國內(nèi)春蠶豆種質(zhì)資源種子表型性狀多樣性分析

楊生華， 邵 揚， 李文俊， 郭延平

(臨夏州農(nóng)業(yè)科學(xué)院， 甘肅 臨夏 731100)

0 引言

【研究意義】我國蠶豆種植分為秋播和春播兩大生態(tài)區(qū)，主產(chǎn)區(qū)分布在我國西南、西北、東部沿海以及河北壩上地區(qū)，其中春播區(qū)蠶豆面積和總產(chǎn)分別占全國的15%和22%[1]。我國現(xiàn)存國內(nèi)外蠶豆種質(zhì)資源5 000多份，65%為國內(nèi)地方資源和育成品種，35%為國外引進資源[2]。植物表型性狀的多樣性是遺傳多樣性與環(huán)境多樣性的綜合表現(xiàn)[3]，根據(jù)表型差異分析蠶豆種質(zhì)資源，對反映其基因型差異以及春蠶豆品種改良和種質(zhì)創(chuàng)新具有重要意義。【前人研究進展】近年來，國內(nèi)外學(xué)者在蠶豆種質(zhì)資源表型性狀評價與相關(guān)性分析方面已取得一定的研究成果，王曉娟等[4]對甘肅新征集蠶豆種質(zhì)資源的35個主要性狀進行遺傳多樣性鑒定結(jié)果表明，新征集的蠶豆種質(zhì)資源具有豐富的遺傳多樣性。徐東旭等[5]對國內(nèi)外不同地理來源的637份蠶豆資源形態(tài)性狀進行多樣性評價發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)春冬性資源間以及國內(nèi)外資源間遺傳變異大。康智明等[6]對國內(nèi)主栽秋蠶豆和國外主產(chǎn)區(qū)蠶豆品種進行農(nóng)藝和品質(zhì)性狀遺傳多樣性研究表明，國內(nèi)外蠶豆品種具有明顯的遺傳多樣性。【研究切入點】針對種子表型性狀研究在小麥作物上已有報道，但關(guān)于蠶豆種質(zhì)資源方面的研究大多為形態(tài)性狀研究和多樣性分析，聚焦在春播區(qū)蠶豆種子表型性狀多樣性研究鮮見報道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】從育種目標(biāo)關(guān)鍵性狀種子表型性狀出發(fā)，利用多樣性指數(shù)、主成分分析與聚類分析方法，對301份國內(nèi)春蠶豆種質(zhì)資源種子表型性狀進行遺傳多樣性分析，解析其親緣關(guān)系，挖掘優(yōu)異種質(zhì)資源，為春蠶豆品種改良和種質(zhì)創(chuàng)新提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

依據(jù)地理來源，從國家作物種質(zhì)資源庫選取具有代表性的301份春蠶豆種質(zhì)資源。樣本基本覆蓋中國春蠶豆種植省份，其中，甘肅54份、河北26份、內(nèi)蒙古65份、寧夏24份、青海53份、山西49份、陜西北部12份、新疆18份。

1.2 方法

1.2.1 種子表型性狀測定 種子表型性狀測定用SC-G型自動考種分析儀(萬深)及千粒重儀，正片掃描自動導(dǎo)出種子的百粒重、面積、周長、長寬比、粒長、粒寬、直徑和圓度等性狀參數(shù)。

1.2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化 種子表型性狀具有不同的量綱，統(tǒng)計分析時對百粒重、面積等性狀進行10級分類(每級間相差0.5)，1級

表1 春蠶豆種子性狀分級標(biāo)準(zhǔn)

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 種子表型性狀數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2013計算平均數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)差和多樣性指數(shù)(H′)。利用DPS v 7.05對表型數(shù)據(jù)進行相關(guān)分析和主成分分析，根據(jù)種子性狀的鑒定結(jié)果，利用Popgen32對種子表型性狀數(shù)據(jù)計算資源間的歐式距離及相似性系數(shù)，利用Mega 5.0對301份種質(zhì)資源進行聚類分析。

式中，n為某一性狀表型級別的數(shù)目，Pi為某一性狀第i級內(nèi)材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比。

