532份箭筈豌豆种质资源复叶表型多样性

董德珂，董 瑞，刘志鹏，王彦荣

(草地农业生态系统国家重点实验室 兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020)

532份箭筈豌豆种质资源复叶表型多样性

董德珂，董 瑞，刘志鹏，王彦荣

(草地农业生态系统国家重点实验室 兰州大学草地农业科技学院，甘肃 兰州 730020)

箭筈豌豆(Viciasativa)是一种重要的优良豆科牧草，研究其复叶的表型多样性对该种质资源的开发利用具有重要意义。本研究收集了世界上6大洲的532份箭筈豌豆种质资源，对其复叶的9个表型性状进行统计分析。结果表明，这些箭筈豌豆种质资源在小叶形状、叶尖形状、小叶着生方式、小叶数、叶轴长度、复叶宽度、总叶柄长度、叶形指数、复叶面积等复叶表型性状方面存在着丰富的多样性，数量性状的变异系数范围为16.77%～36.60%，且均表现为极显著差异(P<0.01)；主成分分析的结果表明，复叶大小、小叶表面形状、小叶着生方式和总叶柄长度是箭筈豌豆种质资源复叶表型性状构成的主导因子。本研究为箭筈豌豆种质资源的收集、鉴定、评价、保护和利用奠定了基础。

箭筈豌豆；复叶；表型性状；多样性；方差分析；主成分分析

箭筈豌豆(V.sativa)又名救荒野豌豆、大巢菜等，是豆科(Leguminosae)野豌豆属一年生闭花授粉植物，偶数羽状复叶，普遍种植于我国的长江中下游、华北和西北等地区[1]。箭筈豌豆作为优良的牧草和绿肥作物，具有适应性广、抗寒性强、生育周期短、营养价值高、经济效益好等特点，在我国草地农业系统中发挥着不可替代的作用[2-9]，而且具有广阔的育种潜力[10]。

表型多样性分为数量性状多样性和描述性状多样性两大类，能显示遗传多样性的外观指标，是生物多样性与生物系统学的重要研究内容，并且伴随着遗传多样性研究的加强逐步成为国内外研究的热点[11-13]。叶片表型多样性是植物表型多样性研究的典型代表，同时叶片是植物的重要组成部分，是植物进行光合作用、蒸腾作用和积累干物质的主要器官，叶片的性状特征会直接影响植物的基本行为和功能[14-16]。已有学者在芒(Miscanthussinensis)[17]、冰草(Agropyroncristatum)[18]、扁蓄豆(Melilotoidesruthenica)[19]等草本植物的叶片表型多样性方面进行过研究，但是有关箭筈豌豆复叶表型多样性方面的研究尚未见报道。本研究所用的材料是来源于世界6大洲49个国家的532份箭筈豌豆种质，其复叶表型多样性的资料具有广域性，也更加完善。对这些种质资源复叶的9个表型性状进行调查和分析，填补箭筈豌豆复叶表型多样性研究的空白，为该种质复叶图像数据库的建立提供部分形态学证据，以期为箭筈豌豆种质资源的收集、鉴定、评价、保护和利用提供参考。

1 材料和方法

1.1 供试材料

本试验所用材料为收集于中国、比利时、澳大利亚、 摩洛哥、美国、阿根廷等世界上6个大洲49个国家的530份箭筈豌豆种质，以及兰州大学培育的栽培品种兰箭1号和兰箭3号，共计532份箭筈豌豆种质。

1.2 试验设计

为减少生态环境因素对物种的影响，客观比较同一环境下物种的差异，本试验将来自不同地区的箭筈豌豆种质资源材料统一种植在同一环境条件下。试验地点设于兰州大学草地农业科技学院榆中试验田(35.57° N，104.09° E)。每份种质选取10粒饱满的种子，种植于1.0 m × 0.8 m的小区，每小区两行，行距40 cm，每行5粒种子，穴播，株距20 cm，田间管理条件相同。在结荚期每份种质随机选取生长正常的植株5株，每株从植株顶端开始向下采集生长正常的第五片复叶。

