印度鹰嘴豆资源遗传多样性分析及优异资源筛选

于海天, 吕梅媛, 万述伟, 杨峰, 胡朝芹, 杨新, 张晓艳, 王玉宝, 何春华, 林德明, 王丽萍*

(1.云南省农业科学院粮食作物研究所, 昆明 650205； 2.青岛市农业科学研究院, 山东 青岛 266100; 3.曲靖市马龙区鸡头村街道城镇和社区综合服务中心, 云南 曲靖 655199)

鹰嘴豆(CicerarietinumL.)起源于亚洲西部和近东地区[1]，是仅次于菜豆和豌豆的第三大食用豆类。鹰嘴豆在耐旱、耐贫瘠等方面表现良好，是重要的作物耐逆基因库。同时，鹰嘴豆是重要的药食同源豆类，具有降血脂、降血糖、抗氧化、抗肿瘤等多种药用价值[2]。因其氨基酸含量[3]和消化率[4]高，并具有丰富植物蛋白、膳食纤维、抗性淀粉、维生素和矿物质，而享有“黄金豆”“营养之花，豆中之王”[5]的美誉。随着消费者对健康饮食的重视以及农业生态环境的改变，鹰嘴豆受到越来越多的关注。市场需求的不断增加带动了鹰嘴豆种质创新的研究。

鹰嘴豆分布比较广泛，在世界各大洲50多个国家和地区均有种植[6]。其中，印度播种面积和产量都位居全球首列，其栽培地区的生态多样性造就了丰富的鹰嘴豆种质资源及其遗传多样性[7]。中国并非鹰嘴豆的起源地，却有着较为悠久的栽培历史[7]，主要分布于新疆、甘肃、青海和云南等冷凉地区。据FAO统计数据，我国种植面积和产量10年间分别增加了31.2%和95.3%，2017年种植面积达到3.33×103hm2，产量达到1万t[6]。但是，由于我国鹰嘴豆种植区域较窄，资源匮乏，在品种选育、推广应用研究等方面发展较为缓慢，亟需从遗传多样性丰富的国家(如印度)引进种质资源拓宽我国鹰嘴豆的遗传多样性。

资源是品种选育和种质创新的基础，我国现有鹰嘴豆资源较少，适宜种植区零星分布，且品种单一。开展资源的引进和评价鉴定是推动我国鹰嘴豆品种选育及推广应用研究的基础。农艺性状多样性分析是资源评价利用的重要方法[8]。郝曦煜等[9]筛选到63份特异种质资源，包括大粒、荚粒数多、多荚、早熟、无分枝、矮杆、高产等特点。邵千顺等[10]对50份鹰嘴豆资源进行多样性分析，结果表明，百粒重、粒型的多样性指数较高，株型和单株粒数的变异系数较大。陈文晋等[11]研究表明，产量和单荚粒数的遗传多样性指数较高，单株荚数和单株粒重的变异系数较大，并筛选到矮杆-特异粒色、高产-株高较高、高杆大粒型-适宜机械收获、矮杆小粒的种质资源。聂石辉等[6]研究表明，单株粒数、单株荚数的变异系数较大，百粒重、株高的多样性指数较高，并将100份材料划分为4个类群，分别具有中粒-株高适中、矮杆-特异粒色、籽粒球型-光滑、大粒-适宜机械化收获的特点。以上评价筛选研究均针对春播区的鹰嘴豆资源，而针对秋播区的鹰嘴豆资源评价研究报道较少。因此，本研究在云南(鹰嘴豆秋播区)开展印度鹰嘴豆资源农艺性状多样性分析和综合评价，通过遗传多样性分析、聚类分析、主成分分析和综合D值评价等方法，了解资源的表型多样性和遗传背景，筛选优异种质资源，为我国鹰嘴豆种质资源创新和品种改良提供理论支持和基础材料。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2014年,云南省农业科学院粮食作物研究所从美国农业部农业资源服务中心西部地区引种站(USDA-ARS Western Regional Plant Introduction Station)引进181份印度鹰嘴豆种质资源，其中PI359555、PI450763为Desi亚种，其余179份为Kabuli亚种(查询网址https：//npgsweb.ars-grin.gov/gringlobal/search)。

