蠶豆種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀遺傳多樣性分析

張炯，嚴(yán)斌，高營，薛晨晨，陳新，袁星星

(江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 經(jīng)濟(jì)作物研究所，江蘇 南京 210014)

蠶豆(ViciafabaL.)別名佛豆、馬齒豆、胡豆、羅漢豆等，屬豆科蝶形花亞科巢菜屬，為一年生或越年生的常異花授粉草本植物[1-2]。此外，蠶豆還是主要的經(jīng)濟(jì)作物，可用為糧食、蔬菜、飼料和綠肥等[3]。蠶豆可通過與根瘤菌共生結(jié)瘤，固定大氣中的氮素[4]，不僅供其自身利用，還在改善土壤營養(yǎng)結(jié)構(gòu)中起著重要作用。蠶豆?fàn)I養(yǎng)豐富，用途廣泛，可加工為多種食品和副食[5-6]；同時還是一種優(yōu)質(zhì)蛋白源，其不同品種干籽粒的蛋白質(zhì)含量介于17.5%～34.5%之間，平均為27.6%[7]，是禾本科作物的1～3倍。隨著人民生活水平的提高，合理的膳食結(jié)構(gòu)不斷引起人們的關(guān)注，蠶豆因其營養(yǎng)價值豐富，越來越受到人們的重視。雖然我國已育成多個蠶豆品種，如抗病優(yōu)質(zhì)品種成胡13，以及鮮銷型品種通蠶鮮6號等[8]。但我國干蠶豆平均單產(chǎn)低于世界水平[9]，究其原因是我國在蠶豆育種目標(biāo)性狀方面的研究不夠深入細(xì)致。

種質(zhì)資源是培育新品種的原始材料，其多樣性是育種工作者關(guān)注的焦點[10-11]。利用灰色關(guān)聯(lián)、相關(guān)性、主成分以及聚類的分析方法對作物種質(zhì)資源的遺傳多樣性進(jìn)行分析，得到較好的效果。灰色關(guān)聯(lián)度分析可將外觀復(fù)雜、數(shù)據(jù)散亂的隨機(jī)過程看作一個灰色過程，通過一定的方法梳理系統(tǒng)間各因素的主次關(guān)系，找出影響最大的因素[12]；相關(guān)性分析是一種重要的統(tǒng)計學(xué)分析方法，對多個變量間進(jìn)行相關(guān)性分析，可衡量出2個變量間的相關(guān)密切程度[13]；其中主成分分析是將多個復(fù)雜的原始指標(biāo)轉(zhuǎn)化為幾個具有代表性的互不相關(guān)的綜合指標(biāo)(主成分)[14]，每個主成分是一個相對獨(dú)立的指標(biāo)體系，各主成分間不存在相關(guān)性且數(shù)值直觀容易分析[15]；聚類分析是一種用于生物資源分類和親緣關(guān)系研究的多元統(tǒng)計方法[16-17]。

本研究以江蘇省經(jīng)濟(jì)作物研究所收集的來自全國的蠶豆種質(zhì)資源為供試材料，采用灰色關(guān)聯(lián)分析、相關(guān)性分析、聚類分析和主成分分析相結(jié)合的分析方法，綜合研究蠶豆種質(zhì)資源主要農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性，可以確定農(nóng)藝性狀之間的關(guān)聯(lián)性，有效提高優(yōu)質(zhì)育種的效率，降低品種篩選工作量，為蠶豆種質(zhì)資源的深入研究及其育種工作提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為近年來江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所收集的來自全國的190份具有代表性的蠶豆種質(zhì)資源。

1.2 處理設(shè)計

試驗地位于江蘇省南京市六合區(qū)竹鎮(zhèn)金磁村江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院六合基地(118.83°E，32.35°N)，屬于亞熱帶季風(fēng)氣候，年平均溫度約15.4 ℃，年極端最高溫度為39.7 ℃，最低溫度為-13.1 ℃，年平均降水量1 106 mm。蠶豆種植時間為2017年11月9日，種植時每個品種種植10穴，每穴3粒種子，行株距為80 cm×40 cm，出苗后拔去多余植株，僅留下1株。田間管理按照一般大田的管理方式，各項栽培管理措施保持一致。蠶豆種子收獲時間為2018年6月。

1.3 性狀調(diào)查

本試驗中蠶豆大田農(nóng)藝性狀的調(diào)查以《蠶豆種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[18]為標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計始花期、始莢期、花期，并在盛花期時測量株高，成熟后測量一級分枝數(shù)、莢長寬、單株莢數(shù)、單莢粒數(shù)、粒長寬、粒周長、粒面積、百粒重、單株粒重等農(nóng)藝性狀，每個性狀重復(fù)測量10次。

