寒地野生大豆表型性狀的評價和聚類分析

李 煒 畢影東 劉 淼 王 玲 邸樹峰 劉建新 樊 超 楊 光 梁文衛 來永才

（黑龍江省農業科學院耕作栽培研究所，哈爾濱 150086）

種質資源也稱為遺傳資源，是指決定生物各種性狀特征的核內和核外的基因資源，是作物育種及基礎研究的原始材料。提高大豆產量、品質和抗性一直是大豆育種的主要目標，但大豆育種親本材料遺傳基礎狹窄，急需尋找性狀優異的種質資源拓寬其遺傳基礎。野生大豆和栽培大豆的染色體數相同，二者同為大豆屬的兩個種，試驗證明二者雜交容易且能結實，后代的遺傳方式也相似，因此野生大豆可以作為擴寬大豆遺傳基礎的一個重要種質資源。在長期自然環境及人為選擇雙重作用下，野生大豆形成了許多可以為人類所利用的優良性狀，如豐產、優質[1]、抗病[2-3]、抗蟲[4]、耐逆[5-7]、耐重金屬污染等[8]，是大豆育種工作不可多得的重要種質資源材料。

寒地野生大豆是指分布于我國45°N 以北高寒地區的野生大豆，這一地區的特點是冬季嚴寒時間較長，夏季短暫、溫度較低，無霜期90～145d。黑龍江省位于中國的東北部，地處溫帶與寒溫帶交界處，屬于我國高寒地區，農業地域的主要特征是東西兩大平原（三江平原和松嫩平原）、南北兩大山地（大小興安嶺和張廣才嶺、老爺嶺、完達山），屬于溫帶大陸性氣候，地形地貌復雜，形成了多樣的生態類型，為該地區類型豐富的野生大豆分布奠定了良好的環境基礎。為了科學合理地利用野生大豆資源，為大豆的品種創新和生產利用提供基礎，對野生大豆資源的性狀進行評價，挖掘優異遺傳變異并鑒定特異材料是非常必要的。本研究對來自于黑龍江省不同農業分區[9]的204 份野生大豆的表型性狀（6 個質量性狀、9 個產量性狀、7 個品質性狀）進行評價和聚類分析，從中發掘可供利用的優良種質，為后續開展育種和遺傳研究提供重要的基礎數據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料根據代表性和均衡性的取樣原則，供試的204 份野生大豆材料來自于黑龍江省13 個市（地區），已經過自交繁殖（表1）。

表1 材料來源所屬生態區

1.2 試驗方法田間試驗于2018 年在黑龍江省農業科學院國家農業示范園區進行。采用隨機區組設計，穴播，3 次重復，每個小區0.65m×1m，每小區種植4 穴，出苗后每穴定苗1 株，插竹竿輔助試驗材料的莖纏繞生長，防止單株間互相纏繞。

1.3 表型數據測定與數據分析

1.3.1 性狀調查方法試驗材料自出苗至成熟后調查如下表型性狀：花色、葉形、進化類型、種皮色、臍色、泥膜6 個質量性狀；節數、節間長（cm）、分枝數、單株粒重（g）、百粒重（g）、單株粒數、有效莢數、無效莢數、葉形指數9 個產量性狀；粗蛋白含量（%）、粗脂肪含量（%）、蛋脂總和（%）、異黃酮含量（μg/mL）、油酸含量（%）、不飽和脂肪酸含量（%）、飽和脂肪酸含量（%）7 個品質性狀，測定標準參考《大豆種質資源描述規范和數據標準》[10]。

1.3.2 數據處理與統計用Excel 軟件計算各性狀的變異系數、最小值、最大值、平均值和遺傳多樣性指數。遺傳多樣性指數采用Shannon-Weave 指數H′=-ΣPiLnPi計算[11]，用SPSS 軟件進行聚類分析。

