外引豌豆資源的鑒定及主要數(shù)量性狀的主成分分析

李莉，萬(wàn)正煌，焦春海，陳宏偉，劉昌燕，伍廣洪

摘要：研究了15份外引豌豆（Pisum sativum L.）種質(zhì)資源的主要農(nóng)藝、經(jīng)濟(jì)性狀。結(jié)果表明，豌豆種質(zhì)資源具有較高的變異系數(shù)，為23.66%-50.25%。豌豆的單株產(chǎn)量與單株分枝數(shù)、單株莢數(shù)極顯著正相關(guān)（P<0.01），豌豆資源的始莢節(jié)位與主莖節(jié)數(shù)極顯著正相關(guān)，且這兩個(gè)性狀都與株高極顯著正相關(guān)（P<0.01）。8個(gè)數(shù)量性狀綜合成為4個(gè)主成分，且這4個(gè)主成分構(gòu)成的信息量可解釋總信息量的94.79%。選用前4個(gè)主成分值計(jì)算各種質(zhì)間的遺傳距離，按遺傳距離大小在D2=3.57水平下可將15份種質(zhì)資源聚類劃分為5大類群。

關(guān)鍵詞：豌豆（Pisum sativum L.）;種質(zhì)資源;鑒定;主成分分析

中圖分類號(hào)：S322.2 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ?文章編號(hào)：0439-8114（2014）23-5643-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.23.007

農(nóng)作物種質(zhì)資源是人類生存和發(fā)展最有價(jià)值的寶貴財(cái)富，是作物育種、生物科學(xué)研究和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)[1]，是21世紀(jì)重要的戰(zhàn)略性資源之一[2]。1953年Kujala在芬蘭報(bào)道了普通豌豆所有小葉突變成卷須的突變體（無(wú)葉型、半無(wú)葉型），同時(shí)研究證明此種突變體在豌豆中最抗倒伏，但此特征特性當(dāng)時(shí)并沒有應(yīng)用于豌豆的遺傳育種。而法國(guó)由于半無(wú)葉豌豆品種的培育成功，使豌豆采收進(jìn)入機(jī)械化時(shí)代，豌豆種植面積由8萬(wàn)hm2 最高增加到60萬(wàn)hm2，使產(chǎn)量由原來的2250 kg/hm2增加到4 500 kg/hm2以上，從而使法國(guó)豌豆栽培面積和總產(chǎn)在世界豌豆生產(chǎn)中一直占有舉足輕重的地位，這表明豌豆種質(zhì)資源中蘊(yùn)藏著巨大的增產(chǎn)潛力[3-5]。

豌豆是我國(guó)重要的小宗糧豆作物之一，具有較高的開發(fā)利用價(jià)值。中國(guó)豌豆雜交育種工作起步晚，可利用的豌豆親本資源有限，親本群體更新滯后，遺傳基礎(chǔ)狹窄。引進(jìn)國(guó)外豌豆種質(zhì)能迅速進(jìn)行品種改良，可有效拓寬豌豆的血緣基礎(chǔ)，能在提高育種效率的同時(shí)滿足對(duì)豌豆品種多樣化的需求[6-8]。2009-2012年本團(tuán)隊(duì)共引進(jìn)了15份豌豆種質(zhì)資源，其中包括收集于豌豆次生起源中心的10份埃塞俄比亞豌豆資源。本研究主要是對(duì)以上引進(jìn)種質(zhì)開展了田間生物學(xué)表現(xiàn)和主要農(nóng)藝經(jīng)濟(jì)性狀的鑒定，并采用多元統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行主成分分析和聚類分析，探討性狀間的相互制約及協(xié)同關(guān)系，科學(xué)評(píng)價(jià)外引豌豆種質(zhì)資源的真實(shí)表現(xiàn)，掌握引進(jìn)種質(zhì)的特征和特性，以期為提高外引豌豆種質(zhì)資源的利用效率提供參考依據(jù)。

