江汉平原大豆品系表型分析及综合评价

刘 歆 杨 芳 邓军波 汪嫒嫒 何 念 陈 艳

（荆门（中国农谷）农业科学研究院，448000，湖北荆门）

大豆是我国重要的粮食作物和经济作物[1]，同时作为油脂和蛋白质等物质的重要来源，在我国农业生产上占有极其重要的地位[2]。随着我国人口的不断增加和生活水平的日益提高，大豆供需矛盾日益突出，为了满足人们日常生活的需求，必须提高大豆产量[3]。提高大豆单产和增加种植面积是提高大豆产量的主要途径[4]，由于我国耕地资源有限，使得大豆种植面积难以扩增，同时粮食主产区大豆播种面积逐年减少[5]，因此通过选育高产大豆品种来提高大豆单产是提高产量的主要途径。系统的理论方法和优异的种质资源是大豆品种选育的基础，具有高产、优质、抗病虫等丰富有利性状基因的大豆种质资源可为育种提供优异的基因资源。因此，全面评价大豆种质资源并挖掘有益性状基因，对进一步提高育种效率、培育更高产优质的大豆新品种具有重要的指导意义[6]。

大豆产量是许多农艺性状的综合表现[7-8]，明确大豆表型性状与产量性状的关系有利于优质大豆种质资源的筛选，同时可为大豆品种的选育提供理论支撑。目前，国内外学者对大豆资源农艺性状、品质及抗逆性等相关性状进行了广泛的研究报道。张海燕等[9]运用灰色系统理论对 10个大豆品种的研究表明，大豆产量与单株粒数、株高、单株荚数、百粒重、主茎节数、单株粒重和分枝数存在关联性。胡国玉等[10]对 383份黄淮夏大豆种质资源的研究表明，大豆产量与单株有效荚数呈显著正相关；单株有效荚数与百粒重呈显著负相关。韩毅强等[11]利用相关分析和主成分分析对 93份大豆品系的研究表明，大豆产量与单株有效荚数、单株3粒荚荚数、单株4粒荚荚数、单株粒数和百粒重等呈显著相关性。晁毛妮等[12]利用全基因组关联分析对191份大豆地方品种的研究表明，大豆单株籽粒产量与生物量呈极显著正相关。谭千军等[13]对136份夏大豆种质资源的研究表明，大豆单株粒重与有效分枝数、主茎节数、单株荚数、每荚粒数、营养生长期和全生育期呈极显著正相关，与最低分枝高度呈极显著负相关。前人关于大豆种质资源评价的研究众多，而采用多种统计方法相结合研究大豆种质资源农艺性状的报道相对较少[14]。为此，本研究以64份大豆品系为材料，筛选适宜江汉平原种植的优质大豆品系，同时采用变异性分析、相关性分析、因子分析、聚类分析和箱形图分析等方法探讨大豆农艺性状间的关系，明确影响大豆产量的关键因素，为江汉平原优质高产大豆品种的选育提供适宜种质和理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地点位于湖北省荆门市荆门（中国农谷）农业科学研究院团林试验基地（111°51′～113°29′ E、30°32′～31°36′ N），属于亚热带季风气候区，年均气温15.6～16.3℃，年均日照1997～2100h，年均降水量804～1067mm，无霜期237～255d。试验地土壤类型为黏土，肥力中等，地势平坦。

1.2 试验材料

供试材料为64份大豆品系，其中30份来自中国农业科学院油料作物研究所，34份来自南京农业大学大豆研究所。

1.3 试验设计

试验于2019年进行，采用随机区组排列，供试大豆于5月13日播种，采用人工拉线点播种植方式，3次重复，小区面积9.0m2，每小区6行，行长3.0m，行距0.5m，株距0.1m，试验地周边设保护厢或保护行，田间管理同常规生产大田。

1.4 测定项目与方法

大豆表型性状调查参照《大豆种质资源描述规范和数据标准》[15]。记录大豆生育期（X1），成熟时选取每小区中间无边际效应、连续且有代表性的植株10株，测定株高（X2）、主茎节数（X3）、有效分枝数（X4）、单株荚数（X5）、单株粒数（X6）、百粒重（X7）、单株粒重（X8）、蛋白质含量（X9）、脂肪含量（X10），然后进行小区实收测产，折合成单位面积产量（Y）。采用美国Zeltex ZX50手持式谷物分析仪进行蛋白质含量和脂肪含量测定，测量时以每个大豆品系收获后的种子为样品，取3个重复平均值。数据由中国农业科学院油料作物研究所和南京农业大学大豆研究所提供。

1.5 数据分析

用Excel 2007处理数据，利用SPSS 26.0软件进行变异系数分析、相关性分析、因子分析和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 主要农艺性状的变异性分析

