嘉定蠶豆種質資源的收集與開發利用研究進展

摘要：嘉定蠶豆種植歷史悠久，目前已收集到包括嘉定本地、國內外蠶豆種質資源321份。對254份資源開展了簡化基因組測序，共得到11.4624萬個SNP，有11.1706萬個變異發生在基因間區，254份蠶豆種質資源主要分為4簇（G1、G2、G3、G4），從來源和蠶豆特征來分析，以嘉定白蠶豆為主的本地蠶豆核心種質主要為G2型，少量為G4型，嘉定蠶豆資源是一個相對獨立的群體，具有較豐富的遺傳多樣性。通過田間種植鑒定，對適合本地栽培的優良蠶豆資源進行提純復壯，已篩選出21份優異種質資源，并選育出了3個符合嘉定白蠶豆“三白”特征的優良株系，即JD12-3、JD13-6和D11，1個紫皮蠶豆優良株系JD096。通過雜交試制，初步獲得了優異的紫皮蠶豆新種質，并探索了紫皮與淡綠種皮雜交后代種皮遺傳規律。

關鍵詞：蠶豆；種質資源；遺傳多樣性；提純復壯；雜交育種

Research Progress on Collection，Development and

Utilization of Vicia faba L. Resources in Jiading

CHEN Jue 1，ZOU Danrong 1，YANG Hua2，SHI Han1，CHEN Ziyi1，

ZHAO Xiangjie1，GUAN Wendong3

（1Shanghai Jiading District Agricultural Technology Extension Service Center，Shanghai 201899；2Shanghai Agricultural

Biological Gene Center，Shanghai 201100；3Shanghai Vegetable Research Institute，Shanghai 201899）

嘉定蠶豆種植歷史悠久，據清光緒年間《嘉定縣志》記載：“白蠶豆，大如指，味佳勝他邑”。其后的《嘉定縣續志》也有更詳細記載：“蠶豆豆科之越年生者，種于寒露，熟于夏時，有綠白兩種，白者嫩時煮食，味尤甘香，實老，除供蔬外，多銷售外地，每畝產額約石（擔）許，春收”。它的主要特點是粒大皮薄，出質細，味甜，種皮、種臍和子葉三者均為淡綠白色，故又有三白蠶豆之稱。《嘉定縣志》記載嘉定白蠶豆在民國初年已遠銷日本，1959年嘉定白蠶豆送印度新德里國際博覽會展出。20世紀50年代多次在全國、江蘇省、上海市農展會上展出，被選為上海城隍廟五香豆的正宗原料，為嘉定傳統特產之一[1]。1946-1947年嘉定可耕地面積4.61萬hm2，春季蠶豆的種植業結構約占比10%～15%[2]。據《嘉定縣農業局志》記載：1949年全縣蠶豆種植面積7360hm2，總產6000t，單產815.2kg/hm2。1975年蠶豆種植面積減至706hm2，總產1140t，單產1614kg/hm2。

1992年蠶豆種植面積僅172hm2，總產283t，單產1645kg/hm2。20世紀70年代后已無規模種植，多數農民僅在路邊、田岸邊等種植，品種日趨混雜，品質退化嚴重[3]。《嘉定報》多篇有關嘉定白蠶豆的報道中提及其特點是“甘、香、甜、糯、酥”，是本地人十分懷念的地方特色菜[4-5]。2020年上海全面啟動第三次全國農作物種質資源普查與收集行動，嘉定也開啟了嘉定蠶豆種質資源的收集和保護工作，同時“嘉定白蠶豆”被列為上海市地方特色優異種質資源。

1 蠶豆資源的收集與田間鑒定

1.1 蠶豆資源的收集 2020年開始上海市嘉定區農業技術推廣服務中心通過走訪，發布征集公告，聯合各鎮、村對以前蠶豆主栽區域發動嘉定蠶豆種質資源收集，同時委托上海市農業生物基因中心向國內外資源保存機構收集各類蠶豆資源。上海惠和種業有限公司是嘉定區種業龍頭企業，主要承擔了地方特色品種資源的開發利用，多年來從國內外收集各類蠶豆種質資源15份。嘉定近年來已收集到各類蠶豆種質資源321份（表1），其中來自嘉定的資源77份，來自江蘇、安徽、河北、云南、湖北、內蒙古、青海、廣西、四川、甘肅、山西、上海、廣東和浙江等14個國內省（自治區、直轄市）的資源239份，來自日本的資源5份。

