基于系統(tǒng)聚類分析的黃淮海區(qū)夏大豆性狀研究

劉博,衛(wèi)玲,喬羽佳,肖俊紅,楊海峰,段學(xué)艷

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)/山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所,山西臨汾041000）

大豆是五谷之一.我國(guó)是大豆原產(chǎn)國(guó)和起源地,有悠久的飲食傳統(tǒng)和種植歷史.我國(guó)已從世界最大的大豆出口國(guó),轉(zhuǎn)變?yōu)樽畲蟮倪M(jìn)口國(guó).進(jìn)口量從1995年的100萬(wàn)t左右,增長(zhǎng)到2020年1億t以上,25年增長(zhǎng)約100倍,對(duì)外依存度約85%.目前,巴西、美國(guó)、阿根廷的轉(zhuǎn)基因大豆約占進(jìn)口大豆90%.國(guó)產(chǎn)大豆平均產(chǎn)量約在2 000 kg/hm2,非轉(zhuǎn)基因大豆價(jià)格比進(jìn)口轉(zhuǎn)基因大豆高約60%.提高大豆產(chǎn)量和自給率,必須有優(yōu)良品種支持,需要拓寬育種遺傳基礎(chǔ).黃淮海地區(qū)曾是我國(guó)大豆種植面積最大區(qū)域,后因種植結(jié)構(gòu)調(diào)整,玉米、花生面積增加等原因,該區(qū)大豆面積縮少至230萬(wàn)hm2左右,目前仍是我國(guó)大豆第二大主產(chǎn)區(qū)[1].該區(qū)以冬小麥?zhǔn)斋@后,復(fù)播夏大豆類型為主,大豆生育期多集中在105 d左右.該區(qū)自然生態(tài)環(huán)境復(fù)雜,造就了其大豆品種（種質(zhì)）多樣性豐富、適應(yīng)性和抗逆性較強(qiáng)等特點(diǎn).這些特點(diǎn)為豐富種質(zhì)資源,拓寬遺傳基礎(chǔ),發(fā)掘優(yōu)良基因和變異,改良性狀等提供了物質(zhì)和理論基礎(chǔ).充分利于這些條件,有利于提高大豆育種品質(zhì)和產(chǎn)量.為此,對(duì)黃淮海地區(qū)近年主要大豆品種（品系）的性狀進(jìn)行了分析,以期對(duì)發(fā)掘和利用優(yōu)質(zhì)種質(zhì),促進(jìn)大豆育種及生產(chǎn)提供幫助.

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

黃淮海夏大豆品種（系）54個(gè),名稱和供種單位見(jiàn)表1.

表1 大豆品種（品系）及提供單位Tab.1 varieties（lines）of soybean and their supply units

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2017年在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)/山西農(nóng)業(yè)科學(xué)院小麥研究所韓村國(guó)家試驗(yàn)基地進(jìn)行,3次重復(fù).土壤為壤土,含速效氮量為34.61 mg/kg、含速效磷量為2.63 mg/kg、含速效鉀量為265 mg/kg.前茬作物為冬小麥,秸稈還田后免耕復(fù)播種植大豆.

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和方法

間比設(shè)計(jì)3次重復(fù),小區(qū)長(zhǎng)6 m,寬2.5 m,行距:0.5 m,株距0.11 m,密度18.75萬(wàn)株/hm2,其他各項(xiàng)操作均參照國(guó)家區(qū)試常規(guī)要求種植.

使用Excel 2007和SPSS PASWStatistics18進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆群體性狀描述分析

由表2可知,參試大豆品種（系）性狀變異豐富.從極值增幅（極差/極小值）看,各性狀表型變異從大到小可分為4類.第1類:增幅4倍以上,即無(wú)效莢數(shù)、單株粒質(zhì)量、有效莢數(shù)、單株莢數(shù),主要為庫(kù)容因子;第2類,增幅3倍以上:單株粒數(shù)、分枝數(shù)、底莢高;第3類,增幅1倍以上:株高,主要為株型因子;第4類,增幅0.5倍以上:節(jié)數(shù)、百粒質(zhì)量、產(chǎn)量.從變異系數(shù)看,可分為3類,第1類:無(wú)效莢數(shù)、分枝數(shù)位列前2,超過(guò)70%;第2類:單株粒數(shù)、單株莢數(shù)、有效莢數(shù)、單株粒質(zhì)量、底莢高超過(guò)35%;第3類:株高、百粒質(zhì)量、產(chǎn)量、節(jié)數(shù),超過(guò)10%.

