外引蠶豆種質(zhì)資源產(chǎn)量相關(guān)性狀的遺傳變異分析

敏玉霞 張紅巖 毛玉萍 陳玉花 劉玉皎

（1 甘肅省甘南藏族自治州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，合作 747000；2 青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院/青海大學(xué)省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西寧 810016）

蠶豆（Vicia fabaL.）是豆科（Leguminosae）野豌豆族（Vicieae）、野豌豆屬（Vicia）中唯一的栽培種（V.faba）[1]，別名胡豆、佛豆、羅漢豆等。蠶豆?fàn)I養(yǎng)豐富，種植歷史悠久，約公元前9000-10000 年在近東地區(qū)被首次馴化[2-3]。蠶豆是世界上第三大冷季豆類作物，耐寒、耐旱、耐貧瘠，廣泛分布于全球65個(gè)國家，種植面積達(dá)272 萬hm2。據(jù)聯(lián)合國糧食及農(nóng)業(yè)組織（FAO）最新統(tǒng)計(jì)，2021 年全球蠶豆總產(chǎn)量達(dá)590 萬 t[4]。中國是世界上最大的蠶豆生產(chǎn)國，種植面積和產(chǎn)量均居世界第一，但是單位面積產(chǎn)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于葡萄牙、阿根廷等國家，也低于世界平均水平。

種質(zhì)資源是品種改良和選育的物質(zhì)基礎(chǔ)，了解、鑒定種質(zhì)資源特性是挖掘種質(zhì)資源利用潛力和種業(yè)振興的關(guān)鍵。卜遠(yuǎn)鵬等[5]分析和評(píng)價(jià)了379份菜用大豆種質(zhì)資源，利用最長距離法構(gòu)建了核心種質(zhì)，明確了影響食味品質(zhì)的關(guān)鍵理化指標(biāo)，加快了高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)大豆品種選育。萬述偉等[6]對(duì)271 份國外豌豆資源遺傳多樣性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)印度和波蘭的豌豆種質(zhì)資源遺傳多樣性高，同時(shí)篩選出了一批豐產(chǎn)潛力很高的高稈、大粒、高產(chǎn)種質(zhì)資源。

目前，國內(nèi)對(duì)蠶豆種質(zhì)資源遺傳多樣性分析大多集中在地方種質(zhì)材料[7-10]，而對(duì)國外蠶豆種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀遺傳多樣性分析鮮有報(bào)道。因此，本研究以來自四大洲17 個(gè)國家的253 份蠶豆種質(zhì)資源為材料，對(duì)12 個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性、主成分和聚類分析，評(píng)價(jià)國外種質(zhì)資源遺傳多樣性，提高外引蠶豆種質(zhì)資源的利用效率，為我國蠶豆種質(zhì)資源創(chuàng)新利用和育種親本選配提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料供試蠶豆材料253 份，為提純8 代材料，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所提供，來源地涉及全球四大洲17 個(gè)國家（表1）。2022 年4 月種植于青海大學(xué)農(nóng)林科學(xué)院育種基地（36°43′N，101°45′E，海拔2268.4m），大田常規(guī)管理。

表1 參試蠶豆來源

1.2 指標(biāo)測定于成熟期收獲后進(jìn)行考種，測定粒厚、百粒重、籽粒表面積、籽粒周長、粒長、粒寬、單株有效籽粒、莢長、莢寬、單莢粒數(shù)、單株有效莢、單株產(chǎn)量，其中籽粒周長、籽粒表面積、粒厚、粒長、粒寬等表型性狀采用杭州萬深SC-G 型自動(dòng)考種分析及千粒重系統(tǒng)測定。調(diào)查方法參考《蠶豆種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[11]執(zhí)行。

1.3 數(shù)據(jù)分析采用Microsoft Excel 2010 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，利用DPS V9.01 進(jìn)行相關(guān)性、關(guān)聯(lián)度、回歸、主成分、聚類等分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)藝性狀遺傳變異分析253 份蠶豆種質(zhì)資源的變異分析結(jié)果如表2 所示。12 個(gè)農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)（CV）范圍在9.97%～58.45%之間，其中，單株產(chǎn)量的變異系數(shù)最大，其次為單株有效籽粒、單株有效莢，變異系數(shù)均在49.71%及以上，說明這些性狀具有豐富的遺傳變異性，易受環(huán)境因素影響，具有較大的選擇潛力和改良空間。粒厚變異系數(shù)最小，說明該性狀相對(duì)穩(wěn)定，遺傳變異性小。各性狀變異系數(shù)依次為單株產(chǎn)量＞單株有效籽粒＞單株有效莢＞百粒重＞籽粒表面積＞籽粒周長＞單莢粒數(shù)＞莢長＞粒長＞粒寬＞莢寬＞粒厚。

