楊玉花，雷 陽，白志元，衛(wèi)保國(guó)，張瑞軍

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)基因資源研究中心，農(nóng)業(yè)部黃土高原作物基因資源與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，雜糧種質(zhì)資源發(fā)掘與遺傳改良山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030031；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山西 太原 030031)

【研究意義】日照長(zhǎng)度波動(dòng)會(huì)影響大多數(shù)生物的發(fā)育進(jìn)程和行為，如哺乳動(dòng)物和鳥類在長(zhǎng)光照的春季適宜繁殖，而昆蟲在短光照的秋季化蛹，這些現(xiàn)象統(tǒng)一稱為光周期現(xiàn)象，可以感知季節(jié)的變化和預(yù)測(cè)環(huán)境條件(如溫度和濕度等)[1]。光周期現(xiàn)象最早是Garner和Allard[2]在1920年提出，研究發(fā)現(xiàn)一些植物受日照長(zhǎng)于臨界日長(zhǎng)條件下促進(jìn)開花的命名為長(zhǎng)日植物，反則為短日植物。大豆是典型的短日照植物[2]，對(duì)光周期反應(yīng)較為敏感，在不同生態(tài)區(qū)開花期和成熟期差異較大[3-4]，且同一生態(tài)區(qū)大豆品種對(duì)光周期的反應(yīng)也有差異。大豆育種專家王金陵[5]在1956年就提出開花前的不同光照長(zhǎng)度對(duì)大豆開花期、株高和其它性狀均有影響。開花后不同品種的大豆對(duì)日照長(zhǎng)度的反應(yīng)也有一定差別[6]。韓天富等[7]研究表明大豆從播種至成熟整個(gè)生命過程中均存在光周期反應(yīng)現(xiàn)象?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】前人研究發(fā)現(xiàn)，中國(guó)大豆不同生態(tài)區(qū)品種類型開花后光周期敏感性為南方秋豆>南方夏豆>黃淮夏豆>南方春豆、黃淮春豆>北方春豆，不同性狀對(duì)光周期處理的敏感性也不相同，如株高>干重>節(jié)數(shù)>莢數(shù)>單株粒數(shù)>單株產(chǎn)量[8-9]。何言章等[10-11]對(duì)國(guó)內(nèi)各地有代表性的大豆品種進(jìn)行遮光處理，發(fā)現(xiàn)短光敏感性強(qiáng)弱為南方夏大豆>北方夏大豆>南方春大豆>北方春大豆，大豆開花前和開花后不同光周期對(duì)大豆農(nóng)藝性狀均有一定影響，如株高、主莖節(jié)數(shù)、莖粗、分枝數(shù)、莢數(shù)、秕莢率、株粒數(shù)和百粒重等。費(fèi)志宏等[12]人利用盆栽暗室和加光等措施研究發(fā)現(xiàn)，大豆光周期反應(yīng)敏感性強(qiáng)弱依次為南方夏大豆>南方春大豆>黃淮海夏大豆>北方春大豆，說明大豆品種的光周期反應(yīng)敏感性隨著主產(chǎn)地緯度的降低而增強(qiáng)，同一地區(qū)品種的光周期反應(yīng)敏感性具有很大相似性。王英等[13]研究發(fā)現(xiàn)，開花后光照處理對(duì)大豆農(nóng)藝性狀和品質(zhì)性狀均有影響，且不同性狀的光周期敏感度差異明顯，如株高>主莖節(jié)數(shù)>蛋白質(zhì)含量、脂肪含量>百粒重>單株莢數(shù)>蛋白質(zhì)和脂肪總量?