外引豌豆资源的鉴定及主要数量性状的主成分分析

2015-01-27李莉，万正煌，焦春海，陈宏伟，刘昌燕，伍

湖北农业科学 2014年23期

李莉，万正煌，焦春海，陈宏伟，刘昌燕，伍广洪

摘要：研究了15份外引豌豆（Pisum sativum L.）种质资源的主要农艺、经济性状。结果表明，豌豆种质资源具有较高的变异系数，为23.66%-50.25%。豌豆的单株产量与单株分枝数、单株荚数极显著正相关（P<0.01），豌豆资源的始荚节位与主茎节数极显著正相关，且这两个性状都与株高极显著正相关（P<0.01）。8个数量性状综合成为4个主成分，且这4个主成分构成的信息量可解释总信息量的94.79%。选用前4个主成分值计算各种质间的遗传距离，按遗传距离大小在D2=3.57水平下可将15份种质资源聚类划分为5大类群。

关键词：豌豆（Pisum sativum L.）;种质资源;鉴定;主成分分析

中图分类号：S322.2 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）23-5643-06

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.23.007

农作物种质资源是人类生存和发展最有价值的宝贵财富，是作物育种、生物科学研究和农业生产的物质基础[1]，是21世纪重要的战略性资源之一[2]。1953年Kujala在芬兰报道了普通豌豆所有小叶突变成卷须的突变体（无叶型、半无叶型），同时研究证明此种突变体在豌豆中最抗倒伏，但此特征特性当时并没有应用于豌豆的遗传育种。而法国由于半无叶豌豆品种的培育成功，使豌豆采收进入机械化时代，豌豆种植面积由8万hm2 最高增加到60万hm2，使产量由原来的2250 kg/hm2增加到4 500 kg/hm2以上，从而使法国豌豆栽培面积和总产在世界豌豆生产中一直占有举足轻重的地位，这表明豌豆种质资源中蕴藏着巨大的增产潜力[3-5]。

豌豆是我国重要的小宗粮豆作物之一，具有较高的开发利用价值。中国豌豆杂交育种工作起步晚，可利用的豌豆亲本资源有限，亲本群体更新滞后，遗传基础狭窄。引进国外豌豆种质能迅速进行品种改良，可有效拓宽豌豆的血缘基础，能在提高育种效率的同时满足对豌豆品种多样化的需求[6-8]。2009-2012年本团队共引进了15份豌豆种质资源，其中包括收集于豌豆次生起源中心的10份埃塞俄比亚豌豆资源。本研究主要是对以上引进种质开展了田间生物学表现和主要农艺经济性状的鉴定，并采用多元统计方法进行主成分分析和聚类分析，探讨性状间的相互制约及协同关系，科学评价外引豌豆种质资源的真实表现，掌握引进种质的特征和特性，以期为提高外引豌豆种质资源的利用效率提供参考依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于2012-2013年在湖北省农业科学院粮食作物研究所试验基地进行。试验地位于北纬30°29′，东经114°18′，海拔15 m，属亚热带季风性湿润气候区，年平均气温15.8～17.5 ℃，年降雨量1 100～1 270 mm，年无霜期211～272 d。耕层土壤有机质含量为26.3 g/kg，土壤pH 7.30。

1.2 供试材料

供试豌豆种质资源共计15份，均为湖北省农业科学院2009-2012年从韩国、泰国和非洲埃塞俄比亚、塞内加尔等国家引进，名称及来源详见表1。

1.3 试验设计

试验采取顺序排列，每个种质资源材料种植3行，小区面积3 m2（2 m×1.5 m），行距0.5 m，株距0.12 m。试验田土壤肥力中等，基施复合肥375 kg/hm2，生育期内间苗1次，定苗1次，密度为20株/m2，人工除草2次，按常规栽培技术进行田间管理。

1.4 数据调查方法

在每小区中取中间行，从第3株开始连续取样生长正常的10个植株进行田间观察记载和室内考种。按照《豌豆种质资源描述规范和数据标准》[9]中相关性状的描述，对22个性状进行了田间调查和室内考种，调查鉴定项目及标准见表2。

1.5 数据处理及统计分析

基本数据处理采用Excel（Microsoft office，2003）数据软件进行，主成分分析和聚类分析采用DPS数据处理软件[10]进行。参加主成分分析的性状为株高（x1）、单株分枝数（x2）、百粒重（x3）、单株产量（x4）、单株荚数（x5）、始荚节位（x6）、主茎节数（x7）、果节数（x8）。对总遗传方差贡献率达95%的前几个成分入选主成分，利用第一步确定的主成分值求取各种质资源之间的欧氏距离，并进行系统聚类。