表2 大豆品種（品系）性狀描述Tab.2 Traits description of soybean varieties（lines）

2.2 大豆性狀間相關(guān)系數(shù)

對(duì)參試大豆品種（系）性狀進(jìn)行相關(guān)分析,結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 大豆品種（品系）性狀相關(guān)系數(shù)Tab.3 Related Traits coefficient of soybean varieties（lines）

株高與底莢高、節(jié)數(shù)、呈極顯著正相關(guān),與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān);底莢高與單株粒質(zhì)量、分枝數(shù)、單株粒數(shù)、單株莢數(shù)、有效莢數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)、與無(wú)效莢數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān);節(jié)數(shù)與單株粒質(zhì)量、單株粒數(shù)、有效莢、單株莢數(shù)、分枝呈顯著正相關(guān),與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān);分枝數(shù)與單株莢數(shù)、有效莢、單株粒質(zhì)量、單株粒數(shù)、無(wú)效莢呈顯著正相關(guān);單株莢數(shù)與有效莢數(shù)、無(wú)效莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒質(zhì)量呈極顯著正相關(guān);有效莢與無(wú)效莢、單株粒數(shù)、單株粒質(zhì)量呈極顯著正相關(guān);無(wú)效莢與單株粒數(shù)、單株粒質(zhì)量呈極顯著正相關(guān);單株粒數(shù)與單株粒質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)、與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān);單株粒質(zhì)量與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān).

2.3 大豆性狀與產(chǎn)量回歸分析

大豆性狀與產(chǎn)量進(jìn)行回歸分析見(jiàn)表4和表5.

表4 大豆性狀與產(chǎn)量線性回歸Tab.4 Traits of soybean and output linear regression

表5 大豆產(chǎn)量線性回歸模型Tab.5 Linear regression model of soybean ou t

由表4和表5可知，產(chǎn)量回歸方程為:y=1 303.006+17.119x9+7.211x1sig.=0.002＜0.01達(dá)極顯著水平,模型有效.單株粒質(zhì)量對(duì)產(chǎn)量影響極顯著、株高對(duì)產(chǎn)量影響顯著.

主因子特征值、貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率，見(jiàn)表6.

表6 主因子特征值、貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率Tab.6 Main Traits value,rate of contribution,accumulative total rate of contribution

由表6可知,3個(gè)主因子特征值均大于1,且累計(jì)貢獻(xiàn)率81.265%,可反映原始表型因素的絕大部分信息.

2.4 大豆性狀因子分析

旋轉(zhuǎn)后載荷矩陣和大豆品種（系）性狀主因子得分、綜合得分及排序（前3和后3）見(jiàn)表7和表8.

表8 大豆品種（系）性狀主因子得分、綜合得分及排序Tab.8 Scores of main factors,comprehensive scores and rank of soybean varieties（lines）

由表7可知,第1主因子主要由單株莢數(shù)、有效莢數(shù)、單株粒質(zhì)量、單株粒數(shù)、分枝數(shù)構(gòu)成,均與光合產(chǎn)物存貯的庫(kù)有關(guān),可稱為庫(kù)容因子;第2主因子主要由株高、節(jié)數(shù)、底莢高度構(gòu)成,均與株型和植株高度有關(guān),可稱為株型/高度因子;第3主因子主要由百粒質(zhì)量和無(wú)效莢數(shù)組成,遺傳較穩(wěn)定,可稱為穩(wěn)定因子.可見(jiàn)貢獻(xiàn)是庫(kù)容因子＞植株因子＞穩(wěn)定因子.

表7 旋轉(zhuǎn)后載荷矩陣Tab.7 Loading matrix after spin

由表8可知,大豆各品種（系）主因子得分不同,綜合得分中黃73、晉科3號(hào)、SK43居前3位,皖豆913、荷豆34、冀16-08居后3位.中黃73等可作為重點(diǎn)親本用于育種.