1.3 获取复叶扫描图像

利用扫描仪获取图像，进而用图像处理法来测量叶片形态特征，具有成本低、精度高、方便快捷等优点[20]。本试验使用的扫描仪为EPSON V700，扫描仪驱动为EPSON Perfection V700 Photo/V750 Pro 3.9.2。将待测叶片平铺到扫描仪面板上，盖上玻璃盖板，使叶片完全平整的展开。打开扫描仪驱动，设置各个参量：图像类型为16位灰度，分辨率为300 dpi，文稿大小宽度为149.9 mm、高度为246.4 mm，点击“预览”，然后点击“扫描”，选择存储文件夹并命名编号，图像格式为bmp格式，点击“确定”开始扫描，即可获得扫描图像 。

1.4 数量性状的测定

数量性状是能够度量的性状，是指在一个群体内各个体间连续变异的性状。用Digimizer 4.2图像分析软件对扫描图像进行分析，以图片高度246.4 mm设置比例尺，测量其叶轴长度、复叶宽度、总叶柄长度、最顶端两片小叶和最底端两片小叶的长度及宽度，精确到0.01 mm。对小叶数量进行计数。叶形指数为最顶端两片小叶和最底端两片小叶宽长比的平均值。复叶面积采用加拿大Regent Instrument公司出品的WinSEEDLE种子和针叶分析系统进行分析。

1.5 描述性状的测定

描述性状即质量性状，能观察而不能量测的性状，是指同一种性状的不同表现型之间不存在连续性的数量变化，而呈现质的中断性变化的性状。复叶的描述性状采用目测的方法，参照《牧草种质资源描述规范和数据标准》[21]，制定记载标准见图1和表1。

1.6 数据分析

利用Excel 2010软件分析各性状的平均值、最大值、最小值、标准差、变异系数等常规指标，利用SPSS 19.0软件对各性状进行方差分析和主成分分析。

图1 箭筈豌豆种质复叶描述性状的记载标准Fig.1 Documented standards of Vicia sativa germplasm compound leaf descriptive characters

注：A图为小叶形状，B图为叶尖形状，C图为小叶着生方式。

Note: A shows leaflet shape, B shows leaflet apex shape, C shows leaflet arrangement.

表1 箭筈豌豆种质复叶描述性状的观测项目和记载标准

2 结果与分析

2.1 箭筈豌豆种质资源表型性状多样性分析

表型性状的变异是遗传多样性的具体表现，变异系数越大，说明其在个体之间的差异也就越大，越有利于对种质资源进行鉴定、评价和利用[22]。对532份箭筈豌豆种质资源复叶的9个表型性状进行统计分析,结果表明，箭筈豌豆种质资源复叶表型性状的变异范围较大，差异明显，遗传多样性丰富(表2、3)。

数量性状可用来分析遗传变异的水平[23]，一般认为变异系数大于10%就说明样本间的差异较大。箭筈豌豆种质资源复叶的小叶数、叶轴长度、复叶宽度、总叶柄长度、叶形指数、复叶面积的变异系数为16.77%～36.60%，平均变异系数为27.25%，表明供试箭筈豌豆种质复叶表型数量性状变异范围较大，差异明显，选择复叶性状各异的材料较容易(表2)。其中，复叶面积的变异系数最大为36.60%，且复叶面积是决定其产量的重要因素，在育种过程中容易获得复叶面积较大的高产种质。方差分析结果显示,各性状在0.01水平上达到了极显著差异，表明532份箭筈豌豆种质间复叶表型数量性状差异显著，遗传变异水平较高。

表2 箭筈豌豆种质资源复叶表型数量性状统计分析

注：**表示在0.01水平上差异显著(P<0.01)。

Note:** indicate significant difference at 0.01 level.

表3 箭筈豌豆种质资源复叶表型描述性状统计分析

描述性状几乎全部由遗传因子来控制，这些遗传变异在DNA水平上是由基因变异引起的[24]。箭筈豌豆种质的小叶形状有椭圆形、长椭圆形、倒卵形和卵形，供试材料中以椭圆形为主，占供试材料的75.75%，其次表现为长椭圆形种质数>倒卵形种质数>卵形种质数。叶尖形状以向内凹入的种质居多，占供试材料的78.94%，其次表现为平截种质数>凸出种质数。小叶着生方式多为互生和对生并存，占供试材料61.29%，其次表现为对生种质数>互生种质数(表3)。表明供试箭筈豌豆种质复叶表型描述性状差异明显，基因变异较大，遗传变异丰富。

