耐蔭性春大豆品系篩選及耐蔭指標(biāo)鑒定

趙志鑫，傅蒙蒙，李曙光，王亞琪，余希文，張紅梅，陳華濤，徐海風(fēng)

（1江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇淮安 223001；2淮河下游種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇淮安 223001；3淮安市農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇淮安 223001；4江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟(jì)作物研究所，南京 210014）

0 引言

大豆是重要的糧、油、飼兼用型作物，在國民生產(chǎn)生活中占有重要地位[1]。2022年中國大豆進(jìn)口量達(dá)到9000 萬t，進(jìn)口依存度超過85%，大豆產(chǎn)業(yè)供需缺口大影響中國糧油安全。在耕地資源有限的情況下，推廣大豆玉米帶狀復(fù)合種植可增加大豆播種面積，推動大豆玉米兼容發(fā)展，提高大豆的自給率，然而研究發(fā)現(xiàn)，這種模式下高位作物的遮蔭會導(dǎo)致大豆冠層可利用光不足，光能量吸收缺乏，而影響其生長發(fā)育結(jié)莢鼓粒，產(chǎn)量降低，品質(zhì)下降[2-4]，對遮蔭脅迫是否具有適應(yīng)性和抗性成為制約大豆玉米帶狀復(fù)合種植中大豆生產(chǎn)的重要因素。

研究報(bào)道大豆受高位作物遮蔭后，出現(xiàn)莖稈伸長、主莖長度增加、植株倒伏、莖粗降低、百粒重降低等[5-8]；在光合生理方面，遮蔭脅迫下植株葉片數(shù)量減少，且變薄變小，葉綠素a/b的比值降低[9-10]，凈光合速率和氣孔導(dǎo)度顯著低于大豆單作，胞間二氧化碳濃度和水分利用效率顯著增加等；在產(chǎn)量和品質(zhì)方面，光合系統(tǒng)活力不足[11]，光合產(chǎn)物合成和運(yùn)輸受阻進(jìn)而影響干物質(zhì)積累；作物產(chǎn)量降低，落花落莢率增加導(dǎo)致減產(chǎn)等[12]；然而研究發(fā)現(xiàn)，不同的大豆品種對遮蔭脅迫的響應(yīng)具有基因型差異[13-15]，耐蔭大豆種質(zhì)對遮蔭脅迫不敏感，在蔭蔽環(huán)境下仍具有高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的特質(zhì)，因此選用耐蔭大豆品種進(jìn)行種植可降低因遮蔭對產(chǎn)量造成的不良影響。

學(xué)者們對不同生態(tài)區(qū)耐蔭大豆種質(zhì)的鑒定、篩選與評價(jià)已有研究報(bào)道。武曉玲等[16]通過模擬大豆蔭蔽環(huán)境鑒定到葉片干重、氣孔導(dǎo)度、株高和暗下最大熒光產(chǎn)量4個(gè)指標(biāo)可鑒定大豆苗期耐蔭性[16]；李春紅等[17]采用多元分析方法將30 個(gè)大豆品系（種）被分成強(qiáng)耐蔭型、中等耐蔭型和不耐蔭型3 種類型，鑒定到主莖節(jié)數(shù)、分枝數(shù)、節(jié)間長度、抗倒性、單株莢數(shù)、百粒重和單株粒重作為耐蔭性大豆的鑒定指標(biāo)[17]；趙銀月等[6]將44 個(gè)大豆品種（系）分為強(qiáng)耐蔭、中等耐蔭和弱耐蔭3種類型，鑒定到株高、主莖節(jié)數(shù)、有效分枝數(shù)、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株產(chǎn)量、每莢粒數(shù)和倒伏8個(gè)性狀可鑒定云南省間作大豆的耐蔭性。上述各位學(xué)者鑒定到的耐蔭指標(biāo)和種質(zhì)為耐蔭大豆育種提供了一定的理論依據(jù)，但由于大豆在不同生態(tài)區(qū)的復(fù)種制度、栽培環(huán)境和地形氣候復(fù)雜多樣，建立適宜當(dāng)?shù)氐南鄬?zhǔn)確的耐蔭性鑒定體系需要更多的試驗(yàn)研究。

