杨玉花，雷 阳，白志元，卫保国，张瑞军

(1.山西农业大学农业基因资源研究中心，农业部黄土高原作物基因资源与种质创制重点实验室，杂粮种质资源发掘与遗传改良山西省重点实验室，山西 太原 030031；2.山西农业大学园艺学院，山西 太原 030031)

【研究意义】日照长度波动会影响大多数生物的发育进程和行为，如哺乳动物和鸟类在长光照的春季适宜繁殖，而昆虫在短光照的秋季化蛹，这些现象统一称为光周期现象，可以感知季节的变化和预测环境条件(如温度和湿度等)[1]。光周期现象最早是Garner和Allard[2]在1920年提出，研究发现一些植物受日照长于临界日长条件下促进开花的命名为长日植物，反则为短日植物。大豆是典型的短日照植物[2]，对光周期反应较为敏感，在不同生态区开花期和成熟期差异较大[3-4]，且同一生态区大豆品种对光周期的反应也有差异。大豆育种专家王金陵[5]在1956年就提出开花前的不同光照长度对大豆开花期、株高和其它性状均有影响。开花后不同品种的大豆对日照长度的反应也有一定差别[6]。韩天富等[7]研究表明大豆从播种至成熟整个生命过程中均存在光周期反应现象。【前人研究进展】前人研究发现，中国大豆不同生态区品种类型开花后光周期敏感性为南方秋豆>南方夏豆>黄淮夏豆>南方春豆、黄淮春豆>北方春豆，不同性状对光周期处理的敏感性也不相同，如株高>干重>节数>荚数>单株粒数>单株产量[8-9]。何言章等[10-11]对国内各地有代表性的大豆品种进行遮光处理，发现短光敏感性强弱为南方夏大豆>北方夏大豆>南方春大豆>北方春大豆，大豆开花前和开花后不同光周期对大豆农艺性状均有一定影响，如株高、主茎节数、茎粗、分枝数、荚数、秕荚率、株粒数和百粒重等。费志宏等[12]人利用盆栽暗室和加光等措施研究发现，大豆光周期反应敏感性强弱依次为南方夏大豆>南方春大豆>黄淮海夏大豆>北方春大豆，说明大豆品种的光周期反应敏感性随着主产地纬度的降低而增强，同一地区品种的光周期反应敏感性具有很大相似性。王英等[13]研究发现，开花后光照处理对大豆农艺性状和品质性状均有影响，且不同性状的光周期敏感度差异明显，如株高>主茎节数>蛋白质含量、脂肪含量>百粒重>单株荚数>蛋白质和脂肪总量。基于对大豆光周期敏感性的鉴定同时，一些学者对大豆受光周期影响较大的花期进行深入研究，现已经克隆E1～E99个调控大豆花期基因[14-20]，这些基因显性位点能不同程度延长大豆的营养生长或者生殖生长(E6和E9除外)，其中E1基因对于抑制大豆开花功能最强。除此之外还有一些基因可以调控大豆开花期，如GmPhyA基因可以调控光周期，影响大豆开花[17-18]，GmCRY1a和GmCRY2a基因通过调控生物钟或者叶片的衰老最终调节大豆光周期开花[21-22]，敲除GmRAV2转录因子可以使大豆提前开花[23]，超表达GmSOC1基因可以促进大豆提前开花[24]，而超表达microRNAGmiR156b可以延迟大豆开花[25]等。目前对受大豆光周期影响较大的花期性状研究较多且机理比较明确，但实际应用于生产相对较少，对受大豆光周期影响的其它性状，尤其是产量和品质性状研究较少。因此对于大豆光敏感这个复杂性状，应该多角度来解析和阐明其机制，为大豆广适育种提供理论基础。【本研究切入点】本研究主要利用3份不同大豆资源为研究对象，在开花前不同光周期条件下研究株高，有效分枝数，无效分枝数，主茎节数，一粒荚，二粒荚，三粒荚，四粒荚，空荚，单株有效荚数，单株总荚数，单株粒数，每荚粒数，百粒重，单株粒重，蛋白含量，水分含量，脂肪含量18个农艺性状，利用方差分析3份大豆资源分别在不同光周期条件下农艺性状的差异，进行各农艺性状在不同光周期下的相关性和主成分分析，同时比较各农艺性状光相对敏感度，揭示不同大豆资源对光周期敏感性存在差异，并且能够精确了解大豆光敏感的农艺性状。【拟解决的关键问题】此研究结果为后续开展大豆开花前遮光对农艺性状光敏感度的遗传分析和相关农艺性状的QTL定位以及候选基因的分析奠定基础。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本研究利用的3份大豆供试材料均由山西省农业科学院农作物品种资源研究所收集并提供。2017年5-10月分别在山西省农业科学院东阳基地和祁县基地种植，土壤肥力均匀，按照标准田间管理。

1.2 试验方法

1.2.1 田间试验设计 大豆于5月9日统一播种，播种出苗后统一利用覆盖双层黑色遮光布的遮光架进行遮光处理，遮光处理为12 h遮光(19:00-7:00)，12 h不遮光(7:00-19:00)，对照处理为不遮光(自然光)。田间试验按照完全随机区组设计3个重复，每个小区3行，行距×株距为50 cm×13.5 cm。

1.2.2 性状考察 大豆成熟时，每个小区选择10个代表单株，测定株高，有效分枝数，无效分枝数，主茎节数，一粒荚，二粒荚，三粒荚，四粒荚，空荚，百粒重等性状，通过测定性状再计算单株有效荚数，单株总荚数，单株粒数，每荚粒数性状，然后取均值作为该性状的最终值。蛋白含量，水分含量，脂肪含量3个性状由近红外测定[傅立叶变换近红外光谱仪(MPA)]，最后取均值。具体调查标准参照《中国大豆品种志》[26]。

