辽宁省小豆种质资源表型鉴定及多样性分析

何伟锋，叶福民，乔 辉，赵 秋，徐 敏

(1.辽宁省经济作物研究所, 辽宁 辽阳 111000；2.灯塔市农村农业服务中心, 辽宁 辽阳 113000)

小豆（Vigna angularis）隶属豆科蝶形花亚科菜豆族豇豆属，一年生作物，三出复叶，花色基本为黄色，大部分品种带茸毛，荚果狭长［1-2］。小豆籽粒含有人体所必需的铁、钙、磷等微量元素和18 种氨基酸，蛋白质含量比禾谷类作物高2 ～3 倍［3］，营养价值较高。

小豆起源于中国，我国既是小豆生产大国，也是出口大国，种植面积及总产量均为世界第一［13］。为了更好地挖掘我国小豆资源，为高产优质新品种选育和栽培推广提供支持，我国科学家开展了全方位的小豆种质资源鉴定评价工作。徐宁等［5］根据地理来源分组构建了中国小豆核心种质。白鹏等［6］以16 个农艺性状为基础，对全国262 份小豆资源进行聚类分析，发现小豆资源聚类分析的结果与其地理来源无明显相关性。吕学高等［7］、武小霞等［8］分别选用浙江省、黑龙江省的小豆资源，在多个主要农艺性状的基础上进行综合评价，并提取了与产量直接相关的主要性状。此外，魏淑红［9］、喻少帆等［10］、朱振东等［11］、濮绍京等［12］从抗病、耐寒等方面也对小豆资源进行了鉴定和评价。

与大宗作物相比，我国有关小豆的研究开展较晚，资源、育种和栽培技术等应用基础研究相对落后，品种混杂退化严重［13］，尤其缺少早熟、高产、大粒、加工品质等性状优良的品种［14］。本试验选用辽宁省农科院种质资源库保存的289 份小豆资源材料，以32 个质量性状、18 个数量性状为基础，通过多样性分析、相关性分析、主成分分析、灰色关联度分析以及聚类分析，对所有材料进行综合评价。以期为掌握辽宁省小豆种质资源的基本情况，为小豆科研和产业开发提供理论依据，为辽宁省产业结构调整做出贡献。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料共289 份，为2011—2015 年收集的各类小豆资源，现保存在辽宁省经济作物研究所种质资源库，分别来自辽宁（126）、北京（119）、河北（34）、内蒙（7）、山东（1）、黑龙江（1）等地，另有1 份材料从日本引进，详情见表1。

表1 小豆种质资源材料清单Table 1 Germplasma list of Vigna angularis

续表：

1.2 试验地点及土壤类型：

试验在辽宁省经济作物研究所试验地进行。土质为沙壤土，耕层土壤有机质含量为1.97%，全氮为0.08%，碱解氮为73.4 mg/kg，速效磷为 23.6 mg/kg，速效钾为247.5 mg/kg。试验地上茬作物为玉米。

1.3 试验方法：

试验于2015—2019 年进行。根据获得资源的顺序和试验地情况，所有资源材料陆续种植，保证每份材料种植3 年。种植时所有资源材料顺序排列，每个材料种植2行，行长5 m，行距50 cm，株距8 ～10 cm，无重复。6 月25 日播种，10 月5 日收获。以三元复合肥为基肥一次性施入，中耕除草3 次。

参照程须珍等［15］的《小豆种质资源描述规范和数据标准》，每份材料选择长势均匀的10 株，全生育期调查包括生育时期、株高、叶片数、单株荚数、产量等在内的18 个数量性状，以及熟性、颜色、生长习性等32 个质量性状。调查结果取平均值。

1.4 数据整理与分析

采用EXCEL2007 和DPS9.5 进行数据的整理和分析。其中：以所调查性状为基础，分别对数量性状和质量性状进行相关分析；以数量性状指标为基础，进行Shannon 多样性指数分析［16］和主成分分析；以单株产量为参考数列，将所有数量性状指标进行标准化后，进行灰色关联度分析；采用标准化转换—欧氏距离—离差平方和法进行部分性状的系统聚类分析并进一步进行K-Mean 聚类分析。

