一個紫云英F4重組自交系群體的農(nóng)藝性狀與養(yǎng)分吸收評價

任文靜，呂玉虎，周國朋，常單娜，向春陽*，曹衛(wèi)東*

（1.天津農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津 300384；2.信陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，河南 信陽 464000；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村部植物營養(yǎng)與肥料重點實驗室，北京 100081）

紫云英（Astragalussinicus）是我國南方稻區(qū)主要綠肥作物之一，也是重要的飼草，其在增加土壤微生物量，調(diào)節(jié)土壤理化性狀，改善土壤生態(tài)環(huán)境，提高土壤固氮微生物豐度及減少CO2排放等方面發(fā)揮著重要作用［1-5］。然而，20世紀(jì)80年代以來，受種植業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和化肥成為主導(dǎo)肥源的影響，綠肥生產(chǎn)大幅萎縮，種質(zhì)資源出現(xiàn)退化、甚至消失等一系列問題［6］。目前市場上應(yīng)用的較多品種難以適應(yīng)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需求，因此，對包括紫云英在內(nèi)的種質(zhì)資源進行保護和發(fā)掘利用就顯得尤為重要［7-8］。近年來，隨著國家對食品質(zhì)量與生態(tài)環(huán)境安全的關(guān)注度逐漸提高，人們高度重視綠色發(fā)展，綠肥的作用愈發(fā)凸顯，綠肥生產(chǎn)也有所恢復(fù)，紫云英品種選育等工作亦逐漸展開，并取得了一定進展［9-12］。如劉英等［13］通過田間試驗選育出固氮能力強，氮素含量高，鮮草和種子產(chǎn)量較高的紫云英新品種“皖紫1號”和“皖紫2號”，為適應(yīng)稻區(qū)不同栽培技術(shù)模式提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。黃璜等［14］選育出紫云英新品種“紫冷艷1號”，該品種根系粗壯，抗逆性強，適應(yīng)性、觀賞性提高，既可作大田綠肥，又可作園林綠化。以上研究都為紫云英的大面積推廣種植提供了優(yōu)質(zhì)材料。

“閩紫7號”紫云英是福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)雜交選育的紫云英優(yōu)良品種，屬偏遲熟品種，全生育期200 d左右。該品種葉色鮮綠，植株高大，苗期生長快，耐陰性較好，適應(yīng)性廣，多點試種后鮮草量可達(dá)50 t·hm-2以上，植株氮（N）、磷（P）、鉀（K）含量分別為3.15%、0.28%和2.00%，是福建省主推綠肥品種［15］?！靶抨柗N”紫云英為河南省優(yōu)良的紫云英地方品種，屬早熟品種，一般鮮草量為20～30 t·hm-2。該品種紫色葉較多，植株較矮，莖稈細(xì)，分枝發(fā)達(dá)，抗寒和抗旱力強，植株氮（N）、磷（P）、鉀（K）含量分別為3.03%、0.35%和3.70%［10］，適于在淮河流域及淮河以北地區(qū)種植［8］。利用優(yōu)異資源開展雜交育種，是獲得綠肥新品種的重要手段。鑒于二者在性狀上的不同表現(xiàn)，為挖掘二者不同性狀種質(zhì)資源的利用價值，加快優(yōu)異品種的育種進程［16］，自2011年以來，本研究以“閩紫7號”為母本、“信陽種”為父本進行雜交，然后自交授粉獲得重組自交系。其中以鮮草和種子產(chǎn)量為目標(biāo)性狀，得到18個F4株系。

