不同來源大豆種質(zhì)資源的田間鑒定與篩選

趙朝森，趙現(xiàn)偉，孫麗萍，厲蘇寧，郭兵福，王瑞珍

(江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物研究所/江西省油料作物生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330200)

中國作物種質(zhì)資源長(zhǎng)期庫中保存大豆資源2.3萬余份，數(shù)量居世界之首，然而大豆資源在新品種培育中的利用率僅為1%左右。大豆育成品種的遺傳基礎(chǔ)狹窄問題一直備受關(guān)注。通過對(duì)大豆種質(zhì)資源的重要經(jīng)濟(jì)性狀進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)價(jià)鑒定，可為定向選擇有重要價(jià)值的育種親本、發(fā)掘和利用大豆資源中的優(yōu)異基因提供指導(dǎo)[1]。遺傳多樣性即群體的遺傳變異，可在農(nóng)藝性狀、基因型和基因水平上進(jìn)行測(cè)度[2]，而農(nóng)藝性狀是種質(zhì)資源多樣性評(píng)價(jià)的最常用的鑒定指標(biāo)[3]。應(yīng)用多元統(tǒng)計(jì)方法對(duì)大豆種質(zhì)資源表型性狀的遺傳多樣性研究已有大量報(bào)道。因試驗(yàn)材料和分析方法不同，得出的研究結(jié)論也不盡相同。株高、底莢高度、有效分枝數(shù)、單株粒數(shù)、單株莢數(shù)、百粒質(zhì)量、單株粒質(zhì)量等重要農(nóng)藝及產(chǎn)量構(gòu)成性狀均具有豐富的遺傳多樣性，生育期性狀也有較大的遺傳變異系數(shù)，而花色、葉色、葉形、茸毛色、粒色等描述性形態(tài)性狀的遺傳多樣性較低[4-9]。

江西屬中亞熱帶溫暖濕潤季風(fēng)氣候，年均溫約16.3 ℃～19.5 ℃，年降水量1 341～1 943 mm，無霜期達(dá)240～307 d，活動(dòng)積溫5 000 ℃～6 000 ℃，光、溫、水資源豐富，適宜大豆生長(zhǎng)發(fā)育。江西大豆生產(chǎn)有春、夏、秋3種不同播種類型，種植方式有凈種、間套種等，是中國南方高蛋白加工型大豆和菜用大豆的重要產(chǎn)區(qū)[10]。本研究對(duì) 1 580份來自不同生態(tài)區(qū)域大豆種質(zhì)資源進(jìn)行了農(nóng)藝性狀的精準(zhǔn)鑒定，并通過相關(guān)分析和通徑分析，綜合評(píng)價(jià)這些資源的遺傳變異，以期為江西及中國南方地區(qū)大豆種質(zhì)資源創(chuàng)新和新品種選育提供物質(zhì)基礎(chǔ)和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 種質(zhì)材料

供試的1 580份大豆種質(zhì)資源由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所大豆基因資源發(fā)掘與利用課題組提供，包括國外種質(zhì)239份，國內(nèi)北方種質(zhì)517份、黃淮海種質(zhì)331份、南方種質(zhì)493份。

1.2 試驗(yàn)方法

供試材料分別于2017年、2018年種植于江西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所武陽鎮(zhèn)試驗(yàn)基地(東經(jīng)116°1′14″，北緯28°31′58″，海拔45 m)，試驗(yàn)地為水稻土，地勢(shì)平坦，土壤肥力較好。供試種質(zhì)按生育期長(zhǎng)短排序，7月25日播種，每份材料種植2行，行長(zhǎng)1.8 m，行株距40 cm×10 cm，每行定苗18株，2次重復(fù)。田間管理參照秋大豆常規(guī)生產(chǎn)管理。在整個(gè)大豆生育期間對(duì)供試種質(zhì)的田間表型性狀進(jìn)行調(diào)查。成熟時(shí)每份種質(zhì)取連續(xù)10個(gè)單株進(jìn)行室內(nèi)考種。調(diào)查下胚軸顏色、葉形、葉色、小葉大小、小葉數(shù)目、葉柄長(zhǎng)短、花色、花序長(zhǎng)短、茸毛色、茸毛密度、茸毛直立程度、株型、莖稈強(qiáng)度、倒伏性、莢色、裂莢性、落葉性、根瘤、粒色、種皮光澤、種皮裂紋21個(gè)形態(tài)描述型性狀，以及初花時(shí)間、生育時(shí)間、株高、底莢高度、莖粗、主莖節(jié)數(shù)、有效分枝數(shù)、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒質(zhì)量、百粒質(zhì)量、莢長(zhǎng)、莢寬13個(gè)數(shù)量性狀。表型性狀的數(shù)據(jù)觀測(cè)記載與考種均參照《大豆種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行[11]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 描述型性狀的遺傳多樣性

