野生大豆系主要表型性状变异与聚类分析

野生大豆系主要表型性状变异与聚类分析

野生大豆（hyc）是优良的饲料和胚胎资源，在中国广泛分布。除青海、新疆和海南（自治区）以外的其他省区也有分布。近些年由于对栖生地的过度开发,野生大豆已成为渐危种,1999年被列为国家二级重点保护野生植物。以内蒙古自治区为例,呼伦贝尔草原、大兴安岭山地和林缘草地、科尔沁草原、巴林草原、鄂尔多斯草原、阴山山地草原等地的河湖沿岸、沼泽草甸、灌丛等生境都曾有广泛分布的野生大豆种群,现在只在呼伦贝尔的沿河地带、大兴安岭林缘谷地、科尔沁沙地草甸等局部生境有零散分布,种群消减的速度极快。因此,对野生大豆种质资源的利用和保护已迫在眉睫。作为牧草种质资源,野生大豆品质优良,抗性强,其植株柔嫩多汁,适口性好,家畜喜食,可以直接利用。但因其植株缠绕性极强、种子粒小且硬实率极高等特点,不利于田间栽培管理,加之果荚极易开裂,种子收获困难,作为栽培种质资源一直未能得到充分关注和深入开发利用。栽培大豆(Glycinemax(L.)Merr.)是植物蛋白和食用植物油的重要来源,其蛋白含有蛋氨酸、赖氨酸、苯丙氨酸等人体必需氨基酸,是人类获得蛋白的主要原料。多年来,大豆属内种间或栽培品种间的杂交已屡见不鲜,包括野生大豆和栽培大豆之间的杂交也有先例,但这些研究的出发点基本是利用野生大豆的优良性状来改善栽培大豆的不良性状,以获得高产、优质的粮用籽实型栽培大豆。本试验以内蒙古通辽市地区的野生大豆为父本,以当地栽培大豆品种大白眉为母本进行人工杂交,后代性状强烈分离,经过逐年选择,已获得表型性状不尽相同的后代株系材料50余个,其中部分材料仍在继续分离。本研究以改善野生大豆的可栽培性为出发点,利用栽培大豆植株直立性强、籽粒大、果荚不易开裂等特性来改善野生大豆作为牧草直立性差、种子粒小、果荚极易开裂的不良特性,从杂交后代株系中分别筛选出产草量高的饲草型新品系、种子产量高的籽实饲料型新品系及草实兼用型新品系。本试验选取所有杂交后代株系中的24个植株及种子特征基本稳定的株系,进行5个主要产量性状的测定和聚类分析,旨在为进一步选育和扩繁奠定基础。1材料和方法1.1试验地的排列将野生大豆(CK)和24个杂交后代株系的种子于2011年5月上旬种植于内蒙古自治区通辽市科左后旗查金台牧场试验地,行距60cm,株距30cm,行长6m,每株系10行,随机排列。1.2学习方法1.2.1植物的主要特性在生长季观测植株的主要性状,包括叶形、花色、生长习性及结荚习性等。1.2.2调查性状株高、株高、株高、主茎粗及生长特征观察室内考种于种植当年11月植株自然风干后进行,每株系随机取10株,调查分枝数、株高(地面以上至植株顶端生长点的长度)、主茎粗(自子叶痕向上第三节与第四节之间)、单株粒重、百粒重等,并观察记录成熟荚色、粒形、种皮色及脐色等性状。1.3处理数据试验数据利用SAS9.0和Excel进行处理。2结果与分析2.1草实兼用型新品系的筛选杂交后代株系植株及种子表型性状广泛分离。叶形包括宽卵形、卵形,长椭圆形和披针形;花色主要为白色和紫色;生长习性有直立、半直立和半蔓生;结荚习性有有限、亚有限和无限;成熟荚色有褐色、淡褐色和黄色等;种子粒形有圆形、椭圆形、长椭圆形等;种皮颜色和种脐颜色有黄色、绿色、黑色、褐色和绛色等(表1)。从本研究的最终目的考虑,生长习性和结荚习性是筛选新品系的关键。