劍豆主要農(nóng)藝性狀多樣性研究與綜合評價(jià)

劉明騫 陳麗君 周瑋 丁美美 陳曉陽

摘 ?要：劍豆為優(yōu)良的綠肥和藥食同源植物。本研究以來源于11個(gè)國家的19份劍豆種質(zhì)為材料，采用R-3.6.2軟件，通過相關(guān)性分析、主成分分析和聚類分析等方法分析劍豆22個(gè)農(nóng)藝性狀，并對其進(jìn)行綜合評價(jià)。結(jié)果表明：劍豆不同性狀間差異均達(dá)到顯著或極顯著水平，遺傳變異豐富，具較大的選擇潛力;單株莢數(shù)和種子形態(tài)指數(shù)性狀、葉形指數(shù)性狀、地徑、節(jié)間距之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，葉形指數(shù)性狀和種子形態(tài)指數(shù)性狀之間也呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系;主成分分析結(jié)果顯示，前4個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率已達(dá)86.201%，可代表22個(gè)性狀的主要信息，若以產(chǎn)量為選擇目標(biāo)，應(yīng)選擇種子、葉面積、地徑和節(jié)間距大且始花期晚的種質(zhì);聚類分析結(jié)果表明，19份劍豆種質(zhì)可分為3類，分別為早熟不攀爬型、晚熟半攀爬型和晚熟善攀爬型，可根據(jù)不同用途和育種需求進(jìn)行選擇。

關(guān)鍵詞：劍豆;農(nóng)藝性狀;多樣性

Abstract： Canavalia ensiformis is an excellent green fertilizer and medicinal & edible homologous plant. 19 accessions of C. ensiformis from 11 countries were used in this study. R-3.6.2 software was adopted to analyze 22 agronomic traits through correlation analysis， principal component analysis and cluster analysis， and the comprehensive evaluation was made. The results showed that there were significant or extremely significant differences among different traits. There was an extremely significant positive correlation between pod number per plant and seed shape index traits， leaf shape index traits， ground diameter and pitch spacing， and there was also an extremely significant positive correlation between leaf shape index traits and seed shape index traits. The cumulative contribution rate of the first four principal components reached 86.201%， which could represent the main information of 22 traits. For yield， the germplasms with large seed， leaf area， diameter and pitch spacing and late flowering should be selected. Based on this， the germplasms could be divided into three categories， namely early-maturing non-climbing type， late-maturing semi-climbing type and late-maturing good climbing type， which could be selected according to different needs.

Keywords： Canavalia ensiformis; agronomic traits; diversity

劍豆（Canavalia ensiformis），為豆科刀豆屬植物，廣泛分布于亞洲、美洲、非洲等熱帶、亞熱帶地區(qū)，我國長江流域以南各省零星栽培。劍豆根系發(fā)達(dá)，適應(yīng)能力強(qiáng)，耐貧瘠，可作為土壤改良和覆草植物[1-6]。劍豆種子不僅富含蛋白質(zhì)、人體必需氨基酸和礦質(zhì)元素等營養(yǎng)物質(zhì)，還含有刀豆氨酸、刀豆球蛋白A、類黃酮等物質(zhì)[7-9]，《本草綱目》和《救荒本草》中均有其作為藥物的記載，為衛(wèi)生部公布的第一批藥食兼用的植物[10]，也被美國科學(xué)院認(rèn)為是熱帶地區(qū)潛在的食物來源[11]。我國廣西、湖南、四川等地區(qū)常將其嫩莢腌制后食用，某些地區(qū)也將劍豆種子粉末作為高蛋白飼料，添加至兔[12]、魚[13-14]和雞[15]等的飼料之中[16-17]。

植物種質(zhì)資源是生產(chǎn)和遺傳改良的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是優(yōu)良新品種（品系）選育與利用的源頭。種質(zhì)資源的收集、鑒定評價(jià)與創(chuàng)新利用是一項(xiàng)長期的基礎(chǔ)性工作[18-19]。劍豆用途廣泛，但國內(nèi)外對于劍豆的研究大多集中于種子中凝集素的提取、藥用功能的分析及種子營養(yǎng)物質(zhì)含量等方面，劍豆的引種及種質(zhì)評價(jià)方面研究較少。本研究以來源于11個(gè)國家的19份種質(zhì)資源為研究對象，調(diào)查了主要生長性狀、種實(shí)性狀和生長節(jié)律，進(jìn)行分析及綜合評價(jià)，旨在為劍豆種質(zhì)資源的收集、引種和育種材料的篩選、研究提供理論參考。

1 ?材料與方法

1.1 ?材料

試驗(yàn)材料為來源于澳大利亞熱帶作物和飼料研究中心（AusTRCF）、巴西、中國等地（表1）的19份劍豆種質(zhì)資源。種植于廣東省廣州市華南農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)科研基地，該地氣候與環(huán)境特征詳見文獻(xiàn)[17]。

