20份小豆种质资源农艺性状鉴定与综合评价

王晓磊， 康泽然， 魏云山， 刘迎春， 周学超， 胡海波， 李 峰， 崔智慧， 杨志阁， 裴广利

(1.赤峰市农牧科学研究所，内蒙古赤峰 024031； 2.内蒙古辽中京农业科技有限责任公司，内蒙古赤峰 024200)

小豆(Vignaangularis)作为主要的食用豆类作物在我国具有悠久的种植历史。特别是近年来随着人们生活水平的不断提高，饮食结构不断发生改变，小豆由于具有高蛋白质、低脂肪且富含多种微量元素和氨基酸等优点，种植面积逐步增加，已经成为我国主要的杂粮之一[1-2]。同时，相关研究人员指出，小豆的种植也是发展特色农业、促进农民增收进而实现农业供给侧结构性改革和乡村振兴的重要举措[3]。但是，长期以来我国小豆多以零散种植为主，研究基础相对薄弱，虽然已经鉴定出不少品种，但缺乏高产优质的推广品种，且存在严重退化、病虫害增加、抗逆性减弱和产量下滑等问题，已经严重制约了我国小豆产业的发展[4]。因而，选育优质小豆品种，对地方品种进行改良，因地制宜地筛选出适应特定区域种植的小豆品种对于提高小豆国际市场竞争力、发展精准农业至关重要。

农艺性状是判断小豆是否适合在某一区域引种和育种的重要条件，生育期、株高、主茎分枝数及产量等指标在已有的研究中得到广泛关注[5-9]。高运青等通过对生育期等10个指标的综合分析，采用灰色关联度与聚类分析的方法筛选出适合于在河北省种植的小豆品种[10]；葛平珍等基于主成分分析的方法对贵州省不同小豆品种进行筛选[11]。赤峰市作为内蒙古自治区重要的粮食基地，在区域乃至全国商品粮供应上发挥着重要的作用，传统的农业种植主要以小麦、玉米与马铃薯等农作物为主。近年来，赤峰市农业结构改革不断深入，种植模式也发生了显著的改变，小豆等杂粮作物的种植面积在不断扩大。选育优质高产、抵抗性强的小豆品种是提高农业用地效益、加速发展现代农业的重要手段和保障。本研究采用灰色关联度分析、主成分分析和聚类分析方法，对20份小豆种质资源进行综合评价，以期筛选出适合在赤峰地区推广种植的小豆品种，为区域范围内杂粮产业发展提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试小豆种质资源20份，来自北京市、黑龙江省、内蒙古自治区等地(表1)。

表1 20份小豆种质资源名称与来源

1.2 试验地概况

试验于2018—2019年在赤峰农牧科学研究所城子试验基地(118.43′14″E，42.9′24″N)进行，海拔700 m。该区域属于干旱半干旱地区，年降水量为381 mm，蒸发量1 600～2 500 mm，有效活动积温 3 100 ℃，年无霜期120～145 d，日照时数为2 800～ 3 100 h，光热资源充足。土壤类型为壤土，地势平坦、肥力均匀。土壤有机质含量11.3 g/kg，全氮含量0.45 g/kg，速效氮含量49.5 mg/kg，有效磷含量4.3 mg/kg，速效钾含量85 mg/kg，pH值8.18。

1.3 试验设计与测定方法

试验小区面积3 m2(行长3 m、宽1 m、2行区)，行距0.5 m，株距0.2 m。重复3次，随机区组排列。田间调查记载各参试材料的生育期、抗病性及抗倒伏性，栽培管理同大田。成熟期，在每小区中间随机选取有代表性的植株5株进行考种，测定株高、主茎分枝、主茎节数、单株荚数、荚长、单荚粒数、百粒质量等。各个小区单收、单脱，测定产量。调查标准参照《小豆种质资源数据质量控制规范》进行[12]。

1.4 数据分析

CV=(平均值/标准差)×100%；

H′=-∑PilnPi(Pi表示第i种变异出现的频率)。

1.4.2 灰色关联度分析 依据灰色系统理论要求，20个小豆品种的10个性状指标组成1个灰色系统，每个品种作为系统中的1个因素。以参试品种性状指标Xi(i=1，2，3，…，20)={Xi(1)，Xi(2)，…，Xi(10)}={生育期、 株高、主茎分枝数、主茎节数、单株荚数、荚长、单荚粒数、主茎粗、百粒质量、产量}构成的数列作为比较数列，以参考品种各项性状指标X0={X0(1)，X0(2)，…，X0(10)}构成的数列作为参考数列。参试品种和参考品种的各项性状指标的平均值见表2。参照许如意等(2011)的方法计算各参试品种与参考品种间的关联系数、等权关联度和加权关联度。

