耐荫性春大豆品系筛选及耐荫指标鉴定

赵志鑫，傅蒙蒙，李曙光，王亚琪，余希文，张红梅，陈华涛，徐海风

（1江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所，江苏淮安 223001；2淮河下游种质创制重点实验室，江苏淮安 223001；3淮安市农业生物技术重点实验室，江苏淮安 223001；4江苏省农业科学院经济作物研究所，南京 210014）

0 引言

大豆是重要的粮、油、饲兼用型作物，在国民生产生活中占有重要地位[1]。2022年中国大豆进口量达到9000 万t，进口依存度超过85%，大豆产业供需缺口大影响中国粮油安全。在耕地资源有限的情况下，推广大豆玉米带状复合种植可增加大豆播种面积，推动大豆玉米兼容发展，提高大豆的自给率，然而研究发现，这种模式下高位作物的遮荫会导致大豆冠层可利用光不足，光能量吸收缺乏，而影响其生长发育结荚鼓粒，产量降低，品质下降[2-4]，对遮荫胁迫是否具有适应性和抗性成为制约大豆玉米带状复合种植中大豆生产的重要因素。

研究报道大豆受高位作物遮荫后，出现茎秆伸长、主茎长度增加、植株倒伏、茎粗降低、百粒重降低等[5-8]；在光合生理方面，遮荫胁迫下植株叶片数量减少，且变薄变小，叶绿素a/b的比值降低[9-10]，净光合速率和气孔导度显著低于大豆单作，胞间二氧化碳浓度和水分利用效率显著增加等；在产量和品质方面，光合系统活力不足[11]，光合产物合成和运输受阻进而影响干物质积累；作物产量降低，落花落荚率增加导致减产等[12]；然而研究发现，不同的大豆品种对遮荫胁迫的响应具有基因型差异[13-15]，耐荫大豆种质对遮荫胁迫不敏感，在荫蔽环境下仍具有高产稳产的特质，因此选用耐荫大豆品种进行种植可降低因遮荫对产量造成的不良影响。

学者们对不同生态区耐荫大豆种质的鉴定、筛选与评价已有研究报道。武晓玲等[16]通过模拟大豆荫蔽环境鉴定到叶片干重、气孔导度、株高和暗下最大荧光产量4个指标可鉴定大豆苗期耐荫性[16]；李春红等[17]采用多元分析方法将30 个大豆品系（种）被分成强耐荫型、中等耐荫型和不耐荫型3 种类型，鉴定到主茎节数、分枝数、节间长度、抗倒性、单株荚数、百粒重和单株粒重作为耐荫性大豆的鉴定指标[17]；赵银月等[6]将44 个大豆品种（系）分为强耐荫、中等耐荫和弱耐荫3种类型，鉴定到株高、主茎节数、有效分枝数、单株荚数、单株粒数、单株产量、每荚粒数和倒伏8个性状可鉴定云南省间作大豆的耐荫性。上述各位学者鉴定到的耐荫指标和种质为耐荫大豆育种提供了一定的理论依据，但由于大豆在不同生态区的复种制度、栽培环境和地形气候复杂多样，建立适宜当地的相对准确的耐荫性鉴定体系需要更多的试验研究。

本研究采用田间大豆玉米带状复合种植模拟自然荫蔽环境探讨遮荫胁迫对春大豆的影响，采用主成分分析法、隶属函数法对各个大豆品系（种）进行耐荫性综合评价，同时通过逐步回归分析建立耐荫性数学评价模型，鉴定耐荫筛选指标，旨在为春大豆耐荫种质的挖掘和选育提供参考依据，并建立适合本地区的耐荫评价模型。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试25 个大豆品种，试验于2021 年4—9 月江苏省淮安农科院科研创新基地进行，前茬为小麦，土壤质地为黏土。品系名称和编号见表1。

表1 供试大豆品系(种)材料

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，光照为主区，设置大豆玉米带状复合种植（遮荫，Shade stress，ST）和大豆单作（对照，CK）两个处理，不同大豆品系（种）为副区。大豆玉米带状复合种植为玉米与大豆行比为2:2，行长2 m，玉米之间的行距40 cm，大豆之间的行距40 cm，玉米和大豆之间行距80 cm；玉米株距18 cm；大豆株距10 cm；大豆单作处理为小区行长为2 m，2 行区，行距40 cm，株距10 cm。2021 年4 月23 日播种，成熟时分别收获，田间管理同常规田。

