李 瓊，常世豪，舒文濤，楊青春，李金花，張東輝，張保亮，張來成，耿 臻

(周口市農(nóng)業(yè)科學院，河南周口 466000)

0 引 言

【研究意義】大豆起源于中國，大豆種質(zhì)資源豐富[1]。我國黃淮海地區(qū)是中國大豆的主產(chǎn)區(qū)之一[2]。大豆產(chǎn)量相關性狀都是數(shù)量性狀，遺傳與環(huán)境因素共同作用使得其農(nóng)藝性狀間存在信息的相互關聯(lián)、重疊，增加育種難度[3]。綜合分析2020年國家黃淮海夏大豆(南片)中間試驗參試品種(系)的農(nóng)藝性狀，有利于了解該地區(qū)近期大豆新種質(zhì)的遺傳信息，對下一步制定育種目標、雜交組合選配有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】大豆種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀綜合評價是資源合理利用的前提[4-5]。大豆農(nóng)藝性狀各個指標存在一定的相關性。主成分分析方法能夠有效的將多個相互關聯(lián)性狀通過降維得出幾個相互獨立的主成分，用于分析各個農(nóng)藝性狀指標在表型性狀中發(fā)揮的作用[6]。汪寶卿等[7]將87份大豆常規(guī)栽培品種的12個農(nóng)藝性狀分為4個主成分。林文磊等[8]將39份春大豆種質(zhì)的7個農(nóng)藝性狀分為2個主成分。常世豪等[9]將60份夏大豆種質(zhì)的12個農(nóng)藝性狀分為4個主成分。聚類分析更清晰地了解資源的群體組成，研究不同品種(系)之間親緣關系，易于目標種質(zhì)的篩選[10]。采用主成分分析(principal component analysis，PCA)和聚類分析(cluster analysis)相結(jié)合的綜合評價分析法已經(jīng)廣泛應用于玉米[11]、甘藍[12]、茶樹[13]、大蒜[14]、楊梅[15]等?！颈狙芯壳腥朦c】大豆品種種植區(qū)域狹窄。目前關于國家黃淮海(南片)夏大豆中間試驗參試品種的遺傳多樣性及優(yōu)良親本的篩選研究報道較少。研究黃淮海地區(qū)夏大豆(南片)的遺傳背景、遺傳多樣性和綜合性農(nóng)藝性狀?！緮M解決的關鍵問題】選擇2020年國家黃淮海夏大豆(南片)中間試驗參試的46個新大豆種質(zhì)資源，綜合分析與評價大豆農(nóng)藝性狀遺傳多樣性，并進行主成分分析與聚類分析，從多角度分析和評價黃淮海夏大豆(南片)種質(zhì)資源多樣性，為大豆品種選育提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料為2020年國家黃淮海夏大豆(南片)中間試驗參試的46個大豆品種(系)。2020年將各品種(系)種植在周口市農(nóng)業(yè)科學院許灣鄉(xiāng)育種基地同一地點種植，均在材料完全成熟后收獲。表1

表1 供試大豆品種(系)Table 1 Details of tested soybean varieties(lines)

1.2 方 法

試驗地點位于周口市農(nóng)業(yè)科學院許灣試驗基地，供試材料為2020年國家黃淮海夏大豆(南片)中間試驗參試材料。2020年6月20日一播全苗，按隨機區(qū)組排列，3次重復，各重復每個小區(qū)7行，行長6 m，行距0.4 m，株距0.13 m，每個小區(qū)面積16.8 m2。各小區(qū)進行統(tǒng)一田間管理。每個小區(qū)收獲期連續(xù)選擇10株按照《大豆種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》[16]室內(nèi)考種。試驗地年度內(nèi)雨水頻繁，未施肥、灌溉，整個生育期治蟲2次。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Microsoft Excel 2010軟件進行遺傳多樣性分析(Shannon-Wiener’s多樣性指數(shù)(Shannon-wiener diversity index，H’)[17-18]。利用SPSS Statistics 25.0軟件對數(shù)據(jù)進行相關性分析、主成分分析，分別對農(nóng)藝性狀標準化數(shù)據(jù)和綜合主成分值進行聚類分析(歐氏距離-瓦爾德(Ward)法)并比較。

