大豆芽期耐高温评价方法构建及耐高温种质资源筛选

李佳佳 龙 群 朱尚尚 单雅敬 吴美燕 鲁 云 支现管 廖 威 陈浩然 赵振邦 苗 龙 高慧慧 李英慧 王晓波,* 邱丽娟,*

大豆芽期耐高温评价方法构建及耐高温种质资源筛选

李佳佳1,**龙 群1,**朱尚尚1,**单雅敬1吴美燕1鲁 云1支现管1廖 威1陈浩然1赵振邦3苗 龙1高慧慧1李英慧2王晓波1,*邱丽娟2,*

1安徽农业大学农学院, 安徽合肥 230036;2中国农业科学院作物科学研究所 / 农作物基因资源与基因改良国家重大科学工程 / 农业农村部北京大豆生物学重点实验室, 北京 100081;3宿州市农业科学院, 安徽宿州 234000

极端高温事件频增导致大豆生产接连遭受高温热害, 严重影响其产量构成和品质性状。种子在发芽阶段对外界环境变化较为敏感, 温度升高及伴随而来的干旱等现象会影响大豆种子出苗。建立一套科学的大豆芽期耐高温评价方法, 可以为早期耐高温鉴定、耐高温种质选育以及遗传机制研究提供理论基础。本研究以385份大豆种质资源为材料, 利用人工气候培养箱创造高温环境, 于芽期进行高温处理3 d (40℃, 8 h光照/16 h黑暗)。相较于对照(25℃, 8 h光照/16 h黑暗), 高温处理后大豆芽期下胚轴长显著下降10.9% (<0.05); 根鲜重、根干重和根冠比等指标分别极显著增加了13.10%、22.20%和16.90% (<0.01), 结果表明, 高温处理会显著影响大豆芽期地上部与地下部生物量的分布。对各性状耐高温系数进行主成分分析, 将11个指标转换成3个主成分因子, 进一步通过隶属函数标准化分析计算获得大豆响应高温胁迫综合评价值(), 并基于H值对参试品种进行聚类分析。最终将385份种质资源芽期耐高温特性划分为5个等级, 即: I级(耐高温型)、II级(较耐高温型)、III级(中间型)、IV级(高温较敏感型)和V级(高温敏感型), 综合试验中具体表现, 筛选出4个芽期耐高温型大豆品种(H245、H070、H268和H216)。对各项指标逐步回归分析后, 建立大豆芽期耐高温综合评价(值)预测模型:= 0.191+0.0171–0.0072+0.0137+0.0278–0.00910(20.9752), 筛选出下胚轴长(1)、主根长(2)、下胚轴干重(7)、根鲜重(8)和简化活力指数(10) 5个指标可以作为大豆芽期耐高温评价指标。

大豆; 芽期; 高温处理; 种质资源; 耐高温性评价

大豆是重要的蛋白质和食用油来源, 也是重要的工业原料[1]。近年来随着全球气候变暖, 极端高温天气频发, 高温热浪袭击将会显著影响作物的生长发育[2]。据中国气象资料报道, 近年来, 我国黄淮海地区接连遭受高温, 2022年首个高温日比往年提前13 d[3], 6月中下旬全国各地都出现了异常高温现象, 华北及黄淮部分大豆主产区最高气温超过40℃, 对大豆萌发带来严峻挑战, 因此, 在大豆芽期进行耐高温种质挖掘具有重要生产实践意义。

