不同綠豆品種(系)的光合特性及綜合評價*

楊學樂，王素華，張 璐，李基光，王艷蘭，胡麗琴，何錄秋

(湖南省作物研究所，湖南 長沙 410125)

綠豆是中國的主要雜糧之一，在全國各地都有種植，其中內蒙古、吉林、山西、河南、黑龍江、安徽、廣西、四川、湖南和重慶的種植面積占全國總面積的88.5%[1]。綠豆品種改良與選育工作始于20 世紀80 年代中期，包括農家品種提純復壯、優異品種引進和系統選育，到20 世紀末選育出綠豆品種22 個，大部分為系統選育品種；進入21 世紀后，至2007 年育成綠豆新品種34 個，其中雜交育成品種占比達到61.76%；2008年國家食用豆產業技術體系正式啟動，綠豆新品種培育進入快車道；至2020 年，共培育出綠豆新品種85 個，其中雜交品種63 個、輻照品種7 個，育成品種解決了綠豆生產中存在的生育期長、蔓生倒伏、產量低、抗性和適應性差等問題[2]。然而在綠豆生產中，由于受諸多因素的影響，綠豆品種的產量、品質、抗性等表現不穩定。因此，探索綠豆生長特性、提高綠豆產量和抗性、提升綠豆品質成為綠豆生產亟待解決的問題。

光合作用是植物生長發育和產量形成的基礎，是反映作物產量的重要指標，改善作物的光合能力對于提高作物產量至關重要。水稻[3-4]、玉米[5]、小麥[6-7]、大豆[8-9]、馬鈴薯[10]等作物的光合性狀已有諸多報道，近年來，部分學者對綠豆的光合性狀也做了一些研究。高小麗等[11]對4 個綠豆品種進行了綜合研究，結果表明：在綠豆開花結莢期間，保持較高的葉綠素含量和功能葉片的光合生產能力，延緩葉片衰老，對籽粒產量形成具有重要作用。綠豆是中國主要的食用豆之一，不僅具有較高的食用價值，還具有較高的藥用價值和保健功能。隨著種植業結構調整和人們飲食結構的改變，綠豆在生產和生活中的地位逐步提高，如何提高綠豆產量以滿足大眾的需求問題亟待解決。本研究選取32 份綠豆材料，對其光合性狀和產量性狀進行綜合評價，旨在篩選光合能力強、產量性狀好的綠豆品種，為綠豆優良品種的選育工作提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用32 個來自不同生態區的綠豆品種(系)(表1)，其中，瀏陽河1 號為湖南省作物研究所自主選育品種，安黃綠1 號由安陽市農業科學院引進，其余品種(系)均由中國農業科學院作物科學研究所引進。

表1 參試綠豆品種(系)Tab.1 Mung bean varieties (lines) for test

1.2 試驗方法

1.2.1 試驗地概況

試驗地位于湖南省作物研究所試驗大田(28°12′30″N，113°4′54″E，海拔50 m)，年平均氣溫17.2 ℃，年平均降水量1361.6 mm。試驗地土壤為壤土，地勢平坦，排灌方便，前茬無作物，為冬閑田。

1.2.2 田間試驗設計

采用隨機區組設計，3 次重復，小區面積10 m2(2 m×5 m)，10 行區，行距×株距為50 cm×33 cm。穴播，每穴播5～6 粒種子，待綠豆長勢穩定后，每穴定苗2 株，每小區留苗120 株，折合每公頃留苗約12 萬株。其他栽培管理方式同大田。

1.2.3 光合指標測定

在綠豆花莢期，利用便攜式光合儀測定植株的光合性狀。每個小區選取中間行連續5 株長勢一致的植株進行測定，每株連續測定3 個有效數據，測定部位為主莖中部三出復葉的中間小葉，測定指標包括凈光合速率(net photosynthetic rate，Pn)、氣孔導度(stomatal conductance，Gs)、胞間CO2濃度(intercellular carbon dioxide concentration，Ci)和蒸騰速率(transpiration rate，Tr)，并按照公式Pn/Tr×100 計算水分利用率(water use efficiency，WUE)。

1.2.4 產量相關性狀測定

綠豆考種參照《綠豆種質資源描述規范和數據標準》[12]進行。于成熟期每小區隨機取5 株綠豆帶回實驗室考種，考種項目包括單株莢數、單莢粒數、莢長、百粒質量和單株產量共5 個性狀。