為了解該重組自交系群體中18個紫云英株系有關(guān)農(nóng)藝及養(yǎng)分積累等性狀的表現(xiàn)和遺傳特征，采用盆栽試驗，對各株系的農(nóng)藝性狀、鮮草產(chǎn)量和植株氮、磷、鉀吸收特性進行了研究，以期為該群體的進一步鑒定、評價和選育提供理論依據(jù)，為紫云英的遺傳育種工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以福建省農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育的優(yōu)良品種“閩紫7號”紫云英為母本，河南省傳統(tǒng)地方品種“信陽種”紫云英為父本，配置雜交組合，建立重組自交系。2011年兩親本進行雜交得到雜種F1代，2012年種植F1單株自交得到F2，從F2～F3代選擇單株繼續(xù)自交，同時注明單株號，按株單獨收獲、脫粒，通過試驗田種植得到F4代株系。以鮮草產(chǎn)量為主要目標(biāo)，獲得18個F4株系，分別為m83xzh-1-1-4、m83xzh-1-1-5、m83xzh-1-1-6、m83xzh-1-1-8、m83xzh-1-2-1、m83xzh-1-2-3、m83xzh-1-2-4、m83xzh-1-2-5、m83xzh-1-4-3、m83xzh-1-4-4、m83xzh-1-4-6、m83xzh-1-4-8、m83xzh-1-4-10、m83xzh-1-4-11、m83xzh-1-4-13、m83xzh-1-9-2、m83xzh-1-9-4和m83xzh-1-9-5。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2019年9月至2020年3月在河南省信陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗基地進行。盆栽供試土壤采自河南省信陽市浉河區(qū)的0～20 cm稻田耕層土。土壤基礎(chǔ)理化性狀為：pH 6.16，全氮1.12 g·kg-1，有機質(zhì)25.81 g·kg-1，無機氮13.25 mg·kg-1，有效磷26.64 mg·kg-1，速效鉀115 mg·kg-1。

采用盆栽試驗，每個株系重復(fù)3次，完全隨機排列。試驗用盆盆體為PVC材質(zhì)，上部內(nèi)徑21.0 cm、盆底內(nèi)徑18.0 cm、高15.5 cm。所有盆栽不施基肥，土壤過5 mm篩、剔除雜質(zhì)、充分混勻后裝盆。每盆裝風(fēng)干土3.5 kg，土體高度保持約12 cm。2019年9月28日開始播種，每盆播種20粒。澆水量按照田間最大持水量的60%進行。苗期接種少量根瘤菌，生育期內(nèi)適時驅(qū)蟲除草，在第60、150天時，分別間苗兩次，定苗5株，于盛花期（2020年3月30日）全部收獲。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 鮮草產(chǎn)量與農(nóng)藝性狀測定 分地上、地下部全盆收獲，并分別稱其鮮重；同時測量記錄紫云英株高、莖粗、分枝數(shù)、真葉數(shù)等農(nóng)藝性狀。采集的紫云英植株樣品經(jīng)105℃殺青30 min，70℃烘干至恒重后，稱重、粉碎。

1.3.2 植株氮、磷、鉀含量測定 采用H2SO4-H2O2法消煮植株樣品后，用凱氏定氮法測定全氮含量，用釩鉬黃比色法測定全磷含量，用火焰光度計法測定全鉀含量［17］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2007軟件整理分析試驗數(shù)據(jù)和圖表編輯；用SAS 8.0軟件進行相關(guān)性分析和主成分分析，LSD法檢驗差異顯著性（P<0.05）；用Origin 2018軟件對18份紫云英材料的有關(guān)性狀進行聚類分析和制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同株系紫云英盛花期的主要性狀

紫云英盛花期的鮮草產(chǎn)量是反映其性狀優(yōu)劣的最主要指標(biāo)。鮮草產(chǎn)量的高低關(guān)系到歸還土壤中的氮、磷、鉀養(yǎng)分和有機質(zhì)含量的多少，進而影響培肥土壤和提供養(yǎng)分的效果。因此，作為綠肥，植株鮮重和養(yǎng)分積累量是評價紫云英種質(zhì)資源的關(guān)鍵因子［18］，對18個不同株系紫云英的地上部鮮重、地下部鮮重、地上部氮、磷、鉀積累量和地下部氮、磷、鉀積累量進行統(tǒng)計，結(jié)果列于表1。