1.3 测定指标

大豆R8 时期，每小区取中间连续的有代表性的、一致的5株测定株高(X01)、主茎节数(X02)、分枝数(X03)、底荚高度(X04)、平均节间长度(X05)、单株荚数(X06)、单株粒数(X07)、粒茎比(X08)、单株粒重(X09)和每荚粒数(X10)。

图1 10个单项指标在单作和遮光处理下的箱线图

1.4 数据统计与分析

采用Microsoft Excel 2010软件进行数据整理与分析；IBM SPSS Statistics 25.0 软件进行主成分分析、聚类分析及逐步回归等多元分析。单项指标的耐荫系数、不同大豆品系（种）各综合指标的隶属函数值u(Xj)、各综合指标的权重Wj和各大豆品系（种）的综合耐荫评价值D指计算方法如下[18]：

耐荫系数(Shade tolerance coefficient，STC)，式(1)。

各综合指标的隶属函数值，式(2)。

各综合指标的权重，式(3)。

各大豆品种（系）的综合耐荫评价值，式(4)。

根据公式(1)计算各单项指标的耐荫系数(STC)；利用公式(2)计算各个大豆品系（种）综合指标的隶属函数值，式中，Xa表示第a个综合指标，Xmax表示第a个综合指标的最大值，Xmin表示第a个综合指标的最小值；wa表示第a个综合指标在所有综合指标中的权重，pa为各个大豆品系（种）第a个综合指标的贡献率。以D值为因变量，对各个单项性状的STC值进行逐步回归分析。

2 结果与分析

2.1 遮荫胁迫对不同大豆品系（种）株型和产量性状的影响

由图1可知，大豆受到遮荫胁迫后，表现为株高和平均节间长度伸长，主茎节数较正常处理下略有增加，而株高的变异程度增加，说明大豆在受遮荫胁迫后株型的变化主要是因为节间长度的增长而非主茎节数的增加；遮荫处理后分枝数减少，单株荚数、单株粒数、单株粒重和和粒茎比减少，说明分枝粒重的产量减少可能是单株产量减少的主要原因；底荚高度变异增加，说明底荚高度对遮荫胁迫反应敏感。

为消除供试大豆品系（种）本身差异带来的误差，计算各个指标的耐荫系数(STC)如表2。由表2 可知，在各单项指标的耐荫系数中，底荚高度和分枝数的变异系数大，分别为54.65%和57.03%，其次是粒茎比、每荚粒数和单株粒数的变异系数分别为32.88%、29.90%和29.88%，可见遮荫处理对分枝数、底荚高度、每荚粒数、单株粒数和粒茎比的影响较大。与对照相比，遮荫胁迫对大豆品系（种）的影响总体表现为株高、分枝数和节间长度增加，STC值大于1，而单株荚数、单株粒数、每荚粒数、粒茎比和单株粒重与对照处理比总体上有所下降，其STC值小于1，而各个大豆品系（种）的变化幅度各不一致，各个大豆品系（种）对遮荫胁迫的响应不同。

表2 供试大豆品系（种）各个单项指标耐荫系数(STC)

分析各个单项指标耐荫系数相关性如表3。由表3 可知，株高(X01)与主茎节数(X02)和平均节间长度(X05)存在极显著相关关系，和每荚粒数(X10)显著相关；分枝数(X03)与底荚高度(X04)极显著相关；单株荚数(X06)与单株粒数(X07)、粒茎比(X08)存在极显著正相关；单株粒数(X07)与粒茎比(X08)、单株粒重(X09)和每荚粒数(X10)呈现显著正相关关系；粒茎比(X08)与每荚粒数(X10)存在显著正相关；单项指标的显著或极显著的相关系数均在0.45～0.60 之间，说明这些指标所提供的信息有重叠，且遮荫胁迫对大豆品系（种）的影响是复杂多样的，遮荫胁迫下大豆产量的损失涉及到株型和产量构成因素多个性状的变化。