2 結(jié)果與分析

2.1 春蠶豆種子表型性狀的遺傳多樣性差異

從表2看出，春蠶豆種子8個表型性狀的變異系數(shù)在5.27%～31.51%，平均15.34%，以百粒重的最大；其次是面積，為26.64%；種子長寬比和圓度的較小，分別為5.45%和5.27%；其他4個性狀的變異系數(shù)在12.75%～14.20%。說明，參試種子長寬比和圓度的一致性強，變異范圍不大，而百粒重和面積的變異范圍更大。多樣性指數(shù)在2.030～2.071，平均2.050，以直徑的最高；其次是周長，為2.068；圓度最低。8個種子性狀中，直徑、周長、粒長、粒寬的多樣性指數(shù)較高，說明種子大小的遺傳多樣性較豐富。

表2 春蠶豆種子表型性狀的變異系數(shù)和多樣性指數(shù)

2.2 春蠶豆資源群體間的遺傳多樣性

從表3看出，8個不同地理來源的種質(zhì)資源群體以陜西北部、寧夏、新疆、內(nèi)蒙古的變異程度較高，變異系數(shù)分別為43.51%、38.19%、36.37%和34.64%，說明這些地區(qū)資源的變異程度高，遺傳多樣性豐富；而青海、甘肅群體的變異程度較低，變異系數(shù)為28.97%和27.51%，表明這2個地區(qū)的資源具有較穩(wěn)定的遺傳特性。8個不同地理來源中，春蠶豆種質(zhì)資源群體的多樣性指數(shù)在0.964～2.355，平均1.744；以青海的最高；其次為內(nèi)蒙古、甘肅和山西，多樣性指數(shù)分別為2.336、2.318和2.026，表明這4個群體的遺傳多樣性較豐富；陜西北部的最低，其群體的遺傳多樣性較差。

表3 春蠶豆種質(zhì)資源群體間表型性狀的遺傳多樣性

2.3 春蠶豆種子表型性狀的主成分分析情況

從表4看出，主成分1、2、3的累計貢獻率達(dá)99.33%，表明3個主成分已基本覆蓋參試資源種子表型性狀信息。其中，主成分1的特征值為5.47，貢獻率占68.29%，對應(yīng)的特征向量值中以面積、周長的較高，分別為0.463 3和0.740 8，表明第1主成分主要描述的是籽粒大小的變異；主成分2的特征值為2.07，貢獻率占25.71%，對應(yīng)特征向量中以百粒重、長寬比和直徑的特征向量的絕對值較高，分別為0.409 5、0.559 5和0.613 7，說明該主成分主要描述的是籽粒形狀；由于直徑對第2成分有負(fù)相關(guān)作用，表明籽粒直徑越大，種子越窄；主成分3的特征值為0.43，貢獻率僅占5.33%，對應(yīng)特征向量中以粒長、百粒重向量值最高，表明該主成分主要描述的是粒重因子。

表4 春蠶豆種質(zhì)資源種子性狀主成分

2.4 春蠶豆種子表型性狀聚類情況

從圖1和表5可知，301份種質(zhì)資源聚為2個類群。第Ⅰ類群包含120份種質(zhì)資源，占供試材料的39.86%，分布范圍廣泛，包括甘肅、青海與河北3個省區(qū)；該類群種子較大，相應(yīng)的面積、周長、粒長、粒寬、直徑都較大，百粒重平均為99.82 g，是選擇大粒高產(chǎn)品種的重要材料。第Ⅱ類群包含181份種質(zhì)資源，占供試材料的60.14%，分布范圍廣，包括內(nèi)蒙古、新疆、山西、寧夏和陜西北部5個省區(qū)。該類群種子較小，相應(yīng)的面積、粒長、粒寬也較小，百粒重平均值70.04 g，而圓度較大，平均為0.75，是選擇機械化收獲的近圓形品種的重要材料。

