不同来源大豆种质资源的田间鉴定与筛选

赵朝森，赵现伟，孙丽萍，厉苏宁，郭兵福，王瑞珍

(江西省农业科学院 作物研究所/江西省油料作物生物学重点实验室，南昌 330200)

中国作物种质资源长期库中保存大豆资源2.3万余份，数量居世界之首，然而大豆资源在新品种培育中的利用率仅为1%左右。大豆育成品种的遗传基础狭窄问题一直备受关注。通过对大豆种质资源的重要经济性状进行系统评价鉴定，可为定向选择有重要价值的育种亲本、发掘和利用大豆资源中的优异基因提供指导[1]。遗传多样性即群体的遗传变异，可在农艺性状、基因型和基因水平上进行测度[2]，而农艺性状是种质资源多样性评价的最常用的鉴定指标[3]。应用多元统计方法对大豆种质资源表型性状的遗传多样性研究已有大量报道。因试验材料和分析方法不同，得出的研究结论也不尽相同。株高、底荚高度、有效分枝数、单株粒数、单株荚数、百粒质量、单株粒质量等重要农艺及产量构成性状均具有丰富的遗传多样性，生育期性状也有较大的遗传变异系数，而花色、叶色、叶形、茸毛色、粒色等描述性形态性状的遗传多样性较低[4-9]。

江西属中亚热带温暖湿润季风气候，年均温约16.3 ℃～19.5 ℃，年降水量1 341～1 943 mm，无霜期达240～307 d，活动积温5 000 ℃～6 000 ℃，光、温、水资源丰富，适宜大豆生长发育。江西大豆生产有春、夏、秋3种不同播种类型，种植方式有净种、间套种等，是中国南方高蛋白加工型大豆和菜用大豆的重要产区[10]。本研究对 1 580份来自不同生态区域大豆种质资源进行了农艺性状的精准鉴定，并通过相关分析和通径分析，综合评价这些资源的遗传变异，以期为江西及中国南方地区大豆种质资源创新和新品种选育提供物质基础和理论依据。

1 材料与方法

1.1 种质材料

供试的1 580份大豆种质资源由中国农业科学院作物科学研究所大豆基因资源发掘与利用课题组提供，包括国外种质239份，国内北方种质517份、黄淮海种质331份、南方种质493份。

1.2 试验方法

供试材料分别于2017年、2018年种植于江西省农业科学院作物研究所武阳镇试验基地(东经116°1′14″，北纬28°31′58″，海拔45 m)，试验地为水稻土，地势平坦，土壤肥力较好。供试种质按生育期长短排序，7月25日播种，每份材料种植2行，行长1.8 m，行株距40 cm×10 cm，每行定苗18株，2次重复。田间管理参照秋大豆常规生产管理。在整个大豆生育期间对供试种质的田间表型性状进行调查。成熟时每份种质取连续10个单株进行室内考种。调查下胚轴颜色、叶形、叶色、小叶大小、小叶数目、叶柄长短、花色、花序长短、茸毛色、茸毛密度、茸毛直立程度、株型、茎秆强度、倒伏性、荚色、裂荚性、落叶性、根瘤、粒色、种皮光泽、种皮裂纹21个形态描述型性状，以及初花时间、生育时间、株高、底荚高度、茎粗、主茎节数、有效分枝数、单株荚数、单株粒数、单株粒质量、百粒质量、荚长、荚宽13个数量性状。表型性状的数据观测记载与考种均参照《大豆种质资源描述规范和数据标准》进行[11]。