目前, 国内外对小麦[4]、水稻[5]、玉米[6]等作物的耐热性研究居多, 而对大豆耐热性研究较少。高温热害对大豆关键生育期均有不同程度损伤, 会严重影响大豆产量形成和品质性状[7-9]。植物的耐热性是一个复杂的生理过程, 高温胁迫可使大豆芽期种子萌发率和活力显著下降[10], 幼苗组织结构受损以及渗透相关物质含量变化[11], 同时通过影响作物重要的生理过程对作物造成毁灭性的伤害, 例如使蛋白质变性、叶绿体和线粒体酶活性的失活, 活性氧(reactive oxygen species, ROS)水平、光系统II (photosystem II, PSII)介导的光合效率下降[12]。Vu等[13]发现温度升高对大豆各方面指标都有影响, 包括开花时间、营养生殖和组织结构等。通过某单一性状的测定, 很难准确地反映出不同种质间的耐高温差异, 目前多采用多元综合评价法分析植物耐高温特性。关于大豆耐高温性鉴定及指标筛选, 国内外已有广泛研究。靳路真[14]基于主成分分析、隶属函数标准化分析等将155份大豆划分为6个耐高温等级, 筛选出百粒重、茎粗、蛋白质含量等7个指标作为大豆开花期耐热性鉴定指标。莫先树[15]在大豆花荚期探究了热与“症青”现象联系, 确定了百粒重、单株粒重、单株荚数等5个耐热性筛选指标, 建立了大豆花荚期热胁迫鉴定方法, 筛选了4个耐高温品种和7个高温敏感性品种。Kanchan等[16]通过设置不同温度条件进行高温胁迫, 通过体外花粉萌发率、花粉管长度、繁殖效率和种子产量等4个指标筛选耐高温大豆基因型。Liu等[17]阐明了作物结实期的每一个生殖过程都对高温胁迫敏感, 分析发现一系列理化过程与结实率关系密切, 在调节高温胁迫下作物产量中发挥关键作用。

本研究前期已在开花期建立了以花粉活力为主的大豆耐高温鉴定方法[18], 筛选了适宜黄淮海地区花期耐高温优异种质, 并就其耐高温生理机制进行初步解析[19], 但相较于拟南芥、水稻等作物的耐高温研究进展, 大豆在耐高温种质资源评价、鉴定、机制解析方面仍然显得滞后。种子在发芽阶段对外界环境变化较为敏感, 是进行非生物胁迫鉴定的重要时期。大豆芽期响应非生物胁迫的研究当前多集中在盐和干旱胁迫上面[20-22], 耐高温特性评价鉴定及指标筛选尚未有一套科学、快速便捷的鉴定体系。研究芽期高温胁迫生理指标差异, 筛选代表性评价指标, 能够为大豆早期耐高温特性鉴定和种质资源筛选提供理论基础。本研究以385份大豆种质资源为材料, 通过人工气候箱模拟高温环境, 分析芽期高温处理后下胚轴长、主根长、含水量、简化活力指数、根冠比等生理指标, 评价不同品种耐高温能力, 以期探明大豆芽期耐高温评价方法及指标筛选, 建立一套芽期耐高温特性评价方法, 为耐高温种质鉴定、耐高温育种及其遗传机制研究提供依据。

1 材料与方法

1.1 材料

385份大豆种质资源(附表1)主要为黄淮海生态区主栽品种、微核心种质资源等, 由中国农业科学院作物科学研究所提供。

1.2 试验设计

1.3 测定项目与方法

下胚轴、主根长度: 用直尺测量大豆种子主根的长度和下胚轴的长度(cm)。

鲜重: 吸干材料表面水分, 用电子天平称量其重量(g)。

干重: 将称量过鲜重的材料用信封包装, 于120℃烘箱中杀青15 min, 再经 80℃烘干至恒重, 然后用电子天平称量其重量(g)。

其他性状计算公式:

含水量(%)=(幼苗鲜重-幼苗干重)/幼苗鲜重 × 100%;

简化活力指数[23](G·S)=发芽率(量)×生长势, S=幼根生长势(平均干重或鲜重表示);

根冠比=地下部鲜(干)重/地上部鲜(干)重。

“机械工程测试技术”课程多媒体教学可采用的教学方法有：讲授法、讨论法、直观演示法、练习法、任务驱动法、现场教学法和自主学习法等，其优缺点如表1所示。

1.4 数据分析与评价方法

利用Microsoft Excel 2010整理和分析数据, 并计算各处理性状的平均数, 以SPSS 25.0软件对数据进行主成分分析、相关性分析、隶属函数分析、聚类分析和多元回归分析, 采用Origin和R语言分析作图。相关指标计算参照文献[24]如下:

(1) 耐高温系数=高温处理性状值/对照处理性状值。

(2) 根据特征值大于1的准则提取主成分, 计算主成分得分值; 利用隶属函数将各个指标性状在所提取的主成分上的得分值进行标准化: 隶属函数值:(x) = (X–min) / (max–min);= 1, 2, 3, …,; 其中min和max分别表示每个主成分上各性状指标得分值的最小值和最大值。

