粒用菜豆種質(zhì)資源表型遺傳多樣性分析及綜合性評(píng)價(jià)

葛平珍，王昭禮，余 莉，何友勛，張時(shí)龍，趙 龍

(畢節(jié)市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，貴州 畢節(jié) 551700)

【研究意義】普通菜豆(PhaseolusvulgarisL.)又稱為四季豆、蕓豆等，為自花授粉作物，起源于中南美洲，可分為粒用菜豆和莢用菜豆2大類。經(jīng)過長期種植馴化，形成2個(gè)栽培普通菜豆的多樣性中心，即安第斯中心和中美洲中心。安第斯中心種質(zhì)資源葉片較大，苞片為披針形或三角形，小葉為卵圓形或披針形，白色花，旗瓣無條紋，主莖節(jié)間長，籽粒大(百粒重大于40 g)；中美洲中心資源的苞片為心形或橢圓形，花多為彩色，旗瓣有條紋，中、小籽粒(百粒重 25～40 g和<25 g)[1-2]。15世紀(jì)中國從美洲引進(jìn)普通菜豆，當(dāng)前中國被認(rèn)為是普通菜豆的次生多樣性中心之一[3]。普通菜豆豐富的生物多樣性提高了其適應(yīng)能力，從而使其分布廣泛[4]。但普通菜豆在馴化過程中，其生物多樣性不斷丟失[5]，因此，對(duì)種質(zhì)資源的收集、評(píng)價(jià)、利用及保護(hù)是當(dāng)前菜豆育種工作者的迫切任務(wù)。國外優(yōu)良菜豆資源的引進(jìn)、試種及評(píng)價(jià)，不僅能為我國菜豆生產(chǎn)提供優(yōu)良品種，還能豐富我國現(xiàn)有的菜豆種質(zhì)資源，為育成高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆的普通菜豆提供有價(jià)值的親本品種?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】截至2016年3月，由中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所編目入庫的普通菜豆(絕大多數(shù)為粒用菜豆)約為5677份[6]。遺傳多樣性分析方法很多，主要從形態(tài)學(xué)(表型性狀)[7-10]和分子標(biāo)記[11-12]方面進(jìn)行分析，其中形態(tài)學(xué)測(cè)定簡單、表現(xiàn)直觀，是評(píng)價(jià)作物遺傳多樣性的有效手段之一。張赤紅等[13]分析324份普通菜豆種質(zhì)資源的10個(gè)農(nóng)藝性狀，從而了解我國菜豆種質(zhì)資源遺傳多樣性的分布情況。王蘭芬等[6]對(duì)646份普通菜豆種質(zhì)資源進(jìn)行表型鑒定發(fā)現(xiàn)，普通菜豆具有豐富的形態(tài)性狀多樣性。代程等[14]對(duì)129份云南地方蔓生型普通菜豆種質(zhì)資源的10個(gè)農(nóng)藝性狀分析表明，云南地方蔓生型普通菜豆種質(zhì)資源在形態(tài)學(xué)上具有豐富的多樣性?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】因普通菜豆資源數(shù)量多，地域特征明顯，育種親本選擇困難，需對(duì)資源進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)后篩選，但相關(guān)的研究尚未見報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】利用表型性狀對(duì)從美國引進(jìn)的直立有限生長型粒用菜豆種質(zhì)資源66份進(jìn)行遺傳多樣性分析及綜合性評(píng)價(jià)，揭示表型遺傳規(guī)律，篩選綜合評(píng)價(jià)的表型性狀指標(biāo)，為菜豆育種及相關(guān)研究提供參考及理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為66份直立有限生長型粒用菜豆種質(zhì)資源，2017年中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所從美國引進(jìn)。種質(zhì)資源編號(hào)見表1。

表1 美國引進(jìn)的66份粒用菜豆資源編號(hào)

