綠豆種質資源主要農藝性狀、 經濟性狀遺傳多樣性分析及綜合評價

康澤然， 王曉磊， 魏云山， 劉迎春， 周學超， 胡海波， 李 峰， 崔智慧

(赤峰市農牧科學研究所，內蒙古赤峰 024000)

綠豆(VignaradiataL.)屬于豆科(Leguminosae)蝶形花亞科(Papilionaceae)，是一年生自花授粉作物，在中國具有2 000多年的種植歷史[1]。綠豆具有良好的抗旱耐貧瘠性，同時共生固氮能力強，是禾谷類、幼齡果樹等作物的間作套種適合作物和前茬，同時也經常被當作填閑和救災作物[2]。

內蒙古赤峰市作為典型的干旱半干旱雨養農業地區，非常適宜綠豆生產，是主要的種植區[3]。但是多年來，赤峰地區綠豆在生產上存在品種退化嚴重、穩定性差、產量不高等問題，導致綠豆種質資源狹窄，嚴重影響綠豆產業的發展。因此，對部分優異種質資源進行遺傳變異性分析，根據不同性狀的表現來選擇和利用親本，通過雜交育種方法進行品種改良可加速本地區優質、高產綠豆新品種選育。

對農作物的農藝性狀、經濟性狀進行研究有助于有針對性地利用資源和加速新品種選育。近年來，國內研究學者多采用遺傳多樣性指數[4-5]、系統聚類分析[6-7]、主成分分析[8]等方法對綠豆資源進行性狀評價，對篩選出適宜當地種植的優異綠豆品種起到了理論支撐的作用。本研究借鑒前人研究方法，對來自國內不同地區的20份綠豆種質材料的10個主要農藝性狀、經濟性狀進行調查，同時利用統計軟件進行遺傳多樣性、相關性、聚類分析和主成分分析，綜合評價分析了參試綠豆種質資源主要農藝性狀的變異豐富度，用科學數據為赤峰區域綠豆高產育種進行指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于內蒙古赤峰市農牧科學研究所梁上基地，該地位于赤峰市西郊10 km處(42°17′N，118°51′E)，海拔520 m。年日照時數2 800～3 100 h，年均降水量300～540 mm，年平均氣溫 7.2 ℃，無霜期在120～145 d范圍內，積溫2 200～2 800 d·℃。土壤類型為壤土，地形平坦、肥力均勻。

1.2 試驗材料

供試綠豆種質材料20份，來自北京市、內蒙古自治區、吉林省等地(表1)。

1.3 試驗設計

試驗材料于2019年5月在赤峰市農牧科學研究所梁上試驗播種，隨機區組排列，設置3次重復，行距50 cm，株距20 cm，每個小區面積3 m2。播種方式為穴播，試驗四周設保護行。試驗基地為水澆地，前茬作物為谷子，肥力中等，機器開壟，人工穴播，田間管理栽培措施同大田常規。

表1 供試綠豆種質資源及其來源

1.4 測定指標

根據《綠豆種質資源描述規范和數據標準》[9]調查本試驗的主要農藝性狀、經濟性狀。在綠豆生長發育期間，調查各品種的全生育期。成熟期，從每個小區隨機抽取10株植株進行株高、主莖粗、莢長、主莖節數、主莖分枝數、單株莢數、單莢粒數、百粒質量、單株產量的測定。

1.5 數據分析

CV=平均值/標準差×100%；

H′=-∑PilnPi(Pi表示第i種變異出現的頻率)。

利用SPSS軟件進行相關分析、聚類分析和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 綠豆種質資源主要農藝性狀的表現及變異分析

對20份綠豆種質資源10個農藝性狀、經濟性狀進行分析，結果(表2)表明，各農藝性狀、經濟性狀變異程度大小不同(3.72%～19.21%)，變異廣泛。10個性狀的變異系數平均值為10.72%，變異較大的性狀分別為主莖分枝數、單株莢數、株高、單株產量，其變異系數分別為19.21%、14.36%、13.52%、12.37%，其極差分別為1.80、13.73、40.70、7.82。表明20份種質資源在這4個性狀上變異潛力大，育種的選擇基礎廣。單莢粒數的變異系數最小，為3.72%，說明該性狀的環境穩定性較高。10個性狀的多樣性指數在1.429～1.956，平均為1.746，說明各性狀遺傳多樣性豐富，選擇基礎廣，合理利用這些綠豆資源，通過品種雜交方式促進優異新品種的選育。綜上所述，供試20份綠豆材料的10個主要農藝性狀、經濟性狀的變異系數及遺傳多樣性指數較高，具有豐富的遺傳性。

