綠豆種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀、 經(jīng)濟(jì)性狀遺傳多樣性分析及綜合評(píng)價(jià)

康澤然， 王曉磊， 魏云山， 劉迎春， 周學(xué)超， 胡海波， 李 峰， 崔智慧

(赤峰市農(nóng)牧科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古赤峰 024000)

綠豆(VignaradiataL.)屬于豆科(Leguminosae)蝶形花亞科(Papilionaceae)，是一年生自花授粉作物，在中國(guó)具有2 000多年的種植歷史[1]。綠豆具有良好的抗旱耐貧瘠性，同時(shí)共生固氮能力強(qiáng)，是禾谷類、幼齡果樹(shù)等作物的間作套種適合作物和前茬，同時(shí)也經(jīng)常被當(dāng)作填閑和救災(zāi)作物[2]。

內(nèi)蒙古赤峰市作為典型的干旱半干旱雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)地區(qū)，非常適宜綠豆生產(chǎn)，是主要的種植區(qū)[3]。但是多年來(lái)，赤峰地區(qū)綠豆在生產(chǎn)上存在品種退化嚴(yán)重、穩(wěn)定性差、產(chǎn)量不高等問(wèn)題，導(dǎo)致綠豆種質(zhì)資源狹窄，嚴(yán)重影響綠豆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。因此，對(duì)部分優(yōu)異種質(zhì)資源進(jìn)行遺傳變異性分析，根據(jù)不同性狀的表現(xiàn)來(lái)選擇和利用親本，通過(guò)雜交育種方法進(jìn)行品種改良可加速本地區(qū)優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)綠豆新品種選育。

對(duì)農(nóng)作物的農(nóng)藝性狀、經(jīng)濟(jì)性狀進(jìn)行研究有助于有針對(duì)性地利用資源和加速新品種選育。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)研究學(xué)者多采用遺傳多樣性指數(shù)[4-5]、系統(tǒng)聚類分析[6-7]、主成分分析[8]等方法對(duì)綠豆資源進(jìn)行性狀評(píng)價(jià)，對(duì)篩選出適宜當(dāng)?shù)胤N植的優(yōu)異綠豆品種起到了理論支撐的作用。本研究借鑒前人研究方法，對(duì)來(lái)自國(guó)內(nèi)不同地區(qū)的20份綠豆種質(zhì)材料的10個(gè)主要農(nóng)藝性狀、經(jīng)濟(jì)性狀進(jìn)行調(diào)查，同時(shí)利用統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行遺傳多樣性、相關(guān)性、聚類分析和主成分分析，綜合評(píng)價(jià)分析了參試綠豆種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀的變異豐富度，用科學(xué)數(shù)據(jù)為赤峰區(qū)域綠豆高產(chǎn)育種進(jìn)行指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于內(nèi)蒙古赤峰市農(nóng)牧科學(xué)研究所梁上基地，該地位于赤峰市西郊10 km處(42°17′N，118°51′E)，海拔520 m。年日照時(shí)數(shù)2 800～3 100 h，年均降水量300～540 mm，年平均氣溫 7.2 ℃，無(wú)霜期在120～145 d范圍內(nèi)，積溫2 200～2 800 d·℃。土壤類型為壤土，地形平坦、肥力均勻。

1.2 試驗(yàn)材料

供試綠豆種質(zhì)材料20份，來(lái)自北京市、內(nèi)蒙古自治區(qū)、吉林省等地(表1)。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)材料于2019年5月在赤峰市農(nóng)牧科學(xué)研究所梁上試驗(yàn)播種，隨機(jī)區(qū)組排列，設(shè)置3次重復(fù)，行距50 cm，株距20 cm，每個(gè)小區(qū)面積3 m2。播種方式為穴播，試驗(yàn)四周設(shè)保護(hù)行。試驗(yàn)基地為水澆地，前茬作物為谷子，肥力中等，機(jī)器開(kāi)壟，人工穴播，田間管理栽培措施同大田常規(guī)。

