蠶豆種質資源主要農藝性狀遺傳多樣性分析

張炯，嚴斌，高營，薛晨晨，陳新，袁星星

(江蘇省農業科學院 經濟作物研究所，江蘇 南京 210014)

蠶豆(ViciafabaL.)別名佛豆、馬齒豆、胡豆、羅漢豆等，屬豆科蝶形花亞科巢菜屬，為一年生或越年生的常異花授粉草本植物[1-2]。此外，蠶豆還是主要的經濟作物，可用為糧食、蔬菜、飼料和綠肥等[3]。蠶豆可通過與根瘤菌共生結瘤，固定大氣中的氮素[4]，不僅供其自身利用，還在改善土壤營養結構中起著重要作用。蠶豆營養豐富，用途廣泛，可加工為多種食品和副食[5-6]；同時還是一種優質蛋白源，其不同品種干籽粒的蛋白質含量介于17.5%～34.5%之間，平均為27.6%[7]，是禾本科作物的1～3倍。隨著人民生活水平的提高，合理的膳食結構不斷引起人們的關注，蠶豆因其營養價值豐富，越來越受到人們的重視。雖然我國已育成多個蠶豆品種，如抗病優質品種成胡13，以及鮮銷型品種通蠶鮮6號等[8]。但我國干蠶豆平均單產低于世界水平[9]，究其原因是我國在蠶豆育種目標性狀方面的研究不夠深入細致。

種質資源是培育新品種的原始材料，其多樣性是育種工作者關注的焦點[10-11]。利用灰色關聯、相關性、主成分以及聚類的分析方法對作物種質資源的遺傳多樣性進行分析，得到較好的效果。灰色關聯度分析可將外觀復雜、數據散亂的隨機過程看作一個灰色過程，通過一定的方法梳理系統間各因素的主次關系，找出影響最大的因素[12]；相關性分析是一種重要的統計學分析方法，對多個變量間進行相關性分析，可衡量出2個變量間的相關密切程度[13]；其中主成分分析是將多個復雜的原始指標轉化為幾個具有代表性的互不相關的綜合指標(主成分)[14]，每個主成分是一個相對獨立的指標體系，各主成分間不存在相關性且數值直觀容易分析[15]；聚類分析是一種用于生物資源分類和親緣關系研究的多元統計方法[16-17]。

本研究以江蘇省經濟作物研究所收集的來自全國的蠶豆種質資源為供試材料，采用灰色關聯分析、相關性分析、聚類分析和主成分分析相結合的分析方法，綜合研究蠶豆種質資源主要農藝性狀的遺傳多樣性，可以確定農藝性狀之間的關聯性，有效提高優質育種的效率，降低品種篩選工作量，為蠶豆種質資源的深入研究及其育種工作提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為近年來江蘇省農業科學院經濟作物研究所收集的來自全國的190份具有代表性的蠶豆種質資源。

1.2 處理設計

試驗地位于江蘇省南京市六合區竹鎮金磁村江蘇省農業科學院六合基地(118.83°E，32.35°N)，屬于亞熱帶季風氣候，年平均溫度約15.4 ℃，年極端最高溫度為39.7 ℃，最低溫度為-13.1 ℃，年平均降水量1 106 mm。蠶豆種植時間為2017年11月9日，種植時每個品種種植10穴，每穴3粒種子，行株距為80 cm×40 cm，出苗后拔去多余植株，僅留下1株。田間管理按照一般大田的管理方式，各項栽培管理措施保持一致。蠶豆種子收獲時間為2018年6月。

1.3 性狀調查

本試驗中蠶豆大田農藝性狀的調查以《蠶豆種質資源描述規范和數據標準》[18]為標準，統計始花期、始莢期、花期，并在盛花期時測量株高，成熟后測量一級分枝數、莢長寬、單株莢數、單莢粒數、粒長寬、粒周長、粒面積、百粒重、單株粒重等農藝性狀，每個性狀重復測量10次。

1.4 統計分析

采用Excel和SPSS 20.0軟件進行數據分析。不同品種間性狀的差異用變異系數表示。根據灰色分析系統理論，按照李春[13]的方法，分別以各農藝性狀依次為母序列，其他農藝性狀為比較序列即子序列，求出各主要農藝性狀之間的關聯度。在聚類過程中，種質間遺傳距離為歐氏距離，聚類方法采用離差平方和法(ward’s method)，同時進行主成分分析和相關性分析。

2 結果與分析

2.1 主要性狀的遺傳多樣性

190份蠶豆種質資源材料的變異分析結果如表1所示。種植資源間的變異范圍在0.73%～46.84%，變動幅度較大，其中單株粒重的變異系數最大為46.84%，變異幅度為21.31～277.31 g；變異系數最小的是播種至始莢期的天數，為0.73%，變異幅度為153～159 d。其他性狀的變異系數依次為單株莢數>百粒重>一級分枝數>單莢粒數>粒面積>莢長>莢寬>株高>粒長>粒周長>粒直徑>粒寬>花期>生育期>播種至始花期。一般認為，變異系數大于10%表示樣品間差異較大[19-20]。17個農藝性狀中，有10個性狀的變異系數大于10%，說明所有供試種質資源間存在較大的差異，資源類型豐富，有利于優質種質材料的篩選。

