粒用菜豆种质资源表型遗传多样性分析及综合性评价

葛平珍，王昭礼，余 莉，何友勋，张时龙，赵 龙

(毕节市农业科学研究所，贵州 毕节 551700)

【研究意义】普通菜豆(PhaseolusvulgarisL.)又称为四季豆、芸豆等，为自花授粉作物，起源于中南美洲，可分为粒用菜豆和荚用菜豆2大类。经过长期种植驯化，形成2个栽培普通菜豆的多样性中心，即安第斯中心和中美洲中心。安第斯中心种质资源叶片较大，苞片为披针形或三角形，小叶为卵圆形或披针形，白色花，旗瓣无条纹，主茎节间长，籽粒大(百粒重大于40 g)；中美洲中心资源的苞片为心形或椭圆形，花多为彩色，旗瓣有条纹，中、小籽粒(百粒重 25～40 g和<25 g)[1-2]。15世纪中国从美洲引进普通菜豆，当前中国被认为是普通菜豆的次生多样性中心之一[3]。普通菜豆丰富的生物多样性提高了其适应能力，从而使其分布广泛[4]。但普通菜豆在驯化过程中，其生物多样性不断丢失[5]，因此，对种质资源的收集、评价、利用及保护是当前菜豆育种工作者的迫切任务。国外优良菜豆资源的引进、试种及评价，不仅能为我国菜豆生产提供优良品种，还能丰富我国现有的菜豆种质资源，为育成高产、优质、抗逆的普通菜豆提供有价值的亲本品种。【前人研究进展】截至2016年3月，由中国农业科学院作物科学研究所编目入库的普通菜豆(绝大多数为粒用菜豆)约为5677份[6]。遗传多样性分析方法很多，主要从形态学(表型性状)[7-10]和分子标记[11-12]方面进行分析，其中形态学测定简单、表现直观，是评价作物遗传多样性的有效手段之一。张赤红等[13]分析324份普通菜豆种质资源的10个农艺性状，从而了解我国菜豆种质资源遗传多样性的分布情况。王兰芬等[6]对646份普通菜豆种质资源进行表型鉴定发现，普通菜豆具有丰富的形态性状多样性。代程等[14]对129份云南地方蔓生型普通菜豆种质资源的10个农艺性状分析表明，云南地方蔓生型普通菜豆种质资源在形态学上具有丰富的多样性。【本研究切入点】因普通菜豆资源数量多，地域特征明显，育种亲本选择困难，需对资源进行综合性评价后筛选，但相关的研究尚未见报道。【拟解决的关键问题】利用表型性状对从美国引进的直立有限生长型粒用菜豆种质资源66份进行遗传多样性分析及综合性评价，揭示表型遗传规律，筛选综合评价的表型性状指标，为菜豆育种及相关研究提供参考及理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为66份直立有限生长型粒用菜豆种质资源，2017年中国农业科学院作物科学研究所从美国引进。种质资源编号见表1。

表1 美国引进的66份粒用菜豆资源编号

1.2 试验方法

试验于2018年实施，通过大田种植66份菜豆种质资源，考察其质量性状和数量性状，分析遗传多样性。试验地位于贵州省毕节市朱昌镇，海拔高度1610 m，坐标位置为E105°28′、N 27°17′。前茬作物为白萝卜，土壤肥力中等。播种时施底肥及毒死蜱，大田生长期追肥2次、除草2次、施农药4次。每个品种播种2行，行长4 m，行距50 cm，窝距40 cm。

参考《普通菜豆种质资源描述规范和数据标准》并稍作改动，调查菜豆种质的出苗期、开花期、成熟期等生育时期，并考察各菜豆种质的花色、粒形、粒色和荚形等质量性状，并于2018年7月15-30日测量株高、主茎分枝数、主茎节数、单株荚数、荚长、荚宽、单荚粒数、百粒重、单株产量等数量性状。

1.3 数据统计与分析

利用Excel整理数据，通过SPSS 22.0对10个数量型表型性状进行描述性统计分析、相关性分析和聚类分析，用DPS对10个数量性状进行主成分分析，并利用隶属函数和标准差系数赋予权重法对表型性状进行综合评价[15-16]。