；趯?duì)大豆光周期敏感性的鑒定同時(shí)，一些學(xué)者對(duì)大豆受光周期影響較大的花期進(jìn)行深入研究，現(xiàn)已經(jīng)克隆E1～E99個(gè)調(diào)控大豆花期基因[14-20]，這些基因顯性位點(diǎn)能不同程度延長(zhǎng)大豆的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)或者生殖生長(zhǎng)(E6和E9除外)，其中E1基因?qū)τ谝种拼蠖归_花功能最強(qiáng)。除此之外還有一些基因可以調(diào)控大豆開花期，如GmPhyA基因可以調(diào)控光周期，影響大豆開花[17-18]，GmCRY1a和GmCRY2a基因通過調(diào)控生物鐘或者葉片的衰老最終調(diào)節(jié)大豆光周期開花[21-22]，敲除GmRAV2轉(zhuǎn)錄因子可以使大豆提前開花[23]，超表達(dá)GmSOC1基因可以促進(jìn)大豆提前開花[24]，而超表達(dá)microRNAGmiR156b可以延遲大豆開花[25]等。目前對(duì)受大豆光周期影響較大的花期性狀研究較多且機(jī)理比較明確，但實(shí)際應(yīng)用于生產(chǎn)相對(duì)較少，對(duì)受大豆光周期影響的其它性狀，尤其是產(chǎn)量和品質(zhì)性狀研究較少。因此對(duì)于大豆光敏感這個(gè)復(fù)雜性狀，應(yīng)該多角度來解析和闡明其機(jī)制，為大豆廣適育種提供理論基礎(chǔ)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】本研究主要利用3份不同大豆資源為研究對(duì)象，在開花前不同光周期條件下研究株高，有效分枝數(shù)，無效分枝數(shù)，主莖節(jié)數(shù)，一粒莢，二粒莢，三粒莢，四粒莢，空莢，單株有效莢數(shù)，單株總莢數(shù)，單株粒數(shù)，每莢粒數(shù)，百粒重，單株粒重，蛋白含量，水分含量，脂肪含量18個(gè)農(nóng)藝性狀，利用方差分析3份大豆資源分別在不同光周期條件下農(nóng)藝性狀的差異，進(jìn)行各農(nóng)藝性狀在不同光周期下的相關(guān)性和主成分分析，同時(shí)比較各農(nóng)藝性狀光相對(duì)敏感度，揭示不同大豆資源對(duì)光周期敏感性存在差異，并且能夠精確了解大豆光敏感的農(nóng)藝性狀?！緮M解決的關(guān)鍵問題】此研究結(jié)果為后續(xù)開展大豆開花前遮光對(duì)農(nóng)藝性狀光敏感度的遺傳分析和相關(guān)農(nóng)藝性狀的QTL定位以及候選基因的分析奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究利用的3份大豆供試材料均由山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)作物品種資源研究所收集并提供。2017年5-10月分別在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院東陽基地和祁縣基地種植，土壤肥力均勻，按照標(biāo)準(zhǔn)田間管理。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì) 大豆于5月9日統(tǒng)一播種，播種出苗后統(tǒng)一利用覆蓋雙層黑色遮光布的遮光架進(jìn)行遮光處理，遮光處理為12 h遮光(19:00-7:00)，12 h不遮光(7:00-19:00)，對(duì)照處理為不遮光(自然光)。田間試驗(yàn)按照完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)3個(gè)重復(fù)，每個(gè)小區(qū)3行，行距×株距為50 cm×13.5 cm。

