99份长荚豇豆种质资源及其枯萎病抗性相关分析研究

刘 琴， 黄伟康， 符启位， 黄国宋， 朱朝华， 孔祥义， 罗 丰

(1.海南大学植物保护学院， 海口 571100； 2.三亚市南繁科学技术研究院， 海南 三亚 572000；3.海南省农业科学院植物保护研究所(海南省农业科学院农产品质量安全与标准中心)， 海口 571100；4.三亚市热带农业科学研究院, 海南 三亚 572000)

豇豆(Vignaunguiculata(L.)Walp.)是重要的经济作物、粮食作物，具有良好的营养结构[1]。人类食用豇豆的嫩荚也有上千年的历史，豇豆还因此分化出了短荚豇豆(ssp.biflora)和长荚豇豆(ssp. sesquipedlias)两个亚种[2]。在我国长荚豇豆3—8月份均可种植，因此栽培面积大、供应期长，是春、夏、秋季的重要蔬菜之一。由于连年高频率的种植，长荚豇豆的病虫害发生越发严重，尤其是豇豆枯萎病，在高温高湿条件下，可导致豇豆减产70%左右[3]，是一种毁灭性土传病害[4]。目前在生产上主要采用喷施药剂的方法防治枯萎病，药剂的使用，不仅增加生产成本，而且对环境造成污染。因此，选育丰产、优质，抗(耐)枯萎病的长豇豆新品种十分必要。

在新品种选育中，亲本材料的丰富度及选配尤为重要。种质资源的生物多样性是育种工作的物质基础，改良品种的关键是种质资源的有效利用[5-6]，而研究比对农艺性状是充分挖掘与利用种质资源的重要基础。黄伟康等[7]对75份长荚豇豆14项主要个农艺性状进行主成分分析和聚类分析，筛选出一类具有明显优势的品种，可作为海南种植品种；陈琴等[8]对27份长荚豇豆的农艺性状进行分析，筛选出3个可以在广西沿海地区推广的长豇豆品种；汪宝根等[9]对收集到的地方豇豆的农艺性状进行调查，将地方豇豆资源分为长荚和短荚两大类，还发现了某几个农艺性状在这两大类豇豆种植资源上存在明显差异；曹岩坡等[10]调查了来自河北省的120份豇豆种质资源的表型性状，得到一类表现优良，可以作为生产的品种；张瑜琨等[11]在新疆调查了豇豆产量性状与品质性状的相关性，为选育品质优良的豇豆品提供参考。张渭章等[12]研究了长豇豆煤烟病抗性和主要的农艺性状的遗传潜力；狄佳春等[13]调查了56份江苏省豇豆地方种质资源农艺性状与花叶病毒病抗原，筛选出一类遗传差异最大且丰产的优异抗病种质资源。

目前主要是将豇豆农艺性状与产量结合起来进行研究，结合抗病性的研究甚少，而将豇豆农艺性状与枯萎病抗性的研究未见报道。本研究采取主成分分析和聚类分析的方法，以及灰色关联法对99份长荚豇豆种进行农艺性状调查及枯萎病抗性鉴定，以期为筛选综合性状优良的抗枯萎病的豇豆品种提供指导。

1 材料与方法

1.1 材 料

参试的99份长荚豇豆品种资源分别来自不同的种子公司或育种单位，具体品种名称及来源见表1。

1.2 方 法

试验在海南省三亚市南繁科学技术研究院的热带设施农业科技示范园基地进行。该基地为肥力中等的沙壤土，前茬作物为西甜瓜。大棚栽培，白色防虫网覆盖，灌溉方式为膜下滴灌。

采用随机区组设计，不设重复。参试品种均于2020年12月11日起垄播种，畦间距为1.2 m，每畦种2行，每穴播3～4粒，保苗2株，行距25 cm，株距30 cm，抽蔓后进行吊蔓立架。整个种植期间的田间管理采用常规的管理方法。抗性等级采用苗期室内剪根浸根法进行筛选[14]。

