114份鹰嘴豆种质主要农艺性状遗传多样性分析

Genetic diversity analysis of major agronomic traits in 114 chickpea（Cicer arietinum L.）germplasm materials

摘要

目的 阐明河西地区多份鹰嘴豆种质的主要农艺性状及其适应性，为河西地区鹰嘴豆种质资源创新和品质选育提供材料。 方法 对114份鹰嘴豆种质资源的15个农艺性状进行鉴定分析评价，结合聚类分析筛选出特异种质。 结果 114份鹰嘴豆材料具有丰富的遗传多样性，9个数量性状的香农多样性指数（shannon diversity index）由大到小分别为分枝数>单株荚数>百粒质量>单株粒质量>结荚高度>单株粒数>荚粒数>株高>空荚数；6个质量性状的香农多样性指数（shannon diversity index）由大到小为粒色>花色>荚色>粒形>株型>叶形。通过相关性和主成分分析，提取出3个主成分，累计贡献率为78.883%，主要与产量、株高、分枝数有关。聚类分析在遗传距离为15时将114份鹰嘴豆资源分为3个类群，类群Ⅰ材料为株高较高，分枝数和空荚数较少；类群Ⅱ株高适中，分枝数较多，百粒质量较高；类群Ⅲ株高较矮，分枝数适中，籽粒较大。 结论 综合考量各性状筛得5份株高适宜、高产、粒色丰富、大粒鹰嘴豆特异种质资源，分别为86-68c、2014-088、张黑脑豆、张高产脑豆、87品-33。

Abstract

Objective The study was conducted to clarify the main agronomic characters and adaptation of chickpea germplasm resources in Hexi area， providing germplasm materials for the innovation and quality breeding of chickpea in this region. Method Fifteen agronomic characters of 114 chickpea germplasms were identified and evaluated， followed by the screening of specific germplasms by cluster analysis. Result The 114 cultivars of chickpea were rich in genetic diversity.The Shannon diversity index for 9 quantitative traits was in the order from big to small as following： branching number>pod number per plant>100-grain weight per plant>grain weight per plant>pod height>grain number per plant>pod number>plant height>pod number.The Shannon diversity index for six quality traits was in the order as following： grain>flower>pod>grain>plant>leaf shape.Through the correlation and principal component analysis， three principal components were extracted，which cumulatively explained 78.883% of variation and was mainly related to the yield， plant height and branching number. Cluster analysis showed that the 114 chickpea materials could be divided into three groups at the genetic distance of 15. Group Ⅰ were higher in plant height，fewer in both branches and empty pods；GroupⅡ were moderately high in plant height， more in branches，and bigger in 100-seed weight； group Ⅲ were moderately high in plant height，medium in branch number，and larger in grain size. Conclusion Five germplasm materials， i.e.，86-68c，2014-088， Zhang heinaodou， Zhang gaochannaodou and 87-33， were obtained by comprehensive evaluation， which were medium in plant height， high in the yield， rich in grain colour， and large in grain size.

Graphical abstract

关键词

鹰嘴豆 / 种质资源 / 农艺性状 / 遗传多样性

Key words

chickpea / germplasm resources / agronomic traits / genetic diversity

鹰嘴豆（Cicer arietinum L.）是当今世界上栽培面积较广的食用豆类之一，其种植环境多为温暖且较干旱的地区，且具有耐旱、耐寒、耐贫瘠、根系发达、根瘤多而大、固氮能力较强的特点，对于保持水土和生态环境治理有积极作用^［1-2］。在我国，鹰嘴豆种植区域主要分布在新疆、青海、甘肃和云南等地^［3］。鹰嘴豆种质资源性状丰富，不同材料的区域划分、栽培手段及食用方式不同，西北地区鹰嘴豆品种与栽培措施不相匹配^［4-6］。随着市场消费选择和生产发展趋势的转变，急需对河西地区进行鹰嘴豆种质资源的精准鉴定和评价分析，对其进行综合考量，确保高效生产。鹰嘴豆种质资源的多样性是品质遗传改良的基础，农艺性状是评价鹰嘴豆种质资源质量优劣的重要指标，其多为数量性状，易受环境因子影响。通过对形态指标、生理性状及生态地理分布等特征描述来确定物种间关系、分类、鉴定的方法，具有简单、直观和省时等优点^［7-9］。鹰嘴豆种质资源农艺性状多样性主要包括株型、茎叶、籽粒等不同部位的表型特征指标。因此，本研究对114份鹰嘴豆种质资源进行了农艺性状的鉴定评价，并通过相关性分析、主成分分析和聚类分析等，综合评价该批材料的遗传变异，以期为我国河西地区鹰嘴豆种质资源创新和品种选育提供参考。本研究利用形态学分析对114份鹰嘴豆种质材料进行遗传多样性分析及聚类分析，筛选出相对覆盖全面的重要评价指标与优良的种质材料，为甘肃河西地区沿山冷凉灌区鹰嘴豆种质资源创新及品种选育提供理论依据和工作基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料与试验地点

