山西省綠豆種質(zhì)資源的遺傳多樣性分析

朱慧珺，張耀文，趙雪英，張澤燕，閆虎斌，張春明

（山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，山西太原030031）

種質(zhì)資源的研究在育種工作中起著非常重要的作用，而種質(zhì)資源的遺傳多樣性研究又在物種的進(jìn)化和發(fā)展過(guò)程中起決定性作用[1]。種質(zhì)的遺傳多樣性越豐富，變異越大，越容易適應(yīng)環(huán)境，分布范圍也越容易擴(kuò)大。綠豆是一種很好的糧藥兼用作物，并且在農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中發(fā)揮著重大的作用。因此，開(kāi)展綠豆種質(zhì)資源的遺傳多樣性研究，有助于揭示綠豆種群的進(jìn)化史，更能深層次地分析其進(jìn)化潛力[2-3]。并且通過(guò)研究綠豆種群的遺傳多樣性，能夠很好地研究其遺傳和變異，能及時(shí)調(diào)整育種目標(biāo)、方法和策略，保護(hù)種質(zhì)的遺傳多樣性。在綠豆遺傳改良和多樣性開(kāi)發(fā)中起關(guān)鍵作用[4-6]。

山西以其獨(dú)特的地理結(jié)構(gòu)和環(huán)境造就了豐富的綠豆種質(zhì)資源。該地區(qū)綠豆種質(zhì)品質(zhì)優(yōu)良、性狀豐富。因此，研究山西綠豆種質(zhì)資源的遺傳多樣性在我國(guó)綠豆種質(zhì)資源的研究中起非常重要的作用[7-9]。而由于綠豆品種的退化和長(zhǎng)期使用品種間的混雜，以及抗旱、抗逆、抗蟲(chóng)、抗病能力的衰退，研究?jī)?yōu)異抗性種質(zhì)迫在眉睫。同時(shí)，隨著人們生活水平的不斷提高，對(duì)物質(zhì)要求的全面提升以及對(duì)市場(chǎng)的高標(biāo)準(zhǔn)要求，更應(yīng)當(dāng)研究綠豆種質(zhì)資源的遺傳多樣性，拓寬遺傳基礎(chǔ)，提高資源利用效率，突破育種瓶頸，創(chuàng)制出優(yōu)質(zhì)、多抗、專用的優(yōu)良綠豆新品種[10-11]。

本研究將山西省10 個(gè)地區(qū)的159 份綠豆種質(zhì)資源種植在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院東陽(yáng)試驗(yàn)基地，并對(duì)9 個(gè)表型性狀進(jìn)行田間調(diào)查和數(shù)據(jù)分析，以探究綠豆種質(zhì)資源的遺傳多樣性，為綠豆種質(zhì)資源的開(kāi)發(fā)利用、綠豆種質(zhì)創(chuàng)新及育種研究提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

從國(guó)家中期庫(kù)中隨機(jī)抽取159 份山西省綠豆種質(zhì)資源為試驗(yàn)材料，其涵蓋了山西省10 個(gè)地區(qū)：晉中30 份、呂梁27 份、臨汾24 份、忻州19 份、大同16 份、陽(yáng)泉13 份、太原11 份、長(zhǎng)治10 份、晉城5 份、朔州4 份。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院東陽(yáng)試驗(yàn)示范基地進(jìn)行，每份材料種1 區(qū)，小區(qū)面積10 m2，行距為50.0 cm，株距為12.5 cm。采用綠豆種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[12]，對(duì)生育期、生長(zhǎng)習(xí)性、株高、單株莢數(shù)、單莢粒數(shù)、單株產(chǎn)量、百粒質(zhì)量、粒色、種皮光澤度共9 個(gè)表型性狀進(jìn)行觀察、記載和考種。觀測(cè)項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)列于表1。

表1 綠豆種質(zhì)資源鑒定項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 標(biāo)準(zhǔn)化處理 由于各指標(biāo)性狀量綱不同，因此對(duì)生長(zhǎng)習(xí)性、粒色和種皮光澤度3 個(gè)質(zhì)量性狀進(jìn)行賦值（表1）；對(duì)株高、生育期、單株產(chǎn)量、單莢粒數(shù)、單株莢數(shù)、百粒質(zhì)量等6 個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行10 級(jí)分類處理：1 級(jí)＜X－2δ，10 級(jí)≥X＋2δ，中間每級(jí)差0.5δ，δ 為標(biāo)準(zhǔn)差[13]。

