绿豆产量相关性状通径分析及高产种质筛选

蔡德宝，丁冬会，刘 晴，2，陈雪苗，2，王兰芬，陈吉宝*

（1.南阳师范学院南水北调中线水源区水安全河南省协同创新中心，河南 南阳 473061；2.河南省月季种质创新与栽培技术工程研究中心，河南 南阳 473061；3.中国农业科学院作物科学研究所，北京 100081）

绿豆[Vigna radiata(L.)Wilczek]是亚洲重要经济作物之一[1]。绿豆生育期短（60～90 d），是禾谷类作物和薯类作物的良好前茬，是补种、填闲和救荒的优良作物。同时，因其抗旱、耐瘠、适播期长和适应性广等特点，而被广泛种植在东亚、南亚、和东南亚，尤其是在印度、缅甸和中国[2]。目前，该作物在全球的总种植面积为600万～700万hm2，总产量约600万t[3]。中国种植面积和总产量居世界第2位，种植面积约43.33万hm2，同时，绿豆是我国第二大出口食用豆类，近10年我国年均出口约12.055万t，创汇约1亿美元[4-5]。

绿豆的产量潜力在2 500～3 000 kg/hm2之间[6]，我国绿豆平均单产为1 285 kg/hm2，不到绿豆的产量潜力的一半，并且和世界最高单产（2 250 kg/hm2）相比也仍有很大差距，因此，培育高产绿豆品种仍然是我国绿豆育种的重要目标之一[7-8]。由于豆科植物产量调控机制极其复杂，前人将产量相关性状作为提高绿豆产量的选择标准。刘兴叶等[9]运用多元回归分析、通径分析等方法研究发现单荚粒数、荚长、株高、主茎节数、百粒重、单株荚数和主茎分枝数是影响绿豆产量的主要因子；王官等[10]通过灰色关联分析发现绿豆主要农艺性状对单株产量影响的关联序为：单株荚数>株高>主茎节数>百粒重>单荚粒数>主茎分枝>生育期；杨勇等[11]研究显示绿豆产量主要受株高、主茎节数、有效分枝数、单株荚数、单荚粒数和百粒重影响；陈吉宝，王兰芬等[8,12]发现，绿豆单株产量与单荚粒数呈极显著正相关（0.837、0.476）；也有研究表明，绿豆产量的形成还受开花期、成熟期等生育期相关性影响[12-13]。因此，培育高产绿豆新品种，需要综合考虑农艺性状与生育期性状，以及各性状间的相互联系。

虽然通过多元回归分析、通径分析、聚类分析及灰色关联分析等多种分析方法对绿豆产量构成因素展开大量研究，但研究中选用的绿豆材料数量相对较少且多为育成品种，存在生态区覆盖片面、遗传基础狭窄等弊端。本研究以涵盖国内外主要绿豆生态区的294份绿豆种质资源为材料，对不同基因型绿豆进行变异、相关性、通径及聚类分析，探索影响绿豆产量构成的主要性状因子，拟建立更加系统、全面以及快速的绿豆产量评价体系，为高产绿豆优异资源发掘、新品种培育提供参考。

1 材料和方法

1.1 试验材料

294份参试绿豆材料由中国农业科学院作物科学研究所提供，包括国内种质268份，国外（澳大利亚、菲律宾、印度、亚蔬中心）种质26份。

1.2 试验方法

1.2.1 田间试验设计与管理

大田试验于2019—2021年春季在南阳师范学院科技农场进行，于每年4月下旬播种，完熟后收获。播种前2周浇透水，播前1周深翻耕土壤一次，翻耕深度为30 cm，并施复合肥380 kg/hm2。小区播种，小区长4 m，宽3 m，每小区播种4行，行距0.6 m，每行8穴，株距0.4 m，于出苗后一周定苗，每穴留1株。绿豆生长期间按照正常田间管理措施，于分枝形成前中耕一次，并起垄培土，整个生长期间不再浇水。试验采用完全随机区组设计，重复3次。

