陈观杰， 郑殿峰，2*， 冯乃杰，2， 沈雪峰，2， 母德伟， 刘玲， 李甜子， 周行，3， 齐德强， 谢平

(1.广东海洋大学 滨海农业学院，广东 湛江 524088； 2.广东海洋大学 深圳研究院，广东 深圳 518108；3.海南大学 热带作物学院，海南 海口 570228； 4.河南农业大学 农学院，河南 郑州 450046)

大豆[Glycinemax(L.)Merr.]不仅是一种重要的粮油饲兼用作物，还可以通过根瘤固氮培肥地力[1]。发展大豆生产在保障国家粮食安全、生态安全和农业可持续发展等方面均具有重要意义。然而，大豆受环境因素影响较大，如盐碱胁迫[2]、降水量[3]、积温[4]、干旱[5]等，主要通过影响大豆的荚数、粒数、百粒重等产量构成因子而间接影响其品质特性。雷州半岛地处我国大陆的最南端，属亚热带季风性气候，土壤为典型的砖红壤类型，铁铝含量高、磷含量低，属酸性土壤[6]。种植豆科作物能够改善土壤理化性质，增加土壤微生物多样性以及农田矿质营养[7]。以往对大豆主要农艺性状与产量关系的研究主要集中在东北、黄淮海等主产区[8-10]，而雷州半岛大豆种植及产量相关性状的研究鲜有报道。

由于各种研究材料、分析方法、试验环境的不同，前人的分析结果也不尽一致。其中因子分析及聚类分析被广泛用于作物农艺性状的分析与评价。韩秉进等[11]运用主成分分析法将大豆18个农艺性状分为产量性状因子、株高性状因子、荚数性状因子以及主茎节数性状因子，累计贡献率达86.85%，对大豆产量贡献率大小依次为产量性状因子>株高性状因子>荚数性状因子>主茎节数性状因子。林文磊等[12]运用主成分分析将39份春大豆种质的7个农艺性状分为株型性状因子和产量性状因子，并结合聚类分析将参试大豆分为3大类群。赵海东等[13]对东北北部高寒区30份大豆品系进行因子分析、变异和聚类分析，发现单株瘪荚数变异系数最大，且大豆产量性状可分为百粒重、茎重、瘪荚数、单株荚数、单株粒数以及株高6个因子，30份大豆品系可聚类为3大类群。

本研究通过对来自各地的42份大豆种质资源进行变异与因子分析，运用聚类分析方法，综合评价不同的大豆种质资源特性，提高优异性状的选择效率，为育种工作中亲本选配、栽培实践提供理论依据，筛选出适合雷州半岛种植的优质高产大豆种质。

1 材料与方法

1.1 材料

大豆品种名称及各种子性状见表1。

表1 大豆种质资源性状

1.2 方法

本试验于2019年早季在湛江市麻章区广东海洋大学西区试验田地(N 21°8′56″，E 110°17′56″)进行，该地区属亚热带季风性气候，土壤类型为砖红壤。2019年4月11日播种，小区内行长4 m，4行区，行距为0.65 m，株距0.10 m，小区面积为12 m2。于大豆真叶期喷施5%高效氯氢菊酯0.6 kg·hm-2+1.8%甲基阿维菌素0.400 kg·hm-2，待幼苗生长至V2期喷施多福克(有效成分为：克百威8%+福美双15%+多菌灵12%，安徽丰乐农化有限责任公司)3.000 kg·hm-2以除虫，于结荚期喷施1.125 kg·hm-2氨基酸+6.750 kg·hm-2磷酸二氢钾+2.250 kg·hm-2尿素以促进生长。其余同常规管理方式。大豆生育期间试验地的气象条件见表2。

表2 雷州半岛地区气象条件

1.3 测定项目与数据处理

至7月15日前后大豆完全成熟，每小区用3点取样的方法，每点随机选取5株并带回实验室进行考种，分别调查株高(X1)、底荚高(X2)、茎粗(X3)、有效分枝数(X4)、主茎节数(X5)、结荚节数(X6)、单株荚数(X7)、单株粒数(X8)、单株粒重(理论产量，X9)和百粒重(X10)等10个农艺性状(表3、4)，并记录了各大豆品种生育期(表4)。

表3 供试材料表型性状

表4 供试材料产量性状和生育期

使用Excel 2019进行数据整理，采用IBM SPSS Statistics 19.0软件进行遗传分析、方差分析以及对各性状数据的标准化处理，并对大豆产量相关性状进行因子分析和系统聚类分析。