本研究采用田間大豆玉米帶狀復(fù)合種植模擬自然蔭蔽環(huán)境探討遮蔭脅迫對春大豆的影響，采用主成分分析法、隸屬函數(shù)法對各個(gè)大豆品系（種）進(jìn)行耐蔭性綜合評價(jià)，同時(shí)通過逐步回歸分析建立耐蔭性數(shù)學(xué)評價(jià)模型，鑒定耐蔭篩選指標(biāo)，旨在為春大豆耐蔭種質(zhì)的挖掘和選育提供參考依據(jù)，并建立適合本地區(qū)的耐蔭評價(jià)模型。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試25 個(gè)大豆品種，試驗(yàn)于2021 年4—9 月江蘇省淮安農(nóng)科院科研創(chuàng)新基地進(jìn)行，前茬為小麥，土壤質(zhì)地為黏土。品系名稱和編號見表1。

表1 供試大豆品系(種)材料

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用裂區(qū)設(shè)計(jì)，光照為主區(qū)，設(shè)置大豆玉米帶狀復(fù)合種植（遮蔭，Shade stress，ST）和大豆單作（對照，CK）兩個(gè)處理，不同大豆品系（種）為副區(qū)。大豆玉米帶狀復(fù)合種植為玉米與大豆行比為2:2，行長2 m，玉米之間的行距40 cm，大豆之間的行距40 cm，玉米和大豆之間行距80 cm；玉米株距18 cm；大豆株距10 cm；大豆單作處理為小區(qū)行長為2 m，2 行區(qū)，行距40 cm，株距10 cm。2021 年4 月23 日播種，成熟時(shí)分別收獲，田間管理同常規(guī)田。

1.3 測定指標(biāo)

大豆R8 時(shí)期，每小區(qū)取中間連續(xù)的有代表性的、一致的5株測定株高(X01)、主莖節(jié)數(shù)(X02)、分枝數(shù)(X03)、底莢高度(X04)、平均節(jié)間長度(X05)、單株莢數(shù)(X06)、單株粒數(shù)(X07)、粒莖比(X08)、單株粒重(X09)和每莢粒數(shù)(X10)。

圖1 10個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)在單作和遮光處理下的箱線圖

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Microsoft Excel 2010軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與分析；IBM SPSS Statistics 25.0 軟件進(jìn)行主成分分析、聚類分析及逐步回歸等多元分析。單項(xiàng)指標(biāo)的耐蔭系數(shù)、不同大豆品系（種）各綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值u(Xj)、各綜合指標(biāo)的權(quán)重Wj和各大豆品系（種）的綜合耐蔭評價(jià)值D指計(jì)算方法如下[18]：

耐蔭系數(shù)(Shade tolerance coefficient，STC)，式(1)。

各綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，式(2)。

各綜合指標(biāo)的權(quán)重，式(3)。

各大豆品種（系）的綜合耐蔭評價(jià)值，式(4)。

根據(jù)公式(1)計(jì)算各單項(xiàng)指標(biāo)的耐蔭系數(shù)(STC)；利用公式(2)計(jì)算各個(gè)大豆品系（種）綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值，式中，Xa表示第a個(gè)綜合指標(biāo)，Xmax表示第a個(gè)綜合指標(biāo)的最大值，Xmin表示第a個(gè)綜合指標(biāo)的最小值；wa表示第a個(gè)綜合指標(biāo)在所有綜合指標(biāo)中的權(quán)重，pa為各個(gè)大豆品系（種）第a個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。以D值為因變量，對各個(gè)單項(xiàng)性狀的STC值進(jìn)行逐步回歸分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 遮蔭脅迫對不同大豆品系（種）株型和產(chǎn)量性狀的影響

由圖1可知，大豆受到遮蔭脅迫后，表現(xiàn)為株高和平均節(jié)間長度伸長，主莖節(jié)數(shù)較正常處理下略有增加，而株高的變異程度增加，說明大豆在受遮蔭脅迫后株型的變化主要是因?yàn)楣?jié)間長度的增長而非主莖節(jié)數(shù)的增加；遮蔭處理后分枝數(shù)減少，單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重和和粒莖比減少，說明分枝粒重的產(chǎn)量減少可能是單株產(chǎn)量減少的主要原因；底莢高度變異增加，說明底莢高度對遮蔭脅迫反應(yīng)敏感。