2.2 箭筈豌豆种质资源复叶表型性状的主成分分析

主成分分析能够将许多相关的随机变量转换成少量的综合指标，且能反映出原来较多变量的信息[25]，从而使研究的问题得以简化，便于抓住研究对象的主要方面，因此在植物的多性状关系及其选择方面具有重要的指导作用[26]。根据箭筈豌豆种质的小叶数、叶轴长度、复叶宽度、总叶柄长度、叶形指数、复叶面积、小叶形状、叶尖形状、小叶着生方式等9个表型性状，对其进行主成分分析，能更加清楚地显示出各性状在叶片表型性状多样性构成中的作用。主成分分析的结果表明，通过分析提取出了5个主成分，累计贡献率为83.650%(表4、5)。第1主成分中，小叶数、叶轴长度、叶形指数、复叶面积、小叶形状等性状具有较大的载荷值，是复叶大小和小叶表面形状的综合反映；第2主成分中，复叶宽度具有较大的载荷值，是对复叶大小的补充；第3主成分中，叶尖形状具有较大的载荷值，是对小叶表面形状的补充；第4主成分中，小叶着生方式具有较大的载荷值，反映了复叶上小叶的排列方式；第5主成分中，总叶柄长度具有较大载荷值，反映了复叶总叶柄的长度。

表4 主成分的特征根、贡献率和累计贡献率

表5 特征向量

3 讨论与结论

表型多样性是在形态水平上对遗传多样性进行的阐述[12]，种质资源遗传多样性是育种的基础。本研究从箭筈豌豆的复叶表型多样性入手，研究了532份箭筈豌豆种质复叶的9个表型性状，发现箭筈豌豆种质复叶表型性状存在着丰富的多样性，表明其遗传多样性丰富，具有很大的育种潜力。

叶片性状的鉴定和评价是筛选某些育种材料的重要手段。叶片宽窄及其配置是株型育种(生态育种)的重要内容，与光能利用强度和产量高低有直接的关系[27]，如王力荣等[28]利用狭叶(柳叶状)的桃资源，选育出了适宜高密度栽培种植的桃品种。以此作为借鉴，在箭筈豌豆的育种中，可以尝试利用叶形指数(宽长比)小的长椭圆形箭筈豌豆种质来选育适宜高密度种植的品种。植物叶面积是研究植物生理生化、遗传育种、作物栽培技术等方面的重要指标，对于调整群体结构、充分利用光热资源，指导作物栽培密度及合理施肥以获得作物高产有重要的意义[29]。叶面积的大小是决定其产量的重要因素，因此可以利用复叶面积较大的种质来选育高产量的箭筈豌豆品种，本研究筛选出复叶面积较大的种质,为箭筈豌豆的育种工作提供了基础资料。目前，箭筈豌豆的育成品种还较少，对复叶表型多样性的研究为箭筈豌豆的品种选育奠定了基础，有望在箭筈豌豆的育种方面实现突破。

表型多样性是基因与环境综合作用的结果，表型和基因型之间存在着基因表达、个体发育和调控等复杂的中间环节，根据表型性状的差异来反映基因型之间的差异具有十分重要的意义[30]。物种或居群的遗传多样性大小是长期进化的产物，是其生存、适应、发展、进化的前提[31]。因此，对表型多样性的研究可以揭示物种或种群进化历史，能为进一步分析其进化潜力提供重要依据和信息。本研究所用的532份箭筈豌豆收集于世界上6个大洲，分布范围相当广泛，说明箭筈豌豆种质具有较强的环境适应能力。将箭筈豌豆种植在同一地区，减少了生态环境对其表型变异的影响，使表型变异更加客观的反映其遗传变异的情况。本研究中箭筈豌豆种质复叶表型性状存在着丰富的多样性，表明种质在漫长的进化过程中，形成了一套独特的适应环境的基因型，该结果对研究物种进化具有重要意义。

在野外收集的过程中，研究人员只能通过表型的生物学性状进行种质区分。本研究利用主成分分析箭筈豌豆种质叶片的9个表型性状，筛选出了5个主成分，其中，复叶大小、小叶表面形状、小叶着生方式、总叶柄长度是5个主成分的主导因子。因此在箭筈豌豆的收集过程中，可以将箭筈豌豆的复叶大小、小叶表面形状、小叶着生方式、总叶柄长度作为指标之一，使鉴定评价更加准确和简便。

