一个紫云英F4重组自交系群体的农艺性状与养分吸收评价

任文静，吕玉虎，周国朋，常单娜，向春阳*，曹卫东*

（1.天津农学院农学与资源环境学院，天津 300384；2.信阳市农业科学院，河南 信阳 464000；3.中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，农业农村部植物营养与肥料重点实验室，北京 100081）

紫云英（Astragalussinicus）是我国南方稻区主要绿肥作物之一，也是重要的饲草，其在增加土壤微生物量，调节土壤理化性状，改善土壤生态环境，提高土壤固氮微生物丰度及减少CO2排放等方面发挥着重要作用［1-5］。然而，20世纪80年代以来，受种植业结构调整和化肥成为主导肥源的影响，绿肥生产大幅萎缩，种质资源出现退化、甚至消失等一系列问题［6］。目前市场上应用的较多品种难以适应现代农业生产的需求，因此，对包括紫云英在内的种质资源进行保护和发掘利用就显得尤为重要［7-8］。近年来，随着国家对食品质量与生态环境安全的关注度逐渐提高，人们高度重视绿色发展，绿肥的作用愈发凸显，绿肥生产也有所恢复，紫云英品种选育等工作亦逐渐展开，并取得了一定进展［9-12］。如刘英等［13］通过田间试验选育出固氮能力强，氮素含量高，鲜草和种子产量较高的紫云英新品种“皖紫1号”和“皖紫2号”，为适应稻区不同栽培技术模式提供了良好的物质基础。黄璜等［14］选育出紫云英新品种“紫冷艳1号”，该品种根系粗壮，抗逆性强，适应性、观赏性提高，既可作大田绿肥，又可作园林绿化。以上研究都为紫云英的大面积推广种植提供了优质材料。

“闽紫7号”紫云英是福建省农业科学院经杂交选育的紫云英优良品种，属偏迟熟品种，全生育期200 d左右。该品种叶色鲜绿，植株高大，苗期生长快，耐阴性较好，适应性广，多点试种后鲜草量可达50 t·hm-2以上，植株氮（N）、磷（P）、钾（K）含量分别为3.15%、0.28%和2.00%，是福建省主推绿肥品种［15］。“信阳种”紫云英为河南省优良的紫云英地方品种，属早熟品种，一般鲜草量为20～30 t·hm-2。该品种紫色叶较多，植株较矮，茎秆细，分枝发达，抗寒和抗旱力强，植株氮（N）、磷（P）、钾（K）含量分别为3.03%、0.35%和3.70%［10］，适于在淮河流域及淮河以北地区种植［8］。利用优异资源开展杂交育种，是获得绿肥新品种的重要手段。鉴于二者在性状上的不同表现，为挖掘二者不同性状种质资源的利用价值，加快优异品种的育种进程［16］，自2011年以来，本研究以“闽紫7号”为母本、“信阳种”为父本进行杂交，然后自交授粉获得重组自交系。其中以鲜草和种子产量为目标性状，得到18个F4株系。

为了解该重组自交系群体中18个紫云英株系有关农艺及养分积累等性状的表现和遗传特征，采用盆栽试验，对各株系的农艺性状、鲜草产量和植株氮、磷、钾吸收特性进行了研究，以期为该群体的进一步鉴定、评价和选育提供理论依据，为紫云英的遗传育种工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以福建省农业科学院选育的优良品种“闽紫7号”紫云英为母本，河南省传统地方品种“信阳种”紫云英为父本，配置杂交组合，建立重组自交系。2011年两亲本进行杂交得到杂种F1代，2012年种植F1单株自交得到F2，从F2～F3代选择单株继续自交，同时注明单株号，按株单独收获、脱粒，通过试验田种植得到F4代株系。以鲜草产量为主要目标，获得18个F4株系，分别为m83xzh-1-1-4、m83xzh-1-1-5、m83xzh-1-1-6、m83xzh-1-1-8、m83xzh-1-2-1、m83xzh-1-2-3、m83xzh-1-2-4、m83xzh-1-2-5、m83xzh-1-4-3、m83xzh-1-4-4、m83xzh-1-4-6、m83xzh-1-4-8、m83xzh-1-4-10、m83xzh-1-4-11、m83xzh-1-4-13、m83xzh-1-9-2、m83xzh-1-9-4和m83xzh-1-9-5。

