小扁豆種質資源多樣性分析

李 凱， 程炳文， 邵千順， 關耀兵， 周麗蕾， 牛永岐， 趙永峰

(寧夏農林科學院固原分院，寧夏固原 756200)

小扁豆(LensculinarisMedik)又名濱豆、雞眼豆等，野豌豆族，豆科，蝶形亞科，小扁豆屬，屬一年生草本植物[1-2]，是世界上食用豆類作物之一，也是中國重要小雜糧作物之一。小扁豆籽粒富含蛋白質、碳水化合物、各種氨基酸以及維生素，其食療保健(特殊的營養價值和藥用價值)作用備受人們青睞，受到越來越多科學家的關注[3-4]。因此，進行小扁豆的開發研究具有很好的經濟效益，也為寧夏小扁豆新品種的選育及資源創新提供重要的理論依據。

中國是扁豆資源比較豐富的國家，我國作物種質資源庫中收集的扁豆材料為430份，主要分布在陜西、甘肅、寧夏、山西、內蒙古等省(自治區)[5]。在小扁豆種質資源的研究中普遍采用主成分分析和聚類分析這2種方法[6]。馬榮飛等對25份白扁豆種質資源進行聚類分析，發現不同種質材料間存在一定的遺傳差異[7]。姜永平等進行扁豆品種主要農藝性狀主成分與聚類分析，發現不同品種間的遺傳多樣性存在較大差異，莢色與地理來源不能作為判斷種質間遺傳差異的依據[8]。苗昊翠等利用主成分分析、聚類分析等分析方法對新疆小扁豆種質資源農藝性狀進行遺傳多樣性分析，發現小扁豆品種的遺傳差異與地理位置的遠近并不相關，加強對相應主成分因子的選擇，有利于更快選育出新品種[9]。

小扁豆在寧夏全區均有種植，主要分布在干旱、半干旱地區，但目前尚未對其進行深入研究，特別是對小扁豆種質資源的研究更少。農藝性狀和產量性狀是研究種質資源的基本途徑。本研究以引進保存在寧夏農林科學院的49份小扁豆種質資源為研究對象，對小扁豆主要農藝性狀間的遺傳關系及多樣性進行多樣性分析、相關性分析、主成分分析、聚類分析，旨在深入發掘小扁豆潛在的優異資源以及新的基因資源，為寧夏扁豆種質資源的收集與評價分析、新品種選育及遺傳研究提供基礎依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料是不同品種(系)的小扁豆材料共49份，參試材料的名稱及編號見表1。

1.2 試驗設計

試驗于2014—2016年在寧夏農林科學院固原分院頭營試驗基地(36°10′N、106°44′E)進行。試驗基地海拔1 586 m，年降水量400 mm，≥10 ℃積溫為2 800 ℃，年平均氣溫 7.4 ℃，土壤類型為湘黃土，肥力較低。

試驗采用隨機區組設計，3次重復；每個品種為一個小區，每個小區3行，行長5 m，行距20 cm，株距20 cm，人工開溝點播，播種深度5～7 cm。收獲前2 d每份材料取10株，自然風干后考種。

1.3 田間調查

田間性狀調查參照《小扁豆種質資源描述規范和數據標準》進行。田間目測觀察幼苗顏色、葉姿、花色、植株形態、長勢、莖色6個質量性狀。采用平行觀測的方法記載生育期，收獲時每種資源取樣10 株進行考種，調查株高、單株莢位高、單株莢層數、單層莢數、單莢粒數、莢寬、莢長、單株粒數、單株粒質量、千粒質量10個數量性狀。質量性狀描述中各性狀差異用阿拉伯數字表示，幼苗顏色和莖色：淺綠=1，綠=2，深綠=3，紫色=4；長勢：弱=1，中=2，強=3；植株形態：直立=1，半直立=2；葉姿：上舉=1，平伸=2；花色：淡藍=1，藍=2，粉紅=3，白=4，紫=5。

1.4 數據統計分析

采用Excel 2007統計處理基本數據，求性狀的平均值、最大值、最小值、標準差、變異系數；遺傳多樣性指數計算采用Shannon -Weaver信息指數表示，計算公式：H′=-∑PilnPi。為便于數量化和統計分析，將數量性狀進行分級，質量性狀予以賦值。計算多樣性指數時的劃級方法如下：先計算參試材料總體平均數(X)和標準差(σ)，然后劃分為10級，從第1級[Xi<(X-2σ)]到第10級[Xi>(X+2σ)]，每0.5σ為一級。每一級的相對頻率用于計算多樣性指數。多樣性指數H′=-∑PilnPi，式中Pi為某性狀第i級別內材料份數占總份數的百分比，ln為自然對數[10]。利用DPS 9.50數據處理軟件進行相關性分析和主成分分析；利用SAS 8.2數據處理軟件進行聚類分析(采用歐氏距離法)。