表3 10个单项指标耐荫系数的相关性分析

2.2 大豆品系（种）性状的主成分分析

使用SPSS 25.0软件对10个单项指标进行主成分分析，各主成分特征向量和贡献率如表4。由表可知，前4个主成分的累计贡献率达到79.043%，包含了所有耐荫评价指标的大部分数据信息。第1主成分对总遗传贡献率最大，主要由单株荚数(X06)、单株粒数(X07)、粒茎比(X08)、每荚粒数(X10)4 个性状分量较大相关；第2 主成分对总遗传贡献率达23.115%，主要与株高(X01)、主茎节数(X02)和节间长度(X05)3个性状分量相关；第3主成分主要与分枝数(X03)和底荚高度(X04)2个性状分量相关，可反映原始数据信息量的17.776%；第4 主成分主要与单株粒重(X09)相关。

2.3 不同大豆品系（种）的耐荫性综合评价

根据公式(2)计算各个大豆品系（种）各综合指标的隶属函数值如表5，4 个综合指标的权重分别为0.35、0.30、0.22 和0.13。基于隶属函数值计算各个品系（种）的综合耐荫评价值（D值）（表5），D值越大，说明其耐荫性越强，其中M18 的D值最大，为0.6408，表明其耐荫性最强；M14 的D值最小，为0.1717，表明其耐荫性最弱，其他供试材料的D值介于0.1717～0.6408之间；采用欧氏距离法对各大豆品系（种）的综合耐荫值（D值）进行聚类（图2），将25 个参试材料划分为5类，并对其类别内的供试材料性状平均值进行分析（表6）；M01、M06、M18、M19、M20和M23为第一类，占供试材料的24.0%，属于强耐荫型，表现为株高在遮荫胁迫下伸长，平均节间长度短，底荚较低和单株粒数多；M09、M11、M16、M21和M25为第二类，占供试材料的20.0%，属于较耐荫型，表现为株高中等，单株粒数较多；M03、M05、M07、M08、M10、M12、M15、M17、M22和M24为第三类，占供试材料的40.0%，属于中度耐荫型，表现为平均节间长度长，单株粒数在遮荫胁迫条件下减少较多；M02、M04和M13属于不耐荫型，表现为株高、平均节间长度、底荚高度和单株粒数受遮荫胁迫影响大；M14 属于极不耐荫类型，遮荫胁迫对此类别的单株荚数和单株粒数的影响严重。

图2 25个大豆品系(种)的综合耐荫性聚类图

表5 各供试材料的权重、隶属函数值、D值、回归预测值、估计精度及综合评价

表6 不同耐荫类别大豆的性状表现

耐荫性综合评价值（D值）作因变量，各单项指标的耐荫系数(STC)作自变量，进一步分析各个单项指标和耐荫性的关系，建立最优回归方程：D=- 0.149 +0.202X01-0.054X04+0.233X05+0.233X07(R2=0.963)，由方程可知，株高、底荚高度、单株粒数和平均节间长度对大豆品系（种）耐荫性有显著影响，利用最优回归方程计算各个试验材料的预测D值，结果表明，各品系（种）的估计精度均在82%以上，说明株高、底荚高度、单株粒数和平均节间长度4个指标对大豆综合耐荫性具有较为明显的响应，该方程可用于黄淮海地区春大豆的初步耐荫性评价。

3 讨论

大豆的耐荫性直接决定其在遮光环境下能否正常生长发育和鼓粒结荚，是遮荫胁迫下种植大豆能否获得高产稳产的关键[19]。本研究对25 个黄淮海地区春大豆品系（种）株型和产量相关性状进行了研究，研究发现遮荫胁迫下大豆植株株高和平均节间长度伸长，变异程度增加，大豆在受遮荫胁迫后株型的变化主要是因为节间长度的增长，这与孙祖东等[20]的研究结果一致；遮荫处理后分枝数、单株荚数、单株粒数、单株粒重和和粒茎比减少，说明分枝粒重的产量减少可能是单株产量减少的重要原因，与覃思思等[21]研究结果一致；不同大豆品系（种）对遮光处理响应程度存在差异，前人的研究也得到了一样的结果。