(1)

(2)

(3)

式中：Δi(k)=|Xo(k)-Xi(k)|，为Xo数列与Xi在第k点的绝对值；minΔi(k)为二级最小差；maxΔi(k) 为二级最大差；ρ为分辨系数，通常取值0.5；ε为关联系数；W为各关联系数的权重；n为参试品种数；k为评估的性状数。

1.4.3 聚类分析和主成分分析 利用SPSS 17.0软件进行相关性分析、聚类分析和主成分分析。

2 结果与分析

2.1 农艺性状表现与遗传多样性分析

对参试品种的10个农艺性状进行分析，结果(表2、表3)表明，不同小豆品种之间存在较大差异(2.27%～35.06%)。其中，变异系数最大的农艺性状为产量，高达35.06%，产量最高的为小丰2号(4 019.49 kg/hm2)，产量最低的为佳红1号(854.57 kg/hm2)。单株荚数、主茎分枝数和株高也具有较高的变异系数，分别为34.34%、32.11%和30.64%。说明20份小豆种质资源在产量、单株荚数、主茎分枝数和株高这4个性状上存在较大差异，变异类型丰富，选择基础较广，具有较好的改良潜力；生育期的变化幅度较小(123～133 d)，变异系数仅为2.27%。说明该农艺性状的环境稳定性较高。

表2 20份小豆种质资源的农艺性状

表3 20份小豆种质资源农艺性状描述性统计分析

10个农艺性状的遗传多样性指数(H′)大小在 0.948 9～1.990 0之间，平均值为1.702 3，说明各农艺性状具有丰富的多样性，遗传基础广、差异大，通过育种手段进行种质间杂交改良可繁育出优异的品种。其中，单株荚数的H′最高，为1.990 0，百粒质量、主茎分枝数H′次之，为1.973 0、1.920 7，说明此3种性状在20份小豆种质资源中遗传基础相对最广，改良潜力最大。

2.2 农艺性状相关性分析

20份小豆种质资源的9个性状间存在不同程度的相关性(表4)。其中，产量与单株荚数呈极显著正相关性，相关系数0.842，与荚长、单荚粒数呈显著正相关，相关系数为0.545、0.561，说明单株荚数、单荚粒数这2个性状对小豆平均产量影响较大。主茎粗与生育期呈显著正相关性；单荚粒数与株高、主茎分枝数、单株荚数呈极显著正相关，与主茎节数呈显著正相关性；荚长与主茎节数、单株荚数呈显著正相关性，单株荚数与株高、主茎分枝数呈显著正相关性；主茎节数与株高呈显著正相关性，其他性状没有显著相关性。

表4 20份小豆种质资源各性状间的相关系数

2.3 抗逆性分析

20份小豆种质资源田间鉴定未见发病，均表现较好的抗性。抗倒伏鉴定表明，赤红11002、中红6号、中红9号、佳红1号抗倒伏性强， 其他品种均表现为抗倒伏性中等。

2.4 小豆种质资源的聚类分析

聚类分析的结果表明，欧氏距离为7.15时，20个参试品种主要可以分为4类，其中赤红11002、红珍珠、赤红11008、佳红1号、中红9号为第1类，其农艺性状的主要特征为主茎节数与分枝较少、单株荚数较低、荚长较短、百粒质量较高但产量较低。第2类主要包括中红2018-135、中红4号、中红8号、中红2010-135，其农艺性状的主要特征为主茎节数相对较多，百粒质量也较大，但产量处于中等水平。第3类包含赤红11003、大红袍、小丰2号3份材料，农艺特征主要为单株荚数较高、荚长较大、产量也相对较好。剩余8份材料为可以归为第4类(图1、表5)。

表5 不同类群的10个农艺性状比较

2.5 小豆种质资源的主成分分析及综合评价

2.5.1 小豆种质资源农艺性状的主成分分析 对20份小豆种质资源的10个农艺性状进行主成分分析(表6)，可以看到前4个主成分累计贡献率达85.573%，基本代表了20份种质资源的主要遗传信息。第1主成分特征值为4.834，贡献率为48.430%，特征向量有正有负，单荚粒数、单株荚数的贡献较大，特征向量值分别为0.908、0.851。第2主成分特征值为1.841，贡献率为18.409%，特征向量有正有负，主要反映生育期、主茎粗，其向量值分别为0.869、0.681。第3主成分特征值为0.972，贡献率为9.721%，从载荷数值大小来看，该成分主要反映产量，其向量值为0.422。第4主成分特征值为0.901，贡献率为9.012%，从数值大小来看，该成分主要反映株高，其向量值为0.516。