2 结果与分析

2.1 豌豆种质资源形态特征和生物学特性比较

豌豆各种质资源的形态特征和生物学特性见表3。豌豆开花时间的长短是判断其光温敏感程度的最重要指标，供试豌豆种质资源的开花时间为133～141 d，平均为136 d，开花时间的相对集中表明外引豌豆资源间的光温敏感性没有明显差异，能较好适应武汉的生态条件。15份豌豆种质资源的生育期为186～195 d，平均为192 d，极差为9 d，没有发现极早熟和极晚熟资源。豌豆资源生育期变异范围较小可能是豌豆生育后期武汉气温上升较快，且雨热同期，使子粒灌浆到成熟时间缩短，从而使资源间的差异不明显。外引豌豆资源的复叶叶型有普通型和无叶型两种，其中复叶为普通型的豌豆资源占87%。豌豆始花节位低，则早期结荚的可能性提高，参试种质资源的始花节位最低的在第3节，最高的在第19节，平均在第11节，其中始花节位在10节以下的资源有4个，分别是WDHG001、WDHG002、WDHG003、WDAS010。15份外引豌豆资源的花色可分为白色、浅红色、浅紫色和紫红色4种，比例为9∶2∶2∶2。武汉越冬期间的低温时间不长，一般的豌豆品种都能安全越冬，参试豌豆种质资源中耐冻性偏差的资源为WDHG001和WDHG003。

2.2 外引豌豆资源子粒外观特征分析

国外引进豌豆种质资源的子粒外观形态类型分析和统计结果见表4。粒形是豌豆子粒的外观形态，因种质资源不同，形态呈现出多样性。供试豌豆资源的粒形有球形和柱形两种类型，其中柱形的种质资源占47%，球形的种质资源占53%。从种皮平滑度上看，干子粒种皮表面平滑的种质资源比例达53%，另外7份豌豆种质资源干子粒表面光滑度较差，种子表面有凹坑。子粒的色泽由其种皮色素成分的种类及含量决定，其中总黄酮和花青素的含量是主要影响因素。供试豌豆种质资源的粒色有绿色、粉红、褐色和淡黄色4种，其中粒色为绿色的种质资源最多，占53%，粒色为粉红色的资源有4份，粒色为褐色的资源有2份，粒色为淡黄色的资源有1份，分别占供试资源的27%、13%和7%。种脐是种子成熟后从胎座上脱落后留下的痕，其颜色随种质资源种类而有所不同，脐色为褐色和灰白色的豌豆种质资源数量较多，占资源总数的67%，其余5份豌豆资源的脐色为黄色和黑色。供试豌豆的子叶颜色有4种，分别为淡黄、橙黄、黄绿和绿色，所占资源的比例分别为40.0%、33.3%、13.3%、13.3%。豌豆种皮破裂率是豌豆子粒外观形态的一个重要指标，对品种的商品性影响较大。供试15份豌豆中，有11份种质资源无明显的种皮自然开裂情况，其余4份种质资源中，WDHG003的种皮破裂率略高，达10%，WDHG001、WDTG002和WDAS008的种皮破裂率为2%～3%。

2.3 豌豆种质资源主要数量性状的变异情况及各数量性状间的相关性分析

15份豌豆资源的8个主要农艺性状的考种结果见表5。由表5可以看出，株高的变异系数最大，为50.25%;单株有效荚数、单株产量和单株有效分枝数变异系数较大，分别达37.07%、35.98%和35.94%;主茎节数、始荚节位和单株果节数的变异系数较小，分别为24.58%、30.24%和33.91;百粒重的变异系数最小，仅为23.66%。这表明15份豌豆种质资源各具特色，差异明显，资源类群丰富。

分析表6可知，豌豆的单株产量、单株分枝数、单株荚数和果节数这4个数量性状间都呈极显著正相关（P<0.01），而这4个数量性状都是决定豌豆单位面积产量的重要因素。豌豆资源的始荚节位和主茎节数呈极显著正相关，且这两个性状都和株高、果节数、单株荚数呈极显著正相关（P<0.01）。豌豆单株产量与株高、始荚节位和主茎节数这3个数量性状呈显著正相关（P<0.05）。

2.4 豌豆种质资源主要数量性状的主成分分析

对供试种质资源的8个农艺性状进行主成分分析，计算得特征根、特征根累计方差贡献率和主成分特征向量。各特征根大小代表各综合指标遗传方差大小，各特征根累计方差贡献率代表各有关综合指标对总遗传方差的贡献率，选用对总遗传方差贡献率达94.8%的前4个特征根分析其分量来源（表7）。

利用入选的特征值和特征向量计算供试种质资源的主成分值，可得到各主成分值计算方程式如下：

第一主成分：y1=0.338 1x1+0.371 6x2+0.168 9x3+0.357 4x4+0.398 8x5+0.351 6x6+0.379 6x7+0.405 7x8

第二主成分：y2=-0.393 4x1+0.318 4x2+0.697 7x3+0.119 5x4+0.117 7x5-0.328 4x6-0.327 8x7+0.116 2x8

