李煒，畢影東，劉建新，王玲，劉淼，邸樹峰，樊超，楊光，謝婷婷，來永才

(黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 耕作栽培研究所，黑龍江 哈爾濱 150086)

0 引 言

野生大豆(Glycinesoja)為一年生草本植物，是栽培大豆的野生祖先種，主要分布于東亞的中北部地區(qū)，在中國(guó)、日本列島、朝鮮半島和俄羅斯遠(yuǎn)東地區(qū)集中分布，北緯35°以北地區(qū)分布了大約80%的野生大豆[1]。野生大豆表型性狀比較復(fù)雜，其莖細(xì)長(zhǎng)蔓生，莢小、成熟不一致且易炸莢，籽粒不易吸水。但野生大豆具有多花莢、品質(zhì)優(yōu)良、抗病、抗蟲及耐逆等多種優(yōu)良特性[2-9]，在大豆資源創(chuàng)新利用中具有極其重要的利用價(jià)值。野生大豆農(nóng)藝性狀之間存在相互制約或相互促進(jìn)的關(guān)系，對(duì)大豆產(chǎn)量有影響，而在育種時(shí)難以做到同時(shí)兼顧所有的農(nóng)藝性狀，因此選擇育種后代材料時(shí)常出現(xiàn)難以取舍的情況。

主成分分析的基本思想是通過降維過程，將多個(gè)互相關(guān)聯(lián)的數(shù)值指標(biāo)轉(zhuǎn)化為少數(shù)幾個(gè)互不相關(guān)的綜合指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)方法，即用較少的指標(biāo)來代替和綜合反映原來較多的信息，這些綜合后的指標(biāo)就是原來多指標(biāo)的主要成分[10]。該方法已被廣泛應(yīng)用于大豆種質(zhì)資源的產(chǎn)量性狀和品質(zhì)性狀的分析中[11-17]，在資源評(píng)價(jià)方面，很多研究人員利用主成分分析方法研究大豆育成品種和菜用大豆的農(nóng)藝性狀[11-14]，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)性狀的降維，用較少指標(biāo)反映了原來較多的性狀；在大豆產(chǎn)量相關(guān)性狀方面，李燦東[15]通過主成分分析將10個(gè)產(chǎn)量性狀轉(zhuǎn)化為3個(gè)獨(dú)立綜合指標(biāo)，代表10個(gè)產(chǎn)量性狀86.43%的信息量，郭數(shù)進(jìn)等[16]用4個(gè)主成分反映了原來的12個(gè)指標(biāo)，分別是產(chǎn)量因子、株型因子、籽粒因子及籽粒因子Ⅱ；在品質(zhì)性狀方面，姜曉青等[17]為研究同一地域不同品種速凍菜用大豆籽粒的品質(zhì)，用4個(gè)主成分反映了原來的10項(xiàng)理化指標(biāo)，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)89.33%；在耐逆性狀方面，田藝心等[18]通過主成分分析確定了3個(gè)主成分，分別反映萌發(fā)因子、鹽害因子和根部情況，并確定相對(duì)根長(zhǎng)、相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)發(fā)芽勢(shì)和根冠比鹽害率可作為大豆耐鹽篩選與評(píng)價(jià)的重要指標(biāo)。然而，主成分分析在野生大豆資源中的應(yīng)用還未見報(bào)道。寒地野生大豆是指分布于我國(guó)北緯45°以北高寒地區(qū)的野生大豆，黑龍江省位于我國(guó)的最東北部，屬于我國(guó)高寒地區(qū)、溫帶大陸性氣候，復(fù)雜的地形地貌和多樣的生態(tài)類型為該地區(qū)豐富類型的野生大豆分布奠定了良好的環(huán)境基礎(chǔ)。本研究對(duì)來自于黑龍江省不同地點(diǎn)的204份野生大豆的農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性分析和主成分分析，篩選優(yōu)異材料以期為今后利用這些資源配制雜交親本提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

根據(jù)代表性和均衡性的取樣原則，供試的204份野生大豆材料來自于黑龍江省13個(gè)市(地區(qū))，已經(jīng)過自交繁殖(表1)。

表1 材料來源Table 1 Distribution areas of tested materials

1.2 試驗(yàn)方法

田間試驗(yàn)于2018年在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院國(guó)家農(nóng)業(yè)示范園區(qū)進(jìn)行。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，穴播，3次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)種植一行，行長(zhǎng)1 m，行距0.65 m，每行種植4穴，出苗后每穴定苗1株，插竹竿輔助試驗(yàn)材料的莖纏繞其生長(zhǎng)，單株間防止互相纏繞。