1.4 統(tǒng)計分析

采用Excel和SPSS 20.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。不同品種間性狀的差異用變異系數(shù)表示。根據(jù)灰色分析系統(tǒng)理論，按照李春[13]的方法，分別以各農(nóng)藝性狀依次為母序列，其他農(nóng)藝性狀為比較序列即子序列，求出各主要農(nóng)藝性狀之間的關(guān)聯(lián)度。在聚類過程中，種質(zhì)間遺傳距離為歐氏距離，聚類方法采用離差平方和法(ward’s method)，同時進(jìn)行主成分分析和相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要性狀的遺傳多樣性

190份蠶豆種質(zhì)資源材料的變異分析結(jié)果如表1所示。種植資源間的變異范圍在0.73%～46.84%，變動幅度較大，其中單株粒重的變異系數(shù)最大為46.84%，變異幅度為21.31～277.31 g；變異系數(shù)最小的是播種至始莢期的天數(shù)，為0.73%，變異幅度為153～159 d。其他性狀的變異系數(shù)依次為單株莢數(shù)>百粒重>一級分枝數(shù)>單莢粒數(shù)>粒面積>莢長>莢寬>株高>粒長>粒周長>粒直徑>粒寬>花期>生育期>播種至始花期。一般認(rèn)為，變異系數(shù)大于10%表示樣品間差異較大[19-20]。17個農(nóng)藝性狀中，有10個性狀的變異系數(shù)大于10%，說明所有供試種質(zhì)資源間存在較大的差異，資源類型豐富，有利于優(yōu)質(zhì)種質(zhì)材料的篩選。

表1 190份蠶豆種質(zhì)資源性狀變異情況

2.2 單株粒重和主要農(nóng)藝性狀之間的關(guān)聯(lián)度

單株粒重是反應(yīng)蠶豆產(chǎn)量的一個重要性狀，本研究通過統(tǒng)計蠶豆的主要農(nóng)藝性狀，利用灰色關(guān)聯(lián)分析的方法分析影響蠶豆產(chǎn)量的主要因素，明確主要農(nóng)藝性狀對蠶豆單株粒重影響的主次關(guān)系，為下一步蠶豆育種提供參考。參照李春等[13]的方法，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行無綱化處理，得到不同蠶豆種質(zhì)資源的主要農(nóng)藝性狀與單株粒重之間的關(guān)聯(lián)度。

表2結(jié)果顯示，所有主要農(nóng)藝性狀均明顯影響蠶豆的單株粒重，但貢獻(xiàn)率有所差異。關(guān)聯(lián)度最大的是單株莢數(shù)，為0.772 4；其次為一級分枝數(shù)，為0.769 1；粒寬是關(guān)聯(lián)度最小的性狀，為0.715 2。其他性狀關(guān)聯(lián)度排序為生育期>株高>粒直徑>花期>粒面積=粒周長>百粒重>粒長>單莢粒數(shù)>播種至始花期>播種至始莢期>莢長>莢寬。在以后的育種工作中，若想獲得高產(chǎn)蠶豆品種，可優(yōu)先考慮單株莢數(shù)及分枝數(shù)這兩個性狀。

2.3 主要性狀間的相關(guān)性

本試驗對所有供試種質(zhì)資源的17個主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性分析(表3)表明，在主要農(nóng)藝性狀間共有136個相互關(guān)系，其中88個具有極顯著相關(guān)性，10個具有顯著性，其余38個不具有顯著性。生育期與株高、花期、莢長、莢寬、分枝數(shù)、百粒重、單莢粒數(shù)、粒面積、粒周長、粒長、粒寬、粒直徑呈極顯著正相關(guān)，與單株粒重呈顯著正相關(guān)；百粒重與花期、播種至始莢期、生育期、莢長、莢寬、分枝數(shù)、粒面積、粒周長、粒長、粒寬、粒直徑、單株粒重呈極顯著正相關(guān)；單株粒重與花期、莢長、分枝數(shù)、單株莢數(shù)、單莢粒數(shù)、百粒重、粒面積、粒周長、粒長、粒寬、粒直徑呈極顯著正相關(guān)，與播種至始莢期、生育期、莢寬呈顯著正相關(guān)，與播種至始花期呈顯著負(fù)相關(guān)。單株粒重與單株莢數(shù)和分枝數(shù)的相關(guān)性最大，這與灰色關(guān)聯(lián)分析得到的結(jié)果相一致，說明單株莢數(shù)與分枝數(shù)是影響蠶豆產(chǎn)量的兩個主要因素。由上述分析可知，性狀間相互影響，相互制約，在選育新的蠶豆品種時應(yīng)綜合考慮，協(xié)調(diào)好各性狀間的相關(guān)性。