表2 蠶豆種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的遺傳變異特征

2.2 蠶豆種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀相關(guān)性分析對(duì)253份蠶豆種質(zhì)資源的12 個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性分析（表3）。結(jié)果表明，單株產(chǎn)量與百粒重、單株有效籽粒、單莢粒數(shù)、單株有效莢及籽粒表型（包括粒厚、籽粒表面積、籽粒周長、粒長和粒寬）均呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01），與莢長和莢寬無顯著相關(guān)性，說明提高百粒重、單株有效籽粒、單莢粒數(shù)、單株有效莢可以提高產(chǎn)量。籽粒表型性狀之間均呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01），且與百粒重呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01），而與單株有效籽粒、莢長、莢寬、單莢粒數(shù)及單株有效莢均無顯著相關(guān)性。單株有效籽粒與莢長呈顯著正相關(guān)（p＜0.05），與單莢粒數(shù)、單株有效莢呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01）。莢長與莢寬呈極顯著正相關(guān)（p＜0.01），與單莢粒數(shù)和單株有效莢呈顯著正相關(guān)（p＜0.05）。莢寬與單莢粒數(shù)之間呈顯著負(fù)相關(guān)（p＜0.05）。

表3 蠶豆種質(zhì)資源各性狀間的相關(guān)分析

2.3 農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量之間的關(guān)聯(lián)度分析灰色關(guān)聯(lián)度分析是一種多因素統(tǒng)計(jì)分析方法，能夠反映出性狀之間變化趨勢的一致性，結(jié)合相關(guān)性分析能更全面地分析性狀之間的關(guān)系。通過對(duì)253 份蠶豆種質(zhì)11 個(gè)農(nóng)藝性狀和單株產(chǎn)量進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析（表4），蠶豆農(nóng)藝性狀與單株產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度表現(xiàn)為：單株有效籽粒＞單株有效莢＞百粒重＞粒長＞籽粒表面積＞籽粒周長＞粒寬＞粒厚＞單莢粒數(shù)＞莢寬＞莢長。上述結(jié)果表明，11 個(gè)性狀中單株有效籽粒與單株產(chǎn)量的變化趨勢一致性最好，單株有效莢次之，百粒重第三，莢長最差，與相關(guān)性分析結(jié)果一致。*p＜0.05；**p＜0.01

表4 農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量的關(guān)聯(lián)度分析

表5 蠶豆種質(zhì)資源主成分分析

2.4 主成分分析為研究蠶豆種質(zhì)資源產(chǎn)量性狀變異的主要來源，對(duì)參試蠶豆種質(zhì)資源的12 個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析。按照特征值大于1的原則，共提取3 個(gè)主成分，各主成分的特征值分 別 為4.7515、2.6576、1.6218，方 差 貢 獻(xiàn) 率 分別 為39.5961%、22.1463%、13.5154%，累 計(jì) 貢獻(xiàn)率達(dá)75.2578%，基本包含了原始數(shù)據(jù)的全部信息，可以較好地對(duì)蠶豆種質(zhì)資源進(jìn)行評(píng)價(jià)和判斷。

第1 主成分中，載荷較高的性狀有籽粒表面積、粒長、粒寬、百粒重、籽粒周長和粒厚，特征向量值分別為0.4395、0.4374、0.4370、0.4261、0.3277、0.3083，說明第1 主成分主要由籽粒表型和百粒重等6 個(gè)性狀決定，表現(xiàn)為籽粒因子；第2 主成分主要由單株有效籽粒、單株有效莢和單株產(chǎn)量決定，特征向量值分別為0.5910、0.5430、0.5257，此類性狀與產(chǎn)量密切相關(guān)，表現(xiàn)為產(chǎn)量因子；第3 主成分主要由莢長和莢寬決定，特征向量值分別為0.6724、0.7173，表現(xiàn)為莢果因子。

2.5 蠶豆種質(zhì)資源聚類分析將每個(gè)國家的參試蠶豆資源作為一個(gè)群體，對(duì)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化之后，采用歐式距離和類平均法（UPGAMA）進(jìn)行聚類分析，繪制樹狀圖（圖1）。結(jié)果表明（表6），所有參試蠶豆種質(zhì)資源群體被劃分為兩大類。第Ⅰ類群包含226 份種質(zhì)資源，占參試材料的89.33%，由來自英國、西班牙、敘利亞、荷蘭、突尼斯、加拿大、法國、伊拉克、黎巴嫩、德國、埃及、土耳其、阿爾及利亞和埃塞俄比亞的蠶豆種質(zhì)資源構(gòu)成，該類群籽粒較大，單株產(chǎn)量高，相應(yīng)的粒厚、籽粒表面積、籽粒周長、粒長、粒寬及單株有效籽粒、單莢粒數(shù)較大，百粒重平均為106.70g，是培育大粒高產(chǎn)品種的重要材料來源；第Ⅱ類群包含27 份種質(zhì)資源，占參試材料的10.67%，由俄羅斯、蘇丹、阿富汗的種質(zhì)資源構(gòu)成，該類群種子較小，平均百粒重為72.40g，是選擇糧飼兼用型蠶豆品種的重要材料。

