云南蔓生型普通菜豆資源形態(tài)學(xué)遺傳多樣性分析

代程，何玉華，包世英，王麗萍，楊峰，于海天，呂梅媛

(云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所，云南昆明650205)

云南蔓生型普通菜豆資源形態(tài)學(xué)遺傳多樣性分析

代程，何玉華*，包世英，王麗萍，楊峰，于海天，呂梅媛＊＊

(云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所，云南昆明650205)

文章對129份云南地方蔓生型普通菜豆種質(zhì)資源進(jìn)行了農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性分析。結(jié)果表明，在云南地區(qū)的普通菜豆種質(zhì)資源在形態(tài)學(xué)上具有豐富的多樣性。10個(gè)農(nóng)藝性狀的平均變異系數(shù)為0.24，其中以單株莢數(shù)的變異度最大，達(dá)到0.61。平均多樣性指數(shù)為2.04，各性狀間數(shù)值差異不大。通過因子分析中的主成分法將10個(gè)變量降維獲得4個(gè)公共因子，含義清晰且解釋度較好。利用公共因子得分進(jìn)行聚類分析，129份菜豆資源可分為2大類5個(gè)亞群。其特征是:亞群Ⅰ表現(xiàn)為分枝及結(jié)莢多，單莢粒數(shù)多，百粒重較小而單株產(chǎn)量高;亞群Ⅱ表現(xiàn)晚熟，莢小，百粒重和單株產(chǎn)量低;亞群Ⅲ表現(xiàn)長莢;亞群Ⅳ資源數(shù)量最多，表現(xiàn)分枝少，較早熟;亞群Ⅴ表現(xiàn)為早熟，結(jié)莢少，莢型短寬且單莢粒數(shù)少，百粒重大。

普通菜豆;種質(zhì)資源;遺傳多樣性;云南

普通菜豆(Phaseolus vulgaris L.)又名四季豆、蕓豆等，英文文獻(xiàn)中一般稱為Common bean。普通菜豆起源于中美洲，主要分為兩大起源中心:安第斯山脈起源中心和美索美洲起源中心［1－2］。中國是普通菜豆的次生起源中心之一［3］，產(chǎn)生了軟莢變種P.vulgaris L.var.chinensis Hort.，其種質(zhì)資源更多的來源于美索美洲起源中心［4］。普通菜豆在馴化過程中，其生物多樣性不斷丟失［5］，對其種質(zhì)資源的收集、評價(jià)和保護(hù)工作顯得尤為迫切。全世界保存普通菜豆資源最多的機(jī)構(gòu)包括CIAT(35 891份)，USDA(14 674份)，Embrapa(14 460份)，INIFAP(12 752份)和IPK(8680份)［6］。這些機(jī)構(gòu)對所保存的普通菜豆資源進(jìn)行了深入研究，發(fā)現(xiàn)正是其豐富的生物多樣性提高了普通菜豆的適應(yīng)能力，從而可以在全球范圍內(nèi)廣泛分布［7］。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院(CAAS)是中國進(jìn)行種質(zhì)資源收集和保存工作最多的單位，目前保存有粒用普通菜豆資源4935份和莢用普通菜豆資源3186份［8］。蔓生型普通菜豆的種植和收獲屬于勞動密集型產(chǎn)業(yè)，中國在普通菜豆的生產(chǎn)和國際貿(mào)易中占有一定的優(yōu)勢［9］，對其種質(zhì)資源的評價(jià)利用是維持產(chǎn)業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展的重要保證。張赤紅等［10］對全國普通菜豆資源進(jìn)行了形態(tài)學(xué)生物多樣性研究，發(fā)現(xiàn)來自云南地區(qū)的材料存在著豐富的遺傳多樣性，但是目前還沒有專門針對云南地區(qū)普通菜豆資源進(jìn)行生物多樣性分析的研究。農(nóng)藝性狀廣泛應(yīng)用于生物多樣性的研究工作［11］，文章對云南129份普通菜豆資源進(jìn)行農(nóng)藝數(shù)量性狀調(diào)查，利用主成分法和聚類分析進(jìn)行分類總結(jié)，為了解云南地區(qū)普通菜豆種質(zhì)資源遺傳的生物多樣性分布情況，對核心種質(zhì)的建立，資源的收集和保護(hù)，拓寬育種遺傳基礎(chǔ)提供理論依據(jù)和材料。