1.2.2 性狀考察 大豆成熟時(shí)，每個(gè)小區(qū)選擇10個(gè)代表單株，測(cè)定株高，有效分枝數(shù)，無效分枝數(shù)，主莖節(jié)數(shù)，一粒莢，二粒莢，三粒莢，四粒莢，空莢，百粒重等性狀，通過測(cè)定性狀再計(jì)算單株有效莢數(shù)，單株總莢數(shù)，單株粒數(shù)，每莢粒數(shù)性狀，然后取均值作為該性狀的最終值。蛋白含量，水分含量，脂肪含量3個(gè)性狀由近紅外測(cè)定[傅立葉變換近紅外光譜儀(MPA)]，最后取均值。具體調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)參照《中國(guó)大豆品種志》[26]。

1.2.3 數(shù)據(jù)分析 利用SAS V8軟件中的PROC ANOVA程序?qū)?個(gè)地點(diǎn)的3份大豆資源2個(gè)不同遮光處理下的18個(gè)性狀進(jìn)行方差分析，從而確定大豆的不同性狀是否在不同光周期間存在顯著差異。利用SAS V8軟件中的PROC ANOVA程序進(jìn)行相關(guān)性分析，PROC ANOVA程序進(jìn)行主成分分析。采用長(zhǎng)短日照條件下某一性狀的相對(duì)差值RD% =(L-S) /S×100 來評(píng)價(jià)18個(gè)性狀的光周期敏感度[27]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光周期下大豆各農(nóng)藝性狀的方差分析

通過對(duì)3份大豆材料2個(gè)不同的光周期調(diào)查的18個(gè)性狀(表1)進(jìn)行方差分析，可以看出不同光周期對(duì)大豆大多數(shù)農(nóng)藝性狀均有影響，主要表現(xiàn)在株高，有效分枝數(shù)，主莖節(jié)數(shù)，三粒莢，單株有效莢數(shù)，單株總莢數(shù)，單株粒數(shù)和單株粒重等性狀，遮光后的短光周期顯著低于正常光照(P<0.01)，然而短光周期條件下一粒莢明顯高于對(duì)照(P<0.01)。無效分枝數(shù)，四粒莢，空莢，每莢粒數(shù)，百粒重，蛋白含量，水分含量和脂肪含量幾乎不受光周期影響，差異不顯著。以上結(jié)果說明，短光周期顯著影響大豆部分產(chǎn)量相關(guān)性狀，但對(duì)本研究采用3份大豆資源的品質(zhì)性狀影響甚微。

同時(shí)發(fā)現(xiàn)不同大豆材料不同性狀對(duì)光周期影響不同，如晉豆25在短光周期的條件下二粒莢，單株有效莢數(shù)，單株總莢數(shù)3個(gè)性狀反而顯著高于長(zhǎng)光照，中黃35在短光周期的條件下的百粒重，蛋白含量，水分含量和脂肪含量明顯高于長(zhǎng)光照。說明不同大豆材料對(duì)光周期影響不同，同時(shí)同一大豆材料不同性狀對(duì)光周期影響也不相同。

表1 不同光周期對(duì)3份大豆材料各性狀的影響

續(xù)表1 Continued table 1

2.2 不同光周期條件下大豆各農(nóng)藝性狀的比較

從表2可以看出，在遮光后短光周期條件下和正常長(zhǎng)光周期條件下大多數(shù)性狀間呈現(xiàn)顯著或者極顯著相關(guān)性，同一性狀在遮光后短光周期和正常長(zhǎng)光周期條件下也存在一定的顯著或者極顯著相關(guān)性。比如在正常長(zhǎng)光周期條件下的株高與遮光后在短光周期條件下的有效分枝數(shù)，主莖節(jié)數(shù)，二粒莢，三粒莢，單株有效莢數(shù)，單株粒數(shù)，單株粒重和蛋白含量呈顯著或者極顯著正相關(guān)，與一粒莢，四粒莢，空莢，單株總莢數(shù)，每莢粒數(shù)，百粒重，水分含量和脂肪含量呈顯著或者極顯著負(fù)相關(guān)，與無效分枝數(shù)不相關(guān)。而在正常長(zhǎng)光周期條件下株高與同樣長(zhǎng)光周期條件下的有效分枝數(shù)，主莖節(jié)數(shù)，二粒莢，三粒莢，單株有效莢數(shù)，單株粒數(shù)，單株粒重和蛋白含量呈顯著或者極顯著正相關(guān)，與一粒莢，四粒莢，空莢，單株總莢數(shù)，每莢粒數(shù)，百粒重，水分含量和脂肪含量呈顯著或者極顯著負(fù)相關(guān)，與無效分枝數(shù)不相關(guān)。遮光后短光周期和正常長(zhǎng)光周期間的株高，有效分枝數(shù)，主莖節(jié)數(shù)，三粒莢，單株粒數(shù)，單株粒重和蛋白含量呈顯著或者極顯著正相關(guān)，一粒莢，二粒莢，四粒莢，空莢，單株有效莢數(shù)，單株總莢數(shù)，每莢粒數(shù)，百粒重，水分含量和脂肪含量呈顯著或者極顯著負(fù)相關(guān)，同樣2種處理之間的無效分枝數(shù)不相關(guān)。由此可以說明，大豆大多數(shù)性狀在遮光后短光周期和正常長(zhǎng)光周期條件下相互之間的相關(guān)性表現(xiàn)基本一致，可見改變光周期后大豆的一些性狀之間的相互關(guān)系不受影響。

