一個紫云英F4重組自交系群體的農藝性狀與養分吸收評價

任文靜，呂玉虎，周國朋，常單娜，向春陽*，曹衛東*

（1.天津農學院農學與資源環境學院，天津 300384；2.信陽市農業科學院，河南 信陽 464000；3.中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，農業農村部植物營養與肥料重點實驗室，北京 100081）

紫云英（Astragalussinicus）是我國南方稻區主要綠肥作物之一，也是重要的飼草，其在增加土壤微生物量，調節土壤理化性狀，改善土壤生態環境，提高土壤固氮微生物豐度及減少CO2排放等方面發揮著重要作用［1-5］。然而，20世紀80年代以來，受種植業結構調整和化肥成為主導肥源的影響，綠肥生產大幅萎縮，種質資源出現退化、甚至消失等一系列問題［6］。目前市場上應用的較多品種難以適應現代農業生產的需求，因此，對包括紫云英在內的種質資源進行保護和發掘利用就顯得尤為重要［7-8］。近年來，隨著國家對食品質量與生態環境安全的關注度逐漸提高，人們高度重視綠色發展，綠肥的作用愈發凸顯，綠肥生產也有所恢復，紫云英品種選育等工作亦逐漸展開，并取得了一定進展［9-12］。如劉英等［13］通過田間試驗選育出固氮能力強，氮素含量高，鮮草和種子產量較高的紫云英新品種“皖紫1號”和“皖紫2號”，為適應稻區不同栽培技術模式提供了良好的物質基礎。黃璜等［14］選育出紫云英新品種“紫冷艷1號”，該品種根系粗壯，抗逆性強，適應性、觀賞性提高，既可作大田綠肥，又可作園林綠化。以上研究都為紫云英的大面積推廣種植提供了優質材料。

“閩紫7號”紫云英是福建省農業科學院經雜交選育的紫云英優良品種，屬偏遲熟品種，全生育期200 d左右。該品種葉色鮮綠，植株高大，苗期生長快，耐陰性較好，適應性廣，多點試種后鮮草量可達50 t·hm-2以上，植株氮（N）、磷（P）、鉀（K）含量分別為3.15%、0.28%和2.00%，是福建省主推綠肥品種［15］。“信陽種”紫云英為河南省優良的紫云英地方品種，屬早熟品種，一般鮮草量為20～30 t·hm-2。該品種紫色葉較多，植株較矮，莖稈細，分枝發達，抗寒和抗旱力強，植株氮（N）、磷（P）、鉀（K）含量分別為3.03%、0.35%和3.70%［10］，適于在淮河流域及淮河以北地區種植［8］。利用優異資源開展雜交育種，是獲得綠肥新品種的重要手段。鑒于二者在性狀上的不同表現，為挖掘二者不同性狀種質資源的利用價值，加快優異品種的育種進程［16］，自2011年以來，本研究以“閩紫7號”為母本、“信陽種”為父本進行雜交，然后自交授粉獲得重組自交系。其中以鮮草和種子產量為目標性狀，得到18個F4株系。

為了解該重組自交系群體中18個紫云英株系有關農藝及養分積累等性狀的表現和遺傳特征，采用盆栽試驗，對各株系的農藝性狀、鮮草產量和植株氮、磷、鉀吸收特性進行了研究，以期為該群體的進一步鑒定、評價和選育提供理論依據，為紫云英的遺傳育種工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以福建省農業科學院選育的優良品種“閩紫7號”紫云英為母本，河南省傳統地方品種“信陽種”紫云英為父本，配置雜交組合，建立重組自交系。2011年兩親本進行雜交得到雜種F1代，2012年種植F1單株自交得到F2，從F2～F3代選擇單株繼續自交，同時注明單株號，按株單獨收獲、脫粒，通過試驗田種植得到F4代株系。以鮮草產量為主要目標，獲得18個F4株系，分別為m83xzh-1-1-4、m83xzh-1-1-5、m83xzh-1-1-6、m83xzh-1-1-8、m83xzh-1-2-1、m83xzh-1-2-3、m83xzh-1-2-4、m83xzh-1-2-5、m83xzh-1-4-3、m83xzh-1-4-4、m83xzh-1-4-6、m83xzh-1-4-8、m83xzh-1-4-10、m83xzh-1-4-11、m83xzh-1-4-13、m83xzh-1-9-2、m83xzh-1-9-4和m83xzh-1-9-5。