2 结果与分析

2.1 小豆种质资源多样性分析

2.1.1 质量性状的多样性分析 由表2 可见，所有检测的质量性状中，有14 个性状表现出相同的特征。表现为：三出复叶，小叶圆形全缘，单叶浅绿，复叶绿色，茎绿色，果荚筒形无茸毛，幼荚绿色，成熟荚黄白色，不裂荚。

表2 特征表现相同的14 个质量性状Table 2 14 Quality traits with same feature

由表3 可见，有18 个质量性状表现出不同的特征值，其中：10 个性状表现出了全部的特征，包括株高程度、叶柄色、花蕾色等；其余8 个性状表现出了大部分特征，包括复叶叶型、茸毛密度等，其中粒色的表现最为复杂，共表现出了全部8 个特征中的7 个特征。

表3 特征表现不同的18 个质量性状Table 3 18 Quality traits with different feature

2.1.2 数量性状的多样性分析 对所检测的18 个数量性状进行多样性分析，结果见表4。

表4 小豆种质资源18 个数量性状统计参数Table 4 Analysis parameter of 18 quantity traits of Vigna angularis

18 个数量性状的变异系数分布在6.47% ～75.99%之间，其中：变异系数最高的是单株产量（75.99%），其次是单株荚数（67.01%）、主茎分枝数（41.53%）以及第一分枝节位（34.9%），都超过30%，说明这4 个性状的变异程度较高，遗传改良的潜力较大；叶片宽（8.56%）、叶片长（8%）、生育日数（6.47%）3 个性状的变异系数较小，都小于10%，说明其离散程度较低，品种间表现较为稳定。

Shannon多样性指数代表性状表现的丰富程度。18 个性状的Shannon 多样性指数分布在0.676 2 ～2.068 5 之间，其中：多样性指数较高的是叶片宽（2.068 5）、叶柄长（2.066 6）、叶片长（2.048 0）、荚长（2.041 9）、株高（2.033 6）5 个性状，指数都超过2.0，说明这5 个性状的遗传基础较为丰富，并且受外界条件影响较大；粒宽（0.925 0）和第一分枝节位（0.676 2）2 个性状的多样性指数较低，低于1.0，说明其性状表现较为稳定。

2.2 小豆种质资源性状相关性分析

2.2.1 质量性状的相关性分析 为了直观说明质量性状之间的相关性，结合期特征值及单株产量，进行了相关性分析，由表5 可见，所检测的18 个具有不同特征值的质量性状之间，单株产量与复叶叶色、复叶叶形、花蕾颜色、株高程度、结荚程度、以及籽粒大小呈极显著正相关，与分枝性呈极显著负相关，与种皮光泽呈显著负相关。此外，熟性与复叶叶型呈显著正相关，与花蕾色、主茎茸毛密度呈显著负相关，与复叶叶色、籽粒均匀度呈极显著正相关；叶色、花蕾色、花色、叶柄色呈显著正相关；粒色与籽粒大小、籽粒均匀度、种皮光泽度、叶片茸毛密度、结荚习性呈显著正相关；籽粒大小与结荚习性、生长习性呈正相关，与叶片茸毛密度、粒型呈负相关；生长习性与主茎茸毛密度、分枝性呈显著负相关；复叶叶色与分枝性和籽粒均匀度呈显著负相关，与复叶叶型、籽粒大小呈极显著正相关；结荚程度与籽粒大小、复叶叶色、花蕾色、株高呈正相关，与粒色呈负相关；主茎茸毛密度与花蕾色、生长习性呈显著负相关。

表5 小豆种质资源质量性状关性分析Table 5 Correlation analysis of quality characters of Vigna angularis

2.2.2 数量性状的相关性分析 由表6 可见，单株产量与叶片大小、叶柄长、主茎粗、主茎节数、单株荚数、单荚粒数、果荚大小、籽粒大小、以及百粒重大小呈极显著正相关，与第一分枝节位呈极显著负相关，与株高呈显著正相关。此外，生育日数与叶柄长呈显著正相关，与叶片长呈显著负相关，与叶柄粗呈极显著负相关，与籽粒大小和百粒重呈极显著正相关；叶片及叶柄大小与单株荚数、果荚长、籽粒大小和百粒重显著正相关，与第一分枝节位呈显著负相关；主茎节数与主茎粗、荚长、单株荚数、单荚粒数呈显著正相关；果荚大小与单荚粒数、籽粒大小和百粒重呈显著正相关；籽粒大小与百粒重呈正相关。