變異系數(shù)的大小表明品種變異程度的大小，反映出各性狀的變異豐富程度，遺傳變異系數(shù)越大，變異越豐富[19]。利用Microsoft Excel 2010對國家黃淮海夏大豆(南片)中間試驗參試的農(nóng)藝性狀遺傳多樣性信息指數(shù)進行計算，得出平均值、變幅、標準差、變異系數(shù)和遺傳多樣性等參數(shù)。

3個主成分對表型變異解釋的貢獻率(表)采用綜合得分計算公式[20]。

2 結(jié)果與分析

2.1 大豆主要農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性

研究表明，不同材料的農(nóng)藝性狀出現(xiàn)不同程度差異。有效分枝數(shù)(74.61%)和底莢高度(26.65%)的變異系數(shù)最大，主莖節(jié)數(shù)(12.41%)變異系數(shù)最小，株高、單株有效莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重、百粒重的變異系數(shù)在17.27%～23.95%。單株粒數(shù)(2.064)、單株有效莢數(shù)(1.989)和底莢高度(1.978)的遺傳多樣性指數(shù)最高，平均產(chǎn)量(1.697)的遺傳多樣性最低。各農(nóng)藝性狀遺傳多樣性指數(shù)介于1.697～2.064。9個農(nóng)藝性狀平均變異系數(shù)較大(24.67%)，平均遺傳多樣性H’指數(shù)(1.918)較高。46份大豆品種資源的多樣水平較高，黃淮海夏大豆(南片)種質(zhì)資源具有豐富的遺傳多樣性。表2

表2 大豆主要農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性Table 2 Genetic diversity analysis of main agronomic traits

2.2 大豆主要農(nóng)藝性狀的相關性

研究表明，產(chǎn)量與單株粒數(shù)、單株粒重呈極顯著正相關(P<0.01)，與百粒重呈顯著正相關(P<0.05)；單株粒重與單株有效莢數(shù)、單株粒數(shù)均呈極顯著正相關(P<0.01)；百粒重與單株粒重呈極顯著正相關(P<0.01)，與有效分枝數(shù)呈顯著負相關(P<0.05)；分枝數(shù)與底莢高度呈極顯著負相關(P<0.01)。表3

表3 主要農(nóng)藝性狀相關性Table 3 Correlation analysis of main agronomic traits

2.3 大豆主要農(nóng)藝性狀的主成分綜合評價

研究表明，前3個主成分因子(F1、F2、F3)的特征值為2.645、1.721、1.620均大于1，并且其累計貢獻率為66.5%。前3個主成分綜合因子在所有農(nóng)藝性狀變異中起較大作用，代表大部分的表觀遺傳變異信息。表4，表5

表4 主要農(nóng)藝性狀主成分因子的方差貢獻率Table 4 Variance contribution rate of principal component factors of main agronomic traits

表5 主要農(nóng)藝性狀主成分得分系數(shù)矩陣Table 5 Principal component score coefficient matrix of main of agronomic traits

第一個主成分F1的特征值為2.645，貢獻率為29.384%。表達式：F1=0.190X1+0.132X2+0.188X3-0.018X4+0.246X5+0.303X6+0.266X7+0.092X8+0.240X9。第一個主成分因子主要是由單株有效莢數(shù)(X5)、單株粒數(shù)(X6)和單株粒重(X7)組成，均與產(chǎn)量有關，故稱為“產(chǎn)量因子”。在一定范圍內(nèi)，第一主成分因子中單株有效莢數(shù)、單株粒數(shù)和單株粒重的變化與有效分枝數(shù)成反比，但有效分枝數(shù)權重系數(shù)僅為-0.018。

第二個主成分F2的特征值為1.721，貢獻率為19.119%。表達式：F2=0.263X1+0.238X2+0.266X3+0.097X4+0.031X5+0.127X6-0.331X7-0.461X8-0.189X9。第二個主成分因子主要是由株高(X1)、底莢高度(X2)和主莖節(jié)數(shù)(X3)組成，均與株型有關，故稱為“主莖因子”。在一定的范圍內(nèi)，第二主成分因子中主莖節(jié)數(shù)、株高和底莢高度的變化與百粒重成反比。

第三個主成分F3的特征值為1.620，貢獻率為17.998%。表達式：F3=-0.177X1-0.364X2-0.162X3+0.515X4+0.215X5+0.237X6+0.044X7-0.238X8+0.028X9。第三個主成分因子主要是由有效分枝數(shù)(X4)組成，稱為“分枝因子”。在一定范圍內(nèi)，第三主成分因子中有效分枝數(shù)的變化與底莢高度、百粒重成反比。

