绿豆种质资源主要农艺性状、 经济性状遗传多样性分析及综合评价

康泽然， 王晓磊， 魏云山， 刘迎春， 周学超， 胡海波， 李 峰， 崔智慧

(赤峰市农牧科学研究所，内蒙古赤峰 024000)

绿豆(VignaradiataL.)属于豆科(Leguminosae)蝶形花亚科(Papilionaceae)，是一年生自花授粉作物，在中国具有2 000多年的种植历史[1]。绿豆具有良好的抗旱耐贫瘠性，同时共生固氮能力强，是禾谷类、幼龄果树等作物的间作套种适合作物和前茬，同时也经常被当作填闲和救灾作物[2]。

内蒙古赤峰市作为典型的干旱半干旱雨养农业地区，非常适宜绿豆生产，是主要的种植区[3]。但是多年来，赤峰地区绿豆在生产上存在品种退化严重、稳定性差、产量不高等问题，导致绿豆种质资源狭窄，严重影响绿豆产业的发展。因此，对部分优异种质资源进行遗传变异性分析，根据不同性状的表现来选择和利用亲本，通过杂交育种方法进行品种改良可加速本地区优质、高产绿豆新品种选育。

对农作物的农艺性状、经济性状进行研究有助于有针对性地利用资源和加速新品种选育。近年来，国内研究学者多采用遗传多样性指数[4-5]、系统聚类分析[6-7]、主成分分析[8]等方法对绿豆资源进行性状评价，对筛选出适宜当地种植的优异绿豆品种起到了理论支撑的作用。本研究借鉴前人研究方法，对来自国内不同地区的20份绿豆种质材料的10个主要农艺性状、经济性状进行调查，同时利用统计软件进行遗传多样性、相关性、聚类分析和主成分分析，综合评价分析了参试绿豆种质资源主要农艺性状的变异丰富度，用科学数据为赤峰区域绿豆高产育种进行指导。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于内蒙古赤峰市农牧科学研究所梁上基地，该地位于赤峰市西郊10 km处(42°17′N，118°51′E)，海拔520 m。年日照时数2 800～3 100 h，年均降水量300～540 mm，年平均气温 7.2 ℃，无霜期在120～145 d范围内，积温2 200～2 800 d·℃。土壤类型为壤土，地形平坦、肥力均匀。

1.2 试验材料

供试绿豆种质材料20份，来自北京市、内蒙古自治区、吉林省等地(表1)。

1.3 试验设计

试验材料于2019年5月在赤峰市农牧科学研究所梁上试验播种，随机区组排列，设置3次重复，行距50 cm，株距20 cm，每个小区面积3 m2。播种方式为穴播，试验四周设保护行。试验基地为水浇地，前茬作物为谷子，肥力中等，机器开垄，人工穴播，田间管理栽培措施同大田常规。

表1 供试绿豆种质资源及其来源

1.4 测定指标

根据《绿豆种质资源描述规范和数据标准》[9]调查本试验的主要农艺性状、经济性状。在绿豆生长发育期间，调查各品种的全生育期。成熟期，从每个小区随机抽取10株植株进行株高、主茎粗、荚长、主茎节数、主茎分枝数、单株荚数、单荚粒数、百粒质量、单株产量的测定。

1.5 数据分析

CV=平均值/标准差×100%；

H′=-∑PilnPi(Pi表示第i种变异出现的频率)。

利用SPSS软件进行相关分析、聚类分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 绿豆种质资源主要农艺性状的表现及变异分析

对20份绿豆种质资源10个农艺性状、经济性状进行分析，结果(表2)表明，各农艺性状、经济性状变异程度大小不同(3.72%～19.21%)，变异广泛。10个性状的变异系数平均值为10.72%，变异较大的性状分别为主茎分枝数、单株荚数、株高、单株产量，其变异系数分别为19.21%、14.36%、13.52%、12.37%，其极差分别为1.80、13.73、40.70、7.82。表明20份种质资源在这4个性状上变异潜力大，育种的选择基础广。单荚粒数的变异系数最小，为3.72%，说明该性状的环境稳定性较高。10个性状的多样性指数在1.429～1.956，平均为1.746，说明各性状遗传多样性丰富，选择基础广，合理利用这些绿豆资源，通过品种杂交方式促进优异新品种的选育。综上所述，供试20份绿豆材料的10个主要农艺性状、经济性状的变异系数及遗传多样性指数较高，具有丰富的遗传性。