2 结果与分析

2.1 农艺性状的差异及其变异性

由表5可知，不同大豆品种各农艺性状的差异性达到了极显著水平。大豆各农艺性状相关性见表6。从简单相关系数看，大豆株高、底荚高均与主茎节数和结荚节数呈极显著正相关，相关系数分别为0.60、0.60和0.34、0.25，底荚高与单株荚数、粒数等相关性不大，与粒重呈显著负相关；而茎粗与单株荚数、粒数达到极显著正相关水平；大豆百粒重与节数、荚数等性状均呈负相关。从偏相关系数看，株高、底荚高和茎粗均与粒数、粒重相关性不大，而有效分枝数、粒数、百粒重均与粒重呈极显著正相关。从变异系数来看，考察的10个大豆主要农艺性状在遗传上的变异程度不一(表7)，其中单株粒数和单株粒重的变异系数最大，分别达到51.64%和52.40%；而有效分枝数、单株荚数和底荚高的变异系数次之，主茎节数和结荚节数变异系数最小，分别为17.71%和17.90%。以上结果表明，42份大豆种质资源间差异明显，且主茎节数和结荚节数改良潜力较大，在生产实践及育种过程中要把有效分枝数、粒数作为首选进行考虑。

表5 42份大豆供试材料各性状的方差分析

表6 不同大豆品系各性状相关性分析

表7 42份大豆品种主要数量性状

2.2 农艺性状的因子分析

对42份大豆种质资源的农艺性状进行主成分因子分析(表8)，前3个主成分因子的特征值均大于1，据此分别命名为F1、F2和F3。累积贡献率表示抽取的所有因子对原始变量的代表，由表8可知，三者的方差累积贡献率达到83.403%，根据Iezzoni等[14]的理论，若累积贡献率大于80%时，可用少数几个主成分因子来代表原始变量的属性，说明本试验中3个主成分因子很好地涵盖了10个农艺性状的大部分原始信息，能够代表原始变量。为了清晰地解释不同性状变量之间的结构关系，对初始成分矩阵(初始因子载荷矩阵)采用因子分析方法中的最大方差法(表9)。经过正交旋转，由旋转后的因子载荷矩阵可知，单株荚数、单株粒数、单株粒重、茎粗和有效分枝数在主成分因子F1上有较高的载荷，表明F1较好地代表了这5个农艺性状的原始信息，且5个性状因子与产量密切相关[15]，故F1可称为产量性状因子；主茎节数、株高、结荚节数和底荚高在F2上有较高载荷，因子载荷量分别为0.853、0.834、0.810和0.713，而株高一定程度上反映了节数的多少，决定着植株的长势，故将主成分因子F2称为株型因子；百粒重在F3中的因子载荷量最大，达到0.976，可称为粒重因子。综上可知，大豆农艺性状的主成分因子大小为：产量性状因子>株型因子>粒重因子，且在不同的主成分因子之间存在互补的关系，这为实际育种工作中的亲本选配提供了有利条件。

表8 主成分因子特征值及方差贡献率

表9 旋转后因子载荷矩阵

2.3 主成分得分及综合评价

由主成分得分系数矩阵(表10)可知，对性状原始数据进行标准化处理后，由各主成分的得分函数计算主成分得分：

F1=-0.039X1-0.220X2+0.219X3+0.185X4-0.017X5+0.012X6+0.229X7+0.224X8+0.196X9-

0.042X10；

F2=0.339X1+0.365X2-0.095X3-0.006X4+0.303X5+0.285X6-0.041X7-0.026X8+0.004X9+

0.086X10；

F3=0.165X1+0.056X2-0.047X3-0.107X4-0.066X5+0.013X6-0.118X7-0.035X8+0.357X9+

0.810X10。

为利用主成分进行综合评价，构建了大豆种质不同性状的综合评价函数，其数学模型为：F=(42.884×F1+28.043×F2+12.477×F3)/83.403。

表10 成分得分系数矩阵

据此，对42份大豆种质资源进行综合评价，各主成分得分及综合排名见表11。由表11可知，综合评价得分排在第1、第2位的分别是隆昌大黑豆和本地黄豆，该类品系具有株高适中，底荚较低、有效分枝数多、单株节数多等特征；排在3～10名的为黄毛毛、八月黄、黑大豆、兴宁黄豆、黑豆、攸县褐豆、田林平塘早黄豆和中黄39，这些品种单株粒重均在13.5 g以上，且茎粗较大、单株粒数较多，适合在雷州半岛地区种植。综合得分最低的后3个是合农71、红皮黄豆和春灰豆，不适宜在该地区种植。

表11 42份大豆种质资源各主成分得分及排名

2.4 大豆主要农艺性状聚类分析

对10个主要农艺性状进行系统聚类分析，选用欧氏距离和Ward(离差平方和)法进行分类(图1)。当遗传距离为4.65时，将42份大豆种质资源分为3个类群(表12)，第Ⅰ类群包括19个品种(系)，其总体特征为株高最矮，底荚相对较高，单株荚数与粒数、单株粒重最小等；该类群又可分为2个亚群，第1个亚群包含巴中田坎豆②、茶山黑豆、遂宁风台酱色豆等共12份大豆种质资源；第2个亚群包含合丰55、合农71、红皮黄豆、台湾二号、紫豆、春灰豆、蓬溪六月黄共7份大豆种质资源。第Ⅱ类群包括15个品种(系)，其总体特征为株高中等、有效分枝数适中、单株荚数与粒数较多、单株粒重和百粒重相对较大等；该类群可分为2个亚群，第1个亚群包括九里埂九月黄、宝兴经得荒等7份大豆种质；第2个亚群包括攸县褐豆、黄皮豆等共8份种质。第Ⅲ类群大豆种质资源具有株高最高，茎粗最大，有效分枝数、单株节数粒数最多、百粒重最大等特点；该类群包括八月黄、黑大豆、隆昌大黑豆、大白水豆、黑豆、田林平塘早黄豆和黄毛毛、本地黄豆2个亚群。