1.3.1 隶属函数值 菜豆种质资源各综合指标的隶属函数值计算公式：

式中，Xj表示某个参试材料第j个因子的得分值，Xmax和Xmin分别表示所有参试材料第j个因子得分的最大值和最小值。

1.3.2 综合指标权重 菜豆种质资源各综合指标权重计算公式：

式中，Wj表示第j个主成分在所有主成分中的重要程度即权重，Pj代表经主成分分析所得各粒用菜豆种质资源第j个主成分的贡献率。

1.3.3 综合评价值 菜豆种质资源表型性状综合评价值(D)的计算公式：

式中，D表示综合评价值，μ(Xj)表示某个参试材料第j个因子的隶属函数值，Wj表示第j个主成分在所有主成分中的重要程度即权重。

1.3.4 遗传多样性指数 参考张礼凤等[17-18]对种质遗传多样性指数(Shannon-weaver)方法，计算粒用菜豆种质资源10个数量性状的遗传多样性指数。计算公式：

H'=-∑(Pi×lnPi)

式中，Pi为某一性状第i个级别出现的概率。

2 结果与分析

2.1 粒用菜豆种质资源表型性状的遗传多样性

2.1.1 质量性状的遗传多样性 从图1看出，粒用菜豆种质资源的花旗瓣色主要有浅紫和紫红，分别占37.88%和34.85%；花翼瓣色主要为白色、紫色和白紫，分别占24.24%、22.73%和50%；荚形主要为剑形，占69.70%；粒形主要为卵圆形、长柱形和肾形，分别占18.18%、21.21%和28.79%；粒色主要有白色、黑色和斑纹，分别占16.67%、12.12%和28.79%，其余15种颜色共占总体的42.42%，种质资源的籽粒颜色丰富。多样性分析表明，花旗瓣色、花翼瓣色、荚形、粒形及粒色的遗传多样性指数分别为1.351、1.133、1.009、1.874和1.493。粒形和粒色的遗传多样性指数较高，表型多样性较为丰富；荚形遗传多样性指数较低，表型不丰富，荚型表现为剑形、弯圆棍、短圆棍、长圆棍、短扁形等5种类型。

2.1.2 数量性状的遗传多样性 变异系数(Cv)能够衡量样本某一指标的变异程度，变异系数越大，表示样本某个指标中各个观测值的离散程度越大[19]，当Cv>20%时，可认为离散程度或变异程度较大。从表2看出，与产量有关的表型性状(单株荚数、单株产量、株高、主茎分枝数、主茎节数、百粒重)变异系数均大于20%，说明粒用菜豆种质资源相应指标的变异程度较大，可供选择的育种材料丰富。10个数量性状的多样性指数范围为1.671～2.027，平均多样性指数为1.912。其中，单株产量的遗传多样性指数最高，为2.027，百粒重、荚宽和株高的多样性指数分别为2.021、2.007和2.006，生育期的多样性指数最小，为1.671。综上，数量性状中单株产量遗传多样性较为丰富，生育期遗传多样性表现较差。

表2 粒用菜豆种质资源的数量性状统计及多样性指数

2.1.3 粒用菜豆种质资源的聚类 系统聚类分析将粒用菜豆种质资源分为2大类，在欧氏遗传距离为5时，将种质资源划分为6小组(图2、表3)。

表3 不同组粒用菜豆资源的表型性状

第1类包括Ⅰ组、Ⅱ组和Ⅲ组，花旗瓣色以浅紫和紫红为主，共占83.3%；花翼瓣色以白紫和紫红为主，共占80.0%；荚形主要为剑形，共占86.7%；粒形以肾形、方形、长柱、卵圆为主，共占86.7%；籽粒颜色较深、籽粒较大(百粒重≥45 g)的种质资源大多聚在此类。Ⅰ组包含13份种质资源，表现为生育期较短、荚较宽、百粒重最高；Ⅱ组包含9份种质资源，表现为植株最高、主茎节数最多、荚最长、单荚粒数较多、百粒重较高；Ⅲ组包含8份种质资源，生育期、株高、主茎分枝数、主茎节数及单株荚数适中，百粒重较高，单株产量最高，此组的综合表型性状表现最佳。

