蚕豆种质资源种子表型性状精准评价

杨生华刘 荣杨 涛张红岩杜萌莹宗绪晓*

（1临夏州农业科学院，甘肃临夏 731100；2中国农业科学院作物科学研究所，北京 100081）

蚕豆种质资源种子表型性状精准评价

杨生华1刘 荣2杨 涛2张红岩2杜萌莹2宗绪晓2*

（1临夏州农业科学院，甘肃临夏 731100；2中国农业科学院作物科学研究所，北京 100081）

为深入了解蚕豆种质资源种子表型性状特征及相关性，以防虫网隔离纯化1代的554份国内外蚕豆种质资源为试材，利用相关分析、主成分分析、聚类分析等方法，对采用数码考种仪获得的种子表型性状进行了综合分析。结果表明：供试蚕豆种质资源种子表型变异范围广，遗传多样性丰富，以百粒重的变异最大；百粒重、种子投影面积、周长、粒长、粒宽和直径这6个表型性状之间具有较高的相关性，相关系数均大于0.80且达到了极显著水平；对8个数量性状进行主成分分析，前3个主成分的贡献率分别为74.60%、23.09%和1.70%，累计贡献率达到99.39%，几乎覆盖参试种子数量性状的全部信息，上述6个表型性状的变异对第1主成分贡献较大，均为籽粒大小性状；聚类分析将所有参试材料聚为3类，与播期和地理来源有一定相关性。基于种子表型性状的综合分析，筛选出11份具有近圆形种子、适宜全程机械化种植和8份具有高产潜力的优异蚕豆资源。

蚕豆；种质资源；种子表型性状；相关分析；主成分分析；聚类分析；育种改良

蚕豆（Vicia faba Linn.）在分类学上隶属于豆科蝶形花亚科野豌豆族巢菜属，是该属唯一的栽培种（郑卓杰，1997）。在经济学上，蚕豆是温带和亚热带地区一种重要的食用豆类作物，在我国的栽培历史超过2 100年（王海飞 等，2011）。2014年，全世界干蚕豆生产面积239.496万hm2，总产量434.25万t；其中我国生产面积92.5万hm2，总产量159.50万t，分别占世界蚕豆总生产面积和总产量的38.62%和36.73%，位列第一（FAO，2014）。近年来我国蚕豆鲜籽粒加工生产、贸易极具优势，据Li等（2016）统计，2014年度我国鲜食蚕豆生产面积42.77万hm2，总产量519.76万t，这标志着中国蚕豆生产已进入以干蚕豆为主、干鲜蚕豆并举的新格局。中国蚕豆在生产上分为秋播和春播两大生态区，秋播蚕豆以西南地区和长江流域为主，春播蚕豆以西北和华北北部为主（叶茵，2003）。我国现保存国内外蚕豆种质资源5 093份，国内地方资源和育成品种占63.62%，国外引进资源占36.38%（郭兴莲和刘玉皎，2008）。蚕豆不仅具有生物固氮作用，而且富含高蛋白，易被消化吸收，具有可粮、饲、菜兼用和深加工增值等特点，是种植业结构调整中重要的间套作物和养地作物（王海飞和宗绪晓，2011）。虽然我国已经育成了多个蚕豆品种，例如抗病优质型品种成胡13、大粒高产型品种青海12号及大荚大粒鲜销型品种通蚕鲜6号等（程须珍和王述民，2009），但是2014年我国干蚕豆平均单产114.95 kg·（667 m2）-1，低于世界的平均水平120.88 kg·（667 m2）-1（FAO，2014），其原因还是蚕豆育种目标性状方面的研究不够深入细致（卢庆善和赵廷昌，2011）。

由生产实践经验可知，影响蚕豆产量的重要因素有单株荚数、单荚粒数和百粒重，籽粒大小是决定粒重的重要因素，粒长和粒宽是籽粒大小的构成因素，而粒长、粒宽的比值决定籽粒的形态。也有研究认为种子长、宽、投影面积和密度等是影响粒重的重要表型性状，也是影响种子品质和植株生长势的重要因素（刘生祥和宋晓华，2003；Fuller， 2007；佘诚棋 等，2009）。目前，关于蚕豆种质资源的研究大多为形态性状鉴定和多样性分析（刘玉皎和宗绪晓，2008；王晓娟 等，2009；徐东旭 等，2010；康智明 等，2015）。

