鷹嘴豆種子表型性狀多樣性評價

周生壇 陸艷鵬 郭瑞軍 楊 濤 劉 榮 李 冠 王 棟 季一山 王晨瑜 黃宇寧 宗緒曉

（1中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，北京 100081；2青海省海東市互助縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，海東 810500）

鷹嘴豆（Cicer arietinumL.），染色體2n=16，隸屬于蝶形花亞科野豌豆族鷹嘴豆屬，有桃豆、雞豌豆、雞頭豆、羊頭豆等中文別稱[1]。鷹嘴豆種植歷史悠久，起源于亞洲西部及近東地區(qū)，是世界上重要的食用豆種類之一。據(jù)FAO統(tǒng)計表明，全世界鷹嘴豆種植面積達1480.2萬hm2，總生產(chǎn)量達1424萬t。 過去10年間，鷹嘴豆總種植面積上升22%，總產(chǎn)量增加42%，單產(chǎn)增加16%，在東亞、東南亞乃至全世界種植面積逐年擴增。從20世紀90年代起，我國從ICRISAT、ICARDA引進數(shù)百份鷹嘴豆種質(zhì)資源，已在新疆、青海、云南等地試種[2]。到2006年底，國內(nèi)已保存567份鷹嘴豆種質(zhì)資源，全世界已有20個國家共保存52179份鷹嘴豆種質(zhì)資源[3]。目前，鷹嘴豆種植、生產(chǎn)、加工、貿(mào)易均具有廣闊的發(fā)展前景。鷹嘴豆可食用藥用，其富含氨基酸、蛋白質(zhì)、維生素、皂苷等豐富的生理活性營養(yǎng)物質(zhì)，且具有耐旱、耐鹽堿、抗病蟲害等優(yōu)點[4]。有研究表明鷹嘴豆-根瘤菌具有強大的固氮能力，有利于鷹嘴豆的推廣和種植[5]。

目前鷹嘴豆在我國種植稀少，種植區(qū)域主要集中在云南、甘肅、新疆等地[3]，關(guān)于鷹嘴豆種質(zhì)資源收集、開發(fā)、育種等方面的研究也較少。邵千順等[6]對151份鷹嘴豆材料的株高、種皮類型、粒型、粒色、花色、株型等性狀進行遺傳多樣性分析發(fā)現(xiàn)，鷹嘴豆種質(zhì)資源各個性狀遺傳多樣性指數(shù)變化差異較大，不同鷹嘴豆種質(zhì)資源的變異系數(shù)也有很大差別。種植地域不同，鷹嘴豆農(nóng)藝性狀表現(xiàn)差異也不同。借鑒蠶豆[7]、花生[8]、小麥[9]、燕麥[10]等作物種質(zhì)資源運用相關(guān)分析、主成分分析以及聚類分析等方法，對鷹嘴豆農(nóng)藝性狀進行整合分析，可為鷹嘴豆種質(zhì)資源收集、篩選等研究利用提供諸多科學(xué)依據(jù)。

本研究從育種角度，對鷹嘴豆種子表型性狀進行研究，包括直徑、周長、粒長、粒寬、投影面積、百粒重、長寬比及圓度等8個數(shù)量性狀以及粒型、種子表面、粒色3個質(zhì)量性狀，并對數(shù)據(jù)進行整合分析，為鷹嘴豆優(yōu)異基因發(fā)掘、育種改良以及種質(zhì)創(chuàng)新提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗材料供試的251份鷹嘴豆種質(zhì)資源均來自中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所國家種質(zhì)資源庫，按不同地理來源劃分，包括來自國外26個國家的193份材料和來自國內(nèi)4個?。▍^(qū)）的58份材料（表1）。

表1 251份鷹嘴豆供試材料來源地

1.2試驗方法

1.2.1田間試驗選擇具有代表性的251份鷹嘴豆種質(zhì)資源，于2017年3月在山東東營播種，播種采取點播，大田栽培采用2m行長，每行20粒，株距10cm。于2017年6月混合收獲。