各株系的生物量及養(yǎng)分積累量存在顯著差異。地上部鮮重以m83xzh-1-4-13、m83xzh-1-4-4、m83xzh-1-1-6、m83xzh-1-4-8和m83xzh-1-9-5較高，為40.20～47.39 g·盆-1；m83xzh-1-1-4、m83xzh-1-9-4和m83xzh-1-4-10地上部鮮重較低，為23.74～27.74 g·盆-1，與4個較高株系之間達(dá)顯著差異。地下部鮮重以m83xzh-1-1-5最高，m83xzh-1-4-8最低，分別為7.39和4.04 g·盆-1，兩者間差異顯著。地下部鮮重高于5.00 g·盆-1的有10個株系，從高到低依次為m83xzh-1-1-5>m83xzh-1-4-13>m83xzh-1-4-4>m83xzh-1-9-2>m83xzh-1-2-1>m83xzh-1-2-3>m83xzh-1-1-6>m83xzh-1-4-11>m83xzh-1-4-10>m83xzh-1-1-8，其余8個株系均小于5.00 g·盆-1（表1）。

養(yǎng)分吸收方面，各株系的地上部氮、磷、鉀養(yǎng)分積累量分別在91.38～156.79 mg·盆-1、6.19～11.00 mg·盆-1和75.96～145.18 mg·盆-1之間。不同株系間差異較大，其中m83xzh-1-4-8的地上部氮積累量最多，m83xzh-1-1-4最少；m83xzh-1-4-4的地上部磷、鉀積累量最多，對應(yīng)m83xzh-1-4-11和m83xzh-1-1-4地上部磷、鉀積累量最少，兩兩之間達(dá)顯著差異水平。地下部氮、磷、鉀養(yǎng)分積累量分別在12.47～22.15 mg·盆-1、0.49～1.51 mg·盆-1和8.05～17.30 mg·盆-1之間。地下部氮、磷、鉀養(yǎng)分積累量最高的分別是株系m83xzh-1-4-4、m83xzh-1-4-11和m83xzh-1-2-3，最低的分別為株系m83xzh-1-4-8、m83xzh-1-9-5和m83xzh-1-1-8（表1）。

2.2 不同株系紫云英盛花期相關(guān)性狀的變異程度

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試驗F4群體盛花期的性狀表現(xiàn)出一定的株系間變異，且各性狀的變異幅度差異較大。其中，地下部磷積累量變異幅度最大，莖粗變異幅度最小，變異系數(shù)分別為35.06%和9.83%。整體來看，真葉數(shù)和地下部磷、鉀積累量變異程度均≥25%；株高和莖粗變異程度均≤20%；其余指標(biāo)介于20%和25%之間。根據(jù)性狀指標(biāo)的變異程度，從大到小排列順序依次為地下部磷積累量、地下部鉀積累量、真葉數(shù)、地下部鮮重、地下部干重、地上部鉀積累量、地下部氮積累量、地上部鮮重、地上部干重、分枝數(shù)、地上部氮積累量、地上部磷積累量、株高、莖粗（表2）。

表2 試驗紫云英F4群體盛花期的農(nóng)藝及養(yǎng)分吸收性狀變異程度Table 2 Variation degr ee of agr onomic and nutr ients accumulation tr aits of the Chinese milk vetch F 4 population at full flowering stage

2.3 不同株系紫云英盛花期各指標(biāo)相關(guān)性分析

在養(yǎng)分吸收方面，地上部鮮重、地上部干重、地下部鮮重、地下部干重與植株氮、磷、鉀養(yǎng)分積累量達(dá)到顯著相關(guān)水平（P<0.05）；分枝數(shù)與植株氮、磷、鉀積累量間呈顯著正相關(guān)；株高與植株地下部磷積累量呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。生長特性方面，株高、分枝數(shù)、真葉數(shù)與地上部鮮重、地上部干重呈顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.05）；分枝數(shù)與真葉數(shù)顯著正相關(guān)；莖粗與分枝數(shù)顯著負(fù)相關(guān)（表3）。

表3 試驗紫云英F4群體盛花期各指標(biāo)的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of indexes of the Chinese milk vetch F 4 population at full flowering stage

2.4 不同株系紫云英盛花期評價指標(biāo)主成分分析

主成分分析可對原始變量系統(tǒng)進行有效的綜合和簡化，將多個指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)獨立的綜合指標(biāo)［19］。本試驗對14個測定的性狀指標(biāo)進行主成分分析，列于表4?？梢钥闯觯?個主成分特征值均大于1，主成分方差貢獻(xiàn)率分別為32.63%、23.83%、14.31%、8.77%和7.45%，累積方差貢獻(xiàn)率達(dá)到86.98%，即可以解釋86.98%的總變異，其余成分可以忽略不計。因此，以上5個主成分反映了其原始變量的絕大部分信息（表4）。