1.2 ?試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集

試驗(yàn)地采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，每小區(qū)（面積為5?m2）6株，5次重復(fù)，株行距為60?cm× 100?cm。于3月種植后進(jìn)行平常的除草、滅蟲等田間管理。于5—6月每日早晚各觀察1次，記錄初始開花時(shí)間，統(tǒng)計(jì)始花期[Flowering period（FP）/d]。于7—8月所有種質(zhì)都已開花時(shí)，每份種質(zhì)選取30輪共90片位于植株中部、向陽面且生長完好的葉片采用WinFOLIA Pro 2008a LEAF軟件（Regent Instruments，Canada）采集葉形指數(shù)性狀數(shù)據(jù)[20]：葉面積[Leaf area （LA）/cm2]、葉周長[Leaf perimeter （LP）/cm]、葉長[Leaf length （LL）/cm]、葉寬[Leaf width （LW）/cm]和葉寬長比[Ratio of width to length of leaf （RWLL）];測量后稱重得其葉鮮重[Leaf fresh weight （LFW）/g]。于11月種子成熟時(shí)，統(tǒng)計(jì)各種質(zhì)單株莢數(shù)[Yeild per plant （YPP）]，用電子游標(biāo)卡尺測量其地徑[Root （Root）/mm]大小，用直尺測量主莖節(jié)間距[Internodal length （II）/cm]。每份種質(zhì)分別取30個(gè)生長完好的豆莢，測量和統(tǒng)計(jì)豆莢相關(guān)性狀：莢長[Pod length （PL）/cm]、莢寬[Pod width （PW）/cm]、莢厚[Pod thick （PT）/cm]、每莢粒數(shù)[Number of seeds per pod （NSP）]，種子形狀相關(guān)性狀：種子長[Seed length （SL）/mm]、種子寬[Seed width （SW） / mm]、種子厚[Seed thick （ST）/mm]、種臍長[Hilum length （HL）/mm]、種子臍長比[Ratio of hilum length to seed length （RHS）]、種子寬長比[Ratio of width to length of seed （RWLS）]、種子厚寬比[Ratio of thick to width of seed （RTW）]及百粒重[100-seeds-weight （HSW）/g]等性狀。

1.3 ?數(shù)據(jù)處理

對所得性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、相關(guān)性分析、主成分分析和系統(tǒng)聚類分析。試驗(yàn)數(shù)據(jù)均用Excel 2007軟件記錄、整理，R-3.6.2軟件Psych、Hmisc、Corrgram、Corrplot、FactoMineR、Factoextra等數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析[21]。

2 ?結(jié)果與分析

2.1 ?主要性狀的方差分析

對劍豆19份種質(zhì)的豆莢、種子、葉片等22個(gè)性狀進(jìn)行調(diào)查，方差分析結(jié)果（表2）顯示：

除地徑的種質(zhì)間差異達(dá)到顯著（P<0.05）外，其他各性狀在不同種質(zhì)間的差異均達(dá)到極顯著（P<0.01）。在所觀測的性狀中，單株莢數(shù)的變異系數(shù)最大，達(dá)45%，變幅為7.85～57.64;其次是節(jié)間距，變異系數(shù)為41%，變幅為5.82～22.02。變異系數(shù)最小的為葉寬/葉長和種子厚/種子寬，分別為6%和7%，變異幅度為0.57～0.70和0.57～ 0.73。說明劍豆不同種質(zhì)間存在較大的差異，變異范圍廣，遺傳變異豐富，選擇育種潛力大，可根據(jù)不同需求，選擇不同種質(zhì)進(jìn)行利用[22]。

2.2 ?不同性狀間相關(guān)性分析

通過Corrplot數(shù)據(jù)包對劍豆22個(gè)主要性狀進(jìn)行相關(guān)性分析，得到性狀間相關(guān)關(guān)系（圖1）。結(jié)果表明：單株產(chǎn)量和種子形態(tài)指數(shù)性狀（種子長、寬、厚，種臍長，百粒重）、葉形指數(shù)性狀（葉面積、葉周長、葉長、葉寬、葉鮮重）、地徑、莢寬、節(jié)間距之間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與莢厚、葉干重之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系;葉形指數(shù)性狀和種子形態(tài)指數(shù)性狀之間也呈極顯著正相關(guān)關(guān)系;莢厚和莢寬與種子指數(shù)性狀間呈極顯著正相關(guān)關(guān)系;節(jié)間距、始花期、地徑和種子形態(tài)指數(shù)性狀、葉形指數(shù)性狀和莢形性狀之間多呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。說明一般情況下，主莖的節(jié)間距越大，始花期時(shí)間越晚，其營養(yǎng)生長時(shí)間越長，地徑也就越大，其葉片就越寬大，豆莢、種子也就越大，相應(yīng)的產(chǎn)量就越高。說明如果以產(chǎn)量為選育目標(biāo)，要著重注意對營養(yǎng)生長期長的種質(zhì)的選擇，其生長表現(xiàn)為地徑較大，主莖節(jié)間距較長，葉面積大，開花較晚。劍豆地上部生物量與種子形態(tài)指數(shù)性狀（種子長、寬、厚，種臍長，百粒重）、葉鮮重和單株結(jié)實(shí)量呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明地上部生物量越大，產(chǎn)量越高。劍豆的生物量和產(chǎn)量可協(xié)同選擇。