以遺傳多樣性指數(shù)Ds為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)1 580份供試種質(zhì)描述型性狀的遺傳多樣性進(jìn)行分析，結(jié)果表明不同資源群體的遺傳多樣性具有差異(表1)。與其他描述型性狀相比，除南方種質(zhì)群體外，莢色在國外、北方、黃淮海及總資源群體中多樣性指數(shù)最高，而種皮光澤在南方種質(zhì)中表現(xiàn)出最豐富的遺傳多樣性。葉色的遺傳多樣性相對(duì)較低，在國外、北方、黃淮海及總資源群體中遺傳多樣性指數(shù)最小。21個(gè)描述型性狀，在國外、北方、黃淮海、南方及總資源群體中的Simpson多樣性指數(shù)范圍分別為0.016 6～0.67 2、0.007 7～0.700 2、0.018～0.69、0.028～0.655 5、0.017 6～0.690 3，Simpson多樣性指數(shù)平均值分別為0.345 9、0.347 1、0.345 9、0.322 4、0.357 7。在總資源群體中，不同描述型性狀遺傳多樣性指數(shù)由大到小排序?yàn)椋呵v色>種皮光澤>落葉性>種皮色>種皮裂紋>茸毛色>葉形>花色>下胚軸顏色>莖稈強(qiáng)度>葉柄長(zhǎng)短>小葉大小>茸毛密度>茸毛直立程度>株型>花序長(zhǎng)短>倒伏性>小葉數(shù)目>根瘤>裂莢性>葉色?？梢姡v色、種皮光澤、落葉性這3個(gè)描述型性狀在種群中的遺傳多樣性高，而根瘤、裂莢性、葉色在種群中的遺傳多樣性低。

表1 大豆種質(zhì)資源描述型性狀的多樣性指數(shù)(Ds)

2.2 數(shù)量性狀的遺傳變異

對(duì)初花時(shí)間、生育時(shí)間等13個(gè)數(shù)量性狀的遺傳變異進(jìn)行分析，數(shù)量性狀在不同來源種質(zhì)資源群體中表現(xiàn)出的遺傳變異具有差異性(表2)。在1 580份資源中，13個(gè)數(shù)量性狀遺傳變異系數(shù)由大到小的排序?yàn)椋旱浊v高度>有效分枝數(shù)>單株莢數(shù)>單株粒數(shù)>株高>百粒質(zhì)量>單株粒質(zhì)量>初花時(shí)間>主莖節(jié)數(shù)>莖粗>莢長(zhǎng)>莢寬>生育時(shí)間。底莢高度、有效分枝數(shù)、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、株高、百粒質(zhì)量、單株粒質(zhì)量的遺傳變異系數(shù)均大于30%。其中，底莢高度的變異系數(shù)在國外，中國北方、黃淮海、南方和總資源群體中分別為83.73%、78.45%、90.54%、62.8%、88.82%。初花時(shí)間、主莖節(jié)數(shù)、莖粗、莢長(zhǎng)、莢寬的遺傳變異系數(shù)為20%～10%，生育時(shí)間的遺傳變異系數(shù)小于10%。其中，生育時(shí)間的變異系數(shù)最小，在國外、北方、黃淮海、南方和總資源群體中分別為9.13%、6.26%、6.55%、10.45%、8.81%。表明供試大豆種質(zhì)資源的數(shù)量性狀變異程度高，多樣性豐富。

