寒地野生大豆表型性狀的評價和聚類分析

李 煒 畢影東 劉 淼 王 玲 邸樹峰 劉建新 樊 超 楊 光 梁文衛(wèi) 來永才

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院耕作栽培研究所，哈爾濱 150086）

種質(zhì)資源也稱為遺傳資源，是指決定生物各種性狀特征的核內(nèi)和核外的基因資源，是作物育種及基礎研究的原始材料。提高大豆產(chǎn)量、品質(zhì)和抗性一直是大豆育種的主要目標，但大豆育種親本材料遺傳基礎狹窄，急需尋找性狀優(yōu)異的種質(zhì)資源拓寬其遺傳基礎。野生大豆和栽培大豆的染色體數(shù)相同，二者同為大豆屬的兩個種，試驗證明二者雜交容易且能結實，后代的遺傳方式也相似，因此野生大豆可以作為擴寬大豆遺傳基礎的一個重要種質(zhì)資源。在長期自然環(huán)境及人為選擇雙重作用下，野生大豆形成了許多可以為人類所利用的優(yōu)良性狀，如豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)[1]、抗病[2-3]、抗蟲[4]、耐逆[5-7]、耐重金屬污染等[8]，是大豆育種工作不可多得的重要種質(zhì)資源材料。

寒地野生大豆是指分布于我國45°N 以北高寒地區(qū)的野生大豆，這一地區(qū)的特點是冬季嚴寒時間較長，夏季短暫、溫度較低，無霜期90～145d。黑龍江省位于中國的東北部，地處溫帶與寒溫帶交界處，屬于我國高寒地區(qū)，農(nóng)業(yè)地域的主要特征是東西兩大平原（三江平原和松嫩平原）、南北兩大山地（大小興安嶺和張廣才嶺、老爺嶺、完達山），屬于溫帶大陸性氣候，地形地貌復雜，形成了多樣的生態(tài)類型，為該地區(qū)類型豐富的野生大豆分布奠定了良好的環(huán)境基礎。為了科學合理地利用野生大豆資源，為大豆的品種創(chuàng)新和生產(chǎn)利用提供基礎，對野生大豆資源的性狀進行評價，挖掘優(yōu)異遺傳變異并鑒定特異材料是非常必要的。本研究對來自于黑龍江省不同農(nóng)業(yè)分區(qū)[9]的204 份野生大豆的表型性狀（6 個質(zhì)量性狀、9 個產(chǎn)量性狀、7 個品質(zhì)性狀）進行評價和聚類分析，從中發(fā)掘可供利用的優(yōu)良種質(zhì)，為后續(xù)開展育種和遺傳研究提供重要的基礎數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料根據(jù)代表性和均衡性的取樣原則，供試的204 份野生大豆材料來自于黑龍江省13 個市（地區(qū)），已經(jīng)過自交繁殖（表1）。

表1 材料來源所屬生態(tài)區(qū)

1.2 試驗方法田間試驗于2018 年在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院國家農(nóng)業(yè)示范園區(qū)進行。采用隨機區(qū)組設計，穴播，3 次重復，每個小區(qū)0.65m×1m，每小區(qū)種植4 穴，出苗后每穴定苗1 株，插竹竿輔助試驗材料的莖纏繞生長，防止單株間互相纏繞。

1.3 表型數(shù)據(jù)測定與數(shù)據(jù)分析

1.3.1 性狀調(diào)查方法試驗材料自出苗至成熟后調(diào)查如下表型性狀：花色、葉形、進化類型、種皮色、臍色、泥膜6 個質(zhì)量性狀；節(jié)數(shù)、節(jié)間長（cm）、分枝數(shù)、單株粒重（g）、百粒重（g）、單株粒數(shù)、有效莢數(shù)、無效莢數(shù)、葉形指數(shù)9 個產(chǎn)量性狀；粗蛋白含量（%）、粗脂肪含量（%）、蛋脂總和（%）、異黃酮含量（μg/mL）、油酸含量（%）、不飽和脂肪酸含量（%）、飽和脂肪酸含量（%）7 個品質(zhì)性狀，測定標準參考《大豆種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》[10]。

1.3.2 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計用Excel 軟件計算各性狀的變異系數(shù)、最小值、最大值、平均值和遺傳多樣性指數(shù)。遺傳多樣性指數(shù)采用Shannon-Weave 指數(shù)H′=-ΣPiLnPi計算[11]，用SPSS 軟件進行聚類分析。

2 結果與分析

2.1 寒地野生大豆資源表型性狀的描述性評價分析由表2 可知，6 個質(zhì)量性狀的多樣性指數(shù)變幅為0.31～1.13，平均為0.59，其中多樣性指數(shù)最低的是花色，為0.31，最高的是葉形，為1.13。在所調(diào)查的資源中，花色分為紫花和白花2 種，以紫花為主，占資源的90.69%，其余的為白花，占9.31%；從進化類型看，野生大豆占79.41%，半野生大豆占20.59%；葉形分為卵圓、橢圓、披針和線形4 種，以披針葉所占比例最高，占資源總數(shù)的38.24%，其次為卵圓葉（34.31%）和橢圓葉（26.47%），線形葉最少（0.98%）；種皮色以黑色居多，占資源總數(shù)的85.79%，其次為褐色（6.86%）、雙色（5.88%）、綠色（0.98%）和黃色（0.49%）；臍色分為黑色和褐色，分別占資源總數(shù)的51.47%和48.53%；89.71%的資源表現(xiàn)為種子有泥膜，其余的表現(xiàn)為有光澤（9.31%）和無泥膜（0.98%）。