1.2 试验设计

试验于2019年9月至2020年3月在河南省信阳市农业科学院试验基地进行。盆栽供试土壤采自河南省信阳市浉河区的0～20 cm稻田耕层土。土壤基础理化性状为：pH 6.16，全氮1.12 g·kg-1，有机质25.81 g·kg-1，无机氮13.25 mg·kg-1，有效磷26.64 mg·kg-1，速效钾115 mg·kg-1。

采用盆栽试验，每个株系重复3次，完全随机排列。试验用盆盆体为PVC材质，上部内径21.0 cm、盆底内径18.0 cm、高15.5 cm。所有盆栽不施基肥，土壤过5 mm筛、剔除杂质、充分混匀后装盆。每盆装风干土3.5 kg，土体高度保持约12 cm。2019年9月28日开始播种，每盆播种20粒。浇水量按照田间最大持水量的60%进行。苗期接种少量根瘤菌，生育期内适时驱虫除草，在第60、150天时，分别间苗两次，定苗5株，于盛花期（2020年3月30日）全部收获。

1.3 测定项目和方法

1.3.1 鲜草产量与农艺性状测定 分地上、地下部全盆收获，并分别称其鲜重；同时测量记录紫云英株高、茎粗、分枝数、真叶数等农艺性状。采集的紫云英植株样品经105℃杀青30 min，70℃烘干至恒重后，称重、粉碎。

1.3.2 植株氮、磷、钾含量测定 采用H2SO4-H2O2法消煮植株样品后，用凯氏定氮法测定全氮含量，用钒钼黄比色法测定全磷含量，用火焰光度计法测定全钾含量［17］。

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel 2007软件整理分析试验数据和图表编辑；用SAS 8.0软件进行相关性分析和主成分分析，LSD法检验差异显著性（P<0.05）；用Origin 2018软件对18份紫云英材料的有关性状进行聚类分析和制图。

2 结果与分析

2.1 不同株系紫云英盛花期的主要性状

紫云英盛花期的鲜草产量是反映其性状优劣的最主要指标。鲜草产量的高低关系到归还土壤中的氮、磷、钾养分和有机质含量的多少，进而影响培肥土壤和提供养分的效果。因此，作为绿肥，植株鲜重和养分积累量是评价紫云英种质资源的关键因子［18］，对18个不同株系紫云英的地上部鲜重、地下部鲜重、地上部氮、磷、钾积累量和地下部氮、磷、钾积累量进行统计，结果列于表1。

各株系的生物量及养分积累量存在显著差异。地上部鲜重以m83xzh-1-4-13、m83xzh-1-4-4、m83xzh-1-1-6、m83xzh-1-4-8和m83xzh-1-9-5较高，为40.20～47.39 g·盆-1；m83xzh-1-1-4、m83xzh-1-9-4和m83xzh-1-4-10地上部鲜重较低，为23.74～27.74 g·盆-1，与4个较高株系之间达显著差异。地下部鲜重以m83xzh-1-1-5最高，m83xzh-1-4-8最低，分别为7.39和4.04 g·盆-1，两者间差异显著。地下部鲜重高于5.00 g·盆-1的有10个株系，从高到低依次为m83xzh-1-1-5>m83xzh-1-4-13>m83xzh-1-4-4>m83xzh-1-9-2>m83xzh-1-2-1>m83xzh-1-2-3>m83xzh-1-1-6>m83xzh-1-4-11>m83xzh-1-4-10>m83xzh-1-1-8，其余8个株系均小于5.00 g·盆-1（表1）。

养分吸收方面，各株系的地上部氮、磷、钾养分积累量分别在91.38～156.79 mg·盆-1、6.19～11.00 mg·盆-1和75.96～145.18 mg·盆-1之间。不同株系间差异较大，其中m83xzh-1-4-8的地上部氮积累量最多，m83xzh-1-1-4最少；m83xzh-1-4-4的地上部磷、钾积累量最多，对应m83xzh-1-4-11和m83xzh-1-1-4地上部磷、钾积累量最少，两两之间达显著差异水平。地下部氮、磷、钾养分积累量分别在12.47～22.15 mg·盆-1、0.49～1.51 mg·盆-1和8.05～17.30 mg·盆-1之间。地下部氮、磷、钾养分积累量最高的分别是株系m83xzh-1-4-4、m83xzh-1-4-11和m83xzh-1-2-3，最低的分别为株系m83xzh-1-4-8、m83xzh-1-9-5和m83xzh-1-1-8（表1）。