表4 試驗紫云英F4群體主成分初始特征值Table 4 Initial eigenvalue of principal component of the Chinese milk vetch F 4 population

第1主成分的特征向量主要以地上部鮮重（0.380）、地上部干重（0.362）、地上部氮積累量（0.417）、地上部磷積累量（0.409）、地上部鉀積累量（0.369）的影響為主，說明在第1個主成分中主要反映了這5個指標(biāo)的信息，相對其他指標(biāo)更能表征植株養(yǎng)分吸收程度。第2主成分的特征向量主要以地下部鮮重（0.379）、地下部干重（0.418）、地下部氮積累量（0.398）、地下部磷積累量（0.395）、地下部鉀積累量（0.368）的影響為主，其是繼第1主成分外第二位可表征植株養(yǎng)分吸收程度的指標(biāo)。第3、4、5主成分是反映植株狀況的性狀指標(biāo)，其中，第3主成分特征向量主要以莖粗（0.458）、分枝數(shù)（-0.455）的影響為主，第4主成分特征向量主要以株高（-0.504）的影響為主，第5主成分特征向量主要以真葉數(shù)（0.452）的影響為主（表5）。

表5 試驗紫云英F4群體主成分特征向量值Table 5 Eigenvector of pr incipal component analysis of the Chinese milk vetch F 4 population

2.5 不同株系紫云英盛花期主要性狀聚類分析

基于紫云英各性狀指標(biāo)的主成分分析結(jié)果，選擇地上部鮮重、干重、地下部鮮重、干重、地上部氮、磷、鉀積累量和地下部氮、磷、鉀積累量10項指標(biāo)對18份不同株系的紫云英進行聚類分析?？梢钥闯觯?dāng)距離系數(shù)d=25時，可以將18份紫云英株系分為三類（圖1）。第一類包括m83xzh-1-4-4、m83xzh-1-4-6、m83xzh-1-4-8和m83xzh-1-4-13共4個株系，第二類包括m83xzh-1-1-5、m83xzh-1-1-6、m83xzh-1-2-1、m83xzh-1-2-4、m83xzh-1-2-5、m83xzh-1-9-2和m83xzh-1-9-5共7個株系，第三類包括m83xzh-1-1-4、m83xzh-1-1-8、m83xzh-1-2-3、m83xzh-1-4-3、m83xzh-1-4-10、m83xzh-1-4-11和m83xzh-1-9-4共7個株系。

圖1 試驗紫云英F4群體主要性狀的聚類結(jié)果Fig.1 Clustering results of main traits of the Chinese milk vetch F 4 population

同時依據(jù)各性狀指標(biāo)平均值的基本統(tǒng)計結(jié)果（表6）可知，第一類的地上部鮮重、干重、地上部氮、磷、鉀積累量及地下部鉀積累量均為最高，同時具有較高的地下部鮮重和地下部氮積累量；第二類的地下部鮮重、干重及地下部氮積累量為最高，養(yǎng)分積累量較多；第三類的植株鮮重、干重及養(yǎng)分積累量均相對最低。可見，三類株系在生物量以及養(yǎng)分積累上表現(xiàn)出較大的不同，表明這些特性在F4后代中有明顯的分異。

表6 不同類群紫云英的主要性狀均值Table 6 Aver age of main traits of different group of the Chinese milk vetch

3 討論

最大限度地挖掘品種的遺傳潛力并提高產(chǎn)量和養(yǎng)分利用能力，是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)研究的重要目標(biāo)［20-22］。紫云英植株含有大量的氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素，既可以作為優(yōu)質(zhì)的飼草，其翻壓后亦可為其他作物提供營養(yǎng)，其生物量及養(yǎng)分積累量在農(nóng)業(yè)及畜牧業(yè)生產(chǎn)中尤為重要［8］。本試驗結(jié)果表明，在控制其他條件一致的情況下，紫云英不同F(xiàn)4株系的生物量表現(xiàn)出較大差異。18份種質(zhì)資源中鮮草產(chǎn)量最大的是m83xzh-1-4-13，為47.39 g·盆-1；最小的是m83xzh-1-4-10，僅為23.74 g·盆-1，由此可見，在此遺傳群體內(nèi)，部分株系在鮮草產(chǎn)量方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，可以作為今后選育重點關(guān)注品系，也說明通過構(gòu)建重組自交系和利用雜種優(yōu)勢是紫云英育種工作的一條有效途徑。