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2018年實(shí)施，通過大田種植66份菜豆種質(zhì)資源，考察其質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀，分析遺傳多樣性。試驗(yàn)地位于貴州省畢節(jié)市朱昌鎮(zhèn)，海拔高度1610 m，坐標(biāo)位置為E105°28′、N 27°17′。前茬作物為白蘿卜，土壤肥力中等。播種時(shí)施底肥及毒死蜱，大田生長期追肥2次、除草2次、施農(nóng)藥4次。每個(gè)品種播種2行，行長4 m，行距50 cm，窩距40 cm。

參考《普通菜豆種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》并稍作改動(dòng)，調(diào)查菜豆種質(zhì)的出苗期、開花期、成熟期等生育時(shí)期，并考察各菜豆種質(zhì)的花色、粒形、粒色和莢形等質(zhì)量性狀，并于2018年7月15-30日測(cè)量株高、主莖分枝數(shù)、主莖節(jié)數(shù)、單株莢數(shù)、莢長、莢寬、單莢粒數(shù)、百粒重、單株產(chǎn)量等數(shù)量性狀。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

利用Excel整理數(shù)據(jù)，通過SPSS 22.0對(duì)10個(gè)數(shù)量型表型性狀進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析、相關(guān)性分析和聚類分析，用DPS對(duì)10個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行主成分分析，并利用隸屬函數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)賦予權(quán)重法對(duì)表型性狀進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)[15-16]。

1.3.1 隸屬函數(shù)值 菜豆種質(zhì)資源各綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值計(jì)算公式：

式中，Xj表示某個(gè)參試材料第j個(gè)因子的得分值，Xmax和Xmin分別表示所有參試材料第j個(gè)因子得分的最大值和最小值。

1.3.2 綜合指標(biāo)權(quán)重 菜豆種質(zhì)資源各綜合指標(biāo)權(quán)重計(jì)算公式：

式中，Wj表示第j個(gè)主成分在所有主成分中的重要程度即權(quán)重，Pj代表經(jīng)主成分分析所得各粒用菜豆種質(zhì)資源第j個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率。

1.3.3 綜合評(píng)價(jià)值 菜豆種質(zhì)資源表型性狀綜合評(píng)價(jià)值(D)的計(jì)算公式：

式中，D表示綜合評(píng)價(jià)值，μ(Xj)表示某個(gè)參試材料第j個(gè)因子的隸屬函數(shù)值，Wj表示第j個(gè)主成分在所有主成分中的重要程度即權(quán)重。

1.3.4 遺傳多樣性指數(shù) 參考張禮鳳等[17-18]對(duì)種質(zhì)遺傳多樣性指數(shù)(Shannon-weaver)方法，計(jì)算粒用菜豆種質(zhì)資源10個(gè)數(shù)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)。計(jì)算公式：

H'=-∑(Pi×lnPi)

式中，Pi為某一性狀第i個(gè)級(jí)別出現(xiàn)的概率。

2 結(jié)果與分析

2.1 粒用菜豆種質(zhì)資源表型性狀的遺傳多樣性

2.1.1 質(zhì)量性狀的遺傳多樣性 從圖1看出，粒用菜豆種質(zhì)資源的花旗瓣色主要有淺紫和紫紅，分別占37.88%和34.85%；花翼瓣色主要為白色、紫色和白紫，分別占24.24%、22.73%和50%；莢形主要為劍形，占69.70%；粒形主要為卵圓形、長柱形和腎形，分別占18.18%、21.21%和28.79%；粒色主要有白色、黑色和斑紋，分別占16.67%、12.12%和28.79%，其余15種顏色共占總體的42.42%，種質(zhì)資源的籽粒顏色豐富。多樣性分析表明，花旗瓣色、花翼瓣色、莢形、粒形及粒色的遺傳多樣性指數(shù)分別為1.351、1.133、1.009、1.874和1.493。粒形和粒色的遺傳多樣性指數(shù)較高，表型多樣性較為豐富；莢形遺傳多樣性指數(shù)較低，表型不豐富，莢型表現(xiàn)為劍形、彎圓棍、短圓棍、長圓棍、短扁形等5種類型。

