部分甜菜登记品种的农艺性状分析

彭菲，丁刘慧子，邳植，吴则东

（黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080）

0 引言

甜菜（Beta vulgarisL.）为藜科甜菜属的二年生草本作物。目前栽培甜菜主要分为饲用甜菜、根用甜菜、叶用甜菜和糖用甜菜，糖用甜菜是其中最重要的商业类型[1]，也是除甘蔗以外的世界第二大糖料作物[2]。我国糖用甜菜种植面积约216 khm2，产量达1 127.7 万t（据中国年鉴2019 年统计http://www.stats.gov.cn/tjsj/ndsj/2019/indexch.htm）。随着国内食糖需求的增加，北方甜菜生产的前景良好[3]。甜菜种子是甜菜生产最重要的物质基础。一方面国内生产所使用的甜菜品种近90%为进口品种[4]，假冒伪劣种子坑农问题时有存在，国产品种的增加和国外品种的引入导致种子存在不同程度上的品种雷同和侵权问题[5]；另一方面植物新品种测试（DUS）在甜菜品种鉴定上的应用还不够广泛[6-7]。因此开展甜菜品种鉴定是规范国内种子市场以及确保甜菜产业健康发展的基础。花生、金平草果等作物利用表型性状鉴定品种差异的相关研究国内已有报道[8-9]，但是甜菜上由于农艺性状差异较小，因此研究较少，本研究采用主成分分析法[10]，对107 份甜菜品种的农艺性状进行分析，为进一步甜菜品种差异鉴定提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以目前我国市场上使用的107个已登记的甜菜品种作为供试材料，品种名称及来源见表1。

表1 供试材料品种名及来源Table 1 Name and source of test material

1.2 试验方法

试验区自然条件：试验地设在哈尔滨市呼兰区黑龙江大学实验基地内（经度126.58、纬度26.88），试验地地势平坦，土质为黑土，pH 值为6.5。属于中温带大陆性季风气候，全年活动积温2 700 ℃以上，年平均气温约6.1 ℃、年均日照时长约为2 555.7 h、无霜期约为150 d[11]。

试验设计：试验于2020年4月进行。机械开沟，人工播种，每个品种种植2行，行长10 m，垄宽0.67 m，株距20 cm，播深3 cm 左右。每个品种两个重复。参照《植物新品种特异性、一致性和稳定性测试指南糖用甜菜NY/T2482-2013》制定调查项目和标准，在各生长区每个品种选取10株进行观测记录农艺性状。

1.3 测定项目及方法

试验主要调查的农艺性状有：叶姿态（LP）、叶片形状（LS）、叶片长度（LL）、叶片宽度（LW）、叶片绿色程度（LG）、叶缘波状（LMU）、叶面皱缩程度（LSWD）、叶先端形状（LAS）、叶柄长度（PL）、叶基部宽度（LBW）、根形状（RS）、根长度（RL）、根宽度（RW）、根长宽比（RLWR）、根青头大小（RGHS）、根沟深度（RFD）及根表皮质地（RET）。叶片长度（LL）、叶片宽度（LW）、叶基部宽度（LBW）使用直尺进行群体和个体测量，叶片绿色程度（LG）使用SPAD502 叶绿素含量测定仪测定叶绿素含量，根据测量结果进行分级。其他性状根据《植物新品种特异性、一致性和稳定性测试指南糖用甜菜NY/T2482-2013》中的标准进行分级。

地上部分的调查选择在甜菜叶丛快速生长期，选取叶片为老叶与新叶之外的最大一片真叶。地上调查前期阶段试验地内均未发生褐斑病和根腐病，甜菜生长态势良好。观测期间，8月8日喷洒杀虫剂一次，整个观测期内未受到甘蓝夜蛾为害。9月25日至10月5日甜菜收获，并记录地下部分性状数据。收获时，部分品种的根部有个别出现根腐病情况，但每个品种均有超过50%的单株未受到病害影响，测试品种整个生长周期符合性状调查要求。

