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(guò)長(zhǎng)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(guò)長(zhǎng)期選擇積累了大量的優(yōu)良性狀,同時(shí)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(lái)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(shì);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(gè)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(duì)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(duì)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(guó)大豆的主產(chǎn)區(qū),其面積和產(chǎn)量約占全國(guó)的一半,僅黑龍江省生產(chǎn)面積約占全國(guó)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(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng),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(zhǎng)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(zhǎng)勢(shì)等指標(biāo)來(lái)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(zhǎng)勢(shì)[11]。選育具有高活力的品種對(duì)大豆植株生長(zhǎng)、抗逆以及產(chǎn)量等具有重要作用[12]。本研究以104個(gè)北方春大豆地方品種為材料,對(duì)苗鮮重、苗高、下胚軸長(zhǎng)、發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、總根長(zhǎng)、根體積、根表面積和主根長(zhǎng)種子活力相關(guān)性狀進(jìn)行測(cè)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)。
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(zhǎng)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(píng)價(jià)。
表1 供試大豆地方品種編號(hào)和名稱Table 1 Number and name of tested soybean landraces
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(gè)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(lái)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(gè)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(rùn)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(shì)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(cè)定,依據(jù)《國(guó)際種子檢驗(yàn)規(guī)程》[14]判定正常幼苗。每個(gè)重復(fù)隨機(jī)選取5株正常幼苗進(jìn)行活力表型鑒定,測(cè)量苗高和苗鮮重,利用根系掃描儀獲取圖片,通過(guò)根系 RhizoPheno系統(tǒng)獲取根系的主根長(zhǎng)、總根長(zhǎng)、根體積、根表面積和下胚軸長(zhǎng)。
利用 Microsoft Excel 2010對(duì)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(gè)性狀劃分為10個(gè)等級(jí),按第 1 級(jí)[Xi<(X–2s)]到第 10 級(jí)[Xi>(X+2s)],每 0.5s為1級(jí),每1級(jí)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(jí)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(duì)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(duì)材料進(jìn)行聚類分析。
以標(biāo)準(zhǔn)化矩陣為基礎(chǔ),對(duì)10個(gè)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(gè)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(píng)價(jià)值:,(j=1,2,…,n)。式中,Xij表示第i個(gè)材料的第j個(gè)指標(biāo),Xjmin為第j個(gè)指標(biāo)的最小值;Xjmax為第j個(gè)指標(biāo)的最大值;Pj表示經(jīng)主成分分析所得到的第j個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率;Di值越大,表明i材料10個(gè)數(shù)量性狀指標(biāo)評(píng)價(jià)的綜合得分越高[22]。
種子活力相關(guān)性狀結(jié)果見(jiàn)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(gè)品種苗高集中在7.00~10.00cm,占全部的74%。下胚軸長(zhǎng)平均值8.75cm,最短的是黃豆,為5.11cm;最長(zhǎng)的是遜克小秧豆,長(zhǎng)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(shì)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(shì)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(zhǎng)最長(zhǎng)的是汪清神仙洞,為285.78cm;最短的是安圖黑豆,長(zhǎng)度44.62cm,總根長(zhǎng)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(zhǎng)最長(zhǎng)的為和龍油太,長(zhǎng)度30.03cm;最短為安圖黑豆,長(zhǎng)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(gè)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(gè)表型性狀存在廣泛的變異,變異系數(shù)大于30%的2個(gè)性狀為發(fā)芽勢(shì)和總根長(zhǎng),其中發(fā)芽勢(shì)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(zhǎng),變異系數(shù)為34.18%,根長(zhǎng)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(zhǎng),均為2.06;遺傳多樣性指數(shù)由高到低依次是苗高>主根長(zhǎng)>根表面積>下胚軸長(zhǎng)>發(fā)芽勢(shì)>根體積>總根長(zhǎng)>發(fā)芽指數(shù)>苗鮮重>發(fā)芽率。
對(duì)10個(gè)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(shì)、發(fā)芽指數(shù)、總根長(zhǎng)、根體積、根表面積間呈兩兩極顯著正相關(guān);苗高與主根長(zhǎng)呈顯著正相關(guān);下胚軸長(zhǎng)與根體積、根表面積呈極顯著負(fù)相關(guān),與總根長(zhǎng)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
