基于農藝性狀的大豆種質資源多樣性分析及評價

王 鵬，侯思宇，2，武艷杏，李貴全

（1.山西農業(yè)大學農學院，山西太谷 030801；2.山西農業(yè)大學農業(yè)生物工程研究所，山西太谷 030801）

大豆營養(yǎng)豐富，用途廣泛，既是國民膳食結構中優(yōu)質植物蛋白質和食用植物油的重要來源，又是養(yǎng)殖業(yè)飼料加工中所需豆粕的重要原料。我國對大豆的需求量大，而國內大豆產量嚴重不足，主要依賴于進口。2020 年國內大豆進口量超過1 億t，已經(jīng)嚴重威脅到國家糧食安全。因此，以培育優(yōu)良大豆品種為抓手，提高大豆產量和品質，提升大豆生產效益和競爭能力，對于落實和加快農業(yè)供給側結構性改革，提升大豆供給保障能力具有十分重要的意義。

種質資源是大豆育種的重要物質基礎，全面了解和分析大豆種質資源的遺傳多樣性，充分發(fā)掘和篩選特異種質資源類型，拓寬種質資源遺傳基礎，是破解我國大豆育種困境、提高大豆育種實效的重要手段。目前，學者們已分別從形態(tài)學標記[1-3]、生化同工酶標記[4-5]及各種分子標記[6-7]等不同水平對大豆種質資源的遺傳多樣性進行了大量的研究。其中，基于表型性狀的形態(tài)學標記分析是大豆遺傳多樣性研究中最直接和快速的一種方法[8]。曾維英[9]等對廣西356 份地方大豆種質材料進行表型性狀分析，表明其具有較為豐富的遺傳多樣性；11 個農藝和品質性狀變異系數(shù)為3.57%～48.50%，質量性狀的Simpson 多樣性指數(shù)為0.120 9～0.734 8；同時，篩選出了若干份高蛋白、高脂肪、特大粒及適合食品加工的各類型優(yōu)異種質資源。譚春燕等[10]對貴州30 份大豆種質材料的10 個農藝性狀及產量進行分析，并利用系統(tǒng)聚類法將供試材料分為耐陰型、中間型和敏感型3 大類。趙朝森等[11]對239 份國外大豆種質資源進行性狀分析，結果表明，23 個質量性狀、15 個數(shù)量性狀的Simpson 多樣性指數(shù)分別為0～0.672 0 和0.640 6～0.852 6；質量性狀中，莢色多樣性指數(shù)最大，莖形狀和莢形多樣性指數(shù)最??；而農藝及品質數(shù)量性狀中，主莖節(jié)數(shù)多樣性指數(shù)最大，莢寬多樣性指數(shù)最小。

黃河中下游地區(qū)作為我國栽培大豆的多樣性中心之一[12-13]，是我國栽培大豆的重要起源地，該地區(qū)大豆種質資源遺傳多樣性豐富，并且具有明顯的地域特征[14]。大豆的表型農藝性狀大多為數(shù)量性狀，一方面是眾多微效基因相互作用的結果，另一方面在很大程度上受當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境因素的綜合影響。太谷縣位于山西晉中盆地東側，屬黃河中下游地區(qū)，為溫帶大陸性氣候，四季分明，冬寒夏熱，晝夜溫差大，年平均無霜期179 d。本研究選取30 個不同來源的大豆種質資源為試驗材料，對其在特定生態(tài)條件下的農藝性狀表型特征及多樣化水平進行研究和分析，并基于表型性狀通過隸屬函數(shù)法對不同大豆種質資源進行綜合評價，旨在為區(qū)域性大豆生產中品種更新、篩選和親本選配工作提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

從山西農業(yè)大學大豆育種室資源圃中隨機挑選30 份不同類型、不同來源大豆種質資源作為試驗材料（表1），包括育成品種、農家種及野生種。

表1 供試大豆種質資源

1.2 試驗設計

試驗于2019 年在山西農業(yè)大學農學院育種基地進行。30 份材料種植采用隨機區(qū)組設計，3 次重復，每小區(qū)6 行，行長3 m，行距0.5 m，株距10～15 cm。5 月14 日播種，10 月6 日收獲。足墑播種，及時間苗，生育期正常管理，及時中耕除草。成熟后每份種質資源隨機挑選5 株收獲，進行室內考種?？疾祉椖堪ㄖ旮?、株質量、莖粗、主莖節(jié)數(shù)、分枝數(shù)、有效分枝數(shù)、有效分枝始節(jié)、底莢高度、主莖莢數(shù)、一粒莢數(shù)、二粒莢數(shù)、三粒莢數(shù)、四粒莢數(shù)、總莢數(shù)、有效莢數(shù)、單株粒質量、百粒質量等17 個農藝性狀。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Microsoft Office Excel 2010 進行原始數(shù)據(jù)的錄入及統(tǒng)計分析，計算各性狀的均值、極差、極值、標準差和變異系數(shù)。利用SPSS 20.0 軟件進行相關性分析、聚類分析，采用GraphPad Prism 7 進行箱式圖的繪制。

根據(jù)平均值（X）和標準差（σ），將考察性狀劃分為10 個等級，每0.5σ 為1 級，即：1 級≤X－2σ，X－2σ＜2 級≤X－1.5σ，X－1.5σ＜3 級≤X－σ，X－σ＜4 級≤X－0.5σ，X－0.5σ＜5 級≤X，X＜6 級≤X＋0.5σ，X＋0.5σ＜7 級≤X＋σ，X＋σ＜8 級≤X＋1.5σ，X＋1.5σ＜9 級≤X＋2σ，10 級＞X＋2σ。計算各性狀Shannon's 多樣性指數(shù)（H）。

式中，Pi為某性狀第i 個等級的材料份數(shù)占供試材料總份數(shù)的百分比（i 為1～10）。

采用隸屬函數(shù)法對供試材料進行表型性狀綜合評價。

式中，Rij為第i 個種質材料第j 個性狀的隸屬函數(shù)值，Xij為第i 個種質材料第j 個性狀測量數(shù)值，Xmin為全部供試材料第j 個性狀的最小值，Xmax為全部供試材料第j 個性狀的最大值。最后計算各供試材料的平均隸屬值。

2 結果與分析

2.1 農藝性狀的變異及多樣性分析

從表2 可以看出，供試的30 份大豆種質材料平均株高80.91cm，株質量、單株粒質量和百粒質量平均為67.20、28.90、22.33 g；總莢數(shù)、有效莢數(shù)、主莖莢數(shù)平均為64.46、61.93、35.01 個，其中，三粒莢、二粒莢數(shù)量較多，平均為32.61、25.26 個，一粒莢、四粒莢數(shù)量較少，平均為5.42、1.41 個；分枝數(shù)、有效分枝數(shù)平均為4.36、3.89 個。

考察的17 個性狀指標中，四粒莢數(shù)的變異系數(shù)最大，達到200.74%；一粒莢數(shù)、二粒莢數(shù)、三粒莢數(shù)變異系數(shù)介于50%～70%，主莖莢數(shù)、總莢數(shù)和有效莢數(shù)的變異系數(shù)分別為29.18%、39.46%和40.93%；株質量、單株粒質量的變異系數(shù)也比較大，分別為46.31%和59.14%，而百粒質量的變異系數(shù)相對較小，為20.30%；分枝數(shù)、有效分枝數(shù)的變異系數(shù)為30%左右，株高、莖粗、主莖節(jié)數(shù)的變異系數(shù)均低于20%。表明結莢數(shù)量、每莢粒數(shù)和粒質量等產量構成性狀指標的變異程度較高，而株高、莖粗、分枝數(shù)等株型指標的變異程度相對較低。

此外，各性狀Shannon's 多樣性指數(shù)平均為1.80，調查的17 個性狀中僅有四粒莢數(shù)的多樣性指數(shù)＜1.00，表明供試的30 個種質資源在形態(tài)表現(xiàn)上呈現(xiàn)顯著的多樣性（表2）。其中，株高的多樣性指數(shù)最高（2.00），主莖莢數(shù)、底莢高度、三粒莢數(shù)、主莖節(jié)數(shù)、有效分枝數(shù)和分枝數(shù)的多樣性指數(shù)集中在1.95～1.98，莖粗、有效分枝始節(jié)、二粒莢數(shù)的多樣性指數(shù)為1.82～1.87，有效莢數(shù)、總莢數(shù)、一粒莢數(shù)、單株粒質量、株質量的多樣性指數(shù)為1.73～1.78，百粒質量多樣性指數(shù)為1.65。

表2 大豆種質資源農藝性狀的統(tǒng)計分析

2.2 農藝性狀與單株粒質量的相關性分析

以單株粒質量作為衡量大豆產量的主要指標，并與其余16 個農藝性狀進行相關性分析。結果表明（表3），除有效分枝始節(jié)（-0.074）外，其余15 個性狀指標均與單株粒質量呈正相關關系。其中，分枝數(shù)（0.440）與單株粒質量的相關性達到顯著水平（P＜0.05），株質量（0.968）、有效分枝數(shù)（0.549）、二粒莢數(shù)（0.492）、三粒莢數(shù)（0.742）、總莢數(shù)（0.841）、有效莢數(shù)（0.839）、主莖莢數(shù)（0.549）和百粒質量（0.550）與單株粒質量的相關性達到極顯著水平（P＜0.01）。

2.3 隸屬函數(shù)分析

根據(jù)相關分析結果，選取株質量、有效分枝數(shù)、主莖莢數(shù)、三粒莢數(shù)、總莢數(shù)、有效莢數(shù)、百粒質量等7 個與大豆單株粒質量極顯著相關，且Pearson 相關系數(shù)＞0.5 的性狀指標進行隸屬函數(shù)分析。從表4 可以看出，晉豆39 平均隸屬值最大，為0.91；中作966 排名第2，平均隸屬值為0.84；紫莖黑、晉豆26、中品88 等3 個材料平均隸屬值介于0.6～0.8，科豐6 號、晉大83、魯豆4 號等10 個材料平均隸屬值介于0.4～0.6，早2 號、晉大78、晉大62 等12 個材料平均隸屬值介于0.2～0.4，稷山綠大豆、興豆006、扁莖等3 個材料平均隸屬值小于0.2。

表4 隸屬函數(shù)分析

2.4 聚類分析

采用組間連接法，根據(jù)17 個被調查性狀對供試的30 份大豆種質材料進行聚類分析，在歐式距離為10 處被劃分為三大類群（圖1），其中，第Ⅰ類群包括晉豆39（9 號）和中作966（12 號），這2 個材料平均隸屬值最大，產量相關農藝性狀表現(xiàn)最好；第Ⅱ類群包括22、16、19、14、13、3、1、5、17、10、30、11、28、20、7 等15 份種質資源材料，除20 和30 號材料外，其余材料平均隸屬值均大于0.4，產量相關農藝性狀表現(xiàn)中等；第Ⅲ類群包括15、23、26、24、6、8、4、29、25、21、27、18、2 等13 份種質資源材料，平均隸屬值均小于0.4，產量相關農藝性狀表現(xiàn)最差。

進一步由箱式圖結果可知（圖2），株質量、單株粒質量、總莢數(shù)、有效莢數(shù)、主莖莢數(shù)和三粒莢數(shù)等指標在3 大類群中呈明顯降低的趨勢，第Ⅰ類群表現(xiàn)最好，第Ⅲ類群表現(xiàn)最差；百粒質量和分枝數(shù)在第Ⅰ類群中表現(xiàn)最好，在第Ⅱ、第Ⅲ類群中總體表現(xiàn)差別不大；株高在3 個類群中的表現(xiàn)接近，差異不大。

3 結論與討論

3.1 農藝性狀變異程度與表型多樣性的關系

農藝性狀變異分析和表型多樣性分析是種質資源研究和利用的基礎，有助于育種工作者全面了解各類型種質材料的遺傳變異水平，對雜交親本選配及新品種選育具有重要的意義[15-16]。變異系數(shù)代表某數(shù)量性狀指標數(shù)值的離散程度，而遺傳多樣性指數(shù)則代表種質資源間性狀的多樣性，即類型的多少和豐富程度[17]。本研究對包括育成品種、地方農家品種以及野生種在內的30 份不同來源、不同類型的大豆種質資源材料進行表型變異分析和多樣性分析。結果表明，被調查的17 個農藝性狀變異系數(shù)均大于10%，表明供試的30 份大豆種質材料之間表型差異大，性狀變異程度高。除株高、莖粗和主莖節(jié)數(shù)等株型性狀外，其余性狀指標變異系數(shù)均超過20%。其中，結莢數(shù)量、每莢粒數(shù)及粒質量等一些重要的大豆產量構成指標變異程度均比較大，而百粒質量變異系數(shù)則相對較小。本研究與張家榕等[18]的研究結果基本一致。

另一方面，各性狀的Shannon's 多樣性指數(shù)平均為1.80，被調查的17 個性狀中僅有四粒莢數(shù)的多樣性指數(shù)小于1.00，表明供試的30 個種質資源材料在形態(tài)表現(xiàn)上呈現(xiàn)顯著的多樣性。其中，株高的Shannon's 多樣性指數(shù)最高，為2.00，但其變異系數(shù)較低，是僅有的3 個變異系數(shù)低于20%的性狀之一；而四粒莢數(shù)的Shannon's 多樣性指數(shù)最低，僅為0.93，但其變異系數(shù)最大，達到200.74%。由此可見，變異系數(shù)和多樣性指數(shù)之間的變化趨勢并不一致，有時甚至完全相反。這與董鈉等[19]的研究結果一致。

3.2 基于表型農藝性狀分析的大豆種質資源綜合評價

大豆農藝性狀多為數(shù)量性狀，受多基因控制，并由環(huán)境因素相互作用共同決定，且各性狀之間存在著不同程度的相關性。因此，需要綜合各個性狀的表現(xiàn)進行全面的評價，以鑒定大豆種質資源材料的優(yōu)劣。隸屬函數(shù)分析法可以對作物的多個性狀進行較為全面和合理的評價，為種質資源利用和品種選育提供一定的理論依據(jù)[20]。此外，聚類分析也常用來研究不同種質資源間的相似性和親緣關系的密切程度，明確其遺傳距離的遠近[21-22]。

本研究通過相關分析結果，選取株質量、有效分枝數(shù)、主莖莢數(shù)、三粒莢數(shù)、總莢數(shù)、有效莢數(shù)、百粒質量等7 個與大豆單株粒質量極顯著相關，且Pearson 相關系數(shù)大于0.5 的性狀指標進行隸屬函數(shù)分析，并按照平均隸屬值大小對供試種質材料進行綜合評價。同時，通過聚類分析將30 份供試種質材料劃分為三大類群，聚類結果與隸屬函數(shù)分析結果基本一致。第Ⅰ類群包括晉豆39（9 號）和中作966（12 號），這2 個材料平均隸屬值最高，綜合農藝性狀表現(xiàn)最好；第Ⅱ類包括紫莖黑、晉豆26、中品88、科豐6 號、晉大83、魯豆4 號等15 份種質資源材料，除早2 號（20 號）和雁北小黑豆（30 號），其余種質材料平均隸屬值均大于0.4，綜合農藝性狀表現(xiàn)中等；第Ⅲ類包括晉大78、晉大62、稷山綠大豆、興豆006、扁莖等13 份種質資源材料，平均隸屬值均小于0.4，綜合農藝性狀表現(xiàn)最差。進一步結合箱式圖表明，三大類群間表型農藝性狀存在明顯差異。其中，株質量、單株粒質量、總莢數(shù)、有效莢數(shù)、主莖莢數(shù)和三粒莢數(shù)等性狀指標在三大類群中呈明顯降低的趨勢，第Ⅰ類群表現(xiàn)最好，第Ⅲ類群表現(xiàn)最差；百粒質量和分枝數(shù)在第Ⅰ類群中表現(xiàn)最好，在第Ⅱ、第Ⅲ類群中總體表現(xiàn)差別不大；株高在3 個類群中的表現(xiàn)接近，差異不大。

但是，本研究僅對不同大豆種質資源的表型多樣性進行了研究，并基于表型農藝性狀的表現(xiàn)對供試種質材料進行了綜合評價，并不能全面準確地反映各種質資源的遺傳本質，具有一定的局限性。因此，需要結合生理生化分析并借助分子標記手段，進一步拓寬種質資源遺傳多樣性研究的深度，以期對大豆種質資源進行準確篩選和評價，為大豆種質創(chuàng)新與新品種選育提供優(yōu)異和豐富的親本材料。

綜上所述，供試的30 份大豆種質資源類型豐富，結莢數(shù)量、每莢粒數(shù)和粒質量等一些重要的大豆產量構成性狀變異程度較高，并且與產量呈極顯著的正相關。除四粒莢數(shù)外，其余各性狀的Shannon's 多樣性指數(shù)均大于1.00，多樣性程度較高。晉豆39 和中作966 這2 個品種綜合農藝性狀表現(xiàn)最好。