小扁豆種質(zhì)資源多樣性分析

李 凱， 程炳文， 邵千順， 關(guān)耀兵， 周麗蕾， 牛永岐， 趙永峰

(寧夏農(nóng)林科學(xué)院固原分院，寧夏固原 756200)

小扁豆(LensculinarisMedik)又名濱豆、雞眼豆等，野豌豆族，豆科，蝶形亞科，小扁豆屬，屬一年生草本植物[1-2]，是世界上食用豆類作物之一，也是中國重要小雜糧作物之一。小扁豆籽粒富含蛋白質(zhì)、碳水化合物、各種氨基酸以及維生素，其食療保健(特殊的營養(yǎng)價值和藥用價值)作用備受人們青睞，受到越來越多科學(xué)家的關(guān)注[3-4]。因此，進行小扁豆的開發(fā)研究具有很好的經(jīng)濟效益，也為寧夏小扁豆新品種的選育及資源創(chuàng)新提供重要的理論依據(jù)。

中國是扁豆資源比較豐富的國家，我國作物種質(zhì)資源庫中收集的扁豆材料為430份，主要分布在陜西、甘肅、寧夏、山西、內(nèi)蒙古等省(自治區(qū))[5]。在小扁豆種質(zhì)資源的研究中普遍采用主成分分析和聚類分析這2種方法[6]。馬榮飛等對25份白扁豆種質(zhì)資源進行聚類分析，發(fā)現(xiàn)不同種質(zhì)材料間存在一定的遺傳差異[7]。姜永平等進行扁豆品種主要農(nóng)藝性狀主成分與聚類分析，發(fā)現(xiàn)不同品種間的遺傳多樣性存在較大差異，莢色與地理來源不能作為判斷種質(zhì)間遺傳差異的依據(jù)[8]。苗昊翠等利用主成分分析、聚類分析等分析方法對新疆小扁豆種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀進行遺傳多樣性分析，發(fā)現(xiàn)小扁豆品種的遺傳差異與地理位置的遠近并不相關(guān)，加強對相應(yīng)主成分因子的選擇，有利于更快選育出新品種[9]。

小扁豆在寧夏全區(qū)均有種植，主要分布在干旱、半干旱地區(qū)，但目前尚未對其進行深入研究，特別是對小扁豆種質(zhì)資源的研究更少。農(nóng)藝性狀和產(chǎn)量性狀是研究種質(zhì)資源的基本途徑。本研究以引進保存在寧夏農(nóng)林科學(xué)院的49份小扁豆種質(zhì)資源為研究對象，對小扁豆主要農(nóng)藝性狀間的遺傳關(guān)系及多樣性進行多樣性分析、相關(guān)性分析、主成分分析、聚類分析，旨在深入發(fā)掘小扁豆?jié)撛诘膬?yōu)異資源以及新的基因資源，為寧夏扁豆種質(zhì)資源的收集與評價分析、新品種選育及遺傳研究提供基礎(chǔ)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗材料是不同品種(系)的小扁豆材料共49份，參試材料的名稱及編號見表1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2014—2016年在寧夏農(nóng)林科學(xué)院固原分院頭營試驗基地(36°10′N、106°44′E)進行。試驗基地海拔1 586 m，年降水量400 mm，≥10 ℃積溫為2 800 ℃，年平均氣溫 7.4 ℃，土壤類型為湘黃土，肥力較低。

試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)；每個品種為一個小區(qū)，每個小區(qū)3行，行長5 m，行距20 cm，株距20 cm，人工開溝點播，播種深度5～7 cm。收獲前2 d每份材料取10株，自然風(fēng)干后考種。