供试材料是从中国农科院作物所、省农科院作物所和自有种质中引选114份鹰嘴豆为材料，于2017年在甘州区乌江镇永丰村进行试验。（表1）

1.2 试验设计

以上述114份鹰嘴豆为材料，于2019年在甘州区乌江镇永丰村进行试验。该地区海拔1 420 m，播前耕层（0~20 cm）土样养分有机质20.1 g/kg，全氮1.13 g/kg，全磷2.25 g/kg，全钾9.5 g/kg，速效氮22.9 mg/kg，速效磷24.8 mg/kg，速效钾915 mg/kg，含盐量0.1%，pH8.2。试验共设置3次重复，小区面积10 m×3 m=30 m²，行距0.40 m，每行播种50穴，每穴点播2粒，穴距0.10 m，完全随机区组排列。成熟期每小区取5株测定株高、结荚高度、分枝数、单株荚数、空荚数、单荚粒数、单株粒数和单株粒质量等性状指标，成熟籽粒风干后测量产量、百粒质量，同时观测并记录粒形、粒色等性状。调查考种方法参照《鹰嘴豆种质资源描述规范和数据标准》^［10］。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010和SPSS 19.0进行数据分析，采用Shannon多样性指数分析法对鹰嘴豆数量性状进行遗传多样性分析，根据形状表现及相关性分析筛选特异种质，参考相关文献^［11-14］计算指标。

Shannon多样性指数分析：首先计算试验材料总体平均数（X）和标准差（σ），然后划分为10级，从第1级 ［X _i <（X-2σ）］ 至第10级 ［X _i >（X+2σ）］，每0.5σ为1级，每级的相对频率用于计算Shannon多样性指数。

Shannon多样性系数

H′=-∑P_i lnP_i

式中：P_i 为该性状第i级别内的材料份数占总份数的百分比，ln为自然对数。

2 结果与分析

2.1 不同鹰嘴豆种质资源数量性状遗传多样性

由表2可知，株高、分枝数、结荚高度、单株荚数、空荚数、荚粒数、单株粒数、单株粒质量和百粒质量9个数量性状在不同鹰嘴豆种质资源间多样性指数范围为1.722~2.015，其中分枝数的多样性指数最大为2.015，单株荚数次之为1.998，空荚数最小为1.722。通过对鹰嘴豆种质的多样性指数分析发现，114份种质具有丰富的资源多样性。

9个数量性状的变异系数范围为18.28%~90.32%，其中单株空荚数的变异系数最大为90.32%，分枝数的最小为18.28%，外引材料各性状的变异系数均大于10%，说明该批鹰嘴豆种质之间存在较大的差异，有利于后期特异种质的筛选与鉴定。种质资源的变异系数越大，则说明每个种质资源具有独特性，每个性状间都不具有重复性，具有挖掘优异种质资源的潜在特性。

2.2 不同鹰嘴豆种质资源质量性状遗传多样性

由表3可知，114份鹰嘴豆种质资源的复叶叶型均为圆型；花色以白色为主，占60.53%；株型以直立型为主，其次为半直立型；粒形主要以圆形居多；粒色主要以米色居多，其次为浅黄。

6个质量性状的多样性指数为0~1.355 3，其中粒色的多样性指数最大，为1.355 3，表明粒色遗传多样性最丰富，可为后期鹰嘴豆育种和遗传改良提供物质基础。

6个质量性状的遗传多样性指数（H′）的变化范围为0~1.355 3，其中粒色的H′最高，为1.355 3，表明粒色遗传多样性最丰富，可作为鹰嘴豆种质资源进一步育种和遗传改良的依据。