1.3 测定指标

每个参试品种随机选取10株进行农艺性状调查。主要农艺性状的调查记录参照《豇豆种质资源描述规范和数据标准》[15]进行，共计调查23个指标(见表3)；荚面、荚色、荚形等3个质量性状以肉眼判别；记录室内抗性等级。

表1 99份长荚豇豆品种名称及来源Table 1 Names and sources of 99 long podded cowpeas

表3 不同长荚豇豆品种23个农艺性状表现及变异系数Table 3 23 agronomic traits performance and variation coefficients of different long podded cowpeas

表2 质量性状描述及赋值Table 2 Discription and values of quality traits

1.4 数据分析

采用Excel 2010软件计算均值、标准差、最大值、最小值以及变异系数，利用IBM SPSS Statistics 19.0软件进行主成分分析、相关性分析以及聚类分析。其中聚类分析数据标准化后，采用Ward’s法选择Euclidean距离进行聚类，灰色关联分析法对聚类分析结果进行验证，其加权关联度中24个农艺性状的关联系数的权重分别如下：单荚鲜重和抗性等级(0.15)；荚长、荚肉厚、荚横径、豆荚含水率和枯萎病发病率(0.10)；单荚种子数(0.03)；单荚干重、茎粗和SPAD值(0.02)；剩下的13个农艺性状的权重均为0.01。

2 结果与分析

2.1 不同长荚豇豆品种农艺性状的表现及差异

由表3可知，第一花序位置为7.43节，花序柄长为29.42 cm，第三节间长为4.68 cm，茎粗为7.11 mm，小叶长为15.38 cm，宽为8.67 cm，长宽比为1.79，叶柄长为9.14 cm，SPAD值为63.39 ，每10片叶厚度为6.14 mm，叶片含水率为80.95%，荚长为57.33 cm，荚横径8.28 mm，嫩荚肉厚1.95 mm，单荚鲜重23.68 g，单荚干重2.32 g，豆荚含水率90.00%，单荚种子数15.85粒，荚色为2.64，荚面为1.79，荚形为2.65，枯萎病的发病率为5.44%，抗枯萎病等级为2.95。

由标准差和极值可以看出，这些农艺性状的变化幅度以及变化区间，其中花序柄长和SPAD值的变化幅度最大，分别为7.96 cm和7.93，花序柄长的变化区间为8.37～46.33 cm；SPAD值的变化区间为29.99～78.37。23个农艺性状的变异系数在1.97%～99.63%之间，从大到小依次为：枯萎病田间发病率、荚色、抗枯萎病等级、荚形、花序柄长、荚面、第一花序位置、第三节间长、单荚鲜重、单荚干重、嫩荚肉厚、单荚种子数、SPAD值、叶柄长、小叶宽、叶片厚度、荚长、小叶长、荚横径、茎粗、小叶长宽比、豆荚含水率、叶片含水率，说明叶片含水率在99份长荚豇豆品种间差异小，不具备筛选改良性；而枯萎病田间发病率的变异系数最大(99.63%)，说明枯萎病的发病率品种间差异最大，具有很大的改良空间，总体来说，多数农艺性状的变异系数大于10%，说明这99份长荚豇豆品种间差异较大，具有较大的可改良空间。

2.2 不同长荚豇豆品种农艺性状的主成分分析

由表4可知，第1个主成分的特征值为5.423，贡献率为23.580%，以豆荚含水率、SPAD值、荚长和单荚鲜重为主要指标，反映的是豆荚因子；第2个主成分的特征值为2.537，累计贡献率为34.611%，主要反映的是叶片因子；第3个主成分的特征值为2.186，累计贡献率为44.115%；第4个主成分的特征值为1.872，累计贡献率为52.252%；第5个主成分的特征值为1.652，累计贡献率为59.436%；第6个主成分的特征值为1.405，累计贡献率为65.543%；第7个主成分的特征值为1.160，累计贡献率为70.586%，以荚肉厚、单荚种子数、荚形和豆荚含水率为主要指标，主要反映豇豆嫩荚因子；第8个主成分的特征值为0.950，累计贡献率为74.718%；第9个主成分的特征值为0.844，累计贡献率为78.387%，以枯萎病田间发病率、抗枯萎病等级和叶片含水率为主要指标，主要反映植株抗枯萎病因子第10个主成分的特征值为0.752，累计贡献率为81.654%。

