不同來源大豆種質資源的田間鑒定與篩選

趙朝森，趙現偉，孫麗萍，厲蘇寧，郭兵福，王瑞珍

(江西省農業科學院 作物研究所/江西省油料作物生物學重點實驗室，南昌 330200)

中國作物種質資源長期庫中保存大豆資源2.3萬余份，數量居世界之首，然而大豆資源在新品種培育中的利用率僅為1%左右。大豆育成品種的遺傳基礎狹窄問題一直備受關注。通過對大豆種質資源的重要經濟性狀進行系統評價鑒定，可為定向選擇有重要價值的育種親本、發掘和利用大豆資源中的優異基因提供指導[1]。遺傳多樣性即群體的遺傳變異，可在農藝性狀、基因型和基因水平上進行測度[2]，而農藝性狀是種質資源多樣性評價的最常用的鑒定指標[3]。應用多元統計方法對大豆種質資源表型性狀的遺傳多樣性研究已有大量報道。因試驗材料和分析方法不同，得出的研究結論也不盡相同。株高、底莢高度、有效分枝數、單株粒數、單株莢數、百粒質量、單株粒質量等重要農藝及產量構成性狀均具有豐富的遺傳多樣性，生育期性狀也有較大的遺傳變異系數，而花色、葉色、葉形、茸毛色、粒色等描述性形態性狀的遺傳多樣性較低[4-9]。

江西屬中亞熱帶溫暖濕潤季風氣候，年均溫約16.3 ℃～19.5 ℃，年降水量1 341～1 943 mm，無霜期達240～307 d，活動積溫5 000 ℃～6 000 ℃，光、溫、水資源豐富，適宜大豆生長發育。江西大豆生產有春、夏、秋3種不同播種類型，種植方式有凈種、間套種等，是中國南方高蛋白加工型大豆和菜用大豆的重要產區[10]。本研究對 1 580份來自不同生態區域大豆種質資源進行了農藝性狀的精準鑒定，并通過相關分析和通徑分析，綜合評價這些資源的遺傳變異，以期為江西及中國南方地區大豆種質資源創新和新品種選育提供物質基礎和理論依據。

1 材料與方法

1.1 種質材料

供試的1 580份大豆種質資源由中國農業科學院作物科學研究所大豆基因資源發掘與利用課題組提供，包括國外種質239份，國內北方種質517份、黃淮海種質331份、南方種質493份。

1.2 試驗方法

供試材料分別于2017年、2018年種植于江西省農業科學院作物研究所武陽鎮試驗基地(東經116°1′14″，北緯28°31′58″，海拔45 m)，試驗地為水稻土，地勢平坦，土壤肥力較好。供試種質按生育期長短排序，7月25日播種，每份材料種植2行，行長1.8 m，行株距40 cm×10 cm，每行定苗18株，2次重復。田間管理參照秋大豆常規生產管理。在整個大豆生育期間對供試種質的田間表型性狀進行調查。成熟時每份種質取連續10個單株進行室內考種。調查下胚軸顏色、葉形、葉色、小葉大小、小葉數目、葉柄長短、花色、花序長短、茸毛色、茸毛密度、茸毛直立程度、株型、莖稈強度、倒伏性、莢色、裂莢性、落葉性、根瘤、粒色、種皮光澤、種皮裂紋21個形態描述型性狀，以及初花時間、生育時間、株高、底莢高度、莖粗、主莖節數、有效分枝數、單株莢數、單株粒數、單株粒質量、百粒質量、莢長、莢寬13個數量性狀。表型性狀的數據觀測記載與考種均參照《大豆種質資源描述規范和數據標準》進行[11]。