1.2.2種子表型性狀測定2017年10月對種子相關(guān)性狀進行考種分析。依據(jù)《鷹嘴豆種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》將種子表面、粒型、粒色共3個種子性狀差異性用阿拉伯?dāng)?shù)字進行代替。粒型：1=羊頭形，2=鷹頭形，3=球形；粒色：1=黑色，2=褐色，3=淺褐色，4=黑褐色，5=紅褐色，6=灰褐色，7=肉褐色，8=灰色，9=灰黃色，10=米色，11=黃色，12=淺黃色，13=黃褐色，14=橘黃色，15=橘紅色，16=米黃色，17=象牙白色，18=綠色，19=淺綠色，20=色彩斑駁，21=黑褐馬賽克；種子表面類型：1=光滑，2=粗糙，3=凹凸不平。運用SC-G型考種分析儀及千粒重儀，導(dǎo)出直徑、周長、粒長、粒寬、投影面積、百粒重、長寬比及圓度等種子數(shù)量性狀相關(guān) 參數(shù)。

1.2.3數(shù)據(jù)分析應(yīng)用Microsoft Excel 2013對種子數(shù)量性狀相關(guān)參數(shù)的基本數(shù)據(jù)進行整合分析，計算極大值、極小值、平均值、標準差及變異系數(shù)。運用SPSS 24.0對粒型、粒色、百粒重、投影面積等表型數(shù)據(jù)進行相關(guān)性分析、主成分分析；運用Popgene 1.32對表型性狀數(shù)據(jù)進行處理，計算出251份鷹嘴豆種質(zhì)資源間的歐氏距離，利用Mega 5.0進行聚類 分析。

2 結(jié)果與分析

2.1各來源供試材料表型數(shù)量性狀變異比較由表1得知，供試251份鷹嘴豆資源百粒重變化范圍在6.45～37.82g之間，平均百粒重為18.18g，其中百粒重最大的資源來自阿富汗，統(tǒng)一編號為L0001090，其次則是來自美國的L0000024，百粒重達36.39g。從不同來源的角度分析，國內(nèi)鷹嘴豆資源平均百粒重高于國外資源，平均為21.21g。此外，百粒重超過25g的鷹嘴豆資源達37份，其中國外有21份，而國內(nèi)只有16份，共占供試鷹嘴豆資源的14.74%；百粒重達到30g以上的有8份，國外資源有6份，國內(nèi)資源中青海與甘肅各1份。

表1 不同來源鷹嘴豆種質(zhì)資源種子性狀主要參數(shù)

續(xù)表

變異系數(shù)表明各數(shù)量性狀的離散程度大小。整體而言，百粒重的變異系數(shù)高于其他性狀，為34.80%；長寬比和圓度變異系數(shù)均小于其他性狀，分別為7.70%、7.80%。從國內(nèi)、國外的兩種來源上看，變異系數(shù)最大的是百粒重，分別為27.00%、36.05%；變異系數(shù)最小則為種子長寬比，分別為6.72%、7.88%。國內(nèi)、國外的8個數(shù)量性狀變異系數(shù)范圍分別為6.72%～27.00%、7.88%～36.05%，平均值則為11.63%、14.55%，說明國內(nèi)和國外兩種鷹嘴豆資源總體的遺傳變異的離散程度相似。

2.2種子表型性狀的相關(guān)性分析由表2得知，在11個性狀之間，僅有粒型與粒長、長寬比與種子表面、圓度與種子表面、圓度與粒長、粒長與長寬比的相關(guān)性未達到顯著水平，其余均達極顯著水平（P＜0.01）。長寬比與種子表面和粒長未達到顯著水平，與其余性狀均呈極顯著負相關(guān)，而直徑、周長、粒長、粒寬、投影面積與百粒重間的相關(guān)系數(shù)均高于0.75，呈極顯著正相關(guān)。百粒重作為鷹嘴豆種質(zhì)資源數(shù)據(jù)標準與育種改良的重要指標之一，與直徑、周長、粒長、粒寬、投影面積呈極顯著正相關(guān)，因此可將這6個表型性狀作為引進鷹嘴豆資源和鷹嘴豆育種過程中的參照指標。