1.3.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析 采用Excel 對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，計(jì)算各性狀的最大值、最小值、平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)；采用SPSS 19.0 對(duì)6 個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行相關(guān)分析和主成分分析，利用k- 均值分類法進(jìn)行聚類分析[10]。

其中，H′表示Shannon-Weaver 多樣性指數(shù)，n為某一性狀表型級(jí)別的數(shù)目，Pi為某性狀第i 級(jí)別內(nèi)材料份數(shù)占總份數(shù)的百分比[14]。

2 結(jié)果與分析

2.1 綠豆資源表型性狀遺傳多樣性分析

表2 綠豆資源表型性狀多樣性統(tǒng)計(jì)分析

通過(guò)對(duì)159 份綠豆資源的9 個(gè)主要表型性狀進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明（表2），綠豆種質(zhì)資源表型性狀間差異明顯，變異范圍廣，遺傳多樣性豐富。

其中，9 個(gè)主要表型性狀的平均變異系數(shù)為24.63%，平均遺傳多樣性指數(shù)為1.428，說(shuō)明山西省綠豆種質(zhì)資源具有豐富的遺傳變異性；生育期、單莢粒數(shù)、百粒質(zhì)量的變異系數(shù)均小于20%，一致性較強(qiáng)；而種皮光澤、單株產(chǎn)量、單株莢數(shù)、生長(zhǎng)習(xí)性的變異系數(shù)相對(duì)較大。株高（2.034）和單莢粒數(shù)（2.024）的多樣性指數(shù)較高，粒色的多樣性指數(shù)最低（0.218）；6 個(gè)數(shù)量性狀中，株高的多樣性指數(shù)最高（2.034），單株產(chǎn)量的多樣性指數(shù)最低（1.954）；3 個(gè)質(zhì)量性狀中，種皮光澤的多樣性指數(shù)最高（0.402），粒色的多樣性指數(shù)最低（0.218）。數(shù)量性狀的平均多樣性指數(shù)明顯高于質(zhì)量性狀，遺傳多樣性更加豐富。

2.2 綠豆資源數(shù)量性狀間的相關(guān)性分析

為了研究參試綠豆材料表型性狀之間的相關(guān)性，對(duì)6 個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行了相關(guān)分析，結(jié)果表明（表3），有8 對(duì)數(shù)量性狀的相關(guān)性呈顯著水平，其中，有4 對(duì)性狀呈極顯著正相關(guān)，1 對(duì)性狀呈顯著正相關(guān)，以單株莢數(shù)與單株產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)最大（0.735）；有2 對(duì)性狀呈極顯著負(fù)相關(guān)，1 對(duì)性狀呈顯著負(fù)相關(guān)，以單株莢數(shù)與百粒質(zhì)量的負(fù)相關(guān)系數(shù)最大。

表3 6 個(gè)數(shù)量性狀的相關(guān)系數(shù)

數(shù)量性狀中，有3 個(gè)性狀與單株產(chǎn)量存在相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明單株產(chǎn)量對(duì)綠豆的外觀、生育期及產(chǎn)量的影響最大。因此，在品種選育過(guò)程中要把單株產(chǎn)量作為一個(gè)重要的性狀因素加以考慮。

2.3 綠豆資源數(shù)量性狀的主成分分析

對(duì)生育期等6 個(gè)數(shù)量性狀進(jìn)行了主成分分析，結(jié)果表明（表4），前3 個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率分別為31.680%，25.786%和17.217%，累積貢獻(xiàn)率為74.683%，包含了全部指標(biāo)的絕大部分信息。其中，第1 主成分的特征向量中，單株莢數(shù)和單株產(chǎn)量有較高載荷；第2 主成分的特征向量中高載荷指標(biāo)依次為株高、生育期、單莢粒數(shù)、單株產(chǎn)量；第3 主成分特征向量中百粒質(zhì)量的載荷最高。

表4 主成分分析

2.4 山西省綠豆資源的聚類分析

表5 各類群數(shù)量性狀的平均表現(xiàn)

表6 159 份綠豆材料在6 個(gè)類群中的分布情況

利用SPSS 軟件對(duì)159 份參試材料的表型性狀 進(jìn)行聚類分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，參試綠豆材料大致分為6 個(gè)類群，每類群份數(shù)和農(nóng)藝表型性狀的平均值如表5 所示，試驗(yàn)材料各群體中綠豆種質(zhì)資源的分布列于表6。

