20份小豆種質資源農藝性狀鑒定與綜合評價

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

(1.赤峰市農牧科學研究所，內蒙古赤峰 024031； 2.內蒙古遼中京農業科技有限責任公司，內蒙古赤峰 024200)

小豆(Vignaangularis)作為主要的食用豆類作物在我國具有悠久的種植歷史。特別是近年來隨著人們生活水平的不斷提高，飲食結構不斷發生改變，小豆由于具有高蛋白質、低脂肪且富含多種微量元素和氨基酸等優點，種植面積逐步增加，已經成為我國主要的雜糧之一[1-2]。同時，相關研究人員指出，小豆的種植也是發展特色農業、促進農民增收進而實現農業供給側結構性改革和鄉村振興的重要舉措[3]。但是，長期以來我國小豆多以零散種植為主，研究基礎相對薄弱，雖然已經鑒定出不少品種，但缺乏高產優質的推廣品種，且存在嚴重退化、病蟲害增加、抗逆性減弱和產量下滑等問題，已經嚴重制約了我國小豆產業的發展[4]。因而，選育優質小豆品種，對地方品種進行改良，因地制宜地篩選出適應特定區域種植的小豆品種對于提高小豆國際市場競爭力、發展精準農業至關重要。

農藝性狀是判斷小豆是否適合在某一區域引種和育種的重要條件，生育期、株高、主莖分枝數及產量等指標在已有的研究中得到廣泛關注[5-9]。高運青等通過對生育期等10個指標的綜合分析，采用灰色關聯度與聚類分析的方法篩選出適合于在河北省種植的小豆品種[10]；葛平珍等基于主成分分析的方法對貴州省不同小豆品種進行篩選[11]。赤峰市作為內蒙古自治區重要的糧食基地，在區域乃至全國商品糧供應上發揮著重要的作用，傳統的農業種植主要以小麥、玉米與馬鈴薯等農作物為主。近年來，赤峰市農業結構改革不斷深入，種植模式也發生了顯著的改變，小豆等雜糧作物的種植面積在不斷擴大。選育優質高產、抵抗性強的小豆品種是提高農業用地效益、加速發展現代農業的重要手段和保障。本研究采用灰色關聯度分析、主成分分析和聚類分析方法，對20份小豆種質資源進行綜合評價，以期篩選出適合在赤峰地區推廣種植的小豆品種，為區域范圍內雜糧產業發展提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試小豆種質資源20份，來自北京市、黑龍江省、內蒙古自治區等地(表1)。

表1 20份小豆種質資源名稱與來源

1.2 試驗地概況

試驗于2018—2019年在赤峰農牧科學研究所城子試驗基地(118.43′14″E，42.9′24″N)進行，海拔700 m。該區域屬于干旱半干旱地區，年降水量為381 mm，蒸發量1 600～2 500 mm，有效活動積溫 3 100 ℃，年無霜期120～145 d，日照時數為2 800～ 3 100 h，光熱資源充足。土壤類型為壤土，地勢平坦、肥力均勻。土壤有機質含量11.3 g/kg，全氮含量0.45 g/kg，速效氮含量49.5 mg/kg，有效磷含量4.3 mg/kg，速效鉀含量85 mg/kg，pH值8.18。

1.3 試驗設計與測定方法

試驗小區面積3 m2(行長3 m、寬1 m、2行區)，行距0.5 m，株距0.2 m。重復3次，隨機區組排列。田間調查記載各參試材料的生育期、抗病性及抗倒伏性，栽培管理同大田。成熟期，在每小區中間隨機選取有代表性的植株5株進行考種，測定株高、主莖分枝、主莖節數、單株莢數、莢長、單莢粒數、百粒質量等。各個小區單收、單脫，測定產量。調查標準參照《小豆種質資源數據質量控制規范》進行[12]。

1.4 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)。

1.4.2 灰色關聯度分析 依據灰色系統理論要求，20個小豆品種的10個性狀指標組成1個灰色系統，每個品種作為系統中的1個因素。以參試品種性狀指標Xi(i=1，2，3，…，20)={Xi(1)，Xi(2)，…，Xi(10)}={生育期、 株高、主莖分枝數、主莖節數、單株莢數、莢長、單莢粒數、主莖粗、百粒質量、產量}構成的數列作為比較數列，以參考品種各項性狀指標X0={X0(1)，X0(2)，…，X0(10)}構成的數列作為參考數列。參試品種和參考品種的各項性狀指標的平均值見表2。參照許如意等(2011)的方法計算各參試品種與參考品種間的關聯系數、等權關聯度和加權關聯度。