1.2 试验方法

2018年10月23日,供试材料种植于云南省昆明市嵩明县的云南省农业科学院粮食作物研究所试验基地(N25°20′48″、E103°06′48″，海拔1 903.0 m，年降水量1 145.0 mm)，土壤类型为黏质土。每份资源单行种植，每行25株，行株距为33 cm×12 cm，常规田间管理[12]。各参试材料全生育期生长正常。农艺性状评价参照《鹰嘴豆种质资源描述规范和数据标准》[13]。调查见花期、开花期，并计算播种至见花期天数(days from sowing to first flower，DSFF)、播种至开花期天数(days from sowing to flowering period, DSFP)、见花至开花期天数(days from first flower to flowering period, DFFP)。于成熟期每份材料随机取样10株，调查株高(plant height, PH)、分枝数(number of branches, NB)、有效分枝数(number of branches with pods, NBP)、秕荚数(number of pods no seeds per plant, NPNS)、实荚数(number of pods with seeds per plant, NPSP)、单荚粒数(number of seeds per pod, NSPP)、百粒重(hundred seeds weight, HSW)、单株产量(yield per plant, YP)和产量(yield per hectare, YH)。

1.3 数据分析

Excel 2010进行数据整理，计算所调查农艺性状的平均值、标准差和变异系数。参照汤翠凤等[14]方法计算Shannon-Wiener多样性指数。利用SPSS 20.0进行相关分析、主成分分析和逐步回归分析，并计算表型性状的欧式遗传距离，采用非加权配对算术平均法(UPGMA)进行聚类分析，利用iTOL(Interactive tree of life)绘制聚类图。参照胡标林等[15]方法计算主成分的权重和综合评价D值。

2 结果与分析

2.1 鹰嘴豆资源表型性状的遗传变异

单荚粒数变异范围较小,为1～2，其余11个性状的变异范围均较大。产量变异范围为50.00～6 675.00 kg·hm-2，单株荚数变异范围为0.6～184.6，秕荚数变异范围为0～73.2，单株产量变异范围为0.3～31.6 g，百粒重变异范围为3.5～36.5 g，见花至开花期天数变异范围为1～30 d，有效分枝数变异范围为0.2～11.0，分枝数变异范围为2.6～11.6，株高变异范围为49.6～108.4 cm，播种至见花期天数变异范围为95～146 d，播种至开花期天数变异范围为112～153 d。变异系数和变异范围数据表明，181份印度鹰嘴豆资源的12个农艺性状均具有较好的遗传多样性。

表1 181份鹰嘴豆资源主要表型性状的遗传变异情况Table 1 Variation of main phenotypic trait of 181 chickpea resources

12个表型性状的变异系数范围为7.47%(播种至开花期天数)～85.26%(秕荚数)，各性状的变异系数存在差异。播种至开花期天数、播种至见花期天数、单荚粒数和株高的变异系数均低于20%，说明以上4个性状的遗传变异度较小，可选择性有限。百粒重、分枝数、有效分枝数和实荚数的遗传系数在30%～50%间，说明以上4个性状的遗传变异度较大，具有较好的可选择性。见花至开花期天数、产量、单株产量和秕荚数的变异系数均大50%，说明以上4个性状的遗传变异丰富，具有很好的可选择性和改良价值。

2.2 181份鹰嘴豆资源主要表型性状的多样性分析

Shannon多样性指数的大小代表各数量性状的各类指标分布情况，指数越大表明分布越均一。本研究对181份印度鹰嘴豆资源的12个农艺性状进行了香浓多样性指数分析，结果如图1所示。12个性状的遗传多样性指数范围为1.750 9(单株产量)～2.053 5(单荚粒数)，平均值为1.930 2。单荚粒数、株高、有效枝数和播种至见花期天数的多样性指数较大，均大于2.000 0，播种至开花期天数、分枝数、实荚数和见花至开花期天数的多样性指数范围为1.900 0～2.000 0，产量、秕荚数、百粒重和单株产量的多样性指数范围为1.700 0～1.900 0。12个性状的多样性指数存在一定差异，但整体指数均较高，说明印度鹰嘴豆资源12个性状的数量指标分布较均一，性状内各数值的离散度较好，各性状的多样性丰富。

2.3 基于12个主要表型性状的聚类分析

以12个农艺性状的数据为基础，通过UPMGA方法计算181份鹰嘴豆资源的欧式距离，并进行聚类。在欧式距离为3.41处，可将181份资源分为9个类群(图2)，各类群性状平均值见表2。

表2 181份鹰嘴豆资源各类群12个主要表型性状均值Table 2 Mean values in main phenotypic traits of 181 chickpea resources from India