1.3 數據分析

2 結果與分析

2.1 描述型性狀的遺傳多樣性

以遺傳多樣性指數Ds為評價指標，對1 580份供試種質描述型性狀的遺傳多樣性進行分析，結果表明不同資源群體的遺傳多樣性具有差異(表1)。與其他描述型性狀相比，除南方種質群體外，莢色在國外、北方、黃淮海及總資源群體中多樣性指數最高，而種皮光澤在南方種質中表現出最豐富的遺傳多樣性。葉色的遺傳多樣性相對較低，在國外、北方、黃淮海及總資源群體中遺傳多樣性指數最小。21個描述型性狀，在國外、北方、黃淮海、南方及總資源群體中的Simpson多樣性指數范圍分別為0.016 6～0.67 2、0.007 7～0.700 2、0.018～0.69、0.028～0.655 5、0.017 6～0.690 3，Simpson多樣性指數平均值分別為0.345 9、0.347 1、0.345 9、0.322 4、0.357 7。在總資源群體中，不同描述型性狀遺傳多樣性指數由大到小排序為：莢色>種皮光澤>落葉性>種皮色>種皮裂紋>茸毛色>葉形>花色>下胚軸顏色>莖稈強度>葉柄長短>小葉大小>茸毛密度>茸毛直立程度>株型>花序長短>倒伏性>小葉數目>根瘤>裂莢性>葉色?？梢?，莢色、種皮光澤、落葉性這3個描述型性狀在種群中的遺傳多樣性高，而根瘤、裂莢性、葉色在種群中的遺傳多樣性低。

表1 大豆種質資源描述型性狀的多樣性指數(Ds)

2.2 數量性狀的遺傳變異

對初花時間、生育時間等13個數量性狀的遺傳變異進行分析，數量性狀在不同來源種質資源群體中表現出的遺傳變異具有差異性(表2)。在1 580份資源中，13個數量性狀遺傳變異系數由大到小的排序為：底莢高度>有效分枝數>單株莢數>單株粒數>株高>百粒質量>單株粒質量>初花時間>主莖節數>莖粗>莢長>莢寬>生育時間。底莢高度、有效分枝數、單株莢數、單株粒數、株高、百粒質量、單株粒質量的遺傳變異系數均大于30%。其中，底莢高度的變異系數在國外，中國北方、黃淮海、南方和總資源群體中分別為83.73%、78.45%、90.54%、62.8%、88.82%。初花時間、主莖節數、莖粗、莢長、莢寬的遺傳變異系數為20%～10%，生育時間的遺傳變異系數小于10%。其中，生育時間的變異系數最小，在國外、北方、黃淮海、南方和總資源群體中分別為9.13%、6.26%、6.55%、10.45%、8.81%。表明供試大豆種質資源的數量性狀變異程度高，多樣性豐富。

表2 大豆種質資源數量性狀的統計分析

2.3 不同地區大豆種質數量性狀的遺傳多樣性

以遺傳多樣性指數為評價指標，對13個數量性狀的遺傳多樣性進行分析發現，數量性狀在供試大豆種質中具有豐富的遺傳多樣性，但在不同來源大豆種質資源群體中表現出不同的差異(表3)。在國外種質群體中多樣性指數Ds范圍為 0.640 6～0.852 6，平均值為0.813 6，以主莖節數的遺傳多樣性最豐富，有效分枝數次之，莢寬遺傳多樣性最小；在北方資源群體中多樣性指數Ds范圍為0.702 3～0.858 7，平均值為0.831 1，以有效分枝數的遺傳多樣性最豐富，單株粒質量次之，莢寬最??；在黃淮海資源群體中多樣性指數Ds范圍為0.698 2～0.857 7，平均值為0.825 9，以有效分枝數遺傳多樣性最為豐富，莖粗次之，莢寬最??；在南方資源群體中多樣性指數Ds范圍為0.748 2～0.854 5，平均值為0.836 9，以單株粒質量遺傳多樣性最為豐富，有效分枝數次之，莢寬最小；在供試1 580份資源群體中Simpson多樣性指數范圍為0.710 5～0.861 1，平均值為 0.826 5，以有效分枝數遺傳多樣性最豐富，單株粒質量次之，莢寬最??；13個數量性狀在1 580份供試資源中按多樣性指數由大到小排序為：有效分枝數>單株粒質量>主莖節數>莖粗>莢長>百粒質量>單株粒數>單株莢數>初花時間>株高>底莢高度>生育時間>莢寬。

表3 不同地區大豆種質資源數量性狀的多樣性指數(Ds)