1 ?材料與方法

1.1 ?試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)于2012-2013年在湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所試驗(yàn)基地進(jìn)行。試驗(yàn)地位于北緯30°29′，東經(jīng)114°18′，海拔15 m，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤(rùn)氣候區(qū)，年平均氣溫15.8～17.5 ℃，年降雨量1 100～1 270 mm，年無(wú)霜期211～272 d。耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量為26.3 g/kg，土壤pH 7.30。

1.2 ?供試材料

供試豌豆種質(zhì)資源共計(jì)15份，均為湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院2009-2012年從韓國(guó)、泰國(guó)和非洲埃塞俄比亞、塞內(nèi)加爾等國(guó)家引進(jìn)，名稱及來源詳見表1。

1.3 ?試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采取順序排列，每個(gè)種質(zhì)資源材料種植3行，小區(qū)面積3 m2（2 m×1.5 m），行距0.5 m，株距0.12 m。試驗(yàn)田土壤肥力中等，基施復(fù)合肥375 kg/hm2，生育期內(nèi)間苗1次，定苗1次，密度為20株/m2，人工除草2次，按常規(guī)栽培技術(shù)進(jìn)行田間管理。

1.4 ?數(shù)據(jù)調(diào)查方法

在每小區(qū)中取中間行，從第3株開始連續(xù)取樣生長(zhǎng)正常的10個(gè)植株進(jìn)行田間觀察記載和室內(nèi)考種。按照《豌豆種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[9]中相關(guān)性狀的描述，對(duì)22個(gè)性狀進(jìn)行了田間調(diào)查和室內(nèi)考種，調(diào)查鑒定項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)見表2。

1.5 ?數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

基本數(shù)據(jù)處理采用Excel（Microsoft office，2003）數(shù)據(jù)軟件進(jìn)行，主成分分析和聚類分析采用DPS數(shù)據(jù)處理軟件[10]進(jìn)行。參加主成分分析的性狀為株高（x1）、單株分枝數(shù)（x2）、百粒重（x3）、單株產(chǎn)量（x4）、單株莢數(shù)（x5）、始莢節(jié)位（x6）、主莖節(jié)數(shù)（x7）、果節(jié)數(shù)（x8）。對(duì)總遺傳方差貢獻(xiàn)率達(dá)95%的前幾個(gè)成分入選主成分，利用第一步確定的主成分值求取各種質(zhì)資源之間的歐氏距離，并進(jìn)行系統(tǒng)聚類。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?豌豆種質(zhì)資源形態(tài)特征和生物學(xué)特性比較

豌豆各種質(zhì)資源的形態(tài)特征和生物學(xué)特性見表3。豌豆開花時(shí)間的長(zhǎng)短是判斷其光溫敏感程度的最重要指標(biāo)，供試豌豆種質(zhì)資源的開花時(shí)間為133～141 d，平均為136 d，開花時(shí)間的相對(duì)集中表明外引豌豆資源間的光溫敏感性沒有明顯差異，能較好適應(yīng)武漢的生態(tài)條件。15份豌豆種質(zhì)資源的生育期為186～195 d，平均為192 d，極差為9 d，沒有發(fā)現(xiàn)極早熟和極晚熟資源。豌豆資源生育期變異范圍較小可能是豌豆生育后期武漢氣溫上升較快，且雨熱同期，使子粒灌漿到成熟時(shí)間縮短，從而使資源間的差異不明顯。外引豌豆資源的復(fù)葉葉型有普通型和無(wú)葉型兩種，其中復(fù)葉為普通型的豌豆資源占87%。豌豆始花節(jié)位低，則早期結(jié)莢的可能性提高，參試種質(zhì)資源的始花節(jié)位最低的在第3節(jié)，最高的在第19節(jié)，平均在第11節(jié)，其中始花節(jié)位在10節(jié)以下的資源有4個(gè)，分別是WDHG001、WDHG002、WDHG003、WDAS010。15份外引豌豆資源的花色可分為白色、淺紅色、淺紫色和紫紅色4種，比例為9∶2∶2∶2。武漢越冬期間的低溫時(shí)間不長(zhǎng)，一般的豌豆品種都能安全越冬，參試豌豆種質(zhì)資源中耐凍性偏差的資源為WDHG001和WDHG003。