表2 種子表型性狀相關(guān)性分析

2.3種子表型性狀的主成分分析供試鷹嘴豆材料的11個表型性狀間的相關(guān)性較強，運用主成分分析，可充分說明鷹嘴豆種質(zhì)資源表型性狀變異的主要原因。由表3得知，3個主成分的貢獻率分別為64.14%、22.17%和7.70%，且累計貢獻率為94.01%，幾乎包含所有供試鷹嘴豆種子表型性狀的全部信息。

表3 種子表型性狀的主成分分析

主成分Ⅰ特征值為7.06，貢獻率為64.14%，直徑、周長、粒長、粒寬、投影面積、百粒重等性狀特征值較高，分別為0.96、0.92、0.79、0.99、0.96、0.99，說明主成分Ⅰ主要描述籽粒大小變異，且上述6個性狀可在鷹嘴豆高產(chǎn)育種中著重考慮。主成分Ⅱ的特征值為2.44，其貢獻率是22.17%，圓度、粒型以及長寬比三者絕對特征值較高，分別為0.69、0.69、0.70，主成分Ⅱ主要描述籽粒形態(tài)差異。主成分Ⅲ的特征值為0.85，貢獻率僅有7.70%，其中種子表面特征值最高，為0.76，說明主成分Ⅲ主要描述種子表面類型。

2.4種子表型數(shù)量性狀的聚類分析利用Popgene 1.32軟件根據(jù)種子表型質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀數(shù)據(jù)計算鷹嘴豆種質(zhì)資源間的歐氏距離，再用Mega 5.0進行聚類分析（圖1）。由圖1、表4得知，251份鷹嘴豆材料可在遺傳距離為9.11時劃分為4個類群。第Ⅰ類群包含86份鷹嘴豆資源，占供試材料34.26%，粒型以羊頭形居多，少量為球形或鷹頭形。種子表面以粗糙型為主，光滑型次之；粒色為黑褐色、紅褐色、褐色、淺褐色、黑色以及灰褐色，個別為象牙白色、米黃色。第Ⅱ類群包含49份鷹嘴豆資源，占19.52%；粒型以球形為主，鷹頭形次之，少量為羊頭形；種子表面以光滑、粗糙型為主。粒色則為黃色、米黃色、淺黃色。第Ⅲ類群包含73份鷹嘴豆資源，占29.08%；粒型以鷹頭形為主，球形次之，羊頭形最少；種子表面主要為粗糙型，凹凸不平次之；粒色為黃色、米黃色、淺黃色。第Ⅳ類群包含43份鷹嘴豆資源，占17.13%；粒型以鷹頭形為主，羊頭形最少，種子表面主要為粗糙型，凹凸不平次之；粒色以米黃色、淺黃色為主。

如表4所示，4個類群投影面積的平均值最 高，分 別 為26.93mm2、31.41mm2、37.57mm2、45.11mm2；百粒重的變異系數(shù)最高。經(jīng)過相關(guān)分 析以及主成分分析，4個群體中百粒重、投影面積、周長、粒長、粒寬、直徑可以作為育種的重要目標， 除粒長平均值表現(xiàn)Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅰ＞Ⅱ外，其余 5個性狀均表現(xiàn)為Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ；長寬比與圓度的平均值變化趨勢分別為Ⅰ＞Ⅳ＞Ⅲ＞Ⅱ、Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅳ＞Ⅰ，而二者變異系數(shù)則為Ⅳ＞ Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ，表明鷹頭形種長寬比與圓度變異幅度較大。

3 結(jié)論與討論

我國鷹嘴豆的種植歷史悠久[11]，但種質(zhì)資源收集、開發(fā)利用、育種方面的研究較少。本研究通過對251份收獲的鷹嘴豆種質(zhì)資源的表型性狀進行分析，可為日后篩選優(yōu)異鷹嘴豆種質(zhì)資源提供可靠 依據(jù)。