表5 各類群種子表型性狀的平均值

3 討論

3.1 種子性狀的遺傳多樣性

種質(zhì)資源的遺傳多樣性是生物進化和遺傳育種的基礎(chǔ)，根據(jù)作物種子表型性狀進行遺傳多樣性分析對種質(zhì)創(chuàng)新和品種改良具有重要的意義[7-9]。研究基于8個數(shù)量性狀，對301份國內(nèi)不同來源春播蠶豆種質(zhì)進行多樣性分析，結(jié)果表明，春播蠶豆的直徑、周長、粒長、粒寬等性狀的多樣性指數(shù)比百粒重、投影面積、長寬比、圓度等性狀的遺傳多樣性更豐富。其中，直徑的遺傳多樣性最為豐富，多樣性指數(shù)為2.071，圓度的最為狹窄，多樣性指數(shù)為2.030，說明蠶豆種子表型性狀易受環(huán)境因素影響，變異范圍大，遺傳多樣性豐富。不同地理來源蠶豆資源遺傳變異明顯，301份蠶豆資源中，青海、內(nèi)蒙古、甘肅群體的資源遺傳多樣性比陜西北部、河北群體的資源豐富，其中，青海群體的多樣性指數(shù)最高，為2.355；陜西北部的最低，為0.964。陜西北部、寧夏、新疆、內(nèi)蒙古群體的資源變異程度較高，而青海、甘肅群體的變異程度較低，說明相鄰省份資源間的遺傳距離較小，親緣關(guān)系相對較近。

3.2 蠶豆種子性狀間的相互關(guān)系

作為一種有效的多元分析方法，主成分分析在種質(zhì)資源多樣性研究中都有應(yīng)用[10]。袁名宜等[11]對50份不同地理來源的蠶豆資源進行主成分分析結(jié)果表明，前4個主成分能反映全部數(shù)量性狀信息，累計貢獻率86.3%，而且不同主成分包含性狀類型的差異較大，可以將性狀明顯歸類。對301份國內(nèi)春蠶豆資源8個種子性狀進行主成分分析結(jié)果表明，前3個主成分反映了資源的絕大部分信息，累計貢獻率達(dá)99.32%，各主成分包含的性狀信息具有一定的相關(guān)性，而且不同主成分包含性狀類型的差異較大。第1主成分主要描述籽粒大小，可在蠶豆的高產(chǎn)育種中加大該主成分相關(guān)性狀的考慮。第2主成分主要描述籽粒形狀，對總變異的貢獻率相對較小。

3.3 蠶豆品種間的遺傳差異

聚類分析是研究品種間遺傳差異，以及雜交育種親本選配的重要方法。研究結(jié)果表明，301份供試資源聚成2個群組，其群組的劃分與籽粒大小和地理來源有關(guān)，與劉玉皎等[2]的研究結(jié)果一致，其中第Ⅰ類群具有百粒重、周長等性狀值較高等特點，是選擇大粒、高產(chǎn)品種的重要材料；第Ⅱ類群圓度較大，是選擇機械化收獲近圓形品種的重要材料。

優(yōu)異種質(zhì)資源是培育優(yōu)良品種的遺傳物質(zhì)基礎(chǔ)，挖掘優(yōu)異種質(zhì)是品種改良的重要工作。建議加強種質(zhì)資源的引進篩選相關(guān)工作，充分挖掘和利用優(yōu)異種質(zhì)資源，合理選配親本，提高育種效率；同時做好蠶豆種質(zhì)資源精準(zhǔn)鑒定評價及抗性基因的挖掘，為育種工作和資源利用提供有益信息。

4 結(jié)論

301份國內(nèi)春蠶豆種質(zhì)資源種子8個表型性狀(百粒重、面積、周長、長寬比、粒長、粒寬、直徑和圓度)的遺傳多樣性指數(shù)平均為2.050，平均變異系數(shù)為15.34%，表明301份蠶豆種質(zhì)資源具有豐富的遺傳多樣性。通過主成分分析發(fā)現(xiàn)，前3個主成分的貢獻率分別為68.29%、25.71%和5.33%，累計貢獻率達(dá)99.33%，幾乎覆蓋參試種質(zhì)資源種子表型性狀的全部信息。聚類分析將301份蠶豆種質(zhì)資源聚為兩類，第Ⅰ類群包含120份種質(zhì)資源，占供試材料的39.86%，分布范圍廣泛，包括甘肅、青海與河北3個省區(qū)，該類群種子較大，相應(yīng)的面積、周長、粒長、粒寬、粒重、直徑都較大，是選擇大粒高產(chǎn)品種的重要材料；第Ⅱ類群包含181份種質(zhì)資源，占供試材料的60.14%，分布范圍廣，包括內(nèi)蒙古、新疆、山西、寧夏和陜西北部5個省區(qū)，該類群種子較小，相應(yīng)的面積、粒長、粒寬、粒重均較小，而圓度較大，是選擇機械化收獲近圓形品種的重要材料。