115份花生种质资源农艺与品质性状鉴评及分析

张小利,朱灵龙,李付振,*,唐秀梅,夏友霖,游 宇,钟瑞春

(1.浙江省农业科学院 作物与核技术利用研究所,浙江省数字旱粮重点实验室,浙江 杭州 310021; 2.广西农业科学院 经济作物研究所,广西 南宁 530007; 3.南充市农业科学院,四川 南充 637000)

花生又名“落花生”或“长生果”,属于豆科落花生属,起源于南美洲,是世界上广泛栽培的油料和经济作物。花生籽仁中富含油脂和蛋白质,是人类食用油脂和蛋白质的重要来源[1]。目前全球有100多个国家和地区种植花生,主要分布在亚洲、非洲和美洲,其种植面积占全球的96%[2]。我国花生生产和消费一直位于世界首位,常年种植面积约460万hm2,总产在1 750万t左右,年产值在1 100亿元以上,在国民经济和社会发展占有重要地位[3]。花生是我国重要的油料作物,在主要油料作物中,其单位面积产油量较高,其高产、稳产对于保障我国植物油脂和蛋白的安全供给具有重要意义[4]。随着人民生活水平的提高,花生消费也呈现多元化,以花生为原料的食品需求量不断增加,生产和消费市场对花生新品种需求也日益迫切。分析、评价不同来源的花生种质资源农艺和品质性状,筛选优异资源,对花生品种改良和新品种选育具有重要意义。为了有效支撑优良品种选育,国内多个省区在花生种质资源农艺和品质性状鉴定和评价方面开展了较多工作。江建华等[5]对来源于5个国家的126份花生品种的22个分级性状和17个农艺性状的遗传参数进行分析,其中分级性状与农艺性状遗传多样性指数均值分别为0.813和1.947,17个农艺性状平均广义遗传率为69.03%,变幅在39.14%～89.66%。苗利娟等[6]分析了128份河南花生农家种12个农艺及品质性状,变异系数在12.5%～31.1%,聚类分析将128份农家种分为5个类群,性状间的平均表现差异较大。孙东雷等[7]对40份花生种质资源的17个表型性状的多样性进行分析,多样性指数变化范围为1.39～2.06,种质资源遗传多样性丰富,筛选的8个表型性状可以作为花生种质资源性状评价指标。徐杨玉等[8]分析了100个南方花生区试品种的21个品质性状,利用主成分分析和聚类分析对花生重要品质性状进行综合评价,为花生亲本的选配和品质改良育种提供重要科学依据。黄杨等[9]对134份江西地方花生种质资源的研究表明,单株生产力的变异系数最大,单株生产力与总分枝数、生育期呈极显著正相关,并筛选出17份高产、大果和小果的特异资源,为江西地方花生种质资源进一步育种利用奠定了基础。

花生种质资源是遗传育种研究的基础材料,也是培育优势花生新品种的物质基础[10]。我国拥有丰富的花生种质资源,充分挖掘和利用我国大量的花生种质资源及其丰富的遗传多样性对花生品种改良具有重要意义[11]。改革开放以来,我国花生生产得到持续发展,种植规模和单产水平不断提高,其中高产花生品种的培育及推广发挥了重要作用。目前,我国花生品种在产量、品质、抗性上与国际先进水平仍有较大差距,其主要原因是对花生种质资源利用不足,育成品种遗传基础过于狭窄,缺乏具有突破性的高产、优质、多抗花生新品种[12]。根据表型性状对花生种质资源进行评价,不仅有利于指导亲本选配以及提高种质的利用率,而且还可以拓宽现有栽培品种的遗传基础。因此,本研究以收集的115份花生种质资源为试验材料,通过多样性分析、相关性分析、主成分分析和聚类分析对其农艺和品质性状进行鉴定和评价,为我国花生新品种选育、种质创新和资源有效利用提供物质基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究以浙江省农业科学院作物与核技术利用研究所收集的来自我国不同省份的115份花生种质资源为材料,包括栽培种花生四种植物学类型,其中龙生型(var.hirsuta,6.96%)8份、普通型(var.hypogaea,4.35%)5份、珍珠豆型(var.vulgaris,66.08%)76份、多粒型(var.fastigiata,22.61%)26份。所有材料来源于广东、广西、浙江、福建、四川、云南等10个省区,包括76份地方品种和39份育成品种,材料的编号、名称和来源见表1。