本研究中，所用材料为收集6个大洲49个国家的532份箭筈豌豆种质，使箭筈豌豆种质资源复叶表型多样性的资料具有广域性，也更加丰富和完善。由于涉及的种质较多，每份种质所取的复叶样本数量相对较少，今后应加大对试验样本的采集，使箭筈豌豆复叶表型多样性的数据更加完备。

表型性状的变异是基因和环境共同作用的结果，表型变异必然蕴藏着基因型的变异[22]。箭筈豌豆遍布于世界上的大部分地区，在漫长的进化过程中，逐渐形成了适应环境变化的新的基因型，产生了不同的表型变异，成为人们育种的基础。本研究开展的箭筈豌豆种质资源复叶表型性状多样性的分析只是箭筈豌豆种质资源遗传多样性研究的一部分，还需要进一步深入研究箭筈豌豆种质资源的种子、果荚等性状的多样性，以期为箭筈豌豆的选育提供更加完善的基础资料。

致谢：该论文是第二届全国草业生物技术大会评选出的优秀论文，并得到中国草业生物技术专业委员会提供的版面费支持。

[1] 陈默君,贾慎修.中国饲用植物[M].北京:中国农业出版社,2002:673-675.

[2] 毛凯,周寿荣,王四敏,杨春华.箭筈豌豆混播黑麦草生物量和种间竞争的研究[J].草地学报,1997,5(1):8-14.

[3] 陈功,李锦华,周青平.高寒牧区春箭筈豌豆生产性能的研究[J].青海草业,1991,8(3):10-12.

[4] 陈默君.五种野豌豆饲用价值的初步探讨[J].中国草原,1986(3):43-46.

[5] 马春晖,韩建国.冬牧70黑麦+箭筈豌豆混播草地生物量、品质及种间竟争的动态研究[J].草业学报,1999,8(4):56-64.

[6] 韩建国,马春晖,毛培胜,牛忠联,孙瑞臣.播种比例和施氮量及刈割期对燕麦与豌豆混播草地产草量和质量的影响[J].草地学报,1999,7(2):87-94.

[7] 南志标,张吉宇,王彦荣,李春杰,聂斌,张健全,赵宏.五个箭筈豌豆品系基因型与环境互作效应及农艺性状稳定性[J].生态学报,2004,24(3):395-401.

[8] Liu Z P,Ma L C,Nan Z B,Wang Y R.Comparative transcriptional profiling provides insights into the evolution and development of the zygomorphic flower ofViciasativa(Papilionoideae)[J].PloS ONE,2013,8(2):e57338.

[9] Liu Z P,Liu P,Luo D,Liu W X,Wang Y R.Exploiting illumina sequencing for the development of 95 novel polymorphic EST-SSR markers in common vetch (Viciasativasubsp.sativa)[J].Molecules,2014,19(5):5777-5789.

[10] 王赟文,南志标,王彦荣,李春杰,马隆喜.高山草原条件下一年生豆科牧草生产性能的评价[J].草业学报,2001,10(2):47-55.

[11] Bagchi S K,Joshi D N,Rawat D S.Variation in seed size ofAcaciaspp.[J].Silvae Genetica,1990,39(3-4):107-110.

[12] King J N,Yeh F C,Heaman J C.Selection of growth and yield traits in controlled crosses of coastal Douglas-fir[J].Silvae Genetica,1988,37(3-4):158-164.

[13] 李斌,顾万春,卢宝明.白皮松天然群体种实性状表型多样性研究[J].生物多样性,2002,10(2):181-188.

[14] 肖强,叶文景,朱珠,陈瑶,郑海雷.利用数码相机和Photoshop软件非破坏性测定叶面积的简便方法[J].生态学杂志,2005,24 (6):711-714.

[15] 肖春旺,周广胜,马风云.施水量变化对毛乌素沙地优势植物形态与生长的影响[J].植物生态学报,2002,26(1):69-76.

[16] 李素艳,胡昊,孙向阳,王保平,乔杰.生长季节中泡桐叶形态特征及其相关性研究[J].林业科学研究,2006,19(5):660-664.

[17] 肖亮,蒋建雄,易自力,艾辛,覃静萍,刘树玲,陈智勇,林聪.广西省芒野生居群表型多样性研究[J].草业学报，2013,22(4):43-50.

[18] 王方.冰草属植物种植资源遗传多样性研究[D].兰州:兰州大学硕士论文,2009.

[19] 李志勇.扁蓄豆种质资源遗传多样性机理的研究[D].呼和浩特:中国农业科学院博士论文,2011.

