豌豆種質(zhì)資源主要品質(zhì)性狀的分析與評價

沈?qū)氂睿盍幔诰w曉

(1.遼寧省經(jīng)濟作物研究所，遼寧 遼陽 111000；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，北京 100081)

豌豆(Pisum sativumL.)屬于豆科蝶形花亞科豌豆屬一年生冷季豆類，具有適應(yīng)能力強、生育期短、遺傳多樣性豐富等特點，其籽粒富含蛋白質(zhì)、淀粉等多種營養(yǎng)成分，是重要的經(jīng)濟作物和糧菜飼草兼用作物[1，2]。

豌豆蛋白質(zhì)平均含量為24.84%，其乳化穩(wěn)定性高、溶解性好，在肉制品、飲料及冷凍食品中廣泛應(yīng)用[3]。豌豆淀粉平均含量為48.7%，脂肪平均含量為1.4%[4]。豌豆淀粉是制作糕點、涼粉、粉絲等多種食品的優(yōu)選原料[4]。隨著豌豆在食用、飼用、肥用、藥用等方面價值的不斷發(fā)掘和展現(xiàn)，開發(fā)以豌豆為原料的綜合利用及深加工產(chǎn)品具有廣闊前景[5]。優(yōu)異的種質(zhì)資源在作物品質(zhì)形成過程中起著關(guān)鍵性作用，種質(zhì)資源的發(fā)掘、創(chuàng)新和利用是提高豌豆育種成效的關(guān)鍵。

基于作物種質(zhì)資源品質(zhì)性狀的分析與評價在大豆、花生、小麥、玉米等作物上已有報道[6－9]。而在豌豆上的研究報道主要集中在農(nóng)藝性狀方面，而有關(guān)其品質(zhì)性狀的分析與評價相對較少。高小麗等[2]采用灰色關(guān)聯(lián)度分析和相關(guān)分析相結(jié)合的方法研究表明，單莢粒數(shù)為影響豌豆產(chǎn)量的主要因子，粗蛋白含量對豌豆品質(zhì)的影響最大。李莉等[10]研究了15份外引豌豆種質(zhì)資源的主要農(nóng)藝和經(jīng)濟性狀，綜合成為4個主成分，聚為5大類群。本研究將變異分析、相關(guān)性分析、主成分分析、聚類分析、逐步回歸分析方法結(jié)合起來運用，對50份豌豆種質(zhì)資源的4個品質(zhì)性狀進(jìn)行綜合評價，旨在探明它們之間的緊密程度，以期為豌豆優(yōu)異專用新品種的選育和其有效利用提供動態(tài)性指標(biāo)，為豌豆種質(zhì)資源創(chuàng)新提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試豌豆種質(zhì)資源共計50份(表1)，源于中國、捷克、英國、澳大利亞4個國家，其中國內(nèi)資源35份、國外資源15份。

表1 豌豆種質(zhì)資源信息

1.2 試驗設(shè)計與田間管理

2021年供試豌豆資源種植于遼寧省經(jīng)濟作物研究所試驗地(123°8′24″E，41°15′44″N，海拔44 m)。試驗地為壤土，肥力中等。隨機區(qū)組設(shè)計，重復(fù)3次。小區(qū)面積:4 m×2 m＝8 m2。3月24日穴播，6行區(qū)，行距30 cm，穴距8 cm，每穴2~3粒。其它田間管理按常規(guī)方法進(jìn)行。6月20日始，50份資源根據(jù)各自成熟期分別收獲。

1.3 品質(zhì)指標(biāo)測定及方法

每份豌豆資源分別精選大而飽滿籽粒200 g進(jìn)行品質(zhì)測定。其中，水分含量測定采用直接干燥法(GB 5009.3—2016)；粗蛋白含量測定采用凱氏定氮法(GB/T 5009.5—2010)；粗脂肪含量測定采用酸水解法(GB/T 5009.6—2003)；總淀粉含量測定采用酸水解法(GB/T 5009.9.3—2008)。每個品種測定3次，取平均值。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2019進(jìn)行統(tǒng)計，DPS 21.0軟件進(jìn)行方差分析、相關(guān)分析、主成分分析、聚類分析及回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 豌豆種質(zhì)資源品質(zhì)性狀的變異和多樣性分析