1.4 数据分析

甜菜的各指标性状在统计分析时根据《植物新品种特异性、一致性和稳定性测试指南糖用甜菜NY/T2482-2013》对农艺性状观测值进行赋值，对不能进行测量的观察性状进行赋值标准化处理。采用Excel统计各性状的数据，计算各性状的最小值、最大值、平均值、标准差、变异系数、变异幅度等基本统计参数。使用SPSS计算辛普森指数（Simpson's index）、香农-维纳指数（Shannon-Wiener's diversity index）等多样性指数以及Pielou均匀度指数[12-14]。使用Rstudio对17个性状的调查数据进行主成分分析并进行品种鉴定和分类。

2 结果与分析

2.1 供试品种17项表型性状变异分析

对107份参试材料的表型性状进行统计，结果见表2和表3。

表2 表型性状1（测量性状）的变异参数Table 2 Variation parameter of phenotypic character 1(measuring character)

表3 表型性状2（观测性状）变异分布Table 3 Variation parameter of phenotypic character 2(observation character)

由表2 可知，107 份供试材料的表型性状的结果分析表明，变异系数较高的是叶基部宽度（11.27%）和叶柄长（11.09%），最小的为叶片长度（6.86%）。这5个农艺性状中，叶片长度（LL）、叶片宽度（LW）和叶片绿色程度（LG）变异系数均未超过10%，说明这3 个农艺性状的差异性小。整体来看5 个表型性状的差异性都较小。

由表3可知，107份参试材料的表型性状中观测性状的结果分析可以看出，甜菜的12项观察性状的变异类型划分为41 种。变异类型最多的性状为根长度（RL），有5 种变异类型，其中根长度（RL）为“中”和“长”的占比最高，分别为46.73%和35.51%，且无“极短”的根长。其次为叶缘波状（LMU）、叶面皱缩程度（LSWD）及根沟深度（RFD），变异类型均为4 种。叶缘波状（LMU）中“中”度的占比最高为36.45%，其次为“小”占比35.51%，“无或极小”的类型占比最少为1.87%。叶面皱缩程度（LSWD）中，“弱”和“中”两种变异类型占比相同，均为41.12%，仅有6 份材料变异类型为无或极弱，占比为5.61%。在根沟深度（RFD）中，所有参试材料都有根沟，没有“无或极浅”的变异类型。其中根沟“深”的参试材料超过一半，占比为53.27%，其次为“中”度根沟。其余观察性状的变异类型均为3种。叶姿态（LP）主要为“半直立”，占比59.81%。叶先端为“圆”形的占比最高为62.62%。根形状（RS）为“楔形”的占比最高为61.68%。根青头大小（RGHS）的差异最大，根青头“大”的类型占比高达70.09%，根青头“小”的类型仅有4 份，占比3.74%。整体来说，参试材料的表型性状表现较为整齐，极少有极端个例的出现。

2.2 供试品种17项表型性状多样性分析

对107 份甜菜参试品种表型多样性分析描述见表4，17 项表型的辛普森指数在0.00～0.01，其中叶片姿态、根形状（RS）和叶基部宽度（LBW）均为0.00，其余13 项（除根长宽比外）均为0.01。香农-维纳指数在4.53～4.67，其中根长宽比（RLWR）最低（4.53），叶片长度（LL）、叶片宽度（LW）、叶片绿色程度（LG）、叶柄长（PL）及叶基部宽度（LBW）最高为4.67。Pielou 均匀度指数在0.97～1.00，其中最低的为根长宽比（RLWR）为0.97，叶片长度（LL）、叶片宽度（LW）、叶片绿色程度（LG）、叶柄长（PL）及叶基部宽度（LBW）最高为1.00。与香农-维纳指数计算结果十分相似，测量性状的指数最大，观测性状指数数值较低。这说明测量性状的遗传多样性更加丰富且群体内变异分布相对比较均匀。

