北方春大豆地方品种种子活力相关性状多样性分析

郭宇琦 王财金 王 洋

（黑龙江大学现代农业与生态环境学院，150080，黑龙江哈尔滨）

大豆地方品种[Glycinemax(L.) Merr.]是指由地方农户依据所在地理生态环境区域的特点，经过长期人工选择后形成的适应当地环境条件的种质资源[1]，地方品种通常作为育成品种重要的亲本资源。大豆育成品种经过长期选择积累了大量的优良性状，同时也淘汰了一部分地方品种，导致种质资源流失。在生产上大豆育成品种需要引入更多的优质资源来拓宽遗传背景，抵御不良环境和突发的自然灾害[2]。目前关于不同地域大豆地方品种资源的多样性研究较多，研究[3]发现甘肃大豆地方品种农艺性状的分布模式与所在纬度之间有直接的关系；杨守臻等[4]认为广西春大豆地方品种主要农艺性状具有较为丰富的变异潜力；张彩英等[5]研究表明黄淮海、北方和南方大豆产区的农家品种和育成品种的农艺性状各有优势；李艳花等[6]发现重庆地区大豆地方种质资源以灰色茸毛、黄粒、褐色脐的居多，个体之间数量性状存在较大变异；李明松等[7]研究表明福建省春大豆种质资源也具有丰富的形态多样性；张振宇等[8]对东北大豆品种资源研究发现影响产量和品质的主要农艺性状的品种遗传基础较窄，相似度较高。上述遗传多样性研究多集中在大豆成熟期与产量和品质相关的农艺性状，但对大豆萌发期相关性状遗传多样性的研究尚未有报道。

北方是我国大豆的主产区，其面积和产量约占全国的一半，仅黑龙江省生产面积约占全国的1/3[9]。黑龙江大豆播种期为5月上旬，北方早春低温和干旱降低了大豆出苗速度和成苗率，影响大豆的营养生长，导致后期的产量降低。种子活力是决定种子发芽和种苗生长期活性及性能的指标，通常利用种子发芽速度和幼苗长势等指标来衡量种子活力[10]。高活力的种子在逆境下表现出较高的成苗率和较强的幼苗长势[11]。选育具有高活力的品种对大豆植株生长、抗逆以及产量等具有重要作用[12]。本研究以104个北方春大豆地方品种为材料，对苗鲜重、苗高、下胚轴长、发芽率、发芽势、发芽指数、总根长、根体积、根表面积和主根长种子活力相关性状进行测定，了解性状的遗传多样性、性状相互关系及资源分类特点，筛选高活力的材料，为大豆地方品种合理利用和品种选育提供基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试北方春大豆地方品种共104份（表1），于2019年种植在黑龙江大学呼兰校区田间试验站，试验采用随机区组设计，行长2m，行距60cm，株距5cm，田间管理按照正常大田进行。收获的种子进行自然干燥处理，直至种子水分达到约13%，用于后期种子活力评价。

表1 供试大豆地方品种编号和名称Table 1 Number and name of tested soybean landraces

1.2 试验方法及指标测定

采用室内发芽试验鉴定2019年收获种子的活力相关性状。每个品种随机选取100粒种子，用0.60%次氯酸钠溶液浸泡5min，用自来水冲洗4次，转入15cm×20cm发芽盒中，底部放2张发芽纸作为发芽床，上面盖1张发芽纸，置于光照10h/28℃、黑暗14h/22℃温室条件下培养，每个品种2次重复。每天喷洒适量水以保证发芽纸完全处于湿润状态，于培养后的第3～7天记录正常发芽种子数，发芽率、发芽势和发芽指数计算参考Wang等[13]方法。培养第 11天进行活力性状测定，依据《国际种子检验规程》[14]判定正常幼苗。每个重复随机选取5株正常幼苗进行活力表型鉴定，测量苗高和苗鲜重，利用根系扫描仪获取图片，通过根系 RhizoPheno系统获取根系的主根长、总根长、根体积、根表面积和下胚轴长。

1.3 数据处理

利用 Microsoft Excel 2010对原始数据进行整理，计算性状平均值和标准差等[15]。根据结果将104份大豆种质资源的各个性状划分为10个等级，按第 1 级[Xi＜(X–2s)]到第 10 级[Xi＞(X+2s)]，每 0.5s为1级，每1级材料所占的比例（Pi）用于计算多样性指数，遗传多样性指数即 Shannon-Wiener index（H′）信息指数，计算公式为：H′=–∑Pi×lnPi，式中Pi为某性状第i级中包含的材料份数占材料总份数的百分比，ln 为自然对数[16-17]。

