王曉磊， 康澤然， 魏云山， 劉迎春， 周學(xué)超， 胡海波， 李 峰， 崔智慧， 楊志閣， 裴廣利

(1.赤峰市農(nóng)牧科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古赤峰 024031； 2.內(nèi)蒙古遼中京農(nóng)業(yè)科技有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古赤峰 024200)

小豆(Vignaangularis)作為主要的食用豆類作物在我國具有悠久的種植歷史。特別是近年來隨著人們生活水平的不斷提高，飲食結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生改變，小豆由于具有高蛋白質(zhì)、低脂肪且富含多種微量元素和氨基酸等優(yōu)點(diǎn)，種植面積逐步增加，已經(jīng)成為我國主要的雜糧之一[1-2]。同時(shí)，相關(guān)研究人員指出，小豆的種植也是發(fā)展特色農(nóng)業(yè)、促進(jìn)農(nóng)民增收進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革和鄉(xiāng)村振興的重要舉措[3]。但是，長(zhǎng)期以來我國小豆多以零散種植為主，研究基礎(chǔ)相對(duì)薄弱，雖然已經(jīng)鑒定出不少品種，但缺乏高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的推廣品種，且存在嚴(yán)重退化、病蟲害增加、抗逆性減弱和產(chǎn)量下滑等問題，已經(jīng)嚴(yán)重制約了我國小豆產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[4]。因而，選育優(yōu)質(zhì)小豆品種，對(duì)地方品種進(jìn)行改良，因地制宜地篩選出適應(yīng)特定區(qū)域種植的小豆品種對(duì)于提高小豆國際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力、發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)至關(guān)重要。

農(nóng)藝性狀是判斷小豆是否適合在某一區(qū)域引種和育種的重要條件，生育期、株高、主莖分枝數(shù)及產(chǎn)量等指標(biāo)在已有的研究中得到廣泛關(guān)注[5-9]。高運(yùn)青等通過對(duì)生育期等10個(gè)指標(biāo)的綜合分析，采用灰色關(guān)聯(lián)度與聚類分析的方法篩選出適合于在河北省種植的小豆品種[10]；葛平珍等基于主成分分析的方法對(duì)貴州省不同小豆品種進(jìn)行篩選[11]。赤峰市作為內(nèi)蒙古自治區(qū)重要的糧食基地，在區(qū)域乃至全國商品糧供應(yīng)上發(fā)揮著重要的作用，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)種植主要以小麥、玉米與馬鈴薯等農(nóng)作物為主。近年來，赤峰市農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)改革不斷深入，種植模式也發(fā)生了顯著的改變，小豆等雜糧作物的種植面積在不斷擴(kuò)大。選育優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)、抵抗性強(qiáng)的小豆品種是提高農(nóng)業(yè)用地效益、加速發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要手段和保障。本研究采用灰色關(guān)聯(lián)度分析、主成分分析和聚類分析方法，對(duì)20份小豆種質(zhì)資源進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，以期篩選出適合在赤峰地區(qū)推廣種植的小豆品種，為區(qū)域范圍內(nèi)雜糧產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試小豆種質(zhì)資源20份，來自北京市、黑龍江省、內(nèi)蒙古自治區(qū)等地(表1)。

表1 20份小豆種質(zhì)資源名稱與來源

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018—2019年在赤峰農(nóng)牧科學(xué)研究所城子試驗(yàn)基地(118.43′14″E，42.9′24″N)進(jìn)行，海拔700 m。該區(qū)域?qū)儆诟珊蛋敫珊档貐^(qū)，年降水量為381 mm，蒸發(fā)量1 600～2 500 mm，有效活動(dòng)積溫 3 100 ℃，年無霜期120～145 d，日照時(shí)數(shù)為2 800～ 3 100 h，光熱資源充足。土壤類型為壤土，地勢(shì)平坦、肥力均勻。土壤有機(jī)質(zhì)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，速效鉀含量85 mg/kg，pH值8.18。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與測(cè)定方法

試驗(yàn)小區(qū)面積3 m2(行長(zhǎng)3 m、寬1 m、2行區(qū))，行距0.5 m，株距0.2 m。重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列。田間調(diào)查記載各參試材料的生育期、抗病性及抗倒伏性，栽培管理同大田。成熟期，在每小區(qū)中間隨機(jī)選取有代表性的植株5株進(jìn)行考種，測(cè)定株高、主莖分枝、主莖節(jié)數(shù)、單株莢數(shù)、莢長(zhǎng)、單莢粒數(shù)、百粒質(zhì)量等。各個(gè)小區(qū)單收、單脫，測(cè)定產(chǎn)量。調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)參照《小豆種質(zhì)資源數(shù)據(jù)質(zhì)量控制規(guī)范》進(jìn)行[12]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