2.2 綠豆種質資源主要農藝性狀、經濟性狀的相關性分析

20份綠豆種質材料的10個性狀間存在不同程度的相關性(表3)。其中，單株產量與百粒質量呈顯著正相關，相關系數為0.511，與單株莢數呈極顯著正相關，相關系數為0.589，說明百粒質量、單株莢數這2個性狀對綠豆單株產量影響較大。生育期與株高、主莖節數呈極顯著正相關，相關系數分別為0.564、0.648；株高與主莖粗、主莖節數呈極顯著正相關，與單莢粒數呈顯著正相關，相關系數分別為0.624、0.594、0.509，與主莖分枝數、單株莢數呈顯著負相關；主莖節數與單莢粒數呈顯著正相關，相關系數為0.510，與單株莢數呈顯著負相關；其他性狀沒有顯著的相關性。

表2 綠豆種質資源10個農藝性狀、經濟性狀的變異系數(CV)和多樣性指數(H′)

表3 20份綠豆種質資源各性狀間的相關系數

2.3 綠豆種質資源主要農藝性狀、經濟性狀的聚類分析

采用Ward法對20份綠豆種質資源進行聚類分析，具體分析結果詳見圖1。在歐式平方距離為4.2時，將供試綠豆種質資源分為5大類群(表4)。第Ⅰ類群有11份種質資源，該類群的主要特征是莢長表現為最大，其他性狀表現為適中。第Ⅱ類群有2份種質資源，該類群的單株產量最高，單株莢數最多，莢長最短。第Ⅲ類群有3份種質資源，該類群的單株產量最低，主莖分枝數最多。第Ⅳ類群有1份種質資源，該類群具有生育期、株高、主莖粗、主莖節數、單莢粒數、百粒質量最低的特點。第Ⅴ類群有3份種質材料，該類群具有生育期、株高、主莖粗、主莖節數、單莢粒數、百粒質量最高的特點。

表4 不同類群綠豆種質資源的10個性狀比較

2.4 綠豆種質資源主要農藝性狀、經濟性狀的主成分分析及綜合評價

2.4.1 綠豆種質資源主要性狀的主成分分析 對20份綠豆種質資源的10個主要性狀進行主成分分析，分析結果見表5，可以看到前4個主成分累計貢獻率達79.193%，基本代表了20份種質資源的主要遺傳信息。

第1主成分特征值為3.698，貢獻率為36.976%，特征向量有正有負，其對株高、主莖節數的貢獻最大，特征向量值分別為0.899和0.767。第2主成分特征值為1.894，貢獻率為18.939%，特征向量有正有負，主要反映單株產量、百粒質量，其向量值分別為0.890和0.639。第3主成分特征值為1.269，貢獻率為12.693%，從載荷數值大小來看，該成分主要反映主莖分枝數，其向量值為0.742。第4主成分特征值為1.059，貢獻率為10.585%，從數值大小來看，該成分主要反映單株莢數，其向量值為0.464。

表5 綠豆種質資源農藝性狀、經濟性狀的主成分分析

2.4.2 綠豆種質資源綜合評價 利用入選的特征向量和特征值，計算20份綠豆種質資源的主成分值，根據主成分得分進行評價和排序。利用表5的各成分特征向量值得到如下關系式：

F1=0.679X1+0.899X2+0.625X3+0.767X4-0.301X5-0.665X6+0.658X7+0.476X8-0.059X9+0.504X10；

F2=-0.423X1+0.070X2+0.018X3-0.260X4-0.394X5+0.369X6+0.152X7+0.356X8+0.890X9+0.639X10；

F3=0.101X1-0.076X2+0.430X3+0.050X4+0.742X5+0.399X6+0.201X7+0.432X8+0.220X9-0.285X10；

F4=0.371X1+0.172X2+0.082X3+0.392X4-0.071X5+0.464X6-0.247X7-0.573X8+0.347X9-0.032X10；

綜合評價函數F=[λ1/(λ1+λ2+λ3+λ4)]F1+[λ2/(λ1+λ2+λ3+λ4)]F2+[λ3/(λ1+λ2+λ3+λ4)]F3+[λ4/(λ1+λ2+λ3+λ4)]F4=0.467F1+0.239F2+0.160F3+0.134F4(式中λ1、λ2、λ3、λ4分別為4個主成分對應的特征值)。