1.3 表型數(shù)據(jù)測(cè)定與數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)材料出苗至成熟后調(diào)查如下農(nóng)藝性狀：花色(1：白色；2：紫色)；葉形(1：披針；2：卵圓；3：橢圓；4：線形)；進(jìn)化類型(野生：百粒重≦3.00 g；半野生：百粒重>3.01 g)；種皮色(1：黃色；2：綠色；3：黑色；4：褐色；5：雙色)；臍色(1：黑色；2：褐色)；泥膜(1：有；2：無；3：有光澤)；節(jié)數(shù)(植株成熟時(shí)從子葉節(jié)到頂端的節(jié)數(shù)(個(gè)))；節(jié)間距(成熟時(shí)相鄰節(jié)之間的長(zhǎng)度(cm))；分枝數(shù)(成熟時(shí)植株上有兩個(gè)以上成熟莢的所有分枝數(shù)(個(gè)))；單株粒重(成熟時(shí)收獲單株種子的重量(g))；百粒重(成熟后100個(gè)完整種子的重量(g))；單株粒數(shù)(成熟時(shí)單株實(shí)際的粒數(shù)(個(gè)))；有效莢數(shù)(成熟時(shí)單株實(shí)際結(jié)粒的莢數(shù)(個(gè)))；無效莢數(shù)(成熟時(shí)單株未結(jié)粒的莢數(shù)(個(gè)))；葉形指數(shù)(葉片長(zhǎng)/葉片寬)，測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)參考《大豆種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[19]。

用Excel軟件計(jì)算各性狀的變異系數(shù)、最小值、最大值、平均值和遺傳多樣性指數(shù)，遺傳多樣性指數(shù)采用Shannon-Weave指數(shù)H′=-ΣPiLnPi計(jì)算[20]，首先對(duì)各性狀的調(diào)查值質(zhì)量化處理，每個(gè)性狀10級(jí)分類，1級(jí)<平均值-2×標(biāo)準(zhǔn)差，10級(jí)≥平均值+2×標(biāo)準(zhǔn)差，中間每級(jí)級(jí)差0.5×標(biāo)準(zhǔn)差，以此為基礎(chǔ)計(jì)算各性狀第i個(gè)代碼值出現(xiàn)的概率(Pi)，用SPSS軟件進(jìn)行相關(guān)性分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 寒地野生大豆資源農(nóng)藝性狀及統(tǒng)計(jì)分析

在204份野生大豆資源中，野生型162份，半野生型42份；紫花的材料185份，白色的材料19份；卵圓葉的材料70份，橢圓葉54份，披針葉78份，線形葉2份；黑色種皮175份，褐色種皮14份，雙色種皮12份，綠色種皮2份，黃色種皮1份；臍色為黑色的材料105份，褐色的材料99份；183份材料表現(xiàn)為種子有泥膜，19份表現(xiàn)為有光澤，2份表現(xiàn)為無泥膜。

對(duì)野生大豆資源農(nóng)藝性狀的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)各農(nóng)藝性狀表型變異系數(shù)在14.0%～71.4%之間，無效莢數(shù)變異系數(shù)最大為71.4%，節(jié)間距變異系數(shù)最小為14.0%；多樣性指數(shù)介于1.46～2.06之間，單株粒數(shù)多樣性指數(shù)最高為2.06，百粒重最低為1.46。

2.2 寒地野生大豆特異遺傳材料的挖掘

根據(jù)204份野生大豆農(nóng)藝性狀的調(diào)查數(shù)據(jù)，剔除重復(fù)性狀的材料，篩選出27份特異材料(表2)，具體為：2份高產(chǎn)、1份低產(chǎn)；2份大粒、4份小粒；1份多莢、3份少莢；2份多分枝、3份少分枝；1份多粒、2份少粒；3份多節(jié)、2份少節(jié)；2份節(jié)間距大、3份節(jié)間距?。?份無效莢數(shù)少、1份無效莢數(shù)多；2份葉片窄、2份葉片寬的特異遺傳材料，其中，有8份材料的集兩個(gè)以上的特異性狀于一身。HAAS036表現(xiàn)為有效莢數(shù)少、單株粒數(shù)少、葉片寬，HAAS038表現(xiàn)為分枝多、節(jié)間短，HAAS041表現(xiàn)為有效莢數(shù)少、單株粒數(shù)少，HAAS078表現(xiàn)為有效莢數(shù)多、單株粒數(shù)多，HAAS099表現(xiàn)為單株粒重少、節(jié)間短，HAAS185表現(xiàn)為節(jié)數(shù)多、節(jié)間距大，HAAS246表現(xiàn)為百粒重大、節(jié)間短，HAAS247表現(xiàn)為有效莢數(shù)少、無效莢數(shù)多。