CV=(平均值/標(biāo)準(zhǔn)差)×100%；

H′=-∑PilnPi(Pi表示第i種變異出現(xiàn)的頻率)。

1.4.2 灰色關(guān)聯(lián)度分析 依據(jù)灰色系統(tǒng)理論要求，20個(gè)小豆品種的10個(gè)性狀指標(biāo)組成1個(gè)灰色系統(tǒng)，每個(gè)品種作為系統(tǒng)中的1個(gè)因素。以參試品種性狀指標(biāo)Xi(i=1，2，3，…，20)={Xi(1)，Xi(2)，…，Xi(10)}={生育期、 株高、主莖分枝數(shù)、主莖節(jié)數(shù)、單株莢數(shù)、莢長(zhǎng)、單莢粒數(shù)、主莖粗、百粒質(zhì)量、產(chǎn)量}構(gòu)成的數(shù)列作為比較數(shù)列，以參考品種各項(xiàng)性狀指標(biāo)X0={X0(1)，X0(2)，…，X0(10)}構(gòu)成的數(shù)列作為參考數(shù)列。參試品種和參考品種的各項(xiàng)性狀指標(biāo)的平均值見表2。參照許如意等(2011)的方法計(jì)算各參試品種與參考品種間的關(guān)聯(lián)系數(shù)、等權(quán)關(guān)聯(lián)度和加權(quán)關(guān)聯(lián)度。

(1)

(2)

(3)

式中：Δi(k)=|Xo(k)-Xi(k)|，為Xo數(shù)列與Xi在第k點(diǎn)的絕對(duì)值；minΔi(k)為二級(jí)最小差；maxΔi(k) 為二級(jí)最大差；ρ為分辨系數(shù)，通常取值0.5；ε為關(guān)聯(lián)系數(shù)；W為各關(guān)聯(lián)系數(shù)的權(quán)重；n為參試品種數(shù)；k為評(píng)估的性狀數(shù)。

1.4.3 聚類分析和主成分分析 利用SPSS 17.0軟件進(jìn)行相關(guān)性分析、聚類分析和主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)藝性狀表現(xiàn)與遺傳多樣性分析

對(duì)參試品種的10個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行分析，結(jié)果(表2、表3)表明，不同小豆品種之間存在較大差異(2.27%～35.06%)。其中，變異系數(shù)最大的農(nóng)藝性狀為產(chǎn)量，高達(dá)35.06%，產(chǎn)量最高的為小豐2號(hào)(4 019.49 kg/hm2)，產(chǎn)量最低的為佳紅1號(hào)(854.57 kg/hm2)。單株莢數(shù)、主莖分枝數(shù)和株高也具有較高的變異系數(shù)，分別為34.34%、32.11%和30.64%。說明20份小豆種質(zhì)資源在產(chǎn)量、單株莢數(shù)、主莖分枝數(shù)和株高這4個(gè)性狀上存在較大差異，變異類型豐富，選擇基礎(chǔ)較廣，具有較好的改良潛力；生育期的變化幅度較小(123～133 d)，變異系數(shù)僅為2.27%。說明該農(nóng)藝性狀的環(huán)境穩(wěn)定性較高。

表2 20份小豆種質(zhì)資源的農(nóng)藝性狀

表3 20份小豆種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀描述性統(tǒng)計(jì)分析

10個(gè)農(nóng)藝性狀的遺傳多樣性指數(shù)(H′)大小在 0.948 9～1.990 0之間，平均值為1.702 3，說明各農(nóng)藝性狀具有豐富的多樣性，遺傳基礎(chǔ)廣、差異大，通過育種手段進(jìn)行種質(zhì)間雜交改良可繁育出優(yōu)異的品種。其中，單株莢數(shù)的H′最高，為1.990 0，百粒質(zhì)量、主莖分枝數(shù)H′次之，為1.973 0、1.920 7，說明此3種性狀在20份小豆種質(zhì)資源中遺傳基礎(chǔ)相對(duì)最廣，改良潛力最大。