2.2 不同株系紫云英盛花期相关性状的变异程度

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试验F4群体盛花期的性状表现出一定的株系间变异，且各性状的变异幅度差异较大。其中，地下部磷积累量变异幅度最大，茎粗变异幅度最小，变异系数分别为35.06%和9.83%。整体来看，真叶数和地下部磷、钾积累量变异程度均≥25%；株高和茎粗变异程度均≤20%；其余指标介于20%和25%之间。根据性状指标的变异程度，从大到小排列顺序依次为地下部磷积累量、地下部钾积累量、真叶数、地下部鲜重、地下部干重、地上部钾积累量、地下部氮积累量、地上部鲜重、地上部干重、分枝数、地上部氮积累量、地上部磷积累量、株高、茎粗（表2）。

表2 试验紫云英F4群体盛花期的农艺及养分吸收性状变异程度Table 2 Variation degr ee of agr onomic and nutr ients accumulation tr aits of the Chinese milk vetch F 4 population at full flowering stage

2.3 不同株系紫云英盛花期各指标相关性分析

在养分吸收方面，地上部鲜重、地上部干重、地下部鲜重、地下部干重与植株氮、磷、钾养分积累量达到显著相关水平（P<0.05）；分枝数与植株氮、磷、钾积累量间呈显著正相关；株高与植株地下部磷积累量呈显著负相关关系。生长特性方面，株高、分枝数、真叶数与地上部鲜重、地上部干重呈显著正相关关系（P<0.05）；分枝数与真叶数显著正相关；茎粗与分枝数显著负相关（表3）。

表3 试验紫云英F4群体盛花期各指标的相关性分析Table 3 Correlation analysis of indexes of the Chinese milk vetch F 4 population at full flowering stage

2.4 不同株系紫云英盛花期评价指标主成分分析

主成分分析可对原始变量系统进行有效的综合和简化，将多个指标转化为少数独立的综合指标［19］。本试验对14个测定的性状指标进行主成分分析，列于表4。可以看出，前5个主成分特征值均大于1，主成分方差贡献率分别为32.63%、23.83%、14.31%、8.77%和7.45%，累积方差贡献率达到86.98%，即可以解释86.98%的总变异，其余成分可以忽略不计。因此，以上5个主成分反映了其原始变量的绝大部分信息（表4）。

表4 试验紫云英F4群体主成分初始特征值Table 4 Initial eigenvalue of principal component of the Chinese milk vetch F 4 population

第1主成分的特征向量主要以地上部鲜重（0.380）、地上部干重（0.362）、地上部氮积累量（0.417）、地上部磷积累量（0.409）、地上部钾积累量（0.369）的影响为主，说明在第1个主成分中主要反映了这5个指标的信息，相对其他指标更能表征植株养分吸收程度。第2主成分的特征向量主要以地下部鲜重（0.379）、地下部干重（0.418）、地下部氮积累量（0.398）、地下部磷积累量（0.395）、地下部钾积累量（0.368）的影响为主，其是继第1主成分外第二位可表征植株养分吸收程度的指标。第3、4、5主成分是反映植株状况的性状指标，其中，第3主成分特征向量主要以茎粗（0.458）、分枝数（-0.455）的影响为主，第4主成分特征向量主要以株高（-0.504）的影响为主，第5主成分特征向量主要以真叶数（0.452）的影响为主（表5）。

表5 试验紫云英F4群体主成分特征向量值Table 5 Eigenvector of pr incipal component analysis of the Chinese milk vetch F 4 population

2.5 不同株系紫云英盛花期主要性状聚类分析

基于紫云英各性状指标的主成分分析结果，选择地上部鲜重、干重、地下部鲜重、干重、地上部氮、磷、钾积累量和地下部氮、磷、钾积累量10项指标对18份不同株系的紫云英进行聚类分析。可以看出，当距离系数d=25时，可以将18份紫云英株系分为三类（图1）。第一类包括m83xzh-1-4-4、m83xzh-1-4-6、m83xzh-1-4-8和m83xzh-1-4-13共4个株系，第二类包括m83xzh-1-1-5、m83xzh-1-1-6、m83xzh-1-2-1、m83xzh-1-2-4、m83xzh-1-2-5、m83xzh-1-9-2和m83xzh-1-9-5共7个株系，第三类包括m83xzh-1-1-4、m83xzh-1-1-8、m83xzh-1-2-3、m83xzh-1-4-3、m83xzh-1-4-10、m83xzh-1-4-11和m83xzh-1-9-4共7个株系。

图1 试验紫云英F4群体主要性状的聚类结果Fig.1 Clustering results of main traits of the Chinese milk vetch F 4 population