2.2 绿豆种质资源主要农艺性状、经济性状的相关性分析

20份绿豆种质材料的10个性状间存在不同程度的相关性(表3)。其中，单株产量与百粒质量呈显著正相关，相关系数为0.511，与单株荚数呈极显著正相关，相关系数为0.589，说明百粒质量、单株荚数这2个性状对绿豆单株产量影响较大。生育期与株高、主茎节数呈极显著正相关，相关系数分别为0.564、0.648；株高与主茎粗、主茎节数呈极显著正相关，与单荚粒数呈显著正相关，相关系数分别为0.624、0.594、0.509，与主茎分枝数、单株荚数呈显著负相关；主茎节数与单荚粒数呈显著正相关，相关系数为0.510，与单株荚数呈显著负相关；其他性状没有显著的相关性。

表2 绿豆种质资源10个农艺性状、经济性状的变异系数(CV)和多样性指数(H′)

表3 20份绿豆种质资源各性状间的相关系数

2.3 绿豆种质资源主要农艺性状、经济性状的聚类分析

采用Ward法对20份绿豆种质资源进行聚类分析，具体分析结果详见图1。在欧式平方距离为4.2时，将供试绿豆种质资源分为5大类群(表4)。第Ⅰ类群有11份种质资源，该类群的主要特征是荚长表现为最大，其他性状表现为适中。第Ⅱ类群有2份种质资源，该类群的单株产量最高，单株荚数最多，荚长最短。第Ⅲ类群有3份种质资源，该类群的单株产量最低，主茎分枝数最多。第Ⅳ类群有1份种质资源，该类群具有生育期、株高、主茎粗、主茎节数、单荚粒数、百粒质量最低的特点。第Ⅴ类群有3份种质材料，该类群具有生育期、株高、主茎粗、主茎节数、单荚粒数、百粒质量最高的特点。

表4 不同类群绿豆种质资源的10个性状比较

2.4 绿豆种质资源主要农艺性状、经济性状的主成分分析及综合评价

2.4.1 绿豆种质资源主要性状的主成分分析 对20份绿豆种质资源的10个主要性状进行主成分分析，分析结果见表5，可以看到前4个主成分累计贡献率达79.193%，基本代表了20份种质资源的主要遗传信息。

第1主成分特征值为3.698，贡献率为36.976%，特征向量有正有负，其对株高、主茎节数的贡献最大，特征向量值分别为0.899和0.767。第2主成分特征值为1.894，贡献率为18.939%，特征向量有正有负，主要反映单株产量、百粒质量，其向量值分别为0.890和0.639。第3主成分特征值为1.269，贡献率为12.693%，从载荷数值大小来看，该成分主要反映主茎分枝数，其向量值为0.742。第4主成分特征值为1.059，贡献率为10.585%，从数值大小来看，该成分主要反映单株荚数，其向量值为0.464。

表5 绿豆种质资源农艺性状、经济性状的主成分分析

2.4.2 绿豆种质资源综合评价 利用入选的特征向量和特征值，计算20份绿豆种质资源的主成分值，根据主成分得分进行评价和排序。利用表5的各成分特征向量值得到如下关系式：

F1=0.679X1+0.899X2+0.625X3+0.767X4-0.301X5-0.665X6+0.658X7+0.476X8-0.059X9+0.504X10；

F2=-0.423X1+0.070X2+0.018X3-0.260X4-0.394X5+0.369X6+0.152X7+0.356X8+0.890X9+0.639X10；

F3=0.101X1-0.076X2+0.430X3+0.050X4+0.742X5+0.399X6+0.201X7+0.432X8+0.220X9-0.285X10；

F4=0.371X1+0.172X2+0.082X3+0.392X4-0.071X5+0.464X6-0.247X7-0.573X8+0.347X9-0.032X10；

综合评价函数F=[λ1/(λ1+λ2+λ3+λ4)]F1+[λ2/(λ1+λ2+λ3+λ4)]F2+[λ3/(λ1+λ2+λ3+λ4)]F3+[λ4/(λ1+λ2+λ3+λ4)]F4=0.467F1+0.239F2+0.160F3+0.134F4(式中λ1、λ2、λ3、λ4分别为4个主成分对应的特征值)。