变异系数可以反映性状变异丰富程度。64份大豆品系的 10个农艺性状统计分析结果（表 1）表明，不同大豆品系间各农艺性状差异明显。各性状变异系数的范围为 4.19%～46.95%，变异系数超过20%的性状有株高、有效分枝数、单株荚数、单株粒数和单株粒重，其中有效分枝数变异系数最大，为46.95%；变异系数低于10%的性状有生育期、蛋白质含量和脂肪含量，其中蛋白质含量变异系数最低，为4.19%；主茎节数和百粒重的变异系数分别为19.18%和13.49%。以上结果表明，供试大豆品系性状变异丰富，类型多样，不同品系间差异明显。

表1 主要农艺性状统计分析Table 1 Statistical analysis of main agronomic traits

2.2 农艺性状及产量性状相关性分析

农艺性状及产量性状的相关分析结果（表2）表明，10个农艺性状及产量性状间均存在一定的相关性，且不同性状间的相关程度差异较大。大豆品系产量与单株荚数、单株粒数、单株粒重呈极显著正相关，与生育期显著负相关，与株高、主茎节数、有效分枝数、百粒重相关性不显著；而单株粒重与单株荚数、单株粒数极显著正相关，相关系数分别为0.640和0.761。由此可知，大豆产量的高低取决于单株荚数和单株粒数的多少，单株荚数和单株粒数越多，产量越高；在高产育种过程中要把单株荚数和单株粒数作为单株选择的重要标准，可以通过增加单株荚数和单株粒数来提高大豆单产。蛋白质含量与生育期、主茎节数、单株荚数、单株粒数均呈显著或极显著正相关，与百粒重和脂肪含量均呈极显著负相关，与单株粒重相关性不显著，说明大豆高产高蛋白育种在理论上是可以实现的。

表2 农艺性状及产量性状的相关系数Table 2 Correlative coefficients of agronomic and yield traits

2.3 农艺性状的因子分析

由于上述10个农艺性状间均存在一定的相关性，为了消除性状间相关性对大豆品系综合评价的影响，对其进行因子分析。由表3可知，前4项因子特征值分别为3.624、2.076、1.332和0.975，累计贡献率达到80.067%，说明上述4个主因子包含的信息量可以反映10个农艺性状的大部分信息，可以作为评价大豆品系农艺性状的综合指标。由于各主因子载荷区分仍不清晰，将4个主因子经过正交方差最大旋转后，特征值分别为2.659、2.378、1.602和1.368，贡献率分别为26.593%、23.777%、16.016%和13.680%。

表3 主因子特征值、贡献率及累计贡献率Table 3 The eigenvalue, contribution rate and accumulative contribution rate of the primary factors

由表4可知，第1主因子主要由有效分枝数、单株荚数、单株粒数和单株粒重4个因子决定，其特征值分别为0.442、0.804、0.886和0.924，以上4个性状均与产量构成相关，故第1主因子称为产量构成因子。第2主因子主要由株高和主茎节数2个因子决定，其特征值分别为0.808和0.906，主茎节数受株高影响，故第2主因子可称为株高因子。第 3主因子主要由单株粒数和百粒重 2个因子决定，其特征值分别为 0.331和-0.893，单株粒数的多少影响着百粒重，故称第3主因子为粒重因子。第 4主因子主要由蛋白质和脂肪含量 2个因子决定，其特征值分别为 0.537和-0.931，蛋白质和脂肪含量均为大豆品质性状，故称第4主因子为品质因子。

表4 旋转后因子载荷矩阵Table 4 The rotation of the sub-load matrix

2.4 农艺性状的主因子得分和综合评价

根据上述4个主因子对64份材料进行综合得分分析，建立大豆综合评价数学模型：F=（26.593×F1+23.777×F2+16.016×F3+13.680×F4）/80.067[16]，利用该模型计算各大豆品系农艺性状的综合得分并排序，结果见表5。若以综合得分作为评价指标，排名前10的材料综合性状良好，适宜在江汉平原种植；若以产量构成因子（F1）作为评价指标，油春18-33的单株荚数、单株粒数和单株粒重表现最好，可以作为目标亲本用于选育高产品种；若以株高因子（F2）作为评价指标，南农1803可以作为目标亲本用于选育高秆品种；若以粒重因子（F3）作为评价指标，南农G175的百粒重和单株粒重表现较好，可以作为目标亲本用于选育大粒高产品种；若以品质因子（F4）作为评价指标，油春X18-46的蛋白质含量最高，可以作为目标亲本用于选育高蛋白品种。

续表5 Table 5 (continued)