表149份小扁豆種質資源編號及名稱

2 結果與分析

2.1 小扁豆種質資源數量性狀指標多樣性分析

2.1.1 小扁豆種質資源數量性狀的分布 從圖1至圖10可以看出，參試品種的單株莢位高平均15.8 cm，變幅8～24.2 cm，莢位高高于15 cm的占55.1%(圖1)。莢寬平均 0.68 cm，變幅0.46～0.96 cm，各品種莢位寬主要分布在 0.5～0.9 cm(95.92%)范圍內(圖2)。單株莢長平均 1.25 cm，變幅 0.8～1.54 cm，主要分布在1～1.4 cm，高于1.4 cm的占 10.2%，低于1 cm的占2.04%(圖3)。株高平均30.34 cm，變幅20.6～46 cm，品種單株株高主要分布在25～40 cm(75.51%)范圍內，單株株高超過40 cm的品種占供試品種的8.16%(圖4)。單株莢層數平均6.38層，變幅2～12.2層，主要分布在5～11層(77.55%)范圍內(圖5)。單株每層莢數平均1.96個，變幅1～2.8個，每層莢數超過2個的品種占59.18%(圖6)。品種單株每莢粒數平均1.50粒，變幅0.98～3.0粒，各品種主要分布在1～2.5粒(95.92%)范圍內，每莢粒數超過2.5粒的品種僅占2.04%(圖7)。單株粒數平均52.01粒，變幅8.8～119粒，主要分布在35～65粒，單株粒數超過65粒的品種占 18.37%(圖8)。單株粒質量平均1.40 g，變幅0.26～3.56 g，主要分布在1～2 g(65.31%)范圍內(圖9)。千粒質量平均29.42 g，變幅19.2～63 g，各品種千粒質量主要分布在20～40 g范圍內，千粒質量超過40 g的品種占供試品種的8.16%(圖10)。

2.1.2 小扁豆種質資源數量性狀指標多樣性分析 從表2可以看出，49份小扁豆種質資源的16個性狀的變異系數在12%～44.29%之間，平均變異系數為27.32%，其中單株粒數、單株粒質量等在全部性狀中的變異程度大，莢長、莢寬、株高等性狀的變異程度較小。莢位高、每層莢數、每莢粒數、莢寬、莢長、千粒質量、株高的變異系數均小于30%，莢層數、單株粒質量、單株粒數的變異系數均大于30%，說明參試材料莢位高、每層莢數、每莢粒數、莢寬、莢長、千粒質量、株高的離散程度小，穩定性較好；而莢層數、單株粒質量、單株粒數的離散程度大，穩定性較差。

對參試材料10個數量性狀進行多樣性分析的結果表明，多樣性指數平均為6.030 1，其中以莢寬6.140 4為最高，莢位高5.722 5為最低；每層莢數、每莢粒數、莢寬、莢長、千粒質量、株高的多樣性指數均高于平均值，莢位高、莢層數、單株粒質量的多樣性指數均低于平均值，說明每層莢數、每莢粒數、莢寬、莢長、千粒質量、株高遺傳多樣性豐富度較高，對于扁豆優良品種的選育具有更加實際的意義。

2.2 小扁豆種質資源數量性狀間的相關性分析

對參試材料10個數量性狀兩兩進行相關性分析的結果表明，莢位高與每莢粒數呈極顯著正相關，與莢寬呈極顯著負相關；莢層數與每層莢數、每莢粒數、單株粒質量呈顯著正相關，與單株粒質量呈顯著正相關，與千粒質量呈極顯著負相關；每層莢數與單株粒數呈顯著正相關，與千粒質量呈極顯著負相關；每莢粒數與莢寬、莢長呈極顯著負相關，與單株粒數、單株粒質量呈極顯著正相關；莢寬與單株粒數呈極顯著負相關，與千粒質量呈極顯著正相關；莢長與千粒質量呈極顯著正相關；單株粒數與單株粒質量呈極顯著正相關，與千粒質量呈顯著負相關(表3)。因此，要選育高產扁豆品種，就要提高單株粒質量，增加單株粒數、莢層數、每層莢數。

2.3 小扁豆種質資源的主成分分析

2.3.1 主成分特征值 利用DPS 9.50數據處理軟件計算參試材料的16個主要農藝性狀的特征向量及貢獻率(表4)。從表4可以看出，主要信息集中在前6個主成分中，包含了全部指標的絕大部分信息，其累計貢獻率達81.81%。第1主成分特征值為3.75，貢獻率為26.78%；第2主成分特征值為2.38，累計貢獻率為43.80%；第3主成分特征值為1.95，累計貢獻率為57.70%；第4主成分特征值為1.40，累計貢獻率為67.70%；第5主成分特征值為1.11，累計貢獻率為75.60%；第6主成分特征值為0.87，累計貢獻率為81.81%。