表2 挖掘的特異遺傳材料Table 2 Specific genetic materials screened

2.3 野生大豆資源農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

百粒重與分枝數(shù)和單株粒重呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01，表3),與有效莢數(shù)、節(jié)數(shù)、單株粒數(shù)和葉形指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；分枝數(shù)與節(jié)數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，與節(jié)間距呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；有效莢數(shù)與節(jié)數(shù)、節(jié)間距、單株粒數(shù)和葉形指數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；節(jié)數(shù)與節(jié)間距、單株粒數(shù)和葉形指數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；節(jié)間距與單株粒數(shù)和葉形指數(shù)分別呈極顯著(P<0.01)和顯著(P<0.05)的正相關(guān)關(guān)系；葉形指數(shù)與單株粒數(shù)和單株粒重呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)；無效莢數(shù)與百粒重、分枝數(shù)、有效莢數(shù)和節(jié)數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；單株粒重與分枝數(shù)、有效莢數(shù)、節(jié)數(shù)、節(jié)間距和單株粒數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

表3 試驗(yàn)材料農(nóng)藝性狀間的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis among agronomic traits of tested materials

2.4 野生大豆資源農(nóng)藝性狀的主成分分析

通過主成分分析，計(jì)算農(nóng)藝性狀的主成分特征值和貢獻(xiàn)率(表4)，我們發(fā)現(xiàn)前3個(gè)主成分特征值均大于 1，累計(jì)貢獻(xiàn)率大于73.1%，能有效的解釋野生大豆農(nóng)藝性狀的總變異，根據(jù)累計(jì)貢獻(xiàn)率的大小，可以將9個(gè)農(nóng)藝性狀指標(biāo)轉(zhuǎn)化為3個(gè)綜合指標(biāo)，我們將前3個(gè)主成分作為綜合指標(biāo)有效代替原始指標(biāo)所含信息，各主成分中性狀指標(biāo)的特征向量絕對(duì)值最大為該主成分中代表指標(biāo)。第一主成分的特征值為3.77，貢獻(xiàn)率為41.9%，有效莢數(shù)、節(jié)數(shù)、單株粒數(shù)和節(jié)間距載荷量正向較大，分別為0.93、0.91、0.93、0.65，百粒重載荷量負(fù)向較大為-0.76；第二主成分的特征值為1.76，貢獻(xiàn)率為19.6%，載荷正向值較大的是單株粒重和百粒重，賦值結(jié)果為0.89和0.56；第三主成分的特征值為1.05，貢獻(xiàn)率為11.7%，載荷正向值較大的是分枝數(shù)和無效莢數(shù)，賦值結(jié)果為0.73和0.59。

3 討論

黑龍江省位于我國(guó)的最東北部，地處溫帶與寒溫帶交界處，屬于溫帶大陸性氣候，地形地貌復(fù)雜，形成了多樣的生態(tài)類型，孕育了類型豐富的野生大豆資源。從野生大豆9個(gè)農(nóng)藝性狀的變幅、多樣性指數(shù)和變異系數(shù)來看，多樣性指數(shù)最高的是單株粒數(shù)，最低的是單株粒重，變異系數(shù)最大的是無效莢數(shù)，最小的是節(jié)間距，與羅瑞萍等人的研究結(jié)果一致[21]，證明了野生大豆的農(nóng)藝性狀在大豆改良中具有較高的利用價(jià)值。特異種質(zhì)資源是用于遺傳及育種研究中的具有特異性狀的遺傳材料，是自然突變或人工創(chuàng)造獲得的種質(zhì)，在產(chǎn)量、品質(zhì)或耐逆等方面具有創(chuàng)新研究的價(jià)值。研究表明野生大豆資源的特異性在遺傳育種中的重要價(jià)值主要表現(xiàn)在豐產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)和抗逆等方面[1]，我們通過對(duì)9個(gè)農(nóng)藝性狀的統(tǒng)計(jì)分析篩選出27份特異材料，其中有8份材料聚集了兩個(gè)或兩個(gè)以上的特異性狀，為后續(xù)開展遺傳研究和育種利用奠定材料基礎(chǔ)。