1.2 試驗設計

試驗于2019年9月至2020年3月在河南省信陽市農業科學院試驗基地進行。盆栽供試土壤采自河南省信陽市浉河區的0～20 cm稻田耕層土。土壤基礎理化性狀為：pH 6.16，全氮1.12 g·kg-1，有機質25.81 g·kg-1，無機氮13.25 mg·kg-1，有效磷26.64 mg·kg-1，速效鉀115 mg·kg-1。

采用盆栽試驗，每個株系重復3次，完全隨機排列。試驗用盆盆體為PVC材質，上部內徑21.0 cm、盆底內徑18.0 cm、高15.5 cm。所有盆栽不施基肥，土壤過5 mm篩、剔除雜質、充分混勻后裝盆。每盆裝風干土3.5 kg，土體高度保持約12 cm。2019年9月28日開始播種，每盆播種20粒。澆水量按照田間最大持水量的60%進行。苗期接種少量根瘤菌，生育期內適時驅蟲除草，在第60、150天時，分別間苗兩次，定苗5株，于盛花期（2020年3月30日）全部收獲。

1.3 測定項目和方法

1.3.1 鮮草產量與農藝性狀測定 分地上、地下部全盆收獲，并分別稱其鮮重；同時測量記錄紫云英株高、莖粗、分枝數、真葉數等農藝性狀。采集的紫云英植株樣品經105℃殺青30 min，70℃烘干至恒重后，稱重、粉碎。

1.3.2 植株氮、磷、鉀含量測定 采用H2SO4-H2O2法消煮植株樣品后，用凱氏定氮法測定全氮含量，用釩鉬黃比色法測定全磷含量，用火焰光度計法測定全鉀含量［17］。

1.4 數據處理

采用Microsoft Excel 2007軟件整理分析試驗數據和圖表編輯；用SAS 8.0軟件進行相關性分析和主成分分析，LSD法檢驗差異顯著性（P<0.05）；用Origin 2018軟件對18份紫云英材料的有關性狀進行聚類分析和制圖。

2 結果與分析

2.1 不同株系紫云英盛花期的主要性狀

紫云英盛花期的鮮草產量是反映其性狀優劣的最主要指標。鮮草產量的高低關系到歸還土壤中的氮、磷、鉀養分和有機質含量的多少，進而影響培肥土壤和提供養分的效果。因此，作為綠肥，植株鮮重和養分積累量是評價紫云英種質資源的關鍵因子［18］，對18個不同株系紫云英的地上部鮮重、地下部鮮重、地上部氮、磷、鉀積累量和地下部氮、磷、鉀積累量進行統計，結果列于表1。

各株系的生物量及養分積累量存在顯著差異。地上部鮮重以m83xzh-1-4-13、m83xzh-1-4-4、m83xzh-1-1-6、m83xzh-1-4-8和m83xzh-1-9-5較高，為40.20～47.39 g·盆-1；m83xzh-1-1-4、m83xzh-1-9-4和m83xzh-1-4-10地上部鮮重較低，為23.74～27.74 g·盆-1，與4個較高株系之間達顯著差異。地下部鮮重以m83xzh-1-1-5最高，m83xzh-1-4-8最低，分別為7.39和4.04 g·盆-1，兩者間差異顯著。地下部鮮重高于5.00 g·盆-1的有10個株系，從高到低依次為m83xzh-1-1-5>m83xzh-1-4-13>m83xzh-1-4-4>m83xzh-1-9-2>m83xzh-1-2-1>m83xzh-1-2-3>m83xzh-1-1-6>m83xzh-1-4-11>m83xzh-1-4-10>m83xzh-1-1-8，其余8個株系均小于5.00 g·盆-1（表1）。

養分吸收方面，各株系的地上部氮、磷、鉀養分積累量分別在91.38～156.79 mg·盆-1、6.19～11.00 mg·盆-1和75.96～145.18 mg·盆-1之間。不同株系間差異較大，其中m83xzh-1-4-8的地上部氮積累量最多，m83xzh-1-1-4最少；m83xzh-1-4-4的地上部磷、鉀積累量最多，對應m83xzh-1-4-11和m83xzh-1-1-4地上部磷、鉀積累量最少，兩兩之間達顯著差異水平。地下部氮、磷、鉀養分積累量分別在12.47～22.15 mg·盆-1、0.49～1.51 mg·盆-1和8.05～17.30 mg·盆-1之間。地下部氮、磷、鉀養分積累量最高的分別是株系m83xzh-1-4-4、m83xzh-1-4-11和m83xzh-1-2-3，最低的分別為株系m83xzh-1-4-8、m83xzh-1-9-5和m83xzh-1-1-8（表1）。