3.1不同來源鷹嘴豆表型性狀變異比較到目前為止，對于鷹嘴豆種質(zhì)資源的研究大多為形態(tài)性鑒定及遺傳多樣性分析[4]，不同來源的鷹嘴豆種子表型變異比較的研究較少。本研究結(jié)果表明，251份鷹嘴豆資源的直徑、周長、粒長、粒寬、投影面積、百粒重、長寬比及圓度等表型數(shù)量性狀變化差異較大，其中百粒重與投影面積的總體變異系數(shù)達34.80%、21.01%，表明供試鷹嘴豆種質(zhì)資源變異范圍較廣，其遺傳多樣性豐富。從來源看，國內(nèi)鷹嘴豆除長寬比均值低于國外，其余性狀均高于國外；變異系數(shù)低于國外，國外資源相較于國內(nèi)遺傳多樣性較 豐富、資源選擇范圍廣。國內(nèi)資源百粒重變異系數(shù)與國外資源相差9.05%，其余性狀變異系數(shù)相差不大，兩種來源的資源的變異系數(shù)差別不大，表明兩種來源鷹嘴豆資源的遺傳變異離散程度相近。

圖1 基于11個種子性狀的鷹嘴豆種質(zhì)資源聚類圖

表4 251份鷹嘴豆種質(zhì)資源類群的信息

3.2性狀相關(guān)分析及主成分分析靳曉麗等[12]研究發(fā)現(xiàn)單株粒數(shù)和百粒重是影響產(chǎn)量的主要因素，可作為篩選高產(chǎn)量鷹嘴豆品種的參考性狀。直徑、周長、粒長、粒寬、投影面積與百粒重的相關(guān)系數(shù)均高于0.75，呈極顯著正相關(guān)，與小麥種子性狀之間的相關(guān)性研究結(jié)果相類似[13]。百粒重是篩選鷹嘴豆種質(zhì)資源的重要指標，也是育種的重要目標之一，因此，在引進鷹嘴豆資源和鷹嘴豆育種過程中，除百粒重外，也可將種子的直徑、周長、粒長、粒寬以及投影面積作為選擇的標準。

251份供試材料的11個性狀具有較強的相關(guān)性，通過對11個性狀進行主成分分析，前3個主成分的累計貢獻率達94.01%，表明前3個主成分幾乎覆蓋供試材料種子11個表型性狀的全部信息。主成分Ⅰ可解釋總變異的64.14%，主要描述鷹嘴豆種子顆粒大小的變異，直徑、周長、粒長、粒寬、投影面積、百粒重可在鷹嘴豆的育種、開發(fā)利用中著重考慮；主成分Ⅱ主要描述籽粒形態(tài)，主成分Ⅲ描述的則是種子表面類型。

3.3聚類分析及4個類群比較聚類分析應(yīng)用范圍較廣，韓文革等[14]通過株高、株型、產(chǎn)量對8個鷹嘴豆品種進行聚類分析，最終確定株高、株型適宜機械化采收和產(chǎn)量偏高的品種適合推廣種植。劉玉皎等[15]將153份蠶豆資源分成3大類，主要表現(xiàn)為蠶豆顆粒大小的差異，同時與百粒重密切相關(guān)。本研究將251份鷹嘴豆材料在歐氏距離為9.11時劃分為4個類群，4個群體中百粒重、投影面積、周長、粒長、粒寬、直徑可以作為育種參考的重要目標，第Ⅳ類群6個性狀均值均高于其他類群。在籽粒類型中，鷹頭形種長寬比與圓度變異幅度 較大。

相較于國外，國內(nèi)鷹嘴豆資源依舊稀少。在引進鷹嘴豆種質(zhì)資源過程中，可將直徑、周長、粒長、粒寬、投影面積、百粒重作為重要參考指標，其次考慮粒型、粒色及種子表面類型等因素。選育粒型為鷹頭形、球形的品種相較于羊頭形可保證高產(chǎn)。本研究僅從11個種子表型性狀進行鷹嘴豆多樣性研究，易受種植地域、氣候以及人為因素等的影響，存在一定的局限性。在現(xiàn)有鷹嘴豆種子表型多樣性的基礎(chǔ)上，需從分子、細胞以及生理生化等角度進行深入研究，可準確描述鷹嘴豆遺傳多 樣性。