表2 大豆種質(zhì)資源數(shù)量性狀的統(tǒng)計(jì)分析

2.3 不同地區(qū)大豆種質(zhì)數(shù)量性狀的遺傳多樣性

以遺傳多樣性指數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo)，對(duì)13個(gè)數(shù)量性狀的遺傳多樣性進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，數(shù)量性狀在供試大豆種質(zhì)中具有豐富的遺傳多樣性，但在不同來源大豆種質(zhì)資源群體中表現(xiàn)出不同的差異(表3)。在國外種質(zhì)群體中多樣性指數(shù)Ds范圍為 0.640 6～0.852 6，平均值為0.813 6，以主莖節(jié)數(shù)的遺傳多樣性最豐富，有效分枝數(shù)次之，莢寬遺傳多樣性最?。辉诒狈劫Y源群體中多樣性指數(shù)Ds范圍為0.702 3～0.858 7，平均值為0.831 1，以有效分枝數(shù)的遺傳多樣性最豐富，單株粒質(zhì)量次之，莢寬最??；在黃淮海資源群體中多樣性指數(shù)Ds范圍為0.698 2～0.857 7，平均值為0.825 9，以有效分枝數(shù)遺傳多樣性最為豐富，莖粗次之，莢寬最小；在南方資源群體中多樣性指數(shù)Ds范圍為0.748 2～0.854 5，平均值為0.836 9，以單株粒質(zhì)量遺傳多樣性最為豐富，有效分枝數(shù)次之，莢寬最小；在供試1 580份資源群體中Simpson多樣性指數(shù)范圍為0.710 5～0.861 1，平均值為 0.826 5，以有效分枝數(shù)遺傳多樣性最豐富，單株粒質(zhì)量次之，莢寬最??；13個(gè)數(shù)量性狀在1 580份供試資源中按多樣性指數(shù)由大到小排序?yàn)椋河行Х种?shù)>單株粒質(zhì)量>主莖節(jié)數(shù)>莖粗>莢長(zhǎng)>百粒質(zhì)量>單株粒數(shù)>單株莢數(shù)>初花時(shí)間>株高>底莢高度>生育時(shí)間>莢寬。

表3 不同地區(qū)大豆種質(zhì)資源數(shù)量性狀的多樣性指數(shù)(Ds)

2.4 數(shù)量性狀的相關(guān)性分析

對(duì)13個(gè)數(shù)量性狀之間的相關(guān)性進(jìn)行分析表明，初花時(shí)間與百粒質(zhì)量、莢長(zhǎng)相關(guān)性不顯著，與莢寬呈極顯著負(fù)相關(guān)；株高與百粒質(zhì)量、莢長(zhǎng)、莢寬呈極顯著負(fù)相關(guān)；底莢高度與有效分枝數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，與單株莢數(shù)呈顯著正相關(guān)，而與單株粒數(shù)相關(guān)性不顯著；主莖節(jié)數(shù)與百粒質(zhì)量、莢長(zhǎng)、莢寬呈極顯著負(fù)相關(guān)；而有效分枝數(shù)、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)也與百粒質(zhì)量、莢長(zhǎng)、莢寬呈極顯著負(fù)相關(guān)；其余性狀之間呈極顯著正相關(guān)(表4)。從上述分析可知，大豆產(chǎn)量構(gòu)成因子之一的單株粒質(zhì)量與其他12個(gè)重要農(nóng)藝性狀正相關(guān)且達(dá)極顯著水平。

表4 大豆種質(zhì)資源數(shù)量性狀的相關(guān)性

2.5 重要農(nóng)藝性狀對(duì)單株粒質(zhì)量的通徑分析

為了進(jìn)一步探究大豆各個(gè)農(nóng)藝性狀對(duì)單株粒質(zhì)量的直接作用和間接作用，在相關(guān)性分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行了通徑分析。從表5可知，各相關(guān)農(nóng)藝性狀與單株粒質(zhì)量相關(guān)系數(shù)大小依次為莖粗(0.628 7)>生育時(shí)間(0.519 6)>單株粒數(shù)(0.501 7)>單株莢數(shù)(0.475 5)>初花時(shí)間(0.459 4)>株高(0.422 2)>有限分枝數(shù)(0.416 3)>主莖節(jié)數(shù)(0.414 5)>百粒質(zhì)量(0.414 2)>莢長(zhǎng)(0.381 8)>莢寬(0.225 1)>底莢高度(0.202 2)，說明了莖粗、生育時(shí)間、單株粒數(shù)、單株莢數(shù)對(duì)大豆單株粒質(zhì)量的影響較大。

表5 大豆重要農(nóng)藝性狀對(duì)單株粒質(zhì)量的通徑分析

通徑分析表明，各相關(guān)農(nóng)藝性狀對(duì)單株粒質(zhì)量的直接通徑系數(shù)大小依次為百粒質(zhì)量(0.643 3)>單株粒數(shù)(0.634 6)>莖粗(0.188)>單株莢數(shù)(0.161 3)>莢長(zhǎng)(0.109 2)>有效分枝數(shù)(0.109)>主莖節(jié)數(shù)(0.040 8)>生育時(shí)間(0.036 1)>底莢高度(0.029 8)>莢寬(-0.005 1)>株高(-0.027 1)>初花時(shí)間(-0.120 9)。可見，大豆百粒質(zhì)量、單株粒數(shù)對(duì)單株粒質(zhì)量的正向效應(yīng)最大，其次為莖粗、單株莢數(shù)，再次是莢長(zhǎng)、有效分枝數(shù)，主莖節(jié)數(shù)、生育時(shí)間、底莢高度有微弱的正向效應(yīng)，而莢寬、株高、初花時(shí)間有負(fù)向效應(yīng)。

