菜用豌豆资源农艺性状遗传多样性分析

2022-09-01张晓艳郝俊杰仇世佐吕享华宋凤景

四川农业大学学报 2022年4期

崔潇，张晓艳，郝俊杰，仇世佐，吕享华，宋凤景

（青岛市农业科学研究院，山东青岛 266100）

豌豆(Pisum sativumL.)属豆科(Leguminosae)，蝶形花亚科(Fabaceae)，豌豆属(Pisum)，春播一年生或秋冬播越年生草本植物，染色体2n=14[1]，喜冷凉气候，耐贫瘠，苗期耐寒、耐干旱，地理分布广泛[2]。豌豆是人类栽培的最古老的食用豆类作物之一，起源于数千年前的亚洲西部、地中海地区和埃塞俄比亚[3]。全世界有90多个国家种植豌豆，它是世界上第三大豆类作物[4]。豌豆在中国的栽培历史已有2000多年，并早已遍及全国[5]。豌豆富含蛋白质、碳水化合物和各种维生素，营养均衡，可粮、菜、饲兼用，适合蛋白淀粉等深加工，是种植业结构调整中重要的间、套、轮作和养地作物，也是农民增收的重要经济作物[6]。栽培豌豆主要有干籽粒用豌豆（dry pea）和菜用豌豆（snap pea）两种类型，菜用豌豆根据不同食用部位又可分为以食用嫩茎尖的豌豆苗、食用嫩荚的荷兰豆和甜脆豌豆以及食用鲜籽粒的甜豌豆[7]。

随着生活水平的提高和供给侧结构性调整，植物蛋白和健康食物的需求逐年攀升，从而带动了豌豆生产与消费持续增长。据FAO数据统计，近5年中国豌豆常年种植面积约88.2万hm2，其中鲜食豌豆种植面积约49.2万hm2[8]，豌豆生产已由干籽粒生产转变为鲜食菜用生产，我国成为菜用豌豆主要生产国之一。中国菜用豌豆主产区分布在东部沿海地区以及云南、四川和重庆等高海拔区域[9]。鲜食豌豆生产在不同地区对品种的熟性、商品特性的要求差异化较大，目前我国鲜食豌豆主栽品种仍以中豌6号为主，品种类型较单一，不能满足鲜食豌豆生产日益增长的需求[10]。种质资源是农业发展的“芯片”，是新品种选育的材料基础，精准评价资源的形态多样性，明晰其遗传特点及规律，有利于豌豆种质资源的合理保存、优异资源的挖掘与创新，对豌豆生产和育种具有重要指导意义[4]。目前，国内外对豌豆种质资源农艺性状遗传多样性的分析报道多集中在干籽粒豌豆上[4,11-15]，有关鲜食豌豆农艺性状遗传多样性研究相对较少。在种质资源评价中广泛采用的方法有主成分分析和聚类分析，已在大豆[16]、豌豆[4]和蚕豆[17]等多种作物种质资源中得到应用。近年来，本团队已陆续对收集引进的干籽粒豌豆资源进行了评价鉴定，明晰了国内和国外干籽粒豌豆核心资源的遗传多样性水平。本研究以144份菜用豌豆种质资源为研究材料，对其34个农艺性状进行变异系数和遗传多样性指数分析，评估菜用豌豆的遗传多样性，以期为菜用豌豆资源种质创新和新品种选育提供材料基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

本研究以青岛市农业科学研究院已保存的144份豌豆资源为材料，其中国内材料104份，包括山东21份、北京15份、四川14份、辽宁13份、甘肃10份、江苏7份、云南6份、青海5份、台湾4份、广东2份、河北2份、重庆、福建、海南、香港和陕西各1份；国外引进材料40份。

1.2 试验设计和性状调查

试验在青岛市农业科学研究院试验田内进行，条播，每份参试资源播种2行。试验田肥力中等，播种前施底肥和微生物菌肥，滴水灌溉，田间管理按常规方式进行。调查整理播种后至考种结束整个生育期的数据。