由表2可知，籽粒粗蛋白含量變幅為14.6%~27.7%，均值為21.63%；粗脂肪含量變幅為0.6%~1.4%，均值為0.81%；總淀粉含量變幅為39.3%~58.8%，均值為46.67%；水分含量變幅為12.3%~15.0%，均值為14.15%。4個品質(zhì)性狀的變異系數(shù)范圍為3.47%~24.08%，其中粗脂肪含量的變異系數(shù)最大(24.08%)，其次是粗蛋白含量(10.75%)，水分含量的變異系數(shù)最小(3.47%)。50份豌豆種質(zhì)資源的Simpson多樣性指數(shù)范圍為0.9798~1.0036，其中粗脂肪含量最大為1.0036，總淀粉含量最小為0.9798。由上述分析結(jié)果可知，50份豌豆種質(zhì)資源粗脂肪、粗蛋白含量具有較豐富的遺傳多樣性，種質(zhì)之間性狀差異較大，適宜進(jìn)行優(yōu)異種質(zhì)分析與評價。

表2 豌豆種質(zhì)資源品質(zhì)性狀的變異與多樣性

2.2 豌豆種質(zhì)資源養(yǎng)分含量分布分析

由表3可知，50份豌豆種質(zhì)資源中，籽粒粗蛋白含量≤19%的有4份，占8%；介于19.01%~21.00%的有15份，占30%；介于21.01%~23.00%的有18份，占36%；介于23.01%~25.00%的有11份，占22%；>25.00%的有2份，占4%。籽粒粗脂肪含量≤0.70%的有14份，占28%；介于0.71%~0.90%的有27份，占54%；介于0.91%~1.10%的有3份，占6%；介于1.11%~1.30%的有5份，占10%；>1.30%的有1份，占2%。籽?？偟矸酆俊?0%的有3份，占6%；介于40.01%~45.00%的有14份，占28%；介于45.01%~50.00%的有22份，占44%；介于50.01%~55.00%的有9份，占18%；>55.00%的有2份，占4%。籽粒水分含量≤13.50%、介于13.51%~13.90%的各有6份，各占12%；介于13.91%~14.30%的有16份，占32%；介于14.31%~14.70%的有19份，占38%；>14.71%的有3份，占6%。

表3 豌豆種質(zhì)資源養(yǎng)分含量的分布與比率

2.3 豌豆種質(zhì)資源的聚類分析

4個品質(zhì)性狀數(shù)據(jù)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)換后，采用歐氏距離離差平方和法對50份豌豆種質(zhì)資源的粗蛋白、粗脂肪、總淀粉和水分含量這4個品質(zhì)性狀進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析。結(jié)果(圖1)表明，遺傳距離變幅為0.0315~4.3360，其中資源39(GSP 16－006)的遺傳距離最小，為0.0315，資源2(G0000815)的遺傳距離最大，為4.4336。在歐氏遺傳距離D＝1時，把50份種質(zhì)資源分為4大類群:第Ⅰ類群有16個資源(1、30、50、48、24、34、37、26、29、35、45、13、17、21、15和33)，第Ⅱ類群有19個資源(4、12、43、14、46、27、7、9、42、16、39、18、49、40、28、44、31、41和47)，第Ⅲ類群有6個資源(20、38、23、25、32和36)。第IV類群有9個資源(2、22、10、11、3、19、5、6和8)。

圖1 50份豌豆種質(zhì)資源的聚類分析結(jié)果

統(tǒng)計4個類群各品質(zhì)性狀的均值、最小值、最大值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)(表4)，結(jié)果顯示:第Ⅰ類群中，粗蛋白和水分含量均值較群體均值(即50份種質(zhì)資源相應(yīng)品質(zhì)性狀的均值)分別高5.96%和1.48%，粗脂肪和總淀粉含量分別低19.75%和4.24%，主要特征是粗蛋白含量高。第Ⅱ類群中，總淀粉和水分含量均高于群體均值，分別高5.81%和1.13%，主要特征是總淀粉含量高。第Ⅲ類群中，粗脂肪含量高于第Ⅰ、Ⅱ類群，粗脂肪和總淀粉含量均高于群體均值，分別高6.17%和0.49%，主要特征是粗脂肪含量較高。第IV類群中，粗脂肪含量在4個類群中均值最大，高于群體均值達(dá)44.44%，其次是粗蛋白含量，高5.04%，主要特征是粗脂肪含量高。

