遼寧省小豆種質(zhì)資源表型鑒定及多樣性分析

何偉鋒，葉福民，喬 輝，趙 秋，徐 敏

(1.遼寧省經(jīng)濟(jì)作物研究所, 遼寧 遼陽 111000；2.燈塔市農(nóng)村農(nóng)業(yè)服務(wù)中心, 遼寧 遼陽 113000)

小豆（Vigna angularis）隸屬豆科蝶形花亞科菜豆族豇豆屬，一年生作物，三出復(fù)葉，花色基本為黃色，大部分品種帶茸毛，莢果狹長［1-2］。小豆籽粒含有人體所必需的鐵、鈣、磷等微量元素和18 種氨基酸，蛋白質(zhì)含量比禾谷類作物高2 ～3 倍［3］，營養(yǎng)價值較高。

小豆起源于中國，我國既是小豆生產(chǎn)大國，也是出口大國，種植面積及總產(chǎn)量均為世界第一［13］。為了更好地挖掘我國小豆資源，為高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)新品種選育和栽培推廣提供支持，我國科學(xué)家開展了全方位的小豆種質(zhì)資源鑒定評價工作。徐寧等［5］根據(jù)地理來源分組構(gòu)建了中國小豆核心種質(zhì)。白鵬等［6］以16 個農(nóng)藝性狀為基礎(chǔ)，對全國262 份小豆資源進(jìn)行聚類分析，發(fā)現(xiàn)小豆資源聚類分析的結(jié)果與其地理來源無明顯相關(guān)性。呂學(xué)高等［7］、武小霞等［8］分別選用浙江省、黑龍江省的小豆資源，在多個主要農(nóng)藝性狀的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合評價，并提取了與產(chǎn)量直接相關(guān)的主要性狀。此外，魏淑紅［9］、喻少帆等［10］、朱振東等［11］、濮紹京等［12］從抗病、耐寒等方面也對小豆資源進(jìn)行了鑒定和評價。

與大宗作物相比，我國有關(guān)小豆的研究開展較晚，資源、育種和栽培技術(shù)等應(yīng)用基礎(chǔ)研究相對落后，品種混雜退化嚴(yán)重［13］，尤其缺少早熟、高產(chǎn)、大粒、加工品質(zhì)等性狀優(yōu)良的品種［14］。本試驗(yàn)選用遼寧省農(nóng)科院種質(zhì)資源庫保存的289 份小豆資源材料，以32 個質(zhì)量性狀、18 個數(shù)量性狀為基礎(chǔ)，通過多樣性分析、相關(guān)性分析、主成分分析、灰色關(guān)聯(lián)度分析以及聚類分析，對所有材料進(jìn)行綜合評價。以期為掌握遼寧省小豆種質(zhì)資源的基本情況，為小豆科研和產(chǎn)業(yè)開發(fā)提供理論依據(jù)，為遼寧省產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整做出貢獻(xiàn)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料共289 份，為2011—2015 年收集的各類小豆資源，現(xiàn)保存在遼寧省經(jīng)濟(jì)作物研究所種質(zhì)資源庫，分別來自遼寧（126）、北京（119）、河北（34）、內(nèi)蒙（7）、山東（1）、黑龍江（1）等地，另有1 份材料從日本引進(jìn)，詳情見表1。

表1 小豆種質(zhì)資源材料清單Table 1 Germplasma list of Vigna angularis

續(xù)表：

1.2 試驗(yàn)地點(diǎn)及土壤類型：

試驗(yàn)在遼寧省經(jīng)濟(jì)作物研究所試驗(yàn)地進(jìn)行。土質(zhì)為沙壤土，耕層土壤有機(jī)質(zhì)含量為1.97%，全氮為0.08%，堿解氮為73.4 mg/kg，速效磷為 23.6 mg/kg，速效鉀為247.5 mg/kg。試驗(yàn)地上茬作物為玉米。

1.3 試驗(yàn)方法：

試驗(yàn)于2015—2019 年進(jìn)行。根據(jù)獲得資源的順序和試驗(yàn)地情況，所有資源材料陸續(xù)種植，保證每份材料種植3 年。種植時所有資源材料順序排列，每個材料種植2行，行長5 m，行距50 cm，株距8 ～10 cm，無重復(fù)。6 月25 日播種，10 月5 日收獲。以三元復(fù)合肥為基肥一次性施入，中耕除草3 次。