各农艺性状调查参照《豌豆种质资源描述规范和数据标准》进行[18]。按田间实际情况记录144份资源的叶色、复叶叶型、鲜茎色、叶表剥蚀斑、花旗瓣色、花翼瓣色、花序类型、结荚类型、荚尖端形状、鲜荚荚形、荚型、鲜籽粒颜色、食用类型、粒色、粒形、种子表面、见花期、初荚期、鲜荚采收期、收获期、生育日数、株高、始荚高度、始荚节位、果柄长度、鲜荚长、鲜主茎子叶节至植株顶端的高度荚宽、单荚鲜重、单荚鲜粒重、出米率、主茎结荚层数、单荚粒数、单株荚数、百粒重和单株产量共34个性状（表1）。

1.3 数据标准化处理及统计分析

利用Microsoft Excel 2019对16个质量性状分别予以赋值（表1），参照万述伟等[4]的方法对数量性状进行10级分类处理。采用SPSS 22.0软件对各个性状的最小值、最大值、平均值(X)、标准差(s)、变异系数（coefficient of variation，CV）等数据进行处理。利用Popgene 1.32软件计算遗传多样性指数（Shan⁃non index，I）和 Nei′s遗传距离，根据所得 Nei′s遗传距离用MEGAX和MEGA7软件采用非加权配对算术平均法（unweighted pair-group method analy⁃sis，UPGMA）进行聚类分析，聚类图在ITOL（https：//itol.embl.de/）上进行美化[19]。主成分分析（principal component analysis，PCA）在SPSS 22.0软件中完成。

2 结果与分析

2.1 农艺性状的多样性分析

34个农艺性状的最小值、最大值、平均值、标准差、变异系数和遗传多样性指数如表2所示，不同性状在不同种质间表现出较大差异，变异丰富。

表2 性状变异参数Table 2 The variation parameter of traits

参试资源34个性状的变异系数为4.653%（生育日数）～79.115%（食用类型），平均变异系数为34.896%。其中，生育日数、见花期和鲜荚采收期的变异系数均小于10%，鲜荚长、成熟期、出米率、单荚粒数和百粒重的变异系数在10%～20%之间，复叶叶型、花序类型和种子表面的变异系数在20%～30%之间，荚尖端形状、单荚鲜粒重、鲜荚重、荚型、出荚高度、每果节结荚类型、粒型、主茎结荚层数、株高、果柄长度、叶表剥蚀斑、粒色、鲜籽粒颜色、初荚节位、单株产量、花翼瓣色、单株荚数、花旗瓣色、鲜茎色、叶色和鲜荚宽的变异系数在30%～60%之间，鲜荚荚形和食用类型的变异系数在60%～80%之间，其中食用类型的变异系数最大，为79.115%。

参试资源34个性状在变异范围方面，质量性状变异范围较小，如复叶叶型、花序类型等的变异范围为1～2，最大的为粒色（1～6）；数量性状变异范围除单荚粒数（3～9）较小为，其他性状的变异范围比较大。生育日数的变异范围为93～110 d，株高的变异范围为29～200 cm，鲜荚重的变异范围为2.02～13.52 g，百粒重的变异范围为15.6～37.4 g。变异范围数据表明，144份豌豆资源的多样性比较丰富。

参试资源34个性状在遗传多样性指数方面，主茎结荚层数最高（2.065 2），复叶叶型最低（0.214 6），平均遗传多样性指数为1.218 2。遗传多样性指数排序为：主茎结荚层数>单荚鲜粒重>百粒重>单株荚数>出米率>初荚节位>单株产量>果柄长度>初荚高度>株高>鲜荚重>生育日数>鲜荚长>单荚粒数>粒形>鲜籽粒颜色>见花期>成熟期>食用类型>粒色>鲜荚荚形>种子表面>鲜荚宽>鲜荚采收期>荚尖端形状>叶表剥蚀斑>每果节结荚类型>鲜茎色>花序类型>荚型>花旗瓣色>叶色>花翼瓣色>复叶叶型。主茎结荚层数、单荚鲜粒重、百粒重、单株荚数和出米率5个性状的遗传多样性指数均大于2.000 0，表明这5个性状的多样性非常丰富，分散度好。