2 結果與分析

2.1 寒地野生大豆資源表型性狀的描述性評價分析由表2 可知，6 個質量性狀的多樣性指數變幅為0.31～1.13，平均為0.59，其中多樣性指數最低的是花色，為0.31，最高的是葉形，為1.13。在所調查的資源中，花色分為紫花和白花2 種，以紫花為主，占資源的90.69%，其余的為白花，占9.31%；從進化類型看，野生大豆占79.41%，半野生大豆占20.59%；葉形分為卵圓、橢圓、披針和線形4 種，以披針葉所占比例最高，占資源總數的38.24%，其次為卵圓葉（34.31%）和橢圓葉（26.47%），線形葉最少（0.98%）；種皮色以黑色居多，占資源總數的85.79%，其次為褐色（6.86%）、雙色（5.88%）、綠色（0.98%）和黃色（0.49%）；臍色分為黑色和褐色，分別占資源總數的51.47%和48.53%；89.71%的資源表現為種子有泥膜，其余的表現為有光澤（9.31%）和無泥膜（0.98%）。

表2 野生大豆資源質量性狀統計分析

對野生大豆資源產量性狀和品質性狀進行統計分析，由表3 可知，各資源在表型上表現出不同程度的變異，變異系數介于1.74%（不飽和脂肪酸含量）～71.39%（無效莢數）之間，平均為28.37%；多樣性指數介于1.46（百粒重）～2.09（飽和脂肪酸含量）之間，平均為1.89。

表3 野生大豆資源產量性狀和品質性狀的統計分析

2.2 不同生態區寒地野生大豆資源表型性狀的統計分析綜合分析來自于4 個地區的野生大豆資源的質量性狀，由圖1 可知，北部地區資源以紫花（占資源總數的86.96%）、披針葉（占資源總數的52.17%）為主，種皮顏色以黑色（占資源總數的82.61%）為主，臍色以褐色（占資源總數的62.32%）為主，89.86%的資源表現為種子有泥膜。西部地區資源以紫花（占資源總數的100%）、披針葉（占資源總數的54.29%）為主，種皮顏色以黑色（占資源總數的97.14%）為主，臍色以黑色（占資源總數的51.43%）為主，100%的資源表現為種子有泥膜。東部地區的資源以紫花（占資源總數的94.00%）、卵圓葉（占資源總數的46.00%）為主，種皮顏色以黑色（占資源總數的84.00%）為主，臍色以黑色（占資源總數的58.00%）為主，90.00%的資源表現為種子有泥膜。中南部地區的資源以紫花（占資源總數的86.00%）、卵圓葉（占資源總數的44.00%）為主，種皮顏色以黑色（占資源總數的84.00%）為主，臍色以黑色（占資源總數的64.00%）為主，82.00%的資源表現為種子有泥膜。

圖1 寒地野生大豆資源質量性狀在各生態區統計分析

根據野生大豆資源的采集地，按照北部、西部、東部和中南部地區4 個生態區統計分析各性狀的表型數據。由表4 可知，北部地區材料的葉形指數平均值表現最高，葉形指數、異黃酮含量變異系數最高，百粒重、分枝數、節數、節間長、粗蛋白含量、蛋脂總和、飽和脂肪酸多樣性指數最高。西部地區材料的分枝數、單株粒數、節數、有效莢數、節間長、粗蛋白含量、不飽和脂肪酸含量、蛋脂總和平均值最高，節間長、粗蛋白含量、不飽和脂肪酸含量變異系數最高，單株粒重、葉形指數、異黃酮含量多樣性指數最高。東部地區材料的異黃酮含量、油酸含量平均值最高，百粒重、單株粒重、單株粒數、有效莢數、分枝數、蛋脂總和、飽和脂肪酸含量變異系數最高，油酸含量、不飽和脂肪酸含量多樣性指數最高。中南部地區材料的百粒重、無效莢數、單株粒重、粗脂肪含量、飽和脂肪酸含量平均值最高，無效莢數、節數、粗脂肪含量、油酸含量變異系數最高，單株粒數、有效莢數、粗脂肪含量多樣性指數最高。