2 结果与分析

2.1 高温处理效应

相较于对照(25.1℃±0.3℃和50.5%±0.8%), 人工气候培养箱高温处理效果显著(39.9℃±0.5℃和49.4%±1.2%, 图1)。其中大部分品种(系)在高温处理后幼芽生长受到显著制约, 并造成不可逆损伤, 耐高温型材料可以正常出苗, 敏感型材料则出现霉烂、出芽不出苗现象。综上所述, 本研究中模拟田间环境的高温处理方法能够有效评价大豆种质芽期的耐高温特性。

图1 不同处理时间平均温/湿度

2.2 高温处理对大豆芽期各项生理指标的影响

相较于对照, 高温处理后大豆植株下胚轴长显著降了10.90% (<0.05), 根鲜重、根干重和根冠比等指标分别极显著增长13.10%、22.20%和16.90% (<0.01, 表1), 总鲜重、总干重、相对水分含量下胚轴鲜重都呈下降趋势。高温处理后统计385份参试材料中下胚轴下降的品种占比60.12%: 根鲜重增加的品种占比52.76%、根干重增加的品种占比58.81%、根冠比的增加品种占比58.21%。多数品种芽期在高温胁迫后地上部分生长受到抑制、但地下部分反而呈增长趋势, 说明大豆植株可能通过调整地上部与地下部生物量的分布来适应逆境。

2.3 大豆耐高温系数差异性分析

高温处理后大豆主要农艺性状均受到一定影响,为了鉴别不同品种受高温胁迫的程度, 用胁迫后与胁迫前各性状值的比值, 即耐高温系数进行比较分析。结果表明, 总鲜重、总干重、根鲜重、根干重、简化活力指数和根冠比等性状变异系数较大, 变异幅度为41%～89%; 而下胚轴长、主根长、相对含水量、下胚轴鲜重和下胚轴干重等性状变异系数较小, 变异幅度为16%～39% (表2), 说明不同性状指标间的耐高温系数变异幅度不同, 即使是表现出显著或极显著差异的4个性状指标(下胚轴长、根鲜重、根干重和根冠比, 表1), 它们的变异系数也在较宽泛的浮动范围(35%～89%)。因此, 以单个生理指标的耐高温系数来直接评价不同品种的高温性并不准确, 需结合不同性状对温度响应程度的差异进行综合评价。

表1 高温(HT)处理对385份大豆芽期生理指标的影响

*、**分别表示在0.05和0.01概率水平差异显著。

*and**mean significant difference at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.

表2 385份大豆芽期高温处理各单项系数变异分析

2.4 大豆芽期生理指标耐高温系数相关性分析

为了避免各指标反映的信息重叠, 更准确地评价大豆芽期耐高温水平, 有必要对各指标值间进行相关性分析(图2)。结果表明, 总干重与其他各项指标均无相关性; 主根长(2)与总鲜重(3,= 0.27)、相对水分含量(7,= 0.12)、根鲜重(8,= 0.42)、根干重(9,= 0.27)、简化活力指数(10,= 0.26)和根冠比(11,= 0.46)极显著正相关(<0.01); 下胚轴鲜重(6)与下胚轴干重(7,= 0.17)、根鲜重(8,= 0.34)、根干重(9,= 0.25)、简化活力指数(10,= 0.23)和根冠比(11,= 0.30)极显著正相关(<0.01)。说明高温处理下大豆芽期相关性高的评价指标反映信息具有一致性, 因此, 仅用某一个鉴定指标难以客观评价不同大豆品种的耐热性, 挖掘多重指标可弥补用单一指标评价的片面性, 综合反映其在高温处理条件下的耐高温特性。

图2 385份大豆芽期高温处理各单项指标耐高温系数相关性分析

1: 下胚轴长;2: 主根长;3: 总鲜重;4: 总干重;5: 相对水分含量;6: 下胚轴鲜重;7: 下胚轴干重;8: 根鲜重;9: 根干重;10: 简化活力指数;11: 根冠比。*表示在0.05概率水平相关性显著。

1: hypocotyl length;2: main root length;3: total fresh weight;4: total dry weight;5: relative moisture content;6: hypocotyl fresh weight;7: hypocotyl dry weight;8: root fresh weight;9: root dry weight;10: simplified vitality index;11: R/S. * means significant correlation at the 0.05 probability level.