表6 小豆种质资源数量性状关性分析Table 6 Correlation analysis of quantity characters of Vigna angularis

2.3 小豆种质资源数量性状的主成分分析

主成分分析作为一种有效的多元分析方法，其每一个主成分都是一个相对独立的指标体系，各个主成分之间不存在相关性且数值直观易分析［17］。本试验主成分分析结果见表7。选择特征值大于1或接近于1 的7 个主成分，累计贡献率达69.97%。各主成分的特征向量表示各性状对主成分贡献的大小，其中≥0.3 特征向量值可作为主要因子。经过比较各主成分的特征向量，可将其分别命名为单株荚数因子、叶片因子、单株产量因子、单荚粒数因子、叶柄因子、荚长因子和第一分枝节位因子。其中，第一、第三、第四主成分与产量直接相关，第六、第七主成分与产量间接相关，第二、第五主成分主要与叶片性状相关。

表7 小豆资源数量性状7 个主成分因子及其特征向量Table 7 7 Principal components and factors loading of quantity traits

2.4 小豆种质资源数量性状与产量的灰色关联度分析

以单株产量为参考数列，分析小豆主要数量性状与产量的关联度，结果见表8。所检测数量性状中，对小豆单株产量的影响最大的是单株荚数，影响较大的是荚长、百粒重、荚宽、主茎粗等12 个性状，叶柄长、生育日数、主茎分枝数、第一分枝节位4个指标对单株产量的制约依次减小。因此，在选育高产小豆品种时，应重点选择单株荚数多、果荚大、百粒重高、主茎粗壮的品种。

表8 小豆种质资源单株产量与数量性状的关联序Table 8 Gray interacting analysis between plant yield and quantity traits

2.5 小豆种质资源的聚类分析

2.5.1 所有性状的系统聚类分析 聚类分析反映了不同品种的遗传差异，将性状相近的聚为一类，对杂交中亲本的选择具有指导作用［17］。由于本试验所测量的数据较多，为使结果更简单明了并具有说服力，对18 个数量性状进行整理，最终以13 个数量性状为基础，采用数据标准化转换—欧氏距离—离差平方和法，进行系统聚类分析，详见图1。

图1 289 份小豆资源的系统聚类分析图Fig. 1 Cluster analysis of 289 Vigna angularis germplasm

根据图1 的结果，在欧氏距离=23.01 处，将所有材料分成6 个类群，对63 个类群进行解析，得到表9。第一类群包括1、5、116 等78 份材料，属于早熟小叶小粒的类群。第二类群包括3、33、925 等30 份材料，属于高大多分枝大果荚的类群。第三类群包括6、54、90 等28 份材料，属于植株粗壮、高产的类群。第四类群包括7、98、113 共78 份材料，属于晚熟、矮生、低产的类群。第五类群包含19、78、164 等43 份材料，属于植株弱小、小粒、低产的类群。第六类群包括39、71、124 等32 份材料，属于中晚熟、植株生长旺盛、结实能力强、高产的类群。

2.5.2 数量性状的K-Mean 聚类分析 进一步采用K-Mean 聚类分析法，得出18 个数量性状的最终聚类中心点，结果见表9，表中给出了18 个数量性状的理论分布区间和中心值。本试验中所有资源，各性状的表现主要集中在中心值附近，也是辽宁省现有小豆种质资源的主要表现特征。

根据表9 中的最大值和最小值，综合考虑熟性、高产、矮生、粒型大小等性状，筛选出4 类优特异资源。

熟性方面：早熟资源10 份，编号为1、4、8、9、10、11、241、242、269、290。该群体生育期为80 d 左右，百粒重和单株产量偏低。晚熟资源10 份，编 号 为114、126、143、144、155、178、179、254、257、266。该群体生育期在100 d 以上，百粒重较高。

株高方面：矮生资源10 份，编号为11、34、62、113、114、115、119、120、145、271。 该 群体株高在55 cm 以下，百粒重中等，单株产量偏低。高秆资源10 份，编号为2、27、46、54、55、164、165、193、218、266。该群体株高在110 cm以上，百粒重中等，单株产量较低。

