基于农艺性状的大豆种质资源多样性分析及评价

王 鹏，侯思宇，2，武艳杏，李贵全

（1.山西农业大学农学院，山西太谷 030801；2.山西农业大学农业生物工程研究所，山西太谷 030801）

大豆营养丰富，用途广泛，既是国民膳食结构中优质植物蛋白质和食用植物油的重要来源，又是养殖业饲料加工中所需豆粕的重要原料。我国对大豆的需求量大，而国内大豆产量严重不足，主要依赖于进口。2020 年国内大豆进口量超过1 亿t，已经严重威胁到国家粮食安全。因此，以培育优良大豆品种为抓手，提高大豆产量和品质，提升大豆生产效益和竞争能力，对于落实和加快农业供给侧结构性改革，提升大豆供给保障能力具有十分重要的意义。

种质资源是大豆育种的重要物质基础，全面了解和分析大豆种质资源的遗传多样性，充分发掘和筛选特异种质资源类型，拓宽种质资源遗传基础，是破解我国大豆育种困境、提高大豆育种实效的重要手段。目前，学者们已分别从形态学标记[1-3]、生化同工酶标记[4-5]及各种分子标记[6-7]等不同水平对大豆种质资源的遗传多样性进行了大量的研究。其中，基于表型性状的形态学标记分析是大豆遗传多样性研究中最直接和快速的一种方法[8]。曾维英[9]等对广西356 份地方大豆种质材料进行表型性状分析，表明其具有较为丰富的遗传多样性；11 个农艺和品质性状变异系数为3.57%～48.50%，质量性状的Simpson 多样性指数为0.120 9～0.734 8；同时，筛选出了若干份高蛋白、高脂肪、特大粒及适合食品加工的各类型优异种质资源。谭春燕等[10]对贵州30 份大豆种质材料的10 个农艺性状及产量进行分析，并利用系统聚类法将供试材料分为耐阴型、中间型和敏感型3 大类。赵朝森等[11]对239 份国外大豆种质资源进行性状分析，结果表明，23 个质量性状、15 个数量性状的Simpson 多样性指数分别为0～0.672 0 和0.640 6～0.852 6；质量性状中，荚色多样性指数最大，茎形状和荚形多样性指数最小；而农艺及品质数量性状中，主茎节数多样性指数最大，荚宽多样性指数最小。

黄河中下游地区作为我国栽培大豆的多样性中心之一[12-13]，是我国栽培大豆的重要起源地，该地区大豆种质资源遗传多样性丰富，并且具有明显的地域特征[14]。大豆的表型农艺性状大多为数量性状，一方面是众多微效基因相互作用的结果，另一方面在很大程度上受当地生态环境因素的综合影响。太谷县位于山西晋中盆地东侧，属黄河中下游地区，为温带大陆性气候，四季分明，冬寒夏热，昼夜温差大，年平均无霜期179 d。本研究选取30 个不同来源的大豆种质资源为试验材料，对其在特定生态条件下的农艺性状表型特征及多样化水平进行研究和分析，并基于表型性状通过隶属函数法对不同大豆种质资源进行综合评价，旨在为区域性大豆生产中品种更新、筛选和亲本选配工作提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

从山西农业大学大豆育种室资源圃中随机挑选30 份不同类型、不同来源大豆种质资源作为试验材料（表1），包括育成品种、农家种及野生种。

表1 供试大豆种质资源

1.2 试验设计

试验于2019 年在山西农业大学农学院育种基地进行。30 份材料种植采用随机区组设计，3 次重复，每小区6 行，行长3 m，行距0.5 m，株距10～15 cm。5 月14 日播种，10 月6 日收获。足墒播种，及时间苗，生育期正常管理，及时中耕除草。成熟后每份种质资源随机挑选5 株收获，进行室内考种。考察项目包括株高、株质量、茎粗、主茎节数、分枝数、有效分枝数、有效分枝始节、底荚高度、主茎荚数、一粒荚数、二粒荚数、三粒荚数、四粒荚数、总荚数、有效荚数、单株粒质量、百粒质量等17 个农艺性状。

1.3 数据分析

利用Microsoft Office Excel 2010 进行原始数据的录入及统计分析，计算各性状的均值、极差、极值、标准差和变异系数。利用SPSS 20.0 软件进行相关性分析、聚类分析，采用GraphPad Prism 7 进行箱式图的绘制。

根据平均值（X）和标准差（σ），将考察性状划分为10 个等级，每0.5σ 为1 级，即：1 级≤X－2σ，X－2σ＜2 级≤X－1.5σ，X－1.5σ＜3 级≤X－σ，X－σ＜4 级≤X－0.5σ，X－0.5σ＜5 级≤X，X＜6 级≤X＋0.5σ，X＋0.5σ＜7 级≤X＋σ，X＋σ＜8 级≤X＋1.5σ，X＋1.5σ＜9 级≤X＋2σ，10 级＞X＋2σ。计算各性状Shannon's 多样性指数（H）。