表4 表型性状遗传多样性Table 4 Genetic diversity of phenotypic traits

2.3 供试品种表型性状主成分分析

2.3.1 主成分特征值向量分析

通过主成分分析法分析甜菜表型性状的多样性[15-16]，为甜菜品种鉴定提供参考。由表5可知，甜菜的前5个主成分能够表征其相关指标的主要变量信息，累计贡献率达51.13%。其中第一主成分的特征值为2.43，贡献率为14.28%，主要农艺性状有根长宽比（RLWR）、根宽度（RW）、根长度（RL），特征向量分别为36.35、23.58、19.44，该主成分可以归纳为块根根形指数。第二主成分的特征值为1.86，贡献率为10.92%，特征值向量与各性状均成正比,其中主要农艺性状有叶片长度（LL）、叶柄长（PL）、叶基部宽度（LBW），特征向量分别为28.77、21.84和13.57，该主成分可归纳为叶面积。第三主成分的特征值为1.62，贡献率为9.50%，其中主要农艺性状有叶姿态（LP）、叶先端形状（LAS）和叶基部宽度（LBW），特征向量分别为23.05、18.09 和10.30。第四主成分特征值为1.51，贡献率为8.87%，主要农艺性状有叶片宽度（LW）、叶片形状（LS）、叶片绿色程度（LG），特征向量分别为18.84、16.01和15.47。第五主成分特征值为1.29，贡献率为7.56%，其中主要农艺性状有叶片绿色程度（LG）和叶柄长度（PL），特征向量分别为34.14、16.45。第三、四及第五主成分均能归纳为叶片生长指数，前5个主成分的累计贡献率达到51.13%。

表5 参试材料前5 个主成分的特征向量描述Table 5 Characteristic vector description of the first five principal components of test materials

由图1 可知，将主成分1 和2 的贡献因子质量可视化后，可以看到根长宽比（RLWR）（图中呈红色）贡献率最高，其次为叶片长度（LL）、叶柄长度（PL）、叶基部宽度（LBW）、根宽度（RW）和根长度（RL）（图中呈黄色）。综合这5个主成分的特性性状影响和累计的贡献率，叶片长度（LL）、叶片宽度（LW）、叶柄长度（PL）、叶基部宽度（LBW）、根长度（RL）、根宽度（RW）及根长宽比（RLWR）这7个性状具有较高的差异性，可作为品种鉴定的核心性状。

图1 主成分因子质量贡献分布图Fig.1 Distribution of quality contribution of principal component factor

2.3.2 主成分质量因子分布分析

由图2 可知，这107 个品种在表型性状分析中距离最远的是41 号品种，其次为42 号品种、11 号、12 号及16 号品种，在质量因子分布图上与其它品种距离最大。这表明通过表型性状分析可以得出这5 个品种具有较高的特异性，与其他品种差异性较大。类群I中，有10个甜菜品种来自SES Vander Have。第III类群中9个品种来自BETA SEED，11个品种来自SES Vander Have。KWS SAAT SE的品种除了31号，其余的品种均分布在第II 和第III 类群。类群IV 中，13 个品种来自SES Vander Have。由此可见SES Vander Have 品种与BETA SEED和KWS SAAT SE的品种在形态上更为相似。

图2 107份甜菜品种农艺性状质量因子影响分布图Fig.2 Distribution diagram of quality factors influencing agronomic traits of 107 sugar beet varieties

根据107份参试品种的17个农艺性状在主成分分析中所表现出的质量，将参试品种分为4个类群（图2、表6）。

表6 107 份甜菜品种农艺性状质量因子分组Table 6 The group of quality factors of agronomic traits of 107 sugar beet varieties

其中类群I 包含24个甜菜品种，此类群中，叶片长度（LL）在26.20～31.45 cm，且有22个品种超过平均值（27.11 cm），叶片较长。叶片宽度（LW）在15.08～20.94 cm，叶片宽度（LW）超过平均值（17.15 cm）的品种有16 个（4、9、10、11、12、16、31、37、46、50、59、65、80、89、97、98）。叶柄长度（PL）在21.11～27.5 cm，且有13个品种在该群内平均值（23.53 cm）以上，叶柄长度（PL）较长。根长度（RL）赋值为“5”极长的5个品种（11、12、13、16、98）全部分布在这个类群之中，其中14 个品种（4、11、12、13、16、37、40、43、46、51、89、91、97、106）根宽度（RW）赋值为“1”，9个品种（9、10、31、54、57、59、65、80、98）赋值为“2”，仅有1个品种（50）赋值为“3”。这一类群的品种属于块根极长且窄，叶片面积较大的品种。