2.5 大豆芽期耐高温系数主成分分析

按照特征值大于1的准则提取主成分, 对11个指标进行主成分分析, 综合成3个主成分因子, 所占比例分别为42.3%、9.9%和9.5%, 累计贡献率为61.72%, 即这3个主因子可涵盖原始数据所提供的大部分信息, 具有较大的信息代表性(表3), 且第1主成分贡献率高, 其中鲜重(0.804)、根鲜重(0.929)和根冠比(0.835)的载荷系数绝对值较大, 说明该主成分主要反映的是总生物量, 同时反映高温影响地上部及地下部生物量之间的相关信息。第2主成分中干重(0.884)载荷系数绝对值较大; 同理可知第3主成分中下胚轴长、下胚轴鲜重和下胚轴干重与其相关性高, 表明第3主成分主要反映高温影响地上部生长的相关信息。

2.6 参试品种综合评价和聚类分析

根据公式计算各综合指标中的隶属函数值及其相应权重, 再按照综合评价指标公式计算大豆芽期品种耐高温综合评价值(comprehensive evaluation value response to high temperature, 简称值), 并根据值划分不同品种对高温胁迫的抵抗能力,值越大, 表明其耐高温性越强, 反之越弱(表4)。参考地方标准DB34/T 3737-2020更好地对大豆耐高温性进行综合分级评价, 本研究通过系统聚类分析, 利用平均联接法对不同大豆品种响应高温能力的指标值进行了聚类分析(图3)。结合聚类分析结果, 将385个参试大豆种质资源初步划分为5个大类, I级耐高温型8种; II级较耐高温型12个品种; III级耐高温中间型59个品种; IV级高温较敏感型39个品种和V级高温敏感型267个品种, 结合试验中耐高温实际表现, 筛选出4份耐高温品种。

表3 主成分分析及贡献率

图3 385份大豆H值的聚类分析图

表4 参试品种高温响应综合评价(H)值

(续表4)

2.7 大豆芽期耐高温性鉴定回归方程的建立

为分析11个单项指标与不同大豆品种之间的耐高温关系, 建立可用于大豆芽期耐高温评价的数学模型, 将值作为因变量, 各单项指标耐高温系数为自变量, 通过逐步回归法建立大豆芽期耐高温响应综合评价(值)预测模型:= 0.191+0.0171– 0.0072+0.0137+0.0278–0.00910(20.9752,≤0.001), 筛选出下胚轴长、主根长、下胚轴干重、根鲜重、简化活力指数5个变量指标作为大豆芽期耐高温评价指标, 从数学模型方程的决定系数和值可以看出, 该方程结果可较贴合表示耐高温综合评价响应值()。因此, 在实际应用中可有效测定与值密切相关的指标, 通过这些指标的耐高温系数代入计算来预测大豆种质资源耐高温特性。

3 讨论

黄淮海夏大豆播种和生长期与三伏天气重叠, 温度对其影响会随着生长期的变化而变化[25]。在营养(Vn)阶段, 大豆生长发育的最佳温度为30℃[26], 而生殖(Rn)期最适产量温度在22～24℃之间[27]。郭小红等[28]基于不同生育时期的大豆耐高温胁迫温度筛选试验发现萌芽期对温度最为敏感。在高温高湿逆境下, 辣椒芽期生长受阻, 下胚轴长、鲜重、发芽率和活力指数等15个指标均以不同程度下降[29]。高温处理后, 芥兰芽期热害指数上升, 相对电导率、脯氨酸含量、丙二醛含量、SOD酶活性等变化率最为显著[30]。作物耐高温评价指标以及优异种质资源筛选是耐逆研究的基础, 耐高温特性受诸多因素影响[31-35], 在不同背景下会表现出显著的生理生化差异。大豆芽期耐高温分子机制的探索仍处于起步阶段, 探究大豆芽期耐高温性评价方法和代表性指标是深度解析耐高温特性分子机制的必要前提。