參照程須珍等［15］的《小豆種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》，每份材料選擇長勢均勻的10 株，全生育期調(diào)查包括生育時期、株高、葉片數(shù)、單株莢數(shù)、產(chǎn)量等在內(nèi)的18 個數(shù)量性狀，以及熟性、顏色、生長習(xí)性等32 個質(zhì)量性狀。調(diào)查結(jié)果取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)整理與分析

采用EXCEL2007 和DPS9.5 進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理和分析。其中：以所調(diào)查性狀為基礎(chǔ)，分別對數(shù)量性狀和質(zhì)量性狀進(jìn)行相關(guān)分析；以數(shù)量性狀指標(biāo)為基礎(chǔ)，進(jìn)行Shannon 多樣性指數(shù)分析［16］和主成分分析；以單株產(chǎn)量為參考數(shù)列，將所有數(shù)量性狀指標(biāo)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化后，進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析；采用標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換—?dú)W氏距離—離差平方和法進(jìn)行部分性狀的系統(tǒng)聚類分析并進(jìn)一步進(jìn)行K-Mean 聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 小豆種質(zhì)資源多樣性分析

2.1.1 質(zhì)量性狀的多樣性分析 由表2 可見，所有檢測的質(zhì)量性狀中，有14 個性狀表現(xiàn)出相同的特征。表現(xiàn)為：三出復(fù)葉，小葉圓形全緣，單葉淺綠，復(fù)葉綠色，莖綠色，果莢筒形無茸毛，幼莢綠色，成熟莢黃白色，不裂莢。

表2 特征表現(xiàn)相同的14 個質(zhì)量性狀Table 2 14 Quality traits with same feature

由表3 可見，有18 個質(zhì)量性狀表現(xiàn)出不同的特征值，其中：10 個性狀表現(xiàn)出了全部的特征，包括株高程度、葉柄色、花蕾色等；其余8 個性狀表現(xiàn)出了大部分特征，包括復(fù)葉葉型、茸毛密度等，其中粒色的表現(xiàn)最為復(fù)雜，共表現(xiàn)出了全部8 個特征中的7 個特征。

表3 特征表現(xiàn)不同的18 個質(zhì)量性狀Table 3 18 Quality traits with different feature

2.1.2 數(shù)量性狀的多樣性分析 對所檢測的18 個數(shù)量性狀進(jìn)行多樣性分析，結(jié)果見表4。

表4 小豆種質(zhì)資源18 個數(shù)量性狀統(tǒng)計參數(shù)Table 4 Analysis parameter of 18 quantity traits of Vigna angularis

18 個數(shù)量性狀的變異系數(shù)分布在6.47% ～75.99%之間，其中：變異系數(shù)最高的是單株產(chǎn)量（75.99%），其次是單株莢數(shù)（67.01%）、主莖分枝數(shù)（41.53%）以及第一分枝節(jié)位（34.9%），都超過30%，說明這4 個性狀的變異程度較高，遺傳改良的潛力較大；葉片寬（8.56%）、葉片長（8%）、生育日數(shù)（6.47%）3 個性狀的變異系數(shù)較小，都小于10%，說明其離散程度較低，品種間表現(xiàn)較為穩(wěn)定。

Shannon多樣性指數(shù)代表性狀表現(xiàn)的豐富程度。18 個性狀的Shannon 多樣性指數(shù)分布在0.676 2 ～2.068 5 之間，其中：多樣性指數(shù)較高的是葉片寬（2.068 5）、葉柄長（2.066 6）、葉片長（2.048 0）、莢長（2.041 9）、株高（2.033 6）5 個性狀，指數(shù)都超過2.0，說明這5 個性狀的遺傳基礎(chǔ)較為豐富，并且受外界條件影響較大；粒寬（0.925 0）和第一分枝節(jié)位（0.676 2）2 個性狀的多樣性指數(shù)較低，低于1.0，說明其性狀表現(xiàn)較為穩(wěn)定。