表2 野生大豆資源質(zhì)量性狀統(tǒng)計分析

對野生大豆資源產(chǎn)量性狀和品質(zhì)性狀進行統(tǒng)計分析，由表3 可知，各資源在表型上表現(xiàn)出不同程度的變異，變異系數(shù)介于1.74%（不飽和脂肪酸含量）～71.39%（無效莢數(shù)）之間，平均為28.37%；多樣性指數(shù)介于1.46（百粒重）～2.09（飽和脂肪酸含量）之間，平均為1.89。

表3 野生大豆資源產(chǎn)量性狀和品質(zhì)性狀的統(tǒng)計分析

2.2 不同生態(tài)區(qū)寒地野生大豆資源表型性狀的統(tǒng)計分析綜合分析來自于4 個地區(qū)的野生大豆資源的質(zhì)量性狀，由圖1 可知，北部地區(qū)資源以紫花（占資源總數(shù)的86.96%）、披針葉（占資源總數(shù)的52.17%）為主，種皮顏色以黑色（占資源總數(shù)的82.61%）為主，臍色以褐色（占資源總數(shù)的62.32%）為主，89.86%的資源表現(xiàn)為種子有泥膜。西部地區(qū)資源以紫花（占資源總數(shù)的100%）、披針葉（占資源總數(shù)的54.29%）為主，種皮顏色以黑色（占資源總數(shù)的97.14%）為主，臍色以黑色（占資源總數(shù)的51.43%）為主，100%的資源表現(xiàn)為種子有泥膜。東部地區(qū)的資源以紫花（占資源總數(shù)的94.00%）、卵圓葉（占資源總數(shù)的46.00%）為主，種皮顏色以黑色（占資源總數(shù)的84.00%）為主，臍色以黑色（占資源總數(shù)的58.00%）為主，90.00%的資源表現(xiàn)為種子有泥膜。中南部地區(qū)的資源以紫花（占資源總數(shù)的86.00%）、卵圓葉（占資源總數(shù)的44.00%）為主，種皮顏色以黑色（占資源總數(shù)的84.00%）為主，臍色以黑色（占資源總數(shù)的64.00%）為主，82.00%的資源表現(xiàn)為種子有泥膜。

圖1 寒地野生大豆資源質(zhì)量性狀在各生態(tài)區(qū)統(tǒng)計分析

根據(jù)野生大豆資源的采集地，按照北部、西部、東部和中南部地區(qū)4 個生態(tài)區(qū)統(tǒng)計分析各性狀的表型數(shù)據(jù)。由表4 可知，北部地區(qū)材料的葉形指數(shù)平均值表現(xiàn)最高，葉形指數(shù)、異黃酮含量變異系數(shù)最高，百粒重、分枝數(shù)、節(jié)數(shù)、節(jié)間長、粗蛋白含量、蛋脂總和、飽和脂肪酸多樣性指數(shù)最高。西部地區(qū)材料的分枝數(shù)、單株粒數(shù)、節(jié)數(shù)、有效莢數(shù)、節(jié)間長、粗蛋白含量、不飽和脂肪酸含量、蛋脂總和平均值最高，節(jié)間長、粗蛋白含量、不飽和脂肪酸含量變異系數(shù)最高，單株粒重、葉形指數(shù)、異黃酮含量多樣性指數(shù)最高。東部地區(qū)材料的異黃酮含量、油酸含量平均值最高，百粒重、單株粒重、單株粒數(shù)、有效莢數(shù)、分枝數(shù)、蛋脂總和、飽和脂肪酸含量變異系數(shù)最高，油酸含量、不飽和脂肪酸含量多樣性指數(shù)最高。中南部地區(qū)材料的百粒重、無效莢數(shù)、單株粒重、粗脂肪含量、飽和脂肪酸含量平均值最高，無效莢數(shù)、節(jié)數(shù)、粗脂肪含量、油酸含量變異系數(shù)最高，單株粒數(shù)、有效莢數(shù)、粗脂肪含量多樣性指數(shù)最高。