本文从育种目标关键性状——种子表型性状出发，包括百粒重、投影面积、周长、长宽比、粒长、粒宽、直径、圆度等8个数量性状和质量性状粒色，对不同地理来源的554份蚕豆种质资源进行了综合比较分析，为挖掘优异种质材料，拓宽蚕豆品种改良与种质资源创新提供重要理论依据。

1　材料与方法

1.1供试材料

供试材料是从青海防虫网隔离纯化1代的3 000多份蚕豆资源中，按不同地理来源选取的具有充分代表性的554份材料，其中国外种质资源99份来自世界5大洲35个国家；国内种质资源455份覆盖了春播区和秋播区的18个省（区），其中春播区资源143份，秋播区资源312份（表1）。

表1　供试554份蚕豆种质资源来源地

续表

1.2试验方法

1.2.1田间试验 采用顺序排列，2014年3月27日将554份材料种植于青海省农林科学院隔离网棚内，每份种质播种3～5粒，9月3日成熟后按单株收获中部荚籽粒5～10粒。

1.2.2种子表型性状测定 收获的种子用SC-G型自动考种分析及千粒重仪（万深），正片扫描自动导出种子性状相关参数，包括：百粒重、投影面积、周长、长宽比、粒长、粒宽、直径和圆度共8个数量性状。

1.2.3数据分析 采用Microsoft Excel 2013计算平均数、标准差和变异系数；利用DPS v 7.05软件对表型数据进行相关分析和主成分分析；根据种子表型数量性状数据，利用Popgen 32软件计算种质资源间的欧式距离及相似性系数，再利用Mega 5.0软件对554份种质资源进行聚类分析；利用SPSS 16.0软件进行方差分析及多重比较。

2　结果与分析

2.1蚕豆种质资源种子表型数量性状变异性

如表2所示，供试材料平均百粒重76.01 g，变异幅度14.23～172.35 g；百粒重最大的是来自伊拉克的资源76TA56297，其次为春播区甘肃平凉资源，均值为171 g。从不同来源看，国外资源百粒重最高，平均为93.83 g；其次为国内春播区资源，平均为79.96 g；国内秋播区资源百粒重最小，平均68.59 g。此外，百粒重超过100 g的资源有99份，占供试资源的17.87%；百粒重超过140 g的资源有14份，其中国外资源8份，国内春播区资源2份，秋播区资源4份。

变异系数表示性状离散程度，变异系数越大则表明离散程 度越大。总体来看（表2），在蚕豆种子的8个表型性状中，百粒重的变异系数最大，达36.12%；种子的长宽比和圆度的变异系数较小，分别为5.81%和5.90%。从不同来源看，无论国内春播区、秋播区材料还是国外材料，变异系数最大的均为百粒重，分别为31.48%、35.97%和31.75%；其次为种子投影面积，分别为27.07%、27.18%和28.03%。此外，不同来源的种质资源间，8个性状的变异系数为5.35%～35.97%，平均值为16.28%，说明国外与国内春播区和秋播区资源间总体上遗传变异的离散程度及丰富性相似。

表2　554份蚕豆种质资源种子性状主要参数

表3　蚕豆种质资源8个种子性状的相关性

2.2蚕豆种质资源种子表型数量性状的相关分析

如表3所示，在8个性状中，只有粒宽与长宽比、粒宽与圆度之间的相关性没有达到显著水平，其余性状间的相关性均达到极显著水平（P＜0.01）。其中，百粒重、种子投影面积、周长、粒长、粒宽和直径这6个性状两两之间的相关性不仅达到了极显著水平，且相关系数均大于0.80，说明这些性状之间高度正相关。百粒重是蚕豆分类的重要指标，也是蚕豆常规育种中一项极为重要的育种目标。因此在蚕豆育种中，也可将种子的投影面积、周长、直径、粒长和粒宽作为选择的重要指标。

2.3蚕豆种质资源种子表型数量性状的主成分分析

供试材料的8个性状之间存在很强的相关性，为了能充分反映蚕豆种质资源种子表型数量性状变异的主要来源，对这8个种子数量性状进行了主成分分析，并计算出相关矩阵的特征值、特征向量以及特征值的累计贡献率（表4）。前3个主成分的贡献率分别为74.60%、23.09%和1.70%，累计贡献率达到99.39%，表明这3个主成分已经覆盖参试材料种子数量性状的几乎全部信息。