表4 23个农艺性状的特征向量及贡献率Table 4 Feature vector and contribution rate of 23 agronomic traits

2.3 长荚豇豆品种农艺性状的相关性分析

如表5所示，不同的性状在不同的品种间的相关性存在差异，其中与豆荚品质和抗枯萎病相关的农艺性状有：荚长与花序柄长和SPAD值呈极显著正相关，与第三节间长和茎粗显著正相关，与叶片含水率极显著负相关；荚肉厚与第三节间长与荚长极显著正相关，与SPAD值和花序柄长显著正相关，与第一花序位置显著负相关；荚横径与花序柄长、茎粗和荚长呈极显著负相关；单荚鲜重与花序柄长、SPAD值、荚长和荚肉厚呈极显著正相关，与茎粗显著正相关，与叶片含水率极显著负相关；单荚干重与小叶长、荚横径和单荚鲜重极显著正相关，与荚长显著正相关，与花序柄长极显著负相关；豆荚含水率与花序柄长、第三节间长、茎粗、SPAD值、荚长、荚肉厚和单荚鲜重极显著正相关，与叶片厚度显著正相关，与小叶长、叶片含水率、荚横径和单荚干重呈极显著负相关，与小叶宽显著负相关；枯萎病田间发病率与花序柄长、SPAD值和叶片厚度极显著负相关，与荚长和豆荚含水率显著负相关，与小叶长显著正相关；抗枯萎病等级与花序柄长、第三节间长、SPAD值、豆荚含水率、单荚种子数和荚面极显著正相关，与小叶长极显著负相关，与单荚鲜重显著正相关。

表5 长荚豇豆品种资源23个农艺性状相关性分析Table 5 Correlation analysis for 23 agronomic traits of long podded peas

表6 长荚豇豆品种23个农艺性状Table 6 23 agronomic traits of long podded peas

2.4 基于长荚豇豆品种农艺性状的聚类分析

由图1和表6可知，在遗传距离为4.5时，可将99份长荚豇豆品种聚为四大类。

第Ⅰ大类的品种编号为1、3、6、7、12、13、14、15、22、24、25、26、27、29、30、31、32、33、34、35、36、37、39、40、41、43、45、46、47、48、49、50、51、52、57、58、59、61、62、63、64、65、66、67、69、70共计46个品种组成，该类品种花序柄长最长，第三节间长也最长，小叶长宽比最小，单荚干重最小，单荚种子数最大，豆荚含水率最大，抗枯萎病等级最高。

第Ⅱ大类的品种编号为2、4、5、8、9、10、11、16、17、18、20、21、23、28、38、42、44、53、54、55、56、60、68共计23个品种组成，该类品种第一花序位置最低，茎粗最粗，叶片最厚，叶片含水率最低，SPAD值最高，豆荚最长，豆荚肉最厚，单荚鲜重最大，抗枯萎病等级较高。

第Ⅲ大类的品种编号为19、71、75、76、77、80、81、82、83、86、88、89、91、92、97共计15个品种组成，该类品种花序柄长最小，小叶最长最宽，小叶长宽比也最大，叶片含水率较高，叶柄最长，叶片厚度最小，荚横径最大，单荚干重最重。

第Ⅳ大类的品种编号为72、73、74、78、79、84、85、87、90、93、94、95、96、98、99共计15个品种组成，该类品种第一花序位置最高，叶片含水率最大，豆荚含水率最低，枯萎病田间发病率最高且抗枯萎病等级最低。

2.5 基于主成分得分与灰色关联法的得分进行排名

将各农艺性状均值代入表4主成分系数得到各主成分得分及综合得分并排名(表7)。从表7可知，99份长荚豇豆品种中排名前20的品种有9、10、20、21、28、31、33、37、40、42、43、44、53、54、55、56、60、61、66、68。灰色关联法分析如表8所示，采用等权关联度排名前20的品种有10、17、20、21、28、30、37、38、39、40、50、53、54、61、63、65、66、68、69、97；采用加权关联度排名前20的品种有4、10、11、16、19、20、21、23、28、31、36、39、42、53、54、55、68、73、90、97。主成分分析法与灰色关联等权分析法对比可知，在排名前20的品种里，相同的品种有10、20、21、28、37、40、53、54、61、66、68共计11个品种；与灰色关联中加权分析法对比可知，排名前20的品种中，相同的品种有10、20、21、28、31、42、53、54、55、68共计10个品种。