2.2 小豆種質(zhì)資源性狀相關(guān)性分析

2.2.1 質(zhì)量性狀的相關(guān)性分析 為了直觀說明質(zhì)量性狀之間的相關(guān)性，結(jié)合期特征值及單株產(chǎn)量，進(jìn)行了相關(guān)性分析，由表5 可見，所檢測的18 個具有不同特征值的質(zhì)量性狀之間，單株產(chǎn)量與復(fù)葉葉色、復(fù)葉葉形、花蕾顏色、株高程度、結(jié)莢程度、以及籽粒大小呈極顯著正相關(guān)，與分枝性呈極顯著負(fù)相關(guān)，與種皮光澤呈顯著負(fù)相關(guān)。此外，熟性與復(fù)葉葉型呈顯著正相關(guān)，與花蕾色、主莖茸毛密度呈顯著負(fù)相關(guān)，與復(fù)葉葉色、籽粒均勻度呈極顯著正相關(guān)；葉色、花蕾色、花色、葉柄色呈顯著正相關(guān)；粒色與籽粒大小、籽粒均勻度、種皮光澤度、葉片茸毛密度、結(jié)莢習(xí)性呈顯著正相關(guān)；籽粒大小與結(jié)莢習(xí)性、生長習(xí)性呈正相關(guān)，與葉片茸毛密度、粒型呈負(fù)相關(guān)；生長習(xí)性與主莖茸毛密度、分枝性呈顯著負(fù)相關(guān)；復(fù)葉葉色與分枝性和籽粒均勻度呈顯著負(fù)相關(guān)，與復(fù)葉葉型、籽粒大小呈極顯著正相關(guān)；結(jié)莢程度與籽粒大小、復(fù)葉葉色、花蕾色、株高呈正相關(guān)，與粒色呈負(fù)相關(guān)；主莖茸毛密度與花蕾色、生長習(xí)性呈顯著負(fù)相關(guān)。

表5 小豆種質(zhì)資源質(zhì)量性狀關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis of quality characters of Vigna angularis

2.2.2 數(shù)量性狀的相關(guān)性分析 由表6 可見，單株產(chǎn)量與葉片大小、葉柄長、主莖粗、主莖節(jié)數(shù)、單株莢數(shù)、單莢粒數(shù)、果莢大小、籽粒大小、以及百粒重大小呈極顯著正相關(guān)，與第一分枝節(jié)位呈極顯著負(fù)相關(guān)，與株高呈顯著正相關(guān)。此外，生育日數(shù)與葉柄長呈顯著正相關(guān)，與葉片長呈顯著負(fù)相關(guān)，與葉柄粗呈極顯著負(fù)相關(guān)，與籽粒大小和百粒重呈極顯著正相關(guān)；葉片及葉柄大小與單株莢數(shù)、果莢長、籽粒大小和百粒重顯著正相關(guān)，與第一分枝節(jié)位呈顯著負(fù)相關(guān)；主莖節(jié)數(shù)與主莖粗、莢長、單株莢數(shù)、單莢粒數(shù)呈顯著正相關(guān)；果莢大小與單莢粒數(shù)、籽粒大小和百粒重呈顯著正相關(guān)；籽粒大小與百粒重呈正相關(guān)。

表6 小豆種質(zhì)資源數(shù)量性狀關(guān)性分析Table 6 Correlation analysis of quantity characters of Vigna angularis

2.3 小豆種質(zhì)資源數(shù)量性狀的主成分分析

主成分分析作為一種有效的多元分析方法，其每一個主成分都是一個相對獨(dú)立的指標(biāo)體系，各個主成分之間不存在相關(guān)性且數(shù)值直觀易分析［17］。本試驗(yàn)主成分分析結(jié)果見表7。選擇特征值大于1或接近于1 的7 個主成分，累計貢獻(xiàn)率達(dá)69.97%。各主成分的特征向量表示各性狀對主成分貢獻(xiàn)的大小，其中≥0.3 特征向量值可作為主要因子。經(jīng)過比較各主成分的特征向量，可將其分別命名為單株莢數(shù)因子、葉片因子、單株產(chǎn)量因子、單莢粒數(shù)因子、葉柄因子、莢長因子和第一分枝節(jié)位因子。其中，第一、第三、第四主成分與產(chǎn)量直接相關(guān)，第六、第七主成分與產(chǎn)量間接相關(guān)，第二、第五主成分主要與葉片性狀相關(guān)。

表7 小豆資源數(shù)量性狀7 個主成分因子及其特征向量Table 7 7 Principal components and factors loading of quantity traits

2.4 小豆種質(zhì)資源數(shù)量性狀與產(chǎn)量的灰色關(guān)聯(lián)度分析

以單株產(chǎn)量為參考數(shù)列，分析小豆主要數(shù)量性狀與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度，結(jié)果見表8。所檢測數(shù)量性狀中，對小豆單株產(chǎn)量的影響最大的是單株莢數(shù)，影響較大的是莢長、百粒重、莢寬、主莖粗等12 個性狀，葉柄長、生育日數(shù)、主莖分枝數(shù)、第一分枝節(jié)位4個指標(biāo)對單株產(chǎn)量的制約依次減小。因此，在選育高產(chǎn)小豆品種時，應(yīng)重點(diǎn)選擇單株莢數(shù)多、果莢大、百粒重高、主莖粗壯的品種。