类群II包含27 个甜菜品种，此类群中，叶片长度（LL）在25.30～33.30 cm，有22 个甜菜品种（3、6、19、32、33、34、35、36、41、42、44、45、53、56、63、68、76、78、83、85、86、100）超过平均值，且41 号品种的叶片长度（LL）达到样品中最大值33.30 cm。叶片宽度（LW）在15.21～20.11 cm，超过平均值的有25 个甜菜品种（1、3、5、6、19、23、32、33、34、35、36、41、42、44、45、53、56、63、68、76、78、83、85、86、100）。23 个甜菜品种（1、3、5、6、19、23、32、33、36、41、42、44、45、48、53、56、63、78、83、85、86、100、102）叶柄长度（PL）超过平均值。根长度（RL）赋值“4”的为6 个（19、36、48、53、56、68），赋值“3”的为16 个（3、5、23、34、35、41、44、45、63、76、78、83、85、86、100、102），其中有13 个品种（3、23、32、33、34、35、36、44、45、48、53、68、86）根宽度（RW）赋值为“3”。这表明类群II中的甜菜品种大多数属于块根宽，长度适中，叶柄极长的品种。

类群III 包含了35 个品种，叶片长度（LL）在23.73～28.60 cm，超过平均值的品种仅8 个（2、7、18、38、70、75、77、82），不足1/4，约3/4 的品种分布在24.00～27.00 cm，其中22 号品种叶片最短。叶片宽度（LW）在13.95～18.69 cm，超过平均值的品种（7、15、28、47、55、58、60、70、72、88、）不足1/3，超过半数的品种分布在16.00～17.00 cm。14 个甜菜品种叶柄长度（PL）在18.18～26.83 cm，超过平均值的不足1/2，且多数分布在21.00～26.00 cm。7 个甜菜品种（18、52、69、70、72、77、104）的根长度（RL）赋值为“4”，16个品种（3、6、23、33、34、41、44、45、63、76、78、83、85、86、100、102）根长度（RL）赋值为“3”。13个品种（3、23、32、33、34、35、36、44、45、48、53、68、86）根宽度（RW）赋值为“3”，13 个品种（1、6、19、23、41、42、63、68、76、78、83、100、102）根宽赋值为“2”。这表明类群III中的甜菜品种属于块根长宽均较为中等至短窄、叶面偏小的品种。

类群IV 包含21个品种，叶片长度（LL）在24.30～28.93 cm，仅有4个品种（39、49、74、105）长度超过均值，大多数品种叶片长度（LL）在25.00～27.00 cm。叶片宽度（LW）在14.35～18.89 cm，超过均值的品种有7个（8、20、21、39、73、94、99）。叶柄长度（PL）在20.00～26.87 cm，仅4个品种（8、49、94、101）的长度超过均值。13个品种（8、14、17、20、29、49、62、67、74、81、94、95、101）的根长度（RL）赋值为“4”，其余8 个品种均为“3”。根宽度（RW）中7个品种（14、17、49、62、67、73、103）赋值为“2”，其余均为“1”。这表明类群IV属于块根长且窄，叶面积非常小的甜菜品种。

3 讨论

表型标记多指农作物的农艺性状，主要由作物的表型特征、生理状况并受栽培环境等因素影响而形成的评价标准[17-18]。表型标记具有检测特性清楚、检测方法简便、检测结果直观等优势，形态学研究一直是品种鉴定的重要方式[19]，农艺性状多样性研究对于品种鉴定研究具有重要的指导意义[20]。表型标记鉴定需要前期大量的形态学指标数据，以此开展主成分分析、聚类分析等研究进行鉴定，可以较为准确地反映参试品种的综合农艺性状，从而得到准确的品种鉴定结果。但表型性状也有一定的缺陷，试验观测的周期长，需要统计记录的数据量很大，容易受到土壤、天气等外部环境因素的影响，并且在性状调查时，也可能会受到调查者主观影响[21]。加上一些表型标记与不良性状会产生连锁效应，都会造成结果出现偏差。由于可供选择的表型性状较多，不同的研究角度也会对结果的一致性产生影响，因此在调查的性状上也尽量选择种内稳定性高，种间差异性较大的性状作为调查的指标。