2.1.2 數(shù)量性狀的遺傳多樣性 變異系數(shù)(Cv)能夠衡量樣本某一指標(biāo)的變異程度，變異系數(shù)越大，表示樣本某個(gè)指標(biāo)中各個(gè)觀測(cè)值的離散程度越大[19]，當(dāng)Cv>20%時(shí)，可認(rèn)為離散程度或變異程度較大。從表2看出，與產(chǎn)量有關(guān)的表型性狀(單株莢數(shù)、單株產(chǎn)量、株高、主莖分枝數(shù)、主莖節(jié)數(shù)、百粒重)變異系數(shù)均大于20%，說明粒用菜豆種質(zhì)資源相應(yīng)指標(biāo)的變異程度較大，可供選擇的育種材料豐富。10個(gè)數(shù)量性狀的多樣性指數(shù)范圍為1.671～2.027，平均多樣性指數(shù)為1.912。其中，單株產(chǎn)量的遺傳多樣性指數(shù)最高，為2.027，百粒重、莢寬和株高的多樣性指數(shù)分別為2.021、2.007和2.006，生育期的多樣性指數(shù)最小，為1.671。綜上，數(shù)量性狀中單株產(chǎn)量遺傳多樣性較為豐富，生育期遺傳多樣性表現(xiàn)較差。

表2 粒用菜豆種質(zhì)資源的數(shù)量性狀統(tǒng)計(jì)及多樣性指數(shù)

2.1.3 粒用菜豆種質(zhì)資源的聚類 系統(tǒng)聚類分析將粒用菜豆種質(zhì)資源分為2大類，在歐氏遺傳距離為5時(shí)，將種質(zhì)資源劃分為6小組(圖2、表3)。

表3 不同組粒用菜豆資源的表型性狀

第1類包括Ⅰ組、Ⅱ組和Ⅲ組，花旗瓣色以淺紫和紫紅為主，共占83.3%；花翼瓣色以白紫和紫紅為主，共占80.0%；莢形主要為劍形，共占86.7%；粒形以腎形、方形、長柱、卵圓為主，共占86.7%；籽粒顏色較深、籽粒較大(百粒重≥45 g)的種質(zhì)資源大多聚在此類。Ⅰ組包含13份種質(zhì)資源，表現(xiàn)為生育期較短、莢較寬、百粒重最高；Ⅱ組包含9份種質(zhì)資源，表現(xiàn)為植株最高、主莖節(jié)數(shù)最多、莢最長、單莢粒數(shù)較多、百粒重較高；Ⅲ組包含8份種質(zhì)資源，生育期、株高、主莖分枝數(shù)、主莖節(jié)數(shù)及單株莢數(shù)適中，百粒重較高，單株產(chǎn)量最高，此組的綜合表型性狀表現(xiàn)最佳。

第2類包括Ⅳ組、Ⅴ組和Ⅵ組，花旗瓣色以紫紅、淺紫、白色為主，共占83.3%；花翼瓣色有白紫、白色、紫紅；莢形以劍形、短棍、短扁為主，共占86.1 %；粒形以卵圓、長柱、短柱、腎形為主，共占75.0%；粒色以淺色為主；籽粒中等(百粒重 20～40 g)的種質(zhì)資源大多聚在此類。Ⅳ組包含11份種質(zhì)資源，表現(xiàn)為生育期最長、主莖分枝數(shù)最多、單株莢數(shù)最多、莢最窄及單莢粒數(shù)較多；Ⅴ組包含8份種質(zhì)資源，植株最矮，主莖分枝數(shù)、主莖節(jié)數(shù)、單株莢數(shù)最少，莢較短，百粒重較低，單株產(chǎn)量較低，此組表型性狀表現(xiàn)較差；Ⅵ組包含17份種質(zhì)資源，生育期適中，植株較矮，莢長、莢寬、單莢粒數(shù)、百粒重最接近平均值，但單株產(chǎn)量較低。