第Ⅰ組群共有資源37 份，以臨汾、晉中、呂梁資源為主。該類群綠豆種質(zhì)多為中熟品種，全為直立生長(zhǎng)，植株較矮，單株莢數(shù)、單株產(chǎn)量、單莢粒數(shù)均較高，籽粒偏小，綠色光粒居多。

第Ⅱ組群共有資源38 份，以呂梁、忻州資源為主。該類群綠豆種質(zhì)以中晚熟品種居多，大部分為直立生長(zhǎng)，株高中等，單株莢數(shù)和單株產(chǎn)量中等，單莢粒數(shù)最高，籽粒均為綠色，且大粒、光粒較多。

第Ⅲ組群共有資源5 份，其中，呂梁2 份，忻州、陽(yáng)泉、晉中各1 份。該類群綠豆種質(zhì)以晚熟品種為主，株高最高，單株莢數(shù)、單株產(chǎn)量、單莢粒數(shù)均較低，但籽粒較大，且均為綠色。

第Ⅳ組群共有資源19 份，以晉中、大同、忻州、臨汾資源為主。該類群綠豆以中熟品種為主，株高較低，全為直立生長(zhǎng)，單株莢數(shù)最高，單株產(chǎn)量和單莢粒數(shù)較高，籽粒也較大，綠色光粒居多。

第Ⅴ組群共有資源35 份，以晉中資源最多。該類群綠豆以中晚熟品種為主，植株較矮，單株莢數(shù)、單株產(chǎn)量最低，單莢粒數(shù)較少，籽粒中等大小，綠色光粒居多。

第Ⅵ組群共有資源25 份，以臨汾、晉中、呂梁資源居多。該類群綠豆生育期最短，株高最低，多為直立生長(zhǎng)，單株產(chǎn)量最高，單株莢數(shù)和單莢粒數(shù)較高，籽粒最大，以綠色光粒為主。

通過(guò)分析可知，聚類分析結(jié)果與資源的地理來(lái)源沒(méi)有一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

3 結(jié)論與討論

綠豆育種以雜交育種為主，因此只有明確育種目的，才能更好地、定向地選擇親本。株高與生育期存在極顯著的正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明生育期越長(zhǎng)，株高越高，即一般株高越高的品種生育期越長(zhǎng)[15]，因此，為了達(dá)到選擇早熟品種的目的，通常可以通過(guò)選擇矮稈品種。生育期與單株產(chǎn)量、單株莢數(shù)呈極顯著或顯著負(fù)相關(guān)，因此要想提高產(chǎn)量，可以適當(dāng)縮短生育期，這也為選擇早熟高產(chǎn)的品種奠定了理論基礎(chǔ)[16]。株高與生育期、單莢粒數(shù)、單株產(chǎn)量存在極顯著的正相關(guān)。因此，株高的選擇對(duì)提高育種效率、縮短生育期具有一定的作用[17]。研究表明，6 個(gè)數(shù)量性狀中，與單株產(chǎn)量存在相關(guān)關(guān)系的性狀最多，說(shuō)明單株產(chǎn)量對(duì)綠豆的外觀、生育期及產(chǎn)量的影響最大。因此，在品種選育過(guò)程中，單株產(chǎn)量可以作為一個(gè)重要的性狀因素考慮。

聚類分析結(jié)果表明，來(lái)自山西省10 個(gè)地區(qū)的159 份參試材料的遺傳距離一定程度上受地理距離和環(huán)境的影響，但并不完全一致，包含3 個(gè)方面因素[18]：相同的生態(tài)環(huán)境，相同或相近的地理來(lái)源的資源大多歸于一組群，它們之間的數(shù)量性狀差異較小[19]；地理來(lái)源相同的資源分布在不同的組群；地理來(lái)源不同的資源歸于同一組群。這主要是由人為選擇的復(fù)雜性及資源的共享性造成的。因此，在育種過(guò)程中選擇親本時(shí)，不能單一地以地理來(lái)源的遠(yuǎn)近及環(huán)境因素來(lái)判斷遺傳關(guān)系的遠(yuǎn)近，要具體情況具體分析[20]。

對(duì)參試品種的9 個(gè)主要表型性狀的多樣性分析表明，數(shù)量性狀的遺傳多樣性指數(shù)明顯高于質(zhì)量性狀，遺傳多樣性較豐富。單個(gè)表型性狀中，株高和單莢粒數(shù)的多樣性指數(shù)最高，遺傳多樣性最為豐富。