2.4 數量性狀的相關性分析

對13個數量性狀之間的相關性進行分析表明，初花時間與百粒質量、莢長相關性不顯著，與莢寬呈極顯著負相關；株高與百粒質量、莢長、莢寬呈極顯著負相關；底莢高度與有效分枝數呈顯著負相關，與單株莢數呈顯著正相關，而與單株粒數相關性不顯著；主莖節數與百粒質量、莢長、莢寬呈極顯著負相關；而有效分枝數、單株莢數、單株粒數也與百粒質量、莢長、莢寬呈極顯著負相關；其余性狀之間呈極顯著正相關(表4)。從上述分析可知，大豆產量構成因子之一的單株粒質量與其他12個重要農藝性狀正相關且達極顯著水平。

表4 大豆種質資源數量性狀的相關性

2.5 重要農藝性狀對單株粒質量的通徑分析

為了進一步探究大豆各個農藝性狀對單株粒質量的直接作用和間接作用，在相關性分析的基礎上進行了通徑分析。從表5可知，各相關農藝性狀與單株粒質量相關系數大小依次為莖粗(0.628 7)>生育時間(0.519 6)>單株粒數(0.501 7)>單株莢數(0.475 5)>初花時間(0.459 4)>株高(0.422 2)>有限分枝數(0.416 3)>主莖節數(0.414 5)>百粒質量(0.414 2)>莢長(0.381 8)>莢寬(0.225 1)>底莢高度(0.202 2)，說明了莖粗、生育時間、單株粒數、單株莢數對大豆單株粒質量的影響較大。

表5 大豆重要農藝性狀對單株粒質量的通徑分析

通徑分析表明，各相關農藝性狀對單株粒質量的直接通徑系數大小依次為百粒質量(0.643 3)>單株粒數(0.634 6)>莖粗(0.188)>單株莢數(0.161 3)>莢長(0.109 2)>有效分枝數(0.109)>主莖節數(0.040 8)>生育時間(0.036 1)>底莢高度(0.029 8)>莢寬(-0.005 1)>株高(-0.027 1)>初花時間(-0.120 9)?？梢?，大豆百粒質量、單株粒數對單株粒質量的正向效應最大，其次為莖粗、單株莢數，再次是莢長、有效分枝數，主莖節數、生育時間、底莢高度有微弱的正向效應，而莢寬、株高、初花時間有負向效應。

2.6 高產特異大豆種質篩選

以大豆單株產量構成性狀為綜合指標，結合生育時間表現，篩選出30份高產特異大豆種質(表6)，可作為中國南方秋大豆育種骨干親本。其中，生育時間在95 d以下的早熟高產大豆種質有10份，表現早熟、植株較矮、莖稈較粗壯、分枝性強、抗倒伏；‘新余大粒青’‘晉豆39’‘南農29’這3份種質莢大、粒大，可作為鮮食秋大豆育種親本應用；‘紅面豆’‘南農大紅豆’為褐皮大豆種質，粒大、莢大，可以作為特色雜糧膳食大豆商業開發利用。生育時間為96～105 d的中熟高產大豆種質有17份，生育期適中，莖粗、抗倒伏，粒大、莢大。其中，‘丹波一號’‘綠肉黑皮豆’均為黑皮大豆，子葉綠色、籽粒特大，前者為日本鮮食大豆，后者為中國南方黑大豆特大粒種質，鮮籽粒作菜用時皮色呈淺紫色，外觀商品性極佳，均具有大粒鮮食和食用黑大豆開發前景；‘南農99-10’‘南農99-6’‘贛豆2號’‘贛豆5號’為高產優質夏秋大豆品種；‘衢鮮1號’‘綠寶珠’為鮮食夏大豆品種。生育時間為106～115 d的晚熟高產大豆種質有3份；其中，‘海寧黃豆’為中國南方種質，表現粒大、莢大，株高中等；Foster為國外種質，植株較矮，分枝多，籽粒較小，單株結莢多而密；‘靈川黃豆’株型高大，莖粗、分枝較多、籽粒中等。