2.2 粒用菜豆種質(zhì)資源表型性狀的綜合評(píng)價(jià)

2.2.1 粒用菜豆數(shù)量性狀的相關(guān)性 從相關(guān)性分析結(jié)果(表4)看出，10個(gè)數(shù)量性狀存在不同程度的相關(guān)性，部分性狀間表現(xiàn)為顯著或極顯著相關(guān)。單株產(chǎn)量與生育期、株高、主莖分枝數(shù)、主莖節(jié)數(shù)、單株莢數(shù)呈極顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.434、0.510、0.318、0.398和0.688。百粒重與生育期、單莢粒數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為-0.312、-0.265。

表4 粒用菜豆數(shù)量性狀的相關(guān)系數(shù)

2.2.2 粒用菜豆數(shù)量性狀的主成分分析 主成分分析將10個(gè)數(shù)量性狀轉(zhuǎn)化為5個(gè)主成分(累積貢獻(xiàn)率為85.63%,表5)，代表原始性狀的絕大部分信息。第1主成分貢獻(xiàn)率為34.33%，株高、單株莢數(shù)和單株產(chǎn)量對(duì)其貢獻(xiàn)較大，特征向量分別為0.434、0.428、0.408；第2主成分貢獻(xiàn)率為20.98%，百粒重對(duì)其貢獻(xiàn)最大，特征向量為0.631；第3主成分的貢獻(xiàn)率為12.61%，單莢粒數(shù)對(duì)其貢獻(xiàn)最大，特征向量為0.616；第4主成分貢獻(xiàn)率為12.16%，莢寬對(duì)其貢獻(xiàn)最大，特征向量為0.514；第5主成分貢獻(xiàn)率為5.56%，主莖分枝數(shù)和主莖節(jié)數(shù)對(duì)其貢獻(xiàn)率較大，特征向量分別為0.462和-0.468，代表與株型有關(guān)的性狀。

表5 菜豆資源數(shù)量性狀的主成分分析

2.2.3 粒用菜豆種質(zhì)資源數(shù)量性狀的綜合評(píng)價(jià) 種質(zhì)資源的綜合評(píng)價(jià)值(D值)越高，代表種質(zhì)資源的綜合表型性狀越好。從圖3看出，表型性狀綜合評(píng)價(jià)排名前5的分別是b480、b440、b458、b509、b417，D值分別為0.766、0.694、0.692、0.647、0.642，表明這5種菜豆種質(zhì)資源綜合表型性狀較好；菜豆種質(zhì)資源b525、b522、b523、b518、b524的D值分別為0.36、0.29、0.282、0.266、0.206，表明這5種菜豆種質(zhì)資源的綜合表型性狀較差。

對(duì)10個(gè)表型性狀與D值的相關(guān)性進(jìn)行分析結(jié)果表明，D值與10個(gè)表型性狀間存在顯著或極顯著差異，其中D值與生育期和莢寬分別呈顯著正相關(guān)，與其余8個(gè)表型性狀均呈極顯著正相關(guān)。

2.2.4 綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)篩選 根據(jù)各種質(zhì)資源已計(jì)算得到的D值和10個(gè)數(shù)量性狀的相關(guān)指標(biāo)構(gòu)建綜合評(píng)價(jià)的最優(yōu)模型。將D值作為因變量(Y)，10個(gè)數(shù)量性狀作為自變量(X)，通過逐步回歸分析得到綜合評(píng)價(jià)的最優(yōu)回歸模型：