表8 小豆種質(zhì)資源單株產(chǎn)量與數(shù)量性狀的關(guān)聯(lián)序Table 8 Gray interacting analysis between plant yield and quantity traits

2.5 小豆種質(zhì)資源的聚類分析

2.5.1 所有性狀的系統(tǒng)聚類分析 聚類分析反映了不同品種的遺傳差異，將性狀相近的聚為一類，對雜交中親本的選擇具有指導(dǎo)作用［17］。由于本試驗(yàn)所測量的數(shù)據(jù)較多，為使結(jié)果更簡單明了并具有說服力，對18 個數(shù)量性狀進(jìn)行整理，最終以13 個數(shù)量性狀為基礎(chǔ)，采用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換—?dú)W氏距離—離差平方和法，進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，詳見圖1。

圖1 289 份小豆資源的系統(tǒng)聚類分析圖Fig. 1 Cluster analysis of 289 Vigna angularis germplasm

根據(jù)圖1 的結(jié)果，在歐氏距離=23.01 處，將所有材料分成6 個類群，對63 個類群進(jìn)行解析，得到表9。第一類群包括1、5、116 等78 份材料，屬于早熟小葉小粒的類群。第二類群包括3、33、925 等30 份材料，屬于高大多分枝大果莢的類群。第三類群包括6、54、90 等28 份材料，屬于植株粗壯、高產(chǎn)的類群。第四類群包括7、98、113 共78 份材料，屬于晚熟、矮生、低產(chǎn)的類群。第五類群包含19、78、164 等43 份材料，屬于植株弱小、小粒、低產(chǎn)的類群。第六類群包括39、71、124 等32 份材料，屬于中晚熟、植株生長旺盛、結(jié)實(shí)能力強(qiáng)、高產(chǎn)的類群。

2.5.2 數(shù)量性狀的K-Mean 聚類分析 進(jìn)一步采用K-Mean 聚類分析法，得出18 個數(shù)量性狀的最終聚類中心點(diǎn)，結(jié)果見表9，表中給出了18 個數(shù)量性狀的理論分布區(qū)間和中心值。本試驗(yàn)中所有資源，各性狀的表現(xiàn)主要集中在中心值附近，也是遼寧省現(xiàn)有小豆種質(zhì)資源的主要表現(xiàn)特征。

根據(jù)表9 中的最大值和最小值，綜合考慮熟性、高產(chǎn)、矮生、粒型大小等性狀，篩選出4 類優(yōu)特異資源。

熟性方面：早熟資源10 份，編號為1、4、8、9、10、11、241、242、269、290。該群體生育期為80 d 左右，百粒重和單株產(chǎn)量偏低。晚熟資源10 份，編 號 為114、126、143、144、155、178、179、254、257、266。該群體生育期在100 d 以上，百粒重較高。

株高方面：矮生資源10 份，編號為11、34、62、113、114、115、119、120、145、271。 該 群體株高在55 cm 以下，百粒重中等，單株產(chǎn)量偏低。高稈資源10 份，編號為2、27、46、54、55、164、165、193、218、266。該群體株高在110 cm以上，百粒重中等，單株產(chǎn)量較低。

百粒重方面：小粒資源10 份，編號為106、179、253、257、270、271、272、282、287、290。該群體百粒重在4.3 ～8.7 g，產(chǎn)量較低。大粒資源10 份，編號為30、46、50、75、93、96、102、124、135、140。該群體百粒重在18 g 以上，產(chǎn)量較高。

產(chǎn)量方面：高產(chǎn)資源10 份，編號為46、82、115、124、135、138、139、154、155、178。該 群體單株產(chǎn)量在40 g 以上、最高達(dá)到93.9 g，百粒重較高。

結(jié)合上述的分析，篩選出早熟矮稈小粒資源3份，分別是來自河北的11 號、來自遼寧省彰武縣的271 號和海城市的290 號；中熟高稈大粒高產(chǎn)資源5份，分別是來自北京農(nóng)學(xué)院的46 號、135 號、155 號、來自遼寧省法庫市的266 號、124 號。

3 討論與結(jié)論

本試驗(yàn)所檢測的32 個質(zhì)量性狀中，有14 個表現(xiàn)出相同的特征，18 個表現(xiàn)出不同的特征。其中10個表現(xiàn)出了標(biāo)準(zhǔn)［15］中所列全部的特征，其余8 個性狀則表現(xiàn)出了所列的大部分特征。所檢測18 個數(shù)量性狀中，變異系數(shù)分布在6.47%～75.99%之間,多樣性指數(shù)分布在0.676 2 ～2.068 5 之間，差異比較大。小豆為豇豆屬的一種，部分性狀表現(xiàn)接近或相同，說明這些性狀經(jīng)過自然選擇表現(xiàn)出了較強(qiáng)的適應(yīng)性，遺傳改良的潛力較小，這一點(diǎn)與高運(yùn)青等［18］的研究結(jié)果相同。喬玲等［19］研究認(rèn)為，變異系數(shù)較低的數(shù)量性狀具有較高的多樣性指數(shù)，本試驗(yàn)也表現(xiàn)出相近的趨勢。