表4 豌豆種質(zhì)資源4個類群品質(zhì)性狀特征(%)

2.4 豌豆種質(zhì)資源品質(zhì)性狀間的相關(guān)性分析

50份豌豆種質(zhì)資源4個品質(zhì)性狀的相關(guān)性分析結(jié)果(表5)表明，粗蛋白含量與總淀粉含量、粗脂肪含量與水分含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，且后者的相關(guān)系數(shù)最大，為－0.5318。由此可見，豌豆粗蛋白含量越高其籽?？偟矸酆吭狡?，粗脂肪含量越高其籽粒水分含量越低。

表5 豌豆種質(zhì)資源品質(zhì)性狀的相關(guān)系數(shù)

2.5 豌豆種質(zhì)資源品質(zhì)性狀間的主成分分析

對50份豌豆資源的4個品質(zhì)性狀進(jìn)行主成分分析得出，前3個特征值累計貢獻(xiàn)率達(dá)89.680%(表6)，說明前3個主成分基本能反映全部特征信息。

表6 豌豆種質(zhì)資源品質(zhì)性狀的主成分分析

第一主成分的特征值為1.647，貢獻(xiàn)率為41.182%。第一主成分中負(fù)向載荷最高的是粗脂肪含量(－0.6544)，正向載荷最高的是水分含量(0.6040)，說明第一主成分特征值越大，粗脂肪含量越低，水分含量則越高，其它品質(zhì)特性基本不變。粗脂肪對第一主成分的影響最大，可將第一主成分視為粗脂肪因子。

第二主成分的特征值為1.382，貢獻(xiàn)率為34.545%。第二主成分中正向載荷最高的是粗蛋白含量，為0.7402，其次是水分含量，為0.3713；負(fù)向載荷最高的是總淀粉含量，為－0.5396，其次是粗脂肪含量，為－0.1519。說明粗蛋白含量對第二主成分的影響最大，可將第二主成分視為粗蛋白因子。

第三主成分的特征值為0.558，貢獻(xiàn)率為13.953%。第三主成分中正向載荷最高的是總淀粉含量，為0.6765，其次是粗蛋白、粗脂肪、水分含量，分別為0.5208、0.4990和0.1490。說明總淀粉含量對第三主成分的影響最大，可將第三主成分視為總淀粉因子。

綜上所述，豌豆種質(zhì)資源品質(zhì)評價分析的性狀依次為粗脂肪、粗蛋白、總淀粉含量。

2.6 豌豆種質(zhì)資源品質(zhì)性狀的綜合評價

代入標(biāo)準(zhǔn)化后的4個品質(zhì)性狀值(表6)，構(gòu)建3個主成分的表達(dá)函數(shù)式:

主成分是原變量的正規(guī)化線性組合，主成分中各性狀載荷值的大小體現(xiàn)了各性狀在主成分中的重要程度[11]。以各主成分對應(yīng)的貢獻(xiàn)率權(quán)重(0.4592、0.3852和0.1556)，建立基于主成分的豌豆品質(zhì)綜合評價模型:

在主成分分析的基礎(chǔ)上計算出綜合得分F值，依F值大小對50份豌豆種質(zhì)資源的品質(zhì)性狀進(jìn)行綜合評價，結(jié)果見表7。F值越大，說明該品種綜合品質(zhì)越好。資源45(G0001601)的F值最高(1.2219)，資源10(G0002121)的F值最低(－2.2174)，說明前者綜合表現(xiàn)最好，后者綜合表現(xiàn)最差。排在前10位的分別是資源45(G0001601)、48(G0001604)、37(G0001879)、15(G0005543)、31(G0001844)、34(G0002409)、26(G0001727)、24(G0002359)、41(GSP16－008)和28(G0001791)。