2.2 ?外引豌豆資源子粒外觀特征分析

國(guó)外引進(jìn)豌豆種質(zhì)資源的子粒外觀形態(tài)類型分析和統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表4。粒形是豌豆子粒的外觀形態(tài)，因種質(zhì)資源不同，形態(tài)呈現(xiàn)出多樣性。供試豌豆資源的粒形有球形和柱形兩種類型，其中柱形的種質(zhì)資源占47%，球形的種質(zhì)資源占53%。從種皮平滑度上看，干子粒種皮表面平滑的種質(zhì)資源比例達(dá)53%，另外7份豌豆種質(zhì)資源干子粒表面光滑度較差，種子表面有凹坑。子粒的色澤由其種皮色素成分的種類及含量決定，其中總黃酮和花青素的含量是主要影響因素。供試豌豆種質(zhì)資源的粒色有綠色、粉紅、褐色和淡黃色4種，其中粒色為綠色的種質(zhì)資源最多，占53%，粒色為粉紅色的資源有4份，粒色為褐色的資源有2份，粒色為淡黃色的資源有1份，分別占供試資源的27%、13%和7%。種臍是種子成熟后從胎座上脫落后留下的痕，其顏色隨種質(zhì)資源種類而有所不同，臍色為褐色和灰白色的豌豆種質(zhì)資源數(shù)量較多，占資源總數(shù)的67%，其余5份豌豆資源的臍色為黃色和黑色。供試豌豆的子葉顏色有4種，分別為淡黃、橙黃、黃綠和綠色，所占資源的比例分別為40.0%、33.3%、13.3%、13.3%。豌豆種皮破裂率是豌豆子粒外觀形態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)品種的商品性影響較大。供試15份豌豆中，有11份種質(zhì)資源無(wú)明顯的種皮自然開裂情況，其余4份種質(zhì)資源中，WDHG003的種皮破裂率略高，達(dá)10%，WDHG001、WDTG002和WDAS008的種皮破裂率為2%～3%。

2.3 ?豌豆種質(zhì)資源主要數(shù)量性狀的變異情況及各數(shù)量性狀間的相關(guān)性分析

15份豌豆資源的8個(gè)主要農(nóng)藝性狀的考種結(jié)果見表5。由表5可以看出，株高的變異系數(shù)最大，為50.25%;單株有效莢數(shù)、單株產(chǎn)量和單株有效分枝數(shù)變異系數(shù)較大，分別達(dá)37.07%、35.98%和35.94%;主莖節(jié)數(shù)、始莢節(jié)位和單株果節(jié)數(shù)的變異系數(shù)較小，分別為24.58%、30.24%和33.91;百粒重的變異系數(shù)最小，僅為23.66%。這表明15份豌豆種質(zhì)資源各具特色，差異明顯，資源類群豐富。

分析表6可知，豌豆的單株產(chǎn)量、單株分枝數(shù)、單株莢數(shù)和果節(jié)數(shù)這4個(gè)數(shù)量性狀間都呈極顯著正相關(guān)（P<0.01），而這4個(gè)數(shù)量性狀都是決定豌豆單位面積產(chǎn)量的重要因素。豌豆資源的始莢節(jié)位和主莖節(jié)數(shù)呈極顯著正相關(guān)，且這兩個(gè)性狀都和株高、果節(jié)數(shù)、單株莢數(shù)呈極顯著正相關(guān)（P<0.01）。豌豆單株產(chǎn)量與株高、始莢節(jié)位和主莖節(jié)數(shù)這3個(gè)數(shù)量性狀呈顯著正相關(guān)（P<0.05）。