Y=-0.332+0.004X2+0.018X6+0.184X7+0.028X8+0.002X9+0.006X10

式中，X2、X6、X7、X8、X9、X10分別表示株高、莢長、莢寬、單莢粒數(shù)、百粒重、單株產(chǎn)量，相關(guān)系數(shù)R=0.994，決定系數(shù)R2=0.988，F(xiàn)值為867.74。以上6個(gè)表型性狀可作為粒用菜豆種質(zhì)資源綜合評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。從回歸模型看出，當(dāng)粒用菜豆的植株較高、莢較長、莢較寬、單莢籽粒較多、百粒重較大、單株產(chǎn)量較高，則粒用菜豆的綜合評(píng)價(jià)值越高，表型性狀表現(xiàn)良好。粒用菜豆的株高、莢長、莢寬、單莢粒數(shù)、百粒重、單株產(chǎn)量對(duì)綜合評(píng)價(jià)值的直接通徑系數(shù)分別為0.348、0.327、0.215、0.223、0.150、0.355，表明粒用菜豆的單株產(chǎn)量、株高及莢長對(duì)其表型性狀綜合評(píng)價(jià)的直接影響較大。

3 討 論

3.1 表型性狀遺傳多樣性

種質(zhì)資源遺傳多樣性分析主要從表型性狀、品質(zhì)性狀和DNA分子標(biāo)記等層面進(jìn)行，但因表型性狀研究簡單易行，當(dāng)前此方法運(yùn)用較為普遍[13,20]。本研究采用遺傳多樣性指數(shù)對(duì)菜豆種質(zhì)資源表型性狀進(jìn)行多樣性分析，結(jié)果表明，粒用菜豆種質(zhì)資源表型性狀有極豐富的多樣性，但數(shù)量性狀易受環(huán)境影響，導(dǎo)致數(shù)量性狀多樣性指數(shù)一般高于質(zhì)量性狀多樣性指數(shù)。郝曉鵬等[21]對(duì)山西普通菜豆多樣性指數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，生育期、莢長、單莢粒數(shù)和百粒重的多樣性指數(shù)均大于1.9，莢寬多樣性指數(shù)最低，為1.735。多樣性指數(shù)與各質(zhì)量性狀的賦值數(shù)量及賦值類型間所含種質(zhì)數(shù)量有關(guān)，賦值數(shù)量越多，賦值類型間所含種質(zhì)數(shù)量越均勻，多樣性指數(shù)越高。張赤紅[13]研究發(fā)現(xiàn)，從國際熱帶農(nóng)業(yè)研究中心(CIAT)、美國、德國、哥倫比亞、俄羅斯、法國、巴基斯坦、智利、多米尼加等引進(jìn)的44份普通菜豆種質(zhì)資源14個(gè)農(nóng)藝性狀多樣性指數(shù)平均值為1.406，多樣性指數(shù)最高的是百粒重和全生育日數(shù)，分別高達(dá)2.141和2.000。本研究中數(shù)量性狀多樣性指數(shù)平均值為1.912，多樣性指數(shù)最高的是單株粒重和百粒重，分別為2.021和2.007；質(zhì)量性狀中粒形和粒色的多樣性指數(shù)最高，分別為1.874和1.493，與前人的研究成果基本一致。王蘭芬等[6]對(duì)646 份普通菜豆種質(zhì)資源的表型鑒定數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類分析，將種質(zhì)資源聚為2大類、4小組，各類群反映了生長習(xí)性、花色、莢色、粒形、粒色等質(zhì)量性狀及百粒重、單株產(chǎn)量等數(shù)量性狀的不同；代程等[14]對(duì)129份蔓生型普通菜豆資源進(jìn)行分層聚類，將其分為2大類群、5亞群，單株莢數(shù)、單株分枝數(shù)和百粒重是主要的分類依據(jù)，但變異度較小的因素如物候期、海拔等也能影響資源的生物多樣性。本研究通過Ward’s-歐氏距離聚類將美國引進(jìn)的66份直立有限生長型粒用菜豆種質(zhì)資源劃分為2大類、6小組，確定各大類群的質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀特征，明確引進(jìn)粒用菜豆各種質(zhì)資源的歸屬。

3.2 表型性狀綜合評(píng)價(jià)