2.3 大豆各農(nóng)藝性狀主成分分析

由表3可以看出，遮光后短光周期條件下前6個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率分別為31.66 %、19.96 %、13.28 % 、7.92 %、6.19 %和5.78 %，累積貢獻(xiàn)率為84.79 %；正常長(zhǎng)光周期條件下前6個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率分別為39.52 %，14.42 %，10.35 %，7.80 %，6.78 %和5.86 %，累積貢獻(xiàn)率為84.72 %，其余12個(gè)主成分貢獻(xiàn)率均較小。因此遮光后短光周期條件下可以用前6個(gè)主成分包含84.79 %信息很好地概括了大豆18個(gè)農(nóng)藝性狀對(duì)光周期的反應(yīng)，同樣在正常長(zhǎng)光周期條件下，大豆18個(gè)農(nóng)藝性狀也可以轉(zhuǎn)換成前6個(gè)相對(duì)獨(dú)立的主成分，可以代表原來18個(gè)性狀84.72 %信息。

2.4 大豆各農(nóng)藝性狀光周期相對(duì)敏感度比較

根據(jù)光相對(duì)敏感度計(jì)算公式分別計(jì)算出3個(gè)大豆材料(中119，晉豆25和中黃35)18個(gè)農(nóng)藝性狀的平均光敏感度值。從圖1可以看出，中119和中黃35的18個(gè)農(nóng)藝性狀的光相對(duì)敏感度強(qiáng)弱相對(duì)較一致，而晉豆25的部分農(nóng)藝性狀的光相對(duì)敏感度相對(duì)較弱且與中119和中黃35的短光照和長(zhǎng)光照敏感度相反。如中119的18個(gè)農(nóng)藝性狀的光相對(duì)敏感度強(qiáng)弱順序?yàn)橹旮撸Ｇv，有效分枝數(shù)，單株粒數(shù)，一粒莢，主莖節(jié)數(shù)，單株粒重，空莢，四粒莢，單株總莢數(shù)，單株有效莢數(shù)，每莢粒數(shù)，水分含量，二粒莢，百粒重，脂肪含量，蛋白含量，和無效分枝數(shù)；中黃35的18個(gè)農(nóng)藝性狀光相對(duì)敏感度強(qiáng)弱順序?yàn)槿Ｇv，株高，單株粒數(shù)，單株粒重，單株總莢數(shù)，主莖節(jié)數(shù)，單株有效莢數(shù)，一粒莢，二粒莢，四粒莢，有效分枝數(shù)，每莢粒數(shù)，空莢，水分含量，百粒重，蛋白含量，脂肪含量和無效分枝數(shù)；而晉豆25的18個(gè)農(nóng)藝性狀的光相對(duì)敏感度強(qiáng)弱順序?yàn)橹旮撸牧Ｇv，一粒莢，主莖節(jié)數(shù)，二粒莢，單株有效莢數(shù)，單株總莢數(shù)，三粒莢，百粒重，有效分枝數(shù)，單株粒數(shù)，每莢粒數(shù)，單株粒重，水分含量，脂肪含量，空莢，蛋白含量和無效分枝數(shù)。可以看出大豆株高是對(duì)光敏感度最強(qiáng)的一個(gè)農(nóng)藝性狀，其次是三粒莢，有效分枝數(shù)，主莖節(jié)數(shù)，單株粒重，一粒莢，四粒莢等農(nóng)藝性狀，其中一粒莢和四粒莢受光周期影響與其它性狀相反，也就是說株高，三粒莢，有效分枝數(shù)，主莖節(jié)數(shù)，單株粒重在長(zhǎng)光周期條件下比短光周期條件下相對(duì)值較高，而一粒莢和四粒莢則相反，在短光周期條件下的相對(duì)值較高，該結(jié)果與表1中對(duì)不同的光周期方差分析結(jié)果一致。