1.3 数据分析

2 结果与分析

2.1 描述型性状的遗传多样性

以遗传多样性指数Ds为评价指标，对1 580份供试种质描述型性状的遗传多样性进行分析，结果表明不同资源群体的遗传多样性具有差异(表1)。与其他描述型性状相比，除南方种质群体外，荚色在国外、北方、黄淮海及总资源群体中多样性指数最高，而种皮光泽在南方种质中表现出最丰富的遗传多样性。叶色的遗传多样性相对较低，在国外、北方、黄淮海及总资源群体中遗传多样性指数最小。21个描述型性状，在国外、北方、黄淮海、南方及总资源群体中的Simpson多样性指数范围分别为0.016 6～0.67 2、0.007 7～0.700 2、0.018～0.69、0.028～0.655 5、0.017 6～0.690 3，Simpson多样性指数平均值分别为0.345 9、0.347 1、0.345 9、0.322 4、0.357 7。在总资源群体中，不同描述型性状遗传多样性指数由大到小排序为：荚色>种皮光泽>落叶性>种皮色>种皮裂纹>茸毛色>叶形>花色>下胚轴颜色>茎秆强度>叶柄长短>小叶大小>茸毛密度>茸毛直立程度>株型>花序长短>倒伏性>小叶数目>根瘤>裂荚性>叶色。可见，荚色、种皮光泽、落叶性这3个描述型性状在种群中的遗传多样性高，而根瘤、裂荚性、叶色在种群中的遗传多样性低。

表1 大豆种质资源描述型性状的多样性指数(Ds)

2.2 数量性状的遗传变异

对初花时间、生育时间等13个数量性状的遗传变异进行分析，数量性状在不同来源种质资源群体中表现出的遗传变异具有差异性(表2)。在1 580份资源中，13个数量性状遗传变异系数由大到小的排序为：底荚高度>有效分枝数>单株荚数>单株粒数>株高>百粒质量>单株粒质量>初花时间>主茎节数>茎粗>荚长>荚宽>生育时间。底荚高度、有效分枝数、单株荚数、单株粒数、株高、百粒质量、单株粒质量的遗传变异系数均大于30%。其中，底荚高度的变异系数在国外，中国北方、黄淮海、南方和总资源群体中分别为83.73%、78.45%、90.54%、62.8%、88.82%。初花时间、主茎节数、茎粗、荚长、荚宽的遗传变异系数为20%～10%，生育时间的遗传变异系数小于10%。其中，生育时间的变异系数最小，在国外、北方、黄淮海、南方和总资源群体中分别为9.13%、6.26%、6.55%、10.45%、8.81%。表明供试大豆种质资源的数量性状变异程度高，多样性丰富。

表2 大豆种质资源数量性状的统计分析

2.3 不同地区大豆种质数量性状的遗传多样性

以遗传多样性指数为评价指标，对13个数量性状的遗传多样性进行分析发现，数量性状在供试大豆种质中具有丰富的遗传多样性，但在不同来源大豆种质资源群体中表现出不同的差异(表3)。在国外种质群体中多样性指数Ds范围为 0.640 6～0.852 6，平均值为0.813 6，以主茎节数的遗传多样性最丰富，有效分枝数次之，荚宽遗传多样性最小；在北方资源群体中多样性指数Ds范围为0.702 3～0.858 7，平均值为0.831 1，以有效分枝数的遗传多样性最丰富，单株粒质量次之，荚宽最小；在黄淮海资源群体中多样性指数Ds范围为0.698 2～0.857 7，平均值为0.825 9，以有效分枝数遗传多样性最为丰富，茎粗次之，荚宽最小；在南方资源群体中多样性指数Ds范围为0.748 2～0.854 5，平均值为0.836 9，以单株粒质量遗传多样性最为丰富，有效分枝数次之，荚宽最小；在供试1 580份资源群体中Simpson多样性指数范围为0.710 5～0.861 1，平均值为 0.826 5，以有效分枝数遗传多样性最丰富，单株粒质量次之，荚宽最小；13个数量性状在1 580份供试资源中按多样性指数由大到小排序为：有效分枝数>单株粒质量>主茎节数>茎粗>荚长>百粒质量>单株粒数>单株荚数>初花时间>株高>底荚高度>生育时间>荚宽。

表3 不同地区大豆种质资源数量性状的多样性指数(Ds)