本研究借鉴前人耐荫性鉴定方法，选择与遮荫密切相关的株高、分枝数、主茎节数、底荚高度、平均节间长度、单株荚数、单株粒数、粒茎比、单株粒重和每荚粒数10 个指标性状，并对其进行主成分分析，研究发现第1主成分和第2主成分对的大豆品系（种）耐荫表现的总贡献率超过50%，而第1 主成分与单株荚数(X06)、单株粒数(X07)、粒茎比(X08)、每荚粒数(X10)4 个性状分量较大相关，是产量构成因素因子，对总遗传贡献率最大，第2 主成分对总遗传贡献率达23.115%，主要与株高(X01)、主茎节数(X02)和节间长度(X05)3 个性状分量相关，是株型构成因子，上述结果说明株型和产量构成因素的性状是引起大豆对遮荫的响应，也是产量损失的重要原因；基于4 个综合指标获得各大豆品系（种）的综合耐荫评价值(D)，D值越大耐荫性强，反之则耐荫性弱；对D值进行聚类分析，将25 个大豆品系（种）划分为强耐荫、较耐荫、中度耐荫、不耐荫和极不耐荫5种类型，筛选到6 份强耐荫种质，鉴定到株高、平均节间长度、底荚高度和单株粒数与大豆品系（种）的耐荫强弱较相关，与孙旭刚等[22]、谭春燕等[23]、黄其椿等[24]、孙祖东等[20]鉴定到的耐荫指标都有重合，说明大豆耐荫性存在较为丰富的遗传变异，各个生态区应选择适宜本地区耐荫鉴定的指标和评价模型；前人鉴定到的分枝数作为耐荫鉴定指标在本研究逐步回归分析中并未得到相似结果，其可能原因是本研究试验材料的分枝数较少，分枝产量在总产量的占比较小，而遮荫造成的落花落荚可能是造成产量损失的主要原因，有待后续的研究中引入分枝数较多的大豆种质进一步验证探讨。前人研究的倒伏作为大豆在遮荫胁迫的重要株型响应，考虑到倒伏为综合的复杂性状，水肥条件、种植密度等均影响倒伏程度，且可以通过生长调剂节控制，受环境因素影响大，因此不作为本研究耐荫筛选的候选指标。

耐荫性状受复种制度和生态环境等影响，各生态区内耐荫指数均存在一定差异，因此，在各地区找出特异的耐荫资源并利用其遗传特性开展针对性的耐荫育种工作尤为重要。多个科研单位学者们已开展耐荫性大豆相关研究，大多集中在东北春大豆亚区、长江流域春夏大豆亚区和东南春夏秋大豆区等，黄淮海地区耐荫性大豆相关研究报道较少，作为中国大豆第二大主产区，黄淮海大豆种植面积占全国大豆种植面积的30%左右，全面评估大豆耐荫性，建立适宜当地的、相对准确的耐荫性鉴定体系，对进一步推广黄淮海地区带状复合种植模式有重要意义。本研究使用的主成分分析、隶属函数分析和综合评价值计算结果相互验证，使用4个指标建立的耐荫性数学筛选模型对耐荫性春大豆的鉴定具有可行性，上述方法的建立和耐荫种质的发掘是基于本地区的种质资源和种植条件，更为准确的、全面的、大批量的耐荫评价模型需要大规模种质资源平台的试验验证和修正。

4 结论

大豆的耐荫性具有基因型差异，强耐荫大豆在遮荫环境下可减轻遮荫胁迫产量的不利影响，本研究将10 个单项指标转换为代表了全部信息的79.043%的4个相互独立的综合指标，根据综合耐荫评价值(D)聚类将25 试验大豆品系（种）分为强耐荫型、较耐荫型、中度耐荫型、不耐荫型和极不耐荫型5 类，筛选出JB20-2030、JB20-4134、中豆5701、南农1138-2、驻豆29和科丰14属于强耐荫品系（种），建立了黄淮海地区春大豆耐荫性评价数学模型D=-0.149+0.202X01-0.054X04+0.233X05+0.233X07，筛选到株高、底荚高度、单株粒数和平均节间长度4个耐荫鉴定指标可作为黄淮海耐荫春大豆鉴定指标。