表2 農(nóng)藝性狀與單株粒重間關(guān)聯(lián)度

表3 蠶豆種質(zhì)資源相關(guān)性分析

注：*、**分別表示0.05和0.01水平差異顯著。

2.4 主要性狀的主成分

本試驗使用SPSS 20.0軟件對所有供試材料的17個主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析。如表4所示，根據(jù)提取特征值大于1的原則，提取前5個主成分，其累計貢獻(xiàn)率達(dá)到78.335%。其中主成分一的貢獻(xiàn)率最大為39.272%，其次為主成分二、三、四、五，貢獻(xiàn)率分別為15.029%、9.215%、7.873%和6.946%，前5個主成分基本可反映原變量的全部信息。

第一主成分特征值為6.676，貢獻(xiàn)率為39.272%。在第一主成分的特征向量中，粒長的特征向量值(0.959)最大，說明粒長對第一主成分的影響最大；其次為粒直徑、粒面積、粒周長、粒寬特征向量值較大，特征向量值分別為0.954、0.953、0.953和0.931。這些都會影響蠶豆籽粒的大小，因此，第一主成分為蠶豆粒型因子。第二主成分特征值為2.555，貢獻(xiàn)率為15.029%。其中，花期的特征向量值最大為0.714，其次為單株莢數(shù)、單株粒重、分枝數(shù)、單莢粒數(shù)和株高，且符號皆為正，分別為0.570、0.532和0.474、0.457、0.432?；ㄆ?、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、分枝數(shù)和株高都會影響單株粒重，也就是產(chǎn)量，所以第二主成分為產(chǎn)量因子?；ㄆ谠鲩L，分枝數(shù)增加，植株越高，單株莢數(shù)以及單莢粒數(shù)越多，產(chǎn)量也會越多。播種至始花期的值較高，但符號為負(fù)，說明早花的品種不利于高產(chǎn)，所以在選育新品種時應(yīng)權(quán)衡早熟與高產(chǎn)，做出合適的選擇。第三主成分特征值為1.567，貢獻(xiàn)率為9.215%。特征向量值最大的是生育期為0.475，其次為株高和莢長，隨著生育期的增長，營養(yǎng)物質(zhì)的不斷吸收，株高和莢長也在相應(yīng)的隨之增長。第四主成分特征值為1.338，貢獻(xiàn)率為7.873%。莢長的特征向量值(0.588)最大，隨之是單莢粒數(shù)和莢寬，可以看出第四主成分為莢型因子，單莢粒數(shù)越多，豆莢越長越寬，蠶豆的產(chǎn)量也就越高。第五主成分特征值為1.181，貢獻(xiàn)率為6.946%，播種至始花期的特征向量值最大為0.715，其次是播種至始莢期，特征向量值大小為0.618，所以第五主成分是早熟因子。

表4 蠶豆種質(zhì)資源主成分分析

2.5 主要性狀的聚類分析

利用SPAA 20.0對17個性狀進(jìn)行聚類，以歐式距離，Ward’s聚類法，在遺傳距離為4.9處將190份參試蠶豆材料分為5大類(圖1)，各種質(zhì)類群特征如表5所示。

表5 蠶豆種質(zhì)資源各類群農(nóng)藝性狀特征

第1大類群包含20份蠶豆材料。17個農(nóng)藝性狀中播種至始莢期的變異性狀最小，為0.56%，單株粒重的變異性狀最大，為36.60%，單株莢數(shù)次之，分別為28.39%。百粒重、粒面積、粒周長、粒長、粒寬和粒直徑在5個類群中排在末位。單株粒重為76.06 g，排在5個類群中的第4位。但是單莢粒數(shù)是5個類群中最大的，為2.47個。株高排在第三位，為62.32 cm。綜合各性狀可以看出，此類群材料屬于低產(chǎn)型、小籽粒，株高適中，適宜機(jī)械性收割。

圖1 190份蠶豆材料遺傳聚類結(jié)果

第2大類群包含49份蠶豆材料。在5個類群中，株高、生育期、莢長、莢寬、一級分枝數(shù)、單莢粒數(shù)和單株粒重是排在末位的，分別為58.79 g、193.78 d、72.86 mm、19.25 mm、2.66個、1.88個和71.42 g。綜合各性狀可以看出，此類群材料屬于矮稈、早熟，分枝數(shù)較少，豆莢較小，屬于低產(chǎn)型，可作為早熟品種選育的基礎(chǔ)。