表1 190份蠶豆種質資源性狀變異情況

2.2 單株粒重和主要農藝性狀之間的關聯度

單株粒重是反應蠶豆產量的一個重要性狀，本研究通過統計蠶豆的主要農藝性狀，利用灰色關聯分析的方法分析影響蠶豆產量的主要因素，明確主要農藝性狀對蠶豆單株粒重影響的主次關系，為下一步蠶豆育種提供參考。參照李春等[13]的方法，對原始數據進行無綱化處理，得到不同蠶豆種質資源的主要農藝性狀與單株粒重之間的關聯度。

表2結果顯示，所有主要農藝性狀均明顯影響蠶豆的單株粒重，但貢獻率有所差異。關聯度最大的是單株莢數，為0.772 4；其次為一級分枝數，為0.769 1；粒寬是關聯度最小的性狀，為0.715 2。其他性狀關聯度排序為生育期>株高>粒直徑>花期>粒面積=粒周長>百粒重>粒長>單莢粒數>播種至始花期>播種至始莢期>莢長>莢寬。在以后的育種工作中，若想獲得高產蠶豆品種，可優先考慮單株莢數及分枝數這兩個性狀。

2.3 主要性狀間的相關性

本試驗對所有供試種質資源的17個主要農藝性狀進行相關性分析(表3)表明，在主要農藝性狀間共有136個相互關系，其中88個具有極顯著相關性，10個具有顯著性，其余38個不具有顯著性。生育期與株高、花期、莢長、莢寬、分枝數、百粒重、單莢粒數、粒面積、粒周長、粒長、粒寬、粒直徑呈極顯著正相關，與單株粒重呈顯著正相關；百粒重與花期、播種至始莢期、生育期、莢長、莢寬、分枝數、粒面積、粒周長、粒長、粒寬、粒直徑、單株粒重呈極顯著正相關；單株粒重與花期、莢長、分枝數、單株莢數、單莢粒數、百粒重、粒面積、粒周長、粒長、粒寬、粒直徑呈極顯著正相關，與播種至始莢期、生育期、莢寬呈顯著正相關，與播種至始花期呈顯著負相關。單株粒重與單株莢數和分枝數的相關性最大，這與灰色關聯分析得到的結果相一致，說明單株莢數與分枝數是影響蠶豆產量的兩個主要因素。由上述分析可知，性狀間相互影響，相互制約，在選育新的蠶豆品種時應綜合考慮，協調好各性狀間的相關性。

表2 農藝性狀與單株粒重間關聯度

表3 蠶豆種質資源相關性分析

注：*、**分別表示0.05和0.01水平差異顯著。

2.4 主要性狀的主成分

本試驗使用SPSS 20.0軟件對所有供試材料的17個主要農藝性狀進行主成分分析。如表4所示，根據提取特征值大于1的原則，提取前5個主成分，其累計貢獻率達到78.335%。其中主成分一的貢獻率最大為39.272%，其次為主成分二、三、四、五，貢獻率分別為15.029%、9.215%、7.873%和6.946%，前5個主成分基本可反映原變量的全部信息。

第一主成分特征值為6.676，貢獻率為39.272%。在第一主成分的特征向量中，粒長的特征向量值(0.959)最大，說明粒長對第一主成分的影響最大；其次為粒直徑、粒面積、粒周長、粒寬特征向量值較大，特征向量值分別為0.954、0.953、0.953和0.931。這些都會影響蠶豆籽粒的大小，因此，第一主成分為蠶豆粒型因子。第二主成分特征值為2.555，貢獻率為15.029%。其中，花期的特征向量值最大為0.714，其次為單株莢數、單株粒重、分枝數、單莢粒數和株高，且符號皆為正，分別為0.570、0.532和0.474、0.457、0.432?；ㄆ?、單株莢數、單株粒數、分枝數和株高都會影響單株粒重，也就是產量，所以第二主成分為產量因子?；ㄆ谠鲩L，分枝數增加，植株越高，單株莢數以及單莢粒數越多，產量也會越多。播種至始花期的值較高，但符號為負，說明早花的品種不利于高產，所以在選育新品種時應權衡早熟與高產，做出合適的選擇。第三主成分特征值為1.567，貢獻率為9.215%。特征向量值最大的是生育期為0.475，其次為株高和莢長，隨著生育期的增長，營養物質的不斷吸收，株高和莢長也在相應的隨之增長。第四主成分特征值為1.338，貢獻率為7.873%。莢長的特征向量值(0.588)最大，隨之是單莢粒數和莢寬，可以看出第四主成分為莢型因子，單莢粒數越多，豆莢越長越寬，蠶豆的產量也就越高。第五主成分特征值為1.181，貢獻率為6.946%，播種至始花期的特征向量值最大為0.715，其次是播種至始莢期，特征向量值大小為0.618，所以第五主成分是早熟因子。