野生大豆的各個(gè)農(nóng)藝性狀間的關(guān)系比較復(fù)雜，有些性狀提供的信息可能是彼此重疊、也可能是相互制約或者相互促進(jìn)，如果僅憑經(jīng)驗(yàn)直觀判斷大豆性狀間的相互關(guān)系，會(huì)發(fā)生偏差，尤其在篩選優(yōu)異材料開展遺傳和育種研究中，由于性狀間的促進(jìn)和制約，有可能會(huì)影響最終的研究結(jié)果。我們首先對(duì)野生大豆9個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)單株粒重與單株粒數(shù)、有效莢數(shù)、分枝數(shù)、節(jié)數(shù)、節(jié)間距和百粒重呈顯著和極顯著的正相關(guān)關(guān)系，與葉形指數(shù)呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與前人的研究結(jié)果基本一致[11,14,16,22-23]，這說明了野生大豆資源在創(chuàng)新改良中可以依靠百粒重、分枝數(shù)、主莖節(jié)數(shù)、單株粒數(shù)、節(jié)間距、有效莢數(shù)的增加來提高單株粒重；同理，可以依靠分枝數(shù)、單株粒重、無效莢數(shù)來調(diào)整百粒重；可以通過節(jié)數(shù)、無效莢數(shù)、單株粒重的變化影響分枝數(shù)。

從9個(gè)農(nóng)藝性狀間的相關(guān)性分析來看，相關(guān)性分析是對(duì)兩個(gè)連續(xù)型變量之間的線性相關(guān)關(guān)系的分析，正相關(guān)或者負(fù)相關(guān)并不一定表示一個(gè)變量的改變是另一個(gè)變量變化的原因，有可能同受另一個(gè)因素的影響，各個(gè)指標(biāo)提供了豐富的數(shù)據(jù)，同時(shí)也增加了分析問題的復(fù)雜性和難度[10]。為了進(jìn)一步從野生大豆農(nóng)藝性狀中挖掘更重要的信息，我們進(jìn)行了主成分分析，結(jié)果表明其性狀信息主要集中在前3個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率大于73.1%，第一主成分中絕對(duì)值較高的 5個(gè)性狀主要反映了野生大豆的莢粒性狀特征，這是構(gòu)成單株產(chǎn)量的重要性狀，所占的貢獻(xiàn)率也最高，說明提高野生大豆單株粒重主要應(yīng)該增加有效莢數(shù)、節(jié)數(shù)和單株粒數(shù)，這與韓秉進(jìn)等[24]的研究結(jié)果一致；第二主成分絕對(duì)值較高的性狀為產(chǎn)量性狀因子；第三主成分絕對(duì)值較高的性狀為株型性狀因子。結(jié)合相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量性狀因子(單株粒重、百粒重)和部分株型性狀因子(分枝數(shù))存在正相關(guān)關(guān)系，這說明協(xié)調(diào)株型性狀與產(chǎn)量性狀的關(guān)系可提高其經(jīng)濟(jì)系數(shù)。因此，野生大豆以產(chǎn)量性狀做為目標(biāo)性狀進(jìn)行單株選擇時(shí)，應(yīng)選擇有效分枝數(shù)多，節(jié)數(shù)多、有效莢數(shù)多、百粒重較大的品種。

4 結(jié)論

204份野生大豆資源農(nóng)藝性狀表型變異系數(shù)的變幅為14.0%～71.4%，多樣性指數(shù)的變幅為1.46～2.06；篩選出27份特異材料，有8份材料聚集了兩個(gè)以上的特異性狀；單株粒重與其它的性狀(無效莢數(shù)除外)之間均存在著顯著的相關(guān)性；百粒重和其它的性狀(節(jié)間距除外)之間均存在著顯著或極顯著的相關(guān)性，有效莢數(shù)和其它的性狀(分枝數(shù)除外)之間均存在著顯著或極顯著的相關(guān)性，單株粒數(shù)和其它的性狀(分枝數(shù)和無效莢數(shù)除外)之間均存在著顯著或極顯著的相關(guān)性；主成分分析發(fā)現(xiàn)前3個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率大于73.1%，能有效的解釋野生大豆農(nóng)藝性狀的總變異。