3 讨 论

种质资源是选育新品种的基础。种质资源多样性包括物种多样性和遗传多样性，而遗传多样性是生物多样性的核心。种质资源遗传多样性研究包括表型、细胞学、生化以及分子水平等四个方面。表型性状是植物在生长发育过程中的外部特征，通过肉眼观测或仪器测量进行形态标记。形态标记在育种中有着重要作用[16-18]，可对质量性状和数量性状进行标记。本研究对99份长荚豇豆种质资源的23个农艺性状进行调查，结果发现，23个农艺性状中变异系数最大的达99.63%、最小的为1.97%，平均20.02%，说明这99份种质资源的大多数农艺性状差异明显，遗传多样性较丰富。本研究中长荚豇豆的叶片含水率、豆荚含水率、小叶长宽比、茎粗、荚横径和小叶长的变异系数在1.97%～9.46%之间，均小于10%，说明本次参试的99份长荚豇豆种质资源的含水率、叶片大小、茎粗和荚横径的性状能够稳定遗传，该结果与黄伟康等[12]和张忠武等[19]的研究结果相近。荚色、枯萎病田间发病率以及抗枯萎等级变异系数均大于30%，具有较大的遗传改良潜力，这些数据可作为长荚豇豆抗枯萎病材料挖掘能提供参考依据。

图1 99份长荚豇豆品种农艺性状的聚类分析 Fig.1 Cluster analysis dendrogram for agronomic traits of 99 long podded peas

表7 99份长荚豇豆23个农艺性状10个主成分得分与排名Table 7 Ten principal component scores and rankings for 23 agronomic traits of 99 long podded peas

由于各农艺性状提供的信息在一定程度上有重叠，且单个性状发挥的作用也不尽相同，因此需将多个互联的性状通过降维转换为少数几个相互独立的因子进行主成分分析，才能科学合理地进行品种的综合评价[20]。运用主成分分析方法开展种质资源评价已经在花生[21]、棉花[22]、小麦[23]、大豆[24]等作物上相继报道。本研究的主成分结果显示，99份豇豆品种23个农艺性状可归纳为10个主成分，累计贡献率为81.654%，反映的总信息量达到81.654%，分别反映了植株长势因子、叶片因子、豆荚因子以及枯萎病抗性因子，涵盖了大部分豇豆资源评价的因子。因而，在长荚豇豆育种工作中，可以根据育种目标，结合主成分的得分排序，全面评价各个种质资源的特性，从而更好地服务于长荚豇豆种植资源的高效利用。

聚类分析可以反映不同品种间的遗传差异和亲缘关系，进行聚类分析可以为育种方案的设定提供一定的参考依据[25]。已有研究显示在选择亲本时，可以采用聚类分析对目标性状进行相应的选择，在香菇[26]、甜椒[27]、杂交稻[28]、甘蔗[29]、西葫芦[30]、番茄[31]等众多作物中的亲本选用了此方法。本研究的聚类分析结果表明，99份豇豆品种可以聚为四大类，第Ⅰ类豇豆品种抗枯萎病等级最高，可以作为抗枯萎病的候选品种；第Ⅱ类豇豆品种豆荚最长，豆荚质量最大，茎也最粗壮，抗枯萎病等级也较高，综合表现良好，可用于选育豆荚表型理想的豇豆品种，而在这类品种中的SPAD值最高，叶片也最厚，与赵云凤等[32]研究结果相一致；第Ⅲ类品种花序柄长最小，小叶最长最宽，小叶长宽比也最大，叶柄最长但叶片厚度最小，叶片含水率虽然也比较高，可用于选育大叶豇豆品种；第Ⅳ类品种，田间枯萎病发病率最高，且抗性等级也最低，所以这类品种抗枯萎病能力弱，不适合最为抗病材料。聚类分析的结果往往与品种选育地环境密切相关[12]，通过农艺性状的聚类分析，可以初步了解豇豆品种间特性，能够为遗传差异分析提供参考。