綜合質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀之間的相關(guān)性分析，與單株產(chǎn)量相關(guān)較為密切的主要是籽粒和果莢的性狀，以及與植株的營養(yǎng)生長能力直接相關(guān)的性狀，包括株高、主莖節(jié)數(shù)、分枝性、葉片大小等，都與產(chǎn)量呈正相關(guān)，這一點(diǎn)與前人研究結(jié)果相符［6］。此外，復(fù)葉的特征、花蕾顏色以及種皮的光澤度也與單株產(chǎn)量表現(xiàn)出相關(guān)性，即：高產(chǎn)品系應(yīng)表現(xiàn)為深綠色心臟型或劍型葉片、偏紫色花蕾、種皮光亮。值得注意的是，葉色、葉柄色、花蕾色、花色之間呈顯著正相關(guān)，即顏色同時加深或變淺，說明植株的色素積累是由其遺傳特性所決定的。但是粒色沒有表現(xiàn)出一致的相關(guān)性，推測原因有兩個方面：一是粒色表現(xiàn)比較復(fù)雜，尤其還有花紋花斑的性狀；二是控制籽粒色素形成與沉著的基因與控制植株色素形成與沉著的基因不同。由于質(zhì)量性狀的相關(guān)是通過對其進(jìn)行賦值完成的，其中人為因素影響較大，分析結(jié)果可以為工作提供參考。

本試驗(yàn)提取了小豆資源表現(xiàn)性狀的7個主成分，分別歸納為單株莢數(shù)因子、葉片因子、單株產(chǎn)量因子、單莢粒數(shù)因子、葉柄因子、莢長因子和第一分枝節(jié)位因子。其中，第一、第三、第四主成分與產(chǎn)量直接相關(guān)、第六、第七主成分與產(chǎn)量間接相關(guān)，第二、第五主成分為葉片性狀，代表植株長勢。本試驗(yàn)還以單株產(chǎn)量為基礎(chǔ)，對17 個數(shù)量性狀進(jìn)行了灰色關(guān)聯(lián)度分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，與小豆單株產(chǎn)量關(guān)聯(lián)度較大的是單株莢數(shù)，其次的果莢大小、百粒重、主莖粗等性狀。結(jié)合相關(guān)分析和主成分分析的結(jié)果，可以認(rèn)為，小豆的結(jié)實(shí)能力對產(chǎn)量影響較大，其次是植株長勢。

本試驗(yàn)通過聚類分析將所有材料分成6個類群，還采用k-mean 聚類分析法，篩選出了具有特異性狀的資源，包括早熟矮桿小粒資源3 份，中熟高稈大粒高產(chǎn)資源5 份。育種過程中，可以根據(jù)需要選擇遺傳距離大、表現(xiàn)突出的材料雜交配組以獲得最大的遺傳變異［20-21］。根據(jù)以往在小豆［22］、棉花等作物上的經(jīng)驗(yàn)［23］，不同類群的特征與其原始來源地區(qū)的自然氣候條件有一定的相關(guān)性，可以通過聚類分析將其劃分開。但本試驗(yàn)的研究結(jié)果沒有表現(xiàn)出這一特征，這一點(diǎn)與白鵬等［6］的研究相符，其原因在于本試驗(yàn)所選用的材料中一大部分來自于北京農(nóng)學(xué)院的資源庫，其原始來源不明；同時區(qū)域間引種較為頻繁，所以無法對其地域分布進(jìn)行進(jìn)一步 的分析。

本試驗(yàn)僅考慮本地生態(tài)氣候條件下小豆資源的性狀表現(xiàn)，由于試驗(yàn)條件、土壤及氣候條件等的不同，會導(dǎo)致各性狀值的變化，因此試驗(yàn)結(jié)果僅對本地區(qū)小豆資源的創(chuàng)新利用具有指導(dǎo)意義。同時，本試驗(yàn)僅比較了各資源生物學(xué)性狀的表現(xiàn)值，對于生理生化指標(biāo)沒有深入的研究，對于分子層面的研究工作也沒有開展，這些都要在下一步的工作中逐步展開。