第2类包括Ⅳ组、Ⅴ组和Ⅵ组，花旗瓣色以紫红、浅紫、白色为主，共占83.3%；花翼瓣色有白紫、白色、紫红；荚形以剑形、短棍、短扁为主，共占86.1 %；粒形以卵圆、长柱、短柱、肾形为主，共占75.0%；粒色以浅色为主；籽粒中等(百粒重 20～40 g)的种质资源大多聚在此类。Ⅳ组包含11份种质资源，表现为生育期最长、主茎分枝数最多、单株荚数最多、荚最窄及单荚粒数较多；Ⅴ组包含8份种质资源，植株最矮，主茎分枝数、主茎节数、单株荚数最少，荚较短，百粒重较低，单株产量较低，此组表型性状表现较差；Ⅵ组包含17份种质资源，生育期适中，植株较矮，荚长、荚宽、单荚粒数、百粒重最接近平均值，但单株产量较低。

2.2 粒用菜豆种质资源表型性状的综合评价

2.2.1 粒用菜豆数量性状的相关性 从相关性分析结果(表4)看出，10个数量性状存在不同程度的相关性，部分性状间表现为显著或极显著相关。单株产量与生育期、株高、主茎分枝数、主茎节数、单株荚数呈极显著正相关，相关系数分别为0.434、0.510、0.318、0.398和0.688。百粒重与生育期、单荚粒数呈显著负相关，相关系数分别为-0.312、-0.265。

表4 粒用菜豆数量性状的相关系数

2.2.2 粒用菜豆数量性状的主成分分析 主成分分析将10个数量性状转化为5个主成分(累积贡献率为85.63%,表5)，代表原始性状的绝大部分信息。第1主成分贡献率为34.33%，株高、单株荚数和单株产量对其贡献较大，特征向量分别为0.434、0.428、0.408；第2主成分贡献率为20.98%，百粒重对其贡献最大，特征向量为0.631；第3主成分的贡献率为12.61%，单荚粒数对其贡献最大，特征向量为0.616；第4主成分贡献率为12.16%，荚宽对其贡献最大，特征向量为0.514；第5主成分贡献率为5.56%，主茎分枝数和主茎节数对其贡献率较大，特征向量分别为0.462和-0.468，代表与株型有关的性状。

表5 菜豆资源数量性状的主成分分析

2.2.3 粒用菜豆种质资源数量性状的综合评价 种质资源的综合评价值(D值)越高，代表种质资源的综合表型性状越好。从图3看出，表型性状综合评价排名前5的分别是b480、b440、b458、b509、b417，D值分别为0.766、0.694、0.692、0.647、0.642，表明这5种菜豆种质资源综合表型性状较好；菜豆种质资源b525、b522、b523、b518、b524的D值分别为0.36、0.29、0.282、0.266、0.206，表明这5种菜豆种质资源的综合表型性状较差。

对10个表型性状与D值的相关性进行分析结果表明，D值与10个表型性状间存在显著或极显著差异，其中D值与生育期和荚宽分别呈显著正相关，与其余8个表型性状均呈极显著正相关。

2.2.4 综合评价指标筛选 根据各种质资源已计算得到的D值和10个数量性状的相关指标构建综合评价的最优模型。将D值作为因变量(Y)，10个数量性状作为自变量(X)，通过逐步回归分析得到综合评价的最优回归模型：

Y=-0.332+0.004X2+0.018X6+0.184X7+0.028X8+0.002X9+0.006X10

式中，X2、X6、X7、X8、X9、X10分别表示株高、荚长、荚宽、单荚粒数、百粒重、单株产量，相关系数R=0.994，决定系数R2=0.988，F值为867.74。以上6个表型性状可作为粒用菜豆种质资源综合评价的重要指标。从回归模型看出，当粒用菜豆的植株较高、荚较长、荚较宽、单荚籽粒较多、百粒重较大、单株产量较高，则粒用菜豆的综合评价值越高，表型性状表现良好。粒用菜豆的株高、荚长、荚宽、单荚粒数、百粒重、单株产量对综合评价值的直接通径系数分别为0.348、0.327、0.215、0.223、0.150、0.355，表明粒用菜豆的单株产量、株高及荚长对其表型性状综合评价的直接影响较大。