2.4 数量性状的相关性分析

对13个数量性状之间的相关性进行分析表明，初花时间与百粒质量、荚长相关性不显著，与荚宽呈极显著负相关；株高与百粒质量、荚长、荚宽呈极显著负相关；底荚高度与有效分枝数呈显著负相关，与单株荚数呈显著正相关，而与单株粒数相关性不显著；主茎节数与百粒质量、荚长、荚宽呈极显著负相关；而有效分枝数、单株荚数、单株粒数也与百粒质量、荚长、荚宽呈极显著负相关；其余性状之间呈极显著正相关(表4)。从上述分析可知，大豆产量构成因子之一的单株粒质量与其他12个重要农艺性状正相关且达极显著水平。

表4 大豆种质资源数量性状的相关性

2.5 重要农艺性状对单株粒质量的通径分析

为了进一步探究大豆各个农艺性状对单株粒质量的直接作用和间接作用，在相关性分析的基础上进行了通径分析。从表5可知，各相关农艺性状与单株粒质量相关系数大小依次为茎粗(0.628 7)>生育时间(0.519 6)>单株粒数(0.501 7)>单株荚数(0.475 5)>初花时间(0.459 4)>株高(0.422 2)>有限分枝数(0.416 3)>主茎节数(0.414 5)>百粒质量(0.414 2)>荚长(0.381 8)>荚宽(0.225 1)>底荚高度(0.202 2)，说明了茎粗、生育时间、单株粒数、单株荚数对大豆单株粒质量的影响较大。

表5 大豆重要农艺性状对单株粒质量的通径分析

通径分析表明，各相关农艺性状对单株粒质量的直接通径系数大小依次为百粒质量(0.643 3)>单株粒数(0.634 6)>茎粗(0.188)>单株荚数(0.161 3)>荚长(0.109 2)>有效分枝数(0.109)>主茎节数(0.040 8)>生育时间(0.036 1)>底荚高度(0.029 8)>荚宽(-0.005 1)>株高(-0.027 1)>初花时间(-0.120 9)。可见，大豆百粒质量、单株粒数对单株粒质量的正向效应最大，其次为茎粗、单株荚数，再次是荚长、有效分枝数，主茎节数、生育时间、底荚高度有微弱的正向效应，而荚宽、株高、初花时间有负向效应。

2.6 高产特异大豆种质筛选

以大豆单株产量构成性状为综合指标，结合生育时间表现，筛选出30份高产特异大豆种质(表6)，可作为中国南方秋大豆育种骨干亲本。其中，生育时间在95 d以下的早熟高产大豆种质有10份，表现早熟、植株较矮、茎秆较粗壮、分枝性强、抗倒伏；‘新余大粒青’‘晋豆39’‘南农29’这3份种质荚大、粒大，可作为鲜食秋大豆育种亲本应用；‘红面豆’‘南农大红豆’为褐皮大豆种质，粒大、荚大，可以作为特色杂粮膳食大豆商业开发利用。生育时间为96～105 d的中熟高产大豆种质有17份，生育期适中，茎粗、抗倒伏，粒大、荚大。其中，‘丹波一号’‘绿肉黑皮豆’均为黑皮大豆，子叶绿色、籽粒特大，前者为日本鲜食大豆，后者为中国南方黑大豆特大粒种质，鲜籽粒作菜用时皮色呈浅紫色，外观商品性极佳，均具有大粒鲜食和食用黑大豆开发前景；‘南农99-10’‘南农99-6’‘赣豆2号’‘赣豆5号’为高产优质夏秋大豆品种；‘衢鲜1号’‘绿宝珠’为鲜食夏大豆品种。生育时间为106～115 d的晚熟高产大豆种质有3份；其中，‘海宁黄豆’为中国南方种质，表现粒大、荚大，株高中等；Foster为国外种质，植株较矮，分枝多，籽粒较小，单株结荚多而密；‘灵川黄豆’株型高大，茎粗、分枝较多、籽粒中等。