表4　蚕豆种质资源种子性状的主成分分析

主成分1的特征值为5.97，贡献率占74.60%，对应的特征向量中以粒长、投影面积、周长、直径、百粒重和粒宽这6个性状的向量值较高，分别为0.41、0.40、0.40、0.40、0.38、0.38，说明第一主成分主要描述的是籽粒大小的变异，且这6个性状为参试资源中种子籽粒大小变异的主要来源，应作为重要的育种目标，在蚕豆的高产育种中着重加以考虑。主成分2的特征值为1.85，贡献率占23.09%，对应特征向量中长宽比和圆度这两个性状的特征向量的绝对值较高，分别为0.68、0.67，说明该主成分主要描述的是籽粒形状，由于长宽比对第2成分有负相关作用，因此表明籽粒越宽，种子越圆。主成分3的特征值为0.14，贡献率仅占1.70%，对应特征向量中百粒重的向量值最高，为0.92，说明该主成分主要描述的是粒重因子。

2.4蚕豆种质资源种子表型数量性状的聚类分析及类群间差异比较

聚类分析结果如图1所示，在遗传距离为0.23～0.24时，供试资源可分为3个类群：第Ⅰ类群包含271份种质资源，占供试资源的48.92%，分布范围广泛，以国内秋蚕豆为主，包括安徽、湖北、湖南、江苏、浙江、四川、贵州、江西、广西、陕西和河北等11个省份；第Ⅱ类群包含种质资源280份，占供试资源的50.54%，以国外资源和春蚕豆为主，包括国外的大洋洲、非洲、欧洲和亚洲，国内春播区的宁夏、甘肃、青海、内蒙古、新疆、山西和秋播区的云南省；第Ⅲ类群最小，仅包含美洲的3份资源。

图1　基于8个种子数量性状的蚕豆种质资源聚类图

如表5所示，总体来看，第Ⅰ类群种子最小，百粒重平均值为65.88 g，相应的投影面积、粒长、粒宽和直径也最小；第Ⅱ类群种子居中，百粒重平均值为85.82 g，种子的长宽比较大；第Ⅲ类群种子最大，百粒重平均值为90.10 g。对3个类群间种子性状的统计分析结果发现，第Ⅰ类群和第Ⅲ类群之间具有明显差异，在5个种子性状上均表现出了显著差异，而第Ⅱ类群则仅在种子长宽比这个性状上表现出与第Ⅲ类群的显著差异。

2.5适宜全程机械化种植的近圆形蚕豆资源

通常认为，种子长宽比越小，圆度越高，越有利于机械化生产。本试验通过蚕豆种质资源种子表型性状分析发现，总体来说，种子长宽比平均值为1.33，最小值为1.11，圆度平均值为0.75，最大值为0.90；按不同来源来看，国内秋播蚕豆的种子长宽比较小，圆度较高，均值分别为1.31和0.76（表2）。在所有参试资源中，种子长宽比介于1.10～1.20之间的资源有22份，其中有18份为南方秋播蚕豆，国外叙利亚、黎巴嫩的资源各1份，山西的春播蚕豆2份；圆度大于0.85的有10份，其中9份为南方秋播蚕豆，1份为国外叙利亚的资源。综合种子性状分析结果，筛选出在长宽比和圆度上表现较好的15份资源，其中有11份资源在这两个性状上均居参试资源的前15位（表6）。这些近圆形的蚕豆资源可为全程机械化蚕豆育种提供优异亲本，引领未来蚕豆育种方向。

表5　不同类群间种子数量性状方差分析及多重比较

表6　15份适宜全程机械化种植的近圆形蚕豆资源

2.6具有高产潜力的大粒型蚕豆优异资源

综合以上种子性状的分析结果，筛选出分别在6个种子大小性状（包括百粒重、投影面积、周长、直径、粒长和粒宽）上表现较好的15份资源。百粒重排名前15的种质资源，其均值均接近甚至大于140 g，其中国外资源有8份，春播蚕豆2份，秋播蚕豆5份，籽粒颜色以乳白色为主。与此同时，这些品种资源在其他性状上也表现良好。其中76TA56297、平凉蚕豆、Turkishloc、小青豆、78S 49895、77TA88311、79S 97514和大胡豆这8份资源在百粒重、投影面积、周长、直径、粒长和粒宽这6个籽粒大小性状上均居参试资源的前15位，因此这些资源可作为具有高产潜力的大粒型优异资源加以后续利用（表7）。