2.6 高產(chǎn)特異大豆種質(zhì)篩選

以大豆單株產(chǎn)量構(gòu)成性狀為綜合指標(biāo)，結(jié)合生育時(shí)間表現(xiàn)，篩選出30份高產(chǎn)特異大豆種質(zhì)(表6)，可作為中國南方秋大豆育種骨干親本。其中，生育時(shí)間在95 d以下的早熟高產(chǎn)大豆種質(zhì)有10份，表現(xiàn)早熟、植株較矮、莖稈較粗壯、分枝性強(qiáng)、抗倒伏；‘新余大粒青’‘晉豆39’‘南農(nóng)29’這3份種質(zhì)莢大、粒大，可作為鮮食秋大豆育種親本應(yīng)用；‘紅面豆’‘南農(nóng)大紅豆’為褐皮大豆種質(zhì)，粒大、莢大，可以作為特色雜糧膳食大豆商業(yè)開發(fā)利用。生育時(shí)間為96～105 d的中熟高產(chǎn)大豆種質(zhì)有17份，生育期適中，莖粗、抗倒伏，粒大、莢大。其中，‘丹波一號(hào)’‘綠肉黑皮豆’均為黑皮大豆，子葉綠色、籽粒特大，前者為日本鮮食大豆，后者為中國南方黑大豆特大粒種質(zhì)，鮮籽粒作菜用時(shí)皮色呈淺紫色，外觀商品性極佳，均具有大粒鮮食和食用黑大豆開發(fā)前景；‘南農(nóng)99-10’‘南農(nóng)99-6’‘贛豆2號(hào)’‘贛豆5號(hào)’為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)夏秋大豆品種；‘衢鮮1號(hào)’‘綠寶珠’為鮮食夏大豆品種。生育時(shí)間為106～115 d的晚熟高產(chǎn)大豆種質(zhì)有3份；其中，‘海寧黃豆’為中國南方種質(zhì)，表現(xiàn)粒大、莢大，株高中等；Foster為國外種質(zhì)，植株較矮，分枝多，籽粒較小，單株結(jié)莢多而密；‘靈川黃豆’株型高大，莖粗、分枝較多、籽粒中等。

表6 高產(chǎn)特異大豆種質(zhì)

3 討 論

表型性狀是植物生長(zhǎng)的最直觀表現(xiàn)，受植物本身基因型和環(huán)境因素的綜合作用，表現(xiàn)出穩(wěn)定性和變異性共存的特點(diǎn)[13]。表型性狀數(shù)據(jù)易于獲取，使用靈活、方便，分析作物遺傳多樣性簡(jiǎn)單、快速、環(huán)保。雖然作物的外部形態(tài)容易受到環(huán)境和栽培條件的影響，受遺傳因子與外部環(huán)境的交互作用，但當(dāng)被研究群體較大并且生長(zhǎng)環(huán)境和栽培條件一致時(shí)，也可以消除環(huán)境的影響，表現(xiàn)出準(zhǔn)確的遺傳多樣性。不同種群在遺傳多樣性豐富度接近時(shí)，Simpson指數(shù)比Shannon-Wiener指數(shù)對(duì)物種均勻度更為敏感，當(dāng)一個(gè)群落新增加物種的相對(duì)多度超過某一限度時(shí)，群落多樣性指數(shù)不但不增加，反而會(huì)有所下降，對(duì)于Simpson指數(shù)來說，該限度約為0.67，存在“稀釋效應(yīng)”[14]。本研究發(fā)現(xiàn)，大豆莢色在國外、國內(nèi)北方、黃淮海及總資源群體中Simpson指數(shù)最大，說明該性狀的變異差異在種群中分布均勻度高；反之，葉色在種群中Simpson指數(shù)最小，其遺傳多樣性均勻度低。統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)13個(gè)大豆數(shù)量性狀的Simpson指數(shù)在國外、國內(nèi)黃淮海、南方、北方及總資源群體中平均多樣性指數(shù)分別為0.813 6、0.825 9、0.836 9、0.831 1、0.826 5，均高于0.67，表明該批不同來源的大豆種質(zhì)資源遺傳多樣性豐富，但隨著新種質(zhì)的增加群體的擴(kuò)大，Simpson指數(shù)有所下降，群體遺傳多樣性被“稀釋”了。這一研究結(jié)果與上述觀點(diǎn)一致。