1.3 田間調(diào)查

田間性狀調(diào)查參照《小扁豆種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》進行。田間目測觀察幼苗顏色、葉姿、花色、植株形態(tài)、長勢、莖色6個質(zhì)量性狀。采用平行觀測的方法記載生育期，收獲時每種資源取樣10 株進行考種，調(diào)查株高、單株莢位高、單株莢層數(shù)、單層莢數(shù)、單莢粒數(shù)、莢寬、莢長、單株粒數(shù)、單株粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量10個數(shù)量性狀。質(zhì)量性狀描述中各性狀差異用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，幼苗顏色和莖色：淺綠=1，綠=2，深綠=3，紫色=4；長勢：弱=1，中=2，強=3；植株形態(tài)：直立=1，半直立=2；葉姿：上舉=1，平伸=2；花色：淡藍=1，藍=2，粉紅=3，白=4，紫=5。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用Excel 2007統(tǒng)計處理基本數(shù)據(jù)，求性狀的平均值、最大值、最小值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)；遺傳多樣性指數(shù)計算采用Shannon -Weaver信息指數(shù)表示，計算公式：H′=-∑PilnPi。為便于數(shù)量化和統(tǒng)計分析，將數(shù)量性狀進行分級，質(zhì)量性狀予以賦值。計算多樣性指數(shù)時的劃級方法如下：先計算參試材料總體平均數(shù)(X)和標(biāo)準(zhǔn)差(σ)，然后劃分為10級，從第1級[Xi<(X-2σ)]到第10級[Xi>(X+2σ)]，每0.5σ為一級。每一級的相對頻率用于計算多樣性指數(shù)。多樣性指數(shù)H′=-∑PilnPi，式中Pi為某性狀第i級別內(nèi)材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比，ln為自然對數(shù)[10]。利用DPS 9.50數(shù)據(jù)處理軟件進行相關(guān)性分析和主成分分析；利用SAS 8.2數(shù)據(jù)處理軟件進行聚類分析(采用歐氏距離法)。

表149份小扁豆種質(zhì)資源編號及名稱

2 結(jié)果與分析

2.1 小扁豆種質(zhì)資源數(shù)量性狀指標(biāo)多樣性分析

2.1.1 小扁豆種質(zhì)資源數(shù)量性狀的分布 從圖1至圖10可以看出，參試品種的單株莢位高平均15.8 cm，變幅8～24.2 cm，莢位高高于15 cm的占55.1%(圖1)。莢寬平均 0.68 cm，變幅0.46～0.96 cm，各品種莢位寬主要分布在 0.5～0.9 cm(95.92%)范圍內(nèi)(圖2)。單株莢長平均 1.25 cm，變幅 0.8～1.54 cm，主要分布在1～1.4 cm，高于1.4 cm的占 10.2%，低于1 cm的占2.04%(圖3)。株高平均30.34 cm，變幅20.6～46 cm，品種單株株高主要分布在25～40 cm(75.51%)范圍內(nèi)，單株株高超過40 cm的品種占供試品種的8.16%(圖4)。單株莢層數(shù)平均6.38層，變幅2～12.2層，主要分布在5～11層(77.55%)范圍內(nèi)(圖5)。單株每層莢數(shù)平均1.96個，變幅1～2.8個，每層莢數(shù)超過2個的品種占59.18%(圖6)。品種單株每莢粒數(shù)平均1.50粒，變幅0.98～3.0粒，各品種主要分布在1～2.5粒(95.92%)范圍內(nèi)，每莢粒數(shù)超過2.5粒的品種僅占2.04%(圖7)。單株粒數(shù)平均52.01粒，變幅8.8～119粒，主要分布在35～65粒，單株粒數(shù)超過65粒的品種占 18.37%(圖8)。單株粒質(zhì)量平均1.40 g，變幅0.26～3.56 g，主要分布在1～2 g(65.31%)范圍內(nèi)(圖9)。千粒質(zhì)量平均29.42 g，變幅19.2～63 g，各品種千粒質(zhì)量主要分布在20～40 g范圍內(nèi)，千粒質(zhì)量超過40 g的品種占供試品種的8.16%(圖10)。

2.1.2 小扁豆種質(zhì)資源數(shù)量性狀指標(biāo)多樣性分析 從表2可以看出，49份小扁豆種質(zhì)資源的16個性狀的變異系數(shù)在12%～44.29%之間，平均變異系數(shù)為27.32%，其中單株粒數(shù)、單株粒質(zhì)量等在全部性狀中的變異程度大，莢長、莢寬、株高等性狀的變異程度較小。莢位高、每層莢數(shù)、每莢粒數(shù)、莢寬、莢長、千粒質(zhì)量、株高的變異系數(shù)均小于30%，莢層數(shù)、單株粒質(zhì)量、單株粒數(shù)的變異系數(shù)均大于30%，說明參試材料莢位高、每層莢數(shù)、每莢粒數(shù)、莢寬、莢長、千粒質(zhì)量、株高的離散程度小，穩(wěn)定性較好；而莢層數(shù)、單株粒質(zhì)量、單株粒數(shù)的離散程度大，穩(wěn)定性較差。