2.5 大豆群體性狀聚類分析

大豆群體性狀系統(tǒng)聚類如圖1所示。

使用系統(tǒng)聚類對(duì)參試大豆品種（系）性狀進(jìn)行了聚類分析.由圖1可知,在距離值為9時(shí),可分為4個(gè)群:中黃319、泛豆13號(hào)、邯豆5號(hào)等11個(gè)為第1群,主要分布在北京、河南、河北等;鄭15234、鄭16175、濮豆561等6個(gè)為第2群,主要分布在河南、安徽、北京;安豆5240、中作11-54、周11121-3-1-2等20個(gè)為第3群,黃淮海各地均有分布;科豆30號(hào)、漯4904、汾豆99等17個(gè)為第4群.

圖1 大豆群體性狀系統(tǒng)聚類Fig.1 System cluster of soybean group traits

不同類群性狀均值比較見(jiàn)表9.

表9 不同類群性狀均值比較Tab.9 Mean value comparison of different types of traits

表9顯示,在4個(gè)群體中,第4群、第1群體之間株高無(wú)顯著差異,但顯著高于第3和第2群（后2個(gè)之間無(wú)顯著差異）;第4群的底莢高度顯著高于其他群體（其他群之間無(wú)顯著差異）;第1群的節(jié)數(shù)顯著高于第3、第4群（第3、第4之間無(wú)顯著差異）;單株莢數(shù)、單株有效莢數(shù)、單株粒質(zhì)量4個(gè)群體間差異均顯著,且順序一致,均為第2群最高,第4群最低;無(wú)效莢數(shù)第2群也顯著高于其他群體（其他之間差異不顯著）;單株粒數(shù)第2群最高,第4群最低.百粒質(zhì)量和產(chǎn)量在4個(gè)群體間差異不顯著.第1群產(chǎn)量最高.

3 討論

在黃淮海夏大豆54份大豆性狀方面,研究了相同環(huán)境下,不同來(lái)源的品種（系）總體表現(xiàn).結(jié)果發(fā)現(xiàn),群體性狀主要農(nóng)藝性狀,按極值增幅可分為4類,按變異系數(shù)可分為3類,2種分類方法均顯示,無(wú)效莢、分枝數(shù)、單株粒數(shù)、單株莢數(shù),有效莢數(shù)在群體中變幅較大,節(jié)數(shù)、百粒質(zhì)量在群體中變幅較小,但也有主莖節(jié)數(shù)變異系數(shù)較大的報(bào)道[2].因此,在育種工作中,需要重視對(duì)莢數(shù)、單株粒數(shù)、分枝數(shù)等庫(kù)容因子進(jìn)行適當(dāng)選擇,以提高育種效率.

本研究中,百粒質(zhì)量變幅較小,且4類群體間均值差異不顯著.大豆百粒質(zhì)量受到籽粒大小影響顯著.大豆籽粒大小的遺傳受多基因控制,以基因加性效應(yīng)為主,屬數(shù)量性狀遺傳,百粒質(zhì)量的遺傳是相對(duì)穩(wěn)定[3,4],氮、磷、灌溉等對(duì)百粒質(zhì)量影響也不顯著[5].潘麗媛等利用限制性兩階段多位點(diǎn)全基因組關(guān)聯(lián)分析方法（RTM-GWAS）,對(duì)大豆RIL群體百粒質(zhì)量進(jìn)行了QTL檢測(cè),相比復(fù)合區(qū)間作圖法和基于混合線性模型的全基因組關(guān)聯(lián)分析方法2種方法,RTM-GWAS檢測(cè)QTL數(shù)目最多,解釋表型變異最多[6].陳強(qiáng)等研究發(fā)現(xiàn),在石家莊國(guó)內(nèi)外的205份大豆資源材料中,百粒質(zhì)量遺傳力為96.88%[7].宋世玉報(bào)道,百粒質(zhì)量性狀的廣義遺傳率在85%以上[8];孫亞男等報(bào)道了16個(gè)與大豆百粒質(zhì)量性狀相關(guān)的QTL[9].Lu等報(bào)道,PP2C-1優(yōu)異等位基因的引入可提高大豆粒質(zhì)量或大小[10].另有研究表明,大豆籽粒的單粒質(zhì)量呈現(xiàn)明顯的粒位效應(yīng).在多粒莢內(nèi),基粒的粒質(zhì)量最小.不同粒位粒質(zhì)量在主莖上呈明顯的“紡錘形”分布,下部節(jié)位籽粒單粒質(zhì)量略小,而中部節(jié)位籽粒單粒質(zhì)量較大.不同粒位的籽粒大小與灌漿順序并無(wú)直接關(guān)系[11].有研究表明,對(duì)粒形性狀和百粒質(zhì)量主效QTL檢測(cè),獲得81個(gè)相關(guān)QTL,分布于18條染色體,貢獻(xiàn)率1.66%～30.70%,主效QTL對(duì)粒形性狀遺傳影響最大,上位性次之,環(huán)境互作最小[12-13].