1.2.2 产量性状的调查

株高（plant high，PH）、单株分枝（number of branches per plant，BPP）、单株荚数（pod per plant，PPP）、单荚粒数（seed per pod，SPP）、荚长（pod length，PL）、荚宽（pod width，PW）、百粒重（weight per 100 seed，HSW）、始花期（first flowering date，FFD）也记为营养生长期（vegetative growth date，VGD）、开花期（flowering date，FD）、始熟期（first ma⁃turity date，FMD）以及成熟期（maturity date，MD）按照《绿豆种质资源描述规范和数据标准》[14]进行调查；粒长（seed length，SL)、粒宽（seed width，SW）、籽粒直径（seed diameter，SD）以及籽粒周长（seed pe⁃rimeter，SP）用SC-G谷物籽粒考种仪（杭州万深）测量，每个材料取50粒种子进行扫描，读取数据；始花期至成熟期记为生殖生长期（reproductive growth date，RGD）、生殖生长期/营养生长期比率（ratio of reproductive growth date/vegetative growth date，RRV）；每个小区单独脱粒后称重后折算为单位面积产量（seed yield，SY）。

1.3 统计分析

计算不同年份18个性状的表型数据的BLUE值，采用Microsoft Excel 2010进行统计计算及整理，Ori⁃gin 2021进行聚类分析，SPSS 24.0进行各性状间的Pearson相关分析、多元回归分析及通径分析和类群间各性状的方差分析（ANOVA）。

2 结果与分析

2.1 绿豆种质主要产量相关性状的遗传变异情况

种植的294份种质材料3年均正常开花结实，18个性状测定数据和频率分布如表1和图1所示。18个性状的偏度和峰度绝对值均接近1.00，说明所选种质材料各性状均呈近似正态的连续分布。籽粒产量变异范围为709.53～1 987.67 kg/hm2，平均值为1 229.45 kg/hm2；株高变异范围为19.93～81.83 cm，平均值为54.41 cm；单株荚数变异范围为12.61～74.26个，平均值为37.38个；百粒重变异范围为3.35～7.67 g，平均值为5.62 g；开花期变异范围为38.17～61.26 d，平均值为48.86 d；成熟期变异范围为66.77～94.54 d，平均值为79.54 d；各性状变异系数为5.37%～32.20%，其中变异系数最小的是粒宽，最大的是籽粒产量，以上结果说明不同性状在种质材料个体之间均存在较大程度的变异。

表1 绿豆产量相关性状和产量描述性分析Table 1 Yield related traits and yield descriptive analysis of mung bean

图1 绿豆种质材料主要产量相关性状的频率分布Figure 1 Frequency distribution of main yield-related traits in mung bean germplasm materials

2.2 绿豆种质主要产量相关性状的相关分析结果

由供试绿豆种质材料的17个农艺性状与产量间的Pearson相关系数（表2）可知，籽粒产量与成熟期呈显著正相关，与株高、分枝、单株荚数、荚长、荚宽、百粒重、粒长、粒宽、粒周长以及直径呈极显著正相关，其中，与百粒重相关性最强（0.67），粒周长、粒直径（0.63），表明籽粒性状在决定绿豆产量中起关键作用；单株荚数、荚长和荚宽相关系数（0.36、0.56、0.53）仅次于籽粒性状，表明果荚性状在决定绿豆产量中同样起关键作用；株高、分枝与产量相关系数低于籽粒性状与果荚性状相关系数，生育期相关性状与籽粒性状的相关系数均较低。

表2 绿豆种质材料产量相关性状间相关系数Table 2 Correlation coefficients among yield related traits of mung bean germplasm materials

百粒重与粒周长、粒直径呈极显著正相关（0.97），与生殖生长期、生殖生长/营养生长等生育期相关性状呈极显著负相关（-0.21、-0.20），粒长、粒宽、粒周长和粒直径等籽粒性状均与荚长、荚宽呈极显著正相关，与生育期性状呈负相关；单株荚数与单株分枝数均呈极显著正相关（0.33），荚长、荚宽以及百粒重等籽粒性状均呈极显著负相关；成熟期与始熟期相关性最强（0.86），其次为开花期、始花期和生殖生长期（0.74、0.65）。