第Ⅰ～Ⅳ类群均只包含1份资源，第Ⅰ类为资源PI450778，其秕荚数、实荚数和产量均为类群中最大，远高于其他类群,单株产量则仅次于第Ⅱ类群(为29.7 g)，单荚粒数、百粒重和有效分枝数性状的表现也较好，该类群在产量方面表现突出，且其秕荚数最高，可通过栽培管理等方法减少秕荚数，提高产量。第Ⅱ类为资源PI462176，其单株产量、播种至见花期天数均为类群最高，播种至开花期天数、百粒重和产量均为类群第2，见花至开花期天数则最小，具有高产、花期一致性好和生育期长的特点。第Ⅲ类为资源PI359692， 单荚粒数1.8为类群中最大，百粒重最小(仅11.0 g)，分枝数、有效分枝数和秕荚数均为类群第2，见花至开花期天数仅为7 d，具有大荚、小粒、花期一致的特点，其秕荚数较高，可通过栽培管理等方法提高结实率，提高产量。第Ⅳ类为资源PI359944，其分枝数、有效分枝数为类群中最大，实荚数、见花至开花期天数为类群第2，播种至见花期天数则为所有类群中最小，产量和单荚粒数表现较好，秕荚数较低，说明其具有开花早、花期长、结实率较高的特点。第Ⅴ类包括3份资源，其百粒重平均值为类群最高，株高平均值为类群中第2，单荚粒数为类群最小值，产量适中，有效分枝数较高，类群具有高杆、大粒的特点。第Ⅵ类包含3份资源，其播种至见花期天数、播种至开花期天数、株高、单荚粒数的平均值均较高，而有效分枝数、单株产量、产量和单株荚数则均较低，该类群的产量表现较差，但有晚熟、高杆、大荚、花期长的特点。第Ⅶ类群包含17份资源，其播种至开花期天数的平均值为类群最低值，单株产量、百粒重、实荚数、有效分枝数等性状的平均值均表现较好，说明该类群具有早熟、产量较好的特点。第Ⅷ类群包含2份资源，其播种至开花期天数、开花至见花期天数、单荚粒数平均值为所有类群最大，株高和分枝数平均值最低，具有矮杆、大荚和生育期长的特点；第Ⅸ类群包含150份资源，其各性状平均值在类群中的整体表现不突出。

2.4 鹰嘴豆资源的筛选

2.4.1表型性状的相关性分析 如表3所示，181份印度鹰嘴豆资源12个性状间的相关性较复杂。呈极显著正相关的性状为：播种至见花期天数与播种至开花期天数、株高；播种至开花期天数与见花至开花期天数、株高；株高与百粒重；分枝数与有效分枝数、秕荚数、实荚数；有效分枝数与秕荚数、实荚数、单株产量、产量；秕荚数与实荚数、单荚粒数、单株产量、产量；实荚数与单荚粒数、产量、单株产量；百粒重与单株产量、产量；产量与单株产量。呈显著正相关的性状为：播种至开花期天数与百粒重；株高与秕荚数。呈极显著负相关的性状有：播种至见花期天数与见花至开花期天数；播种至开花期天数与实荚数；单荚粒数数与百粒重。呈显著负相关的性状有：播种至开花期天数与产量；见花至开花期天数与分枝数、有效分枝数、单荚粒数；秕荚数与百粒重。

表3 181份鹰嘴豆资源12个主要表型性状的相关性分析Table 3 Correlation analysis of 12 main phenotypic traits of 181 chickpea resources from India

其中，播种至见花期天数与播种至开花期天数、分枝数与有效分枝数、产量与单株产量间均呈极显著正相关，且相关系数较大，分别为0.835、0.944和0.909，说明以上3组性状高度关联，具有较好的相互参考性；实荚数、有效分枝数、秕荚数、百粒重均与单株产量和产量呈极显著正相关，说明以上4个性状是影响产量的主要因素；播种至见花期天数与见花至开花期天数呈极显著负相关，说明见花越早花期越长，见花期可作为花期一致性评价的参考性状。

2.4.2表型性状的主成分分析 通过主成分分析法对181份印度鹰嘴豆资源进行综合性评价分析。如表4所示，前6个主成分的累计贡献率为89.27%，说明6个主成分代表了181份印度鹰嘴豆资源12个表型性状89.27%的遗传信息。

表4 181份印度鹰嘴豆资源12个主要表型性状的主成分分析Table 4 Principal components of 12 main phenotypic traits of 181 India chickpea resources

