基于农艺性状鹰嘴豆抗旱核心种质库构建

聂石辉，王 仙，彭 琳，季 良

(新疆农业科学院粮食作物研究所，乌鲁木齐 830091)

0 引 言

【研究意义】鹰嘴豆(CicerarietinumL., 2n = 16)是豆科(Leguminosae)鹰嘴豆属(Cicer)栽培种。鹰嘴豆耐旱耐瘠薄能力极强，新疆属典型的干旱大陆型气候，其种植地多属绿洲灌区或雨养区农业生态类型，研究鹰嘴豆种质资源多数以外引为主，收集、保护、研究和利用引进种质资源对新疆鹰嘴豆育种与产业发展有重要意义。【前人研究进展】Frankel[1]提出核心种质，作物中核心种质无论在构建方法还是数量上都取得了很大进展。据国际生物多样性组织(Biodiversity International)统计，己有多个国家建立了作物核心种质库，包括水稻[2,3]、小麦[4,5]、大豆[6]、棉花[7,8]、菜豆[9,10]、大麦[11,12]等60余种。我国在作物核心种质在研究方法、理论上取得一定的进展，当前已经在各类大田作物[13]、药用植物[14]、果树[15]、牧草[16]、油料作物[17]及经济作物[18]构建了大量核心种质。【本研究切入点】不同的取样策略和取样比例用于构建核心种质资源库的结果是不一样的，选择最优的取样策略比较重要。当前构建核心种质资源库的取样策略主要有随机取样策略、位点优先取样策略和偏离度取样策略。【拟解决的关键问题】综合分析鹰嘴豆种质资源主要农艺性状的遗传多样性，结合田间抗旱鉴定鉴别特异种质，依据生产需要筛选抗旱核心种质库，为旱区鹰嘴豆种植提供种质基础。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验地点位于新疆农科院奇台麦类试验站，N 43°59′，E 89°45′，海拔818 m；年平均气温6.6℃，全生育期降水量183 mm，日照2 833 h。土壤类型为壤土，灌水方式为滴灌，前茬作物为小麦，肥力中等。采用随机区组设计，3次重复；4行区，行距50 cm，行长5 m，株距8 cm。

使用材料为中国农业科学院作物科学研究所和新疆农业科学院粮食作物研究所已收集保存的699份鹰嘴豆资源，结合产量抗旱指数及种质遗传多样性分析筛选出100份抗旱级别达到强-极强即抗旱性指数>1.10的种质为参试材料。表1

表1 参试材料编号及抗旱指数Table 1 Participating material number and drought resistance index

1.2 方 法

1.2.1 农艺性状

田间农艺性状调查参照《鹰嘴豆种质资源描述规范和数据标准》进行，田间目测观察株型、花色、复叶叶型等；待植株成熟时取考种样于室内调查株高、单株一级分支数、单株荚数、每果节荚数、荚长、单株粒数、单株粒重、百粒重、粒型、粒色、种子表面等。

1.2.2 种质资源库的遗传多样性

计算性状的平均值 (X) 、标准差(s)等。根据计算结果将所有材料每个性状划分为10个等级，按第1级 [Xi< (X- 2s) ] 到第10级 [Xi> (X+ 2s) ]，每0.5s为1级，每1级的相对频率 (Pi) 用于计算多样性指数。遗传多样性指数即Shannon-Wiener index (H′) 信息指数，计算公式：H′= - ∑Pi× LnPi。式中Pi为某性状第i级别内材料份数占总份数的百分比，Xi为第i级中的数据。

1.2.3 核心种质库的构建

对鹰嘴豆各农艺性状进行主成分分析和聚类分析，聚类分析过程中，将质量性状予以赋值。种质间遗传距离为欧氏距离，聚类方法采用离差平方和法 ( Ward’s Method )。

在系统聚类方法与取样策略的基础上，分别在40%、35%、30%、25%、20%和15%的比率下设定6个取样比例，根据各子集的遗传多样性分别用随机、位点优先和偏离度取样策略3种取样方法构建各取样比例的种质资源库。对这3中取样策略下的种质资源库进行检验，比较筛选出构建鹰嘴豆农艺性状核心种质库的最终策略。

用F统计检测核心种质库与原群体间方差的差异显著性，对均值间差异显著性进行t检验。研究采用均值差异百分率(Mean difference percentage, MD%)、方差差异百分率(Variance difference percentage, VD%)、极差符合率(Coincidence rate of range, CR%)以及变异系数变化率(Variable rate in C.V., VR%)评价各核心子集农艺性状的变异保有量；并且MD%≤20%，CR%≥80%的情况下核心子集能够代表原种质资源遗传多样性，构建鹰嘴豆抗旱核心种质库。

MD%=St/n×100%.

其中St是核心子集与原始群体t检验得到均值差异显著(α=0.05)的性状数，n是性状总数；

VD%=SF/n×100%.