长期试验观察认为在结荚习性为无限或亚有限、生长习性为半直立、半蔓生或蔓生的株系中,有望筛选出饲草型新品系;在结荚习性为有限型或亚有限型、生长习性为直立或半直立的株系中,有望筛选出籽实饲料型新品系;而兼具饲草型和籽实饲料型特点的株系,即为草实兼用型新品系。根据以上判定标准,结合试验材料的观测结果,S001、S002、2、3、10、12-4、15、和29符合饲草型条件,其余株系符合籽实饲料型条件;S001、2、3、10、12-4、和27-2具有草实兼用型的潜质。2.2数量性状间关系所有杂交后代株系在分枝数、株高、主茎粗、单株荚数、单株粒数及百粒重等性状上都表现出了不同程度的差异性。5个数量性状变异系数从大到小依次为百粒重>单株粒重>株高>分枝数>主茎粗(表2)。在相同种植密度条件下,以上各数量性状中分枝数越多、株高越高、主茎粗越小,则其草产量越大,粗纤维含量越小,适口性越好,比较适合作为饲草型株系;对于可以作为籽实饲料型的株系,单株粒重是最核心的数量性状,单株粒重越大,则种子产量越高;而对于草实兼用型株系,则应具有分枝多、植株高大、主茎粗度适中及单株粒重较大等特点。24个株系后代中S001、S002、2、3、7、8-1、8-4、12-4、15及26分枝较多、株高较高、主茎粗较小,具备成为饲草型新品系的潜质;0005、sf01、pz01、zs01、ny01、S002、15及17-3单株粒重较高,可以在这些株系中继续进行籽实饲料型新品系的筛选;S005和15号则有望培育成草实兼用型新品系。其余株系有待于进一步选育和观测。结合各主要数量性状间的相关系数,了解各性状之间的相互关系,有助于更好地进行株系筛选。对5个主要数量性状进行pearson相关分析,得出各性状之间的相关系数(表3),必要时可以根据某一个或几个性状的表现间接判断出某个株系具备何种类型株系的潜质。如百粒重与分枝数、株高呈显著负相关,与主茎粗呈显著正相关,所以百粒重越小,则越适于作为饲用型株系;百粒重与单株粒重呈极显著正相关,所以百粒重越大,则越适于作为籽实饲料型株系。2.3实饲料型株系及生长特性综合考虑筛选条件,针对25个供试材料的生长习性、结荚习性、分枝数、株高、主茎粗、单株粒重和百粒重7个主要性状分别运用11种聚类方法进行了分析,以McQuitty’s聚类方法得出的结果最符合实际。聚类分析结果将所有供试材料分为4大类(图1)。第I类株系的特点是有限结荚习性、直立生长、主茎较粗、单株粒重和百粒重较高,为籽实饲料型株系类,包括0005、sf01、pz01、zs01、ny01和17-3,共6个株系。第Ⅱ类株系特点是半蔓生生长、无限结荚习性、分枝较多、植株较高、主茎较细,为饲草型株系类,包括S002和15。第Ⅲ类包括S001、2、12-4、3、7、27-2、8-4、26、8-1、10、27-2、18、12-1、16、17-1和29,除29以外,该类其他株系都为亚有限结荚习性,结合主要性状可进一步将这16个株系划分为5个组:S001为第1组,其区别于同类其他株系特点是株高较高,主茎较细,半直立生长、亚有限结荚习性,可作为饲草型株系;第2组包括2、12-4和3,该组也为半直立生长,株高低于S001,主茎较粗;第3组包括7、27-2、8-4、26和8-1,这组株系全为直立生长,株高和主茎粗都处于中等水平,单株粒重仅低于第Ⅰ类株系;第4组包括10、27-2、18、12-1、16及17-1,该组株系分枝数最少、植株最矮、主茎粗仅高于CK、单株产量也较低,既不适合做饲草型也不适合做籽实饲料型;29为第5组,半蔓生、无限结荚习性,可以做饲草型株系。