為消除供試大豆品系（種）本身差異帶來的誤差，計(jì)算各個(gè)指標(biāo)的耐蔭系數(shù)(STC)如表2。由表2 可知，在各單項(xiàng)指標(biāo)的耐蔭系數(shù)中，底莢高度和分枝數(shù)的變異系數(shù)大，分別為54.65%和57.03%，其次是粒莖比、每莢粒數(shù)和單株粒數(shù)的變異系數(shù)分別為32.88%、29.90%和29.88%，可見遮蔭處理對分枝數(shù)、底莢高度、每莢粒數(shù)、單株粒數(shù)和粒莖比的影響較大。與對照相比，遮蔭脅迫對大豆品系（種）的影響總體表現(xiàn)為株高、分枝數(shù)和節(jié)間長度增加，STC值大于1，而單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、每莢粒數(shù)、粒莖比和單株粒重與對照處理比總體上有所下降，其STC值小于1，而各個(gè)大豆品系（種）的變化幅度各不一致，各個(gè)大豆品系（種）對遮蔭脅迫的響應(yīng)不同。

表2 供試大豆品系（種）各個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)耐蔭系數(shù)(STC)

分析各個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)耐蔭系數(shù)相關(guān)性如表3。由表3 可知，株高(X01)與主莖節(jié)數(shù)(X02)和平均節(jié)間長度(X05)存在極顯著相關(guān)關(guān)系，和每莢粒數(shù)(X10)顯著相關(guān)；分枝數(shù)(X03)與底莢高度(X04)極顯著相關(guān)；單株莢數(shù)(X06)與單株粒數(shù)(X07)、粒莖比(X08)存在極顯著正相關(guān)；單株粒數(shù)(X07)與粒莖比(X08)、單株粒重(X09)和每莢粒數(shù)(X10)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系；粒莖比(X08)與每莢粒數(shù)(X10)存在顯著正相關(guān)；單項(xiàng)指標(biāo)的顯著或極顯著的相關(guān)系數(shù)均在0.45～0.60 之間，說明這些指標(biāo)所提供的信息有重疊，且遮蔭脅迫對大豆品系（種）的影響是復(fù)雜多樣的，遮蔭脅迫下大豆產(chǎn)量的損失涉及到株型和產(chǎn)量構(gòu)成因素多個(gè)性狀的變化。

表3 10個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)耐蔭系數(shù)的相關(guān)性分析

2.2 大豆品系（種）性狀的主成分分析

使用SPSS 25.0軟件對10個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，各主成分特征向量和貢獻(xiàn)率如表4。由表可知，前4個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到79.043%，包含了所有耐蔭評價(jià)指標(biāo)的大部分?jǐn)?shù)據(jù)信息。第1主成分對總遺傳貢獻(xiàn)率最大，主要由單株莢數(shù)(X06)、單株粒數(shù)(X07)、粒莖比(X08)、每莢粒數(shù)(X10)4 個(gè)性狀分量較大相關(guān)；第2 主成分對總遺傳貢獻(xiàn)率達(dá)23.115%，主要與株高(X01)、主莖節(jié)數(shù)(X02)和節(jié)間長度(X05)3個(gè)性狀分量相關(guān)；第3主成分主要與分枝數(shù)(X03)和底莢高度(X04)2個(gè)性狀分量相關(guān)，可反映原始數(shù)據(jù)信息量的17.776%；第4 主成分主要與單株粒重(X09)相關(guān)。

2.3 不同大豆品系（種）的耐蔭性綜合評價(jià)

根據(jù)公式(2)計(jì)算各個(gè)大豆品系（種）各綜合指標(biāo)的隸屬函數(shù)值如表5，4 個(gè)綜合指標(biāo)的權(quán)重分別為0.35、0.30、0.22 和0.13?；陔`屬函數(shù)值計(jì)算各個(gè)品系（種）的綜合耐蔭評價(jià)值（D值）（表5），D值越大，說明其耐蔭性越強(qiáng)，其中M18 的D值最大，為0.6408，表明其耐蔭性最強(qiáng)；M14 的D值最小，為0.1717，表明其耐蔭性最弱，其他供試材料的D值介于0.1717～0.6408之間；采用歐氏距離法對各大豆品系（種）的綜合耐蔭值（D值）進(jìn)行聚類（圖2），將25 個(gè)參試材料劃分為5類，并對其類別內(nèi)的供試材料性狀平均值進(jìn)行分析（表6）；M01、M06、M18、M19、M20和M23為第一類，占供試材料的24.0%，屬于強(qiáng)耐蔭型，表現(xiàn)為株高在遮蔭脅迫下伸長，平均節(jié)間長度短，底莢較低和單株粒數(shù)多；M09、M11、M16、M21和M25為第二類，占供試材料的20.0%，屬于較耐蔭型，表現(xiàn)為株高中等，單株粒數(shù)較多；M03、M05、M07、M08、M10、M12、M15、M17、M22和M24為第三類，占供試材料的40.0%，屬于中度耐蔭型，表現(xiàn)為平均節(jié)間長度長，單株粒數(shù)在遮蔭脅迫條件下減少較多；M02、M04和M13屬于不耐蔭型，表現(xiàn)為株高、平均節(jié)間長度、底莢高度和單株粒數(shù)受遮蔭脅迫影響大；M14 屬于極不耐蔭類型，遮蔭脅迫對此類別的單株莢數(shù)和單株粒數(shù)的影響嚴(yán)重。