表1 供試綠豆種質(zhì)資源及其來(lái)源

1.4 測(cè)定指標(biāo)

根據(jù)《綠豆種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[9]調(diào)查本試驗(yàn)的主要農(nóng)藝性狀、經(jīng)濟(jì)性狀。在綠豆生長(zhǎng)發(fā)育期間，調(diào)查各品種的全生育期。成熟期，從每個(gè)小區(qū)隨機(jī)抽取10株植株進(jìn)行株高、主莖粗、莢長(zhǎng)、主莖節(jié)數(shù)、主莖分枝數(shù)、單株莢數(shù)、單莢粒數(shù)、百粒質(zhì)量、單株產(chǎn)量的測(cè)定。

1.5 數(shù)據(jù)分析

CV=平均值/標(biāo)準(zhǔn)差×100%；

H′=-∑PilnPi(Pi表示第i種變異出現(xiàn)的頻率)。

利用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)分析、聚類分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 綠豆種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀的表現(xiàn)及變異分析

對(duì)20份綠豆種質(zhì)資源10個(gè)農(nóng)藝性狀、經(jīng)濟(jì)性狀進(jìn)行分析，結(jié)果(表2)表明，各農(nóng)藝性狀、經(jīng)濟(jì)性狀變異程度大小不同(3.72%～19.21%)，變異廣泛。10個(gè)性狀的變異系數(shù)平均值為10.72%，變異較大的性狀分別為主莖分枝數(shù)、單株莢數(shù)、株高、單株產(chǎn)量，其變異系數(shù)分別為19.21%、14.36%、13.52%、12.37%，其極差分別為1.80、13.73、40.70、7.82。表明20份種質(zhì)資源在這4個(gè)性狀上變異潛力大，育種的選擇基礎(chǔ)廣。單莢粒數(shù)的變異系數(shù)最小，為3.72%，說(shuō)明該性狀的環(huán)境穩(wěn)定性較高。10個(gè)性狀的多樣性指數(shù)在1.429～1.956，平均為1.746，說(shuō)明各性狀遺傳多樣性豐富，選擇基礎(chǔ)廣，合理利用這些綠豆資源，通過(guò)品種雜交方式促進(jìn)優(yōu)異新品種的選育。綜上所述，供試20份綠豆材料的10個(gè)主要農(nóng)藝性狀、經(jīng)濟(jì)性狀的變異系數(shù)及遺傳多樣性指數(shù)較高，具有豐富的遺傳性。

2.2 綠豆種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀、經(jīng)濟(jì)性狀的相關(guān)性分析

20份綠豆種質(zhì)材料的10個(gè)性狀間存在不同程度的相關(guān)性(表3)。其中，單株產(chǎn)量與百粒質(zhì)量呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.511，與單株莢數(shù)呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.589，說(shuō)明百粒質(zhì)量、單株莢數(shù)這2個(gè)性狀對(duì)綠豆單株產(chǎn)量影響較大。生育期與株高、主莖節(jié)數(shù)呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.564、0.648；株高與主莖粗、主莖節(jié)數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與單莢粒數(shù)呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.624、0.594、0.509，與主莖分枝數(shù)、單株莢數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)；主莖節(jié)數(shù)與單莢粒數(shù)呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.510，與單株莢數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)；其他性狀沒(méi)有顯著的相關(guān)性。

表2 綠豆種質(zhì)資源10個(gè)農(nóng)藝性狀、經(jīng)濟(jì)性狀的變異系數(shù)(CV)和多樣性指數(shù)(H′)

表3 20份綠豆種質(zhì)資源各性狀間的相關(guān)系數(shù)

2.3 綠豆種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀、經(jīng)濟(jì)性狀的聚類分析