對參試材料10個數(shù)量性狀進行多樣性分析的結(jié)果表明，多樣性指數(shù)平均為6.030 1，其中以莢寬6.140 4為最高，莢位高5.722 5為最低；每層莢數(shù)、每莢粒數(shù)、莢寬、莢長、千粒質(zhì)量、株高的多樣性指數(shù)均高于平均值，莢位高、莢層數(shù)、單株粒質(zhì)量的多樣性指數(shù)均低于平均值，說明每層莢數(shù)、每莢粒數(shù)、莢寬、莢長、千粒質(zhì)量、株高遺傳多樣性豐富度較高，對于扁豆優(yōu)良品種的選育具有更加實際的意義。

2.2 小扁豆種質(zhì)資源數(shù)量性狀間的相關(guān)性分析

對參試材料10個數(shù)量性狀兩兩進行相關(guān)性分析的結(jié)果表明，莢位高與每莢粒數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與莢寬呈極顯著負相關(guān)；莢層數(shù)與每層莢數(shù)、每莢粒數(shù)、單株粒質(zhì)量呈顯著正相關(guān)，與單株粒質(zhì)量呈顯著正相關(guān)，與千粒質(zhì)量呈極顯著負相關(guān)；每層莢數(shù)與單株粒數(shù)呈顯著正相關(guān)，與千粒質(zhì)量呈極顯著負相關(guān)；每莢粒數(shù)與莢寬、莢長呈極顯著負相關(guān)，與單株粒數(shù)、單株粒質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)；莢寬與單株粒數(shù)呈極顯著負相關(guān)，與千粒質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)；莢長與千粒質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)；單株粒數(shù)與單株粒質(zhì)量呈極顯著正相關(guān)，與千粒質(zhì)量呈顯著負相關(guān)(表3)。因此，要選育高產(chǎn)扁豆品種，就要提高單株粒質(zhì)量，增加單株粒數(shù)、莢層數(shù)、每層莢數(shù)。

2.3 小扁豆種質(zhì)資源的主成分分析

2.3.1 主成分特征值 利用DPS 9.50數(shù)據(jù)處理軟件計算參試材料的16個主要農(nóng)藝性狀的特征向量及貢獻率(表4)。從表4可以看出，主要信息集中在前6個主成分中，包含了全部指標(biāo)的絕大部分信息，其累計貢獻率達81.81%。第1主成分特征值為3.75，貢獻率為26.78%；第2主成分特征值為2.38，累計貢獻率為43.80%；第3主成分特征值為1.95，累計貢獻率為57.70%；第4主成分特征值為1.40，累計貢獻率為67.70%；第5主成分特征值為1.11，累計貢獻率為75.60%；第6主成分特征值為0.87，累計貢獻率為81.81%。

表2小扁豆種質(zhì)資源多樣性統(tǒng)計分析

表3數(shù)量性狀間相關(guān)性分析

注：“*”表示P<0.05顯著相關(guān)；“**”表示P<0.01極顯著相關(guān)。

表4影響16個表型性狀的主成分

2.3.2 主成分分析 6個主要成分因子對16個農(nóng)藝性狀的影響見表5。第1主成分主要影響單株粒數(shù)和莢層數(shù)，特征向量值分別為0.42和0.39。第2主成分主要影響莢長，特征向量值為-0.35。第3主成分主要影響每層莢數(shù)和千粒質(zhì)量，特征向量值分別為-0.43和0.41。第4主成分主要影響單株粒質(zhì)量，特征向量值為0.58。第5主成分主要影響植株長勢，特征向量值為0.48。第6主成分主要影響植株形態(tài)，特征向量值為-0.40。

表549份小扁豆種質(zhì)資源16個農(nóng)藝性狀的主成分分析

2.4 小扁豆種質(zhì)資源的聚類分析

利用SAS 8.2數(shù)據(jù)處理軟件，以歐氏距離為遺傳距離，對49份小扁豆種質(zhì)資源的16個農(nóng)藝性狀進行聚類分析，由表6、圖11可知，49份小扁豆種質(zhì)資源在歐氏距離0.878 2處聚為5大類。

第一類群包括17份材料，其主要特征是花色以淡藍色為主，粉紅色次之。葉姿以上舉型為主，平伸型次之。植株形態(tài)以直立型為主，個別為半直立型。長勢以表現(xiàn)強勢為主，中等次之。莖色以綠色為主。莢寬和莢長的平均值最高，相應(yīng)的變異系數(shù)較低，分別為13.72%、9.36%。

