺性状，期望这些数据的收集有助于分析红花性状变异的遗传决定因素，并有效利用红花资源的多样性，有助于红花作物改良，期待能为筛选特异红花种质、培育红花优质品种提供理论依据。

图1 482份红花种质资源世界分布Fig.1 Distribution of 482 safflowers in the world

1 材料与方法

1.1 材料

482 份红花种质资源由中国农业科学院油料作物研究所种质资源库提供（附表1，见首页OSID码）。

1.2 试验地概况

红花材料种植于湖北省武汉市江夏区试验田（30°17'44"N, 114°14'20"E），海拔18.4 m。试验地土壤肥力中等，土质为黄土。每个红花品种播种一行，行长4 m，行距50 cm，间苗后每行留苗总数为10株。按照常规田间管理，待到红花果实成熟后，按照《红花种质资源描述规范和数据标准》[17]（表1）的要求进行性状调查，每行选取一致性较好的5 株红花作为重复样本，分别测量株高、顶端分枝高度、最高一级分枝数、分枝高度、最低一级分枝数、二级分枝数、存活率、开花期、花色、叶片有/无刺、苞叶有/无刺，叶缘等12个农艺性状。

表1 红花农艺性状的记载标准Table 1 Guideline for agronomic traits of safflowers

1.3 数据分析

调查数据用Microsoft Excel 2019 整理，将数量性状进行统计，将质量性状以0 或1 取值，再通过SPSS19.5 进行遗传变异、相关分析和主成分分析[18～20]，通过R语言软件进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 主要性状的遗传多样性分析

482 份红花种质资源材料的变异分析结果表明（表2），7 个数量性状变异系数的范围为21.2%～74.2%，呈现出较大的变幅。其中二级分枝数的变异系数最大为74.2%，变异幅度为0～145 个。千粒重变异系数最小为21.2%，变化幅度为22～79 g。这7 个农艺性状变异系数的大小关系为：二级分枝数（74.2%）＞幼苗存活率（60.5%）＞一级分枝数（52.9%）＞分枝高度（51.0%）＞顶端分枝高度（27.0%）＞株高（23.7%）＞千粒重（21.2%）。一般变异系数大于10%表示样本间差异较大[21,22]，本研究中用于遗传多样性分析的农艺性状变异系数均大于10%，说明482 份红花种质资源间存在很大的差异，具有丰富的遗传多样性。

表2 农艺性状方差和遗传变异分析Table 2 Variance and genetic variance analysis of agronomic traits

2.2 主要性状的相关性分析

为了进一步探究482份红花种质资源遗传多样性，对12个主要农艺性状进行相关性分析（表3），结果表明，千粒重与二级分枝数呈极显著正相关，与一级分枝数呈显著正相关，与株高、顶端分枝高度、分枝高度呈极显著负相关，与开花期呈显著负相关；苞叶有无刺与株高、分枝高度、顶端分枝高度、叶片有无刺、叶缘呈极显著相关，与开花期呈显著相关；叶片有无刺与株高、分枝高度、顶端分枝高度、叶缘呈极显著相关；开花期与株高、分枝高度、顶端分枝高度呈极显著正相关，与二级分枝数呈极显著负相关；幼苗存活率与株高、顶端分枝高度呈极显著正相关；二级分枝数与株高、顶端分枝高度、一级分枝数呈极显著正相关，与分枝高度呈极显著负相关；一级分枝高与株高、顶端分枝高度呈极显著正相关，与分枝高度呈极显著负相关；顶端分枝高度与株高、分枝高度呈极显著相关；最低一级分枝数与株高呈极显著正相关，与叶缘呈极显著相关。以上结果说明红花各农艺性状之间存在一定内在联系，存在彼此促进或抑制的关系，这些关键信息可用于红花的遗传育种和种质创新。

表3 482份红花种质资源性状相关性分析Table 3 Correlation analysis among major agronomic traits in 482 saffower