表1 農(nóng)藝性狀調(diào)查項(xiàng)目及描述標(biāo)準(zhǔn)Table 1 Agronomic traits and its survey standard for Yunnan common bean germplasm

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

從云南各州(市)收集到的普通菜豆資源129份，其中保山2份，楚雄6份，大理25份，德宏6份，迪慶1份，紅河6份，麗江8份，臨滄11份，怒江23份，普洱10份，曲靖2份，文山5份，西雙版納3份，香格里拉3份，玉溪13份，昭通5份，收集地點(diǎn)涵蓋了云南省除昆明市以外的所有州(市)。129份普通菜豆資源收集于2006－2012年，并于2013－2015年間種植于云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院位于嵩明縣小街鎮(zhèn)的科研試驗(yàn)基地內(nèi)。田間排列采用間比法設(shè)計(jì)，每份材料種植2行，共80株。

1.2 性狀調(diào)查及調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)

對參試資源的10項(xiàng)農(nóng)藝性狀進(jìn)行調(diào)查(表1)，調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)參照《普通菜豆種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》［12］。

1.3 數(shù)據(jù)處理

平均值，標(biāo)準(zhǔn)差及變異系數(shù)等數(shù)據(jù)利用Excel軟件進(jìn)行計(jì)算。所有變量利用SPSS 22.0的分類功能進(jìn)行10級分類，多樣性指數(shù)按照Shannon-Weaver方法計(jì)算，采用公式為H’=－∑Piln Pi，Pi為某性狀第i個(gè)代碼值出現(xiàn)的概率。因子分析和聚類分析均使用SPSS 22.0軟件，其中因子分析使用主成分法，聚類分析選用ward法及歐式距離作為標(biāo)準(zhǔn)。由于不同變量間的量級不同，在分析前均將原始數(shù)據(jù)進(jìn)行Z標(biāo)準(zhǔn)化處理。

表2 農(nóng)藝性狀統(tǒng)計(jì)及多樣性指數(shù)Table 2 Statistic and diversity index of agronomic traits for Yunnan common bean germplasm

表3 主成分的特征值及貢獻(xiàn)率Table 3 Eigenvalues and variance contribution of principal components

2 結(jié)果與分析

2.1 參試資源遺傳多樣性分析

對參試資源的考種數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析(表2)。結(jié)果顯示，10個(gè)農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)范圍為0.11 (莢寬)至0.61(單株莢數(shù))，離散程度均大于10%，平均值為0.24，說明這些資源在每個(gè)性狀上都表現(xiàn)出明顯的多態(tài)性，可以用于拓寬普通菜豆育種的遺傳基礎(chǔ)。多樣性指數(shù)范圍為1.79(生育期)～2.20 (莢長)，平均值為2.04，不同性狀之間的多樣性指數(shù)差異不大。

2.2 參試資源農(nóng)藝性狀的因子分析

由于變量的數(shù)量較多，為了便于分析哪類因子的變異造成了云南地區(qū)普通菜豆豐富的遺傳多樣性，利用因子分析中的主成分法對10個(gè)不同的變量進(jìn)行了降維處理(表3)，結(jié)果顯示前4個(gè)公共因子(特征值大于1)對方差的解釋度達(dá)到了81.765%。其它因子的特征值遠(yuǎn)小于1，且方差貢獻(xiàn)率很小，不能起到降維和解釋變異的效果。因此在隨后的分析中以前4個(gè)公共因子作為聚類依據(jù)。

為了使因子的含義更加清晰，使用了最大方差法進(jìn)行因子旋轉(zhuǎn)(表4)，結(jié)果顯示這4個(gè)公共因子在各個(gè)變量上的載荷差異明顯，均接近0或1，降維效果良好。其中公共因子1在現(xiàn)蕾時(shí)間，開花時(shí)間，末花時(shí)間和生長期上有較大載荷，說明其和生育進(jìn)程相關(guān);公共因子2在莢寬和百粒重上有較大載荷，公共因子4在莢長和單莢粒數(shù)上有較大載荷，兩者均和莢粒的生長相關(guān)，但側(cè)重范圍不同;公共因子3在單株莖枝數(shù)和單株實(shí)莢數(shù)上有較大載荷，說明其和全株的營養(yǎng)和生殖生長相關(guān)。