表4 各生態(tài)區(qū)試驗材料產(chǎn)量性狀和品質(zhì)性狀的統(tǒng)計分析

表4（續(xù)）

2.3 寒地野生大豆資源的聚類分析利用各性狀的統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行聚類分析，將204 份試驗材料分為2個類群，第Ⅰ類群有90 份材料，第Ⅱ類群有114 份材料。從材料的地理來源分析看，第Ⅰ類群材料主要來自東部和中南部地區(qū)，第Ⅱ類群材料主要來自西部和北部地區(qū)；從材料的性狀分析結果看，第Ⅰ類群中的野生大豆資源以紫花、橢圓葉、黑色種皮、有泥膜為主，進化程度高，農(nóng)藝性狀特點是百粒重高，節(jié)數(shù)、節(jié)間長、單株粒數(shù)、單株粒重、有效莢數(shù)、葉形指數(shù)較低；第Ⅱ類群的野生大豆資源以紫花、披針葉、黑色種皮、有泥膜為主，進化程度低，農(nóng)藝性狀特點是單株粒數(shù)、單株粒重、葉形指數(shù)較高（表5、表6）。聚類分析將葉寬大、百粒重高的材料聚為第Ⅰ類，這一類材料特性表現(xiàn)為高油、高油酸；將葉細長、產(chǎn)量偏高的材料聚為第Ⅱ類，這一類材料特性表現(xiàn)為高蛋白、高異黃酮、飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸含量高。

表5 各類型資源在兩個類群中占資源總數(shù)的比例 （%）

表6 各類群材料產(chǎn)量性狀和品質(zhì)性狀的統(tǒng)計分析

3 結論與討論

從進化類型看，小粒種子和披針葉形是野生型的特征。本研究發(fā)現(xiàn)北部地區(qū)分布的野生大豆原始類型比較多，資源多表現(xiàn)為披針葉形、小粒、百粒重小并具有高的多樣性指數(shù)，與其他的農(nóng)業(yè)生態(tài)區(qū)域相比，北部地區(qū)氣候冷涼，地廣人稀，受地形和氣候條件的限制，作物生育期短，人為因素對生態(tài)環(huán)境的影響相對較低，野生大豆在長期的適應性進化過程中產(chǎn)生了更多的適應性進化類型并保留下來，從而使得本地區(qū)表現(xiàn)出更高的多樣性水平。西部地區(qū)、東部地區(qū)和中南部地區(qū)分布的野生大豆多為橢圓和卵圓葉形，大粒，出現(xiàn)白花，這可能是因為這些地區(qū)農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展以及人為活動干預比較多，加速了這些地區(qū)野生大豆的進化，這一結論與燕雪飛[12]的野生大豆在葉形方面存在一個圓形葉和線形葉、白花為極端的連續(xù)進化譜，白花、大粒、種皮黃色為進化類型，小粒、有泥膜、主莖不明顯為原始類型結論一致。

植物在進化過程中為了適應不斷改變的環(huán)境而產(chǎn)生可遺傳的變異，表現(xiàn)出特定的表型性狀，因此，表型變異經(jīng)常被作為遺傳多樣性調(diào)查和優(yōu)異資源篩選的基本手段[13]。研究人員分別對江蘇、河南、山西和安徽等地的野生大豆資源的表型進行了研究[14-16]，發(fā)現(xiàn)我國野生大豆地區(qū)間表型差異顯著且變異豐富。本研究發(fā)現(xiàn)試驗群體的表型性狀表現(xiàn)出豐富的變異和明顯的遺傳差異，即使同一地區(qū)的野生大豆材料其表型差異也很大。質(zhì)量性狀的多樣性指數(shù)變幅為0.31（花色）～1.13（葉形），平均為0.59；產(chǎn)量性狀和品質(zhì)性狀的多樣性指數(shù)變幅為1.46（百粒重）～2.09（飽和脂肪酸含量），平均為1.89，變幅低于王果[15]對305 份河南野生大豆材料研究中的多樣性指數(shù)的變幅0.1187～1.0903。產(chǎn)量性狀和品質(zhì)性狀表現(xiàn)不同程度的連續(xù)性變異，平均變異系數(shù)為28.37%，變異系數(shù)的變化范圍為1.74%（不飽和脂肪酸含量）～71.39%（無效莢數(shù)），高于王穎[14]對江蘇210 份野生大豆材料表型研究中的平均變異26.68%、變異幅度10.00%～49.54%。

為了適應不同的生態(tài)環(huán)境，野生大豆在遷移、進化的過程中形成了不同的生態(tài)群體，這些生態(tài)群體間具有明顯的遺傳分化，形成了新的等位變異進而影響表型。聚類分析將本研究中的試驗材料分為2 個類群，第Ⅰ類群材料主要來自黑龍江省中南部和東部地區(qū)，第Ⅱ類群材料主要來自北部和西部地區(qū)。在相同的自然環(huán)境下，野生大豆經(jīng)過漫長的自然選擇，生物學性狀具有趨同性，體現(xiàn)出野生大豆對不同生態(tài)環(huán)境的適應。許多研究結果顯示，不同省內(nèi)基本都是地區(qū)內(nèi)遺傳變異高于地區(qū)間，出現(xiàn)個別材料來源地與聚類組地理上不一致的現(xiàn)象，本研究中也發(fā)現(xiàn)了這樣的結果，這些結果暗示除了在相當近的時間內(nèi)野生大豆發(fā)生過遠距離遷移的可能性外，還存在物種傳播史上的“基因擴散”，即使一個省內(nèi)也是地區(qū)內(nèi)遺傳變異高于地區(qū)間[17]。