云南蔓生型普通菜豆资源形态学遗传多样性分析

代程，何玉华，包世英，王丽萍，杨峰，于海天，吕梅媛

(云南省农业科学院粮食作物研究所，云南昆明650205)

云南蔓生型普通菜豆资源形态学遗传多样性分析

代程，何玉华*，包世英，王丽萍，杨峰，于海天，吕梅媛＊＊

(云南省农业科学院粮食作物研究所，云南昆明650205)

文章对129份云南地方蔓生型普通菜豆种质资源进行了农艺性状的遗传多样性分析。结果表明，在云南地区的普通菜豆种质资源在形态学上具有丰富的多样性。10个农艺性状的平均变异系数为0.24，其中以单株荚数的变异度最大，达到0.61。平均多样性指数为2.04，各性状间数值差异不大。通过因子分析中的主成分法将10个变量降维获得4个公共因子，含义清晰且解释度较好。利用公共因子得分进行聚类分析，129份菜豆资源可分为2大类5个亚群。其特征是:亚群Ⅰ表现为分枝及结荚多，单荚粒数多，百粒重较小而单株产量高;亚群Ⅱ表现晚熟，荚小，百粒重和单株产量低;亚群Ⅲ表现长荚;亚群Ⅳ资源数量最多，表现分枝少，较早熟;亚群Ⅴ表现为早熟，结荚少，荚型短宽且单荚粒数少，百粒重大。

普通菜豆;种质资源;遗传多样性;云南

普通菜豆(Phaseolus vulgaris L.)又名四季豆、芸豆等，英文文献中一般称为Common bean。普通菜豆起源于中美洲，主要分为两大起源中心:安第斯山脉起源中心和美索美洲起源中心［1－2］。中国是普通菜豆的次生起源中心之一［3］，产生了软荚变种P.vulgaris L.var.chinensis Hort.，其种质资源更多的来源于美索美洲起源中心［4］。普通菜豆在驯化过程中，其生物多样性不断丢失［5］，对其种质资源的收集、评价和保护工作显得尤为迫切。全世界保存普通菜豆资源最多的机构包括CIAT(35 891份)，USDA(14 674份)，Embrapa(14 460份)，INIFAP(12 752份)和IPK(8680份)［6］。这些机构对所保存的普通菜豆资源进行了深入研究，发现正是其丰富的生物多样性提高了普通菜豆的适应能力，从而可以在全球范围内广泛分布［7］。中国农业科学院(CAAS)是中国进行种质资源收集和保存工作最多的单位，目前保存有粒用普通菜豆资源4935份和荚用普通菜豆资源3186份［8］。蔓生型普通菜豆的种植和收获属于劳动密集型产业，中国在普通菜豆的生产和国际贸易中占有一定的优势［9］，对其种质资源的评价利用是维持产业健康可持续发展的重要保证。张赤红等［10］对全国普通菜豆资源进行了形态学生物多样性研究，发现来自云南地区的材料存在着丰富的遗传多样性，但是目前还没有专门针对云南地区普通菜豆资源进行生物多样性分析的研究。农艺性状广泛应用于生物多样性的研究工作［11］，文章对云南129份普通菜豆资源进行农艺数量性状调查，利用主成分法和聚类分析进行分类总结，为了解云南地区普通菜豆种质资源遗传的生物多样性分布情况，对核心种质的建立，资源的收集和保护，拓宽育种遗传基础提供理论依据和材料。

表1 农艺性状调查项目及描述标准Table 1 Agronomic traits and its survey standard for Yunnan common bean germplasm

1 材料与方法

1.1 试验材料

从云南各州(市)收集到的普通菜豆资源129份，其中保山2份，楚雄6份，大理25份，德宏6份，迪庆1份，红河6份，丽江8份，临沧11份，怒江23份，普洱10份，曲靖2份，文山5份，西双版纳3份，香格里拉3份，玉溪13份，昭通5份，收集地点涵盖了云南省除昆明市以外的所有州(市)。129份普通菜豆资源收集于2006－2012年，并于2013－2015年间种植于云南省农业科学院位于嵩明县小街镇的科研试验基地内。田间排列采用间比法设计，每份材料种植2行，共80株。

1.2 性状调查及调查标准

对参试资源的10项农艺性状进行调查(表1)，调查标准参照《普通菜豆种质资源描述规范和数据标准》［12］。

1.3 数据处理

平均值，标准差及变异系数等数据利用Excel软件进行计算。所有变量利用SPSS 22.0的分类功能进行10级分类，多样性指数按照Shannon-Weaver方法计算，采用公式为H’=－∑Piln Pi，Pi为某性状第i个代码值出现的概率。因子分析和聚类分析均使用SPSS 22.0软件，其中因子分析使用主成分法，聚类分析选用ward法及欧式距离作为标准。由于不同变量间的量级不同，在分析前均将原始数据进行Z标准化处理。