2.4 ?豌豆種質(zhì)資源主要數(shù)量性狀的主成分分析

對(duì)供試種質(zhì)資源的8個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析，計(jì)算得特征根、特征根累計(jì)方差貢獻(xiàn)率和主成分特征向量。各特征根大小代表各綜合指標(biāo)遺傳方差大小，各特征根累計(jì)方差貢獻(xiàn)率代表各有關(guān)綜合指標(biāo)對(duì)總遺傳方差的貢獻(xiàn)率，選用對(duì)總遺傳方差貢獻(xiàn)率達(dá)94.8%的前4個(gè)特征根分析其分量來源（表7）。

利用入選的特征值和特征向量計(jì)算供試種質(zhì)資源的主成分值，可得到各主成分值計(jì)算方程式如下：

第一主成分：y1=0.338 1x1+0.371 6x2+0.168 9x3+0.357 4x4+0.398 8x5+0.351 6x6+0.379 6x7+0.405 7x8

第二主成分：y2=-0.393 4x1+0.318 4x2+0.697 7x3+0.119 5x4+0.117 7x5-0.328 4x6-0.327 8x7+0.116 2x8

第三主成分：y3=-0.071 5x1-0.006 3x2+0.467 6x3-0.669 8x4-0.149 4x5+0.469 8x6+0.283 5x7-0.064 8x8

第四主成分：y4=0.089 4x1+0.413 2x2+0.078 7x3+0.397 9x4-0.521 9x5+0.324 9x6-0.090 5x7-0.520 2x8

分析表7可知，8個(gè)數(shù)量性狀都對(duì)第一主成分有正影響，其中權(quán)重系數(shù)較大的有果節(jié)數(shù)和單株莢數(shù)。第二主成分的特征向量中，百粒重為正值且權(quán)重較大，構(gòu)成變異的主要來源。第三主成分的特征向量中單株產(chǎn)量為負(fù)值，且較大，構(gòu)成變異主要來源，正值中百粒重和始莢節(jié)位的權(quán)重較大。第四主成分的特征向量中，單株莢數(shù)和果節(jié)數(shù)為負(fù)值，單株分枝數(shù)為正值，即第四主成分得越大，則表明該資源的分枝數(shù)較多，但單株莢數(shù)和果節(jié)數(shù)卻相對(duì)偏低，如WDAS008就屬于這類種質(zhì)資源。

按照y1、y2、y3、y4計(jì)算方程式和相應(yīng)的特征向量及品種各性狀標(biāo)準(zhǔn)化基因型值，計(jì)算出15份豌豆種質(zhì)資源的第一至第四主成分y1、y2、y3、y4值，作為評(píng)價(jià)上述種質(zhì)綜合性狀優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，并根據(jù)主成分值對(duì)豌豆種質(zhì)資源進(jìn)行排序，排序結(jié)果見表8。

2.5 ?遺傳距離測(cè)定與聚類分析

由供試豌豆前4個(gè)主成分值計(jì)算種質(zhì)資源間的遺傳距離，用最長(zhǎng)距離法進(jìn)行聚類并獲得聚類圖（圖1），并按照D2=3.57的聚類水平將15份豌豆種質(zhì)資源分為5大類群（表9）。

由表9和圖1可知：Ⅰ類群共有5份種質(zhì)資源，可分為2個(gè)亞類群，ⅰ亞類群包括來自泰國(guó)的1號(hào)和2號(hào)種質(zhì)資源，該亞類群屬于株高、單株分枝數(shù)、百粒重、單株莢數(shù)和單株產(chǎn)量都中等的類群，ⅱ亞類群包括10號(hào)、13號(hào)和14號(hào)種質(zhì)資源，該亞類群屬于單株分枝數(shù)較多、百粒重較重的類群。Ⅱ類群包括7號(hào)和9號(hào)種質(zhì)資源，屬于株高偏高、單株分枝數(shù)多、果節(jié)數(shù)多、單株莢數(shù)多、百粒重低的類群。Ⅲ類群共有5份種質(zhì)資源，可分為2個(gè)亞類群，ⅰ亞類群包括來自埃塞俄比亞的6號(hào)、8號(hào)、11號(hào)和12號(hào)種質(zhì)資源，該亞類群屬于株高偏高、百粒重偏低的類群，ⅱ亞類群是來自塞內(nèi)加爾的豌豆資源，該亞類屬于株高矮、百粒重低的類群。Ⅳ類群和Ⅴ類群由來自韓國(guó)的豌豆種質(zhì)資源組成，屬于主莖節(jié)數(shù)少、株高矮、始莢節(jié)位低、單株莢數(shù)少、單株產(chǎn)量低的類群。