图1 各主要农艺性状的大豆种质资源聚类结果

3 讨论

湛江雷州半岛地区属于亚热带季风性气候，该区春夏季高温降雨多，相对湿度大，昼夜温差小，日照时间短，有利于加快短日照作物大豆的生育进程，这与本试验42份大豆品种生育期均在85～97 d一致。同时发现成熟期的大豆株高、底荚高普遍偏低，这可能也与种植地区的短日照条件有关，使品种营养生长期短，开花较早(出苗后30 d)，株高低，底荚随之变低，导致大豆植株结荚集中。

大豆性状相关性分析表明，株高、底荚高与单株粒重呈显著负相关关系，单株荚数、单株粒数与百粒重呈负相关关系，这与常世豪等[15]的研究结果一致；从偏相关分析来看，大豆株高、底荚高和茎粗均与粒数、粒重相关性不大，这是由于存在多个性状变量时，两两变量之间的简单相关系数没有消除其他变量的影响，往往混有其他变量的效应，而偏相关系数能够反映2个变量之间真实的相关系数。本试验相关分析表明，有效分枝数、粒数、百粒重均与粒重呈极显著正相关关系，这与王彩洁[16]、罗瑞萍等[17]的研究结果一致，但从单株荚数与粒重之间的偏相关系数来看并不显著，这可能与大豆结荚期的降水量有关，降水多植株生长快，营养生长过剩，不利于籽粒产量形成，且容易形成烂荚；大豆成熟期，高温容易导致植株形成炸荚现象。此外，本试验发现大豆生育期内虫害较严重，这也一定程度上加重了瘪粒、烂粒(豆)的发生。总体来看，在实际生产及大豆育种工作中，应将有效分枝数、荚数、粒数作为首选来考虑。

表12 不同聚类群大豆种质资源性状值

本研究对42份大豆的10个农艺及产量性状进行变异性分析，各供试种质材料的农艺性状差异较大，其中有效分枝数、单株荚数、单株粒数和单株粒重变异系数较大，是构成产量的重要因素；底荚高、株高、茎粗变异系数中等，是决定植株株型的主要因素，这与林文磊等[12]的研究结果一致。主茎节数和结荚节数变异系数最小，表明两者的改良潜力较大，且供试大豆材料在产量构成因素、株型性状因素方面为育种材料的利用提供了丰富的选择。

作为一种多元分析方法，因子分析能够通过分析变量之间相关系数矩阵内部结构，将多个相关变量综合为少数几个可以涵盖原始变量的主因子[18]。本研究相关性分析表明，多对农艺性状之间存在显著或极显著的相关性，导致性状间的联系较为复杂，无法提供简洁的规律，因而需要应用因子分析方法。本研究中利用因子分析将42份大豆种质资源的10个农艺性状归为产量性状因子、株型因子和粒重因子，这与众多研究的结果[19-21]相似。反映这3个主成分因子信息量较大的指标为单株荚数、单株粒数、有效分枝数和百粒重，这与曾凯等[22]的研究一致，同时与本试验相关性分析的结果相一致。因而，在育种工作中应优先对这些因子进行选择，并在高产栽培模式创建过程中进行重点调控，以增加单株荚数、单株粒数和有效分枝数。在因子分析中，每个变量中的原始变量根据它们输入到变量中的权重，按其变化对应于变量变化方向的程度进行加权，即“负载”，可以根据特定因子中它们的负载绝对值对性状特征进行排序[23]。据此，对42份大豆种质资源进行综合评价并排序，综合排名在第1、第2位的大豆品种为隆昌大黑豆和本地黄豆，这2个品种的产量也较高，尤其是隆昌大黑豆。而综合性状均表现较差的品种为合农71、红皮黄豆和春灰豆。试验结果表明，隆昌大黑豆和本地黄豆适合在湛江雷州半岛地区大面积种植，而合农71、红皮黄豆和春灰豆不宜在该地区种植。此外，聚类分析结果表明大豆种质材料间表现出多样性和遗传分歧的多向性[24]，有利于大豆育种工作的顺利开展。

基于42份大豆种质材料农艺性状的变异、因子分析及聚类分析，隆昌大黑豆和本地黄豆更适合在湛江雷州半岛地区大面积种植。在大豆高产育种工作中应注重对主茎节数和结荚节数的性状改良，加强有效分枝数、单株荚数、单株粒数的选择。