运用SPSS 20.0软件进行相关性分析、聚类分析、主成分分析和隶属函数计算[18]。

采用组间连接法[19]，以欧氏距离为遗传距离对材料进行聚类分析。

以标准化矩阵为基础，对10个大豆表型性状进行主成分分析，根据累积贡献率（cumulative percentage）＞80%的原则确定主成分个数。计算不同材料在选定主成分上的值，并利用隶属函数法进行标准化处理标度到区间[0，1][20-21]。计算公式如下，

隶属函数值：u(Xij)=(Xij–Xjmin)/(Xjmax–Xjmin)，（j=1，2，…，n）；权重：（j=1，2，…，n）；综合评价值：，（j=1，2，…，n）。式中，Xij表示第i个材料的第j个指标，Xjmin为第j个指标的最小值；Xjmax为第j个指标的最大值；Pj表示经主成分分析所得到的第j个综合指标的贡献率；Di值越大，表明i材料10个数量性状指标评价的综合得分越高[22]。

2 结果与分析

2.1 大豆地方品种种子活力相关性状多样性统计

种子活力相关性状结果见表2。苗鲜重平均值1.78g，其中苗鲜重最低是一窝猴，为0.94g；最高是大粒黄，为3.34g。苗高平均值8.87cm，最低的是青磨石豆，为4.05cm；最高的是宁安小黑脐，为13.05cm，77个品种苗高集中在7.00～10.00cm，占全部的74%。下胚轴长平均值8.75cm，最短的是黄豆，为5.11cm；最长的是逊克小秧豆，长度12.97cm。发芽率最高的有抚松有限白花、宝清小金黄、汤原秃荚子、绥卫土丝子、伊通绿大豆、汤原猴顶奎、方正白露豆、一窝蜂和蛟河紫花小白豆，为100.00%；最低的是辉南紫花黑豆、一窝猴、安图小黑豆和蛟河小黑豆，为28.00%，发芽率平均值为78.30%。发芽势最高是蛟河紫花小白豆，为98.00%；最低的是玉石豆，为8.00%，发芽势平均值为59.90%。发芽指数平均值12.07%，其中最大的为蛟河紫花小白豆，为16.58%；最小为蛟河小黑豆，为3.69%。总根长最长的是汪清神仙洞，为285.78cm；最短的是安图黑豆，长度44.62cm，总根长平均值138.58cm。根体积最大是富锦四粒黄，为 1.15cm3；最小的是青磨石豆，为0.35cm3，平均值为0.67cm3。根表面积以安图黑豆最低，只有11.89cm2；汪清神仙洞最高，达到53.12cm2，根表面积的平均值28.77cm2。主根长最长的为和龙油太，长度30.03cm；最短为安图黑豆，长度9.64cm，平均值17.60cm。各性状不同地方品种重复间差异不显著；不同品种的不同性状间差异显著。

表2 大豆地方品种10个种子活力相关性状统计性描述Table 2 Statistical description of ten seed vigor-related traits of soybean landraces

10个表型性状存在广泛的变异，变异系数大于30%的2个性状为发芽势和总根长，其中发芽势的变异系数最大，为 35.42%，变化范围为 8.00%～98.00%；其次是总根长，变异系数为34.18%，根长变化范围为44.62～285.78cm。

各性状的遗传多样性指数都较高，其中最高的是苗高，为2.08，其次是根表面积和主根长，均为2.06；遗传多样性指数由高到低依次是苗高＞主根长＞根表面积＞下胚轴长＞发芽势＞根体积＞总根长＞发芽指数＞苗鲜重>发芽率。

2.2 种子活力性状的相关性分析

对10个性状进行相关性分析，结果（表3）表明，性状之间的相关程度较高。其中，苗鲜重、苗高、发芽率、发芽势、发芽指数、总根长、根体积、根表面积间呈两两极显著正相关；苗高与主根长呈显著正相关；下胚轴长与根体积、根表面积呈极显著负相关，与总根长呈显著负相关。

表3 大豆地方品种表型性状的相关性分析Table 3 Correlation analysis of phenotypic traits of soybean landraces