其中，第1主成分的特征值和贡献率分别为3.352 6和27.94%，实荚数、单株产量和产量的特征值均大于0.400 0，说明第1主成分为产量相关因子。第2主成分的特征值和贡献率分别为2.222 7和18.52%，播种至见花期天数、播种至开花期天数、株高的特征值较大，分别为0.481 9、0.530 0、0.450 7，说明第2主成分为生育期和株高因子。第3主成分的特征值和贡献率分别为1.972 0和16.43%，分枝数和有效分枝数的特征值较大，说明这2个性状为第3主成分的主要因子。第4主成分的特征值和贡献率分别为1.216 1和10.13%，实荚数的特征值为0.543 2，为第4主成分的主要因子。第5主成分的特征值和贡献率分别为1.088 2和9.07%，见花至开花期天数的特征值为0.819 9，说明第5主成分为花期相关因子。第6主成分的特征值和贡献率分别为0.860 8和7.17%，株高的特征值为0.685 4，说明第6主成分为株高因子。

2.4.3鹰嘴豆优异资源的筛选 根据主成分分析结果计算181份印度鹰嘴豆资源的综合评价D值。依据各主成分贡献率的值分别除以前6各主成分的权重(0.312 96、0.207 49、0.184 08、0.113 53、0.101 58、0.080 36)。再根据权重计算181份印度鹰嘴豆资源的综合D评价值，D值的大小代表了鹰嘴豆资源12个主要表型综合性的优劣，并根据D值高低对181份鹰嘴豆资源进行综合排名，如表5所示。综合D值大于0.500 0的资源共计31份，综合D值排名前10的资源分别为PI450778、PI359746、PI359692、PI359673、PI359716、PI359753、PI359257、PI359316、PI359715、PI359836，以上资源的综合评价较好，可作为种质创新和新品种选育的基础材料和亲本来源。

表5 181份印度鹰嘴豆资源的综合评价D值与排名Table 5 Comprehensive evaluation D value and ranking of 181 chickpea resources from India

12个主要表型性状与综合评价D值的相关分析结果见表6。除百粒重和见花至开花期天数外，其余10个性状均与综合评价D值间达到极显著正相关关系，说明以上10个性状对印度鹰嘴豆资源12个性状的综合评价D值影响显著。

表6 12个主要表型性状与综合评价D值的相关性Table 6 Correlation analysis between 12 main phenotypic traits and D value of comprehensive evaluation

2.4.4回归模型的建立与鹰嘴豆资源表型综合评价指标的筛选 利用已有的表型综合评价值作为因变量，所调查的12个主要表型性状数据为自变量，通过逐步回归分析构建得到最优回归方程Y=-0.381 3+0.003 2X2+0.002 2X4+0.012 0X5+0.002 8X7+0.000 9X8+0.055 4X9，相关系数r=0.997 1，d=1.608 67，其中，X2、X4、X5、X7、X8、X9分别代表播种至开花期天数、株高、分枝数、秕荚数、实荚数和单荚粒数，各因子的直接通径系数值分别为0.407 9、0.375 9、0.304 6、0.361 2、0.268 8和0.179 2，决定系数R2=0.994 16，说明以上6个表型性状对181份鹰嘴豆资源表型多样性综合评价影响显著，且以上6个自变量构建的回归方程较可靠，可靠性达99.4%。回归分析表明，以播种至开花期天数、株高、分枝数、秕荚数、实荚数和单荚粒数为指标对181份鹰嘴豆资源进行综合评价的方法可行。

3 讨论

3.1 印度鹰嘴豆资源的表型多样性与种质资源利用

印度是世界鹰嘴豆的主产国之一，种植面积和总产量一直位居世界前列，约占全球生产面积的70%，产量占全球产量的62%左右。同时，印度也是鹰嘴豆的起源地之一，具有悠久的栽培历史，其生态多样性造就了丰富种质资源多样性。