表7 豌豆種質(zhì)資源品質(zhì)性狀各主成分得分

品質(zhì)性狀F值與4個品質(zhì)性狀的相關(guān)性分析結(jié)果(表8)表明，F(xiàn)值與粗蛋白、水分含量呈極顯著正相關(guān)(0.47、0.89)，與粗脂肪含量呈極顯著負(fù)相關(guān)(－0.71)。

表8 品質(zhì)性狀F值與4個品質(zhì)性狀的相關(guān)系數(shù)

2.7 豌豆種質(zhì)資源品質(zhì)性狀綜合評價指標(biāo)篩選

以4個品質(zhì)性狀調(diào)查值為自變量(X)，綜合得分F值為因變量(Y)，通過逐步線性回歸方法構(gòu)建最優(yōu)回歸方程式為:

Y＝－15.69346154＋0.13582791337X1－1.4560236502X2＋0.022187070227X3＋0.9118544853X4，式中X1、X2、X3、X4分別代表粗蛋白、粗脂肪、總淀粉、水分含量4個性狀。其各回歸系數(shù)的偏相關(guān)系數(shù)分別為1.0000、－1.0000、1.0000、1.0000，Durbin－Watson統(tǒng)計量(d)為1.7472，說明構(gòu)建的回歸方程為最優(yōu)回歸方程?；貧w方程中4個性狀對應(yīng)的直接通徑系數(shù)分別為0.4155、－0.3740、0.1320、0.5896，回歸方程決定系數(shù)R2＝1.0000，說明4個性狀共同決定了綜合得分100%的總變異，F(xiàn)值為5 624 991.56，即粗蛋白、粗脂肪、總淀粉、水分含量均可作為豌豆種質(zhì)資源的綜合評價指標(biāo)。

3 討論

種質(zhì)資源綜合分析、評價是種質(zhì)創(chuàng)新的基礎(chǔ)[6]。作物性狀變異系數(shù)的大小，反映該性狀在不同環(huán)境下對品種品質(zhì)形成影響的差異，這種差異也是作物改良的基礎(chǔ)[12]。本研究結(jié)果表明，50份豌豆種質(zhì)資源的4個性狀(粗蛋白、粗脂肪、總淀粉、水分含量)具有較高的遺傳差異，變異系數(shù)范圍為3.47%~24.08%，變異系數(shù)最高的是粗脂肪含量(24.08%)，變異系數(shù)最低的是水分含量(3.47%)，這與高小麗等[13]的研究結(jié)果基本一致。說明粗脂肪具有豐富的遺傳基礎(chǔ)，加以改良更易獲得好的后代，而水分在供試材料上具有遺傳穩(wěn)定性。Simpson多樣性指數(shù)變化范圍為0.9798~1.0036，反映了性狀的遺傳多樣性較高。

對豌豆各品質(zhì)性狀間的相關(guān)性進(jìn)行分析，可了解各品質(zhì)性狀的比例組成對豌豆品質(zhì)的影響[14]。由相關(guān)性分析可以看出，粗蛋白含量與總淀粉含量呈極顯著負(fù)相關(guān)，這與高小麗等[2]的研究結(jié)果一致，說明兩個品質(zhì)性狀相互制約；粗脂肪含量與水分含量相互制約，也呈極顯著負(fù)相關(guān)。

主成分分析、聚類分析、平均隸屬函數(shù)值、逐步回歸分析等方法已廣泛應(yīng)用于作物種質(zhì)資源的篩選和鑒評上[15，16]。聚類分析是尋找一種能客觀反映元素之間親疏關(guān)系的統(tǒng)計量，可據(jù)此把元素分成若干類[17，18]。本研究聚類分析將50份豌豆種質(zhì)資源分為4類，F(xiàn)值排在前10位的資源有7份聚在第Ⅰ類，均來自中國，說明第Ⅰ類綜合性狀最好，可作為豌豆育種的優(yōu)質(zhì)親本類群。