表2 农艺性状统计及多样性指数Table 2 Statistic and diversity index of agronomic traits for Yunnan common bean germplasm

表3 主成分的特征值及贡献率Table 3 Eigenvalues and variance contribution of principal components

2 结果与分析

2.1 参试资源遗传多样性分析

对参试资源的考种数据进行统计分析(表2)。结果显示，10个农艺性状的变异系数范围为0.11 (荚宽)至0.61(单株荚数)，离散程度均大于10%，平均值为0.24，说明这些资源在每个性状上都表现出明显的多态性，可以用于拓宽普通菜豆育种的遗传基础。多样性指数范围为1.79(生育期)～2.20 (荚长)，平均值为2.04，不同性状之间的多样性指数差异不大。

2.2 参试资源农艺性状的因子分析

由于变量的数量较多，为了便于分析哪类因子的变异造成了云南地区普通菜豆丰富的遗传多样性，利用因子分析中的主成分法对10个不同的变量进行了降维处理(表3)，结果显示前4个公共因子(特征值大于1)对方差的解释度达到了81.765%。其它因子的特征值远小于1，且方差贡献率很小，不能起到降维和解释变异的效果。因此在随后的分析中以前4个公共因子作为聚类依据。

为了使因子的含义更加清晰，使用了最大方差法进行因子旋转(表4)，结果显示这4个公共因子在各个变量上的载荷差异明显，均接近0或1，降维效果良好。其中公共因子1在现蕾时间，开花时间，末花时间和生长期上有较大载荷，说明其和生育进程相关;公共因子2在荚宽和百粒重上有较大载荷，公共因子4在荚长和单荚粒数上有较大载荷，两者均和荚粒的生长相关，但侧重范围不同;公共因子3在单株茎枝数和单株实荚数上有较大载荷，说明其和全株的营养和生殖生长相关。

表4 方差最大正交旋转变换后的因子载荷矩阵Table 4 The factor loadingmatrix after variance orthogonal transformation

图1 基于10个农艺性状的普通菜豆资源聚类图Fig.1 Dendrogram of cluster analysis based on the data of 10 agronomic traits

2.3 聚类分析

利用因子分析过程中获得的因子得分矩阵，对129份普通菜豆资源进行分层聚类，种质间距离为欧氏距离，聚类方法采用ward法。结果(图1)显示参试资源可以被分为两大群体。第一类群体又包括Ⅰ、Ⅱ亚群，第二类群体包括Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ亚群。

分别计算当参试材料分为两类群体(表5)和5个亚群(表6)时，每个类群内资源的12个农艺性状和所处海拔高度的平均值。结果表明当全部资源分为两大类群体时，分类的主要依据是单株分枝数，单株实荚数和百粒重，因此公共因子3是主要的分类因子。第一类群体分蘖和结荚能力强、小荚小粒、单株产量高;第二类群体分蘖和结荚少、大荚大粒、单株产量低。所处海拔未对分类造成影响。当全部资源分为5个亚群时，亚群Ⅰ主要的分类依据是公共因子3，具体表现为出苗晚，分枝及结荚多，单荚粒数多，百粒重较小而单株产量高，分布在海拔1820 m左右的地方;亚群Ⅱ主要的分类依据是公共因子1，具体表现为出苗早、晚熟、荚小，百粒重和单株产量低，分布在海拔1865 m左右的地方;亚群Ⅲ主要的分类依据是荚长，具体为长荚，分布在海拔2000 m左右的地方;亚群Ⅳ资源数量最多，主要的分类依据是单株分枝数，具体表现分枝少，较早熟，分布在海拔1710 m左右的地方;亚群Ⅴ主要的分类依据是公共因子1，具体表现为早熟、结荚多、荚型短宽且单荚粒数少、百粒重大，分布在海拔1980 m左右的地方。对每类材料所在的海拔进行多组非参数检验，结果显示存在显著差异(P＜0.05)，说明处在不同类群的资源所在的海拔高度也不同。