Z=(0.293 8F1+0.191 2F2+0.180 0F3)/0.665，Z為樣本綜合得分。得分較高的前5個品種(系)為鄭1440、周豆34號、濮豆5110、恒豆6號、南農(nóng)47。表6

表6 參試大豆品種的主成分因子綜合得分Table 6 Principal component factor comprehensive scores of tested varieties

2.4 基于主要農(nóng)藝性狀和綜合得分聚類

研究表明，聚類可分為3個類群。第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ個類群分別包含25、13、8個品種(系)。其中，類群Ⅰ分2個亞類，第1個亞類包含15個品種(系)，第2個亞類包含10個品種。3個類群中，類群Ⅰ屬于株型較高大、分枝性較好、豐產(chǎn)性好、百粒重較大的品種。此類群品種(系)可作為選育多目標性狀的綜合性狀較好的優(yōu)良親本。類群Ⅱ中百粒重最大，“產(chǎn)量因子”、“主莖因子”、“分枝因子”表現(xiàn)均差，且豐產(chǎn)性較差。類群Ⅲ“產(chǎn)量因子”中等，百粒重最小，株型中等偏小、分枝數(shù)最多，豐產(chǎn)性較好。

第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ個類群分別包含24、11、11個品種(系)。類群Ⅰ分2個亞群、類群Ⅲ分2個亞群。

相同點：2種聚類分析結(jié)果均把商豆151、圣豆21、齊黃45、洛豆1305、冀1801、淮豆17、濮豆5110、周豆34號、鄭1440、南農(nóng)47歸到同一大類中，這10個大豆種質(zhì)遺傳距離比較近。2種聚類分析結(jié)果均把興豆985、菏豆44、柳豆108、邯豆13、菏育10號、山寧27、山寧23、菏豆37、圣育6號、圣豆106歸到同一大類中，這10個大豆種質(zhì)遺傳距離比較近。把中黃207、宿豆051、淮豆1897、徐9416-8、徐豆24、宿豆219、鄆豆1號、濮豆754、周豆41號、淮豆16、皖宿1019、菏豆39、皇豆12、華豆22、皖宿112歸到同一大類中，這15個大豆種質(zhì)遺傳距離比較近。把安豆115、皖豆40、中豆4901、皖宿061、中黃321、南寧60、恒豆6號、邯豆15歸到同一大類中，這8個大豆種質(zhì)遺傳距離比較近。不同點：基于農(nóng)藝性狀的聚類分析法將山寧28、興農(nóng)豆2號、阜豆19歸為類群Ⅱ，基于主成分綜合評價的聚類分析法將這3個品種單獨聚類到類群Ⅰ。圖1

3 討 論

3.1 黃淮海夏大豆(南片)種質(zhì)資源豐富

黃淮海夏大豆(南片)種質(zhì)資源具有豐富的遺傳多樣性。黃淮海夏大豆(南片)主莖節(jié)數(shù)一致性較強。株高、單株有效莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重、百粒重仍有相對改進的余地，可通過良種選配和栽培技術等方法使這些性狀得到一定程度上的改善。有效分枝數(shù)、底莢高度有很大的遺傳改良空間，這與林文磊等[9]對39份春大豆種質(zhì)的7個主要農(nóng)藝性狀進行遺傳變異分析得出底莢高度變異系數(shù)最高。常世豪等[10]對黃淮海60份夏大豆參試材料的12個主要農(nóng)藝性狀進行遺傳變異分析。余飛等[21]對黃淮海11份夏大豆參試材料的12個主要農(nóng)藝性狀進行變異分析，均得出有效分枝數(shù)變異系數(shù)最大的研究結(jié)論相符。經(jīng)過相關性分析得出，與大豆商品性息息相關的百粒重與有效分枝數(shù)呈顯著負相關性，分枝數(shù)與底莢高度呈極顯著負相關性。選育高產(chǎn)、大粒的品種要從有效分枝數(shù)和底莢高度兩方面統(tǒng)籌兼顧。