其中SF是核心子集与原始群体进行F检验得到方差差异显著(α=0.05)的性状数，n是性状总数。

其中Rc为核心种质库性状的极差，Ri是原有遗传资源性状的极差，n是性状总数。

其中CVc是核心种质库性状的变异系数，CVi为原始群体的变异系数，其中n为性状总数。

1.3 数据处理

采用Excel 2016进行数据处理与分析，利用SPSS16.0软件进行聚类及方差分析。

2 结果与分析

2.1 鹰嘴豆种质资源库的遗传多样性

研究表明，各质量性状存在一定的差异，株型类型频率分布排序为半披散>披散>半直立>匍匐>直立；复叶叶型频率分布排序为普通>单叶>簇生小叶；花色频率分布排序为白>紫红>红>紫>粉红>浅蓝>蓝；粒型频率分布排序为鹰头>羊头>球型；粒色频率分布排序为肉褐色>褐色>红褐色>其它色>黑色>橘红色；种子表面频率分布排序为凹凸不平>粗糙>光滑。花色的遗传多样性指数最高为0.972 7，复叶叶型的遗传多样性指数最低为0.608 5。和抗旱性相关的数量性状中单株荚数的变异系数最大为48.80%，其次是单株粒数的变异系数为47.30%，其它性状的变异系数在8.98%～40.5%。表2，表3

表2 鹰嘴豆种质资源6个质量性状的遗传多样性Table 2 Genetic diversity analysis of six quality traits of chickpea germplasm resources

表3 鹰嘴豆抗旱性相关的9个数量性状值Table 3 Values of 9 quantitative traits related to drought resistance of chickpeas

2.2 抗旱性相关性状主成分

研究表明，获得4个能代表其性状的特征值大于1的因子，其累计贡献率达到87.492%。表4

表4 鹰嘴豆抗旱性相关的数量性状主成分Table 4 Principal component analysis of quantitative traits related to drought resistance of chickpea

2.3 构建核心种质资源库的取样策略

研究表明，随机取样法中，35%取样比例下方差差异百分率、变异系数变化百分率、极差符合率均最高，因此R5最能代表该取样方法中的原种质，并得到35份核心种质。位点优先取样法中，40%取样比例下方差差异百分率、变异系数变化百分率、极差符合率均最高，S6最能代表该取样方法中的原种质，并得到40份核心种质。偏离度取样法中，25%取样比例下方差差异百分率、变异系数变化百分率、极差符合率均最较高，D3最能反映原种质各性状，并得到25份核心种质，但40%取样比例同25%取样比例下方差差异百分率、变异系数变化百分率、极差符合率极为接近。

MD值在3种取样方法构建的核心库均为0，CR变化率值在位点优先取样构建核心库均高于其它两种取样方法。同抗旱性相关的数量性状在相同的聚类方法下，位点优先取样策略更适合构建鹰嘴豆抗旱核心种质库，并且构建了40份核心种质为代表的核心种质资源库。表5

2.4 鹰嘴豆抗旱核心种质资源库的评价和确定

研究表明，采用的位点优先取样方法构建的核心种质与原种质在多样性上无显著差异。检验种质各性状的均值与原种质符合率均大于96.33%，变异系数符合率大于97.25%。构建的40份核心种质资源能够代表原种质资源遗传多样性。表6

利用主成分分析对40份核心种质资源同原种质资源比较分析，均有4个主成分特征值大于1，包含各质量性状85%以上遗传多样性信息，且二者累计贡献率相比差异不显著。构建的核心种质资源库的代表性和可靠性较高。表7

3 讨 论

农艺性状的鉴定和描述仍然是种质资源研究的最基本的方法和途径[19]，具有简单、省时、费用低的特点，而且对于常规育种改良所需农艺性状而言利用也较为便捷。国内在大麦、小豆、陆地棉、野苹果等作物均利用表型性状构建了核心种质资源库。在一些园艺作物、粮食作物、油料作物、经济作物等，大量学者利用不同取样方法及分析方法对收集的种质进行综合评价、核心库构建，提高种质资源的利用效率[20-23]。

表5 不同策略取样的种质资源与原种质性状差异Table 5 Differences in traits between germplasm resources and original germplasm sampled by different strategies

表6 原种质资源与构建的核心种质多样性比较Table 6 Comparison of original germplasm resources and core germplasm diversity

表7 鹰嘴豆原种质和构建的核心种质资源的主成分比较Table 7 Principal component analysis and comparison of chickpea original germplasm and constructed core germplasm

Hodgkin等[24]提出建立核心种质资源库步骤包括4步：数据的收集整理、对收集数据进行分组、种质的抽样、核心种质确定及有效性检验，即首先对收集的材料进行分组，在组内通过合适的抽样策略以及抽样比率筛选核心种质材料，通过一定的统计参数检验核心种质库的代表性。

研究基于农艺性状构建鹰嘴豆抗旱核心种质资源库，对种质资源进行遗传多样性分析，聚类分组，并进行抗旱性鉴定，筛选出抗旱性强的种质资源100份且满足遗传多样性丰富的特点。构建核心种质资源库的取样策略和取样比例并不固定，需要根据原种质资源数量的大小进行调整。代攀虹等[8]构建陆地棉的核心种质取样比例仅4.71%就能代表5 963份原种质。研究构建的鹰嘴豆抗旱核心种质取样比例达到了40%，并用主成分分析对构建的核心种质库进行了确认验证，避免核心种质多样性的冗余和缺失。

4 结 论

采用的位点优先取样方法40%取样比例下构建的核心种质与原种质在多样性上无显著差异。并且检验种质各性状的均值与原种质符合率均大于96.33%，变异系数符合率大于97.25%，优于其它2种取样策略。主成分分析4个主成分包含各质量性状85%以上遗传多样性信息，确定构建的40份核心种质资源能够代表原种质资源遗传多样性。采用位点优先取样策略，在取样比例40%的条件下构建核心种质的效果最优。构建的40份核心种质经过确认，可以代表原种质资源的遗传多样性。