1.3 數據統計與分析

利用Excel 2007 對試驗數據進行方差分析。利用SPSS 21.0 進行相關性分析、主成分分析和聚類分析。將32 個綠豆品種(系)光合性狀的原始數據進行標準化處理后再進行主成分分析，根據各主成分的特征值及其標準值計算不同材料的各主成分分值，進而以各主成分的貢獻率為權重，對各主成分進行線性加權，以計算各綠豆品種(系)的綜合得分；以綜合得分為依據，以歐氏距離為遺傳距離進行系統聚類分析。

2 結果與分析

2.1 不同綠豆品種(系)的光合性狀

由表2 可知：32 個綠豆品種(系)的Pn、Gs、Ci、Tr和WUE 均存在顯著差異，且各性狀的變異程度不同，其中Gs的變異系數最大，為17.94%；Ci的變異系數最小，為7.87%。Pn、Gs、Ci、Tr和WUE 的最大值和最小值之間分別相差1.40 倍、2.40 倍、1.53 倍、2.10 倍和1.75 倍，說明不同綠豆品種(系)的光合性狀遺傳變異較大，遺傳信息豐富。

2.2 不同綠豆品種(系)光合性狀的相關性

由表3 可知：Pn與Gs、Tr呈極顯著正相關，相關系數分別為0.700 和0.620；Gs與Ci、Tr呈極顯著正相關，與WUE 呈極顯著負相關，相關系數分別為0.857、0.793 和-0.552；Ci與Tr呈極顯著正相關，與WUE 呈極顯著負相關，相關系數分別為0.731 和-0.765；Tr與WUE 呈極顯著負相關，相關系數為-0.841。表明綠豆品種(系)的光合指標間相關性較強，不同指標間存在信息重疊，因此有必要采用綜合分析方法對光合性狀進行評價。

2.3 不同綠豆品種(系)光合性狀的主成分分析

由表4 可知：在所有主成分中，前2 個主成分的累計貢獻率為91.361%，說明這2 個主成分所包含的成分信息可以反映4 個光合性狀的大部分遺傳信息。其中，第1 主成分的貢獻率達71.746%，在該主成分中，Gs、Ci和Tr有較強的正載荷，WUE 有較強的負載荷，故該主成分主要反映Gs、Ci、Tr和WUE 的信息；第2 主成分的貢獻率為19.614%，在該主成分中，Pn有較強的正載荷，故該主成分主要反映Pn的信息。

表4 主成分分析的特征向量和特征值Tab.4 Eigenvectors and eigen values of principal component analysis

由表5 可知：LD-22 (冀綠2 號)、LD-28 (安黃綠1 號)和LD-25 (保綠942)的綜合表現較好，其中LD-22 (冀綠2 號)的第1 主成分及綜合得分均排名第1，表明其光合性狀最好。

表5 32 個綠豆品種(系)主成分得分及綜合排序Tab.5 Principal component score and comprehensive ranking of 32 mung bean varieties (lines)

2.4 不同綠豆品種(系)的聚類分析

由圖1 可知：在遺傳距離為12 時，可將32 個綠豆品種(系)聚為3 類。其中第Ⅰ類群包括22 個綠豆品種(系)，該類群的Pn、Gs、Ci、Tr和WUE 排名居中；第Ⅱ類群包括6 個綠豆品種(系)，該類群的Pn、Gs、Ci和Tr較高，但WUE 較低，綜合排名靠前；第Ⅲ類群包括4 個綠豆品種(系)，該類群Pn、Gs、Ci和Tr均較低，但WUE 較高，綜合排名靠后。

圖1 基于綜合評價值的32 個綠豆品種(系)聚類圖Fig.1 Cluster diagram of 32 mung bean varieties (lines) based on comprehensive evaluation value