表4 方差最大正交旋轉(zhuǎn)變換后的因子載荷矩陣Table 4 The factor loadingmatrix after variance orthogonal transformation

圖1 基于10個(gè)農(nóng)藝性狀的普通菜豆資源聚類圖Fig.1 Dendrogram of cluster analysis based on the data of 10 agronomic traits

2.3 聚類分析

利用因子分析過程中獲得的因子得分矩陣，對129份普通菜豆資源進(jìn)行分層聚類，種質(zhì)間距離為歐氏距離，聚類方法采用ward法。結(jié)果(圖1)顯示參試資源可以被分為兩大群體。第一類群體又包括Ⅰ、Ⅱ亞群，第二類群體包括Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ亞群。

分別計(jì)算當(dāng)參試材料分為兩類群體(表5)和5個(gè)亞群(表6)時(shí)，每個(gè)類群內(nèi)資源的12個(gè)農(nóng)藝性狀和所處海拔高度的平均值。結(jié)果表明當(dāng)全部資源分為兩大類群體時(shí)，分類的主要依據(jù)是單株分枝數(shù)，單株實(shí)莢數(shù)和百粒重，因此公共因子3是主要的分類因子。第一類群體分蘗和結(jié)莢能力強(qiáng)、小莢小粒、單株產(chǎn)量高;第二類群體分蘗和結(jié)莢少、大莢大粒、單株產(chǎn)量低。所處海拔未對分類造成影響。當(dāng)全部資源分為5個(gè)亞群時(shí)，亞群Ⅰ主要的分類依據(jù)是公共因子3，具體表現(xiàn)為出苗晚，分枝及結(jié)莢多，單莢粒數(shù)多，百粒重較小而單株產(chǎn)量高，分布在海拔1820 m左右的地方;亞群Ⅱ主要的分類依據(jù)是公共因子1，具體表現(xiàn)為出苗早、晚熟、莢小，百粒重和單株產(chǎn)量低，分布在海拔1865 m左右的地方;亞群Ⅲ主要的分類依據(jù)是莢長，具體為長莢，分布在海拔2000 m左右的地方;亞群Ⅳ資源數(shù)量最多，主要的分類依據(jù)是單株分枝數(shù)，具體表現(xiàn)分枝少，較早熟，分布在海拔1710 m左右的地方;亞群Ⅴ主要的分類依據(jù)是公共因子1，具體表現(xiàn)為早熟、結(jié)莢多、莢型短寬且單莢粒數(shù)少、百粒重大，分布在海拔1980 m左右的地方。對每類材料所在的海拔進(jìn)行多組非參數(shù)檢驗(yàn)，結(jié)果顯示存在顯著差異(P＜0.05)，說明處在不同類群的資源所在的海拔高度也不同。

3 討論

3.1 云南地區(qū)普通菜豆種質(zhì)資源的遺傳多樣性

普通菜豆是目前世界上種植面積最大的食用豆類(主要用作榨油的大豆和花生除外)，由于其豐富的營養(yǎng)價(jià)值，特別對癌癥有預(yù)防能力，而越來越受到國際社會的重視［13］。中國作為普通菜豆的次級起源中心和生產(chǎn)消費(fèi)大國，一直重視對普通菜豆種質(zhì)資源的收集，評價(jià)和利用［14－17］。云南是普通菜豆的主產(chǎn)區(qū)，也是世界上生物多樣性最為豐富的地區(qū)之一［18］，對云南地區(qū)普通菜豆資源的收集和研究就顯得尤為重要。本研究首次對云南地區(qū)收集到的普通菜豆種質(zhì)資源進(jìn)行農(nóng)藝性狀的生物多樣性分析，結(jié)果顯示參試材料在所有性狀上都表現(xiàn)出較高的變異度，說明普通菜豆在云南復(fù)雜的生境和人為馴化中也產(chǎn)生了豐富的變異。通過聚類分析將參試資源分為兩大群體時(shí)，群體間性狀的差異從大到小依次為單株莢數(shù)＞單株分枝數(shù)＞百粒重＞開花時(shí)間＞莢長＞現(xiàn)蕾時(shí)間＞莢寬＞終花時(shí)間＞單莢粒數(shù)＞生育期，而性狀變異系數(shù)從大到小依次為單株莢數(shù)＞單株分枝數(shù)＞百粒重＞開花時(shí)間＞莢長＞單莢粒數(shù)＞現(xiàn)蕾時(shí)間＞終花時(shí)間＞生育期＞莢寬。通過對比發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)排列非常相似，群體間差異最大的5個(gè)性狀的排列順序和其變異系數(shù)的大小排列順序是完全一樣的，這說明變異系數(shù)既是反映生物多樣性的重要指標(biāo)，也是資源分類的重要依據(jù)。相比較而言，多樣性指數(shù)并沒有體現(xiàn)出這一特點(diǎn)。