2.3 主成分分析

相关性分析结果显示该群体中12 个农艺性状间存在一定的内在联系，为了解析其中可能的遗传结构，对482 份红花种质资源的12 个农艺性状进行主成分分析（表4），提取特征根大于1 的主成分，其中主成分4 的累计贡献率达到了65.882%，包含了12个农艺性状的绝大部分信息。

从表4 还可知，第1 主成分的特征值为2.835，相应的贡献率为23.629%。第1 主成分中苞叶有无刺特征向量正值最大（0.720），说明苞叶有无刺对第1 主成分影响最大，其次是顶端分枝高度（0.716）、叶片有无刺（0.711）、株高（0.651）。第2主成分的特征值为2.223，相应的贡献率为18.522%，第2 主成分中二级分枝数特征向量正值最大（0.777），其次是一级分枝数（0.703）、株高（0.581）。第3 主成分的特征值为1.790，相应的贡献率为14.921%，第3 主成分中叶片有无刺特征向量绝对值最大（-0.534），其次为苞叶有无刺（-0.515）、分枝高度（0.494）、开花期（0.452）。第4主成分的特征值为1.057，相应的贡献率为8.811%，第4 主成分中花色特征向量正值最大（0.684），其次为幼苗存活率（-0.574）。

表4 482份红花种质资源农艺性状的主成分分析Table 4 Principal component analysis of major agronomic traits in 482 safflowers

对482份红花品种选取前两个主成分进行分析（图2），不同品种在图中的分布没有明显的规律，且分布范围较大，再次说明这482 份红花种质资源确实存在广泛的遗传多样性。国内和国外的红花种质在图中的分布趋势存在一定的差异，但是没有出现明显的分离，说明不能依赖简单的地域划分，要充分考虑选取的区域范围大小和环境的错综复杂，研究特定环境和区域的红花与性状之间关系。通过性状调查，能对关联群体的群体结构进行评估，有效地筛选特异种质，在红花育种中发挥重要作用。

图2 482份红花品种的主成分分析Fig.2 PCA of 482 safflowers

2.4 主要性状的聚类分析

由于红花在不同国家与地区的引种与驯化，各自环境差异性明显，红花特性也随之表现为高度的遗传多样性，因此，如何对红花的遗传背景进行分析以及在其基础之上如何建立系统的种质资源评价，一直是红花生产过程中的主要难题。本研究使用R 语言软件对“国编”的482 份红花通过最大距离法进行聚类，在遗传距离为7.5 时可将482 份材料划分为5大类（图3），旨在对红花种质资源进行评估与分类。

图3 红花种质资源聚类图Fig.3 Cluster analysis in safflowers germplasm resources map

根据分类的结果，第1 类群中，只有1 份红花材料ZGHH0064。ZGHH0064 株高很高（179 cm），一级分枝数很多（81.5），二级分枝数较少（17），分枝高度（81.5 cm）和顶端分枝高度（121 cm），开花期很晚。第2 类群有45 份，株高、分枝高度和在顶端分枝高度都很高，二级分枝数较少，开花期晚。第3类群包含两份红花材料，分别为ZGHH0174 和ZGHH0665，株高很矮（45.5 cm），顶端分枝高度（9 cm）和分枝高度很低（7.5 cm），一级分枝数（2）和二级分枝数很少（2.5），幼苗存活率低（0.2）,千粒重较重（53 g）。第4 类群包含113 份红花材料，属于株高较低，一、二级分枝数较少的红花材料。其余的为第5 类群红花材料，其农艺性状能一定程度上反映关联群体的平均水平。在实际育种工作中可以根据性状需要对红花种质的不同类群进行筛选。