2.3 不同鹰嘴豆种质资源农艺性状相关性分析

对114份鹰嘴豆种质材料的9个数量性状进行相关性分析，结果见表4。株高与结荚高度、空荚数和百粒质量都表现出极显著正相关作用，相关系数分别为0.710、0.454、0.338；而与荚粒数表现出极显著负相关作用，相关系数为 -0.425；与单株粒数表现出显著负相关，相关系数为 -0.211。分枝数除了与荚粒数、百粒质量之间无显著相关外，与结荚高度、单株荚数、空荚数、单株粒数和单株粒质量均表现出极显著正相关作用，相关系数分别为0.279、0.426、0.292、0.362、0.287。结荚高度与空荚数表现出极显著正相关作用，相关系数为0.297；而与荚粒数、单株粒数表现出极显著负相关作用，相关系数分别为-0.276、-0.249。单株荚数与空荚数、单株粒数、单株粒质量均表现出极显著正相关作用，相关系数分别为0.321、0.821、0.788。空荚数与荚粒数表现出极显著负相关作用，相关系数为 -0.303、而与百粒质量表现出显著正相关作用，相关系数为0.217。荚粒数与单株粒数表现出极显著正相关作用，相关系数为0.629；而与百粒质量则表现出极显著负相关作用，相关系数为-0.689。单株粒数与单株粒质量表现出极显著正相关作用，相关系数为0.618；而与百粒质量表现出极显著负相关作用，相关系数为-0.501。单株粒质量与百粒质量则表现出极显著正相关作用，相关系数为0.299。通过以上农艺性状相关性分析发现，在鹰嘴豆种质资源农艺性状中，分枝数、结荚高度、单株荚数、单株粒数起到决定性作用，是鹰嘴豆产量构成因素中的关键因子，在今后的遗传改良过程中，这几个性状占到很大比重。

2.4 不同鹰嘴豆种质资源农艺性状主成分分析

本试验对114份鹰嘴豆种质材料的9个相关指标进行主成分分析，得到主成分特征值、贡献率和累计贡献率（表5）。依据特征值大于1的原则，提取出了3个主成分。结果表明：第1主成分特征值为3.086，代表着114份鹰嘴豆种质材料的9个指标中34.289%的信息，贡献率最大，其中载荷较高的性状有单株荚数、荚粒数、单株粒数和单株粒质量，特征向量值分别为0.694、0.716、0.948和0.514，主要反映单株荚数、荚粒数、单株粒质量等产量构成因素，该主成分与鹰嘴豆产量密切相关；第2主成分的特征值为2.594，代表着114份鹰嘴豆种质材料的9个指标中28.822%的信息，贡献率次，其中载荷较高的性状有株高、分枝数、单株荚数、空荚粒、单株粒质量，特征向量值分别为0.675、0.527、0.641、0.690、0.612，主要反映株高、分枝数等农艺性状构成因素，该成分与鹰嘴豆形态指标密切相关；第3主成分的特征值为1.420，代表着114份鹰嘴豆种质材料的9个指标中15.773%的信息，贡献率最低，其中载荷较高的性状主要有结荚高度和分枝数，特征向量值分别为0.595和0.409。这3个主成分累计贡献率达到了78.883%，说明这3个主成分反映了原始指标78.883%的信息。

2.5 不同鹰嘴豆种质资源农艺性状聚类分析

本试验对114份鹰嘴豆种质材料进行聚类析，旨在通过聚类分析，挖掘鹰嘴豆种质资源的类群特征，更加精确地进行鹰嘴豆品种改良。通过聚类分析发现，114份鹰嘴豆种质资源可在遗传距离为15时分为3个类群（图1），各类群的资源数目、性状变异系数与平均值见表6。

第Ⅰ类群包含84份材料，占114份鹰嘴豆资源的73.68%，其主要特征是株高、结荚高度最高，分枝数、空荚数最少，单株粒质量、百粒质量最小；其中单株粒数的变异系数最高，空荚数次之，分枝数的变异系数最低。综合各性状表明类群Ⅰ材料为株高较高，分枝数和空荚数较少的种质资源，其代表性的鹰嘴豆资源有鹰咀豆-1、鸡头豆、鹰咀豆-2、回回豆-1、回回豆-2、回回豆-3，其主要来自于原始种，属于未改良选育的品种。

第Ⅱ类群包含14份材料，占114份鹰嘴豆资源的12.28%，主要表现为株高适中，分枝数、单株荚数、空荚数最多，结荚高度最低，荚粒数、单株粒数最少，单株粒质量、百粒质量最高等特征；其中空荚数的变异系数最高，百粒质量次之，分枝数变异系数最低。综合表明类群Ⅱ材料为株高适中，分枝数较多，百粒质量较高的鹰嘴豆资源，其代表性的种质资源有陇鹰1号和陇鹰2号，表明此类群是经过人工驯化，选育出的适宜于大面积推广种植的鹰嘴豆资源，属于栽培种，具有一定的经济和社会效应。