表3 大豆各農(nóng)藝性狀在不同光周期下的主成分分析

3 討 論

3.1 大豆是一個(gè)受光周期影響較大的作物

大豆是一個(gè)短日照作物，如果日照長(zhǎng)度高于臨界日照將會(huì)出現(xiàn)營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)不能正常轉(zhuǎn)變生殖生長(zhǎng)，導(dǎo)致不能正常開花結(jié)實(shí)。由于大豆對(duì)光周期反應(yīng)較為敏感且隨著地理緯度的降低而增強(qiáng)，因此在大豆生產(chǎn)上有明顯的地域性限制。以前大多數(shù)科研工作者以開花期或者成熟期的變化來研究大豆光周期敏感性，本研究則側(cè)重以大豆農(nóng)藝性狀和品質(zhì)性狀受光周期的影響來探討大豆光周期敏感性。

通過研究發(fā)現(xiàn)大豆株高，有效分枝數(shù)，無效分枝數(shù)，主莖節(jié)數(shù)，一粒莢，二粒莢，三粒莢，四粒莢，空莢，單株有效莢數(shù)，單株總莢數(shù)，單株粒數(shù)，每莢粒數(shù)，百粒重，單株粒重，蛋白含量，水分含量，脂肪含量18個(gè)農(nóng)藝性狀中大多數(shù)性狀受光周期的影響，尤其是株高，有效分枝數(shù)，主莖節(jié)數(shù)，一粒莢，三粒莢，單株粒重等性狀在長(zhǎng)光照和短光照不同光周期條件下差異極顯著，這與前人研究結(jié)果較一致[8,10-11]，進(jìn)而說明大豆是一個(gè)極易受光周期影響的農(nóng)作物。

3.2 光周期對(duì)大豆各農(nóng)藝性狀的影響

農(nóng)藝性狀是作物在長(zhǎng)期適應(yīng)環(huán)境的過程中，通過進(jìn)化而產(chǎn)生的，同時(shí)也受外界生存環(huán)境變化影響。本研究中大豆株高，有效分枝數(shù)，主莖節(jié)數(shù)，百粒重等性狀在不同光周期條件下表現(xiàn)有一定的差異。如在短光周期條件下性狀值明顯低于長(zhǎng)光周期，說明開花前短光周期條件會(huì)導(dǎo)致大豆?fàn)I養(yǎng)生長(zhǎng)時(shí)間縮短，從而促進(jìn)大豆提前進(jìn)入生殖生長(zhǎng)，這也是作物在特定環(huán)境條件下的自身調(diào)節(jié)反映[28]。同樣在特定條件下各農(nóng)藝性狀間也具有相關(guān)性，如正常長(zhǎng)光周期條件下，株高與有效分枝數(shù)，主莖節(jié)數(shù)等農(nóng)藝性狀存在一定程度的相關(guān)，同樣在短光周期條件下，株高與有效分枝數(shù)，主莖節(jié)數(shù)等農(nóng)藝性狀也存在一定程度的相關(guān)，說明作物各農(nóng)藝性狀間不同程度的相互關(guān)聯(lián)，同時(shí)也顯示作物會(huì)隨著不同的生態(tài)條件進(jìn)行自身調(diào)節(jié)。作物農(nóng)藝性狀在受到自然因素(不同經(jīng)緯度、地區(qū)氣候)等影響，形成對(duì)地理環(huán)境因子適應(yīng)性的響應(yīng)性狀特征[29-30]。