温度对干物质分配、根系和植物发育起着重要作用。通常条件下, 植物能够通过调整自身生物量分配来维持逆境条件下植株的生长和存活[36]。大豆芽期高温处理后生长发育受到抑制, 主要表现为幼芽的下胚轴长、总鲜重、总干重、地上鲜生物量和地上干生物均呈下降趋势, 这个结果与马铃薯、萝卜等耐高温性分析结果基本一致[37-38]。本试验通过对各单项指标的分析得出, 相较于高温敏感型, 耐高温型品种在高温逆境下的地上部生物量下降、根系生物量增加, 导致根冠比上升, 推测可能其地下部分在遭遇高温逆境时通过根部发育来获得自我防御机制。根系是多种物质的同化、转化和合成的重要器官, 最先感受土壤水分及养分元素变化[39]。前人研究发现作物在受到非生物胁迫时, 会优先发育比较发达的根系来适应逆境[40]。例如剖析玉米根系应对盐胁迫的生理反应发现, 耐盐品种会维持较高的根系生物量, 来增加根系Na+毒性外排速率, 维持离子平衡[41]。拟南芥中过表达可以通过促进根长增长从而促进根系水力传导率、根系水分利用效率、叶绿素含量、光合速率和生物量积累的增加来增强抗逆性[42]。本研究中发现部分较耐高温品种高温处理后表现出不同现象, 例如高温环境下H064品种不仅根系, 其下胚轴的生长也受到促进。参考Burko等[43]研究结果可知, 高温会通过促进光敏色素相互作用因子7 (phytochrome interacting factors 7, PIF7) DNA的结合及phyB-PIF生长素信号模块控制生长素来提高对下胚轴伸长的影响速率, 这种现象可能是高温影响幼苗光敏色素及植物生长素的感知与运输造成的。

耐高温特性评价需要合适的代表性鉴定指标, 指标的选择离不开耐高温性鉴定时期和参试材料数量的考量。目前有关大豆芽期耐高温特性及生理机制研究的报道很少, 不同大豆品种的耐高温机制不尽相同。针对不同作物类型, 提出采用多个指标、多种方法相结合的方式对作物进行抗性鉴定, 能更加全面地反映出耐逆性强弱, 同时也筛选出多种芽期与耐逆性相关的指标, 例如发芽率、株高、芽长、根长、生物量、茎叶Na+等[44-46]。本研究以主成分分析将11个单一指标转换成3个相互独立的综合指标, 降低了同质化变量的重复, 第一主成分因子贡献率为42.31%, 得到与其相关系数较高的下胚轴长、根鲜重、简化活力指数等指标。又进一步通过逐步回归分析了11个指标与不同大豆品种耐高温性关系, 由方程可知, 11个单项指标中有5个指标显著性响应大豆芽期耐高温特性, 分别为下胚轴长、主根长、下胚轴干重、根鲜重和简化活力指数。下胚轴长、主根长等形态指标直接影响植物各部位的生物量, 光合作用是植株产量形成的基础, 也是植物对胁迫最敏感的生理过程之一[47]。前人发现, 在逆境下由于渗透离子积累反馈抑制, 降低了大豆植株光合作用的效率, 导致地上部及地下部生长及生物量下降[48]。同时, 种子活力与耐逆性有关, 夏播大豆播种后经常遭受高温导致出苗率低, 影响成株数, 进而影响产量, 其简化活力指数排除了品种间自身活力差异, 反映了种子出芽后的田间生长活力。前人在萌发期进行非生物胁迫耐逆评价常以发芽率、活力指数、发芽指数等直观有效的指标来进行筛选[29], 本研究中大多数试验材料皆为萌发快速的品种, 可以用简化活力指数即萌发量´幼根生长势表示, 此操作简单易行, 能够快速反映高温出芽后的生长力。综上所述, 本研究通过回归模型筛选的下胚轴长、主根长、下胚轴干重、根鲜重和简化活力指数作为大豆芽期耐高温主要评价指标既满足了芽期大规模快速鉴定的需求, 又能较为全面展现大豆高温胁迫条件下地上部和根部的形态变化来反映不同品种耐高温能力的强弱, 对于大豆芽期耐高温评价具有一定的参考价值。

4 结论

本研究综合大豆芽期耐逆生理性状, 建立一套耐高温特性综合评价标准, 对大豆种质耐高温鉴定提供了一种适用大规模且高效的新思路。根据聚类分析结果结合具体情况, 将385个参试大豆品系初步划分为5大类, 即I级(耐高温型)、II级(较耐高温型)、III级(中间型)、IV级(高温较敏感型)和V级(高温敏感型), 并综合试验中具体表现筛出4份耐高温种质分别为H245、H070、H268和H216。同时, 建立了芽期耐高温综合评价(值)预测回归模型:=0.191+0.0171–0.0072+0.0137+0.0278–0.0091(20.9752,1为下胚轴长、2为主根长、7为下胚轴干重、8为根鲜重、10为简化活力指数), 筛选了这5个指标作为芽期耐高温参考评价指标, 为进一步开展大豆耐高温新品种选育和分子机制研究提供了方法和材料基础。