采用Ward法對(duì)20份綠豆種質(zhì)資源進(jìn)行聚類分析，具體分析結(jié)果詳見(jiàn)圖1。在歐式平方距離為4.2時(shí)，將供試綠豆種質(zhì)資源分為5大類群(表4)。第Ⅰ類群有11份種質(zhì)資源，該類群的主要特征是莢長(zhǎng)表現(xiàn)為最大，其他性狀表現(xiàn)為適中。第Ⅱ類群有2份種質(zhì)資源，該類群的單株產(chǎn)量最高，單株莢數(shù)最多，莢長(zhǎng)最短。第Ⅲ類群有3份種質(zhì)資源，該類群的單株產(chǎn)量最低，主莖分枝數(shù)最多。第Ⅳ類群有1份種質(zhì)資源，該類群具有生育期、株高、主莖粗、主莖節(jié)數(shù)、單莢粒數(shù)、百粒質(zhì)量最低的特點(diǎn)。第Ⅴ類群有3份種質(zhì)材料，該類群具有生育期、株高、主莖粗、主莖節(jié)數(shù)、單莢粒數(shù)、百粒質(zhì)量最高的特點(diǎn)。

表4 不同類群綠豆種質(zhì)資源的10個(gè)性狀比較

2.4 綠豆種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀、經(jīng)濟(jì)性狀的主成分分析及綜合評(píng)價(jià)

2.4.1 綠豆種質(zhì)資源主要性狀的主成分分析 對(duì)20份綠豆種質(zhì)資源的10個(gè)主要性狀進(jìn)行主成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表5，可以看到前4個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)79.193%，基本代表了20份種質(zhì)資源的主要遺傳信息。

第1主成分特征值為3.698，貢獻(xiàn)率為36.976%，特征向量有正有負(fù)，其對(duì)株高、主莖節(jié)數(shù)的貢獻(xiàn)最大，特征向量值分別為0.899和0.767。第2主成分特征值為1.894，貢獻(xiàn)率為18.939%，特征向量有正有負(fù)，主要反映單株產(chǎn)量、百粒質(zhì)量，其向量值分別為0.890和0.639。第3主成分特征值為1.269，貢獻(xiàn)率為12.693%，從載荷數(shù)值大小來(lái)看，該成分主要反映主莖分枝數(shù)，其向量值為0.742。第4主成分特征值為1.059，貢獻(xiàn)率為10.585%，從數(shù)值大小來(lái)看，該成分主要反映單株莢數(shù)，其向量值為0.464。

表5 綠豆種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀、經(jīng)濟(jì)性狀的主成分分析

2.4.2 綠豆種質(zhì)資源綜合評(píng)價(jià) 利用入選的特征向量和特征值，計(jì)算20份綠豆種質(zhì)資源的主成分值，根據(jù)主成分得分進(jìn)行評(píng)價(jià)和排序。利用表5的各成分特征向量值得到如下關(guān)系式：

F1=0.679X1+0.899X2+0.625X3+0.767X4-0.301X5-0.665X6+0.658X7+0.476X8-0.059X9+0.504X10；

F2=-0.423X1+0.070X2+0.018X3-0.260X4-0.394X5+0.369X6+0.152X7+0.356X8+0.890X9+0.639X10；

F3=0.101X1-0.076X2+0.430X3+0.050X4+0.742X5+0.399X6+0.201X7+0.432X8+0.220X9-0.285X10；

F4=0.371X1+0.172X2+0.082X3+0.392X4-0.071X5+0.464X6-0.247X7-0.573X8+0.347X9-0.032X10；

綜合評(píng)價(jià)函數(shù)F=[λ1/(λ1+λ2+λ3+λ4)]F1+[λ2/(λ1+λ2+λ3+λ4)]F2+[λ3/(λ1+λ2+λ3+λ4)]F3+[λ4/(λ1+λ2+λ3+λ4)]F4=0.467F1+0.239F2+0.160F3+0.134F4(式中λ1、λ2、λ3、λ4分別為4個(gè)主成分對(duì)應(yīng)的特征值)。