表型性状鉴定是适用于所有植物品种鉴定的方式，并且仍然是目前品种鉴定中的主流鉴定方式。甜菜的形态学研究主要集中在叶和根的性状，从甜菜农艺性状的调查和分析来看，相较于其他作物，如大豆[22]、菜豆[23]、高粱[24]等作物，农艺性状差异较小。比如大豆、菜豆的花色、种皮颜色、荚色、粒色以及茎节数、分枝数等性状上都具有较高的差异性，而甜菜的农艺性状调查主要为叶片和块根的性状，与其它作物相比，性状多样性较低，可选择性少，差异性明显低于其它作物，因此在表型鉴定上也存在更高的难度。甜菜作为小作物品种，近年来虽然种植面积有所上升，但仍属于小众作物，科研关注度不够[25]。甜菜的种子市场被国外品种侵占，品种鉴定的研究也较为稀少，这对国内甜菜的品种保护和甜菜育种研究十分不利。由于中国属非甜菜起源地且甜菜起源单一，甜菜种质资源匮乏，同一优良不育系或者授粉系会在不同的品种中反复使用，而造成甜菜品种遗传基础狭窄[26]，因而甜菜的表型鉴定研究越发困难。

本研究采用了主成分分析法，得出了根长宽比（RLWR）、叶片长度（LL）、叶柄长度（PL）、叶基部宽度（LBW）、根宽度（RW）在表型性状鉴定中更具有差异性，鉴定力更高。同时根据提取的cos2 值，在成分中所占的贡献率来将品种进行了分类。这在以往的表型分类方法中具有创新性，开创了除了以表型数据进行聚类分析以外的分析方法，计算出具有更高贡献值的性状以及各个品种在主成分中相对贡献的分布。

4 结论

参试品种表型性状中，测量性状变异系数最大的是叶基部宽度（11.27%），最小的为叶片长度（6.86%）。观察性状的变异类型共41 种，根长度（RL）的变异类型最多为5 种。17 项表型性状的辛普森指数在0.00～0.01，香农-维纳指数在4.53～4.67，Pielou 均匀度指数在0.97～1.00。提取了前5 个主成分进行分析，其累计贡献率为51.13%，其中第一主成分的特征值为2.43，贡献率为14.28%，特征值向量与17个农艺性状均成正相关，第一主成分可以归纳为块根根形指数。第二主成分的特征值为1.86，贡献率为10.92%，特征值向量与各性状均成正比，第二主成分可以归结为叶面积。第三主成分的特征值为1.62，贡献率为9.50%；第四主成分特征值为1.51，贡献率为8.87%；第五主成分特征值为1.29，贡献率为7.56%，第三、四及第五主成分均能归纳为叶片生长指数。叶片长度（LL）、叶片宽度（LW）、叶柄长度（PL）、叶基部宽度（LBW）、根长度（RL）、根宽度（RW）及根长宽比（RLWR）这7 个性状具有较高的差异性，作为品种鉴定的核心性状。根据107 份参试品种的17个农艺性状在主成分分析中所表现出的质量，将参试品种能够全部区分，并且能够分为4个类群。其中类群I包含24个甜菜品种，特征为块根极长且窄，叶片面积较大。类群II包含27个甜菜品种，特征为块根宽，长度适中，叶柄极长。类群III 包含了35 个品种，特征为块根长宽均较为中等至短窄、叶面偏小。类群IV 包含21个品种，特征为块根长且窄，叶面积非常小。通过因子质量分布图可以看出，表型性状能够清晰地区分各甜菜品种，这表明表型标记在甜菜品种鉴定和分类上具有良好的利用价值。