將104份大豆資源通過(guò)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(shí),可將大豆分為4個(gè)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(tái)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(gè)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(gè)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(gè)類群各性狀均值,類群Ⅲ的苗鮮重、苗高、下胚軸長(zhǎng)、發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和主根長(zhǎng)均值都是4個(gè)類群中最大的,類群Ⅳ總根長(zhǎng)、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(shì)、發(fā)芽指數(shù)、總根長(zhǎng)、根體積、根表面積和主根長(zhǎng)最小值都出自類群Ⅰ,下胚軸長(zhǎng)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(shì)、發(fā)芽指數(shù)、總根長(zhǎng)、根表面積、主根長(zhǎng)的變異系數(shù)最大值均出自類群Ⅰ,其余出自類群Ⅱ,說(shuō)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(shuō)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(shì)的變異系數(shù)最大,為 39.83%,最小的為下胚軸長(zhǎng),變異系數(shù)12.48%。在類群Ⅱ中發(fā)芽勢(shì)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(zhǎng)變異系數(shù)最大,為18.53%,變異系數(shù)最小的是下胚軸長(zhǎng),為7.30%。類群Ⅳ中發(fā)芽勢(shì)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
對(duì)104份北方春大豆地方品種的10個(gè)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(gè)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(gè)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(shuō)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(zhǎng)、發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)為最大,說(shuō)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(zhǎng)和苗高的特征向量值最大,說(shuō)明這一主成分反映的是幼苗地上部分伸長(zhǎng)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(zhǎng)的特征向量值最大,說(shuō)明這一主成分反映的是幼苗地下部分伸長(zhǎng)能力。其余主成分的貢獻(xiàn)率呈逐漸下降趨勢(shì),前 4個(gè)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(gè)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
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(píng)價(jià)值(D值),以D值對(duì)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(jí)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(xiǎn)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(zhǎng)速度、總根長(zhǎng)、根體積、根表面積、主根長(zhǎng)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
種子在發(fā)育成熟過(guò)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(guò)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(lái)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(shì)、苗高、根長(zhǎng)、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(gè)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(shì)的遺傳變異系數(shù)最大,為35.42%,其次是總根長(zhǎng)、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(zhǎng),變異系數(shù)在18%左右。因此在高活力品種選育過(guò)程中,可優(yōu)先考慮根系的生長(zhǎng)狀態(tài)和發(fā)芽速率,然后是幼苗地上和地下部分的伸長(zhǎng)能力。
本研究發(fā)現(xiàn),苗鮮重、苗高、發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、總根長(zhǎng)、根體積、根表面積間呈兩兩極顯著正相關(guān);苗高與主根長(zhǎng)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(gè)位點(diǎn)與2個(gè)或2個(gè)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(guò)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(gè)地方品種進(jìn)行類群劃分,獲得4個(gè)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(zhǎng)能力強(qiáng),類群Ⅳ地下部分生長(zhǎng)旺盛發(fā)達(dá),其他2個(gè)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(gè)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(gè)表型性狀大部分遺傳信息,第1主成分反映了根系生長(zhǎng)的旺盛程度,第2主成分反映了幼苗的出土速度,第3個(gè)主成分與地上伸長(zhǎng)能力有關(guān),第4個(gè)主成分反映了地下的伸長(zhǎng)能力,在大豆品種選育過(guò)程中可以重視上述性狀的生長(zhǎng)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(gè)種子高活力地方品種分別為保險(xiǎn)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(duì)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(xiǎn)豆、和龍油太和汪清神仙洞攜帶抗大豆疫霉根腐病1號(hào)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。
104個(gè)北方春大豆地方品種的 10個(gè)種子活力相關(guān)性狀存在豐富的遺傳變異,除下胚軸長(zhǎng)與根體積、根表面積、總根長(zhǎng)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(zhǎng)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(xiǎn)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(gè)高活力大豆地方品種。