2.3 ?劍豆不同種質(zhì)間性狀主成分分析

主成分分析能在不損失信息量的前提下將多個(gè)可能相關(guān)的指標(biāo)簡化為幾個(gè)獨(dú)立的綜合指標(biāo)，使分類方法得以簡化而易于操作。基于主成分分析的主成分聚類，能在二維和三維圖上直觀地體現(xiàn)出種質(zhì)之間的遺傳距離遠(yuǎn)近[23]。通過R-3.6.2軟件FactoMineR、Factoextra等數(shù)據(jù)包進(jìn)行主成分分析。結(jié)合主成分碎石圖及主成分分析（表3）可以看出，前4個(gè)主成分即可代表原22個(gè)性狀的主要信息。

前4個(gè)特征根累計(jì)貢獻(xiàn)率已達(dá)86.201%。其中第1主成分貢獻(xiàn)率達(dá)55.255%，通過不同性狀對主成分的貢獻(xiàn)度（圖2）可以看出，其特征向量所凝聚的生物學(xué)信息主要是種子形態(tài)指數(shù)指標(biāo)（種子的長、寬、厚和種臍的長度、種子的百粒重等）、葉形指數(shù)相關(guān)形態(tài)特征（葉面積、葉周長、葉長、葉寬等）以及與以上性狀有極顯著正相關(guān)關(guān)系的莢寬、節(jié)間距、始花期、地徑和單株產(chǎn)量。其結(jié)果與相關(guān)性分析相似，可以稱第1主成分是產(chǎn)量相關(guān)構(gòu)成因子。

第2主成分貢獻(xiàn)率為15.657%，其特征向量所凝聚的生物學(xué)信息主要是葉鮮重和葉面積，因此可以稱其為葉片質(zhì)量構(gòu)成因子。第3主成分貢獻(xiàn)率為10.312%，其特征向量所凝聚的生物學(xué)信息主要是每莢粒數(shù)和莢長，其與產(chǎn)量相關(guān)性也較大。第4主成分的貢獻(xiàn)率為4.977%，其特征向量所凝聚的生物學(xué)信息主要是單株莢數(shù)。

從產(chǎn)量因子考慮，第1主成分越大越好。若以產(chǎn)量為目標(biāo)，應(yīng)主要對第1主成分進(jìn)行選擇。

即選擇種子大、葉片寬大、地徑大、節(jié)間距大、始花期晚的種質(zhì)。

2.4 ?不同劍豆種質(zhì)的聚類分析

根據(jù)不同性狀對各主成分的貢獻(xiàn)度，重新計(jì)算19份種質(zhì)的主成分得分，并依此進(jìn)行聚類分析。通過Factoextra數(shù)據(jù)包采用組內(nèi)誤差平方和方法進(jìn)行分析判斷，19個(gè)劍豆種質(zhì)可分成3個(gè)類群（圖3）。

第一類群為早熟不攀爬型，包括PI 358592、PI 279593、PI 470242、NT 576和BN-13474-63、B1、B2、B3、CHN3、CHN4、210共11份種質(zhì)，分別來源于埃塞俄比亞、菲律賓、印度尼西亞、蘇丹、巴西、中國和巴拉圭。此類群植株為直立或半直立型，主干明顯，不善攀援，分枝較多，屬于早熟型。

第二類群為晚熟半攀爬型，包含CHN1、Tce 1、NT 3073、NT 3074、CPI 50103和CPI 58560共6份種質(zhì)，分別原產(chǎn)于中國廣東、尼日利亞、哥倫比亞和委內(nèi)瑞拉，植株為半蔓生型，可以攀爬，主干粗壯，分枝較多，生物量大，結(jié)實(shí)多，且為晚熟型。

第三類群為晚熟善攀爬型，包含CHN2、PI 487475共2份種質(zhì)，來源于中國廣西和伊拉克。該類群主莖不明顯，極善攀爬，節(jié)間距最大，葉片也比較寬大，種子大且為紅色，生長快，結(jié)實(shí)量大，且為晚熟型。