3 ?結(jié)論與討論

種質(zhì)資源是在長(zhǎng)期演化過程中由于基因突變、基因交流和生態(tài)遺傳分化，經(jīng)自然選擇和人工選擇而形成的一種重要自然資源，它蘊(yùn)藏著自然和人為引起的極其豐富的遺轉(zhuǎn)變異，可以給育種工作者提供豐富的親本選配空間。因此，引進(jìn)和征集大量的作物遺傳資源，并通過鑒定、篩選和分析評(píng)價(jià)進(jìn)而了解和掌握其特點(diǎn)，對(duì)種質(zhì)資源的合理開發(fā)和充分利用都具有重要意義[11-13]。

參試的15份豌豆種質(zhì)資源都能較好地適應(yīng)武漢的生態(tài)條件，在復(fù)葉葉型、始花節(jié)位、花色、粒形、粒色、種皮和耐凍性等形態(tài)特征和生物學(xué)特性上都表現(xiàn)出各種質(zhì)所固有的特征特性和差異性。分析各種質(zhì)資源的8個(gè)主要數(shù)量性狀可知，按變異系數(shù)大小排序?yàn)橹旮摺沃昵v數(shù)、單株產(chǎn)量、單株分枝數(shù)、果節(jié)數(shù)、始莢節(jié)位、主莖節(jié)數(shù)、百粒重，這表明15份豌豆種質(zhì)資源各具特色，差異明顯，資源類群豐富。分析以上8個(gè)數(shù)量性狀間的相關(guān)性可知，豌豆的單株產(chǎn)量、單株分枝數(shù)、單株莢數(shù)和果節(jié)數(shù)4個(gè)數(shù)量性狀間都呈極顯著正相關(guān)，豌豆資源的始莢節(jié)位與主莖節(jié)數(shù)呈極顯著正相關(guān)，且這兩個(gè)性狀都與株高、果節(jié)數(shù)、單株莢數(shù)呈極顯著正相關(guān)。

由于豌豆各性狀間存在相關(guān)性，因此通過主成分分析將種質(zhì)資源的8個(gè)主要數(shù)量性狀綜合為4個(gè)主成分，形成綜合而又相互獨(dú)立的評(píng)價(jià)指標(biāo)，且這4個(gè)主成分能提供參試材料94%以上的信息量。第一主成分代表果節(jié)數(shù)和單株莢數(shù)，第二主成分代表百粒重，第三主成分代表單株產(chǎn)量，第四主成分代表單株分枝數(shù)。根據(jù)主成分值計(jì)算各品種間遺傳距離表明，15份種質(zhì)資源所屬類群廣泛，所屬不同類群間既存在差異也存在一定相似。可將15份種質(zhì)資源分為5大類群，Ⅰ類群共有5份種質(zhì)資源，可分為2個(gè)亞類群，ⅰ亞類群的種質(zhì)資源來自泰國(guó)，ⅱ亞類群的種質(zhì)資源來自埃塞俄比亞;Ⅱ類群有2份種質(zhì)資源，來自埃塞俄比亞;Ⅲ類群共有5份種質(zhì)資源，ⅰ亞類群的種質(zhì)資源來自埃塞俄比亞，ⅱ亞類群的種質(zhì)資源來自塞內(nèi)加爾;Ⅳ類群和Ⅴ類群共有3份種質(zhì)資源，都來自韓國(guó)。

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