2.5.2 小豆种质资源综合评价 利用入选的特征向量和特征值计算20份小豆种质资源的主成分值[14]，根据主成分得分进行评价和排序。利用表6的各成分得分系数得到如下关系式：

表6 20份小豆种质资源农艺性状的主成分分析

F1=0.679X1+0.899X2+0.625X3+0.767X4-0.301X5-0.665X6+0.658X7+0.476X8-0.059X9+0.504X10；

F2=-0.423X1+0.070X2+0.018X3-0.260X4-0.394X5+0.369X6+0.152X7+0.356X8+0.890X9+0.639X10；

F3=0.101X1-0.076X2+0.430X3+0.050X4+0.742X5+0.399X6+0.201X7+0.432X8+0.220X9-0.285X10；

F4=0.371X1+0.172X2+0.082X3+0.392X4-0.071X5+0.464X6-0.247X7-0.573X8+0.347X9-0.032X10。

综合评价函数F=(λ1/λ1+λ2+λ3+λ4)F1+(λ2/λ1+λ2+λ3+λ4)F2+(λ3/λ1+λ2+λ3+λ4)F3+(λ4/λ1+λ2+λ3+λ4)F4=0.467F1+0.239F2+0.160F3+0.134F4(其中，λ1、λ2、λ3、λ4分别为4个主成分对应的特征值)。

综合得分越高，表明综合表现越好。由表7可知，综合得分排在前5名的小豆品种依次为小丰2号、赤红11003、赤红13006、赤红11009、赤红13001。

表7 20份小豆种质资源的综合得分

2.6 小豆种质的灰色关联度分析

灰色关联度在玉米、小麦等农作物种质资源筛选过程中被广泛应用， 能够更加全面地对品种的优劣进行综合性评价[15-16]。一般而言，参试品种与参考品种间的关联度越大，其综合性能越理想。本研究表明，20个参试品种加权关联度前5名为赤红11009>赤红11010>赤红13006>小丰2号>赤红13001(表8、表9)，表明这5份材料农艺性状综合性能较好。

表8 20份小豆种质资源关联系数

表9 20份小豆种质资源的加权关联度及其排序

3 讨论与结论

优质高产小豆的选育不仅涉及到产量的高低，还包含生育期、植株高度、抗倒伏性多个指标，且各指标对品种质量的贡献程度存在显著差异。因而有必要对参试材料进行相关农艺性状的综合性分析，最终选育适合当地气候、土壤等环境条件的最佳品种[17]。本研究利用主成分分析、聚类分析、灰色关联度分析的方法，对赤峰市地区20份小豆材料进行分析，结果表明：(1)20份小豆种植资源在生育期、株高、主茎分枝、单株荚数及产量等10个农艺性状上具有丰富的变异。其中，单位面积产量、单株荚数、主茎分枝数和株高具有较大的变异，变异系数在30%～36%之间，表明这几个农艺性状在不同品种之间差异较大。生育期、荚长、单荚粒数和主茎粗具有较小的变异，均低于10%。(2)遗传多样性指数(H′)中，单株荚数H′最高， 为1.990 0， 百粒质量和主茎分枝数H′次之，为1.973 0和1.920 7，说明此3种性状在20份小豆种质资源中遗传基础相对最广，改良潜力最大。(3)相关性分析中，产量与单株荚数呈极显著正相关性， 相关系数0.842，与荚长、单荚粒数呈显著正相关，相关系数为0.545、0.561，说明单株荚数、单荚粒数这2个性状对小豆平均产量影响较大。(4)主成分分析方法评价结果表明，小丰2号、赤红11003、赤红13006、赤红11009、赤红13001表现较好；灰色关联度分析方法评价结果表明，赤红11009、赤红11010、赤红13006、小丰2号与赤红13001表现较好。2种评价方法的研究结果基本相同，研究结果表明，赤红11009、赤红13006、小丰2号、赤红13001这4个品种产量较高、抗倒伏性强，比较适合赤峰地区种植。

相关研究表明，小豆的产量及抗性等品质除受到种子本身品质的影响外，还受到种植模式，如种植密度、灌溉模式、施肥管理方式等多种因素的影响[18-19]，本研究仅在田间试验条件下筛选出5个适合在赤峰地区种植推广的品种，在野外大田条件下的品质表现还有待于进一步研究，进而确定科学合理的种植管理模式。同时抗病害性也是小豆种质资源选育的重要指标[20-21]，未来相关方面研究还应将这一指标纳入到综合评价体系内。