2.5 不同綠豆品種(系)的產量性狀

由表6 可知：32 個綠豆品種(系)間的單株莢數、單莢粒數、莢長、百粒質量和單株粒質量均存在顯著差異。相關性分析表明：Pn、Gs、Ci、Tr與產量呈正相關(相關系數分別為0.082、0.036、0.038 和0.217)，WUE 與產量呈負相關(相關系數為-0.201)，且相關性均不顯著。第Ⅰ類群中，LD-18 的單株莢數、單株粒質量位居前列，而莢長和百粒質量處于較低水平；LD-05 的單株莢數、單莢粒數、莢長和單株粒質量排名靠后，而百粒質量處于中等水平。第Ⅱ類群中，LD-15和LD-22 的單株莢數、單莢粒數和單株粒質量排名靠前，而百粒質量排名靠后；LD-06 的單莢粒數、莢長、單株粒質量和百粒質量排名均靠前，而單株莢數排名居中。第Ⅲ類群中，LD-04 和LD-10 的單莢粒數、莢長和百粒質量排名靠前，其中LD-10 的百粒質量位于第一。綜合來看，32 個綠豆品種(系)的產量性狀與光合性狀有一定的關系，光合性狀表現好的品種(系)其產量性狀大部分表現較好，而光合性狀差的品種(系)其產量性狀表現并不一定差，其中LD-15 (吉綠3 號)和LD-22 (冀綠2 號)的光合性狀和產量性狀表現較好。

表6 32 個綠豆品種(系)產量構成因素Tab.6 Yield components of 32 mung bean varieties (lines)

3 討論

同一種作物不同品種間光合性狀差異越大，說明種質資源間遺傳范圍越廣，遺傳信息越豐富[11,13]。趙鵬濤等[14]對不同類型小麥生育后期的光合性狀進行分析，結果表明：不同材料間的Pn、Gs、Ci、Tr和WUE 差異顯著；蘇春桃等[15]研究表明：不同甘薯種質間的Pn、Gs、Ci和Tr差異極顯著。本研究中，32 個綠豆品種(系)的Pn、Gs、Ci、Tr和WUE 均存在顯著差異，說明其光合性狀可選擇的范圍較廣，遺傳基礎豐富。

Pn是反應植物光合作用強弱的重要指標之一，對不同作物的光合性狀研究表明：光合速率與其他光合參數之間存在不同程度的相關性。如：牛寧等[16]對黃淮海地區不同大豆材料的光合性狀進行測定，結果表明：Pn與Gs、WUE 極顯著正相關，與Ci、Tr負相關；張一中等[17]研究表明：不同高粱種質資源的Pn與Tr、Gs、WUE 極顯著正相關，與Ci極顯著負相關。在本研究中，Pn與Gs、Tr極顯著正相關，這與高小麗等[11]和申慧芳等[18]的研究結果一致，說明Gs和Tr對綠豆的Pn有較大影響。

主成分分析和聚類分析是分析和評價種質材料的常用方法。郭歡樂等[19]利用主成分分析和聚類分析對湖南玉米地方種質進行評價，結果表明：主要遺傳信息集中在前4 個主成分，其累積貢獻率達68.010 3%，聚類分析將所有品種聚為3 個類群，可分別用于早熟耐密、稀植大穗及專用爆裂玉米育種研究。王營營等[20]研究表明：Tr和WUE 對綠豆光合性狀劃分起主要作用，并通過聚類分析將18 個綠豆品種聚為3 類，并篩選出3 個光合性狀較優的綠豆品種。本研究顯示：32 個綠豆品種(系)的光合性狀中，前2 個主成分的累計貢獻率達91.361%，第1 主成分主要反映Gs、Ci、Tr和WUE 的信息，第2 主成分主要反映Pn的信息；聚類分析將32 個綠豆品種(系)聚為3 類，其中第Ⅱ類群的6 份材料具有較高的Pn、Gs、Ci和Tr，可為綠豆的高效育種提供借鑒。

前人對產量與光合性狀關系的研究結果不盡相同。唐玉劼等[21]對16 份高粱材料光合性狀和產量之間的關系進行研究，結果表明：Pn、Gs、Ci、Tr和WUE 與產量無顯著相關性；劉慶芳等[22]對冬小麥不同時期旗葉光合特性與產量之間的關系進行研究，結果表明：開花期、灌漿前期、灌漿后期和灌漿末期，冬小麥旗葉的Pn與產量呈顯著或極顯著正相關。本研究中，Pn、Gs、Ci、Tr與產量呈正相關，WUE 與產量呈負相關，但相關性都不顯著，結合聚類分析的結果可知：綠豆品種(系)的產量性狀與光合性狀有一定的關系，光合性狀表現好的其產量性狀大部分表現較好，而光合性狀差的其產量性狀表現并不一定差。

4 結論

不同綠豆品種(系)的光合性狀存在顯著差異，且不同綠豆品種(系)的產量性狀與光合性狀有一定的關系。吉綠3 號和冀綠2 號的光合性狀和產量性狀表現較好，適于在生產中推廣應用。