圖2 25個(gè)大豆品系(種)的綜合耐蔭性聚類圖

表5 各供試材料的權(quán)重、隸屬函數(shù)值、D值、回歸預(yù)測值、估計(jì)精度及綜合評價(jià)

表6 不同耐蔭類別大豆的性狀表現(xiàn)

耐蔭性綜合評價(jià)值（D值）作因變量，各單項(xiàng)指標(biāo)的耐蔭系數(shù)(STC)作自變量，進(jìn)一步分析各個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)和耐蔭性的關(guān)系，建立最優(yōu)回歸方程：D=- 0.149 +0.202X01-0.054X04+0.233X05+0.233X07(R2=0.963)，由方程可知，株高、底莢高度、單株粒數(shù)和平均節(jié)間長度對大豆品系（種）耐蔭性有顯著影響，利用最優(yōu)回歸方程計(jì)算各個(gè)試驗(yàn)材料的預(yù)測D值，結(jié)果表明，各品系（種）的估計(jì)精度均在82%以上，說明株高、底莢高度、單株粒數(shù)和平均節(jié)間長度4個(gè)指標(biāo)對大豆綜合耐蔭性具有較為明顯的響應(yīng)，該方程可用于黃淮海地區(qū)春大豆的初步耐蔭性評價(jià)。

3 討論

大豆的耐蔭性直接決定其在遮光環(huán)境下能否正常生長發(fā)育和鼓粒結(jié)莢，是遮蔭脅迫下種植大豆能否獲得高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵[19]。本研究對25 個(gè)黃淮海地區(qū)春大豆品系（種）株型和產(chǎn)量相關(guān)性狀進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)遮蔭脅迫下大豆植株株高和平均節(jié)間長度伸長，變異程度增加，大豆在受遮蔭脅迫后株型的變化主要是因?yàn)楣?jié)間長度的增長，這與孫祖東等[20]的研究結(jié)果一致；遮蔭處理后分枝數(shù)、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重和和粒莖比減少，說明分枝粒重的產(chǎn)量減少可能是單株產(chǎn)量減少的重要原因，與覃思思等[21]研究結(jié)果一致；不同大豆品系（種）對遮光處理響應(yīng)程度存在差異，前人的研究也得到了一樣的結(jié)果。