表8 灰色关联法排序Table 8 Ranking results of grey relational method

通过99份长荚豇豆种质资源23个农艺性状的相关性分析，发现每个农艺性状的相关性与其他的农艺性状至少有一个达到显著或极显著水平。本研究发现，单荚鲜重与花序柄长、SPAD值、荚长和荚肉厚呈极显著正相关，即可以通过测量荚长和花序柄长来推测单荚鲜重，这与陈琴等[8]的研究结果相近。

相关性分析发现，枯萎病田间发病率与花序柄长、SPAD值和叶片厚度极显著负相关，与荚长和豆荚含水率显著负相关，与小叶长显著正相关。也意味着可以根据花序柄长和叶片厚度来判断某个品种枯萎病发生的概率；抗枯萎病等级与花序柄长、第三节间长、SPAD值、豆荚含水率、单荚种子数和荚面极显著正相关，与小叶长极显著负相关，与单荚鲜重显著正相关，说明可以通过花序柄长、SPAD值、豆荚含水率和第三节间长来推测豇豆的抗枯萎病能力。

在相关性方面，枯萎病田间发病率与枯萎病抗性等级结果基本一致，存在的细微差异源于调查对象所处的环境不同，枯萎病田间发病率是田间调查得到的数据，而枯萎病抗性等级是通过室内剪根浸根的方法筛选得到的抗性等级，因此存在差异，但是也存在相同性，即可以通过花序柄长和SPAD值来判断。由此可以发现，种质资源农艺性状的农艺调查和鉴定容易受到环境因素的影响，因此后续对种质资源的评价还应结合分子鉴定的方法以及多年多点试验，这样才会更加全面。

灰色关联分析方法是根据所研究的因子间动态变化的相似程度来判断因子间的密切程度，关联度是反映这种密切程度大小的度量，关联度越大，说明因子间变化的势态越接近，其相互关系越密切[33-34]。岳新丽等[35]利用灰色关联度分析方法筛选出了适合在大同地区推广种植的天薯11号和中薯21号。本研究也采用了灰色关联分析与主成分聚类分析两种分析法的综合排名，对豇豆品种进行综合评价，最后将主成分排名分别与灰色关联法中等权和加权的排名进行对比，在排名前20的品种里，与等全相同的有11个，而与加权相同的有10个。由于性状在不同品种中所起的作用不相同，因此不能将重要性状与次要性状等同对待，且在实际选育品种中也是选择某一个或几个重要性状，所以灰色关联度分析法中加权关联度更加适合品种资源的筛选。综合主成分排名与灰色关联法中加权关联排名得到排名前20的品种中相同的有10、20、21、28、31、42、53、54、55、68共10个品种，占本次参试种质资源的10.10%，且这10个品种除31号外均属于第Ⅱ类，表型优良，抗枯萎病能力强，而属于Ⅰ类的31号，虽然表型上没有其他几个好，但在四大类里面也仅次于第Ⅱ类，且其抗枯萎病能力最强。因此，可深度挖掘这10个长荚豇豆品种的商品价值，选育抗枯萎病品种，从而提高长荚豇豆的经济价值。主成分聚类分析与灰色关联法都可以单独用于品种资源的筛选，而结合两种评价方法可以使筛选结果更加精确，评价结果更加客观，得到的优良品种也更具推广价值。

4 结 论

本研究对收集的99份长荚豇豆种质资源的农艺性状进行了多样性、相关性、主成分和聚类分析，并且采用灰色关联法进行综合排名。多样性及相关性结果表明，这99份种质资源具有丰富的遗传多样性，且各农艺性状之间存在不同的相关性。最终结合主成分聚类分析法和灰色关联法筛选出来的南繁五号、林丰真如意、林丰如意三号、彩绿二号、泰国十一号、美美满满、翠深似海、吉丰608、F-1815和大富豪等10个品种，豆荚性状表现优良，抗枯萎病能力强。