2.2 農(nóng)藝性狀相關(guān)性分析

20份小豆種質(zhì)資源的9個(gè)性狀間存在不同程度的相關(guān)性(表4)。其中，產(chǎn)量與單株莢數(shù)呈極顯著正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)0.842，與莢長(zhǎng)、單莢粒數(shù)呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.545、0.561，說明單株莢數(shù)、單莢粒數(shù)這2個(gè)性狀對(duì)小豆平均產(chǎn)量影響較大。主莖粗與生育期呈顯著正相關(guān)性；單莢粒數(shù)與株高、主莖分枝數(shù)、單株莢數(shù)呈極顯著正相關(guān)，與主莖節(jié)數(shù)呈顯著正相關(guān)性；莢長(zhǎng)與主莖節(jié)數(shù)、單株莢數(shù)呈顯著正相關(guān)性，單株莢數(shù)與株高、主莖分枝數(shù)呈顯著正相關(guān)性；主莖節(jié)數(shù)與株高呈顯著正相關(guān)性，其他性狀沒有顯著相關(guān)性。

表4 20份小豆種質(zhì)資源各性狀間的相關(guān)系數(shù)

2.3 抗逆性分析

20份小豆種質(zhì)資源田間鑒定未見發(fā)病，均表現(xiàn)較好的抗性?？沟狗b定表明，赤紅11002、中紅6號(hào)、中紅9號(hào)、佳紅1號(hào)抗倒伏性強(qiáng)， 其他品種均表現(xiàn)為抗倒伏性中等。

2.4 小豆種質(zhì)資源的聚類分析

聚類分析的結(jié)果表明，歐氏距離為7.15時(shí)，20個(gè)參試品種主要可以分為4類，其中赤紅11002、紅珍珠、赤紅11008、佳紅1號(hào)、中紅9號(hào)為第1類，其農(nóng)藝性狀的主要特征為主莖節(jié)數(shù)與分枝較少、單株莢數(shù)較低、莢長(zhǎng)較短、百粒質(zhì)量較高但產(chǎn)量較低。第2類主要包括中紅2018-135、中紅4號(hào)、中紅8號(hào)、中紅2010-135，其農(nóng)藝性狀的主要特征為主莖節(jié)數(shù)相對(duì)較多，百粒質(zhì)量也較大，但產(chǎn)量處于中等水平。第3類包含赤紅11003、大紅袍、小豐2號(hào)3份材料，農(nóng)藝特征主要為單株莢數(shù)較高、莢長(zhǎng)較大、產(chǎn)量也相對(duì)較好。剩余8份材料為可以歸為第4類(圖1、表5)。

表5 不同類群的10個(gè)農(nóng)藝性狀比較

2.5 小豆種質(zhì)資源的主成分分析及綜合評(píng)價(jià)

2.5.1 小豆種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的主成分分析 對(duì)20份小豆種質(zhì)資源的10個(gè)農(nóng)藝性狀進(jìn)行主成分分析(表6)，可以看到前4個(gè)主成分累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)85.573%，基本代表了20份種質(zhì)資源的主要遺傳信息。第1主成分特征值為4.834，貢獻(xiàn)率為48.430%，特征向量有正有負(fù)，單莢粒數(shù)、單株莢數(shù)的貢獻(xiàn)較大，特征向量值分別為0.908、0.851。第2主成分特征值為1.841，貢獻(xiàn)率為18.409%，特征向量有正有負(fù)，主要反映生育期、主莖粗，其向量值分別為0.869、0.681。第3主成分特征值為0.972，貢獻(xiàn)率為9.721%，從載荷數(shù)值大小來看，該成分主要反映產(chǎn)量，其向量值為0.422。第4主成分特征值為0.901，貢獻(xiàn)率為9.012%，從數(shù)值大小來看，該成分主要反映株高，其向量值為0.516。

2.5.2 小豆種質(zhì)資源綜合評(píng)價(jià) 利用入選的特征向量和特征值計(jì)算20份小豆種質(zhì)資源的主成分值[14]，根據(jù)主成分得分進(jìn)行評(píng)價(jià)和排序。利用表6的各成分得分系數(shù)得到如下關(guān)系式：

表6 20份小豆種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的主成分分析

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。

綜合評(píng)價(jià)函數(shù)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分別為4個(gè)主成分對(duì)應(yīng)的特征值)。

綜合得分越高，表明綜合表現(xiàn)越好。由表7可知，綜合得分排在前5名的小豆品種依次為小豐2號(hào)、赤紅11003、赤紅13006、赤紅11009、赤紅13001。