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附表1 参试大豆品种信息

Table S1 Soybean variety information

编号No.统一编号Unified No.编号No.统一编号Unified No.编号No.统一编号Unified No.编号No.统一编号Unified No.编号No.统一编号Unified No. H001ZDD00058H078ZDD20449H155ZDD06507H232ZDD24460H309WDD01021 H002ZDD00106H079ZDD23526H156ZDD14504H233ZDD24463H310WDD00957 H003ZDD00152H080ZDD15011H157ZDD14520H234ZDD24470H311WDD01275 H004ZDD00170H081ZDD15407H158ZDD14681H235ZDD23841H312WDD02850 H005ZDD00176H082ZDD06971H159ZDD24235H236ZDD24340H313WDD02713 H006ZDD00244H083ZDD22659H160ZDD24166H237ZDD24339H314WDD01552 H007ZDD00248H084ZDD22699H161ZDD24166H238ZDD23771H315WDD01887 H008ZDD06987H085ZDD22909H162ZDD24259H239ZDD24511H316WDD00584 H009ZDD17679H086ZDD02356H163ZDD24311H240ZDD24392H317WDD02004 H010ZDD17687H087ZDD09254H164ZDD25231H241ZDD23698H318WDD00577 H011ZDD00323H088ZDD22852H165ZDD12588H242ZDD24358H319WDD00579 H012ZDD17848H089ZDD20617H166ZDD24993H243ZDD24341H320WDD01976 H013ZDD17939H090ZDD11578H167ZDD24997H244ZDD24347H321WDD01987 H014ZDD17889H091ZDD12949H168ZDD24998H245ZDD24355H322WDD02428 H015ZDD00536H092ZDD13110H169ZDD15972H246ZDD24356H323WDD03015 H016ZDD00351H093ZDD20830H170ZDD24910H247ZDD23662H324WDD00819 H017ZDD06996H094ZDD20859H171ZDD24923H248ZDD23674H325WDD02247 H018ZDD17843H095ZDD10590H172ZDD25150H249ZDD24349H326WDD02199 H019ZDD00414H096ZDD08023H173ZDD25316H250ZDD24352H327WDD02025 H020ZDD00777H097ZDD16651H174ZDD25317H251ZDD23671H328WDD02024 H021ZDD07646H098ZDD14788H175ZDD25330H252ZDD23820H329WDD03079 H022ZDD18116H099ZDD14853H176ZDD25331H253ZDD24562H330WDD02165 H023ZDD00744H100ZDD20617H177ZDD25334H254ZDD24580H331WDD02306 H024ZDD01151H101ZDD18916H178ZDD25339H255ZDD25275H332WDD03067 H025ZDD07732H102ZDD03340H179ZDD25349H256ZDD24417H333WDD03102 H026ZDD00749H103ZDD03375H180ZDD25010H257ZDD23640H334WDD02010 H027ZDD06289H104ZDD04681H181ZDD25018H258ZDD23641H335WDD02180 H028ZDD06439H105ZDD14969H182ZDD25037H259ZDD23642H336WDD00676 H029ZDD06498H106ZDD15157H183ZDD25038H260ZDD24600H337WDD03104 H030ZDD21379H107ZDD15248H184ZDD25039H261ZDD24605H338WDD03107 H031ZDD21893H108ZDD13759H185ZDD25046H262ZDD24606H339WDD02584 H032ZDD21922H109ZDD13774H186ZDD25070H263ZDD24609H340WDD02171 H033ZDD14452H110ZDD13782H187ZDD25071H264ZDD23693H341WDD00701

(续附表1)