表4 各生態區試驗材料產量性狀和品質性狀的統計分析

表4（續）

2.3 寒地野生大豆資源的聚類分析利用各性狀的統計數據進行聚類分析，將204 份試驗材料分為2個類群，第Ⅰ類群有90 份材料，第Ⅱ類群有114 份材料。從材料的地理來源分析看，第Ⅰ類群材料主要來自東部和中南部地區，第Ⅱ類群材料主要來自西部和北部地區；從材料的性狀分析結果看，第Ⅰ類群中的野生大豆資源以紫花、橢圓葉、黑色種皮、有泥膜為主，進化程度高，農藝性狀特點是百粒重高，節數、節間長、單株粒數、單株粒重、有效莢數、葉形指數較低；第Ⅱ類群的野生大豆資源以紫花、披針葉、黑色種皮、有泥膜為主，進化程度低，農藝性狀特點是單株粒數、單株粒重、葉形指數較高（表5、表6）。聚類分析將葉寬大、百粒重高的材料聚為第Ⅰ類，這一類材料特性表現為高油、高油酸；將葉細長、產量偏高的材料聚為第Ⅱ類，這一類材料特性表現為高蛋白、高異黃酮、飽和脂肪酸和不飽和脂肪酸含量高。

表5 各類型資源在兩個類群中占資源總數的比例 （%）

表6 各類群材料產量性狀和品質性狀的統計分析

3 結論與討論

從進化類型看，小粒種子和披針葉形是野生型的特征。本研究發現北部地區分布的野生大豆原始類型比較多，資源多表現為披針葉形、小粒、百粒重小并具有高的多樣性指數，與其他的農業生態區域相比，北部地區氣候冷涼，地廣人稀，受地形和氣候條件的限制，作物生育期短，人為因素對生態環境的影響相對較低，野生大豆在長期的適應性進化過程中產生了更多的適應性進化類型并保留下來，從而使得本地區表現出更高的多樣性水平。西部地區、東部地區和中南部地區分布的野生大豆多為橢圓和卵圓葉形，大粒，出現白花，這可能是因為這些地區農業的快速發展以及人為活動干預比較多，加速了這些地區野生大豆的進化，這一結論與燕雪飛[12]的野生大豆在葉形方面存在一個圓形葉和線形葉、白花為極端的連續進化譜，白花、大粒、種皮黃色為進化類型，小粒、有泥膜、主莖不明顯為原始類型結論一致。

植物在進化過程中為了適應不斷改變的環境而產生可遺傳的變異，表現出特定的表型性狀，因此，表型變異經常被作為遺傳多樣性調查和優異資源篩選的基本手段[13]。研究人員分別對江蘇、河南、山西和安徽等地的野生大豆資源的表型進行了研究[14-16]，發現我國野生大豆地區間表型差異顯著且變異豐富。本研究發現試驗群體的表型性狀表現出豐富的變異和明顯的遺傳差異，即使同一地區的野生大豆材料其表型差異也很大。質量性狀的多樣性指數變幅為0.31（花色）～1.13（葉形），平均為0.59；產量性狀和品質性狀的多樣性指數變幅為1.46（百粒重）～2.09（飽和脂肪酸含量），平均為1.89，變幅低于王果[15]對305 份河南野生大豆材料研究中的多樣性指數的變幅0.1187～1.0903。產量性狀和品質性狀表現不同程度的連續性變異，平均變異系數為28.37%，變異系數的變化范圍為1.74%（不飽和脂肪酸含量）～71.39%（無效莢數），高于王穎[14]對江蘇210 份野生大豆材料表型研究中的平均變異26.68%、變異幅度10.00%～49.54%。

為了適應不同的生態環境，野生大豆在遷移、進化的過程中形成了不同的生態群體，這些生態群體間具有明顯的遺傳分化，形成了新的等位變異進而影響表型。聚類分析將本研究中的試驗材料分為2 個類群，第Ⅰ類群材料主要來自黑龍江省中南部和東部地區，第Ⅱ類群材料主要來自北部和西部地區。在相同的自然環境下，野生大豆經過漫長的自然選擇，生物學性狀具有趨同性，體現出野生大豆對不同生態環境的適應。許多研究結果顯示，不同省內基本都是地區內遺傳變異高于地區間，出現個別材料來源地與聚類組地理上不一致的現象，本研究中也發現了這樣的結果，這些結果暗示除了在相當近的時間內野生大豆發生過遠距離遷移的可能性外，還存在物種傳播史上的“基因擴散”，即使一個省內也是地區內遺傳變異高于地區間[17]。