国内春蚕豆种质资源种子表型性状多样性分析
2022-10-10杨生华李文俊郭延平
杨生华， 邵 扬， 李文俊， 郭延平
(临夏州农业科学院， 甘肃 临夏 731100)
0 引言
【研究意义】我国蚕豆种植分为秋播和春播两大生态区，主产区分布在我国西南、西北、东部沿海以及河北坝上地区，其中春播区蚕豆面积和总产分别占全国的15%和22%[1]。我国现存国内外蚕豆种质资源5 000多份，65%为国内地方资源和育成品种，35%为国外引进资源[2]。植物表型性状的多样性是遗传多样性与环境多样性的综合表现[3]，根据表型差异分析蚕豆种质资源，对反映其基因型差异以及春蚕豆品种改良和种质创新具有重要意义。【前人研究进展】近年来，国内外学者在蚕豆种质资源表型性状评价与相关性分析方面已取得一定的研究成果，王晓娟等[4]对甘肃新征集蚕豆种质资源的35个主要性状进行遗传多样性鉴定结果表明，新征集的蚕豆种质资源具有丰富的遗传多样性。徐东旭等[5]对国内外不同地理来源的637份蚕豆资源形态性状进行多样性评价发现，国内春冬性资源间以及国内外资源间遗传变异大。康智明等[6]对国内主栽秋蚕豆和国外主产区蚕豆品种进行农艺和品质性状遗传多样性研究表明，国内外蚕豆品种具有明显的遗传多样性。【研究切入点】针对种子表型性状研究在小麦作物上已有报道，但关于蚕豆种质资源方面的研究大多为形态性状研究和多样性分析，聚焦在春播区蚕豆种子表型性状多样性研究鲜见报道。【拟解决的关键问题】从育种目标关键性状种子表型性状出发，利用多样性指数、主成分分析与聚类分析方法，对301份国内春蚕豆种质资源种子表型性状进行遗传多样性分析，解析其亲缘关系，挖掘优异种质资源，为春蚕豆品种改良和种质创新提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 材料
依据地理来源，从国家作物种质资源库选取具有代表性的301份春蚕豆种质资源。样本基本覆盖中国春蚕豆种植省份，其中，甘肃54份、河北26份、内蒙古65份、宁夏24份、青海53份、山西49份、陕西北部12份、新疆18份。
1.2 方法
1.2.1 种子表型性状测定 种子表型性状测定用SC-G型自动考种分析仪(万深)及千粒重仪，正片扫描自动导出种子的百粒重、面积、周长、长宽比、粒长、粒宽、直径和圆度等性状参数。
1.2.2 数据标准化 种子表型性状具有不同的量纲，统计分析时对百粒重、面积等性状进行10级分类(每级间相差0.5)，1级 表1 春蚕豆种子性状分级标准 1.2.3 数据分析 种子表型性状数据采用Microsoft Excel 2013计算平均数、标准差和多样性指数(H′)。利用DPS v 7.05对表型数据进行相关分析和主成分分析，根据种子性状的鉴定结果，利用Popgen32对种子表型性状数据计算资源间的欧式距离及相似性系数，利用Mega 5.0对301份种质资源进行聚类分析。 式中，n为某一性状表型级别的数目，Pi为某一性状第i级内材料份数占总份数的百分比。 从表2看出，春蚕豆种子8个表型性状的变异系数在5.27%～31.51%，平均15.34%，以百粒重的最大；其次是面积，为26.64%；种子长宽比和圆度的较小，分别为5.45%和5.27%；其他4个性状的变异系数在12.75%～14.20%。说明，参试种子长宽比和圆度的一致性强，变异范围不大，而百粒重和面积的变异范围更大。多样性指数在2.030～2.071，平均2.050，以直径的最高；其次是周长，为2.068；圆度最低。8个种子性状中，直径、周长、粒长、粒宽的多样性指数较高，说明种子大小的遗传多样性较丰富。 表2 春蚕豆种子表型性状的变异系数和多样性指数 从表3看出，8个不同地理来源的种质资源群体以陕西北部、宁夏、新疆、内蒙古的变异程度较高，变异系数分别为43.51%、38.19%、36.37%和34.64%，说明这些地区资源的变异程度高，遗传多样性丰富；而青海、甘肃群体的变异程度较低，变异系数为28.97%和27.51%，表明这2个地区的资源具有较稳定的遗传特性。8个不同地理来源中，春蚕豆种质资源群体的多样性指数在0.964～2.355，平均1.744；以青海的最高；其次为内蒙古、甘肃和山西，多样性指数分别为2.336、2.318和2.026，表明这4个群体的遗传多样性较丰富；陕西北部的最低，其群体的遗传多样性较差。 表3 春蚕豆种质资源群体间表型性状的遗传多样性 从表4看出，主成分1、2、3的累计贡献率达99.33%，表明3个主成分已基本覆盖参试资源种子表型性状信息。