在大豆性狀相關(guān)性方面,本研究結(jié)果顯示,單株粒質(zhì)量、節(jié)數(shù)、株高、單株粒數(shù)與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān),且相關(guān)系數(shù)依次減小.底莢高度與分枝數(shù)、莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒質(zhì)量均呈顯著負(fù)相關(guān).百粒質(zhì)量與其他9個(gè)性狀相關(guān)性未達(dá)顯著水平.前人對(duì)株高研究發(fā)現(xiàn),13個(gè)候選基因與大豆株高有關(guān),9個(gè)基因被注釋為編碼生長(zhǎng)素響應(yīng)蛋白,3個(gè)基因被注釋為編碼脫落酸相關(guān)蛋白,1個(gè)基因?yàn)镚H3生長(zhǎng)素響應(yīng)啟動(dòng)子[14].在株高研究方面,目前已有報(bào)道構(gòu)建基于Kinect 2.0的大豆冠層圖像同步采集平臺(tái),并在三維重建大豆冠層結(jié)構(gòu)形態(tài)基礎(chǔ)上,提出了基于深度信息的個(gè)體和群體大豆株高計(jì)算方法[15],有望高通量,客觀采集株高信息,減輕對(duì)勞動(dòng)力依賴.

在大豆產(chǎn)量方面,周長(zhǎng)軍研究發(fā)現(xiàn)除單株粒數(shù)、單株粒質(zhì)量外,莢期植株鮮質(zhì)量與大豆產(chǎn)量呈極顯著正相關(guān),應(yīng)關(guān)注莢期植株鮮質(zhì)量[16].李燦東等發(fā)現(xiàn)在高密度條件下,有效分枝數(shù)與大豆產(chǎn)量密切相關(guān)[17].單株莢數(shù)宜在低世代選擇,株高、主莖節(jié)數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒質(zhì)量和百粒質(zhì)量宜在高世代選擇,環(huán)境條件對(duì)株高和百粒質(zhì)量的選擇效果影響較大[18].小區(qū)產(chǎn)量和底莢高、分枝數(shù)、莢數(shù)等呈顯著或極顯著正相關(guān)[19].本研究對(duì)大豆性狀與產(chǎn)量進(jìn)行了回歸分析,發(fā)現(xiàn)單株粒質(zhì)量對(duì)產(chǎn)量影響極顯著、株高對(duì)產(chǎn)量影響顯著.試驗(yàn)條件、研究對(duì)象和試驗(yàn)方法等不同,可能是造成研究結(jié)果大同小異的主要原因,但普遍認(rèn)為單株粒質(zhì)量對(duì)產(chǎn)量有顯著影響.產(chǎn)量與單株粒數(shù)極顯著相關(guān)[20-21],與本研究結(jié)果也完全吻合.