1.2 蠶豆種質資源的田間鑒定 在上海惠和種業有限公司試驗基地建立了0.87hm2（13畝）蠶豆種質資源圃，2020年起對收集的蠶豆種質資源進行全面的鑒定評價，目前已完成206份蠶豆種質資源的田間鑒定工作。采用穴盤育苗、設施大棚內分小區種植、開花期進行掛網隔離，并參照NY/T 2345—2013《植物新品種特異性、一致性和穩定性 測試指南 蠶豆》在苗期、開花期、結莢期、鮮莢采收期、種子采收期階段進行田間調查鑒定，記錄各蠶豆種質資源的物候期和性狀特點。2020年鑒定了81份種質資源，主要是嘉定本地收集的種質資源和上海市農業生物基因中心收集的來自河北的種質資源，2020年11月18-19日播種，從開花情況來看，河北種質資源開花早，最早見于2021年2月16日，盛花期主要集中在2月中旬至3月初，由于氣溫比較低，落花非常嚴重，以致部分種質資源絕收；而來自嘉定本地的種質資源始花期在3月初，盛花期集中在3月中旬至4月中旬。從開花節位來看，河北種質資源節位較低，一般在4～6葉；而嘉定本地種質資源節位相對較高，在6～12葉。河北種質資源籽粒較小，百粒干重100g左右，種皮色淡，也有純白色，對部分種質資源進行蒸煮品鑒，相對風味也較淡，無香味；而來自嘉定收集的種質資源籽粒大小有一定差異，百粒干重最大達250g，風味也有差異，部分種質資源質粉綿糯、香味濃、回味香甜，品質佳。2021年對2020年表現優異的種質和收集的新種質資源繼續進行鑒定，共鑒定120份種質資源，主要來源為嘉定本地、安徽、云南、河北、內蒙古、甘肅、上海其他區縣、江蘇、日本。從始花節位看，北方種質資源開花節位低，為2.8～6.0葉，長三角地區與日本種質資源接近，為6.0～7.2葉；從籽粒大小來看，北方種質資源籽粒較小，長三角地區與日本種質資源籽粒較大；種皮色有白色、淡綠色、綠色和深紫色；種臍色有白色和黑色。2022-2024年又鑒定了44份來自湖北、廣西、廣東、四川、山西、浙江、日本等地的種質資源，開花節位、每節花數、莖與旗瓣花青素顯色、種皮色等性狀均有差異，百粒干重54～230g不等，大部分種質資源籽粒較小。從田間鑒定結果來看，來自日本的蠶豆種質資源純度較高，而國內收集的種質資源純度較低，從植株葉片形狀、開花節位、花色、花數、種莢特性、籽粒大小、種皮色等性狀表現進行分析，已收集鑒定的蠶豆種質資源具有豐富的遺傳特性，可為蠶豆種質資源的開發利用提供種源基礎。

2 優異種質資源的挖掘

2.1 蠶豆種質資源的多樣性分析 利用收集到的254份蠶豆種質資源開展了簡化基因組測序，經過過濾得到高質量數據（GC，Clean data）共863612015條reads，平均每條130bp；平均GC含量為41.77%，Q30在93.3%以上，共得到11.4624萬個SNP，有11.1706萬個變異發生在基因間區（圖1a）。聚類分析的結果表明，254份蠶豆種質資源主要分為4簇（圖1b）。第1簇包含55份蠶豆種質資源（G1），主要是我國北方蠶豆種質資源（甘肅11份、河北12份、內蒙古13份、青海5份、山西12份）及四川、云南各1份。第2簇包含93份蠶豆種質資源（G2），主要來自上海周邊地區（嘉定64份、上海其他區縣10份、江蘇9份、浙江2份、安徽2份、廣西1份、湖北1份）及日本（4份）。第3簇包含56份蠶豆種質資源（G3），主要是我國長江以南各地區蠶豆種質資源（廣西12份、湖北10份、江蘇3份、四川12份、云南19份）。第4簇包含50份蠶豆種質資源（G4），主要來自江浙滬地區（江蘇10份、浙江4份、安徽3份、湖北2份、嘉定13份、上海其他區18份）。