3 讨 论

3.1 表型性状遗传多样性

种质资源遗传多样性分析主要从表型性状、品质性状和DNA分子标记等层面进行，但因表型性状研究简单易行，当前此方法运用较为普遍[13,20]。本研究采用遗传多样性指数对菜豆种质资源表型性状进行多样性分析，结果表明，粒用菜豆种质资源表型性状有极丰富的多样性，但数量性状易受环境影响，导致数量性状多样性指数一般高于质量性状多样性指数。郝晓鹏等[21]对山西普通菜豆多样性指数分析发现，生育期、荚长、单荚粒数和百粒重的多样性指数均大于1.9，荚宽多样性指数最低，为1.735。多样性指数与各质量性状的赋值数量及赋值类型间所含种质数量有关，赋值数量越多，赋值类型间所含种质数量越均匀，多样性指数越高。张赤红[13]研究发现，从国际热带农业研究中心(CIAT)、美国、德国、哥伦比亚、俄罗斯、法国、巴基斯坦、智利、多米尼加等引进的44份普通菜豆种质资源14个农艺性状多样性指数平均值为1.406，多样性指数最高的是百粒重和全生育日数，分别高达2.141和2.000。本研究中数量性状多样性指数平均值为1.912，多样性指数最高的是单株粒重和百粒重，分别为2.021和2.007；质量性状中粒形和粒色的多样性指数最高，分别为1.874和1.493，与前人的研究成果基本一致。王兰芬等[6]对646 份普通菜豆种质资源的表型鉴定数据进行聚类分析，将种质资源聚为2大类、4小组，各类群反映了生长习性、花色、荚色、粒形、粒色等质量性状及百粒重、单株产量等数量性状的不同；代程等[14]对129份蔓生型普通菜豆资源进行分层聚类，将其分为2大类群、5亚群，单株荚数、单株分枝数和百粒重是主要的分类依据，但变异度较小的因素如物候期、海拔等也能影响资源的生物多样性。本研究通过Ward’s-欧氏距离聚类将美国引进的66份直立有限生长型粒用菜豆种质资源划分为2大类、6小组，确定各大类群的质量性状和数量性状特征，明确引进粒用菜豆各种质资源的归属。

3.2 表型性状综合评价

作物表型性状是长期自然和人工选择的结果，容易受时间、环境因素影响，但表型性状观察结果直接，是资源收集、保存、鉴定和利用的基础，因此，种质资源的综合性评价对遗传育种材料的选择具有重要意义。关于普通菜豆种质资源表型鉴定及多样性分析的研究较多，但较少涉及种质资源的综合性评价，目前对水稻、谷子、马铃薯、陆地棉等种质资源表型性状综合评价研究已有相关报道[22-26]。本研究将隶属函数法与主成分分析法结合应用于粒用菜豆种质资源的综合评价，此方法不仅能评价各种质资源的综合表现，还能筛选出评价某种质群体的关键性状，在植物遗传多样性评价中已得到应用[27]。研究表明，粒用菜豆综合评价值(D值)与株高、单株粒重、荚长、百粒重等性状相关系数较高，说明这4个性状对粒用菜豆种质资源评价较为重要，应注重在育种实践中对这些性状的选择。在66份种质资源中，b480、b440、b458、b509、b417的D值较高，表明其综合表型性状较好，地域适应性强，可作为育种亲本的重要来源。因粒用菜豆种质资源表型性状较多，且各性状间存在不同程度的相关，影响资源的研究与利用，因此，筛选出相对重要的性状作重点研究，对育种亲本选择及加快生产应用是必要的。本研究结合主成分分析和逐步回归分析，得到综合评价的最优回归模型及筛选出重要评价指标，即粒用菜豆的株高、荚长、荚宽、单荚粒数、百粒重及单株产量等6个表型性状可作为种质资源综合评价的指标。研究对进一步解析和阐明粒用菜豆种质资源重要性状的基因遗传机理奠定基础，从而促进菜豆育种的发展。

4 结 论

从美国引进的66份直立有限生长型粒用菜豆种质资源具有丰富的遗传多样性，质量性状的平均多样性指数为1.372，数量性状的平均多样性指数为1.912。通过Ward’s-欧氏距离聚类将菜豆种质资源划分为2大类、6小组。第1类主要是大粒型(百粒重≥45 g)种质资源，其中，Ⅲ组包含8份种质资源，综合农艺性状表现最佳；第2类大多是中小粒型(百粒重 20～40 g)的种质资源，其中，Ⅴ组包含8份种质资源，表型性状表现较差。

通过主成分分析将菜豆的10个数量性状转化为5个主成分(累积贡献率为85.63%)，并通过隶属函数得到综合评价值较高的5份种质资源，分别是b480、b440、b458、b509和b417，可作为优势育种亲本种质加以利用。同时得到综合评价的最优回归模型，明确粒用菜豆的株高、荚长、荚宽、单荚粒数、百粒重及单株产量等6个表型性状可作为种质资源综合评价的指标。