表1 115份花生种质资源信息表

1.2 试验方法

花生种质材料于2021年6月28日种植于浙江省农业科学院海宁杨渡科研创新基地(30°42'39″N,120°36'13″E),三行区,行长1.5 m、行距35 cm,株距20 cm,每穴1株,重复3次,四周设保护行,生长期间田间管理措施与大田相同。按照《花生种质资源描述规范和数据标准》[13],记载各种质材料播种至开花天数,即从播种至50%的植株开花的天数。成熟后每小区在中间区域随机选取10株进行室内考种,主要考察主茎高、第一侧枝长、总分枝数、结果枝数、单株荚果数、荚果长度、荚果宽度、百果重、种子长度、种子宽度、百仁重、出仁率、单株生产力13个农艺性状;采用波通公司DA7250型近红外成分测定仪测定品质性状,包括粗脂肪含量、蛋白质含量、油酸和亚油酸含量,所得数据均是3个重复的平均值。利用美国Unity科技公司Spectra Star XL近红外光谱仪测定花生籽仁中的蔗糖含量[14]。

1.3 数据分析

利用Excel 2007整理各性状数据并进行描述性统计分析,计算各性状的最大值、最小值、平均值、标准差和变异系数。通过各性状的平均值(x)和标准差(σ)进行10级分类,1级

2 结果与分析

2.1 花生种质资源农艺和品质性状描述性统计

本研究对收集的115份花生种质资源的19个农艺和品质性状进行描述性统计分析(表2),19个性状的变异系数范围为4.21%～43.42%,平均变异系数为19.01%,变异系数较大的有主茎高、总分枝数、单株荚果数和单株生产力,变异范围为29.99%～43.42%,表明这4个性状变异较为丰富。其中单株生产力的变异系数最大,变异幅度为15.99～84.52 g,说明单株生产力具有较大的遗传改良空间。变异系数较小的性状有播种至开花天数、种子宽度、出仁率、蛋白质含量和粗脂肪含量,变异范围为4.21%～7.88%,表明这5个性状变异幅度较小,遗传较稳定,其中粗脂肪含量变异系数最小,变异幅度为46.48%～57.89%。因此,在上述花生种质材料中,单株荚果数和单株生产力的变异最为丰富,选择空间较大,在花生育种中尽量规避单株生产力低和单株荚果数较少的材料,以提高选育品种(系)产量水平。19个性状的多样性指数范围为1.78～2.09,亚油酸含量多样性指数最小,种子宽度多样性指数最大。以上结果表明,115份花生种质资源具有较丰富的表型变异,不同种质资源间性状差异较大,有利于优异种质的比较和筛选。

表2 115份花生种质资源农艺和品质性状变异

2.2 花生种质资源粗脂肪含量、蛋白质含量和蔗糖含量的分布

粗脂肪含量、蛋白质含量和蔗糖含量均为花生重要品质性状,其优异种质对于培育优质专用型花生品种具有重要意义。如表3所示,115份花生种质资源籽仁粗脂肪含量在48.01%～51.00%的种质有42份,占36.52%;粗脂肪含量大于51.00%的种质有68份,占59.13%。籽仁蛋白质含量在23.01%～26.00%的种质有70份,占60.87%;蛋白质含量大于26.00%的种质有27份,占23.48%。籽仁蔗糖含量在2.08%～6.00%的种质资源有109份,占94.78%;蔗糖含量大于6.00%的种质资源有6份,占5.22%。综合上述分析可见,115份花生种质资源籽仁粗脂肪含量超过51%的材料占一半以上,蛋白质含量主要集中在23.01%～26.00%,蔗糖含量主要集中在2.08%～6.00%。根据国家一级油用花生品种(粗脂肪含量>51%)[17]、一级食用花生品种(蛋白质含量>26%)[18]和高蔗糖花生(蔗糖含量>6%)[14]为筛选指标,花生种质资源中有68份为高油种质,有27份为高蛋白种质和6份高蔗糖种质,这些优异种质可作为高油型、高蛋白型以及高蔗糖专用型品种选育的亲本加以利用。