2.3 大豆种子活力相关性状的聚类分析

将104份大豆资源通过种子活力相关性状进行聚类分析，如图1所示，在遗传距离为18时，可将大豆分为4个类群。类群Ⅰ包括安图黑色大豆、安图黑豆、辉南紫花黑豆等13份种质资源。类群Ⅱ包括白露豆、小金黄、小白脐、伊通绿大豆等72份种质资源。类群Ⅲ包括安达白眉、宁安小黑脐、和龙油太、白露豆（小白花）4份种质资源。类群Ⅳ包括九台猪眼豆、通化平顶黄、汪清神仙洞和黄豆等15份种质资源。

图1 大豆种质资源基于10个种子活力相关性状的聚类图Fig.1 The cluster map of soybean germplasm resources based on 10 seed vigor-related traits

由表4可知，4个类群遗传多样性指数分别为1.72、1.88、1.27、1.86，遗传多样性指数最大为类群Ⅱ，最小为类群Ⅲ。

比较4个类群各性状均值，类群Ⅲ的苗鲜重、苗高、下胚轴长、发芽率、发芽势、发芽指数和主根长均值都是4个类群中最大的，类群Ⅳ总根长、根体积、根表面积的均值最大。苗鲜重、苗高、发芽率、发芽势、发芽指数、总根长、根体积、根表面积和主根长最小值都出自类群Ⅰ，下胚轴长最小值在类群Ⅳ。所以类群Ⅲ各性状均值较高，其次是类群Ⅳ。类群Ⅰ各性状均值较低。

苗鲜重、苗高、发芽率、发芽势、发芽指数、总根长、根表面积、主根长的变异系数最大值均出自类群Ⅰ，其余出自类群Ⅱ，说明类群Ⅰ变异系数较大。各性状变异系数最小值分布在类群Ⅲ和Ⅳ中，说明类群Ⅲ、Ⅳ变异系数较小。

由表 4可知，在类群Ⅰ中发芽势的变异系数最大，为 39.83%，最小的为下胚轴长，变异系数12.48%。在类群Ⅱ中发芽势变异系数最大，为26.93%，最小是苗高，为15.75%。在类群Ⅲ中总根长变异系数最大，为18.53%，变异系数最小的是下胚轴长，为7.30%。类群Ⅳ中发芽势变异系数最大，为29.27%，苗鲜重变异系数最小，为8.18%。

表4 大豆各类群种子活力相关性状多样性分析Table 4 Diversity analysis of seed vigor-related traits of soybean groups

2.4 大豆地方品种种子活力性状的主成分分析

对104份北方春大豆地方品种的10个活力性状进行主成分分析，由表5可知，取累积贡献率大于 80%的前 4个主成分，其累积贡献率达到87.854%，可以反映104份大豆种质资源10个种子活力相关性状的大部分遗传信息。第1主成分的特征值是5.256，贡献率为52.560%，这一主成分中，根表面积和根体积的特征向量值最大，说明这一主成分反映的是与根系发达程度相关的信息；第2主成分的特征值是 1.873，贡献率为 18.727%，这一主成分中下胚轴长、发芽率和发芽势为最大，说明这一主成分反映的是种子的萌发速度；第3主成分的特征值是0.911，贡献率为9.111%，这一主成分中下胚轴长和苗高的特征向量值最大，说明这一主成分反映的是幼苗地上部分伸长能力。第4主成分的特征值是0.746，贡献率为7.455%，这一主成分中主根长的特征向量值最大，说明这一主成分反映的是幼苗地下部分伸长能力。其余主成分的贡献率呈逐渐下降趋势，前 4个主成分的累积贡献率为87.854%，基本包含了大豆种子活力性状的全部信息，可将前4个主成分作为主成分分析的主要内容。

表5 大豆地方品种表型性状的主成分分析Table 5 Principal component analysis of phenotypic traits of soybean landraces

2.5 大豆种子活力的综合评价及高活力地方品种筛选

根据各综合指标在不同材料中隶属函数值和指标权重计算出104份大豆种子的综合评价值（D值），以D值对104份材料进行分类，可分为高活力、中等活力、低活力 3类，区间为[0.1,0.4)、[0.4,0.7)、[0.7,1)，如表6所示。其中高活力材料有8份，占总数的7.69%；中等活力的材料最多，为65份，占总数的62.50%；低活力材料共31份，占总数的29.81%。