式中，Pi为某性状第i 个等级的材料份数占供试材料总份数的百分比（i 为1～10）。

采用隶属函数法对供试材料进行表型性状综合评价。

式中，Rij为第i 个种质材料第j 个性状的隶属函数值，Xij为第i 个种质材料第j 个性状测量数值，Xmin为全部供试材料第j 个性状的最小值，Xmax为全部供试材料第j 个性状的最大值。最后计算各供试材料的平均隶属值。

2 结果与分析

2.1 农艺性状的变异及多样性分析

从表2 可以看出，供试的30 份大豆种质材料平均株高80.91cm，株质量、单株粒质量和百粒质量平均为67.20、28.90、22.33 g；总荚数、有效荚数、主茎荚数平均为64.46、61.93、35.01 个，其中，三粒荚、二粒荚数量较多，平均为32.61、25.26 个，一粒荚、四粒荚数量较少，平均为5.42、1.41 个；分枝数、有效分枝数平均为4.36、3.89 个。

考察的17 个性状指标中，四粒荚数的变异系数最大，达到200.74%；一粒荚数、二粒荚数、三粒荚数变异系数介于50%～70%，主茎荚数、总荚数和有效荚数的变异系数分别为29.18%、39.46%和40.93%；株质量、单株粒质量的变异系数也比较大，分别为46.31%和59.14%，而百粒质量的变异系数相对较小，为20.30%；分枝数、有效分枝数的变异系数为30%左右，株高、茎粗、主茎节数的变异系数均低于20%。表明结荚数量、每荚粒数和粒质量等产量构成性状指标的变异程度较高，而株高、茎粗、分枝数等株型指标的变异程度相对较低。

此外，各性状Shannon's 多样性指数平均为1.80，调查的17 个性状中仅有四粒荚数的多样性指数＜1.00，表明供试的30 个种质资源在形态表现上呈现显著的多样性（表2）。其中，株高的多样性指数最高（2.00），主茎荚数、底荚高度、三粒荚数、主茎节数、有效分枝数和分枝数的多样性指数集中在1.95～1.98，茎粗、有效分枝始节、二粒荚数的多样性指数为1.82～1.87，有效荚数、总荚数、一粒荚数、单株粒质量、株质量的多样性指数为1.73～1.78，百粒质量多样性指数为1.65。

表2 大豆种质资源农艺性状的统计分析

2.2 农艺性状与单株粒质量的相关性分析

以单株粒质量作为衡量大豆产量的主要指标，并与其余16 个农艺性状进行相关性分析。结果表明（表3），除有效分枝始节（-0.074）外，其余15 个性状指标均与单株粒质量呈正相关关系。其中，分枝数（0.440）与单株粒质量的相关性达到显著水平（P＜0.05），株质量（0.968）、有效分枝数（0.549）、二粒荚数（0.492）、三粒荚数（0.742）、总荚数（0.841）、有效荚数（0.839）、主茎荚数（0.549）和百粒质量（0.550）与单株粒质量的相关性达到极显著水平（P＜0.01）。

2.3 隶属函数分析

根据相关分析结果，选取株质量、有效分枝数、主茎荚数、三粒荚数、总荚数、有效荚数、百粒质量等7 个与大豆单株粒质量极显著相关，且Pearson 相关系数＞0.5 的性状指标进行隶属函数分析。从表4 可以看出，晋豆39 平均隶属值最大，为0.91；中作966 排名第2，平均隶属值为0.84；紫茎黑、晋豆26、中品88 等3 个材料平均隶属值介于0.6～0.8，科丰6 号、晋大83、鲁豆4 号等10 个材料平均隶属值介于0.4～0.6，早2 号、晋大78、晋大62 等12 个材料平均隶属值介于0.2～0.4，稷山绿大豆、兴豆006、扁茎等3 个材料平均隶属值小于0.2。

表4 隶属函数分析

2.4 聚类分析

采用组间连接法，根据17 个被调查性状对供试的30 份大豆种质材料进行聚类分析，在欧式距离为10 处被划分为三大类群（图1），其中，第Ⅰ类群包括晋豆39（9 号）和中作966（12 号），这2 个材料平均隶属值最大，产量相关农艺性状表现最好；第Ⅱ类群包括22、16、19、14、13、3、1、5、17、10、30、11、28、20、7 等15 份种质资源材料，除20 和30 号材料外，其余材料平均隶属值均大于0.4，产量相关农艺性状表现中等；第Ⅲ类群包括15、23、26、24、6、8、4、29、25、21、27、18、2 等13 份种质资源材料，平均隶属值均小于0.4，产量相关农艺性状表现最差。