基于全基因組SNP的主成分分析（PCA）結果顯示（圖2），來自嘉定的蠶豆其中64份是G2型，13份是G4型，從收集來源和蠶豆特征來分析，以嘉定白蠶豆為主的本地蠶豆核心種質主要為G2型，因此嘉定蠶豆資源具有獨特的遺傳特性，是一個相對獨立的群體。

采用期望雜合率（He）、多態性信息含量（PIC）以及核酸多樣性（Pi）3個指標來衡量各亞群的遺傳多樣性（表2），從表2可以看出G4簇蠶豆種質資源的遺傳多樣性最豐富，嘉定蠶豆種質資源具有較豐富的遺傳多樣性，這與朱吉風等[6]對上海地區收集的43份蠶豆種質資源開展的遺傳多樣性分析結果一致。

2.2 優異種質資源的提純復壯 在資源收集鑒定的同時，以嘉定白蠶豆為主要選擇對象，兼顧其他資源進行優異種質資源的鑒定整理，對適合本地栽培的優良蠶豆種質資源進行提純復壯，目前圍繞結莢特性、生長勢、種莢籽粒數、籽粒大小、單株產量、種皮顏色、口感品質、熟性特性開展優異種質挖掘，在優異種質群體中選擇優良單株進行留種，已篩選出21份優異種質純系（表3、表4），其中D11、JD12-3、JD13-6是從嘉定本土資源中優選后提純復壯，符合嘉定白蠶豆“白皮、白眼、白肉”特征特性且口感品質優良的3個純系，已完成國家2年DUS測試并申報植物新品種權登記。

3 種質創新研究進展

依托嘉定白蠶豆種質資源收集和提純復壯相關課題的開展，對收集到的各種質資源鑒定后，挖掘了一批優異種質資源，一方面對嘉定白蠶豆種質資源進行提純復壯后，選育出了3個符合“三白”特征的優良株系，但同時也看到老品種逐漸被淘汰的真實原因，嘉定白蠶豆在20世紀50年代籽粒比較大，但隨著蠶豆育種的發展及國外品種的引入，嘉定白蠶豆在籽粒大小、結莢特性方面與市場主栽品種表現出一定差距，因此通過雜交手段提高百粒重、單莢籽粒數，同時保留嘉定白蠶豆的優異品質，是嘉定蠶豆品種改良的必要途徑。另一方面在收集到的本地非三白特征的蠶豆種質資源中，有一些籽粒較大、口感品質較好的優異種質（如JD006-8），同時也收集到了4份紫皮蠶豆種質資源，目前對JD096已完成了提純復壯，通過系統選育，獲得了純系，其他紫皮蠶豆還需進一步鑒定純化。對已獲得的優異種質資源，通過太空誘變育種、雜交育種，利用分子生物學手段輔助育種，利用人工氣候室加代育種，春、秋兩播區穿梭育種手段，從而提高育種進程[7]。

3.1 航天搭載育種 2024年申請到了航天搭載機會，目前選送了JD12-3和JD096兩份資源進行航天搭載。JD12-3全生育期210d左右，植株分枝性強，株高125cm。小葉橢圓形，淺綠色，長10cm，寬5cm。始花節位第8節，每節花4～5朵。鮮莢表皮綠色，鮮莢莢長10.30cm，厚1.53cm，寬2.31cm，平均單莢重17.88g。鮮籽粒長2.67cm，寬1.82cm，厚1.12cm，百粒重293.50g。鮮食期口感綿糯，微甜。老熟莢黑褐色，莢長9.40cm，寬2.10cm，每莢含種子1～3粒。老熟籽粒種皮綠白色，中薄型，籽粒長2.37cm，寬1.63cm，厚0.90cm，百粒重149.30g。通過太空誘變育種希望能獲得更優良的性狀，嘉定白蠶豆的特點是口感品質優，鮮食皮薄綿糯，粉質且有香味，但鮮百粒重293.50g，種莢含1～3粒種子，2粒莢較多，3粒莢少，每腋葉花4～5朵，著生2～3莢，分枝性強。所以還需對老品種進行改良，在保留優良口感品質的同時，提高百粒重和單莢籽粒數。利用太空誘變育種的同時還進行了雜交育種，以期獲得分枝性中等，以2～3粒莢為主，鮮百粒重在350g以上，且口感品質優良的蠶豆新品種。