2.3 绿豆主要产量相关性状对产量构成的多元回归分析

为筛选可用于评价不同基因型绿豆高产育种的主要性状指标，建立绿豆产量评价的数学模型，将17个产量相关性状的数据作为自变量，产量作为因变量，进行逐步回归分析。最终建立了产量与各性状间的最优回归方程：SY=-2 628.124+136.778HSW+13.436PPP+4.780MD+34.901SPP+22.469PL+42.851PW+1.545PH+249.033SD+19.176BPP+3.242RGD。方程决定系数R2=0.96，P=0.000 1。由方程的决定系数和P值可看出，该方程可以很好地估计不同基因型绿豆的产量。由上述方程可知，本研究中百粒重、单株荚数、成熟期、单荚粒数、荚长、荚宽、株高、粒直径、分枝和生殖生长期对产量均起正向效应，且相对于其余7个性状具有更直接的作用，但同时也要注意其他性状的影响，不能忽略各个性状之间相互影响而形成的间接作用。

2.4 绿豆产量相关性状对产量构成的通径分析

为探究各性状对产量直接作用的大小及各性状间的相互作用大小，进行百粒重、单株荚数、成熟期、单荚粒数、荚长、荚宽、株高、粒直径、分枝和生殖生长期对产量的通径分析，结果（表3）表明，10个主要性状对绿豆产量均起正向作用，各性状的直接贡献大小顺序为：单株荚数>百粒重>粒直径>单荚粒数>荚长>成熟期>荚宽>株高>分枝>生殖生长期。各性状对产量的间接影响中，单株荚数为负值，其余均为正值。

表3 产量相关性状与产量的通径系数Table 3 Path coefficients of yield related main characters and yield

在考察的10个主要性状中，单株荚数对产量的直接作用最大（0.63），尽管通过单荚粒数、粒直径、成熟期对产量的间接作用削弱了荚长对产量的影响，导致综合间接效应是负向作用，但直接正效应大于间接负效应，因此在育种中，尽量选择单株荚数多的品种；百粒重的直接作用位居第2（0.53），尽管由于株高、荚宽对产量的间接作用削弱了百粒重对产量的影响，但通过分枝、单株荚数、荚长、单荚粒数、粒直径、百粒重、成熟期、生殖生长期对产量的间接正向效应，导致综合间接效应还是正向作用，且百粒重与产量间存在着极显著正相关（表2），因此对百粒重性状进行直接选择是绿豆高产育种的有效途径之一；粒直径对产量的直接作用位居第3（0.29），与产量呈极显著正相关（表2），且粒直径对产量的间接作用主要通过百粒重对产量的正效应而实现，同时综合间接效应还大于直接效应，因而表明粒直径在绿豆高产育种中发挥重要作用；单荚粒数产量的直接作用位居第4（0.16），对产量的间接效应通过粒直径对产量的间接作用而被削弱，但综合间接效应依然略大于直接效应，因此在品种选育中尽量选择单荚粒数多的品种；尽管株高、分枝、荚长、荚宽、生殖生长期、成熟期对产量的直接作用较小（表3），但综合间接效应均大于直接效应，其中荚长综合间接效应最高（1.11）。因此，株高、分枝、荚长、荚宽、生殖生长期和成熟期等性状在绿豆高产育种中也不可忽视。