进一步由箱式图结果可知（图2），株质量、单株粒质量、总荚数、有效荚数、主茎荚数和三粒荚数等指标在3 大类群中呈明显降低的趋势，第Ⅰ类群表现最好，第Ⅲ类群表现最差；百粒质量和分枝数在第Ⅰ类群中表现最好，在第Ⅱ、第Ⅲ类群中总体表现差别不大；株高在3 个类群中的表现接近，差异不大。

3 结论与讨论

3.1 农艺性状变异程度与表型多样性的关系

农艺性状变异分析和表型多样性分析是种质资源研究和利用的基础，有助于育种工作者全面了解各类型种质材料的遗传变异水平，对杂交亲本选配及新品种选育具有重要的意义[15-16]。变异系数代表某数量性状指标数值的离散程度，而遗传多样性指数则代表种质资源间性状的多样性，即类型的多少和丰富程度[17]。本研究对包括育成品种、地方农家品种以及野生种在内的30 份不同来源、不同类型的大豆种质资源材料进行表型变异分析和多样性分析。结果表明，被调查的17 个农艺性状变异系数均大于10%，表明供试的30 份大豆种质材料之间表型差异大，性状变异程度高。除株高、茎粗和主茎节数等株型性状外，其余性状指标变异系数均超过20%。其中，结荚数量、每荚粒数及粒质量等一些重要的大豆产量构成指标变异程度均比较大，而百粒质量变异系数则相对较小。本研究与张家榕等[18]的研究结果基本一致。

另一方面，各性状的Shannon's 多样性指数平均为1.80，被调查的17 个性状中仅有四粒荚数的多样性指数小于1.00，表明供试的30 个种质资源材料在形态表现上呈现显著的多样性。其中，株高的Shannon's 多样性指数最高，为2.00，但其变异系数较低，是仅有的3 个变异系数低于20%的性状之一；而四粒荚数的Shannon's 多样性指数最低，仅为0.93，但其变异系数最大，达到200.74%。由此可见，变异系数和多样性指数之间的变化趋势并不一致，有时甚至完全相反。这与董钠等[19]的研究结果一致。

3.2 基于表型农艺性状分析的大豆种质资源综合评价

大豆农艺性状多为数量性状，受多基因控制，并由环境因素相互作用共同决定，且各性状之间存在着不同程度的相关性。因此，需要综合各个性状的表现进行全面的评价，以鉴定大豆种质资源材料的优劣。隶属函数分析法可以对作物的多个性状进行较为全面和合理的评价，为种质资源利用和品种选育提供一定的理论依据[20]。此外，聚类分析也常用来研究不同种质资源间的相似性和亲缘关系的密切程度，明确其遗传距离的远近[21-22]。

本研究通过相关分析结果，选取株质量、有效分枝数、主茎荚数、三粒荚数、总荚数、有效荚数、百粒质量等7 个与大豆单株粒质量极显著相关，且Pearson 相关系数大于0.5 的性状指标进行隶属函数分析，并按照平均隶属值大小对供试种质材料进行综合评价。同时，通过聚类分析将30 份供试种质材料划分为三大类群，聚类结果与隶属函数分析结果基本一致。第Ⅰ类群包括晋豆39（9 号）和中作966（12 号），这2 个材料平均隶属值最高，综合农艺性状表现最好；第Ⅱ类包括紫茎黑、晋豆26、中品88、科丰6 号、晋大83、鲁豆4 号等15 份种质资源材料，除早2 号（20 号）和雁北小黑豆（30 号），其余种质材料平均隶属值均大于0.4，综合农艺性状表现中等；第Ⅲ类包括晋大78、晋大62、稷山绿大豆、兴豆006、扁茎等13 份种质资源材料，平均隶属值均小于0.4，综合农艺性状表现最差。进一步结合箱式图表明，三大类群间表型农艺性状存在明显差异。其中，株质量、单株粒质量、总荚数、有效荚数、主茎荚数和三粒荚数等性状指标在三大类群中呈明显降低的趋势，第Ⅰ类群表现最好，第Ⅲ类群表现最差；百粒质量和分枝数在第Ⅰ类群中表现最好，在第Ⅱ、第Ⅲ类群中总体表现差别不大；株高在3 个类群中的表现接近，差异不大。

但是，本研究仅对不同大豆种质资源的表型多样性进行了研究，并基于表型农艺性状的表现对供试种质材料进行了综合评价，并不能全面准确地反映各种质资源的遗传本质，具有一定的局限性。因此，需要结合生理生化分析并借助分子标记手段，进一步拓宽种质资源遗传多样性研究的深度，以期对大豆种质资源进行准确筛选和评价，为大豆种质创新与新品种选育提供优异和丰富的亲本材料。

综上所述，供试的30 份大豆种质资源类型丰富，结荚数量、每荚粒数和粒质量等一些重要的大豆产量构成性状变异程度较高，并且与产量呈极显著的正相关。除四粒荚数外，其余各性状的Shannon's 多样性指数均大于1.00，多样性程度较高。晋豆39 和中作966 这2 个品种综合农艺性状表现最好。