本研究對(duì)3個(gè)大豆材料的各農(nóng)藝性狀的光相對(duì)敏感度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)株高，有效分枝數(shù)，主莖節(jié)數(shù)，一粒莢，三粒莢和單株粒重表現(xiàn)出對(duì)光較強(qiáng)的敏感性，說明這6個(gè)指標(biāo)適合作為大豆光敏感評(píng)價(jià)指標(biāo)。其次發(fā)現(xiàn)不同大豆材料間的農(nóng)藝性狀光相對(duì)敏感度有一定的差別，如中119和中黃35農(nóng)藝性狀的光相對(duì)敏感度較一致，而晉豆25的部分農(nóng)藝性狀的光相對(duì)敏感度則相反，如二粒莢，百粒重等性狀。說明不同大豆材料間對(duì)光敏感度有差異，這與前人研究的不同大豆生態(tài)區(qū)不同品種類型光周期敏感性不同結(jié)果一致[8]，說明本研究采用的晉豆25與中119和中黃35屬于來源不同生態(tài)區(qū)大豆品種有關(guān)。

3.3 大豆光敏感育種應(yīng)用

結(jié)合前人研究和本研究發(fā)現(xiàn)，大豆光周期反應(yīng)敏感性不僅體現(xiàn)在開花期和成熟期等性狀，同時(shí)也體現(xiàn)在一些農(nóng)藝性狀上。因此可以借鑒小麥育種經(jīng)驗(yàn)，通過培育矮化和光不敏感性農(nóng)藝性狀等品種，推動(dòng)小麥育種的 “綠色革命”[31]。在大豆育種過程同樣選擇光不敏感性農(nóng)藝性狀以及對(duì)光周期遲鈍型的品種，不斷改善大豆品種的廣生態(tài)適應(yīng)性，或者選擇光敏感性大豆品種，推進(jìn)大豆“兩系”育種進(jìn)程。

在育種過程中，結(jié)合大豆的開花期，成熟期，農(nóng)藝性狀，品質(zhì)性狀以及結(jié)合目前已經(jīng)克隆的調(diào)控大豆光周期基因(雖然現(xiàn)在報(bào)道的已經(jīng)克隆的調(diào)控大豆光周期基因很多，但是實(shí)際應(yīng)用的很少)等綜合指標(biāo)，配制大量組合，多年多點(diǎn)跨生態(tài)區(qū)選擇，最終將大豆廣適性優(yōu)良基因聚合在一起，選育出大豆廣適性且高產(chǎn)優(yōu)良品種。以此來突破國(guó)產(chǎn)大豆供不應(yīng)求的局面[32]，應(yīng)對(duì)全球大豆貿(mào)易格局變化對(duì)我國(guó)大豆產(chǎn)業(yè)所造成的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié) 論

本研究利用3份來源不同的大豆材料，對(duì)其開花前不同光周期處理，通過分析18個(gè)不同農(nóng)藝性狀方差分析、相關(guān)性分析、主成分分析和光相對(duì)敏感度比較分析，結(jié)果表明3份大豆材料各農(nóng)藝性狀對(duì)光周期敏感性有差異，其中株高，株高，有效分枝數(shù)，主莖節(jié)數(shù)，一粒莢，三粒莢和單株粒重表型較強(qiáng)，可以作為大豆光敏感性育種評(píng)價(jià)指標(biāo)，同時(shí)也可以為大豆廣適性和“兩系”育種提供鑒定依據(jù)。