圖1 蠶豆種質(zhì)資源聚類分析

表6 各類群蠶豆農(nóng)藝性狀平均值

3 結(jié)論與討論

變異系數(shù)通常被用于評(píng)價(jià)種質(zhì)資源遺傳多樣性[12]，研究表明，變異系數(shù)較大的性狀遺傳背景豐富[13]。對(duì)四大洲17 個(gè)國家的253 份蠶豆種質(zhì)資源的12 個(gè)主要數(shù)量性狀的變異程度進(jìn)行分析，結(jié)果表明，變異系數(shù)最高的是單株產(chǎn)量，其變異系數(shù)為58.45%，變異潛力較高的農(nóng)藝性狀還有單株有效籽粒和單株有效莢，該結(jié)論與呂春雨[14]、張炯等[15]的研究結(jié)果相似。一般認(rèn)為，變異系數(shù)大于10%，表示樣本間差異較大[16-17]。本研究中除粒厚之外，其余11 個(gè)農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)均大于10%，說明這253 份外引蠶豆種質(zhì)資源類型豐富，具有較大的遺傳差異，有利于特異種質(zhì)挖掘。

相關(guān)性分析顯示，單株產(chǎn)量與百粒重、單株有效籽粒、單莢粒數(shù)、單株有效莢、粒厚、粒長、粒寬、籽粒周長、籽粒表面積均呈極顯著正相關(guān)，籽粒表型性狀（即粒厚、粒長、粒寬、籽粒周長、籽粒表面積）之間呈極顯著正相關(guān)，與歐陽裕元等[18]、楊生華等[19]的研究結(jié)果相似。為進(jìn)一步明確11 個(gè)農(nóng)藝性狀對(duì)產(chǎn)量的相對(duì)重要性，進(jìn)行了灰色關(guān)聯(lián)度分析，單株產(chǎn)量與各性狀的關(guān)聯(lián)度大小順序依次為：單株有效籽粒＞單株有效莢＞百粒重＞粒長＞籽粒表面積＞籽粒周長＞粒寬＞粒厚＞單莢粒數(shù)＞莢寬＞莢長。說明對(duì)單株產(chǎn)量貢獻(xiàn)最大的是單株有效籽粒，其次為單株有效莢，該結(jié)果與李艷花等[20]對(duì)蠶豆高代材料單株產(chǎn)量與農(nóng)藝性狀的相關(guān)分析結(jié)果一致。在蠶豆育種實(shí)踐中，若以提高籽粒產(chǎn)量為主要目標(biāo)時(shí)，應(yīng)以單株有效籽粒、單株有效莢為首選目標(biāo)性狀，兼顧百粒重。

相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，參試蠶豆種質(zhì)資源多個(gè)性狀之間存在顯著或極顯著相關(guān)性，因此采用主成分分析將多個(gè)變量降維為少數(shù)不相關(guān)的綜合指標(biāo)，以便更好地描述總變異構(gòu)成特征。本研究共提取出3 個(gè)主成分，其中，第1 主成分為籽粒因子，是籽粒表型和百粒重的綜合反映；第2 主成分由單株有效籽粒、單株有效莢、單株產(chǎn)量決定，代表產(chǎn)量因子；第3 主成分為莢果因子，主要由莢長和莢寬組成。主成分分析結(jié)果表明籽粒表型性狀、百粒重、單株有效籽粒、單株有效莢、單株產(chǎn)量、莢長、莢寬等載荷值高的性狀對(duì)蠶豆種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀差異有較大的貢獻(xiàn)。

聚類分析是研究作物種質(zhì)資源親緣關(guān)系和起源的重要方法，本研究通過聚類分析將參試蠶豆種質(zhì)資源劃分為兩類。第Ⅰ類群主要特征為籽粒較大，單株產(chǎn)量高，是培育大粒高產(chǎn)品種的重要材料來源；第Ⅱ類群籽粒較小，百粒重較小，是選擇糧飼兼用型蠶豆品種的重要材料。

表型性狀是植物的外部性狀，能夠直觀有效地反映種質(zhì)資源的特征，因此，農(nóng)藝性狀的描述和分析是研究作物種質(zhì)資源的基本方法和途徑[21]。然而，表型性狀易受環(huán)境因素影響，單一基于表型性狀對(duì)種質(zhì)資源進(jìn)行分析和遺傳研究，對(duì)結(jié)果有一定的影響。因此，今后需結(jié)合分子標(biāo)記技術(shù)深入研究蠶豆種質(zhì)資源遺傳多樣性，才能準(zhǔn)確評(píng)價(jià)種質(zhì)資源遺傳多樣性的本質(zhì)。