其中，主成分1的特征值为5.47，贡献率占68.29%，对应的特征向量值中以面积、周长的较高，分别为0.463 3和0.740 8，表明第1主成分主要描述的是籽粒大小的变异；主成分2的特征值为2.07，贡献率占25.71%，对应特征向量中以百粒重、长宽比和直径的特征向量的绝对值较高，分别为0.409 5、0.559 5和0.613 7，说明该主成分主要描述的是籽粒形状；由于直径对第2成分有负相关作用，表明籽粒直径越大，种子越窄；主成分3的特征值为0.43，贡献率仅占5.33%，对应特征向量中以粒长、百粒重向量值最高，表明该主成分主要描述的是粒重因子。 表4 春蚕豆种质资源种子性状主成分 从图1和表5可知，301份种质资源聚为2个类群。第Ⅰ类群包含120份种质资源，占供试材料的39.86%，分布范围广泛，包括甘肃、青海与河北3个省区；该类群种子较大，相应的面积、周长、粒长、粒宽、直径都较大，百粒重平均为99.82 g，是选择大粒高产品种的重要材料。第Ⅱ类群包含181份种质资源，占供试材料的60.14%，分布范围广，包括内蒙古、新疆、山西、宁夏和陕西北部5个省区。该类群种子较小，相应的面积、粒长、粒宽也较小，百粒重平均值70.04 g，而圆度较大，平均为0.75，是选择机械化收获的近圆形品种的重要材料。 表5 各类群种子表型性状的平均值 种质资源的遗传多样性是生物进化和遗传育种的基础，根据作物种子表型性状进行遗传多样性分析对种质创新和品种改良具有重要的意义[7-9]。研究基于8个数量性状，对301份国内不同来源春播蚕豆种质进行多样性分析，结果表明，春播蚕豆的直径、周长、粒长、粒宽等性状的多样性指数比百粒重、投影面积、长宽比、圆度等性状的遗传多样性更丰富。其中，直径的遗传多样性最为丰富，多样性指数为2.071，圆度的最为狭窄，多样性指数为2.030，说明蚕豆种子表型性状易受环境因素影响，变异范围大，遗传多样性丰富。不同地理来源蚕豆资源遗传变异明显，301份蚕豆资源中，青海、内蒙古、甘肃群体的资源遗传多样性比陕西北部、河北群体的资源丰富，其中，青海群体的多样性指数最高，为2.355；陕西北部的最低，为0.964。陕西北部、宁夏、新疆、内蒙古群体的资源变异程度较高，而青海、甘肃群体的变异程度较低，说明相邻省份资源间的遗传距离较小，亲缘关系相对较近。 作为一种有效的多元分析方法，主成分分析在种质资源多样性研究中都有应用[10]。袁名宜等[11]对50份不同地理来源的蚕豆资源进行主成分分析结果表明，前4个主成分能反映全部数量性状信息，累计贡献率86.3%，而且不同主成分包含性状类型的差异较大，可以将性状明显归类。对301份国内春蚕豆资源8个种子性状进行主成分分析结果表明，前3个主成分反映了资源的绝大部分信息，累计贡献率达99.32%，各主成分包含的性状信息具有一定的相关性，而且不同主成分包含性状类型的差异较大。第1主成分主要描述籽粒大小，可在蚕豆的高产育种中加大该主成分相关性状的考虑。第2主成分主要描述籽粒形状，对总变异的贡献率相对较小。 聚类分析是研究品种间遗传差异，以及杂交育种亲本选配的重要方法。研究结果表明，301份供试资源聚成2个群组，其群组的划分与籽粒大小和地理来源有关，与刘玉皎等[2]的研究结果一致，其中第Ⅰ类群具有百粒重、周长等性状值较高等特点，是选择大粒、高产品种的重要材料；第Ⅱ类群圆度较大，是选择机械化收获近圆形品种的重要材料。 优异种质资源是培育优良品种的遗传物质基础，挖掘优异种质是品种改良的重要工作。建议加强种质资源的引进筛选相关工作，充分挖掘和利用优异种质资源，合理选配亲本，提高育种效率；同时做好蚕豆种质资源精准鉴定评价及抗性基因的挖掘，为育种工作和资源利用提供有益信息。 301份国内春蚕豆种质资源种子8个表型性状(百粒重、面积、周长、长宽比、粒长、粒宽、直径和圆度)的遗传多样性指数平均为2.050，平均变异系数为15.34%，表明301份蚕豆种质资源具有丰富的遗传多样性。通过主成分分析发现，前3个主成分的贡献率分别为68.29%、25.71%和5.33%，累计贡献率达99.33%，几乎覆盖参试种质资源种子表型性状的全部信息。聚类分析将301份蚕豆种质资源聚为两类，第Ⅰ类群包含120份种质资源，占供试材料的39.86%，分布范围广泛，包括甘肃、青海与河北3个省区，该类群种子较大，相应的面积、周长、粒长、粒宽、粒重、直径都较大，是选择大粒高产品种的重要材料；第Ⅱ类群包含181份种质资源，占供试材料的60.14%，分布范围广，包括内蒙古、新疆、山西、宁夏和陕西北部5个省区，该类群种子较小，相应的面积、粒长、粒宽、粒重均较小，而圆度较大，是选择机械化收获近圆形品种的重要材料。
2 结果与分析
2.1 春蚕豆种子表型性状的遗传多样性差异
2.2 春蚕豆资源群体间的遗传多样性
2.3 春蚕豆种子表型性状的主成分分析情况
2.4 春蚕豆种子表型性状聚类情况
3 讨论
3.1 种子性状的遗传多样性
3.2 蚕豆种子性状间的相互关系
3.3 蚕豆品种间的遗传差异
4 结论