本研究借鑒前人耐蔭性鑒定方法，選擇與遮蔭密切相關(guān)的株高、分枝數(shù)、主莖節(jié)數(shù)、底莢高度、平均節(jié)間長度、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、粒莖比、單株粒重和每莢粒數(shù)10 個(gè)指標(biāo)性狀，并對其進(jìn)行主成分分析，研究發(fā)現(xiàn)第1主成分和第2主成分對的大豆品系（種）耐蔭表現(xiàn)的總貢獻(xiàn)率超過50%，而第1 主成分與單株莢數(shù)(X06)、單株粒數(shù)(X07)、粒莖比(X08)、每莢粒數(shù)(X10)4 個(gè)性狀分量較大相關(guān)，是產(chǎn)量構(gòu)成因素因子，對總遺傳貢獻(xiàn)率最大，第2 主成分對總遺傳貢獻(xiàn)率達(dá)23.115%，主要與株高(X01)、主莖節(jié)數(shù)(X02)和節(jié)間長度(X05)3 個(gè)性狀分量相關(guān)，是株型構(gòu)成因子，上述結(jié)果說明株型和產(chǎn)量構(gòu)成因素的性狀是引起大豆對遮蔭的響應(yīng)，也是產(chǎn)量損失的重要原因；基于4 個(gè)綜合指標(biāo)獲得各大豆品系（種）的綜合耐蔭評價(jià)值(D)，D值越大耐蔭性強(qiáng)，反之則耐蔭性弱；對D值進(jìn)行聚類分析，將25 個(gè)大豆品系（種）劃分為強(qiáng)耐蔭、較耐蔭、中度耐蔭、不耐蔭和極不耐蔭5種類型，篩選到6 份強(qiáng)耐蔭種質(zhì)，鑒定到株高、平均節(jié)間長度、底莢高度和單株粒數(shù)與大豆品系（種）的耐蔭強(qiáng)弱較相關(guān)，與孫旭剛等[22]、譚春燕等[23]、黃其椿等[24]、孫祖東等[20]鑒定到的耐蔭指標(biāo)都有重合，說明大豆耐蔭性存在較為豐富的遺傳變異，各個(gè)生態(tài)區(qū)應(yīng)選擇適宜本地區(qū)耐蔭鑒定的指標(biāo)和評價(jià)模型；前人鑒定到的分枝數(shù)作為耐蔭鑒定指標(biāo)在本研究逐步回歸分析中并未得到相似結(jié)果，其可能原因是本研究試驗(yàn)材料的分枝數(shù)較少，分枝產(chǎn)量在總產(chǎn)量的占比較小，而遮蔭造成的落花落莢可能是造成產(chǎn)量損失的主要原因，有待后續(xù)的研究中引入分枝數(shù)較多的大豆種質(zhì)進(jìn)一步驗(yàn)證探討。前人研究的倒伏作為大豆在遮蔭脅迫的重要株型響應(yīng)，考慮到倒伏為綜合的復(fù)雜性狀，水肥條件、種植密度等均影響倒伏程度，且可以通過生長調(diào)劑節(jié)控制，受環(huán)境因素影響大，因此不作為本研究耐蔭篩選的候選指標(biāo)。

耐蔭性狀受復(fù)種制度和生態(tài)環(huán)境等影響，各生態(tài)區(qū)內(nèi)耐蔭指數(shù)均存在一定差異，因此，在各地區(qū)找出特異的耐蔭資源并利用其遺傳特性開展針對性的耐蔭育種工作尤為重要。多個(gè)科研單位學(xué)者們已開展耐蔭性大豆相關(guān)研究，大多集中在東北春大豆亞區(qū)、長江流域春夏大豆亞區(qū)和東南春夏秋大豆區(qū)等，黃淮海地區(qū)耐蔭性大豆相關(guān)研究報(bào)道較少，作為中國大豆第二大主產(chǎn)區(qū)，黃淮海大豆種植面積占全國大豆種植面積的30%左右，全面評估大豆耐蔭性，建立適宜當(dāng)?shù)氐?、相對?zhǔn)確的耐蔭性鑒定體系，對進(jìn)一步推廣黃淮海地區(qū)帶狀復(fù)合種植模式有重要意義。本研究使用的主成分分析、隸屬函數(shù)分析和綜合評價(jià)值計(jì)算結(jié)果相互驗(yàn)證，使用4個(gè)指標(biāo)建立的耐蔭性數(shù)學(xué)篩選模型對耐蔭性春大豆的鑒定具有可行性，上述方法的建立和耐蔭種質(zhì)的發(fā)掘是基于本地區(qū)的種質(zhì)資源和種植條件，更為準(zhǔn)確的、全面的、大批量的耐蔭評價(jià)模型需要大規(guī)模種質(zhì)資源平臺的試驗(yàn)驗(yàn)證和修正。

4 結(jié)論

大豆的耐蔭性具有基因型差異，強(qiáng)耐蔭大豆在遮蔭環(huán)境下可減輕遮蔭脅迫產(chǎn)量的不利影響，本研究將10 個(gè)單項(xiàng)指標(biāo)轉(zhuǎn)換為代表了全部信息的79.043%的4個(gè)相互獨(dú)立的綜合指標(biāo)，根據(jù)綜合耐蔭評價(jià)值(D)聚類將25 試驗(yàn)大豆品系（種）分為強(qiáng)耐蔭型、較耐蔭型、中度耐蔭型、不耐蔭型和極不耐蔭型5 類，篩選出JB20-2030、JB20-4134、中豆5701、南農(nóng)1138-2、駐豆29和科豐14屬于強(qiáng)耐蔭品系（種），建立了黃淮海地區(qū)春大豆耐蔭性評價(jià)數(shù)學(xué)模型D=-0.149+0.202X01-0.054X04+0.233X05+0.233X07，篩選到株高、底莢高度、單株粒數(shù)和平均節(jié)間長度4個(gè)耐蔭鑒定指標(biāo)可作為黃淮海耐蔭春大豆鑒定指標(biāo)。