第Ⅳ类:CK。3讨论3.1野生大豆的利用途径对野生大豆这类优良种质资源的保护有以下几种途径,一是建立自然保护区,将典型的野生大豆种群进行人工围封及管护,防止人为破坏(如放牧、打草等)、动物啃食、践踏和极端天气因素影响(如干旱、虫害等),这种途径虽可有效保护野生大豆种质资源,但耗费人力、物力及财力,在内蒙古尚未实施;二是将野生大豆种子收集,进行种植保存,这种途径可行,但不能体现其利用价值。最好的方法是在利用中保护。野生大豆是遗传多样性的载体,是栽培大豆和野生大豆种质创新的重要物质基础。利用野生大豆和栽培大豆进行种间杂交,可以使野生大豆的基因得以保存。以往的育种工作者多数利用野生大豆的优良性状来改良栽培大豆,而往往忽略了野生大豆的生产利用价值。野生大豆是兼具食用价值、药用价值、饲用价值及育种价值的优良种质资源。特别是作为饲用牧草,其茎叶含有极丰富的粗蛋白、粗脂肪及各种营养物质,且粗纤维含量较低,适口性好;其种子的平均蛋白质含量达46.8%,比栽培大豆高4.65%。本研究中的大量杂交后代株系中,部分株系在表型性状上与父本野生大豆很相似,若进一步对其植株和种子的蛋白、脂肪、钙、磷、氨基酸及异黄酮、皂苷等的提取和含量测定,必定会获得一系列具有不同利用价值的新品系,为野生大豆种质资源的保护和利用提供新的途径。3.2结荚食性表现型的鉴定有许多学者发现有些大豆品种的结荚习性在不同年份存在差异,难以稳定,并进一步对其形成原因进行了探讨。王金陵和Bernard认为从遗传学角度看,结荚习性在遗传上由两对基因控制,亚有限性对有限性和无限性均为显性,无限性一般不能分离出亚有限性。土壤肥力不均或群体内单株间养分分配不平衡是造成大豆结荚习性表现型改变的唯一原因,但这种改变不遗传。高峰发现,同一亲本等位基因系亚有限性和无限性的后代中,在其他农艺性状均已稳定时,结荚习性的表现却难以稳定。因此,要正确判断大豆的结荚习性,一方面要根据理论的判断标准,另一方面其所处的环境条件也必须考虑在内。本试验对24个株系结荚习性的判断,是在外界栽培及田间管理条件基本一致的前提下,依据理论判断标准,结合两年植株生长表现,以大部分单株所表现出来的结荚习性为准。旨在对野生大豆和栽培大豆的杂交后代进行各农艺性状对比,从而进一步筛选出满足不同需求的新品系。3.3聚类分析结果在对供试材料进行室内考种时发现,有个别株系的果荚极易开裂,炸荚率最高的是S001和26,平均分别为36.3%和36.1%。如果将这一部分损失也考虑在内,S001和26的单株粒重可分别达到31.6g和52.6g,如果再根据分枝数和主茎粗细程度适当调整种植密度和适时采收种子,这2个株系的种子产量将会有很大提升空间,有望培育成为籽实饲料型株系。聚类分析结果中第Ⅰ类籽实饲料型株系中的sf01、pz01、zs01和ny01的百粒重都接近20g,而且种皮色为黄色,植株特征等都接近传统的粮用栽培大豆,可以考虑利用于粮用栽培大豆新品系的筛选。第Ⅱ类饲草型株系S002和15,单株粒重较高,分别为51.5和50.3,可以作为草实兼用型株系继续培育。4数量性状聚类分析利用野生大豆和栽培大豆杂交后所得后代在叶形、花色、生长习性、结荚习性、成熟荚色及种子的粒形、种皮色和脐色存在丰富的变异;5个主要数量性状的变异系数从大到小依次为: