北方春大豆地方品種種子活力相關(guān)性狀多樣性分析

郭宇琦 王財(cái)金 王 洋

（黑龍江大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學(xué)院，150080，黑龍江哈爾濱）

大豆地方品種[Glycinemax(L.) Merr.]是指由地方農(nóng)戶依據(jù)所在地理生態(tài)環(huán)境區(qū)域的特點(diǎn)，經(jīng)過長期人工選擇后形成的適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件的種質(zhì)資源[1]，地方品種通常作為育成品種重要的親本資源。大豆育成品種經(jīng)過長期選擇積累了大量的優(yōu)良性狀，同時也淘汰了一部分地方品種，導(dǎo)致種質(zhì)資源流失。在生產(chǎn)上大豆育成品種需要引入更多的優(yōu)質(zhì)資源來拓寬遺傳背景，抵御不良環(huán)境和突發(fā)的自然災(zāi)害[2]。目前關(guān)于不同地域大豆地方品種資源的多樣性研究較多，研究[3]發(fā)現(xiàn)甘肅大豆地方品種農(nóng)藝性狀的分布模式與所在緯度之間有直接的關(guān)系；楊守臻等[4]認(rèn)為廣西春大豆地方品種主要農(nóng)藝性狀具有較為豐富的變異潛力；張彩英等[5]研究表明黃淮海、北方和南方大豆產(chǎn)區(qū)的農(nóng)家品種和育成品種的農(nóng)藝性狀各有優(yōu)勢；李艷花等[6]發(fā)現(xiàn)重慶地區(qū)大豆地方種質(zhì)資源以灰色茸毛、黃粒、褐色臍的居多，個體之間數(shù)量性狀存在較大變異；李明松等[7]研究表明福建省春大豆種質(zhì)資源也具有豐富的形態(tài)多樣性；張振宇等[8]對東北大豆品種資源研究發(fā)現(xiàn)影響產(chǎn)量和品質(zhì)的主要農(nóng)藝性狀的品種遺傳基礎(chǔ)較窄，相似度較高。上述遺傳多樣性研究多集中在大豆成熟期與產(chǎn)量和品質(zhì)相關(guān)的農(nóng)藝性狀，但對大豆萌發(fā)期相關(guān)性狀遺傳多樣性的研究尚未有報(bào)道。

北方是我國大豆的主產(chǎn)區(qū)，其面積和產(chǎn)量約占全國的一半，僅黑龍江省生產(chǎn)面積約占全國的1/3[9]。黑龍江大豆播種期為5月上旬，北方早春低溫和干旱降低了大豆出苗速度和成苗率，影響大豆的營養(yǎng)生長，導(dǎo)致后期的產(chǎn)量降低。種子活力是決定種子發(fā)芽和種苗生長期活性及性能的指標(biāo)，通常利用種子發(fā)芽速度和幼苗長勢等指標(biāo)來衡量種子活力[10]。高活力的種子在逆境下表現(xiàn)出較高的成苗率和較強(qiáng)的幼苗長勢[11]。選育具有高活力的品種對大豆植株生長、抗逆以及產(chǎn)量等具有重要作用[12]。本研究以104個北方春大豆地方品種為材料，對苗鮮重、苗高、下胚軸長、發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、總根長、根體積、根表面積和主根長種子活力相關(guān)性狀進(jìn)行測定，了解性狀的遺傳多樣性、性狀相互關(guān)系及資源分類特點(diǎn)，篩選高活力的材料，為大豆地方品種合理利用和品種選育提供基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試北方春大豆地方品種共104份（表1），于2019年種植在黑龍江大學(xué)呼蘭校區(qū)田間試驗(yàn)站，試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，行長2m，行距60cm，株距5cm，田間管理按照正常大田進(jìn)行。收獲的種子進(jìn)行自然干燥處理，直至種子水分達(dá)到約13%，用于后期種子活力評價。

表1 供試大豆地方品種編號和名稱Table 1 Number and name of tested soybean landraces

1.2 試驗(yàn)方法及指標(biāo)測定

采用室內(nèi)發(fā)芽試驗(yàn)鑒定2019年收獲種子的活力相關(guān)性狀。每個品種隨機(jī)選取100粒種子，用0.60%次氯酸鈉溶液浸泡5min，用自來水沖洗4次，轉(zhuǎn)入15cm×20cm發(fā)芽盒中，底部放2張發(fā)芽紙作為發(fā)芽床，上面蓋1張發(fā)芽紙，置于光照10h/28℃、黑暗14h/22℃溫室條件下培養(yǎng)，每個品種2次重復(fù)。每天噴灑適量水以保證發(fā)芽紙完全處于濕潤狀態(tài)，于培養(yǎng)后的第3～7天記錄正常發(fā)芽種子數(shù)，發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)計(jì)算參考Wang等[13]方法。培養(yǎng)第 11天進(jìn)行活力性狀測定，依據(jù)《國際種子檢驗(yàn)規(guī)程》[14]判定正常幼苗。每個重復(fù)隨機(jī)選取5株正常幼苗進(jìn)行活力表型鑒定，測量苗高和苗鮮重，利用根系掃描儀獲取圖片，通過根系 RhizoPheno系統(tǒng)獲取根系的主根長、總根長、根體積、根表面積和下胚軸長。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用 Microsoft Excel 2010對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，計(jì)算性狀平均值和標(biāo)準(zhǔn)差等[15]。根據(jù)結(jié)果將104份大豆種質(zhì)資源的各個性狀劃分為10個等級，按第 1 級[Xi＜(X–2s)]到第 10 級[Xi＞(X+2s)]，每 0.5s為1級，每1級材料所占的比例（Pi）用于計(jì)算多樣性指數(shù)，遺傳多樣性指數(shù)即 Shannon-Wiener index（H′）信息指數(shù)，計(jì)算公式為：H′=–∑Pi×lnPi，式中Pi為某性狀第i級中包含的材料份數(shù)占材料總份數(shù)的百分比，ln 為自然對數(shù)[16-17]。

運(yùn)用SPSS 20.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析、聚類分析、主成分分析和隸屬函數(shù)計(jì)算[18]。

采用組間連接法[19]，以歐氏距離為遺傳距離對材料進(jìn)行聚類分析。

以標(biāo)準(zhǔn)化矩陣為基礎(chǔ)，對10個大豆表型性狀進(jìn)行主成分分析，根據(jù)累積貢獻(xiàn)率（cumulative percentage）＞80%的原則確定主成分個數(shù)。計(jì)算不同材料在選定主成分上的值，并利用隸屬函數(shù)法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理標(biāo)度到區(qū)間[0，1][20-21]。計(jì)算公式如下，

隸屬函數(shù)值：u(Xij)=(Xij–Xjmin)/(Xjmax–Xjmin)，（j=1，2，…，n）；權(quán)重：（j=1，2，…，n）；綜合評價值：，（j=1，2，…，n）。式中，Xij表示第i個材料的第j個指標(biāo)，Xjmin為第j個指標(biāo)的最小值；Xjmax為第j個指標(biāo)的最大值；Pj表示經(jīng)主成分分析所得到的第j個綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率；Di值越大，表明i材料10個數(shù)量性狀指標(biāo)評價的綜合得分越高[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆地方品種種子活力相關(guān)性狀多樣性統(tǒng)計(jì)

種子活力相關(guān)性狀結(jié)果見表2。苗鮮重平均值1.78g，其中苗鮮重最低是一窩猴，為0.94g；最高是大粒黃，為3.34g。苗高平均值8.87cm，最低的是青磨石豆，為4.05cm；最高的是寧安小黑臍，為13.05cm，77個品種苗高集中在7.00～10.00cm，占全部的74%。下胚軸長平均值8.75cm，最短的是黃豆，為5.11cm；最長的是遜克小秧豆，長度12.97cm。發(fā)芽率最高的有撫松有限白花、寶清小金黃、湯原禿莢子、綏衛(wèi)土絲子、伊通綠大豆、湯原猴頂奎、方正白露豆、一窩蜂和蛟河紫花小白豆，為100.00%；最低的是輝南紫花黑豆、一窩猴、安圖小黑豆和蛟河小黑豆，為28.00%，發(fā)芽率平均值為78.30%。發(fā)芽勢最高是蛟河紫花小白豆，為98.00%；最低的是玉石豆，為8.00%，發(fā)芽勢平均值為59.90%。發(fā)芽指數(shù)平均值12.07%，其中最大的為蛟河紫花小白豆，為16.58%；最小為蛟河小黑豆，為3.69%?？偢L最長的是汪清神仙洞，為285.78cm；最短的是安圖黑豆，長度44.62cm，總根長平均值138.58cm。根體積最大是富錦四粒黃，為 1.15cm3；最小的是青磨石豆，為0.35cm3，平均值為0.67cm3。根表面積以安圖黑豆最低，只有11.89cm2；汪清神仙洞最高，達(dá)到53.12cm2，根表面積的平均值28.77cm2。主根長最長的為和龍油太，長度30.03cm；最短為安圖黑豆，長度9.64cm，平均值17.60cm。各性狀不同地方品種重復(fù)間差異不顯著；不同品種的不同性狀間差異顯著。

表2 大豆地方品種10個種子活力相關(guān)性狀統(tǒng)計(jì)性描述Table 2 Statistical description of ten seed vigor-related traits of soybean landraces

10個表型性狀存在廣泛的變異，變異系數(shù)大于30%的2個性狀為發(fā)芽勢和總根長，其中發(fā)芽勢的變異系數(shù)最大，為 35.42%，變化范圍為 8.00%～98.00%；其次是總根長，變異系數(shù)為34.18%，根長變化范圍為44.62～285.78cm。

各性狀的遺傳多樣性指數(shù)都較高，其中最高的是苗高，為2.08，其次是根表面積和主根長，均為2.06；遺傳多樣性指數(shù)由高到低依次是苗高＞主根長＞根表面積＞下胚軸長＞發(fā)芽勢＞根體積＞總根長＞發(fā)芽指數(shù)＞苗鮮重>發(fā)芽率。

2.2 種子活力性狀的相關(guān)性分析

對10個性狀進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果（表3）表明，性狀之間的相關(guān)程度較高。其中，苗鮮重、苗高、發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、總根長、根體積、根表面積間呈兩兩極顯著正相關(guān)；苗高與主根長呈顯著正相關(guān)；下胚軸長與根體積、根表面積呈極顯著負(fù)相關(guān)，與總根長呈顯著負(fù)相關(guān)。

表3 大豆地方品種表型性狀的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of phenotypic traits of soybean landraces

2.3 大豆種子活力相關(guān)性狀的聚類分析

將104份大豆資源通過種子活力相關(guān)性狀進(jìn)行聚類分析，如圖1所示，在遺傳距離為18時，可將大豆分為4個類群。類群Ⅰ包括安圖黑色大豆、安圖黑豆、輝南紫花黑豆等13份種質(zhì)資源。類群Ⅱ包括白露豆、小金黃、小白臍、伊通綠大豆等72份種質(zhì)資源。類群Ⅲ包括安達(dá)白眉、寧安小黑臍、和龍油太、白露豆（小白花）4份種質(zhì)資源。類群Ⅳ包括九臺豬眼豆、通化平頂黃、汪清神仙洞和黃豆等15份種質(zhì)資源。

圖1 大豆種質(zhì)資源基于10個種子活力相關(guān)性狀的聚類圖Fig.1 The cluster map of soybean germplasm resources based on 10 seed vigor-related traits

由表4可知，4個類群遺傳多樣性指數(shù)分別為1.72、1.88、1.27、1.86，遺傳多樣性指數(shù)最大為類群Ⅱ，最小為類群Ⅲ。

比較4個類群各性狀均值，類群Ⅲ的苗鮮重、苗高、下胚軸長、發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和主根長均值都是4個類群中最大的，類群Ⅳ總根長、根體積、根表面積的均值最大。苗鮮重、苗高、發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、總根長、根體積、根表面積和主根長最小值都出自類群Ⅰ，下胚軸長最小值在類群Ⅳ。所以類群Ⅲ各性狀均值較高，其次是類群Ⅳ。類群Ⅰ各性狀均值較低。

苗鮮重、苗高、發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、總根長、根表面積、主根長的變異系數(shù)最大值均出自類群Ⅰ，其余出自類群Ⅱ，說明類群Ⅰ變異系數(shù)較大。各性狀變異系數(shù)最小值分布在類群Ⅲ和Ⅳ中，說明類群Ⅲ、Ⅳ變異系數(shù)較小。

由表 4可知，在類群Ⅰ中發(fā)芽勢的變異系數(shù)最大，為 39.83%，最小的為下胚軸長，變異系數(shù)12.48%。在類群Ⅱ中發(fā)芽勢變異系數(shù)最大，為26.93%，最小是苗高，為15.75%。在類群Ⅲ中總根長變異系數(shù)最大，為18.53%，變異系數(shù)最小的是下胚軸長，為7.30%。類群Ⅳ中發(fā)芽勢變異系數(shù)最大，為29.27%，苗鮮重變異系數(shù)最小，為8.18%。

表4 大豆各類群種子活力相關(guān)性狀多樣性分析Table 4 Diversity analysis of seed vigor-related traits of soybean groups

2.4 大豆地方品種種子活力性狀的主成分分析

對104份北方春大豆地方品種的10個活力性狀進(jìn)行主成分分析，由表5可知，取累積貢獻(xiàn)率大于 80%的前 4個主成分，其累積貢獻(xiàn)率達(dá)到87.854%，可以反映104份大豆種質(zhì)資源10個種子活力相關(guān)性狀的大部分遺傳信息。第1主成分的特征值是5.256，貢獻(xiàn)率為52.560%，這一主成分中，根表面積和根體積的特征向量值最大，說明這一主成分反映的是與根系發(fā)達(dá)程度相關(guān)的信息；第2主成分的特征值是 1.873，貢獻(xiàn)率為 18.727%，這一主成分中下胚軸長、發(fā)芽率和發(fā)芽勢為最大，說明這一主成分反映的是種子的萌發(fā)速度；第3主成分的特征值是0.911，貢獻(xiàn)率為9.111%，這一主成分中下胚軸長和苗高的特征向量值最大，說明這一主成分反映的是幼苗地上部分伸長能力。第4主成分的特征值是0.746，貢獻(xiàn)率為7.455%，這一主成分中主根長的特征向量值最大，說明這一主成分反映的是幼苗地下部分伸長能力。其余主成分的貢獻(xiàn)率呈逐漸下降趨勢，前 4個主成分的累積貢獻(xiàn)率為87.854%，基本包含了大豆種子活力性狀的全部信息，可將前4個主成分作為主成分分析的主要內(nèi)容。

表5 大豆地方品種表型性狀的主成分分析Table 5 Principal component analysis of phenotypic traits of soybean landraces

2.5 大豆種子活力的綜合評價及高活力地方品種篩選

根據(jù)各綜合指標(biāo)在不同材料中隸屬函數(shù)值和指標(biāo)權(quán)重計(jì)算出104份大豆種子的綜合評價值（D值），以D值對104份材料進(jìn)行分類，可分為高活力、中等活力、低活力 3類，區(qū)間為[0.1,0.4)、[0.4,0.7)、[0.7,1)，如表6所示。其中高活力材料有8份，占總數(shù)的7.69%；中等活力的材料最多，為65份，占總數(shù)的62.50%；低活力材料共31份，占總數(shù)的29.81%。

表6 供試大豆材料種子活力性狀級別分組及占比Table 6 Classification and percentage of seed vigor traits of tested soybean materials

如表7所示，篩選出D值≥0.7的高活力材料共有8份，為保險豆、湯原禿莢子、黃豆、寶清小金黃、和龍油太、富錦四粒黃、牛毛黃和汪清神仙洞。上述地方品種種子幼苗特點(diǎn)表現(xiàn)為生長速度、總根長、根體積、根表面積、主根長等性狀指標(biāo)值較高。

表7 種子高活力大豆地方品種相關(guān)性狀描述Table 7 Description of related traits of high seed vigorous soybean landraces

3 討論

種子在發(fā)育成熟過程中物質(zhì)的積累是構(gòu)成種子活力的基礎(chǔ)，貯藏物質(zhì)的不斷增加使種子的發(fā)芽率逐步提高[23-25]；在種子成熟過程中脫水階段形成的物質(zhì)如LEA蛋白、寡聚糖和維生素E等參與提高種子抗逆能力[26-27]。上述物質(zhì)在不同作物類型和不同品種之間存在一定的差異，其原因來源于基因型的差異，表現(xiàn)為不同品種的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、苗高、根長、苗鮮重和抗老化能力等不同。本研究中與種子活力相關(guān)的 10個性狀遺傳變異系數(shù)均在10%以上，在品種選育上都具有一定的選擇潛力。其中發(fā)芽勢的遺傳變異系數(shù)最大，為35.42%，其次是總根長、根表面積、根體積和發(fā)芽指數(shù)（在26%～34%之間），最小的是苗高和下胚軸長，變異系數(shù)在18%左右。因此在高活力品種選育過程中，可優(yōu)先考慮根系的生長狀態(tài)和發(fā)芽速率，然后是幼苗地上和地下部分的伸長能力。

本研究發(fā)現(xiàn)，苗鮮重、苗高、發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、總根長、根體積、根表面積間呈兩兩極顯著正相關(guān)；苗高與主根長呈顯著正相關(guān)；究其原因?yàn)榭刂菩誀畹幕蚓o密連鎖或者是一因多效導(dǎo)致。這一推論在本試驗(yàn)的活力性狀和根系性狀的關(guān)聯(lián)分析中得到證實(shí)，即有多個位點(diǎn)與2個或2個以上活力性狀或者根系性狀關(guān)聯(lián)。這種效應(yīng)在大豆的根系、農(nóng)藝性狀研究中也有報(bào)道[28-29]。

通過聚類的方法分析作物品種間的關(guān)系及遺傳差異在大豆研究中得到較多應(yīng)用[30]，本研究以大豆種子活力相關(guān)性狀將104個地方品種進(jìn)行類群劃分，獲得4個類群，其具有一定的特征：類群Ⅲ表現(xiàn)出萌發(fā)速度快、幼苗伸長能力強(qiáng)，類群Ⅳ地下部分生長旺盛發(fā)達(dá)，其他2個類群品種各性狀特征不突出，上述類群Ⅲ和Ⅳ為高活力品種的親本選擇提供了基礎(chǔ)信息。在主成分分析中前4個主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)到87.854%，可以反映104份大豆種質(zhì)資源10個表型性狀大部分遺傳信息，第1主成分反映了根系生長的旺盛程度，第2主成分反映了幼苗的出土速度，第3個主成分與地上伸長能力有關(guān)，第4個主成分反映了地下的伸長能力，在大豆品種選育過程中可以重視上述性狀的生長狀態(tài)，以此提高高活力品種選育效率。

本研究中獲得的8個種子高活力地方品種分別為保險豆、湯原禿莢子、黃豆、寶清小金黃、和龍油太、富錦四粒黃、牛毛黃和汪清神仙洞，上述高活力品種具有的抗逆性已有相關(guān)的報(bào)道，如和龍油太為高蛋氨酸資源，對菌核病中度耐病，中抗花葉病毒病，抗大豆細(xì)菌性斑點(diǎn)病[31-33]。和龍油太具有較好的耐旱性，且為中耐鹽品種；牛毛黃高抗霜霉病和灰斑病，具有較好的耐旱性，并且為耐鹽品種[34-35]；保險豆、和龍油太和汪清神仙洞攜帶抗大豆疫霉根腐病1號生理小種基因[36]。以上可以為培育高活力大豆品種提供資源信息和親本材料。

4 結(jié)論

104個北方春大豆地方品種的 10個種子活力相關(guān)性狀存在豐富的遺傳變異，除下胚軸長與根體積、根表面積、總根長呈顯著負(fù)相關(guān)外，其余各性狀之間呈顯著或極顯著正相關(guān)。主成分分析表明根系粗壯程度、發(fā)芽速度、地上部分及主根的伸長能力反映了大豆地方品種87.854%的活力性狀信息。利用隸屬函數(shù)值篩選出保險豆、湯原禿莢子、黃豆、寶清小金黃、和龍油太、富錦四粒黃、牛毛黃和汪清神仙洞8個高活力大豆地方品種。