作物表型性狀是長期自然和人工選擇的結(jié)果，容易受時(shí)間、環(huán)境因素影響，但表型性狀觀察結(jié)果直接，是資源收集、保存、鑒定和利用的基礎(chǔ)，因此，種質(zhì)資源的綜合性評(píng)價(jià)對(duì)遺傳育種材料的選擇具有重要意義。關(guān)于普通菜豆種質(zhì)資源表型鑒定及多樣性分析的研究較多，但較少涉及種質(zhì)資源的綜合性評(píng)價(jià)，目前對(duì)水稻、谷子、馬鈴薯、陸地棉等種質(zhì)資源表型性狀綜合評(píng)價(jià)研究已有相關(guān)報(bào)道[22-26]。本研究將隸屬函數(shù)法與主成分分析法結(jié)合應(yīng)用于粒用菜豆種質(zhì)資源的綜合評(píng)價(jià)，此方法不僅能評(píng)價(jià)各種質(zhì)資源的綜合表現(xiàn)，還能篩選出評(píng)價(jià)某種質(zhì)群體的關(guān)鍵性狀，在植物遺傳多樣性評(píng)價(jià)中已得到應(yīng)用[27]。研究表明，粒用菜豆綜合評(píng)價(jià)值(D值)與株高、單株粒重、莢長、百粒重等性狀相關(guān)系數(shù)較高，說明這4個(gè)性狀對(duì)粒用菜豆種質(zhì)資源評(píng)價(jià)較為重要，應(yīng)注重在育種實(shí)踐中對(duì)這些性狀的選擇。在66份種質(zhì)資源中，b480、b440、b458、b509、b417的D值較高，表明其綜合表型性狀較好，地域適應(yīng)性強(qiáng)，可作為育種親本的重要來源。因粒用菜豆種質(zhì)資源表型性狀較多，且各性狀間存在不同程度的相關(guān)，影響資源的研究與利用，因此，篩選出相對(duì)重要的性狀作重點(diǎn)研究，對(duì)育種親本選擇及加快生產(chǎn)應(yīng)用是必要的。本研究結(jié)合主成分分析和逐步回歸分析，得到綜合評(píng)價(jià)的最優(yōu)回歸模型及篩選出重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，即粒用菜豆的株高、莢長、莢寬、單莢粒數(shù)、百粒重及單株產(chǎn)量等6個(gè)表型性狀可作為種質(zhì)資源綜合評(píng)價(jià)的指標(biāo)。研究對(duì)進(jìn)一步解析和闡明粒用菜豆種質(zhì)資源重要性狀的基因遺傳機(jī)理奠定基礎(chǔ)，從而促進(jìn)菜豆育種的發(fā)展。

4 結(jié) 論

從美國引進(jìn)的66份直立有限生長型粒用菜豆種質(zhì)資源具有豐富的遺傳多樣性，質(zhì)量性狀的平均多樣性指數(shù)為1.372，數(shù)量性狀的平均多樣性指數(shù)為1.912。通過Ward’s-歐氏距離聚類將菜豆種質(zhì)資源劃分為2大類、6小組。第1類主要是大粒型(百粒重≥45 g)種質(zhì)資源，其中，Ⅲ組包含8份種質(zhì)資源，綜合農(nóng)藝性狀表現(xiàn)最佳；第2類大多是中小粒型(百粒重 20～40 g)的種質(zhì)資源，其中，Ⅴ組包含8份種質(zhì)資源，表型性狀表現(xiàn)較差。

通過主成分分析將菜豆的10個(gè)數(shù)量性狀轉(zhuǎn)化為5個(gè)主成分(累積貢獻(xiàn)率為85.63%)，并通過隸屬函數(shù)得到綜合評(píng)價(jià)值較高的5份種質(zhì)資源，分別是b480、b440、b458、b509和b417，可作為優(yōu)勢(shì)育種親本種質(zhì)加以利用。同時(shí)得到綜合評(píng)價(jià)的最優(yōu)回歸模型，明確粒用菜豆的株高、莢長、莢寬、單莢粒數(shù)、百粒重及單株產(chǎn)量等6個(gè)表型性狀可作為種質(zhì)資源綜合評(píng)價(jià)的指標(biāo)。