第二類群包括21份材料，其主要特征是花色以淡藍色為主，個別為粉紅色、白色和紫色。葉姿以上舉型為主。植株形態(tài)以直立型為主，個別為半直立型。長勢以表現(xiàn)強勢為主。莖色以綠色為主，個別為深綠和紫色。每莢粒數(shù)和千粒質(zhì)量的平均值較低，而相應(yīng)的變異系數(shù)最高，分別為17.13%、19.81%。

表649份小扁豆種質(zhì)資源類群信息

第三類群包括1份材料，其主要特征是花色以白色為主。葉姿以上舉型為主。植株形態(tài)以半直立型為主。長勢以表現(xiàn)強勢為主。莖色以綠色為主。株高、莢位高、單株粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量和每莢粒數(shù)在參試材料中表現(xiàn)最高。

第四類群包括7份材料，其主要特征是花色以淡藍色為主，個別為藍色和粉紅色。葉姿以上舉型為主，平伸型次之。植株形態(tài)以直立型為主。長勢以表現(xiàn)中等為主。莖色以綠色為主。莢層數(shù)和每層莢數(shù)的平均值最高，相應(yīng)的變異系數(shù)較低，單株粒數(shù)的平均值次低，但變異系數(shù)最低。

第五類群包括3份材料，其主要特征是花色以淡藍色為主。葉姿以上舉型為主。植株形態(tài)以直立型為主。長勢以表現(xiàn)中等為主。莖色以綠色為主。每莢粒數(shù)和單株粒數(shù)的平均值最高，分別為1.8粒、105.4粒，相應(yīng)的變異系數(shù)較低，莢層數(shù)、每層莢數(shù)、單株粒質(zhì)量、株高的平均值次低。

3 討論

種質(zhì)資源遺傳多樣性是指種內(nèi)不同群體和個體間的遺傳多態(tài)性程度，即指種內(nèi)基因的變化，包括種內(nèi)顯著不同的居群間和同一居群內(nèi)的遺傳變異[11]，種質(zhì)資源遺傳多樣性的研究為遺傳資源的收集、保存、分類、評價及核心種質(zhì)的建立奠定了重要基礎(chǔ)，也為育種中的親本選配提供理論依據(jù)[12-15]。本研究通過對49份小扁豆種質(zhì)資源的6個質(zhì)量性狀和10個數(shù)量性狀進行分析比較，參試資源中花色以淡藍色為主，葉姿以上舉型為主，植株形態(tài)以直立型為主，長勢以表現(xiàn)強勢為主，莖色和幼苗顏色以綠色為主。10個數(shù)量性狀間的變異系數(shù)在12%～44.29%之間，以單株粒質(zhì)量的變異系數(shù)為最大，其次是單株粒數(shù)，以莢長的變異系數(shù)為最小。多樣性指數(shù)以莢寬 6.140 4 為最高，莢位高5.722 5為最低，表明49份材料在不同性狀間表現(xiàn)出不同程度的多樣性，為培育優(yōu)質(zhì)的扁豆品種提供了豐富的原始資源。

主成分分析與聚類分析在鷹嘴豆[16]、蠶豆[17]、豌豆[18]、綠豆[19]等豆類種質(zhì)資源遺傳多樣性的研究當(dāng)中都有應(yīng)用，本研究通過對49份小扁豆種質(zhì)資源16個農(nóng)藝性狀進行主成分分析和聚類分析可以看出，前6個主成分所提供的信息量占全部信息量的81.81%，第1主成分對扁豆育種的影響最大，第1主成分中單株粒數(shù)的貢獻率最大，其次是莢層數(shù)，因此在小扁豆育種過程中加大對單株粒數(shù)和莢層數(shù)的選擇力度，對于可能獲得小扁豆高產(chǎn)品種具有重要的意義。聚類結(jié)果表明，49份小扁豆種質(zhì)資源在歐氏距離0.878 2處聚為5個大類，對5類資源分別作統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，第一類群莢寬和莢長的值最高，株高最低，可作為選育矮稈大粒型品種的親本；第三類群包括1份材料，其株高、莢位高、單株粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量和每莢粒數(shù)在參試材料中表現(xiàn)最高，可作為選配雜交組合的優(yōu)選親本；第四類群莢層數(shù)和每層莢數(shù)值最高，第五類群每莢粒數(shù)和株粒數(shù)值最高，均可作為選育高產(chǎn)型且株高適中品種的親本。

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