对34个性状数据的统计分析结果表明，变异系数、变异范围和遗传多样性指数三者没有一致性，如生育日数的变异系数最小（4.653%），但变异范围（93～110 d）和遗传多样性指数（1.945 1）均较高；复叶叶型的遗传多样性指数最低（0.214 6），但变异系数较高（21.775%）。144份资源的性状变异丰富，提供了丰富的杂交亲本，为我国豌豆新品种的选育提供了良好的种质基础。

2.2 农艺性状的主成分分析

对18个数量性状进行主成分分析，从表3中可知，前6个成分的累计贡献率72.971%，说明6个主成分代表了144份豌豆资源的18个数量性状72.971%的信息。

表3 主成分分析Table 3 The analysis of principal components

第一主成分的特征值5.523，贡献率30.683%，正载荷量较高的性状有生育日数、株高、初荚节位和鲜荚采收期，载荷量分别为0.869、0.843、0.774和0.742，与产量呈正相关，是第一主成分的主要因子。载荷量为负的有鲜荚长、鲜荚重、单荚鲜粒重、出米率、单荚粒数、百粒重和单株产量，说明在高产育种中不能过度追求这几个性状。

第二主成分的特征值和贡献率分别为2.764和15.353%。第二主成分中载荷较高的有鲜荚重、鲜荚长、百粒重和单荚鲜粒重，载荷量分别为0.861、0.742、0.617和0.558，这几个性状都直接影响资源的产量，说明第二主成分为产量因子。出米率和单株荚数的载荷量为负，表明这两个性状过高时会限制产量的增加。因此，在育种中要控制好出米率和单株荚数的范围。

第三主成分的特征值和贡献率分别为1.533和8.518%，单荚粒数和果柄长度的载荷量较大，分别为0.596和0.529，这两个性状数值的增加会增加资源产量。因此，在育种中选择适中的单荚粒数和果柄长度可以获得高产。

第四主成分的特征值和贡献率分别为1.210和6.723%，果柄长度和主茎结荚层数是负载荷且载荷量绝对值较高，分别为0.621和0.556，说明这两个性状与产量呈负相关，绝对值越高，产量越低。因此，为了获得高产，在育种中要适度控制果柄长度和主茎结荚层数。

第五主成分的特征值和贡献率分别为1.063和5.905%，鲜荚宽的载荷量最高为0.685，说明第五主成分为产量因子。单株产量的载荷为负值且绝对值相对较高，过高的单株产量降低了总产量，表明在育种的过程中要选择合适的密度和株数，不能过度追求单株产量。

第六主成分的特征值和贡献率分别为1.042和5.789%，载荷量为正的有见花期、成熟期、生育日数、鲜荚宽、主茎结荚层数、单荚粒数、百粒重和单株产量，说明在一定的范围内，这8个性状的值越大产量越高。在培育高产品种时，可以选择这些性状相对较高的资源作为亲本。

2.3 农艺性状的聚类分析

采用UPMGA法对18个数量性状进行聚类分析，如图1所示，参试资源在欧式距离为0.08处被划分为7个类群，每个类群具体分析见表1。

图1 144份豌豆资源的UPMGA聚类图Figure 1 Cluster diagram of 144 pea genetic resources

表1 各类群性状的特征Table 1 The traits in different germplasm groups

(续表4)

第Ⅰ类群包括2份资源，在18个性状中有10个性状的均值为各类群中最高，分别为见花期（4.24）、鲜荚采收期（5.18）、成熟期（6.12）、生育日数（105.0）、株高（130.0 cm）、初荚高度（59.5 cm）、主茎结荚层数（6.50）、单荚粒数（6.83）、单株荚数（20.70）、百粒重（26.8 g）；在18个性状中有6个性状的变异系数为各类群中最高，分别为见花期（2.668%）、鲜荚采收期（1.365%）、鲜荚长（22.330%）、出米率（41.738%）、单株荚数（84.033%）、百粒重（42.215%）；鲜荚重（7.983%）、主茎结荚层数（10.879%）、单荚粒数（10.879%）和单株产量（31.612%）的变异系数为各类群中最小。总体来说，该类群属于晚熟、大粒、高秆种质，具有高产潜力。