JD096全生育期190d，小葉形狀窄橢圓形，長10.90cm，寬4.80cm。始花節位第8節，每節開花數5朵。鮮莢表皮綠色，莢長9.40cm，厚1.42cm，寬1.83cm，平均單莢重11.04g。鮮籽粒表皮紫色，粒長2.15cm，寬1.44cm，厚0.92cm，鮮百粒重171.30g，每莢含種子1～3粒。老熟莢黑褐色，莢長7.92m，厚0.98cm，寬1.39cm，平均單莢重2.31g。老熟籽粒種皮紫色，種臍黑色，粒長1.76cm，寬1.21cm，厚0.65cm，百粒重87.14g。JD096是紫皮蠶豆，蒸煮或炒食后不褪色，口感品質優。經對21份蠶豆種質資源材料進行營養品質測定，其中JD096鮮食籽粒主要營養成分遠高于其他品種：蛋白質8.1g/100g、淀粉8.9g/100g、可溶性糖4g/100g，同時其維生素B1含量最高，維生素B2、維生素C、氨基酸總量也較高，因此JD096是一份特異種質材料，具有優異的營養品質和口感品質，較普通蠶豆生育期短、早熟，結莢特性優良，但籽粒小，鮮籽粒百粒重171.30g，因此期望通過太空誘變育種[8]，改變其籽粒大小，從而提高產量。

3.2 雜交育種 雜交育種是目前蠶豆品種改良的重要手段[9]，2022年選擇了JD096（紫色種皮）與陵西一寸（淡綠色種皮）進行雜交試制，并做了正反交，正交F1種皮色為紫色，反交種皮為淡綠色，正反交兩個組合的F2種皮均表現為淡綠色，而F3群體種皮色出現了分離，JD096×陵西一寸雜交后代分離出現了紫皮和淡綠皮，分離比例為1∶2.33，并且紫皮干百粒重明顯高于親本JD096，陵西一寸×

JD096雜交后代F3群體種皮全部為淡綠色，群體植株長勢旺盛，其中3株結莢表現特異，1株結了3個空莢，1株結莢3個，內含籽粒3粒，另1株結莢5個，內含籽粒5粒，其他單株結莢性狀良好，且平均籽粒干百粒重（248.9g）略高于親本陵西一寸（240.5g），最高單株籽粒干百粒重287.5g，表明雜交育種是提高籽粒產量的重要手段。從種皮顏色后代表型分離情況看，綠色是由顯性基因控制，紫色是隱性基因控制，這與Ricciardl等[10]的研究中“紫皮與綠色種皮雜交F1全部是紫皮且后代分離也不同”的結論一致。以陵西一寸為母本的F1、F2、F3種皮全部是淡綠色，推測種皮顏色是多基因控制，而不是單基因或雙基因控制，同時也可能存在連鎖基因。這個雜交組合后代種皮色又與Ricciardl等[10]的研究蠶豆種皮顏色完全由母株決定相一致，但Ricciardl的研究也有部分與前人研究相悖的結果[10-11]，也可以推測種皮遺傳規律可能是細胞質遺傳為主導的核質共作結果。目前國內對蠶豆的遺傳規律研究較狹窄，相關報道較少，Jayakodi等[12]成功完成蠶豆的測序并組裝了第1個蠶豆參考基因組（13GB），相對其他作物蠶豆基因組非常復雜，其基因型與表型關系也沒有探明，因此其遺傳規律還需更多的探索研究才能得到驗證。

4 展望

嘉定雖然地域不大，但種植蠶豆歷史悠久，蠶豆種質資源具有豐富的遺傳多樣性，對地方特色資源開展保護和利用十分必要，對已提純的嘉定白蠶豆3個株系通過品種登記后，要進一步加強栽培技術和栽培模式的探索，在設施早熟栽培、水稻綠肥和鮮莢兼收模式等方面開展研究，讓老品種走進市民餐桌。在恢復地方特色嘉定白蠶豆外，可以在已收集到的321份蠶豆種質資源中挖掘更多的優異種質，應用現代生物育種、航天育種、輻射育種手段以及人工氣候室等途徑加快創制新種質，結合基因測序，通過基因型與表型關系探索蠶豆的遺傳育種規律。

參考文獻

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（收稿日期：2024-08-28）