綜合得分越高，表明綜合表現越好。由表6可知，綜合得分排在前5名的綠豆品種依次為橫山大綠豆、龍博9號、中綠5號、赤綠5號、龍博7號。

表6 20份綠豆種質資源的綜合得分

3 討論與結論

3.1 綠豆種質資源的遺傳多樣性

對遺傳多樣性進行研究是作物育種工作的基礎，充分挖掘種質資源的遺傳變異和遺傳背景，可以為綠豆的育種工作提供理論支撐。各性狀的遺傳變異系數是變異程度是否豐富的體現，變異系數與變異潛力是正相關關系，變異系數越高變異潛力越大，該性狀被改變的可能性也最大[11]。陳紅霖等分析了來自國內外的481份綠豆種質資源的21個農藝性狀，發現變異系數較高的是與產量相關的性狀單株莢數和小區產量，而莢長、主莖節數等性狀變異系數較低[8]。本研究20份綠豆資源10個主要性狀的變異系數中，變異系數較高的性狀為單株莢數與單株產量，這與陳紅霖等的研究結果[8]大體一致。本研究中各性狀的遺傳多樣性指數均較高，其中單莢粒數和百粒質量的遺傳多樣性指數較高，但其相應的遺傳變異系數相對較低，說明遺傳多樣性指數的大小和變異系數的高低并不具有一致性，這與萬述偉等對豌豆農藝性狀的研究[12]相同。

很多作物的農藝性狀間存在相關性，育種工作時可以利用性狀間的相關性對一些性狀進行選擇[13-14]。在對參試綠豆性狀的相關性分析上，百粒質量、單株莢數對單株產量有較大的影響，與徐東旭等的研究結果[15-16]相一致，因此在綠豆的高產育種工作中應該優先考慮百粒質量和單株莢數等主要因素；生育期的長短對綠豆形態建成有一定的影響[8]，在本試驗中全生育期與株高、主莖節數均呈極顯著正相關，本結果與陳紅霖等對生育期的相關性分析結果[8]一致。

3.2 綠豆種質資源的聚類分析

對性狀進行聚類分析能夠客觀體現種質材料間的親緣關系，在育種工作時可以根據聚類特點進行親本選配，因此聚類分析是育種的重要手段之一。本試驗采用Ward聯接法在歐氏平方距離為4.2時將供試資源分成5大類群，各個類群的差異明顯。來自同一區域的種質資源并沒有聚為一類，可能與綠豆種質資源之間的相互交叉利用有關，此研究結果與王麗俠等的研究結果[17]相似。本研究的4個類群中，第Ⅰ類群包括11份種質資源，莢長最長，有益性狀不明顯；第Ⅱ類群的單株產量、單株莢數最多，可以作為選育高產綠豆品種的優良親本；第Ⅲ類群的單株產量低，有益性狀不明顯；第Ⅳ類多為矮稈、早熟品種，可以作為選育抗倒伏育種研究的親本材料；第Ⅴ類群的百粒質量最高，可以作為改良綠豆籽粒大小的親本材料加以利用。

3.3 綠豆種質資源的主成分分析

在數據分析方法中主成分分析經常被利用，它是采取的一種降維方法，以把分散在一組變量上的信息集中到幾個綜合因子上為主要目的，簡化數據并盡可能多地反映原來變量的大部分信息以及變量之間的關系，從而使得數據分析更加簡單直觀[18]。目前主成分分析法已廣泛運用到小麥[19]、水稻[20]、大豆[21]、燕麥[22]等作物育種中。

在對10個性狀的主成分分析中發現，前4個主成分對表型變異的累積貢獻率達到了79.193%。根據各主成分的特征向量，可將4個主成分分為兩大類，其中第2、第4主成分對單株產量、百粒質量、單株莢數的貢獻比較大，是與產量性狀密切相關的因子，而對綠豆單株產量的相關性分析也表明，單株產量與百粒質量、單株莢數呈顯著、極顯著相關關系，說明可通過增加百粒質量和單株莢數的方式來提高綠豆的單株產量；而第1、第3主成分對株高、主莖節數、主莖分枝數的貢獻較大，是與綠豆生態建成相關的因子。陳紅霖等對來自國內外的481份綠豆種質資源進行農藝性狀及豆象抗性鑒定評價的研究，主成分分析表明，前6個主成分反映總信息量的83.41%[8]，高于本研究主成分分析結果，這可能與供試材料容量大小不同有關。

本研究通過對主要性狀的綜合分析，基本客觀、科學地評價了20份綠豆資源群體，但由于作物的性狀不單一地受到遺傳因素的影響，環境因素同樣會影響作物性狀的表達，因此導致地理來源一致的同一品種資源在不同環境下具有豐富的變異。國內外已有從形態學標記和分子標記技術等方面對綠豆進行的研究[22]，因此為了能夠更加精準地評價和分析綠豆種質資源的遺傳背景，可以通過分子生物學的方法尋找有利基因，縮短綠豆育種進程。

本試驗研究表明，供試的20份綠豆種質資源均可在內蒙古赤峰地區正常生長發育，且遺傳多樣性豐富。其中種質橫山大綠豆、龍博9號、中綠5號綜合得分最高，可作為內蒙古赤峰地區綠豆品種選育改良的優良親本，也可在生產上大面積種植推廣。