编号No.统一编号Unified No.编号No.统一编号Unified No.编号No.统一编号Unified No.编号No.统一编号Unified No.编号No.统一编号Unified No. H034ZDD21867H111ZDD05932H188ZDD25074H265ZDD24370H342WDD02252 H035ZDD08091H112ZDD05935H189ZDD25106H266ZDD24371H343WDD02253 H036ZDD13172H113ZDD05936H190ZDD24905H267ZDD24372H344WDD03082 H037ZDD00120H114ZDD12438H191ZDD25204H268ZDD24520H345WDD00663 H038ZDD00359H115ZDD12894H192ZDD25295H269ZDD24568H346WDD00712 H039ZDD00372H116ZDD16055H193ZDD25313H270ZDD24574H347WDD00667 H040ZDD00412H117ZDD16095H194ZDD25328H271ZDD23682H348WDD01649 H041ZDD16736H118ZDD16166H195ZDD24975H272ZDD24398H349WDD00679 H042ZDD22283H119ZDD16221H196ZDD24981H273ZDD24542H350WDD01652 H043ZDD09349H120ZDD16321H197ZDD25030H274ZDD24548H351WDD03093 H044ZDD18877H121ZDD16354H198ZDD25113H275ZDD23795H352WDD03125 H045ZDD18959H122ZDD16358H199ZDD25016H276ZDD24438H353WDD00672 H046ZDD18965H123ZDD20874H200ZDD25068H277ZDD24439H354WDD03001 H047ZDD23122H124ZDD20896H201ZDD24382H278ZDD24440H355WDD02363 H048ZDD23124H125ZDD20903H202ZDD23643H279ZDD24481H356WDD02314 H049ZDD22033H126ZDD20910H203ZDD23612H280ZDD24447H357WDD02317 H050ZDD23053H127ZDD14673H204ZDD24113H281ZDD24450H358WDD03055 H051ZDD23064H128ZDD14725H205ZDD23618H282ZDD24678H359WDD00756 H052ZDD23075H129ZDD14740H206ZDD24410H283ZDD24161H360WDD00707 H053ZDD11434H130ZDD22587H207ZDD24413H284ZDD24037H361WDD00722 H054ZDD00765H131ZDD12535H208ZDD24414H285ZDD24748H362WDD00669 H055ZDD18199H132ZDD13033H209ZDD24415H286ZDD23955H363WDD00668 H056ZDD18200H133ZDD03731H210ZDD25264H287ZDD24076H364WDD03021 H057ZDD00400H134ZDD22057H211ZDD25266H288ZDD23978H365WDD00820 H058ZDD18044H135ZDD22076H212ZDD23754H289ZDD24595H366WDD00833 H059ZDD22747H136ZDD19741H213ZDD23757H290ZDD24576H367WDD00834 H060ZDD22767H137ZDD19742H214ZDD23749H291ZDD24550H368WDD00835 H061ZDD22770H138ZDD19750H215ZDD24486H292ZDD24639H369WDD00805 H062ZDD22773H139ZDD16473H216ZDD23785H293WDD01336H370WDD00810 H063ZDD22785H140ZDD21998H217ZDD23786H294WDD01169H371WDD00830 H064ZDD22797H141ZDD15492H218ZDD24495H295WDD01340H372WDD00896 H065ZDD22836H142ZDD16889H219ZDD24499H296WDD01056H373WDD00900 H066ZDD02767H143ZDD21515H220ZDD23783H297WDD01152H374WDD00838 H067DD19366H144ZDD14566H221ZDD24488H298WDD01321H375WDD00806 H068ZDD19403H145ZDD24117H222ZDD24476H299WDD01099H376WDD00924 H069ZDD17013H146ZDD15672H223ZDD24479H300WDD01055H377WDD00925 H070ZDD17146H147ZDD15757H224ZDD23705H301WDD01038H378WDD00870 H071ZDD04110H148ZDD15812H225ZDD23709H302WDD01067H379WDD00845 H072ZDD11531H149ZDD15828H226ZDD23712H303WDD01406H380WDD02939 H073ZDD12837H150ZDD15829H227ZDD23718H304WDD01073H381WDD00677 H074ZDD14596H151ZDD15837H228ZDD23723H305WDD00987H382WDD00811 H075ZDD11583H152ZDD15848H229ZDD23724H306WDD01240H383WDD00854 H076ZDD11690H153ZDD15980H230ZDD23727H307WDD01278H384WDD00923 H077ZDD11943H154ZDD16473H231ZDD24457H308WDD01005H385WDD00929

Construction of evaluation method for tolerance to high-temperature and screening of heat-tolerant germplasm resources of bud stage in soybean