第三主成分：y3=-0.071 5x1-0.006 3x2+0.467 6x3-0.669 8x4-0.149 4x5+0.469 8x6+0.283 5x7-0.064 8x8

第四主成分：y4=0.089 4x1+0.413 2x2+0.078 7x3+0.397 9x4-0.521 9x5+0.324 9x6-0.090 5x7-0.520 2x8

分析表7可知，8个数量性状都对第一主成分有正影响，其中权重系数较大的有果节数和单株荚数。第二主成分的特征向量中，百粒重为正值且权重较大，构成变异的主要来源。第三主成分的特征向量中单株产量为负值，且较大，构成变异主要来源，正值中百粒重和始荚节位的权重较大。第四主成分的特征向量中，单株荚数和果节数为负值，单株分枝数为正值，即第四主成分得越大，则表明该资源的分枝数较多，但单株荚数和果节数却相对偏低，如WDAS008就属于这类种质资源。

按照y1、y2、y3、y4计算方程式和相应的特征向量及品种各性状标准化基因型值，计算出15份豌豆种质资源的第一至第四主成分y1、y2、y3、y4值，作为评价上述种质综合性状优劣的标准，并根据主成分值对豌豆种质资源进行排序，排序结果见表8。

2.5 遗传距离测定与聚类分析

由供试豌豆前4个主成分值计算种质资源间的遗传距离，用最长距离法进行聚类并获得聚类图（图1），并按照D2=3.57的聚类水平将15份豌豆种质资源分为5大类群（表9）。

由表9和图1可知：Ⅰ类群共有5份种质资源，可分为2个亚类群，ⅰ亚类群包括来自泰国的1号和2号种质资源，该亚类群属于株高、单株分枝数、百粒重、单株荚数和单株产量都中等的类群，ⅱ亚类群包括10号、13号和14号种质资源，该亚类群属于单株分枝数较多、百粒重较重的类群。Ⅱ类群包括7号和9号种质资源，属于株高偏高、单株分枝数多、果节数多、单株荚数多、百粒重低的类群。Ⅲ类群共有5份种质资源，可分为2个亚类群，ⅰ亚类群包括来自埃塞俄比亚的6号、8号、11号和12号种质资源，该亚类群属于株高偏高、百粒重偏低的类群，ⅱ亚类群是来自塞内加尔的豌豆资源，该亚类属于株高矮、百粒重低的类群。Ⅳ类群和Ⅴ类群由来自韩国的豌豆种质资源组成，属于主茎节数少、株高矮、始荚节位低、单株荚数少、单株产量低的类群。

3 结论与讨论

种质资源是在长期演化过程中由于基因突变、基因交流和生态遗传分化，经自然选择和人工选择而形成的一种重要自然资源，它蕴藏着自然和人为引起的极其丰富的遗转变异，可以给育种工作者提供丰富的亲本选配空间。因此，引进和征集大量的作物遗传资源，并通过鉴定、筛选和分析评价进而了解和掌握其特点，对种质资源的合理开发和充分利用都具有重要意义[11-13]。

参试的15份豌豆种质资源都能较好地适应武汉的生态条件，在复叶叶型、始花节位、花色、粒形、粒色、种皮和耐冻性等形态特征和生物学特性上都表现出各种质所固有的特征特性和差异性。分析各种质资源的8个主要数量性状可知，按变异系数大小排序为株高、单株荚数、单株产量、单株分枝数、果节数、始荚节位、主茎节数、百粒重，这表明15份豌豆种质资源各具特色，差异明显，资源类群丰富。分析以上8个数量性状间的相关性可知，豌豆的单株产量、单株分枝数、单株荚数和果节数4个数量性状间都呈极显著正相关，豌豆资源的始荚节位与主茎节数呈极显著正相关，且这两个性状都与株高、果节数、单株荚数呈极显著正相关。

由于豌豆各性状间存在相关性，因此通过主成分分析将种质资源的8个主要数量性状综合为4个主成分，形成综合而又相互独立的评价指标，且这4个主成分能提供参试材料94%以上的信息量。第一主成分代表果节数和单株荚数，第二主成分代表百粒重，第三主成分代表单株产量，第四主成分代表单株分枝数。根据主成分值计算各品种间遗传距离表明，15份种质资源所属类群广泛，所属不同类群间既存在差异也存在一定相似。可将15份种质资源分为5大类群，Ⅰ类群共有5份种质资源，可分为2个亚类群，ⅰ亚类群的种质资源来自泰国，ⅱ亚类群的种质资源来自埃塞俄比亚;Ⅱ类群有2份种质资源，来自埃塞俄比亚;Ⅲ类群共有5份种质资源，ⅰ亚类群的种质资源来自埃塞俄比亚，ⅱ亚类群的种质资源来自塞内加尔;Ⅳ类群和Ⅴ类群共有3份种质资源，都来自韩国。

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