綜合得分越高，表明綜合表現(xiàn)越好。由表6可知，綜合得分排在前5名的綠豆品種依次為橫山大綠豆、龍博9號(hào)、中綠5號(hào)、赤綠5號(hào)、龍博7號(hào)。

表6 20份綠豆種質(zhì)資源的綜合得分

3 討論與結(jié)論

3.1 綠豆種質(zhì)資源的遺傳多樣性

對(duì)遺傳多樣性進(jìn)行研究是作物育種工作的基礎(chǔ)，充分挖掘種質(zhì)資源的遺傳變異和遺傳背景，可以為綠豆的育種工作提供理論支撐。各性狀的遺傳變異系數(shù)是變異程度是否豐富的體現(xiàn)，變異系數(shù)與變異潛力是正相關(guān)關(guān)系，變異系數(shù)越高變異潛力越大，該性狀被改變的可能性也最大[11]。陳紅霖等分析了來(lái)自國(guó)內(nèi)外的481份綠豆種質(zhì)資源的21個(gè)農(nóng)藝性狀，發(fā)現(xiàn)變異系數(shù)較高的是與產(chǎn)量相關(guān)的性狀單株莢數(shù)和小區(qū)產(chǎn)量，而莢長(zhǎng)、主莖節(jié)數(shù)等性狀變異系數(shù)較低[8]。本研究20份綠豆資源10個(gè)主要性狀的變異系數(shù)中，變異系數(shù)較高的性狀為單株莢數(shù)與單株產(chǎn)量，這與陳紅霖等的研究結(jié)果[8]大體一致。本研究中各性狀的遺傳多樣性指數(shù)均較高，其中單莢粒數(shù)和百粒質(zhì)量的遺傳多樣性指數(shù)較高，但其相應(yīng)的遺傳變異系數(shù)相對(duì)較低，說(shuō)明遺傳多樣性指數(shù)的大小和變異系數(shù)的高低并不具有一致性，這與萬(wàn)述偉等對(duì)豌豆農(nóng)藝性狀的研究[12]相同。

很多作物的農(nóng)藝性狀間存在相關(guān)性，育種工作時(shí)可以利用性狀間的相關(guān)性對(duì)一些性狀進(jìn)行選擇[13-14]。在對(duì)參試綠豆性狀的相關(guān)性分析上，百粒質(zhì)量、單株莢數(shù)對(duì)單株產(chǎn)量有較大的影響，與徐東旭等的研究結(jié)果[15-16]相一致，因此在綠豆的高產(chǎn)育種工作中應(yīng)該優(yōu)先考慮百粒質(zhì)量和單株莢數(shù)等主要因素；生育期的長(zhǎng)短對(duì)綠豆形態(tài)建成有一定的影響[8]，在本試驗(yàn)中全生育期與株高、主莖節(jié)數(shù)均呈極顯著正相關(guān)，本結(jié)果與陳紅霖等對(duì)生育期的相關(guān)性分析結(jié)果[8]一致。

3.2 綠豆種質(zhì)資源的聚類分析

對(duì)性狀進(jìn)行聚類分析能夠客觀體現(xiàn)種質(zhì)材料間的親緣關(guān)系，在育種工作時(shí)可以根據(jù)聚類特點(diǎn)進(jìn)行親本選配，因此聚類分析是育種的重要手段之一。本試驗(yàn)采用Ward聯(lián)接法在歐氏平方距離為4.2時(shí)將供試資源分成5大類群，各個(gè)類群的差異明顯。來(lái)自同一區(qū)域的種質(zhì)資源并沒(méi)有聚為一類，可能與綠豆種質(zhì)資源之間的相互交叉利用有關(guān)，此研究結(jié)果與王麗俠等的研究結(jié)果[17]相似。本研究的4個(gè)類群中，第Ⅰ類群包括11份種質(zhì)資源，莢長(zhǎng)最長(zhǎng)，有益性狀不明顯；第Ⅱ類群的單株產(chǎn)量、單株莢數(shù)最多，可以作為選育高產(chǎn)綠豆品種的優(yōu)良親本；第Ⅲ類群的單株產(chǎn)量低，有益性狀不明顯；第Ⅳ類多為矮稈、早熟品種，可以作為選育抗倒伏育種研究的親本材料；第Ⅴ類群的百粒質(zhì)量最高，可以作為改良綠豆籽粒大小的親本材料加以利用。