181份印度鹰嘴豆资源12个表型性状的变异系数范围为7.47%～85.26%。其中，百粒重、分枝数、有效分枝数、实荚数、见花至开花期天数、产量、单株产量和秕荚数的变异系数均大30%，说明以上8个性状具有很好的改良潜力，在种质创新研究中具有较大的选择空间。秕荚数的变异系数则高达85.26%，变异范围为0～73.2，说明秕荚数的变化性强，可适当对栽培管理技术进行配套研究，以提高结实率，发挥材料的产量潜力。单荚粒数变异范围较小,为1～2；百粒重变异范围为3.5～36.5 g，表明资源中有极小粒、小粒、中粒和大粒材料，丰富度较好；见花至开花期天数变异范围为1～30 d，播种至见花期天数变异范围为95～146 d，播种至开花期天数变异范围为112～153 d，表明本资源中有早熟、中熟和晚熟材料，且部分资源花期一致性较好，具有较好的可选择性；株高变异范围为49.6～108.4 cm，有矮杆、中杆和高杆材料；单株荚数最高值为184.6，是较好的高产资源。同前人研究结果[9-11,16-17]相比，本研究中181份印度鹰嘴豆资源的12个农艺性状的变异系数范围更大，有特小粒、高秆材料，单荚粒数变异范围则同前人研究结果相似。181份印度鹰嘴豆资源12个农艺性状的Shannon多样性指数范围为1.750 9～2.053 5，平均值为1.930 2。单荚粒数、株高、有效枝数和播种至见花期天数的多样性指数均大于2.000 0，且12个农艺性状的遗传多样性指数均大于1.700 0，说明各性状的数量指标分布较为均匀，具有较好的分散度。同陈文晋等[11]的研究相比，本研究中各性状的多样性指数整体较高，而同郝曦煜等[9]的研究结果既具有一定的相似性，也存在一定差异。不同的种植环境、资源来源可能是导致差异产生的重要因素。181份印度鹰嘴豆资源可分为9个类群，各类群资源数量不同，除第Ⅸ类群外，第Ⅰ～Ⅷ类群均有良好表现，包括花期早、花期一致性好、生育期长、早熟、高产、大荚、大粒、小粒、结实率较高、高杆、矮杆等特点。郝曦煜等[9]将160份鹰嘴豆资源划分为3个类群，分别为株高较高、产量较高、籽粒较大类群。邵千顺等[10]将151份鹰嘴豆材料粉为4个类群，其中3个类群分别具有籽粒较大、株高较高、株高较低等特点。陈文晋等[11]将129份资源粉为5个类群，分别具有高产株高较高、矮杆及特异粒色、高杆大粒且适宜机械收获、矮杆小粒、高产高杆且适宜机械收获的特点。聂石辉等[6]将100份材料划分为4个类群，分别具有中粒-株高适中、矮杆-特异粒色、籽粒球型-光滑、大粒-适宜机械化收获的特点。同前人研究结果[9-11,16-17]相比，本研究中的资源类群更为丰富，遗传多样性突出。多样性分析结果表明，181份印度鹰嘴豆资源遗传多样性丰富，且优异特性突出，资源的可利用性较高。

3.2 鹰嘴豆资源表型多样性的综合评价与优异资源的筛选

同其他农作物相同，鹰嘴豆品种的产量、生育期和商品性受到较大的关注。因此，对相关性状的改良是品种选育的主要目标。181份印度鹰嘴豆资源12个性状间的相关性较多样。株高、百粒重分别与播种至开花期天数呈极显著、显著正相关，实荚数、产量则分别与播种至开花期天数呈极显著、显著负相关，因此，可通过对以上性状的辅助筛选，对花期的早、晚性状进行选择，以获得适应不同生态环境的鹰嘴豆品系；见花至开花期天数分别与分枝数、有效分枝数、单荚粒数间呈显著负相关，因此，当选育花期一致性较好品系时，应当尽量筛选见花至开花期天数较少的材料，并适当控制上述其他性状。实荚数和百粒重分别与单株产量、产量呈极显著正相关，因此，当以高产为育种目标时，应当以实荚数和百粒重为主要参考性状。同时，播种至见花期天数与播种至开花期天数、分枝数与有效分枝数、产量与单株产量间均呈极显著正相关，且相关系数较大，分别为0.835、0.944和0.909，表明性状间具有紧密联系，可作为相互参考的依据。同时，邵千顺等[10]研究也表明，株高和百粒重呈正相关，郝曦煜等[9]研究表明，实荚数和分枝数呈极显著正相关。

通过主成分分析法的综合性评价，结合逐步回归分析，确定实荚数、播种至开花期天数、株高、分枝数为综合评价鹰嘴豆资源的重要性状。实荚数、有效分枝数、秕荚数、百粒重、播种至开花期天数可作为高产鹰嘴豆品种选育的参考性状。印度鹰嘴豆资源遗传多样性丰富，具有较好的可利用性，并筛选到31份综合表现较好的资源，综合表现评价为前10的资源分别为PI450778、PI359746、PI359692、PI359673、PI359716、PI359753、PI359257、PI359316、PI359715、PI359836。为我国鹰嘴豆种质创新和新品种选育提供优异的基础材料和亲本来源。