百粒重方面：小粒资源10 份，编号为106、179、253、257、270、271、272、282、287、290。该群体百粒重在4.3 ～8.7 g，产量较低。大粒资源10 份，编号为30、46、50、75、93、96、102、124、135、140。该群体百粒重在18 g 以上，产量较高。

产量方面：高产资源10 份，编号为46、82、115、124、135、138、139、154、155、178。该 群体单株产量在40 g 以上、最高达到93.9 g，百粒重较高。

结合上述的分析，筛选出早熟矮秆小粒资源3份，分别是来自河北的11 号、来自辽宁省彰武县的271 号和海城市的290 号；中熟高秆大粒高产资源5份，分别是来自北京农学院的46 号、135 号、155 号、来自辽宁省法库市的266 号、124 号。

3 讨论与结论

本试验所检测的32 个质量性状中，有14 个表现出相同的特征，18 个表现出不同的特征。其中10个表现出了标准［15］中所列全部的特征，其余8 个性状则表现出了所列的大部分特征。所检测18 个数量性状中，变异系数分布在6.47%～75.99%之间,多样性指数分布在0.676 2 ～2.068 5 之间，差异比较大。小豆为豇豆属的一种，部分性状表现接近或相同，说明这些性状经过自然选择表现出了较强的适应性，遗传改良的潜力较小，这一点与高运青等［18］的研究结果相同。乔玲等［19］研究认为，变异系数较低的数量性状具有较高的多样性指数，本试验也表现出相近的趋势。

综合质量性状和数量性状之间的相关性分析，与单株产量相关较为密切的主要是籽粒和果荚的性状，以及与植株的营养生长能力直接相关的性状，包括株高、主茎节数、分枝性、叶片大小等，都与产量呈正相关，这一点与前人研究结果相符［6］。此外，复叶的特征、花蕾颜色以及种皮的光泽度也与单株产量表现出相关性，即：高产品系应表现为深绿色心脏型或剑型叶片、偏紫色花蕾、种皮光亮。值得注意的是，叶色、叶柄色、花蕾色、花色之间呈显著正相关，即颜色同时加深或变浅，说明植株的色素积累是由其遗传特性所决定的。但是粒色没有表现出一致的相关性，推测原因有两个方面：一是粒色表现比较复杂，尤其还有花纹花斑的性状；二是控制籽粒色素形成与沉着的基因与控制植株色素形成与沉着的基因不同。由于质量性状的相关是通过对其进行赋值完成的，其中人为因素影响较大，分析结果可以为工作提供参考。

本试验提取了小豆资源表现性状的7个主成分，分别归纳为单株荚数因子、叶片因子、单株产量因子、单荚粒数因子、叶柄因子、荚长因子和第一分枝节位因子。其中，第一、第三、第四主成分与产量直接相关、第六、第七主成分与产量间接相关，第二、第五主成分为叶片性状，代表植株长势。本试验还以单株产量为基础，对17 个数量性状进行了灰色关联度分析。结果发现，与小豆单株产量关联度较大的是单株荚数，其次的果荚大小、百粒重、主茎粗等性状。结合相关分析和主成分分析的结果，可以认为，小豆的结实能力对产量影响较大，其次是植株长势。

本试验通过聚类分析将所有材料分成6个类群，还采用k-mean 聚类分析法，筛选出了具有特异性状的资源，包括早熟矮杆小粒资源3 份，中熟高秆大粒高产资源5 份。育种过程中，可以根据需要选择遗传距离大、表现突出的材料杂交配组以获得最大的遗传变异［20-21］。根据以往在小豆［22］、棉花等作物上的经验［23］，不同类群的特征与其原始来源地区的自然气候条件有一定的相关性，可以通过聚类分析将其划分开。但本试验的研究结果没有表现出这一特征，这一点与白鹏等［6］的研究相符，其原因在于本试验所选用的材料中一大部分来自于北京农学院的资源库，其原始来源不明；同时区域间引种较为频繁，所以无法对其地域分布进行进一步 的分析。

本试验仅考虑本地生态气候条件下小豆资源的性状表现，由于试验条件、土壤及气候条件等的不同，会导致各性状值的变化，因此试验结果仅对本地区小豆资源的创新利用具有指导意义。同时，本试验仅比较了各资源生物学性状的表现值，对于生理生化指标没有深入的研究，对于分子层面的研究工作也没有开展，这些都要在下一步的工作中逐步展开。