[20] 戴志聪,杜道林,司春灿,林英,郝建良,孙凤.用扫描仪及Image J软件精确测量叶片形态数量特征的方法[J].广西植物,2009,29(3):342-347.

[21] 李志勇,王宗礼,师文贵.牧草种质资源描述规范和数据标准[M].北京:中国农业出版社,2005:15-27.

[22] 万继锋,吴如健,韦晓霞,陈瑾,胡菡青,潘少霖.橄榄种质资源叶片表型性状多样性分析[J].热带作物学报,2012,33(6):975-980.

[23] 夏铭.遗传多样性研究进展[J].生态学杂志,1999,18(3):59-65.

[24] 卢欣石,何琪.种群遗传变异及基因多样度分析[J].草业学报,1999,8(3):76-82.

[25] Guo B L,Yang J X,Li Y C,Yu S S.The application of principal component analysis on mainly economic characters and superior variety selection of apricot for nucleolus using[J].Scientia Silvae Sinicae,2000,36(6):53-56.

[26] 袁志发,周静宇.多元统计分析[M].北京：科学出版社,2003:188-201.

[27] 李子先.水稻主要数量性状遗传研究的进展与育种(4)[J].种子,1994,5(1):36-37.

[28] 王力荣,朱更瑞,方伟超.桃种质资源若干植物学数量性状描述指标探讨[J].中国农业科学,2005,8(4):770-776.

[29] 李震,洪添胜,吴伟斌,张文昭,刘敏娟.植物多叶片图像目标识别和叶面积测量方法[J].华南农业大学学报,2007,28(3):105-109.

[30] 李梅,韩海荣,康峰峰,马钦彦.山西灵空山辽东栎种群叶性状表型变异研究[J].北京林业大学学报,2005,27(5):10-16.

[31] Soltis P S,Soltis D E.Genetic variation in endemic and widespread plant species:Examples from Saxifragaceae and Polystichum(Dryopteridaceae)[J].Aliso,1991,13(1):215-223.

(责任编辑 王芳)

Diversity of compound leaf phenotypic characteristics of 532Viciasativagermplasms

DONG De-ke, DONG Rui, LIU Zhi-peng, WANG Yan-rong

(Statye Key Laboratory of Grassland Agro-ecosystems Systems, College of Pastoral Agriculture Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730020, China)

The researches about compound leaf phenotypic diversity of Vetch (Viciasativa) have great significance to its development and utilization as an important and excellent legume forage. In the present study, 532V.sativagermplasm were collected from six continents in the world and their compound leaf phenotypic characteristics were analyzed. The results indicated that there were abundant diversity in leaflet shape, leaflet apex shape, leaflet arrangement, leaflets number, rachis length, compound leaf width, common petiolar length, leaflet index, compound leaf area for these tested germplasm resources whose variation coefficient ranged from 16.77% to 36.60% with extremely significant difference. The principal components analysis showed that compound leaf size, leaflet surface shape, leaflet arrangement and common petiolar length were the dominant factors which constituted compound leaf phenotypes diversity. These results laid the foundation for the collection, identification, evaluation, protection and utilization ofV.sativagermplasm resources.

Viciasativa; compound leaf; phenotypic characters; diversity; ANOVA; principal component

WANG Yan-rong E-mail：yrwang@lzu.edu.cn

10.11829j.issn.1001-0629.2015-0092

2015-02-11 接受日期：2015-04-21

国家重点基础研究发展计划(973计划)——重要牧草、乡土草抗逆优质高产的生物学基础(2014CB138704)

董德珂(1991-)，男，山东平邑人，在读硕士生，主要从事草类作物遗传育种研究。E-mail：dongdk10@lzu.edu.cn

王彦荣(1956-)，女，吉林大安人，教授，博士，主要从事草类种子及种质资源研究。E-mail：yrwang@lzu.edu.cn

S324;Q944.52

A

1001-0629(2015)06-0935-07

董德珂,董瑞,刘志鹏,王彦荣.532份箭筈豌豆种质资源复叶表型多样性[J].草业科学,2015,32(6):935-941.

DONG De-ke,DONG Rui,LIU Zhi-peng,WANG Yan-rong.Diversity of compound leaf phenotypic characteristics of 532Viciasativagermplasms[J].Pratacultural Science,2015,32(6)：935-941.