以多元統(tǒng)計為基礎(chǔ)的主成分分析法，可以簡化資源多指標(biāo)，選擇出重點指標(biāo)。本研究簡化為3個相對獨立的主成分，即粗蛋白、粗脂肪和總淀粉含量，其累計貢獻(xiàn)率為89.680%，說明可以將這3個主成分作為豌豆種質(zhì)的主要性狀。第1主成分為粗脂肪因子，第2主成分為粗蛋白因子，第3主成分為總淀粉因子。從貢獻(xiàn)率來看，第1主成分的貢獻(xiàn)率最大(41.182%)，說明對它進(jìn)行育種改良較容易實現(xiàn)。在此分析結(jié)果基礎(chǔ)上，利用隸屬函數(shù)與主成分分析相結(jié)合的方法建立主成分綜合得分模型，對豌豆種質(zhì)資源進(jìn)行綜合評價。依據(jù)品質(zhì)性狀綜合得分F值的大小，直觀地評判50份豌豆種質(zhì)資源品質(zhì)性狀的優(yōu)劣程度，結(jié)果表明:資源45(G0001601)的F值最高，綜合表現(xiàn)最好；排在2~5位的資源分別是資源48(G0001604)、37(G0001879)、15(G0005543)、31(G0001844)，可選擇它們作為豌豆品種選育及種質(zhì)創(chuàng)新的資源；資源10(G0002121)的F值最低，綜合表現(xiàn)最差。豌豆品質(zhì)不僅受品種的影響，還與種植地區(qū)所處的生態(tài)環(huán)境、栽培措施等因素有一定關(guān)系，故分析結(jié)果也會存在差異。今后的研究應(yīng)拓寬育種材料采樣范圍，加強研究的深入性，使研究結(jié)果更具實用價值，從而為豌豆加工企業(yè)提供依據(jù)[19]。

豌豆品質(zhì)性狀間存在不同程度的相關(guān)性，影響豌豆種質(zhì)資源的高效研究利用，而逐步回歸分析方法可以篩選最優(yōu)化的種質(zhì)資源評價指標(biāo)，解決品質(zhì)性狀復(fù)雜繁多并彼此相互結(jié)合、相互作用的問題[20，21]。本研究通過逐步回歸分析得出，粗蛋白、粗脂肪、總淀粉、水分含量4個品質(zhì)性狀均可作為豌豆種質(zhì)資源品質(zhì)性狀綜合評價的主要指標(biāo)，此結(jié)論可為選育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、專用型豌豆品種提供參考。

4 結(jié)論

本研究表明，50份豌豆種質(zhì)資源的4個性狀(粗蛋白、粗脂肪、總淀粉、水分含量)具有較高的遺傳差異，變異系數(shù)范圍為3.47%~24.08%，水分含量較穩(wěn)定，粗脂肪含量變異豐富。其多樣性指數(shù)變化范圍為0.9798~1.0036，粗脂肪含量的多樣性指數(shù)最大。其粗蛋白含量集中分布于21.01%~23.00%，粗脂肪含量集中分布于0.71%~0.90%，總淀粉含量主要分布于45.01%~50.00%，水分含量主要分布于14.31%~14.70%。聚類分析將50份豌豆種質(zhì)資源分為4類，其中第Ⅰ類綜合性狀最好，可作為豌豆育種的優(yōu)質(zhì)親本。粗蛋白含量與總淀粉含量、粗脂肪含量與水分含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)。主成分分析可知，前3個主成分的累計貢獻(xiàn)率為89.680%，第1主成分可視為粗脂肪因子，第2主成分可視為粗蛋白因子，第3主成分可視為總淀粉因子。綜合評價F值，50份豌豆種質(zhì)資源中得分最高的是G0001601(1.2219)，綜合表現(xiàn)最差的是G0002121(－2.2174)。通過逐步回歸分析方法構(gòu)建起最優(yōu)回歸方程，并分析得出粗蛋白、粗脂肪、總淀粉、水分含量4個性狀均可作為豌豆種質(zhì)品質(zhì)綜合評價的主要指標(biāo)。