表3 花生种质资源粗脂肪含量、蛋白质含量和蔗糖含量的分布

2.3 花生种质资源农艺及品质性状的相关性分析

115份花生种质资源19个农艺和品质性状相关性分析结果见表4。相关性分析发现,单株荚果数、荚果宽度、百果重、种子宽度、百仁重、粗脂肪含量均与单株生产力呈极显著正相关,说明提高单株荚果数和粗脂肪含量,增加花生荚果和种子大小是提高花生单产的有效途径之一。主茎高与单株生产力呈显著负相关,第一侧枝长与单株生产力呈极显著负相关,生产上适当控制主茎高和第一侧枝长可提高花生的单株生产力。蛋白质含量与主茎高、第一侧枝长呈极显著正相关,与单株生产力、单株荚果数呈极显著负相关,说明在高蛋白花生育种工作中除了注重早世代对蛋白质含量的测定,还可适当考虑降低田间选择标准以增加高蛋白单株的当选概率。百果重与荚果长度、荚果宽度、种子长度、种子宽度、百仁重和单株生产力呈极显著正相关,与出仁率呈极显著负相关,因此在花生育种工作中要注意单株生产力与荚果大小、出仁率和单株荚果数的协调。

表4 花生种质资源农艺和品质性状的相关性

2.4 花生种质资源农艺及品质性状的主成分分析

相关性分析表明,115份花生种质资源19个农艺和品质性状间存在不同程度的相关性,为消除相关性对种质评价的影响,对花生种质资源的19个性状进行主成分分析。根据特征值大于1的标准提取了5个主成分,累积贡献率为77.142%,说明这5个主成分可综合概括19个农艺性状的信息(表5)。第1主成分的特征值为5.202,贡献率为27.376%,其中百果重的载荷占比最高,为0.938,荚果宽度、百仁重、种子宽度的载荷占比也较高,其特征向量间的关系表明,百果重较大的品种,一般荚果长度和荚果宽度越大,百仁重较大。第2主成分的特征值为3.933,贡献率为20.702%,最高载荷为总分枝数,说明第2主成分因子是总分枝数。第3主成分的特征值为2.802,贡献率为14.747%,最高载荷为单株荚果数,最大负载荷为蛋白质含量,其特征向量间的关系表明,第3主成分因子是单株荚果数,单株荚果数越多,其蛋白质含量越低。第4主成分的特征值为1.644,贡献率为8.654%,最高载荷为结果枝数,其主成分因子为结果枝数;第5主成分的特征值为1.076,贡献率为5.662%,最高载荷为油酸含量,最大负载荷为亚油酸含量,其特征向量间的关系表明,油酸含量较高的品种,其亚油酸含量较低。每个主成分都较为客观地反映了所控制的各性状之间的关系,其中百果重、荚果长度、荚果宽度、百仁重、种子长度、种子宽度在第1主成分载荷占比较高,说明这些性状在花生主要农艺性状中占有重要地位。

表5 115份花生种质资源农艺和品质性状的主成分分析

2.5 花生种质资源农艺和品质性状的聚类分析

基于19个农艺和品质性状对115份花生种质资源进行聚类分析(图1),当欧氏距离为20时,115份花生种质资源被划分为3个类群。第Ⅰ类群包含57份种质,其中珍珠豆型49份,多粒型4份,龙生型和普通型各2份;第Ⅱ类群包含33份种质,其中珍珠豆型10份,多粒型15份,龙生型5份和普通型3份;第Ⅲ类群包含25份种质,其中珍珠豆型17份,多粒型7份,龙生型1份。根据3个类群的种质资源各性状平均表现(表6),第Ⅰ类群种质以育成品种(系)为主,该类群种质平均百果重和平均百仁重最大,分别为157.05 g和58.67 g,平均出仁率最低(69.70%),平均单株荚果数最多,为27.73个,平均单株生产力最高,为42.92 g,第Ⅰ类群种质田间综合表现较好,属于高产大果种质,可作为本地区主要育种亲本的来源;第Ⅱ类群均为地方品种,主要来源于四川、浙江、江苏省,主要特征是播种至开花天数较长,为24.50 d,平均单株生产力最低,为22.66 g,平均总分枝数和平均结果枝数最多,分别为14.65个和9.47个,但田间种植表现多为匍匐或半匍匐,抗倒伏性差,不建议作为主要育种亲本;第Ⅲ类群以地方品种为主,主茎高和第一侧枝长最大,分别为80.46 cm和90.66 cm,荚果长度和荚果宽度均为3个类群中最小的,平均荚果长度为28.55 mm,平均荚果宽度为12.25 mm,其蛋白质含量、粗脂肪含量和出仁率均较高,平均单株生产力中等,属于高品质小果型资源。

图1 花生种质资源表型性状的聚类分析Fig.1 Cluster analysis of phenotypic traits of peanut germplasm resources