2.2 不同株系紫云英盛花期相關性狀的變異程度

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試驗F4群體盛花期的性狀表現出一定的株系間變異，且各性狀的變異幅度差異較大。其中，地下部磷積累量變異幅度最大，莖粗變異幅度最小，變異系數分別為35.06%和9.83%。整體來看，真葉數和地下部磷、鉀積累量變異程度均≥25%；株高和莖粗變異程度均≤20%；其余指標介于20%和25%之間。根據性狀指標的變異程度，從大到小排列順序依次為地下部磷積累量、地下部鉀積累量、真葉數、地下部鮮重、地下部干重、地上部鉀積累量、地下部氮積累量、地上部鮮重、地上部干重、分枝數、地上部氮積累量、地上部磷積累量、株高、莖粗（表2）。

表2 試驗紫云英F4群體盛花期的農藝及養分吸收性狀變異程度Table 2 Variation degr ee of agr onomic and nutr ients accumulation tr aits of the Chinese milk vetch F 4 population at full flowering stage

2.3 不同株系紫云英盛花期各指標相關性分析

在養分吸收方面，地上部鮮重、地上部干重、地下部鮮重、地下部干重與植株氮、磷、鉀養分積累量達到顯著相關水平（P<0.05）；分枝數與植株氮、磷、鉀積累量間呈顯著正相關；株高與植株地下部磷積累量呈顯著負相關關系。生長特性方面，株高、分枝數、真葉數與地上部鮮重、地上部干重呈顯著正相關關系（P<0.05）；分枝數與真葉數顯著正相關；莖粗與分枝數顯著負相關（表3）。

表3 試驗紫云英F4群體盛花期各指標的相關性分析Table 3 Correlation analysis of indexes of the Chinese milk vetch F 4 population at full flowering stage

2.4 不同株系紫云英盛花期評價指標主成分分析

主成分分析可對原始變量系統進行有效的綜合和簡化，將多個指標轉化為少數獨立的綜合指標［19］。本試驗對14個測定的性狀指標進行主成分分析，列于表4。可以看出，前5個主成分特征值均大于1，主成分方差貢獻率分別為32.63%、23.83%、14.31%、8.77%和7.45%，累積方差貢獻率達到86.98%，即可以解釋86.98%的總變異，其余成分可以忽略不計。因此，以上5個主成分反映了其原始變量的絕大部分信息（表4）。

表4 試驗紫云英F4群體主成分初始特征值Table 4 Initial eigenvalue of principal component of the Chinese milk vetch F 4 population

第1主成分的特征向量主要以地上部鮮重（0.380）、地上部干重（0.362）、地上部氮積累量（0.417）、地上部磷積累量（0.409）、地上部鉀積累量（0.369）的影響為主，說明在第1個主成分中主要反映了這5個指標的信息，相對其他指標更能表征植株養分吸收程度。第2主成分的特征向量主要以地下部鮮重（0.379）、地下部干重（0.418）、地下部氮積累量（0.398）、地下部磷積累量（0.395）、地下部鉀積累量（0.368）的影響為主，其是繼第1主成分外第二位可表征植株養分吸收程度的指標。第3、4、5主成分是反映植株狀況的性狀指標，其中，第3主成分特征向量主要以莖粗（0.458）、分枝數（-0.455）的影響為主，第4主成分特征向量主要以株高（-0.504）的影響為主，第5主成分特征向量主要以真葉數（0.452）的影響為主（表5）。

表5 試驗紫云英F4群體主成分特征向量值Table 5 Eigenvector of pr incipal component analysis of the Chinese milk vetch F 4 population

2.5 不同株系紫云英盛花期主要性狀聚類分析

基于紫云英各性狀指標的主成分分析結果，選擇地上部鮮重、干重、地下部鮮重、干重、地上部氮、磷、鉀積累量和地下部氮、磷、鉀積累量10項指標對18份不同株系的紫云英進行聚類分析。可以看出，當距離系數d=25時，可以將18份紫云英株系分為三類（圖1）。第一類包括m83xzh-1-4-4、m83xzh-1-4-6、m83xzh-1-4-8和m83xzh-1-4-13共4個株系，第二類包括m83xzh-1-1-5、m83xzh-1-1-6、m83xzh-1-2-1、m83xzh-1-2-4、m83xzh-1-2-5、m83xzh-1-9-2和m83xzh-1-9-5共7個株系，第三類包括m83xzh-1-1-4、m83xzh-1-1-8、m83xzh-1-2-3、m83xzh-1-4-3、m83xzh-1-4-10、m83xzh-1-4-11和m83xzh-1-9-4共7個株系。

圖1 試驗紫云英F4群體主要性狀的聚類結果Fig.1 Clustering results of main traits of the Chinese milk vetch F 4 population