综合得分越高，表明综合表现越好。由表6可知，综合得分排在前5名的绿豆品种依次为横山大绿豆、龙博9号、中绿5号、赤绿5号、龙博7号。

表6 20份绿豆种质资源的综合得分

3 讨论与结论

3.1 绿豆种质资源的遗传多样性

对遗传多样性进行研究是作物育种工作的基础，充分挖掘种质资源的遗传变异和遗传背景，可以为绿豆的育种工作提供理论支撑。各性状的遗传变异系数是变异程度是否丰富的体现，变异系数与变异潜力是正相关关系，变异系数越高变异潜力越大，该性状被改变的可能性也最大[11]。陈红霖等分析了来自国内外的481份绿豆种质资源的21个农艺性状，发现变异系数较高的是与产量相关的性状单株荚数和小区产量，而荚长、主茎节数等性状变异系数较低[8]。本研究20份绿豆资源10个主要性状的变异系数中，变异系数较高的性状为单株荚数与单株产量，这与陈红霖等的研究结果[8]大体一致。本研究中各性状的遗传多样性指数均较高，其中单荚粒数和百粒质量的遗传多样性指数较高，但其相应的遗传变异系数相对较低，说明遗传多样性指数的大小和变异系数的高低并不具有一致性，这与万述伟等对豌豆农艺性状的研究[12]相同。

很多作物的农艺性状间存在相关性，育种工作时可以利用性状间的相关性对一些性状进行选择[13-14]。在对参试绿豆性状的相关性分析上，百粒质量、单株荚数对单株产量有较大的影响，与徐东旭等的研究结果[15-16]相一致，因此在绿豆的高产育种工作中应该优先考虑百粒质量和单株荚数等主要因素；生育期的长短对绿豆形态建成有一定的影响[8]，在本试验中全生育期与株高、主茎节数均呈极显著正相关，本结果与陈红霖等对生育期的相关性分析结果[8]一致。

3.2 绿豆种质资源的聚类分析

对性状进行聚类分析能够客观体现种质材料间的亲缘关系，在育种工作时可以根据聚类特点进行亲本选配，因此聚类分析是育种的重要手段之一。本试验采用Ward联接法在欧氏平方距离为4.2时将供试资源分成5大类群，各个类群的差异明显。来自同一区域的种质资源并没有聚为一类，可能与绿豆种质资源之间的相互交叉利用有关，此研究结果与王丽侠等的研究结果[17]相似。本研究的4个类群中，第Ⅰ类群包括11份种质资源，荚长最长，有益性状不明显；第Ⅱ类群的单株产量、单株荚数最多，可以作为选育高产绿豆品种的优良亲本；第Ⅲ类群的单株产量低，有益性状不明显；第Ⅳ类多为矮秆、早熟品种，可以作为选育抗倒伏育种研究的亲本材料；第Ⅴ类群的百粒质量最高，可以作为改良绿豆籽粒大小的亲本材料加以利用。

3.3 绿豆种质资源的主成分分析

在数据分析方法中主成分分析经常被利用，它是采取的一种降维方法，以把分散在一组变量上的信息集中到几个综合因子上为主要目的，简化数据并尽可能多地反映原来变量的大部分信息以及变量之间的关系，从而使得数据分析更加简单直观[18]。目前主成分分析法已广泛运用到小麦[19]、水稻[20]、大豆[21]、燕麦[22]等作物育种中。

在对10个性状的主成分分析中发现，前4个主成分对表型变异的累积贡献率达到了79.193%。根据各主成分的特征向量，可将4个主成分分为两大类，其中第2、第4主成分对单株产量、百粒质量、单株荚数的贡献比较大，是与产量性状密切相关的因子，而对绿豆单株产量的相关性分析也表明，单株产量与百粒质量、单株荚数呈显著、极显著相关关系，说明可通过增加百粒质量和单株荚数的方式来提高绿豆的单株产量；而第1、第3主成分对株高、主茎节数、主茎分枝数的贡献较大，是与绿豆生态建成相关的因子。陈红霖等对来自国内外的481份绿豆种质资源进行农艺性状及豆象抗性鉴定评价的研究，主成分分析表明，前6个主成分反映总信息量的83.41%[8]，高于本研究主成分分析结果，这可能与供试材料容量大小不同有关。

本研究通过对主要性状的综合分析，基本客观、科学地评价了20份绿豆资源群体，但由于作物的性状不单一地受到遗传因素的影响，环境因素同样会影响作物性状的表达，因此导致地理来源一致的同一品种资源在不同环境下具有丰富的变异。国内外已有从形态学标记和分子标记技术等方面对绿豆进行的研究[22]，因此为了能够更加精准地评价和分析绿豆种质资源的遗传背景，可以通过分子生物学的方法寻找有利基因，缩短绿豆育种进程。

本试验研究表明，供试的20份绿豆种质资源均可在内蒙古赤峰地区正常生长发育，且遗传多样性丰富。其中种质横山大绿豆、龙博9号、中绿5号综合得分最高，可作为内蒙古赤峰地区绿豆品种选育改良的优良亲本，也可在生产上大面积种植推广。