表4 蠶豆種質資源主成分分析

2.5 主要性狀的聚類分析

利用SPAA 20.0對17個性狀進行聚類，以歐式距離，Ward’s聚類法，在遺傳距離為4.9處將190份參試蠶豆材料分為5大類(圖1)，各種質類群特征如表5所示。

表5 蠶豆種質資源各類群農藝性狀特征

第1大類群包含20份蠶豆材料。17個農藝性狀中播種至始莢期的變異性狀最小，為0.56%，單株粒重的變異性狀最大，為36.60%，單株莢數次之，分別為28.39%。百粒重、粒面積、粒周長、粒長、粒寬和粒直徑在5個類群中排在末位。單株粒重為76.06 g，排在5個類群中的第4位。但是單莢粒數是5個類群中最大的，為2.47個。株高排在第三位，為62.32 cm。綜合各性狀可以看出，此類群材料屬于低產型、小籽粒，株高適中，適宜機械性收割。

圖1 190份蠶豆材料遺傳聚類結果

第2大類群包含49份蠶豆材料。在5個類群中，株高、生育期、莢長、莢寬、一級分枝數、單莢粒數和單株粒重是排在末位的，分別為58.79 g、193.78 d、72.86 mm、19.25 mm、2.66個、1.88個和71.42 g。綜合各性狀可以看出，此類群材料屬于矮稈、早熟，分枝數較少，豆莢較小，屬于低產型，可作為早熟品種選育的基礎。

第3類群包含25份蠶豆材料，莢長、莢寬、分枝數、百粒重、粒面積、粒周長、粒長、粒寬、粒直徑都是5個類群中最大的，分別為97.58 mm、23.08 mm、3.73個、163.82 g、269.26 mm2、64.20 mm、21.71 mm、15.65 mm、18.46 mm。單株莢數是5個類群中最小的，為15.34個。綜合各性狀可以看出，此類群的材料屬于大粒型，但是產量豐度一般，可作為鮮食蠶豆品種選育的基礎，具有一定的發展潛力。

第4類群包含12份蠶豆材料。單株莢數和單株粒重是5個類群中最多的，單莢粒數是排在低位的，除此之外，粒面積、粒長、粒寬等與粒形相關的數據都比較適中。綜合上述性狀，可以知道該類群材料屬于高產型，籽粒適中，并且株高較高，有一定的增產潛力。

第5個類群中含有93份蠶豆資料。在5個類群中，株高是最高的，為67.10 cm，并且生育期是最長的。另外，百粒重、單株莢數、粒面積、粒直徑、粒長和粒寬都排在第2位。單株粒重排在中間位置。綜合上述性狀，該類群材料屬于大粒型，豐產性較差，但株高較高，因此，在選育高稈大粒型時可以加以關注。

3 討論

種質資源是植物改良的基礎[21]。廣泛收集種質資源，對材料的性狀表現型進行觀察分析，從而了解性狀的多樣性和性狀間的相關性，既可以了解相應性狀的遺傳規律，又可以為新品種的培育提供指導[22]。因此，系統的研究蠶豆種質資源的遺傳多樣性對蠶豆遺傳育種具有重要意義。

本研究是基于190份蠶豆種質資源進行分析，供試材料的性狀涵蓋面較廣，有利于在育種工作中提取相應的性狀進行改良。研究表明，單株粒重的變異系數最大為46.84%；其次為單株莢數和百粒重，分別為39.14%和23.30%。因此，利用現有的蠶豆材料，根據產量構成因素而提高蠶豆產量潛力具有深遠意義。本試驗灰色關聯分析表明，所有主要農藝性狀均明顯影響蠶豆的單株粒重，但貢獻率有所差異。關聯度最大的是單株莢數，為0.772 4；其次為一級分枝數，為0.769 1。這與相關性分析所得到的結果相一致，單株粒重與單株莢數與一級分枝數呈極顯著差異。除此之外，粒周長、粒面積、粒直徑、粒長和粒寬之間相關系數均大于0.70，達到極顯著水平，與楊生華[23]得到的結果相一致。何玉華[24]研究分析了云南省202份地方蠶豆資源10個形態學性狀的遺傳多樣性，結果表明，202份資源各性狀均存在不同程度的變異，株高變異最大，變異系數為27%。聚類分析表明，云南地方蠶豆種質資源的株高、生育期、百粒重有一定內在聯系性，生育期長的群體則株高較高，但百粒重偏低，這與本試驗所得到的結果相一致。本試驗主成分分析表明，前5個主成分的累計貢獻率達到78.335%，較大程度上反映190份蠶豆種質資源表型特征；聚類分析將190份蠶豆種質資源在遺傳距離4.9處劃分為5類，第1類群適宜機械性收割，第2類群可作為早熟品種選育的基礎，第3類群可作為鮮食蠶豆品種的親本；第4類群屬于高產型，籽粒適中，并且株高較高，有一定的增產潛力；第5類群大粒型，豐產性較差，但株高較高，在選育高稈大粒型時可加以關注。

本文在對蠶豆種質資源收集的基礎上，對主要農藝性狀進行了觀察分析，為蠶豆下一步育種工作中自交系篩選、親本選擇提供了參考。