表7　在6个种子表型性状上表现较好的8份蚕豆种质资源及其对应值

3　结论与讨论

中国作为世界第一蚕豆生产大国，其分布区域广，生态差异大，种质资源十分丰富，我国收集的不同地理来源的蚕豆资源在籽粒大小、种皮颜色、粒重等形态性状方面的类型十分丰富，多为异质杂合体，尤其是地方资源，在更新中应加强资源的纯化，对纯系资源进行深入研究，为科学选用亲本提供理论依据。

3.1不同来源蚕豆种子表型变异比较

以往关于蚕豆种质资源的研究，大多为形态性状鉴定和多样性分析，较少涉及不同来源种子表型变异的比较（王晓娟 等，2009；徐东旭 等，2010；康智明 等，2015）。本试验结果表明，554份具有充分代表性的参试蚕豆资源在百粒重、投影面积、周长、直径、粒长和粒宽这6个数量性状上都有较大变异，特别是百粒重和投影面积，说明这批资源种子表型变异范围广，遗传多样性丰富，资源选择范围大。从不同来源看，各性状的变异系数差异不大，说明国外与国内春播区和秋播区资源间离散程度及丰富性相似。

3.2性状的相关性及其对表型变异的贡献

对蚕豆种子性状的相关性分析，可以为育种目标的确定以及选择方案的制定提供重要依据。以往关于小麦种子性状之间相关性的研究为小麦育种提供了重要的参考资料（Dholakia et al.，2003；Sun et al.，2009；王寒冬 等，2015）。本试验结果发现蚕豆百粒重、种子投影面积、周长、粒长、粒宽和直径这6个性状之间高度相关，相关系数均大于0.80，且达到了极显著水平，这与小麦中的研究结果类似。百粒重是蚕豆分类的重要指标，育种时可依选择指标酌情严格选择。此外，还可拓展种子投影面积、周长、粒长、粒宽和直径这些相关性状作为育种目标加以选择利用。

由于种子性状之间具有较高的相关性，通过主成分分析可以去除冗余信息，提取主要变异，还能分析不同性状对变异的相对贡献（袁志发和周静宇，2003）。刘玉皎和宗绪晓（2008）对153份青海蚕豆资源的12个形态性状进行主成分分析，前6个主成分累计贡献率达87.89%，基本反映了资源的绝大部分信息，而且不同主成分包含性状类型的差异较大。袁名宜等（1997）对50份地理来源不同的蚕豆资源的7个形态性状进行主成分分析，结果表明前4个主成分能反映全部数量性状信息，累计贡献率86.3%，在4个主成分中不同性状载荷值明显不同，可以将性状明显归类。与以往研究不同，本研究基于8个种子数量性状，对554份资源进行主成分分析，结果显示前3个主成分能反映种子性状的绝大部分信息，累计贡献率达到99.39%。第1主成分可以解释总变异的74.6%，主要描述的是籽粒大小，可在蚕豆的高产育种中加大该主成分相关性状的考虑；第2主成分主要描述的是籽粒形状，对总变异的贡献相对较小。

3.3蚕豆种质资源的遗传结构

遗传结构检测是种质资源保护和利用的重要研究内容之一，以往基于形态性状对蚕豆种质资源遗传结构的研究已取得了重要成果。王海飞（2011）对802份国内外蚕豆资源，通过聚类分析和主成分分析，发现中国不同省份或不同生长习性的蚕豆资源群体间遗传变异水平远大于国外资源群，其春播区和秋播区蚕豆资源差异显著。刘玉皎和宗绪晓（2008）将153份蚕豆资源聚为3大群组，主要表现为籽粒大小的差异，也就是3大群组的划分与百粒重密切相关。而袁名宜等（1997）则根据株高的差异将50份蚕豆资源划分为两大类群，结果表明蚕豆种质资源的地理分布和分类有一定的联系，然而同类群的资源遗传距离较近，但地理来源不同。本试验基于种子表型数量性状，通过聚类分析将554份蚕豆种质资源聚为3个大类群，其群组的划分与籽粒大小、地理分布有关，这与以往的研究结果相似，秋播区的资源大多聚在第Ⅰ类群，百粒重较小；春播区的资源与国外资源大多聚在第Ⅱ类群，百粒重较大。各类群间种子性状差异明显，主要表现为第Ⅰ类群和第Ⅲ类群的差异，说明秋播区的资源与美洲的资源在种子性状上差异显著。基于蚕豆种质资源遗传结构的研究结果，在育种实践中，按照性状互补、亲缘关系的远近配制组合，可使育种亲本的选配更加完善。