本研究對(duì)大豆性狀進(jìn)行了因子分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),3個(gè)主因子特征值大于1,且累計(jì)貢獻(xiàn)率81.265%,反映大部分信息.因子貢獻(xiàn)表現(xiàn)為:庫(kù)容因子（單株莢數(shù)、有效莢數(shù)、單株粒質(zhì)量、單株粒數(shù)、分枝數(shù)）＞植株因子（株高、節(jié)數(shù)、底莢高度）＞穩(wěn)定因子（百粒質(zhì)量和無(wú)效莢數(shù)）,分別反映約50%、20%、10%信息.與呂美琴對(duì)福建省11個(gè)春大豆品種研究前3個(gè)主成分,分別為莢粒性狀因子（單株莢數(shù)、單株粒數(shù)）、產(chǎn)量性狀因子（百粒質(zhì)量、單株粒質(zhì)量）和株型性狀因子（主莖節(jié)數(shù)）結(jié)果相近[2].本研究對(duì)主因子得分進(jìn)行了綜合排序,中黃73、晉科3號(hào)、SK43前3位,皖豆913、荷豆34、冀16-08居后3位.綜合排序可作為育種組培親本開(kāi)展育種工作的參考.

本研究對(duì)大豆群體性狀進(jìn)行了系統(tǒng)聚類分析,結(jié)果顯示,群體可分為4個(gè).群體間株高、底莢高度、節(jié)數(shù)、無(wú)效莢數(shù)、單株粒數(shù)存在顯著差異;單株莢數(shù)、單株有效莢數(shù)、單株粒質(zhì)量在4個(gè)群體間差異均顯著,且順序一致,均為第2群最高,第4群最低;百粒質(zhì)量和產(chǎn)量在4個(gè)群體間差異不顯著.對(duì)應(yīng)到產(chǎn)量上,群體株高最高或群體單株粒質(zhì)量最高,只有單項(xiàng)最優(yōu)的群體,產(chǎn)量均不是最高,而是兩者協(xié)調(diào)較高,沒(méi)有明顯短板群體,平均產(chǎn)量最高.不同類群的劃分,可作為區(qū)分品種（系）相似度劃分依據(jù),可為配置雜交組合提供幫助.

4 結(jié)論

對(duì)黃淮海54份不同來(lái)源大豆參試品種（系）,在同一環(huán)境下群體進(jìn)行了性狀研究.11種性狀,從極值增幅和變異系數(shù)分類結(jié)果看,庫(kù)容因子（莢數(shù)、粒數(shù)等）變幅較大,株高、百粒質(zhì)量、產(chǎn)量、節(jié)數(shù)變幅較小.

從相關(guān)性分析看,產(chǎn)量與單株粒質(zhì)量、節(jié)數(shù)、株高、單株粒數(shù)呈顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)依次降低.

對(duì)產(chǎn)量進(jìn)行回歸分析表明,單株粒質(zhì)量對(duì)產(chǎn)量影響極顯著、株高對(duì)產(chǎn)量影響顯著.

因子分析顯示,3個(gè)主因子特征值均大于1,且累計(jì)貢獻(xiàn)率81.265%,可反映原始表型因素的絕大部分信息.對(duì)表型變異貢獻(xiàn)依次是庫(kù)容因子、植株因子、穩(wěn)定因子,分別占比約50%、20%、10%.

利用系統(tǒng)聚類,將該群體在距離值為9時(shí),劃分為4個(gè)群.群體11個(gè)表型均值均有不同程度差異,可根據(jù)需要,在群體中選擇目標(biāo)性狀優(yōu)良品種（品系）進(jìn)行優(yōu)良性狀聚合育種.

在大豆育種工作中,若以高產(chǎn)為育種目標(biāo),不但要重視對(duì)庫(kù)容因子的選擇,而且要重視植株因子協(xié)調(diào).節(jié)數(shù)在群體中顯示變幅較小,可適當(dāng)減少關(guān)注.通過(guò)對(duì)群體主要性狀間相關(guān)性、主因子、系統(tǒng)聚類等研究,為育種和性狀研究,推動(dòng)精準(zhǔn)育種和進(jìn)一步開(kāi)展相關(guān)性狀研究提供幫助.本研究?jī)H在表觀性狀上,使用多種方法對(duì)本區(qū)域大豆品種（系）進(jìn)行表觀性狀初步探索,在遺傳、分子、轉(zhuǎn)錄、翻譯、蛋白、細(xì)胞、生理生化等相關(guān)機(jī)理機(jī)制等深層研究方面還需要加強(qiáng).