表2小扁豆種質資源多樣性統計分析

表3數量性狀間相關性分析

注：“*”表示P<0.05顯著相關；“**”表示P<0.01極顯著相關。

表4影響16個表型性狀的主成分

2.3.2 主成分分析 6個主要成分因子對16個農藝性狀的影響見表5。第1主成分主要影響單株粒數和莢層數，特征向量值分別為0.42和0.39。第2主成分主要影響莢長，特征向量值為-0.35。第3主成分主要影響每層莢數和千粒質量，特征向量值分別為-0.43和0.41。第4主成分主要影響單株粒質量，特征向量值為0.58。第5主成分主要影響植株長勢，特征向量值為0.48。第6主成分主要影響植株形態，特征向量值為-0.40。

表549份小扁豆種質資源16個農藝性狀的主成分分析

2.4 小扁豆種質資源的聚類分析

利用SAS 8.2數據處理軟件，以歐氏距離為遺傳距離，對49份小扁豆種質資源的16個農藝性狀進行聚類分析，由表6、圖11可知，49份小扁豆種質資源在歐氏距離0.878 2處聚為5大類。

第一類群包括17份材料，其主要特征是花色以淡藍色為主，粉紅色次之。葉姿以上舉型為主，平伸型次之。植株形態以直立型為主，個別為半直立型。長勢以表現強勢為主，中等次之。莖色以綠色為主。莢寬和莢長的平均值最高，相應的變異系數較低，分別為13.72%、9.36%。

第二類群包括21份材料，其主要特征是花色以淡藍色為主，個別為粉紅色、白色和紫色。葉姿以上舉型為主。植株形態以直立型為主，個別為半直立型。長勢以表現強勢為主。莖色以綠色為主，個別為深綠和紫色。每莢粒數和千粒質量的平均值較低，而相應的變異系數最高，分別為17.13%、19.81%。

表649份小扁豆種質資源類群信息

第三類群包括1份材料，其主要特征是花色以白色為主。葉姿以上舉型為主。植株形態以半直立型為主。長勢以表現強勢為主。莖色以綠色為主。株高、莢位高、單株粒質量、千粒質量和每莢粒數在參試材料中表現最高。

第四類群包括7份材料，其主要特征是花色以淡藍色為主，個別為藍色和粉紅色。葉姿以上舉型為主，平伸型次之。植株形態以直立型為主。長勢以表現中等為主。莖色以綠色為主。莢層數和每層莢數的平均值最高，相應的變異系數較低，單株粒數的平均值次低，但變異系數最低。

第五類群包括3份材料，其主要特征是花色以淡藍色為主。葉姿以上舉型為主。植株形態以直立型為主。長勢以表現中等為主。莖色以綠色為主。每莢粒數和單株粒數的平均值最高，分別為1.8粒、105.4粒，相應的變異系數較低，莢層數、每層莢數、單株粒質量、株高的平均值次低。

3 討論

種質資源遺傳多樣性是指種內不同群體和個體間的遺傳多態性程度，即指種內基因的變化，包括種內顯著不同的居群間和同一居群內的遺傳變異[11]，種質資源遺傳多樣性的研究為遺傳資源的收集、保存、分類、評價及核心種質的建立奠定了重要基礎，也為育種中的親本選配提供理論依據[12-15]。本研究通過對49份小扁豆種質資源的6個質量性狀和10個數量性狀進行分析比較，參試資源中花色以淡藍色為主，葉姿以上舉型為主，植株形態以直立型為主，長勢以表現強勢為主，莖色和幼苗顏色以綠色為主。10個數量性狀間的變異系數在12%～44.29%之間，以單株粒質量的變異系數為最大，其次是單株粒數，以莢長的變異系數為最小。多樣性指數以莢寬 6.140 4 為最高，莢位高5.722 5為最低，表明49份材料在不同性狀間表現出不同程度的多樣性，為培育優質的扁豆品種提供了豐富的原始資源。

主成分分析與聚類分析在鷹嘴豆[16]、蠶豆[17]、豌豆[18]、綠豆[19]等豆類種質資源遺傳多樣性的研究當中都有應用，本研究通過對49份小扁豆種質資源16個農藝性狀進行主成分分析和聚類分析可以看出，前6個主成分所提供的信息量占全部信息量的81.81%，第1主成分對扁豆育種的影響最大，第1主成分中單株粒數的貢獻率最大，其次是莢層數，因此在小扁豆育種過程中加大對單株粒數和莢層數的選擇力度，對于可能獲得小扁豆高產品種具有重要的意義。聚類結果表明，49份小扁豆種質資源在歐氏距離0.878 2處聚為5個大類，對5類資源分別作統計分析發現，第一類群莢寬和莢長的值最高，株高最低，可作為選育矮稈大粒型品種的親本；第三類群包括1份材料，其株高、莢位高、單株粒質量、千粒質量和每莢粒數在參試材料中表現最高，可作為選配雜交組合的優選親本；第四類群莢層數和每層莢數值最高，第五類群每莢粒數和株粒數值最高，均可作為選育高產型且株高適中品種的親本。

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