(1)

(2)

(3)

式中：Δi(k)=|Xo(k)-Xi(k)|，為Xo數列與Xi在第k點的絕對值；minΔi(k)為二級最小差；maxΔi(k) 為二級最大差；ρ為分辨系數，通常取值0.5；ε為關聯系數；W為各關聯系數的權重；n為參試品種數；k為評估的性狀數。

1.4.3 聚類分析和主成分分析 利用SPSS 17.0軟件進行相關性分析、聚類分析和主成分分析。

2 結果與分析

2.1 農藝性狀表現與遺傳多樣性分析

對參試品種的10個農藝性狀進行分析，結果(表2、表3)表明，不同小豆品種之間存在較大差異(2.27%～35.06%)。其中，變異系數最大的農藝性狀為產量，高達35.06%，產量最高的為小豐2號(4 019.49 kg/hm2)，產量最低的為佳紅1號(854.57 kg/hm2)。單株莢數、主莖分枝數和株高也具有較高的變異系數，分別為34.34%、32.11%和30.64%。說明20份小豆種質資源在產量、單株莢數、主莖分枝數和株高這4個性狀上存在較大差異，變異類型豐富，選擇基礎較廣，具有較好的改良潛力；生育期的變化幅度較小(123～133 d)，變異系數僅為2.27%。說明該農藝性狀的環境穩定性較高。

表2 20份小豆種質資源的農藝性狀

表3 20份小豆種質資源農藝性狀描述性統計分析

10個農藝性狀的遺傳多樣性指數(H′)大小在 0.948 9～1.990 0之間，平均值為1.702 3，說明各農藝性狀具有豐富的多樣性，遺傳基礎廣、差異大，通過育種手段進行種質間雜交改良可繁育出優異的品種。其中，單株莢數的H′最高，為1.990 0，百粒質量、主莖分枝數H′次之，為1.973 0、1.920 7，說明此3種性狀在20份小豆種質資源中遺傳基礎相對最廣，改良潛力最大。

2.2 農藝性狀相關性分析

20份小豆種質資源的9個性狀間存在不同程度的相關性(表4)。其中，產量與單株莢數呈極顯著正相關性，相關系數0.842，與莢長、單莢粒數呈顯著正相關，相關系數為0.545、0.561，說明單株莢數、單莢粒數這2個性狀對小豆平均產量影響較大。主莖粗與生育期呈顯著正相關性；單莢粒數與株高、主莖分枝數、單株莢數呈極顯著正相關，與主莖節數呈顯著正相關性；莢長與主莖節數、單株莢數呈顯著正相關性，單株莢數與株高、主莖分枝數呈顯著正相關性；主莖節數與株高呈顯著正相關性，其他性狀沒有顯著相關性。

表4 20份小豆種質資源各性狀間的相關系數

2.3 抗逆性分析

20份小豆種質資源田間鑒定未見發病，均表現較好的抗性。抗倒伏鑒定表明，赤紅11002、中紅6號、中紅9號、佳紅1號抗倒伏性強， 其他品種均表現為抗倒伏性中等。

2.4 小豆種質資源的聚類分析

聚類分析的結果表明，歐氏距離為7.15時，20個參試品種主要可以分為4類，其中赤紅11002、紅珍珠、赤紅11008、佳紅1號、中紅9號為第1類，其農藝性狀的主要特征為主莖節數與分枝較少、單株莢數較低、莢長較短、百粒質量較高但產量較低。第2類主要包括中紅2018-135、中紅4號、中紅8號、中紅2010-135，其農藝性狀的主要特征為主莖節數相對較多，百粒質量也較大，但產量處于中等水平。第3類包含赤紅11003、大紅袍、小豐2號3份材料，農藝特征主要為單株莢數較高、莢長較大、產量也相對較好。剩余8份材料為可以歸為第4類(圖1、表5)。