2.5 不同基因型绿豆聚类分析

基于供试绿豆种质材料多元回归分析筛选得到的百粒重、单株荚数、成熟期、单荚粒数、荚长、荚宽、株高、粒直径、分枝和生殖生长期10个性状及籽粒产量的表型数据进行聚类分析，结果显示，将294个绿豆种质划分为六大类群（图2），各类群农艺性状的平均值如表4所示。各类群产量高低顺序为：Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ>Ⅵ>Ⅳ>Ⅴ（P<0.05）。其中，类群Ⅰ包含2个绿豆种质材料，平均产量为1 856.35 kg/hm2，类群Ⅱ包含25个绿豆种质材料，平均产量为1 639.34 kg/hm2，2个类群合计占供试材料总数的8.16%；就株高而言，类群Ⅰ、Ⅱ间差异不显著，类群Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ间差异不显著，但类群Ⅰ、Ⅱ株高显著高于类群Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ；对于单株分枝来说，类群Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅵ单株分枝差异不显著，除类群Ⅳ外，其余类群单株分枝显著多于类群Ⅴ；类群Ⅰ与类群Ⅱ单株荚数与荚长显著高于Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ，与类群Ⅲ无显著差异；对于荚宽、百粒重、粒直径来说，类群Ⅰ与类群Ⅱ无显著差异，但显著高于类群Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ；就成熟期来说，类群Ⅱ成熟期最长，类群Ⅵ成熟期最短；各类群间单荚粒数与生殖生长期无显著差异；除单株分枝、单荚粒数、生殖生长期外，类群Ⅰ与类群Ⅱ其余8个性状均高于平均值（表1）。综上，百粒重、单株荚数、成熟期、单荚粒数、荚长、荚宽、株高、粒直径、分枝和生殖生长期10个性状可作为绿豆产量评估的重点性状；类群Ⅰ与类群Ⅱ的27个绿豆种质可作为高产绿豆引种的优良品种和杂交育种的亲本材料。

图2 基于主要性状的绿豆种质材料聚类分析结果Figure 2 Cluster analysis results of mung bean germplasm materials based on main traits

表4 聚类后绿豆种质六大类群间主要产量相关性状的方差分析Table 4 Analysis of variance of main yield-related traits among six groups of mung bean germplasm after clustering

3 讨论与结论

作物种质资源是农业生产的宝贵财富，是几千年物种进化的宝贵遗产，充分挖掘种质资源对于育种技术的突破具有重要的意义[15]，中国绿豆种质资源丰富，种类繁多[15-16]。本研究通过对国内种质268份，国外种质26份，合计294份绿豆种质资源17个产量相关性状及单位面积产量的变异系数进行分析，结果表明，18个性状的变异系数在5.37%～32.20%，可见供试绿豆种质资源遗传基础较广，遗传背景丰富；各性状均呈连续正态分布，说明所选材料具有一定代表性，为本研究的进一步深入奠定基础。

本研究中单位面积产量、单株荚数、百粒重、株高、分枝、生殖生长期和生殖/营养生长期等性状变异系数较大，在实际育种中可把单位面积产量、单株荚数以及百粒重作为首要性状进行选择，同时兼顾株高、分枝、生殖生长期以及生殖/营养生长期等性状；绿豆粒长、单荚粒数和粒宽等籽粒变异系数较小，说明该性状在不同的环境具有较高稳定性，这与陈吉宝[8]、S.S.Zuge等[17]研究结果一致；另外，在以往有关绿豆生育期相关性状研究中没有生殖生长期、生殖/营养生长期的调查，通过本研究发现该性状在绿豆育种中可起到辅助选择的作用，应加以利用。

绿豆主要产量相关性状与单位产量的相关性分析可以反映各性状与产量及各性状之间的相互关系[9]。本研究中，单荚粒数、始花期、开花期、始熟期、生殖生长期、生殖/营养生长期外，其余性状均与产量呈显著或极显著正相关，各性状与产量的相关性大小为：百粒重等籽粒性状>荚长等果荚性状>主茎分枝数>株高>成熟期等生育期性状。相关性分析表明：株高越高，主茎分枝数和单株荚数越多，成熟期也越晚；主茎分枝越多，单株荚数也同时增多；单株荚数越多，则百粒重越小；成熟期越晚，单荚粒数越多，产量则越高，与王乐政等[18]研究结果类似。本研究结果显示，绿豆产量与百粒重相关系数最大（0.67**），大部分研究都表明，绿豆单株分枝数[18-19]、单株荚数[11,20]、单荚粒数[20]和百粒重[11,21]与小区产量呈正相关，这与本研究结果一致。