表6 供试大豆材料种子活力性状级别分组及占比Table 6 Classification and percentage of seed vigor traits of tested soybean materials

如表7所示，筛选出D值≥0.7的高活力材料共有8份，为保险豆、汤原秃荚子、黄豆、宝清小金黄、和龙油太、富锦四粒黄、牛毛黄和汪清神仙洞。上述地方品种种子幼苗特点表现为生长速度、总根长、根体积、根表面积、主根长等性状指标值较高。

表7 种子高活力大豆地方品种相关性状描述Table 7 Description of related traits of high seed vigorous soybean landraces

3 讨论

种子在发育成熟过程中物质的积累是构成种子活力的基础，贮藏物质的不断增加使种子的发芽率逐步提高[23-25]；在种子成熟过程中脱水阶段形成的物质如LEA蛋白、寡聚糖和维生素E等参与提高种子抗逆能力[26-27]。上述物质在不同作物类型和不同品种之间存在一定的差异，其原因来源于基因型的差异，表现为不同品种的发芽率、发芽势、苗高、根长、苗鲜重和抗老化能力等不同。本研究中与种子活力相关的 10个性状遗传变异系数均在10%以上，在品种选育上都具有一定的选择潜力。其中发芽势的遗传变异系数最大，为35.42%，其次是总根长、根表面积、根体积和发芽指数（在26%～34%之间），最小的是苗高和下胚轴长，变异系数在18%左右。因此在高活力品种选育过程中，可优先考虑根系的生长状态和发芽速率，然后是幼苗地上和地下部分的伸长能力。

本研究发现，苗鲜重、苗高、发芽率、发芽势、发芽指数、总根长、根体积、根表面积间呈两两极显著正相关；苗高与主根长呈显著正相关；究其原因为控制性状的基因紧密连锁或者是一因多效导致。这一推论在本试验的活力性状和根系性状的关联分析中得到证实，即有多个位点与2个或2个以上活力性状或者根系性状关联。这种效应在大豆的根系、农艺性状研究中也有报道[28-29]。

通过聚类的方法分析作物品种间的关系及遗传差异在大豆研究中得到较多应用[30]，本研究以大豆种子活力相关性状将104个地方品种进行类群划分，获得4个类群，其具有一定的特征：类群Ⅲ表现出萌发速度快、幼苗伸长能力强，类群Ⅳ地下部分生长旺盛发达，其他2个类群品种各性状特征不突出，上述类群Ⅲ和Ⅳ为高活力品种的亲本选择提供了基础信息。在主成分分析中前4个主成分累积贡献率达到87.854%，可以反映104份大豆种质资源10个表型性状大部分遗传信息，第1主成分反映了根系生长的旺盛程度，第2主成分反映了幼苗的出土速度，第3个主成分与地上伸长能力有关，第4个主成分反映了地下的伸长能力，在大豆品种选育过程中可以重视上述性状的生长状态，以此提高高活力品种选育效率。

本研究中获得的8个种子高活力地方品种分别为保险豆、汤原秃荚子、黄豆、宝清小金黄、和龙油太、富锦四粒黄、牛毛黄和汪清神仙洞，上述高活力品种具有的抗逆性已有相关的报道，如和龙油太为高蛋氨酸资源，对菌核病中度耐病，中抗花叶病毒病，抗大豆细菌性斑点病[31-33]。和龙油太具有较好的耐旱性，且为中耐盐品种；牛毛黄高抗霜霉病和灰斑病，具有较好的耐旱性，并且为耐盐品种[34-35]；保险豆、和龙油太和汪清神仙洞携带抗大豆疫霉根腐病1号生理小种基因[36]。以上可以为培育高活力大豆品种提供资源信息和亲本材料。

4 结论

104个北方春大豆地方品种的 10个种子活力相关性状存在丰富的遗传变异，除下胚轴长与根体积、根表面积、总根长呈显著负相关外，其余各性状之间呈显著或极显著正相关。主成分分析表明根系粗壮程度、发芽速度、地上部分及主根的伸长能力反映了大豆地方品种87.854%的活力性状信息。利用隶属函数值筛选出保险豆、汤原秃荚子、黄豆、宝清小金黄、和龙油太、富锦四粒黄、牛毛黄和汪清神仙洞8个高活力大豆地方品种。