表5 2類資源的農(nóng)藝性狀平均值比較Table 5 Comparison of average value between cluster 1 and cluster 2 on agronomic traits

表6 5個(gè)亞群資源的農(nóng)藝性狀平均值比較Table 6 Comparison of average value among 5 sub-clusters on agronomic traits

當(dāng)把資源細(xì)分為5個(gè)亞群時(shí)，單株莢數(shù)、單株分枝數(shù)和百粒重仍然是主要的分類依據(jù)，但其它變異度較小的因素如物候期、海拔等也體現(xiàn)出了對生物多樣性的影響。說明要實(shí)現(xiàn)對資源的全面科學(xué)劃分，次一級的影響因子也應(yīng)該考慮在內(nèi)。本研究在進(jìn)行因子分析和聚類分析時(shí)發(fā)現(xiàn)如果加入出苗時(shí)間和單株產(chǎn)量這2個(gè)變量，降維和聚類效率都有所下降，可能是這兩個(gè)性狀同時(shí)受到很多其它性狀的影響，導(dǎo)致其它沒有直接因果關(guān)系的變量在進(jìn)行相關(guān)分析時(shí)也表現(xiàn)出了線性關(guān)系。通過挑選，文章最終選擇的10個(gè)性狀分類清晰，在聚類后計(jì)算不同群體內(nèi)資源變量平均數(shù)時(shí)加入對出苗時(shí)間和單株產(chǎn)量的分析，結(jié)果顯示出苗時(shí)間在不同群體中的區(qū)別不大，但是單株產(chǎn)量在不同的初級群體和亞群中都有明顯分布不均的情況，造成這一結(jié)果的原因?qū)⒃谶M(jìn)一步的研究中通過對性狀間相關(guān)和偏相關(guān)分析來進(jìn)行探索。

3.2 云南地區(qū)普通菜豆種質(zhì)資源的評價(jià)和利用

云南地區(qū)的普通菜豆遺傳多樣性非常豐富，單株莢數(shù)、單株分枝數(shù)和百粒重等農(nóng)藝性狀表現(xiàn)出很高的變異度，可以作為資源收集和分類的依據(jù)，也可以作為菜豆育種上的突破口加以應(yīng)用。對這些資源的抗逆性和品質(zhì)性狀還需要進(jìn)一步的分析，并加強(qiáng)對種質(zhì)資源的完備登記，而不是只對育成品種進(jìn)行登記。這樣才能全面了解資源特性，更好地挖掘資源利用潛力，提高資源的管理和應(yīng)用效率。

［1］Blair MW，Giraldo M C，Buendia H F，etal.Microsatellitemarker diversity in common bean(Phaseolus vulgaris L.)［J］.Theor Appl Genet，2006，113:100－109.

［2］Kwak M，Gepts P.Structure of genetic diversity in the two major gene pools of common bean(Phaseolus vulgaris L.，F(xiàn)abaceae)［J］.Theor Appl Genet，2009，118:979－992.

［3］Blair M W，González L F，Kimani PM，etal.Genetic diversity，inter-gene pool introgression and nutritional quality of common beans (Phaseolus vulgaris L.)from Central Africa［J］.Theor Appl Genet，2010，121:237－248.

［4］Zhang X，Blair MW，Wang S.Genetic diversity of Chinese common bean(Phaseolus vulgaris L.)landraces assessed with simple sequence repeatmarkers［J］.Theor Appl Genet，2008，117:629－640.

［5］Bitocchi E，Bellucci E，Giardini A，et al.Molecular analysis of the parallel domestication of the common bean(Phaseolus vulgaris L.) in Mesoamerica and the Andes［J］.New Phytol，2013，197:300－313.