3 ?討論

通過表型性狀進(jìn)行種質(zhì)資源鑒定和篩選更為方便和直觀。表型是由環(huán)境和基因型共同調(diào)控的，在育種的整個(gè)進(jìn)程中，表型監(jiān)測不僅可對育種前期的室內(nèi)種質(zhì)篩選進(jìn)行指導(dǎo)，而且能在后期推廣種植中對品種的田間表現(xiàn)進(jìn)行評估[21]。本研究以來源于11個(gè)國家的19份劍豆種質(zhì)資源為研究對象，對22個(gè)表型性狀的方差分析結(jié)果顯示，各性狀間的差異均達(dá)到顯著或極顯著水平。說明劍豆的不同種質(zhì)間的基因交流非常低，可能與劍豆以自花授粉為主、異交率低有直接關(guān)聯(lián)[1]。而且劍豆多為零星分布，地理距離較遠(yuǎn)，且其傳粉媒介主要為螞蟻和蜜蜂，活動(dòng)范圍有限，在一定程度上限制了雜交的可能。此外，劍豆的座果率很低，大約只有10%，更加限制了基因的流動(dòng)[24]。可根據(jù)不同利用和育種需求，選擇不同種質(zhì)進(jìn)行利用。

劍豆的生長性狀（包括葉片的大小、節(jié)間距的長度、株高、地徑等）與劍豆的主要繁殖性狀（包括始花的早晚、莢果大小、種子大小、單株莢數(shù)等）之間的相關(guān)關(guān)系緊密。營養(yǎng)生長時(shí)間越長，植株越高大或藤越長，地上部生物量越大，則劍豆的結(jié)莢數(shù)一般也就越多，莢果和種子也就越大。劍豆地上部生物量與種子形態(tài)指數(shù)性狀和單株結(jié)實(shí)量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，說明地上部生物量越大，產(chǎn)量越高。劍豆的生物量和產(chǎn)量可協(xié)同選擇。

主成分分析（PCA）是多元統(tǒng)計(jì)分析框架內(nèi)的一種統(tǒng)計(jì)技術(shù)，可用來揭示數(shù)據(jù)中最重要的性狀和品種之間的相似性，即用少數(shù)變量來反映原來變量的大部分信息[21]。主成分分析結(jié)果顯示，前4個(gè)特征根累計(jì)貢獻(xiàn)率已達(dá)86.201%。其中第1主成分貢獻(xiàn)率達(dá)55.255%，其特征向量所凝聚的生物學(xué)信息主要是種子形態(tài)指數(shù)指標(biāo)、葉形指數(shù)相關(guān)形態(tài)特征以及與以上性狀有極顯著正相關(guān)關(guān)系的莢寬、節(jié)間距、始花期、地徑和單株產(chǎn)量。可以稱第1主成分是產(chǎn)量相關(guān)構(gòu)成因子。從產(chǎn)量因子考慮，第1主成分越大越好，要獲得產(chǎn)量高的種質(zhì)，可主要對第1主成分進(jìn)行選擇。即選擇種子大、葉片寬大、地徑大、節(jié)間距大、始花期晚的種質(zhì)[18]。

聚類分析將19份劍豆種質(zhì)資源劃分為三大類群，各類群之間在品質(zhì)性狀上表現(xiàn)出明顯的差異性和互補(bǔ)性，與劉明騫等[16]通過SRAP分子標(biāo)記進(jìn)行分析的結(jié)果相似。第一類群為早熟不攀爬型，植株為直立或半直立型，主干明顯，分枝較多，屬于早熟型。可用于收獲種子、輪作（或間作）改良土壤。但其中種質(zhì)210較為特殊，其豆莢短且直，其種色為黃褐色或深褐色，主干不明顯，莖極細(xì)軟，極善攀爬。第二類群為晚熟半攀爬型，包含的5份種質(zhì)，皆屬于半蔓生型，可以攀爬，分枝較多，生物量大，結(jié)實(shí)多且為晚熟型，適用于豆莢采食、林地覆蓋、土壤改良和荒坡水土保持等。尤其是種質(zhì)NT3073和CPI50103，生長期長，為優(yōu)良覆草和土壤改良植物。第三類群為晚熟善攀爬型，只包含CHN2、PI 487475兩份種質(zhì)，該類群極善攀爬，葉片也比較寬大，主莖不明顯，生長快，分枝多，可用作果實(shí)采集、庭院遮蔭等，但因其節(jié)間距較大，藤蔓太長，易于林木纏結(jié)，不適于林地覆蓋;該類群種子大且為紅色，可制作工藝品（市場上稱之為魔豆）。可根據(jù)不同利用或育種需求，選擇不同種質(zhì)資源。

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