表5 不同類群的10個農藝性狀比較

2.5 小豆種質資源的主成分分析及綜合評價

2.5.1 小豆種質資源農藝性狀的主成分分析 對20份小豆種質資源的10個農藝性狀進行主成分分析(表6)，可以看到前4個主成分累計貢獻率達85.573%，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4.834，貢獻率為48.430%，特征向量有正有負，單莢粒數、單株莢數的貢獻較大，特征向量值分別為0.908、0.851。第2主成分特征值為1.841，貢獻率為18.409%，特征向量有正有負，主要反映生育期、主莖粗，其向量值分別為0.869、0.681。第3主成分特征值為0.972，貢獻率為9.721%，從載荷數值大小來看，該成分主要反映產量，其向量值為0.422。第4主成分特征值為0.901，貢獻率為9.012%，從數值大小來看，該成分主要反映株高，其向量值為0.516。

2.5.2 小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份小豆種質資源的主成分值[14]，根據主成分得分進行評價和排序。利用表6的各成分得分系數得到如下關系式：

表6 20份小豆種質資源農藝性狀的主成分分析

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(其中，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7可知，綜合得分排在前5名的小豆品種依次為小豐2號、赤紅11003、赤紅13006、赤紅11009、赤紅13001。

表7 20份小豆種質資源的綜合得分

2.6 小豆種質的灰色關聯度分析

灰色關聯度在玉米、小麥等農作物種質資源篩選過程中被廣泛應用， 能夠更加全面地對品種的優劣進行綜合性評價[15-16]。一般而言，參試品種與參考品種間的關聯度越大，其綜合性能越理想。本研究表明，20個參試品種加權關聯度前5名為赤紅11009>赤紅11010>赤紅13006>小豐2號>赤紅13001(表8、表9)，表明這5份材料農藝性狀綜合性能較好。

表8 20份小豆種質資源關聯系數

表9 20份小豆種質資源的加權關聯度及其排序

3 討論與結論

優質高產小豆的選育不僅涉及到產量的高低，還包含生育期、植株高度、抗倒伏性多個指標，且各指標對品種質量的貢獻程度存在顯著差異。因而有必要對參試材料進行相關農藝性狀的綜合性分析，最終選育適合當地氣候、土壤等環境條件的最佳品種[17]。本研究利用主成分分析、聚類分析、灰色關聯度分析的方法，對赤峰市地區20份小豆材料進行分析，結果表明：(1)20份小豆種植資源在生育期、株高、主莖分枝、單株莢數及產量等10個農藝性狀上具有豐富的變異。其中，單位面積產量、單株莢數、主莖分枝數和株高具有較大的變異，變異系數在30%～36%之間，表明這幾個農藝性狀在不同品種之間差異較大。生育期、莢長、單莢粒數和主莖粗具有較小的變異，均低于10%。(2)遺傳多樣性指數(H′)中，單株莢數H′最高， 為1.990 0， 百粒質量和主莖分枝數H′次之，為1.973 0和1.920 7，說明此3種性狀在20份小豆種質資源中遺傳基礎相對最廣，改良潛力最大。(3)相關性分析中，產量與單株莢數呈極顯著正相關性， 相關系數0.842，與莢長、單莢粒數呈顯著正相關，相關系數為0.545、0.561，說明單株莢數、單莢粒數這2個性狀對小豆平均產量影響較大。(4)主成分分析方法評價結果表明，小豐2號、赤紅11003、赤紅13006、赤紅11009、赤紅13001表現較好；灰色關聯度分析方法評價結果表明，赤紅11009、赤紅11010、赤紅13006、小豐2號與赤紅13001表現較好。2種評價方法的研究結果基本相同，研究結果表明，赤紅11009、赤紅13006、小豐2號、赤紅13001這4個品種產量較高、抗倒伏性強，比較適合赤峰地區種植。

相關研究表明，小豆的產量及抗性等品質除受到種子本身品質的影響外，還受到種植模式，如種植密度、灌溉模式、施肥管理方式等多種因素的影響[18-19]，本研究僅在田間試驗條件下篩選出5個適合在赤峰地區種植推廣的品種，在野外大田條件下的品質表現還有待于進一步研究，進而確定科學合理的種植管理模式。同時抗病害性也是小豆種質資源選育的重要指標[20-21]，未來相關方面研究還應將這一指標納入到綜合評價體系內。