LI Jia-Jia1,**, LONG Qun1,**, ZHU Shang-Shang1,**, SHAN Ya-Jing1, WU Mei-Yan1, LU Yun1, ZHI Xian-Guan1, LIAO Wei1, CHEN Hao-Ran1, ZHAO Zhen-Bang3, MIAO Long1, GAO Hui-Hui1, LI Ying-Hui2, WANG Xiao-Bo1,*, and QIU Li-Juan2,*

1School of Agronomy, Anhui Agricultural University, Hefei 230036, Anhui, China;2Institute of Crop Sciences, Chinese Academy of Agricultural Sciences / the National Key Facility for Crop Gene Resources and Genetic Improvement (NFCRI) / Key Laboratory of Crop Gene Resource and Germplasm Enhancement (MARA), Beijing 100081, China;3Suzhou Academy of Agricultural Sciences, Suzhou 234000, Anhui, China

The frequent occurrence of extreme high temperature (HT) events causes continuous heat damage to soybean production, which seriously damages the yield components and quality traits. The seeds are sensitive to the changes of the external environment at germination stage. The rising temperature and the accompanying drought will affect the emergence of soybean seeds. The establishment of a set of scientific evaluation methods for HT tolerance at bud stage can provide a theoretical basis for the early identification of soybean, the breeding of HT tolerance germplasm, and the study of tolerance mechanism. In this study, 385 germplasm resources varieties were selected as the experimental materials, which creating a HT environment by artificial climate incubator and subjected to HT-stress for 3 d (40℃, 16 h light /8 h darkness) at bud stage of soybean. Compared with the control (25℃, 16 h light /8 h darkness), the hypocotyl length of soybean bud stage was significantly decreased 10.9% under HT stress (< 0.05). The indices of fresh root weight, dry root weight, and root-shoot ratio increased by 13.10%, 22.20%, and 16.90%, respectively (<0.01). The results showed that HT-stress significantly affected the surface and underground biomass distribution of bud stage in soybean. Meanwhile, the principal component analysis for the coefficient of HT-tolerance for each trait converted 11 indexes into two principal component factors. The comprehensive evaluation value (-value) of soybean response to HT-stress was obtained by the standardized analysis of membership function, and cluster analysis was conducted for the tested varieties based on-value.Ultimately, 385 germplasm resources were divided into 5 grades for the HT-tolerance at bud stage in soybean [namely: Grade I (tolerance), Grade II (strong tolerance), Grade III (medium), Grade IV (strong sensitive), and Grade V (sensitive type)] and four HT-resistant varieties based on the specific performance (H245, H070, H268, and H216) were initially selected combined with the actual heat resistance performance. After the stepwise regression analysis of each index, a predictive model for the comprehensive evaluation of HT tolerance (-value) at bud stage of soybean was established:= 0.191 + 0.0171– 0.0072+ 0.0137+ 0.0278– 0.00910(20.9752). Five indexes main including hypocotyl length (1), main root length (2), hypocotyl dry weight (7), root fresh weight (8), and simplified vigor index (10) were screened out as the evaluation indexes for HT tolerance at bud stage in soybean.

soybean; germination stage; high temperature treatment; genetic resources; evaluation of high temperature resistance

10.3724/SP.J.1006.2023.34025

本研究由国家重点研发计划项目(2021YFD1201603-4), 安徽省高校自然科学研究项目(KJ2021A0200), 安徽省自然科学基金项目(2208085MC61), 安徽省现代农业产业技术体系建设专项和安徽农业大学引进与稳定人才项目(yj2018-38)资助。

This study was supported by the National Key Research and Development Program of China (2021YFD1201603-4), the Natural Science Research Project of Colleges and Universities in Anhui Province (KJ2021A0200), the Natural Science Foundation of Anhui Province (2208085MC61), and the Special Fund for Anhui Agriculture Research System, and the Talent Introduction and Stabilization Project of Anhui Agricultural University (yj2018-38).

王晓波, E-mail: wxbphd@163.com; 邱丽娟, E-mail: qiulijuan@caas.cn

**同等贡献(Contributed equally to this work)

李佳佳, E-mail: lijia6862@163.com; 龙群, E-mail: 13856541099@163.com; 朱尚尚, E-mail: 18755796707@qq.com

2023-02-16;

2023-04-17;

2023-05-05.

URL: https://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1809.S.20230504.1601.004.html

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