3.3 綠豆種質(zhì)資源的主成分分析

在數(shù)據(jù)分析方法中主成分分析經(jīng)常被利用，它是采取的一種降維方法，以把分散在一組變量上的信息集中到幾個(gè)綜合因子上為主要目的，簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)并盡可能多地反映原來(lái)變量的大部分信息以及變量之間的關(guān)系，從而使得數(shù)據(jù)分析更加簡(jiǎn)單直觀[18]。目前主成分分析法已廣泛運(yùn)用到小麥[19]、水稻[20]、大豆[21]、燕麥[22]等作物育種中。

在對(duì)10個(gè)性狀的主成分分析中發(fā)現(xiàn)，前4個(gè)主成分對(duì)表型變異的累積貢獻(xiàn)率達(dá)到了79.193%。根據(jù)各主成分的特征向量，可將4個(gè)主成分分為兩大類，其中第2、第4主成分對(duì)單株產(chǎn)量、百粒質(zhì)量、單株莢數(shù)的貢獻(xiàn)比較大，是與產(chǎn)量性狀密切相關(guān)的因子，而對(duì)綠豆單株產(chǎn)量的相關(guān)性分析也表明，單株產(chǎn)量與百粒質(zhì)量、單株莢數(shù)呈顯著、極顯著相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明可通過(guò)增加百粒質(zhì)量和單株莢數(shù)的方式來(lái)提高綠豆的單株產(chǎn)量；而第1、第3主成分對(duì)株高、主莖節(jié)數(shù)、主莖分枝數(shù)的貢獻(xiàn)較大，是與綠豆生態(tài)建成相關(guān)的因子。陳紅霖等對(duì)來(lái)自國(guó)內(nèi)外的481份綠豆種質(zhì)資源進(jìn)行農(nóng)藝性狀及豆象抗性鑒定評(píng)價(jià)的研究，主成分分析表明，前6個(gè)主成分反映總信息量的83.41%[8]，高于本研究主成分分析結(jié)果，這可能與供試材料容量大小不同有關(guān)。

本研究通過(guò)對(duì)主要性狀的綜合分析，基本客觀、科學(xué)地評(píng)價(jià)了20份綠豆資源群體，但由于作物的性狀不單一地受到遺傳因素的影響，環(huán)境因素同樣會(huì)影響作物性狀的表達(dá)，因此導(dǎo)致地理來(lái)源一致的同一品種資源在不同環(huán)境下具有豐富的變異。國(guó)內(nèi)外已有從形態(tài)學(xué)標(biāo)記和分子標(biāo)記技術(shù)等方面對(duì)綠豆進(jìn)行的研究[22]，因此為了能夠更加精準(zhǔn)地評(píng)價(jià)和分析綠豆種質(zhì)資源的遺傳背景，可以通過(guò)分子生物學(xué)的方法尋找有利基因，縮短綠豆育種進(jìn)程。

本試驗(yàn)研究表明，供試的20份綠豆種質(zhì)資源均可在內(nèi)蒙古赤峰地區(qū)正常生長(zhǎng)發(fā)育，且遺傳多樣性豐富。其中種質(zhì)橫山大綠豆、龍博9號(hào)、中綠5號(hào)綜合得分最高，可作為內(nèi)蒙古赤峰地區(qū)綠豆品種選育改良的優(yōu)良親本，也可在生產(chǎn)上大面積種植推廣。