同時依據各性狀指標平均值的基本統計結果（表6）可知，第一類的地上部鮮重、干重、地上部氮、磷、鉀積累量及地下部鉀積累量均為最高，同時具有較高的地下部鮮重和地下部氮積累量；第二類的地下部鮮重、干重及地下部氮積累量為最高，養分積累量較多；第三類的植株鮮重、干重及養分積累量均相對最低。可見，三類株系在生物量以及養分積累上表現出較大的不同，表明這些特性在F4后代中有明顯的分異。

表6 不同類群紫云英的主要性狀均值Table 6 Aver age of main traits of different group of the Chinese milk vetch

3 討論

最大限度地挖掘品種的遺傳潛力并提高產量和養分利用能力，是農業生產和農業研究的重要目標［20-22］。紫云英植株含有大量的氮、磷、鉀等營養元素，既可以作為優質的飼草，其翻壓后亦可為其他作物提供營養，其生物量及養分積累量在農業及畜牧業生產中尤為重要［8］。本試驗結果表明，在控制其他條件一致的情況下，紫云英不同F4株系的生物量表現出較大差異。18份種質資源中鮮草產量最大的是m83xzh-1-4-13，為47.39 g·盆-1；最小的是m83xzh-1-4-10，僅為23.74 g·盆-1，由此可見，在此遺傳群體內，部分株系在鮮草產量方面表現出明顯的優勢，可以作為今后選育重點關注品系，也說明通過構建重組自交系和利用雜種優勢是紫云英育種工作的一條有效途徑。

一般而言，植株氮、磷、鉀養分積累量在不同品種中會表現出一定差異［23-25］。本研究發現，紫云英不同F4株系對氮、磷、鉀養分的吸收能力不同。總體而言，各株系養分總積累量的多少同生物量的規律大致相同，整株氮磷鉀養分累計積累量最高的是m83xzh-1-4-4，達到了346.31 mg·盆-1；其 次 是m83xzh-1-4-8、m83xzh-1-4-13和m83xzh-1-4-6，分 別 為330.84、320.80和302.31 mg·盆-1。但各株系在不同養分的積累上略有不同，其中，m83xzh-1-4-4的地上部磷、鉀積累量和地下部氮積累量均為最高；m83xzh-1-4-8的地上部氮積累量最高；m83xzh-1-4-11的地下部磷積累量最高；m83xzh-1-2-3的地下部鉀積累量最高。由此可見，各個株系間對氮、磷、鉀養分的吸收能力不同，表現出了明顯的分異特征。這一方面是品種自身遺傳因素的影響，另一方面也可能因紫云英株系間的結瘤固氮效果不同所致［26］，或可能與其所引起的根系分泌物和根際微生物的種類、濃度不同有關［27］，具體原因還需要進一步探究。

紫云英品種間的表型性狀差異顯著，不同品種在物候期、鮮草產量、株高、莖粗［28-29］等性狀上都有明顯差異。根據育種目標，利用不同類型的優良基因資源進行基因重組并借助輪回選擇對于種質改良、創新和組配雜交種具有重要作用。本研究利用的F4群體，其父本母本分別來自我國紫云英栽培最南端的福建和最北端的信陽，父本母本的表型性狀差異較大。以田間長勢健壯作為選擇目標，在F2代選擇優良單株，經F3代自交獲得F4群體。本研究結果表明，18個紫云英F4株系之間表現出了較大的分異特征。從生物量、氮磷鉀養分吸收量等方面，可以將18個株系聚類為3類，說明即使按照一定的目標進行育種選擇，由于其內在的遺傳特性，也會導致遺傳后代的生物量及養分性狀出現分離。這些分離的性狀，可以作為未來新品種選育的重要參考。本研究僅是對各株系的農藝性狀及養分吸收等進行了觀測和分析比較，有關性狀差異的生理和分子機制，有待于進一步研究探討。

4 結論

根據地上部鮮重、干重，地下部鮮重、干重，地上部氮、磷、鉀積累量和地下部氮、磷、鉀積累量10項指標，對該紫云英重組自交系群體中的18個F4株系進行了分析，株系的生物量、養分積累量表現出明顯分異。經聚類分析，結果表明，當距離系數d=25時，可將各株系分為3類，其中綜合性狀表現優良的株系為m83xzh-1-4-4、m83xzh-1-4-6、m83xzh-1-4-8和m83xzh-1-4-13，以株系m83xzh-1-4-4的地上部磷、鉀積累量和地下部氮積累量最高，并且具有較高的鮮草產量。本研究結果可為后續按目標性狀選育紫云英新品種提供參考。