表6 高产特异大豆种质

3 讨 论

表型性状是植物生长的最直观表现，受植物本身基因型和环境因素的综合作用，表现出稳定性和变异性共存的特点[13]。表型性状数据易于获取，使用灵活、方便，分析作物遗传多样性简单、快速、环保。虽然作物的外部形态容易受到环境和栽培条件的影响，受遗传因子与外部环境的交互作用，但当被研究群体较大并且生长环境和栽培条件一致时，也可以消除环境的影响，表现出准确的遗传多样性。不同种群在遗传多样性丰富度接近时，Simpson指数比Shannon-Wiener指数对物种均匀度更为敏感，当一个群落新增加物种的相对多度超过某一限度时，群落多样性指数不但不增加，反而会有所下降，对于Simpson指数来说，该限度约为0.67，存在“稀释效应”[14]。本研究发现，大豆荚色在国外、国内北方、黄淮海及总资源群体中Simpson指数最大，说明该性状的变异差异在种群中分布均匀度高；反之，叶色在种群中Simpson指数最小，其遗传多样性均匀度低。统计分析发现13个大豆数量性状的Simpson指数在国外、国内黄淮海、南方、北方及总资源群体中平均多样性指数分别为0.813 6、0.825 9、0.836 9、0.831 1、0.826 5，均高于0.67，表明该批不同来源的大豆种质资源遗传多样性丰富，但随着新种质的增加群体的扩大，Simpson指数有所下降，群体遗传多样性被“稀释”了。这一研究结果与上述观点一致。

遗传变异系数是衡量数量性状变异的离散程度的一个统计量。遗传变异系数大，性状的遗传潜力大、遗传进度快、选择效果较好。本研究结果发现该大豆种质资源群体中的13个数量性状，有7个性状的遗传变异系数大于30%，有5个性状的遗传变异系数为20%～10%，仅生育时间变异系数小于10%，研究结果与王瑞珍等[6]、胡国玉等[15]、王燕平等[9]在分别分析中国南方大豆核心种质、黄淮海夏大豆和东北春大豆种质资源的农艺性状变异系数得出结论基本一致，这说明本研究群体的表型多样性十分丰富，个体差异大，有利于特异材料和优异基因型的筛选和利用。相关分析结果反映了不同农艺性状间的既相互独立又错综复杂的相关关系。其中，大豆产量构成因子之一的单株粒质量与其他12个重要农艺性状呈极显著正相关，有必要进一步阐明各个农艺性状对单株粒质量影响的主次作用。

大豆产量是由单位面积植株数和单株粒质量构成，大豆高产是通过调节合理群体和单株生产潜力来实现的。单株粒质量由每荚粒数、单株荚数和百粒质量三者构成。Sudhanshu等[16]认为大豆单株生物产量、单株荚数、百粒质量对单株粒质量有较大的直接和间接作用。韩秉进等[17]认为，提高大豆产量主要应该增加荚数，而百粒质量效应较小。汪宝卿等[18]认为单株粒数、生育期、茎粗和株高对产量的直接作用较大，而张君等[19]的研究结果表明株高对单株产量的影响较小。本研究通径分析发现，各个数量型农艺性状中百粒质量、单株粒数对单株粒质量的正向效应最大，其次为茎粗、单株荚数，再次是荚长、有效分枝数，主茎节数、生育时间、底荚高度有微弱的正向效应，而荚宽、株高、初花时间有负向效应。这一研究结论与前人研究结果既有相似之处也有不同的结论。总之，通径分析明确了各农艺性状间及对单株粒质量的影响主次关系，为育种提供一定的理论依据。当前，大豆高产目标难以突破，一方面是现有技术手段难以使大豆杂种优势应用于实际生产，另一方面是高产育种亲本遗传基础狭窄。大豆在长期演化过程中形成了适应不同生态区的生态类型，具有丰富的遗传多样性，许多优良农艺性状和品质性状存在于种质资源中。本研究试验材料来源广泛、类型丰富，涉及国外、北方、黄淮海及南方大豆种质，有地方品种、育成品种、育种品系，育种中间材料。因此，通过分析和掌握该批种质资源主要性状的遗传特点及其相互关系，根据育种目标合理选择亲本形成优势性状互补，从而进行大豆高产品种改良和选育。