表6 三个类群花生种质资源农艺和品质性状平均结果

3 讨论与结论

3.1 花生种质资源农艺和品质性状的表型变异

种质资源的遗传多样性是育种工作的基础,变异系数是评价种质资源遗传多样性的重要指标,变异系数越大说明遗传多样性越丰富,品种改良时利用的潜力就越大[19]。本研究以来源于广东、广西、浙江、福建、四川、云南等10个省区市的115份花生种质资源为材料,采用变异系数和多样性指数对19个农艺和品质性状进行遗传多样性分析,19个性状变异系数的变化范围为4.21%～43.42%,平均变异系数为19.01%,单株生产力的变异系数最大,为43.42%,这与黄杨等[9]的研究结果一致,且其他与产量相关的性状,如单株荚果数、主茎高、总分枝数的变异系数也较高,说明115份花生种质资源在产量性状方面具有较大的遗传改良空间和利用潜力。115份花生种质资源的出仁率变异系数较小,表现出低的表型变异,研究结果与薛云云等[20]对山西省72份花生种质资源的15个农艺及品质性状,孙东雷等[7]对40份花生种质资源的17个表型性状的变异分析结果一致,这可能与花生在进化过程中受到人工选择影响有关。本研究中19个性状的多样性指数范围为1.78～2.09,多样性指数平均值为1.97,说明该群体的表型性状的遗传多样性较丰富,试验结论进一步证实了前人的研究[8]。

主成分分析可以尽可能消除相关性对种质评价产生的影响,利用较少的性状尽可能多地概括多个性状信息。本研究将19个性状归为5个主成分,累积贡献率为77.142%,说明这5个主成分是决定115份花生种质资源多样性的主要因素。聚类分析将115份花生种质资源分为3个类群,同一地区或相近区域的种质并未聚到同一个类群,表明花生种质的相似性与地理来源关系不大,与黄杨等[9]、苗利娟等[6]的研究结果一致。此外,普通型、珍珠豆型、龙生型和多粒型等相同的植物学类型也没有聚到一个类群里,这与白冬梅等[21]的研究结果基本一致。利用多个表型性状聚类,可能因部分性状的差异导致不同类群之间差异模糊。通过个别重要性状进行聚类可能使得分类清晰,但此方法通常稳定性不高[7]。因此,在对种质资源综合评价中仍宜利用多个表型性状聚类分析,若出现组间区分不清晰时可结合组间系统聚类予以弥补。聚类分析结果显示,第Ⅰ类群种质以育成品种(系)为主,单株荚果数和单株生产力高于其他类群,百果重和百仁重较大,属于高产大果种质,可作为优质亲本加以利用;第Ⅱ类群种质均为地方品种,主要特点是总分枝数和结果枝数较多,单株生产力低,多为匍匐或半匍匐,抗倒伏性差,不建议作为主要育种亲本;第Ⅲ类群主茎高和第一侧枝长高于其他类群,主要特点荚果小,单株生产力和出仁率较高,生产上,南方地区偏爱种植小果形花生品种,可根据需要将第Ⅲ类群种质作为亲本加以利用。

3.2 花生种质资源的利用及评价

近十年来,花生单产水平徘徊不前,育成品种遗传基础狭窄,缺乏大面积推广的突破性高产、优质、多抗新品种,其主要原因是对花生种质资源的利用率不足,造成骨干亲本利用情况相似度较高、种质资源利用率低,限制了花生品种的遗传改良[12]。本研究所选115份花生种质资源,来源于广东、广西、浙江、福建、四川、云南等10个省区市,地理分布广泛,既包括地方品种,也包括生产上推广种植的育成品种,资源类型丰富,种质间差异大,具有很高的遗传多样性。通过对农艺及品质性状分析及评价不仅有利于指导亲本选配以及提高种质的利用率,而且还可以拓宽现有栽培品种的遗传基础。根据国家油用花生和食用花生标准以及高蔗糖品种的指标,生产上一般认为粗脂肪含量高于51%的花生为高油品种,蛋白质含量高于26%的花生为高蛋白品种,蔗糖含量高于6%的花生为高蔗糖品种[14,17-18]。根据品质性状鉴定结果,本研究筛选出具有高粗脂肪含量种质68份,高蛋白质含量种质27份,高蔗糖种质6份,可作为高油型、高蛋白型及高蔗糖专用型品种选育的优异亲本应用于育种实践。