3 讨论

红花相对于玉米、水稻这样的农作物而言，驯化历史较短，驯化程度比较低，在世界上分布相对零散，育种工作一直滞后[23]。红花具有药食两用的特点，尤其是随着经济的发展，人类生活水平的提高，红花作为一种新兴的特种经济作物的研究日益得到重视，因此，对红花的遗传多样性进行系统的研究尤为重要。只有大量收集不同红花种质并对性状进行统计调查，才能有效开展红花遗传育种等各项工作[24]。但红花种质资源遗传多样性丰富[25]，世界上有15 个国家的22 个种子资源库里有25 179份红花品种[26]。在早期的研究中，红花几个重要的农艺性状具有显著变异性，或者说种质资源有着很大的多样性[27]，但育种通常只关注有限的几个农艺性状[28]，导致缺乏优势性状高度富集的优质红花种质，使得红花的育种效率不高。此前的国内外研究中，郭丽芬等[16]曾对66 份云南红花种质资源的株高、最低分枝高、最高分枝高、千粒重等11个数量性状的遗传变异情况进行了研究，王沛琦等[29]对国内外312份红花种质资源的株高、百粒重、单株有效果球数等6 个农艺性状的遗传变异情况也进行了研究。他们研究的结果表明，这些红花材料所有的农艺性状的变异系数均大于10%。Kumar 等人[30]研究结果发现在印度种植的红花品种遗传多样性不高。这表明红花的适应性不强，对生物和非生物胁迫比较敏感，容易因环境的变化而导致产量的减少。本研究通过全球范围内广泛收集红花品种，共选取30个国家和地区的482份代表性红花种质资源进行分析。在其12 个农艺性状中，有7 个数量性状变异系数均大于10%，其中株高的变异系数达到23.7%，千粒重的变异系数达到21.2%，进一步说明了红花在不同地区引种与驯化的过程中形成了丰富的遗传多样性。本试验相关分析表明，除了花色这一农艺性状之外，其它农艺性状之间普遍存在显著性的相互影响，如千粒重与二级分枝数呈极显著正相关，与株高、顶端分枝高度、分枝高度呈极显著负相关，与二级分枝数呈显著正相关，表明红花千粒重的数值越大，其对应的株高、分枝高度数值越小，二级分枝数越少。本研究相关性分析结果与张振兴[19]与赵昕鹏等[31]的部分研究结果一致。

主成分分析结果表明，苞叶有刺的植株，其叶片有刺的概率更大，顶端分枝高度及株高也更高一些，但一级分枝数和幼苗存活率增幅会相对较小；随着二级分枝数增多，一级分枝数、株高、顶端分枝高度的值增加较快，千粒重也有缓慢增加，而开花期所经历的时间逐渐减少，叶片和苞叶更趋于无刺，说明就本研究考察的农艺性状来看，二级分枝数在一定范围内增加，千粒重也随之增加，在红花育种工作中可作为重要的性状选择标准；叶片无刺的植株，其苞叶无刺的概率更大，最低分枝高的值和开花期的值相应较大，而二级分枝数和千粒重的值会相应较小，这是红花无刺化育种需要进一步注意和研究的问题；第4 主成分说明花色与红花的幼苗存活率可能存在一些关联。

地理分布影响一个物种的遗传变异程度[32]。本研究发现红花品种的地理分布模式就很明显，红花在自然界中是高度自花授粉的作物，生长在世界各地不同的气候区域内。本研究收集了较大数量的红花种质，发现这些红花种质资源显示了几个区域的资源库的特征，表明对全球红花的种质搜集是有效的[33]。

本文通过对红花农艺性状的聚类发现，不同类群的红花材料中12个农艺性状具有明显的差异，如品种间相差100 cm 的株高，有利于选育出适合机械收割的红花品种。如红花的花丝是比较有经济价值的红花器官，目前主要还依赖农民的人工收割，带刺类型的品种仍然居多，有待改良，以提高人工收割的效率。我们没有观察到有/无刺的性状与果球数等是否有显著关联。具有优良的农艺性状的红花可在未来作为重要的育种材料，这些数据的收集将使得红花的育种效率的提高[34]，如ZGHH0064可作为改良株高和一级分枝数的材料，ZGHH0174和ZGHH0665 可作为增加红花千粒重的材料加以利用。