3.2 黃淮海夏大豆(南片)種質(zhì)資源區(qū)分和篩選

從主成分分析來看，其遺傳信息可分為3個主成分因子，累計貢獻率為66.5%，與以前研究分析所得值相比稍微較低[7，9]?？赡苁怯捎跍y定樣本量大小不同造成的。要實現(xiàn)提高產(chǎn)量、增大百粒重雙重目標，就要把握產(chǎn)量因子、主莖因子、分枝因子3個主成分因子作用的同時，控制主莖因子和分枝因子對百粒重的影響。大豆優(yōu)良親本的株型要適中，且避免了倒伏在生產(chǎn)中對產(chǎn)量的影響。這與以往的結(jié)果基本一致[22-24]。鑒于底莢高度和分枝有極顯著負相關的關系，且變異系數(shù)較大，可適當提高底莢高度避免分枝過多，也便于生產(chǎn)上機械收割。要達到提高產(chǎn)量、增加百粒重的育種目標，要把握3個主成分因子相互關聯(lián)、相互制約的密切關系，從3個主成分中的各要素進行綜合考量[24]。

趙朝森等[25]對431份江西省大豆種質(zhì)資源進行多樣性分析，篩選出21份優(yōu)異種質(zhì)可用于我國高蛋白大豆新品種選育及基因挖掘。趙斌等[26]對111份多棱大麥種質(zhì)主要農(nóng)藝性狀進行多樣性分析，將供試材料分為3個大類，驗證了基于表型性狀對大麥種質(zhì)遺傳多樣性評價的簡單可行性，有助于更快培育出符合育種目標的大麥新品種。研究基于農(nóng)藝性狀的聚類分析可知：類群Ⅰ和類群Ⅲ可作為選育產(chǎn)量高、多目標性狀綜合性優(yōu)良親本和產(chǎn)量高、分枝性好的多分枝性優(yōu)良親本，且鄭1440、周豆34號、濮豆5110、恒豆6號、南農(nóng)47這綜合得分較高的5個品種中鄭1440、周豆34號、濮豆5110、南農(nóng)47處在類群Ⅰ，恒豆6號處在類群Ⅲ?；谥鞒煞址治雠c基于農(nóng)藝性狀的聚類結(jié)果比較得出兩者存在一定的差異。

育種過程中要選育高產(chǎn)、大粒商品性好的大豆品種，其優(yōu)良親本的選擇把握“產(chǎn)量因子”、“主莖因子”、“分枝因子”三者之間相互聯(lián)系、相互制約的關鍵。利用2種聚類分析方法能有效地實現(xiàn)對大豆種質(zhì)間的區(qū)分。獲得更為精準的大豆種質(zhì)信息仍需進行深層次的分子標記遺傳多樣性分析。

4 結(jié) 論

黃淮海夏大豆(南片)資源的農(nóng)藝性狀出現(xiàn)不同程度的差異。有效分枝數(shù)(74.61%)和底莢高度(26.65%)的變異系數(shù)最大，單株粒數(shù)(2.064)、單株有效莢數(shù)(1.989)和底莢高度(1.978)的遺傳多樣性指數(shù)最高。9個農(nóng)藝性狀平均變異系數(shù)較大(24.67%)，平均遺傳多樣性H’指數(shù)(1.918)較高。黃淮海夏大豆(南片)種質(zhì)資源具有豐富的遺傳多樣性。產(chǎn)量與單株粒數(shù)、單株粒重呈極顯著正相關，與百粒重呈顯著正相關；單株粒重與單株有效莢數(shù)、單株粒數(shù)均呈極顯著正相關；百粒重與單株粒重呈極顯著正相關，與有效分枝數(shù)呈顯著負相關；分枝數(shù)與底莢高度呈極顯著負相關。主成分分析將9個性狀轉(zhuǎn)化為3個主成分，累計貢獻率達66.5%；鄭1440、周豆34號、濮豆5110、恒豆6號、南農(nóng)47五個品種(系)綜合得分最高，可作為優(yōu)良親本參考改良當?shù)卮蠖蛊贩N。聚類分析將供試材料分成3個類群，其中類群Ⅰ株型較高大、分枝性較好、百粒重較大、豐產(chǎn)性好，可作為選育多目標性狀綜合性狀較好的優(yōu)良親本。類群Ⅱ百粒重最大，株型矮小，分枝數(shù)少，豐產(chǎn)性差，可作為選育大粒品種的優(yōu)良親本。類群Ⅲ分枝數(shù)最多，百粒重最小，株型中等偏小、豐產(chǎn)性一般，可作為選育多分枝品種的優(yōu)良親本。