［6］De Ron AM，Papa R，Bitocchi E，etal.Common Bean［M］.Grain Legumes，Springer New York，2015:1－36.

［7］Pickersgill B，Debouck DG.Domestication patterns in common bean (Phaseolus vulgaris L.)and the origin of the Mesoamerican and Andean cultivated races［J］.Theor Appl Genet，2005，110:432－444.

［8］張曉艷.中國普通菜豆種質(zhì)資源基因源分析與遺傳多樣性研究［D］.北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院，2007.

［9］程須珍，王述民.中國食用豆類品種志［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社，2009:269－270.

［10］張赤紅.普通菜豆種質(zhì)資源遺傳多樣性與分類研究［D］.北京:中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院碩士學(xué)位論文，2004.

［11］Meza N，Rosas JC，Martín JP，etal.Biodiversity of common bean (Phaseolus vulgaris L.)in Honduras，evidenced by morphological characterization［J］.Genetic Resources and Crop Evolution，2013，60:1329－1336.

［12］王述民，張亞芝，魏淑紅，等.普通菜豆種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)［M］.北京:中國農(nóng)業(yè)出版社，2006:9－26.

［13］Thompson M D，Brick M A，McGinley JN，et al.Chemical composition and mammary cancer inhibitory activity of dry bean［J］.Crop Sci，2009，49:179－186.

［14］王述民，張亞芝，王石寶，等.普通菜豆優(yōu)異種質(zhì)聯(lián)合鑒定與評價(jià)［J］.作物品種資源，1996(2):5－7.

［15］朱吉風(fēng)，武晶，王蘭芬，等.菜豆種質(zhì)資源抗普通細(xì)菌性疫病鑒定［J］.植物遺傳資源學(xué)報(bào)，2015，16(3):467－471.

［16］李龍，王蘭芬，武晶，等.普通菜豆品種苗期抗旱性鑒定［J］.作物學(xué)報(bào)，2015，41(6):963－971.

［17］欒非時(shí)，崔成煥，王金陵.菜豆種質(zhì)資源形態(tài)標(biāo)記的研究［J］.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，32:134－138.

［18］Yang Y，Tian K，Hao J，etal.Biodiversity and biodiversity conservation in Yunnan，China［J］.Biodiversity＆Conservation，2004，13:813－826.

(責(zé)任編輯 王家銀)

M orphology Genetic Diversity Analysis on Common Bean (Phaseolus vulgaris L.)Germ plasm Resources in Yunnan

DAICheng，HE Yu-hua*，BAO Shi-ying，WANG Li-ping，YANG Feng，YU Hai-tian，LV Mei-yuan＊＊
(Institute of Food Crops，Yunnan Academy of Agricultural Sciences，Yunnan Kunming 650205，China)

129 accessionswere analyzed for genetic diversity，and 10 morphology characteristicswere analyzed.The results showed that the germplasm resources of common bean in Yunnan area had rich diversity inmorphology.The results of analysis included Coefficientof Variation(c.v.)，Diversity Index(DI)，Principal Composition(PC)and Classification.As the result，the average c.v.of10 morphology characteristics was0.24，the c.v.of the Pods per Plant(PP)was0.61，which wasobvious c.v.value in allmorphology characteristics.The DI value didn’t appear obviously differenton all10，the average DIwas2.04.Using the results in PC to do classification analysis，129materials were divided into5 groups，and the group1 showed higher PP，smaller seeds but high Single Plant(SP)yield;The group 2 showed late maturity，smaller pods and lower SPyield;The group 3 showed long pod;The group 4 had themostofgermplasms，which showed lessbranches but earlymaturity;The group 5 showed earlymaturity，less PP，but higher Hundred SeedsWeight(HSW).

Common bean(Phaseolus vulgaris L.);Germplasm resources;Genetic diversity;Yunnan

S643.1

A

1001－4829(2017)2－0256－06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.2.003

2016－01－20

云南省“十三五”科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016BB002);農(nóng)業(yè)部公益性行業(yè)(農(nóng)業(yè))科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目(201303129);國家食用豆現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項(xiàng)目(CARS-09)

代程(1987－)，男，助理研究員，主要從事食用豆類遺傳育種工作，*為共同第一作者，E-mail:hyhyaas@163.com，＊＊為通訊作者，E-mail:lvmeiyang01@163.com。