3 讨论

3.1 云南地区普通菜豆种质资源的遗传多样性

普通菜豆是目前世界上种植面积最大的食用豆类(主要用作榨油的大豆和花生除外)，由于其丰富的营养价值，特别对癌症有预防能力，而越来越受到国际社会的重视［13］。中国作为普通菜豆的次级起源中心和生产消费大国，一直重视对普通菜豆种质资源的收集，评价和利用［14－17］。云南是普通菜豆的主产区，也是世界上生物多样性最为丰富的地区之一［18］，对云南地区普通菜豆资源的收集和研究就显得尤为重要。本研究首次对云南地区收集到的普通菜豆种质资源进行农艺性状的生物多样性分析，结果显示参试材料在所有性状上都表现出较高的变异度，说明普通菜豆在云南复杂的生境和人为驯化中也产生了丰富的变异。通过聚类分析将参试资源分为两大群体时，群体间性状的差异从大到小依次为单株荚数＞单株分枝数＞百粒重＞开花时间＞荚长＞现蕾时间＞荚宽＞终花时间＞单荚粒数＞生育期，而性状变异系数从大到小依次为单株荚数＞单株分枝数＞百粒重＞开花时间＞荚长＞单荚粒数＞现蕾时间＞终花时间＞生育期＞荚宽。通过对比发现，这两个排列非常相似，群体间差异最大的5个性状的排列顺序和其变异系数的大小排列顺序是完全一样的，这说明变异系数既是反映生物多样性的重要指标，也是资源分类的重要依据。相比较而言，多样性指数并没有体现出这一特点。

表5 2类资源的农艺性状平均值比较Table 5 Comparison of average value between cluster 1 and cluster 2 on agronomic traits

表6 5个亚群资源的农艺性状平均值比较Table 6 Comparison of average value among 5 sub-clusters on agronomic traits

当把资源细分为5个亚群时，单株荚数、单株分枝数和百粒重仍然是主要的分类依据，但其它变异度较小的因素如物候期、海拔等也体现出了对生物多样性的影响。说明要实现对资源的全面科学划分，次一级的影响因子也应该考虑在内。本研究在进行因子分析和聚类分析时发现如果加入出苗时间和单株产量这2个变量，降维和聚类效率都有所下降，可能是这两个性状同时受到很多其它性状的影响，导致其它没有直接因果关系的变量在进行相关分析时也表现出了线性关系。通过挑选，文章最终选择的10个性状分类清晰，在聚类后计算不同群体内资源变量平均数时加入对出苗时间和单株产量的分析，结果显示出苗时间在不同群体中的区别不大，但是单株产量在不同的初级群体和亚群中都有明显分布不均的情况，造成这一结果的原因将在进一步的研究中通过对性状间相关和偏相关分析来进行探索。

3.2 云南地区普通菜豆种质资源的评价和利用

云南地区的普通菜豆遗传多样性非常丰富，单株荚数、单株分枝数和百粒重等农艺性状表现出很高的变异度，可以作为资源收集和分类的依据，也可以作为菜豆育种上的突破口加以应用。对这些资源的抗逆性和品质性状还需要进一步的分析，并加强对种质资源的完备登记，而不是只对育成品种进行登记。这样才能全面了解资源特性，更好地挖掘资源利用潜力，提高资源的管理和应用效率。

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(责任编辑 王家银)

M orphology Genetic Diversity Analysis on Common Bean (Phaseolus vulgaris L.)Germ plasm Resources in Yunnan

DAICheng，HE Yu-hua*，BAO Shi-ying，WANG Li-ping，YANG Feng，YU Hai-tian，LV Mei-yuan＊＊
(Institute of Food Crops，Yunnan Academy of Agricultural Sciences，Yunnan Kunming 650205，China)

129 accessionswere analyzed for genetic diversity，and 10 morphology characteristicswere analyzed.The results showed that the germplasm resources of common bean in Yunnan area had rich diversity inmorphology.The results of analysis included Coefficientof Variation(c.v.)，Diversity Index(DI)，Principal Composition(PC)and Classification.As the result，the average c.v.of10 morphology characteristics was0.24，the c.v.of the Pods per Plant(PP)was0.61，which wasobvious c.v.value in allmorphology characteristics.The DI value didn’t appear obviously differenton all10，the average DIwas2.04.Using the results in PC to do classification analysis，129materials were divided into5 groups，and the group1 showed higher PP，smaller seeds but high Single Plant(SP)yield;The group 2 showed late maturity，smaller pods and lower SPyield;The group 3 showed long pod;The group 4 had themostofgermplasms，which showed lessbranches but earlymaturity;The group 5 showed earlymaturity，less PP，but higher Hundred SeedsWeight(HSW).

Common bean(Phaseolus vulgaris L.);Germplasm resources;Genetic diversity;Yunnan

S643.1

A

1001－4829(2017)2－0256－06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.2.003

2016－01－20

云南省“十三五”科技计划项目(2016BB002);农业部公益性行业(农业)科研专项经费项目(201303129);国家食用豆现代农业产业技术体系项目(CARS-09)

代程(1987－)，男，助理研究员，主要从事食用豆类遗传育种工作，*为共同第一作者，E-mail:hyhyaas@163.com，＊＊为通讯作者，E-mail:lvmeiyang01@163.com。