绿豆成熟期与单株产量呈正相关的研究较多，而有关绿豆生育期性状与小区产量关系的研究较少。部分研究认为，绿豆生育期与小区产量呈负相关，如杨勇等[11]对16个绿豆品种的研究表明，生育期与小区产量呈极显著负相关，相关系数为-0.666 5**；也有研究表明，成熟期与小区产量呈正相关，如朱慧珺等[22]对28个绿豆品种（系）农艺性状与产量的关系进行综合评价结果表明成熟期与小区产量的相关系数为0.001，张旭丽[23]对5个绿豆新品系的研究结果表明成熟期与小区产量的相关系数为0.025，王乐政等[20]对鲁西北27个绿豆品种（系）进行的2年试验的研究显示成熟期与小区产量的呈极显著正相关（0.632**）。本研究也显示，虽然相关系数较低，但绿豆的生育期相关性状与产量均呈正相关，其中成熟期与产量呈显著正相关（0.13*）。有关生育期与小区产量相关性相矛盾的现象在大豆中也存在，如余飞等[24]在黄淮海大豆区对11个大豆品种试研显示，生育期与小区产量呈显著负相关（-0.662 1*），但陆娣[25]对辽宁中北部8个大豆新品种的2点2年试验结果也显示，大豆的生育期与小区产量呈极显著正相关（0.730**）。Kuo D.G.和殷爱武[26]指出，绿豆产量直接由花后阶段决定，但是它的生产潜力却主要取决于前期的生长。王畅[27]的研究显示，小区产量与出苗至开花天数呈正相关、与开花至结荚天数呈极显著负相关、与结荚至鼓粒天数呈极显著正相关；而红小豆的小区产量与所研究的3个生育阶段天数均呈极显著正相关。以上结果表明，生育期长短对豆类作物小区产量的影响较为复杂，单纯研究生育期长短和绿豆产量的相关性意义不大，未来研究的重点应放在生育期性的子性状，如三叶期、分枝期、始花期、鼓粒期等与产量的关系上。

通径分析可以对各性状间的效应给予说明，而且能估测出各主要性状对产量直接作用的大小[11]。为进一步探究绿豆产量构成的主要影响因子，本研究采用了逐步回归分析，建立了用于绿豆产量评价的数学模型。申慧芳等[19]发现绿豆产量构成因素主要为：荚长、株高、分枝数、单荚粒数、百粒重、单株产量、生育期和主茎节数；在其他豆科作物中也发现生育期、株高、单荚粒数、百粒质量、荚长和荚宽等性状是影响其产量的主要因素[28-29]；本研究发现株高、单株分枝数、单株荚数、荚长、荚宽、单荚粒数、粒直径、百粒重、生殖生长期和成熟期是构成绿豆产量的主要因子，且均为正调控因子。通径分析表明，单株荚数直接通径系数最大（0.63），其次为百粒重（0.53），说明单株荚数与百粒重直接贡献率最大，与杨勇等[11]、郝曦煜等[18]研究结果类似；虽然荚长、荚宽与产量直接通径系数较小，但其对粒直径的间接作用进而影响百粒重，从而影响产量，因此在新品种选育中应充分考虑荚长、荚宽。

采用聚类分析方法研究作物种质资源的差异，通过聚类分析对种质进行分组，然后将聚类结果作为基因型选择的标准[30]。本研究将294份绿豆种质资源划分为6大类群，其中，类群Ⅰ与类群Ⅱ共包含27个绿豆种质材料，这2个类群产量为1 572.14～1 897.67 kg/hm2，百粒重为5.88～7.60 g，单株荚数为27.99～56.97个，除单株分枝、单荚粒数、生殖生长期外，类群Ⅰ与类群Ⅱ其余8个性状均高于平均值（表1），整体表现良好。

综合上述分析，本研究中百粒重、单株荚数、成熟期、单荚粒数、荚长、荚宽、株高、粒直径、分枝和生殖生长期可作为绿豆高产育种中优先考虑的性状；类群Ⅰ与类群Ⅱ这27个绿豆种质可作为高产绿豆引种优良品种或杂交育种的亲本材料。