第Ⅱ类群包括5份资源，鲜荚重（6.52 g）和单株产量（11.22 g）的均值为各类群中最高，百粒重（26.24 g）次之；7个性状的变异系数为各类群中最高，分别为株高（50.752%）、初荚高度（47.913%）、果柄长度（65.745%）、鲜荚重（50.113%）、单荚鲜粒重（61.179%）、主茎结荚层数（42.931%）和单株产量（52.389%）。综合分析可以看出，该类群高产且具有丰富的多样性，为培育高产优质种质提供了丰富的种质基础。

第Ⅲ类群包括17份资源，在18个性状中有8个性状的均值为各类群中最小，分别为初荚高度（37.8 cm）、果柄长度（5.72 cm）、鲜荚长（6.86 cm）、鲜荚宽（1.31 cm）、鲜荚重（4.94 g）、单荚粒数（5.71）、百粒重（22.67 g）和单株产量（8.01 g）；初荚高度的变异系数是7个类群中最小，为26.492%。综合分析可以看出，该类群属于小荚、小粒、株型紧凑型资源，产量最低。

第Ⅳ类群包括43份资源，主要特征是初荚节位和鲜荚宽的均值最高；变异系数在7个类群中最小的为生育日数和初荚节位，分别为3.632%和29.057%；鲜荚宽的变异系数最大，为92.046%。该类群资源的荚最宽，有利于培育大荚高产资源。

第Ⅴ类群包括24份资源，其主要特征是见花期（4.18）、鲜荚采收期（5.12）、成熟期（6.04）和株高（73.21 cm）4个性状的均值最小，鲜荚长（7.75 cm）和单荚鲜粒重（2.89 g）的均值最大；成熟期（2.686%）、生育日数（4.940%）和初荚节位（61.992%）的变异系数为7个类群最大；百粒重（26.42 g）位居7个类群中的第2位，单株产量中等。综合分析可以看出，该类群资源具有早熟、矮秆及大荚的特征。该类群虽然产量一般，但有利于培育适宜机械化收获的早熟矮秆优良品种。

第Ⅵ类群含有8份资源，果柄长度的均值在7个类群中最大，为7.63 cm，初荚节位（6.88）的均值最小，其余16个性状的均值在7个类群中均居中；单荚粒数的变异系数最大，为25.434%，鲜荚采收期、鲜荚宽、出米率和百粒重的变异系数最小，分别为0.735%、9.030%、8.089%和16.486%。初荚节位在该类群中最低，具有一定增产潜力。

第Ⅶ类群包括45分资源，其主要特征是出米率的均值最高，为49.73%，生育日数（99.0 d）和主茎结荚层数（4.96）的均值最低；见花期、成熟期、株高、果柄长度、鲜荚长、单荚鲜粒重和单株荚数的变异系数在7个类群中最小，分别为1.413%、0.645%、30.374%、29.592%、8.826%、22.484% 和 38.191%。综合分析可以看出，该类群资源具有早熟出米率高的特征。

3 讨论

豌豆不仅含有碳水化合物、蛋白质等基本营养物质，还具有保健、固氮养地及适应性强等特征，符合国家“一控、二减、三基本”的要求，是发展旱作农业和粮豆轮作制度的理想作物，在解决粮食安全、增加农民收入、调整种植业结构等方面发挥着重要的作用[8]。种质资源不仅是作物遗传改良的物质基础，而且还影响着现代种业的绿色可持续发展[20]。豌豆资源包括地方品种、育成品种和引进国外资源等[7]。有效利用豌豆种质资源，首先要对其进行准确合理地评价，研究种质资源最基本的方法为对其农艺性状的鉴定和描述[21]，这种方法一般不需要昂贵的仪器设备和资金的投入，用肉眼或借助简单的工具就可以完成[22]。