第Ⅲ类群包含16份材料，占114份鹰嘴豆资源的14.04%，主要特征为株高、结荚高度最低，分枝数、单株荚数、空荚数、单株粒质量适中，荚粒数、单株粒数、百粒质量最多；其中空荚数的变异系数最高，单株粒数次之，分枝数的变异系数最低。该类群综合表现为株高矮，分枝数适中，籽粒较大的鹰嘴豆资源，其代表性的种质资源有鹰嘴豆-1、鹰嘴豆-2、石头豆、K18和K40等，属于地方品种。

2.6 鹰嘴豆特异种质筛选

根据对鹰嘴豆114份种质15个农艺性状的综合评价鉴定，初步筛选出株高适宜，分枝数少，荚数、荚粒数较多，粒大、粒色粒型多样，产量高，且适应于河西沿山冷凉灌区生态环境的特异鹰嘴豆种质资源5份（图2）；其中张黑脑豆生育期适宜，种皮黑色，产量高；2014-088为矮杆种质，株高为39.2 cm；87品-33为多荚数、多籽粒种质，种皮绿色，单株荚数为362，单株籽粒为484；88-68c为大粒种质，百粒质量为43.7 g。通过对114份鹰嘴豆种质资源进行农艺性状特征分析，筛选出特异种质5份，对这5份特异种质在河西地区进行栽培技术的集成示范和推广种植，可以很大程度在生产上解决河西地区沿山冷凉灌区鹰嘴豆品种脏、乱、差的问题，为河西地区鹰嘴豆种质资源创新和品质选育提供材料。

3 讨论

在114份供试鹰嘴豆种质资源中，生长习性以直立型为主、粒型以圆形为主，粒色以米色为主；且株型直立，分枝数多，籽粒大等优异性状更适应于鹰嘴豆机械化生产和产量的提高。114份鹰嘴豆种质资源的9个数量性状的多样性指数范围为1.722~2.015，分枝数和单株荚数具有较大的多样性指数，6个质量性状的多样性指数范围为0~1.355 3，粒色和花色的多样性指数较高，鹰嘴豆各农艺性状间差异较大，表明该114份鹰嘴豆种质资源类型多样，可为鹰嘴豆的种质创新和育种提供丰富材料。其中花色多样性指数与于海天等^［8］的研究成果一致。因此，在育种工作中，适当缩短鹰嘴豆的株高，同时注重对高产或大粒型特异种质的筛选，可为培育出株高适宜、高产、大粒鹰嘴豆品种提供种质基础^［15-16］。

分枝数在提高鹰嘴豆产量中发挥着至关重要的作用，通过对河西地区鹰嘴豆资源的主要农艺性状进行相关性分析表明，分枝数与结荚高度、单株荚数、空荚数、单株粒数和单株粒质量呈极显著正相关，这与陈文晋等^［17］的研究相一致，其他性状的相关性与前人研究的差异，可能由于材料特性、环境因素等造成。产量构成因素中，百粒质量与荚粒数、单株粒数呈极显著负相关，可见在鹰嘴豆育种工作中寻找百粒质量于籽粒数的平衡点是提高产量的重要任务。

通过对114份鹰嘴豆种质材料进行主成分分析，结果显示，将原始的9个主要农艺性状指标提取为3个主成分，累计贡献率达78.883%，可以代表9个主要性状的绝大部分信息，分别反映了鹰嘴豆的产量构成因素的特征、株高的特征、分枝数性状的特征。邵千顺等^［18］、Upadhyaya等^［19］和聂石辉等^［20］通过鹰嘴农艺性状分析提取影响产量性状、百粒质量、植株形态、荚长、粒形与花色、株高、株型和种皮等的主要成分，本研究与三人研究相似但不完全重合，可能是由于材料之间各类型鹰嘴种质资源占比存在差异造成。

通过对鹰嘴豆材料各农艺性状进行聚类分析初步明确鹰嘴豆资源的大致类型，可为后期不同的育种目标提供特异的种质资源^［21］。该批材料划分为3个类群，其中第Ⅱ类群为株高适中，分枝数较多，百粒质量较高的鹰嘴豆资源；第Ⅲ类群为株高矮，分枝数适中，籽粒较大的鹰嘴豆资源；这两个类群可为后期鹰嘴豆杂交育种提供优质资源。最后筛选到5份适应性高，产量、籽粒等性状优异的种质，为河西地区鹰嘴豆特异种质。

本试验通过对114份外引鹰嘴豆资源的主要农艺性状在河西地区进行鉴定和多样性分析，初步筛得86-68C、2014-088、张黑脑豆、张高产脑豆、87品-37等5份株高适宜、高产、粒色丰富、大粒鹰嘴豆特异种质资源，为后期综合评价该地区鹰嘴豆商品性、品质及最佳用途等提供材料基础。

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基金资助

甘肃省科技厅重大专项(18ZD2NA008-3)