同时依据各性状指标平均值的基本统计结果（表6）可知，第一类的地上部鲜重、干重、地上部氮、磷、钾积累量及地下部钾积累量均为最高，同时具有较高的地下部鲜重和地下部氮积累量；第二类的地下部鲜重、干重及地下部氮积累量为最高，养分积累量较多；第三类的植株鲜重、干重及养分积累量均相对最低。可见，三类株系在生物量以及养分积累上表现出较大的不同，表明这些特性在F4后代中有明显的分异。

表6 不同类群紫云英的主要性状均值Table 6 Aver age of main traits of different group of the Chinese milk vetch

3 讨论

最大限度地挖掘品种的遗传潜力并提高产量和养分利用能力，是农业生产和农业研究的重要目标［20-22］。紫云英植株含有大量的氮、磷、钾等营养元素，既可以作为优质的饲草，其翻压后亦可为其他作物提供营养，其生物量及养分积累量在农业及畜牧业生产中尤为重要［8］。本试验结果表明，在控制其他条件一致的情况下，紫云英不同F4株系的生物量表现出较大差异。18份种质资源中鲜草产量最大的是m83xzh-1-4-13，为47.39 g·盆-1；最小的是m83xzh-1-4-10，仅为23.74 g·盆-1，由此可见，在此遗传群体内，部分株系在鲜草产量方面表现出明显的优势，可以作为今后选育重点关注品系，也说明通过构建重组自交系和利用杂种优势是紫云英育种工作的一条有效途径。

一般而言，植株氮、磷、钾养分积累量在不同品种中会表现出一定差异［23-25］。本研究发现，紫云英不同F4株系对氮、磷、钾养分的吸收能力不同。总体而言，各株系养分总积累量的多少同生物量的规律大致相同，整株氮磷钾养分累计积累量最高的是m83xzh-1-4-4，达到了346.31 mg·盆-1；其 次 是m83xzh-1-4-8、m83xzh-1-4-13和m83xzh-1-4-6，分 别 为330.84、320.80和302.31 mg·盆-1。但各株系在不同养分的积累上略有不同，其中，m83xzh-1-4-4的地上部磷、钾积累量和地下部氮积累量均为最高；m83xzh-1-4-8的地上部氮积累量最高；m83xzh-1-4-11的地下部磷积累量最高；m83xzh-1-2-3的地下部钾积累量最高。由此可见，各个株系间对氮、磷、钾养分的吸收能力不同，表现出了明显的分异特征。这一方面是品种自身遗传因素的影响，另一方面也可能因紫云英株系间的结瘤固氮效果不同所致［26］，或可能与其所引起的根系分泌物和根际微生物的种类、浓度不同有关［27］，具体原因还需要进一步探究。

紫云英品种间的表型性状差异显著，不同品种在物候期、鲜草产量、株高、茎粗［28-29］等性状上都有明显差异。根据育种目标，利用不同类型的优良基因资源进行基因重组并借助轮回选择对于种质改良、创新和组配杂交种具有重要作用。本研究利用的F4群体，其父本母本分别来自我国紫云英栽培最南端的福建和最北端的信阳，父本母本的表型性状差异较大。以田间长势健壮作为选择目标，在F2代选择优良单株，经F3代自交获得F4群体。本研究结果表明，18个紫云英F4株系之间表现出了较大的分异特征。从生物量、氮磷钾养分吸收量等方面，可以将18个株系聚类为3类，说明即使按照一定的目标进行育种选择，由于其内在的遗传特性，也会导致遗传后代的生物量及养分性状出现分离。这些分离的性状，可以作为未来新品种选育的重要参考。本研究仅是对各株系的农艺性状及养分吸收等进行了观测和分析比较，有关性状差异的生理和分子机制，有待于进一步研究探讨。

4 结论

根据地上部鲜重、干重，地下部鲜重、干重，地上部氮、磷、钾积累量和地下部氮、磷、钾积累量10项指标，对该紫云英重组自交系群体中的18个F4株系进行了分析，株系的生物量、养分积累量表现出明显分异。经聚类分析，结果表明，当距离系数d=25时，可将各株系分为3类，其中综合性状表现优良的株系为m83xzh-1-4-4、m83xzh-1-4-6、m83xzh-1-4-8和m83xzh-1-4-13，以株系m83xzh-1-4-4的地上部磷、钾积累量和地下部氮积累量最高，并且具有较高的鲜草产量。本研究结果可为后续按目标性状选育紫云英新品种提供参考。