第3類群包含25份蠶豆材料，莢長、莢寬、分枝數(shù)、百粒重、粒面積、粒周長、粒長、粒寬、粒直徑都是5個類群中最大的，分別為97.58 mm、23.08 mm、3.73個、163.82 g、269.26 mm2、64.20 mm、21.71 mm、15.65 mm、18.46 mm。單株莢數(shù)是5個類群中最小的，為15.34個。綜合各性狀可以看出，此類群的材料屬于大粒型，但是產(chǎn)量豐度一般，可作為鮮食蠶豆品種選育的基礎(chǔ)，具有一定的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

第4類群包含12份蠶豆材料。單株莢數(shù)和單株粒重是5個類群中最多的，單莢粒數(shù)是排在低位的，除此之外，粒面積、粒長、粒寬等與粒形相關(guān)的數(shù)據(jù)都比較適中。綜合上述性狀，可以知道該類群材料屬于高產(chǎn)型，籽粒適中，并且株高較高，有一定的增產(chǎn)潛力。

第5個類群中含有93份蠶豆資料。在5個類群中，株高是最高的，為67.10 cm，并且生育期是最長的。另外，百粒重、單株莢數(shù)、粒面積、粒直徑、粒長和粒寬都排在第2位。單株粒重排在中間位置。綜合上述性狀，該類群材料屬于大粒型，豐產(chǎn)性較差，但株高較高，因此，在選育高稈大粒型時可以加以關(guān)注。

3 討論

種質(zhì)資源是植物改良的基礎(chǔ)[21]。廣泛收集種質(zhì)資源，對材料的性狀表現(xiàn)型進(jìn)行觀察分析，從而了解性狀的多樣性和性狀間的相關(guān)性，既可以了解相應(yīng)性狀的遺傳規(guī)律，又可以為新品種的培育提供指導(dǎo)[22]。因此，系統(tǒng)的研究蠶豆種質(zhì)資源的遺傳多樣性對蠶豆遺傳育種具有重要意義。

本研究是基于190份蠶豆種質(zhì)資源進(jìn)行分析，供試材料的性狀涵蓋面較廣，有利于在育種工作中提取相應(yīng)的性狀進(jìn)行改良。研究表明，單株粒重的變異系數(shù)最大為46.84%；其次為單株莢數(shù)和百粒重，分別為39.14%和23.30%。因此，利用現(xiàn)有的蠶豆材料，根據(jù)產(chǎn)量構(gòu)成因素而提高蠶豆產(chǎn)量潛力具有深遠(yuǎn)意義。本試驗灰色關(guān)聯(lián)分析表明，所有主要農(nóng)藝性狀均明顯影響蠶豆的單株粒重，但貢獻(xiàn)率有所差異。關(guān)聯(lián)度最大的是單株莢數(shù)，為0.772 4；其次為一級分枝數(shù)，為0.769 1。這與相關(guān)性分析所得到的結(jié)果相一致，單株粒重與單株莢數(shù)與一級分枝數(shù)呈極顯著差異。除此之外，粒周長、粒面積、粒直徑、粒長和粒寬之間相關(guān)系數(shù)均大于0.70，達(dá)到極顯著水平，與楊生華[23]得到的結(jié)果相一致。何玉華[24]研究分析了云南省202份地方蠶豆資源10個形態(tài)學(xué)性狀的遺傳多樣性，結(jié)果表明，202份資源各性狀均存在不同程度的變異，株高變異最大，變異系數(shù)為27%。聚類分析表明，云南地方蠶豆種質(zhì)資源的株高、生育期、百粒重有一定內(nèi)在聯(lián)系性，生育期長的群體則株高較高，但百粒重偏低，這與本試驗所得到的結(jié)果相一致。本試驗主成分分析表明，前5個主成分的累計貢獻(xiàn)率達(dá)到78.335%，較大程度上反映190份蠶豆種質(zhì)資源表型特征；聚類分析將190份蠶豆種質(zhì)資源在遺傳距離4.9處劃分為5類，第1類群適宜機(jī)械性收割，第2類群可作為早熟品種選育的基礎(chǔ)，第3類群可作為鮮食蠶豆品種的親本；第4類群屬于高產(chǎn)型，籽粒適中，并且株高較高，有一定的增產(chǎn)潛力；第5類群大粒型，豐產(chǎn)性較差，但株高較高，在選育高稈大粒型時可加以關(guān)注。

本文在對蠶豆種質(zhì)資源收集的基礎(chǔ)上，對主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行了觀察分析，為蠶豆下一步育種工作中自交系篩選、親本選擇提供了參考。