遺傳變異系數(shù)是衡量數(shù)量性狀變異的離散程度的一個(gè)統(tǒng)計(jì)量。遺傳變異系數(shù)大，性狀的遺傳潛力大、遺傳進(jìn)度快、選擇效果較好。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)該大豆種質(zhì)資源群體中的13個(gè)數(shù)量性狀，有7個(gè)性狀的遺傳變異系數(shù)大于30%，有5個(gè)性狀的遺傳變異系數(shù)為20%～10%，僅生育時(shí)間變異系數(shù)小于10%，研究結(jié)果與王瑞珍等[6]、胡國玉等[15]、王燕平等[9]在分別分析中國南方大豆核心種質(zhì)、黃淮海夏大豆和東北春大豆種質(zhì)資源的農(nóng)藝性狀變異系數(shù)得出結(jié)論基本一致，這說明本研究群體的表型多樣性十分豐富，個(gè)體差異大，有利于特異材料和優(yōu)異基因型的篩選和利用。相關(guān)分析結(jié)果反映了不同農(nóng)藝性狀間的既相互獨(dú)立又錯(cuò)綜復(fù)雜的相關(guān)關(guān)系。其中，大豆產(chǎn)量構(gòu)成因子之一的單株粒質(zhì)量與其他12個(gè)重要農(nóng)藝性狀呈極顯著正相關(guān)，有必要進(jìn)一步闡明各個(gè)農(nóng)藝性狀對(duì)單株粒質(zhì)量影響的主次作用。

大豆產(chǎn)量是由單位面積植株數(shù)和單株粒質(zhì)量構(gòu)成，大豆高產(chǎn)是通過調(diào)節(jié)合理群體和單株生產(chǎn)潛力來實(shí)現(xiàn)的。單株粒質(zhì)量由每莢粒數(shù)、單株莢數(shù)和百粒質(zhì)量三者構(gòu)成。Sudhanshu等[16]認(rèn)為大豆單株生物產(chǎn)量、單株莢數(shù)、百粒質(zhì)量對(duì)單株粒質(zhì)量有較大的直接和間接作用。韓秉進(jìn)等[17]認(rèn)為，提高大豆產(chǎn)量主要應(yīng)該增加莢數(shù)，而百粒質(zhì)量效應(yīng)較小。汪寶卿等[18]認(rèn)為單株粒數(shù)、生育期、莖粗和株高對(duì)產(chǎn)量的直接作用較大，而張君等[19]的研究結(jié)果表明株高對(duì)單株產(chǎn)量的影響較小。本研究通徑分析發(fā)現(xiàn)，各個(gè)數(shù)量型農(nóng)藝性狀中百粒質(zhì)量、單株粒數(shù)對(duì)單株粒質(zhì)量的正向效應(yīng)最大，其次為莖粗、單株莢數(shù)，再次是莢長(zhǎng)、有效分枝數(shù)，主莖節(jié)數(shù)、生育時(shí)間、底莢高度有微弱的正向效應(yīng)，而莢寬、株高、初花時(shí)間有負(fù)向效應(yīng)。這一研究結(jié)論與前人研究結(jié)果既有相似之處也有不同的結(jié)論?？傊◤椒治雒鞔_了各農(nóng)藝性狀間及對(duì)單株粒質(zhì)量的影響主次關(guān)系，為育種提供一定的理論依據(jù)。當(dāng)前，大豆高產(chǎn)目標(biāo)難以突破，一方面是現(xiàn)有技術(shù)手段難以使大豆雜種優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，另一方面是高產(chǎn)育種親本遺傳基礎(chǔ)狹窄。大豆在長(zhǎng)期演化過程中形成了適應(yīng)不同生態(tài)區(qū)的生態(tài)類型，具有豐富的遺傳多樣性，許多優(yōu)良農(nóng)藝性狀和品質(zhì)性狀存在于種質(zhì)資源中。本研究試驗(yàn)材料來源廣泛、類型豐富，涉及國外、北方、黃淮海及南方大豆種質(zhì)，有地方品種、育成品種、育種品系，育種中間材料。因此，通過分析和掌握該批種質(zhì)資源主要性狀的遺傳特點(diǎn)及其相互關(guān)系，根據(jù)育種目標(biāo)合理選擇親本形成優(yōu)勢(shì)性狀互補(bǔ)，從而進(jìn)行大豆高產(chǎn)品種改良和選育。