表7 20份小豆種質(zhì)資源的綜合得分

2.6 小豆種質(zhì)的灰色關(guān)聯(lián)度分析

灰色關(guān)聯(lián)度在玉米、小麥等農(nóng)作物種質(zhì)資源篩選過程中被廣泛應(yīng)用， 能夠更加全面地對(duì)品種的優(yōu)劣進(jìn)行綜合性評(píng)價(jià)[15-16]。一般而言，參試品種與參考品種間的關(guān)聯(lián)度越大，其綜合性能越理想。本研究表明，20個(gè)參試品種加權(quán)關(guān)聯(lián)度前5名為赤紅11009>赤紅11010>赤紅13006>小豐2號(hào)>赤紅13001(表8、表9)，表明這5份材料農(nóng)藝性狀綜合性能較好。

表8 20份小豆種質(zhì)資源關(guān)聯(lián)系數(shù)

表9 20份小豆種質(zhì)資源的加權(quán)關(guān)聯(lián)度及其排序

3 討論與結(jié)論

優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)小豆的選育不僅涉及到產(chǎn)量的高低，還包含生育期、植株高度、抗倒伏性多個(gè)指標(biāo)，且各指標(biāo)對(duì)品種質(zhì)量的貢獻(xiàn)程度存在顯著差異。因而有必要對(duì)參試材料進(jìn)行相關(guān)農(nóng)藝性狀的綜合性分析，最終選育適合當(dāng)?shù)貧夂颉⑼寥赖拳h(huán)境條件的最佳品種[17]。本研究利用主成分分析、聚類分析、灰色關(guān)聯(lián)度分析的方法，對(duì)赤峰市地區(qū)20份小豆材料進(jìn)行分析，結(jié)果表明：(1)20份小豆種植資源在生育期、株高、主莖分枝、單株莢數(shù)及產(chǎn)量等10個(gè)農(nóng)藝性狀上具有豐富的變異。其中，單位面積產(chǎn)量、單株莢數(shù)、主莖分枝數(shù)和株高具有較大的變異，變異系數(shù)在30%～36%之間，表明這幾個(gè)農(nóng)藝性狀在不同品種之間差異較大。生育期、莢長(zhǎng)、單莢粒數(shù)和主莖粗具有較小的變異，均低于10%。(2)遺傳多樣性指數(shù)(H′)中，單株莢數(shù)H′最高， 為1.990 0， 百粒質(zhì)量和主莖分枝數(shù)H′次之，為1.973 0和1.920 7，說明此3種性狀在20份小豆種質(zhì)資源中遺傳基礎(chǔ)相對(duì)最廣，改良潛力最大。(3)相關(guān)性分析中，產(chǎn)量與單株莢數(shù)呈極顯著正相關(guān)性， 相關(guān)系數(shù)0.842，與莢長(zhǎng)、單莢粒數(shù)呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.545、0.561，說明單株莢數(shù)、單莢粒數(shù)這2個(gè)性狀對(duì)小豆平均產(chǎn)量影響較大。(4)主成分分析方法評(píng)價(jià)結(jié)果表明，小豐2號(hào)、赤紅11003、赤紅13006、赤紅11009、赤紅13001表現(xiàn)較好；灰色關(guān)聯(lián)度分析方法評(píng)價(jià)結(jié)果表明，赤紅11009、赤紅11010、赤紅13006、小豐2號(hào)與赤紅13001表現(xiàn)較好。2種評(píng)價(jià)方法的研究結(jié)果基本相同，研究結(jié)果表明，赤紅11009、赤紅13006、小豐2號(hào)、赤紅13001這4個(gè)品種產(chǎn)量較高、抗倒伏性強(qiáng)，比較適合赤峰地區(qū)種植。

相關(guān)研究表明，小豆的產(chǎn)量及抗性等品質(zhì)除受到種子本身品質(zhì)的影響外，還受到種植模式，如種植密度、灌溉模式、施肥管理方式等多種因素的影響[18-19]，本研究?jī)H在田間試驗(yàn)條件下篩選出5個(gè)適合在赤峰地區(qū)種植推廣的品種，在野外大田條件下的品質(zhì)表現(xiàn)還有待于進(jìn)一步研究，進(jìn)而確定科學(xué)合理的種植管理模式。同時(shí)抗病害性也是小豆種質(zhì)資源選育的重要指標(biāo)[20-21]，未來相關(guān)方面研究還應(yīng)將這一指標(biāo)納入到綜合評(píng)價(jià)體系內(nèi)。