34个农艺性状遗传多样性分析表明，豌豆资源具有丰富的遗传变异，同孙敏杰等[9]的研究结果较一致。34个性状变异系数在4.653%～79.115%，其中，生育日数、见花期、鲜荚采收期、鲜荚长、成熟期、出米率、单荚粒数和百粒重的变异系数均低于20%，说明资源部分生育因子、荚大小因子、荚粒数因子和百粒重因子变化不显著；食用类型的变异系数最大，为79.115%。食用类型的选择范围较大，在菜用豌豆品种改良中的可选择性强，不同的地区可根据当地的食用部位选择资源培育新品种。初荚节位、单株荚数和鲜荚宽为鲜籽粒产量相关性状，是影响鲜重的重要因素，这3个性状的变异系数较高，表明可以通过一定的技术手段获得高产品种。遗传多样性指数的大小代表各性状的分布趋势，指数越低说明性状的分布越集中，指数越高说明性状呈均衡化趋势分布[19]。34个性状的遗传多样性指数平均值1.218 2，主茎结荚层数、单荚鲜粒重、百粒重、单株荚数和出米率5个性状的遗传多样性指数均大于2.000 0，表明这5个性状的分散度好，在优异资源选育过程中可利用性更高，为我国豌豆新品种的选育提供了优异的种质基础。

对18个数量性状进行主成分分析，其中前6个主成分的累积贡献率为72.971%，6个主成分包含的性状信息具有一定相关性。其中的主要性状包括生育日数、株高、初荚节位、鲜荚采收期、初荚高度、见花期、成熟期和单荚鲜粒重，这些性状的载荷量为正，表明数值越大产量越高。但在育种的过程中要综合考虑各个性状，不能过度追求某个或某几个性状。如从理论上说，生育期长的品种产量应该也高，但在实际生产中不一定，产量的高低受气候、密度、荚的大小及籽粒大小等多个因素的影响。

对144份豌豆资源的18个数量性状进行聚类分析，共分为7大类群，各类群具有一定的性状优势。第Ⅰ类群的见花期、鲜荚采收期、成熟期、生育日数和株高等性状的均值为各类群中最高，有6个性状的变异系数为各类群中最高，可以作为改良株高、生育期和籽粒的基础材料；第Ⅱ类群的鲜荚重、单株产量和百粒重均值较高，株高、鲜荚重、单荚鲜粒重和单株产量等性状的变异系数在各类群中居第一位，具有高秆、大粒及高产的特点，在杂交育种选择方面提供了良好的亲本。第Ⅲ类群的鲜荚长、鲜荚宽、鲜荚重、百粒重和单株产量均值为各类群中最小，可以作为小粒资源选育的基础材料。第Ⅳ类群鲜荚宽的变异系数最大，可以作为宽荚品种选育的优良亲本。第Ⅴ类群的见花期、鲜荚采收期、成熟期和株高均值最小，表明其生育期短，花期一致，丰产性好，可以作为选育早熟高产适宜机械化品种的良好资源。第Ⅵ类群的初荚节位均值最小，可以作为低荚位品种选育的基础材料。第Ⅶ类群的出米率均值最高，可以作为早熟高出米率品种选育的基础材料。144份豌豆资源来源广泛，但由图1可以看出，各省份的种质资源和国外引进资源相互交叉聚在不同的组，分组与地域来源没有明显的关联性，这与万述伟等[4]的研究结果一致。聚类结果表明各地培育的种质资源遗传多样性丰富，但有同质化趋势并能在各地区有较好的适应性。充分挖掘豌豆种质资源潜在的价值，有利于促进全国乃至世界豌豆产业有序高效发展[23]。

本研究筛选到13份特异种质资源，包括2份大粒资源，GP022和GP129，百粒重超过36.8 g；2份长荚资源，GP121和GP129，荚长大于10.6 cm；1份多荚资源，GP132；1份宽荚资源，GP121；3份荚粒数为9的资源，GP026、GP042和GP087；2份单荚鲜粒重大于5.46 g资源，GP043和GP092；2份单株产量超过20.2 g资源，GP064和GP091；1份早熟资源，GP001，还包括单荚鲜重等特异的资源，这些特异种质资源为品种改良和新基因发掘提供了良好的基础材料。