一般而言，植株氮、磷、鉀養(yǎng)分積累量在不同品種中會表現(xiàn)出一定差異［23-25］。本研究發(fā)現(xiàn)，紫云英不同F(xiàn)4株系對氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收能力不同?？傮w而言，各株系養(yǎng)分總積累量的多少同生物量的規(guī)律大致相同，整株氮磷鉀養(yǎng)分累計積累量最高的是m83xzh-1-4-4，達(dá)到了346.31 mg·盆-1；其 次 是m83xzh-1-4-8、m83xzh-1-4-13和m83xzh-1-4-6，分 別 為330.84、320.80和302.31 mg·盆-1。但各株系在不同養(yǎng)分的積累上略有不同，其中，m83xzh-1-4-4的地上部磷、鉀積累量和地下部氮積累量均為最高；m83xzh-1-4-8的地上部氮積累量最高；m83xzh-1-4-11的地下部磷積累量最高；m83xzh-1-2-3的地下部鉀積累量最高。由此可見，各個株系間對氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收能力不同，表現(xiàn)出了明顯的分異特征。這一方面是品種自身遺傳因素的影響，另一方面也可能因紫云英株系間的結(jié)瘤固氮效果不同所致［26］，或可能與其所引起的根系分泌物和根際微生物的種類、濃度不同有關(guān)［27］，具體原因還需要進一步探究。

紫云英品種間的表型性狀差異顯著，不同品種在物候期、鮮草產(chǎn)量、株高、莖粗［28-29］等性狀上都有明顯差異。根據(jù)育種目標(biāo)，利用不同類型的優(yōu)良基因資源進行基因重組并借助輪回選擇對于種質(zhì)改良、創(chuàng)新和組配雜交種具有重要作用。本研究利用的F4群體，其父本母本分別來自我國紫云英栽培最南端的福建和最北端的信陽，父本母本的表型性狀差異較大。以田間長勢健壯作為選擇目標(biāo)，在F2代選擇優(yōu)良單株，經(jīng)F3代自交獲得F4群體。本研究結(jié)果表明，18個紫云英F4株系之間表現(xiàn)出了較大的分異特征。從生物量、氮磷鉀養(yǎng)分吸收量等方面，可以將18個株系聚類為3類，說明即使按照一定的目標(biāo)進行育種選擇，由于其內(nèi)在的遺傳特性，也會導(dǎo)致遺傳后代的生物量及養(yǎng)分性狀出現(xiàn)分離。這些分離的性狀，可以作為未來新品種選育的重要參考。本研究僅是對各株系的農(nóng)藝性狀及養(yǎng)分吸收等進行了觀測和分析比較，有關(guān)性狀差異的生理和分子機制，有待于進一步研究探討。

4 結(jié)論

根據(jù)地上部鮮重、干重，地下部鮮重、干重，地上部氮、磷、鉀積累量和地下部氮、磷、鉀積累量10項指標(biāo)，對該紫云英重組自交系群體中的18個F4株系進行了分析，株系的生物量、養(yǎng)分積累量表現(xiàn)出明顯分異。經(jīng)聚類分析，結(jié)果表明，當(dāng)距離系數(shù)d=25時，可將各株系分為3類，其中綜合性狀表現(xiàn)優(yōu)良的株系為m83xzh-1-4-4、m83xzh-1-4-6、m83xzh-1-4-8和m83xzh-1-4-13，以株系m83xzh-1-4-4的地上部磷、鉀積累量和地下部氮積累量最高，并且具有較高的鮮草產(chǎn)量。本研究結(jié)果可為后續(xù)按目標(biāo)性狀選育紫云英新品種提供參考。