3.4具有近圆形种子的优异蚕豆资源有助于全程机械化干蚕豆新品种选育

一直以来，国内培育的蚕豆新品种粒形大多为阔薄型和阔厚型种子，在机械化播种时籽粒容易卡在播种机内，出现断播、漏播、浮种现象，至今还以传统手工播种为主。另外，在收获脱粒时，还容易将籽粒打碎、打破，使其商品性变差，因而不适合机械化操作。通常认为，种子长宽比越小，圆度越高，越有利于机械化生产，可有效避免上述问题的发生。本试验通过蚕豆种质资源种子表型性状分析发现，秋播蚕豆的种子长宽比均值较小，圆度均值较高。同时，本试验还筛选出了11份具有近圆形种子的优异蚕豆资源，在上述两个性状上均居参试资源的前15位，这些资源可为适宜全程机械化蚕豆育种提供优异亲本，并对实现蚕豆全程机械化及其产业化发展起到积极的推动作用。

3.5具有大粒型指标的优异蚕豆资源有助于鲜食蚕豆新品种选育

种质资源是作物育种的物质基础，挖掘蚕豆优异种质是品种改良的重要工作。本试验通过蚕豆资源种子表型性状分析，发现各性状具有丰富的遗传变异类型，尤其是百粒重、投影面积、周长、直径、粒长和粒宽这6个性状。它们彼此之间具有较高的相关性，且均为籽粒大小性状并对种子表型变异贡献较大，因此可作为育种筛选的重要指标来进行品种选育。本试验选取在这6个性状上排名前15的资源进行比较，发现有8份资源在这6个性状上均居参试资源的前15位，分别是76TA56297、平凉蚕豆、Turkishloc、小青豆、78S 49895、77TA88311、79S 97514和大胡豆。这些具有高产潜力的大粒型优异资源有望在未来鲜食蚕豆育种中发挥重大作用。

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Accurate Evaluation on Seed Phenotypic Traits of Faba Bean Germplasm Resources

YANG Sheng-hua1，LIU Rong2，YANG Tao2，ZHANG Hong-yan2，DU Meng-Ying2，ZONG Xu-Xiao2*
（1Linxia Prefecture Academy of Agricultural Sciences，Linxia 731100，Gansu，China；2Institute of Crop Science，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Beijing 100081，China）

For in-depth understanding the feature and correlation of seed phenotypic traits of faba bean germplasm resources，comprehensive analyses were conducted in combination with correlation analysis，principal component analysis and cluster analysis，etc. taking domestic and overseas 554 sets purified for 1 generation of faba bean germplasm resources by insect nets as material，on seed phenotypic traits obtained from digital equipment of seed examination. The results revealed that the tested seed phenotypic traits of faba bean germplasm resources had a wide range variation and rich genetic diversity，especially in the trait of 100-seed weight. Correlation analysis found that there was high correlation among 6 phenotypic traits of seed，including 100-seed weight，seed projection area，perimeter，seed length，seed width and diameter；and the correlation coefficients were greater than 0.80，reaching extremely significant level. The principal component analysis of 8 quantitative traits showed that the component contribution rate of the former 3 components were 74.60%，23.09% and 1.70%，respectively，with the cumulative contribution rate of 99.39%，almost covering the whole information of the quantitative traits of the tested seeds. The variation of the above mentioned 6 phenotypic traits contributed largely to the first principal component，which were all seed size characters. The cluster analysis showed that all the tested material were classified into 3 groups associated with sowing time and geographical origin to some extent. Based on the comprehensive analyses of seed phenotypic traits，11 genotypes with nearly spherical seeds and 8 genotypes with high yield potential resources were selected for faba bean genetic improvement suitable for mechanized production，and vegetable faba beans with high yield.

Faba bean（Vicia faba L.）；Germplasm resources；Seed phenotypic traits；Correlation analysis；Principal component analysis；Cluster analysis；Breeding improvement

杨生华，女，研究员，专业方向：蚕豆遗传育种，E-mail：lxyangshenghua@163.com

（

）：宗绪晓，男，博士，研究员，专业方向：食用豆类种质资源与基因组学研究，E-mail：zongxuxiao@caas.cn

2016-05-10；接受日期：2016-07-26

农业部种质资源保护项目（2016NWB036-07），中国农业科学院科技创新工程/作物种质资源鉴定与发掘团队项目