对各大豆品系主要农艺性状和综合得分进行相关性分析，结果（表6）表明，综合得分与百粒重和脂肪含量呈极显著负相关，与有效分枝数呈正相关但相关性不显著，与剩余7个性状均呈极显著正相关，说明综合得分可以作为大豆品系的综合评价依据。

表6 农艺性状与综合得分间的相关系数Table 6 Correlation coefficients between agronomic traits and comprehensive scores

2.5 大豆品系农艺性状及产量性状的聚类分析

采用系统聚类法对64份大豆品系的10个农艺性状及产量性状进行聚类分析，以遗传距离7.0为分界线，将64份大豆品系分为3个类群（图1），类群Ⅰ31份，类群Ⅱ24份，类群Ⅲ 9份。

图1 大豆品系农艺性状及产量性状的聚类图Fig.1 Clustering chart of agronomic and yield traits of soybean strains

为了进一步明确各类群大豆品系特征，对不同类别的大豆品系各指标绘制箱形图，结果如图2所示，可知各类群大豆品系特征如下：类群Ⅰ：主茎节数较多，有效分枝数较少，单株荚数较少，单株粒数较少，单株粒重低，产量低。类群Ⅱ：主茎节数较少，有效分枝数较多，单株荚数较多，单株粒数较多，单株粒重较高，产量较高。类群Ⅲ：主茎节数较多，有效分枝数较多，单株荚数较多，单株粒数较多，单株粒重较高，产量高。

图2 3个类群大豆品系6个关键性状箱形图Fig.2 Box-plots for six traits in three clusters of soybean strains

3 讨论

种质资源是大豆育种及相关研究的物质基础[17-18]。农艺性状的鉴定和描述是种质资源研究最基本的方法和途径，而田间农艺性状表现是育种中选择的主要依据[19]。因此，要想实现大豆高产育种新突破，必须筛选和鉴定新的种质资源。本研究对64份大豆品系的10个农艺性状及产量性状进行调查研究，结果表明10个农艺性状均存在丰富的遗传变异，可为选育优质高产大豆品种提供优良的种质基础。本研究中大豆产量与生育期呈显著负相关，与以往研究[20]结果不同，原因是本研究材料主要为早熟大豆品系，而以往的研究多以混合品种为材料，试验材料不同可能导致不同研究中大豆产量与生育期相关性存在差异。大豆产量的高低取决于单株粒重和单位面积株数，本研究中单株粒重与单株荚数、单株粒数呈极显著正相关，与前人研究[13,21]结果基本一致。说明在高产育种过程中应该把单株荚数和单株粒数作为单株选择的重要标准，可以通过增加单株荚数和单株粒数来提高大豆单产。

因子分析可以将大量相互关联的表型性状浓缩为少量的主因子性状，农艺性状的综合得分可提供直观的参考指标，可以根据主因子表现和农艺性状综合得分对各世代单株进行选择和改良，从而提高育种效率和准确性[22]。本研究通过因子分析将64份大豆品系的10个农艺性状浓缩成产量构成因子、株高因子、粒重因子和品质因子4个主因子，各因子可用于种质评价，也可根据主因子得分为大豆特异性育种提供优质亲本材料和种质资源。因子分析和综合得分结果表明，综合得分排名前 10的材料综合性状良好，适宜在江汉平原推广种植。同时农艺性状与综合得分的相关性分析表明，大豆品系综合得分与生育期、株高、主茎节数、单株荚数、单株粒数、单株粒重和蛋白质含量7个性状呈显著正相关，表明在育种中应该着重考量这些性状。

聚类分析是将资源按照不同特征组成不同组群，从而进行研究和鉴定，同时可以避免主要农艺性状及杂交育种过程中亲本选育的盲目性，对挖掘和利用优良种质资源和特异性状具有重要意义[23-25]。江汉平原大豆育种的理想指标是株高适中、有效荚数多、单株粒重适中和产量高等，本研究将64份大豆种质资源划分为3个类群，其中类群Ⅲ的大豆品系综合表现最好。

4 结论

对 64份大豆品系资源在江汉平原进行综合评价，大豆品系10个农艺性状的变异系数为4.19%～46.95%，有效分枝数变异系数最大，蛋白质含量最小；因子分析将10个农艺性状转化为产量构成因子、株高因子、粒重因子和品质因子4个主因子，累计贡献率为80.067%；表型性状与综合得分相关分析表明，生育期、株高、主茎节数、单株荚数、单株粒数、单株粒重和蛋白质含量7个表型性状可作为大豆品系综合评价指标；聚类分析将64份大豆品系划分成3个类群，其中类群Ⅲ大豆品系综合表现最好，符合大豆育种理想目标，适宜在江汉平原地区种植。