表6 高產特異大豆種質

3 討 論

表型性狀是植物生長的最直觀表現，受植物本身基因型和環境因素的綜合作用，表現出穩定性和變異性共存的特點[13]。表型性狀數據易于獲取，使用靈活、方便，分析作物遺傳多樣性簡單、快速、環保。雖然作物的外部形態容易受到環境和栽培條件的影響，受遺傳因子與外部環境的交互作用，但當被研究群體較大并且生長環境和栽培條件一致時，也可以消除環境的影響，表現出準確的遺傳多樣性。不同種群在遺傳多樣性豐富度接近時，Simpson指數比Shannon-Wiener指數對物種均勻度更為敏感，當一個群落新增加物種的相對多度超過某一限度時，群落多樣性指數不但不增加，反而會有所下降，對于Simpson指數來說，該限度約為0.67，存在“稀釋效應”[14]。本研究發現，大豆莢色在國外、國內北方、黃淮海及總資源群體中Simpson指數最大，說明該性狀的變異差異在種群中分布均勻度高；反之，葉色在種群中Simpson指數最小，其遺傳多樣性均勻度低。統計分析發現13個大豆數量性狀的Simpson指數在國外、國內黃淮海、南方、北方及總資源群體中平均多樣性指數分別為0.813 6、0.825 9、0.836 9、0.831 1、0.826 5，均高于0.67，表明該批不同來源的大豆種質資源遺傳多樣性豐富，但隨著新種質的增加群體的擴大，Simpson指數有所下降，群體遺傳多樣性被“稀釋”了。這一研究結果與上述觀點一致。

遺傳變異系數是衡量數量性狀變異的離散程度的一個統計量。遺傳變異系數大，性狀的遺傳潛力大、遺傳進度快、選擇效果較好。本研究結果發現該大豆種質資源群體中的13個數量性狀，有7個性狀的遺傳變異系數大于30%，有5個性狀的遺傳變異系數為20%～10%，僅生育時間變異系數小于10%，研究結果與王瑞珍等[6]、胡國玉等[15]、王燕平等[9]在分別分析中國南方大豆核心種質、黃淮海夏大豆和東北春大豆種質資源的農藝性狀變異系數得出結論基本一致，這說明本研究群體的表型多樣性十分豐富，個體差異大，有利于特異材料和優異基因型的篩選和利用。相關分析結果反映了不同農藝性狀間的既相互獨立又錯綜復雜的相關關系。其中，大豆產量構成因子之一的單株粒質量與其他12個重要農藝性狀呈極顯著正相關，有必要進一步闡明各個農藝性狀對單株粒質量影響的主次作用。

大豆產量是由單位面積植株數和單株粒質量構成，大豆高產是通過調節合理群體和單株生產潛力來實現的。單株粒質量由每莢粒數、單株莢數和百粒質量三者構成。Sudhanshu等[16]認為大豆單株生物產量、單株莢數、百粒質量對單株粒質量有較大的直接和間接作用。韓秉進等[17]認為，提高大豆產量主要應該增加莢數，而百粒質量效應較小。汪寶卿等[18]認為單株粒數、生育期、莖粗和株高對產量的直接作用較大，而張君等[19]的研究結果表明株高對單株產量的影響較小。本研究通徑分析發現，各個數量型農藝性狀中百粒質量、單株粒數對單株粒質量的正向效應最大，其次為莖粗、單株莢數，再次是莢長、有效分枝數，主莖節數、生育時間、底莢高度有微弱的正向效應，而莢寬、株高、初花時間有負向效應。這一研究結論與前人研究結果既有相似之處也有不同的結論?？傊?，通徑分析明確了各農藝性狀間及對單株粒質量的影響主次關系，為育種提供一定的理論依據。當前，大豆高產目標難以突破，一方面是現有技術手段難以使大豆雜種優勢應用于實際生產，另一方面是高產育種親本遺傳基礎狹窄。大豆在長期演化過程中形成了適應不同生態區的生態類型，具有豐富的遺傳多樣性，許多優良農藝性狀和品質性狀存在于種質資源中。本研究試驗材料來源廣泛、類型豐富，涉及國外、北方、黃淮海及南方大豆種質，有地方品種、育成品種、育種品系，育種中間材料。因此，通過分析和掌握該批種質資源主要性狀的遺傳特點及其相互關系，根據育種目標合理選擇親本形成優勢性狀互補，從而進行大豆高產品種改良和選育。