1.2.3 数据分析 利用SAS V8软件中的PROC ANOVA程序对2个地点的3份大豆资源2个不同遮光处理下的18个性状进行方差分析，从而确定大豆的不同性状是否在不同光周期间存在显著差异。利用SAS V8软件中的PROC ANOVA程序进行相关性分析，PROC ANOVA程序进行主成分分析。采用长短日照条件下某一性状的相对差值RD% =(L-S) /S×100 来评价18个性状的光周期敏感度[27]。

2 结果与分析

2.1 不同光周期下大豆各农艺性状的方差分析

通过对3份大豆材料2个不同的光周期调查的18个性状(表1)进行方差分析，可以看出不同光周期对大豆大多数农艺性状均有影响，主要表现在株高，有效分枝数，主茎节数，三粒荚，单株有效荚数，单株总荚数，单株粒数和单株粒重等性状，遮光后的短光周期显著低于正常光照(P<0.01)，然而短光周期条件下一粒荚明显高于对照(P<0.01)。无效分枝数，四粒荚，空荚，每荚粒数，百粒重，蛋白含量，水分含量和脂肪含量几乎不受光周期影响，差异不显著。以上结果说明，短光周期显著影响大豆部分产量相关性状，但对本研究采用3份大豆资源的品质性状影响甚微。

同时发现不同大豆材料不同性状对光周期影响不同，如晋豆25在短光周期的条件下二粒荚，单株有效荚数，单株总荚数3个性状反而显著高于长光照，中黄35在短光周期的条件下的百粒重，蛋白含量，水分含量和脂肪含量明显高于长光照。说明不同大豆材料对光周期影响不同，同时同一大豆材料不同性状对光周期影响也不相同。

表1 不同光周期对3份大豆材料各性状的影响

续表1 Continued table 1

2.2 不同光周期条件下大豆各农艺性状的比较

从表2可以看出，在遮光后短光周期条件下和正常长光周期条件下大多数性状间呈现显著或者极显著相关性，同一性状在遮光后短光周期和正常长光周期条件下也存在一定的显著或者极显著相关性。比如在正常长光周期条件下的株高与遮光后在短光周期条件下的有效分枝数，主茎节数，二粒荚，三粒荚，单株有效荚数，单株粒数，单株粒重和蛋白含量呈显著或者极显著正相关，与一粒荚，四粒荚，空荚，单株总荚数，每荚粒数，百粒重，水分含量和脂肪含量呈显著或者极显著负相关，与无效分枝数不相关。而在正常长光周期条件下株高与同样长光周期条件下的有效分枝数，主茎节数，二粒荚，三粒荚，单株有效荚数，单株粒数，单株粒重和蛋白含量呈显著或者极显著正相关，与一粒荚，四粒荚，空荚，单株总荚数，每荚粒数，百粒重，水分含量和脂肪含量呈显著或者极显著负相关，与无效分枝数不相关。遮光后短光周期和正常长光周期间的株高，有效分枝数，主茎节数，三粒荚，单株粒数，单株粒重和蛋白含量呈显著或者极显著正相关，一粒荚，二粒荚，四粒荚，空荚，单株有效荚数，单株总荚数，每荚粒数，百粒重，水分含量和脂肪含量呈显著或者极显著负相关，同样2种处理之间的无效分枝数不相关。由此可以说明，大豆大多数性状在遮光后短光周期和正常长光周期条件下相互之间的相关性表现基本一致，可见改变光周期后大豆的一些性状之间的相互关系不受影响。

2.3 大豆各农艺性状主成分分析

由表3可以看出，遮光后短光周期条件下前6个主成分的贡献率分别为31.66 %、19.96 %、13.28 % 、7.92 %、6.19 %和5.78 %，累积贡献率为84.79 %；正常长光周期条件下前6个主成分的贡献率分别为39.52 %，14.42 %，10.35 %，7.80 %，6.78 %和5.86 %，累积贡献率为84.72 %，其余12个主成分贡献率均较小。因此遮光后短光周期条件下可以用前6个主成分包含84.79 %信息很好地概括了大豆18个农艺性状对光周期的反应，同样在正常长光周期条件下，大豆18个农艺性状也可以转换成前6个相对独立的主成分，可以代表原来18个性状84.72 %信息。

2.4 大豆各农艺性状光周期相对敏感度比较

根据光相对敏感度计算公式分别计算出3个大豆材料(中119，晋豆25和中黄35)18个农艺性状的平均光敏感度值。从图1可以看出，中119和中黄35的18个农艺性状的光相对敏感度强弱相对较一致，而晋豆25的部分农艺性状的光相对敏感度相对较弱且与中119和中黄35的短光照和长光照敏感度相反。如中119的18个农艺性状的光相对敏感度强弱顺序为株高，三粒荚，有效分枝数，单株粒数，一粒荚，主茎节数，单株粒重，空荚，四粒荚，单株总荚数，单株有效荚数，每荚粒数，水分含量，二粒荚，百粒重，脂肪含量，蛋白含量，和无效分枝数；中黄35的18个农艺性状光相对敏感度强弱顺序为三粒荚，株高，单株粒数，单株粒重，单株总荚数，主茎节数，单株有效荚数，一粒荚，二粒荚，四粒荚，有效分枝数，每荚粒数，空荚，水分含量，百粒重，蛋白含量，脂肪含量和无效分枝数；而晋豆25的18个农艺性状的光相对敏感度强弱顺序为株高，四粒荚，一粒荚，主茎节数，二粒荚，单株有效荚数，单株总荚数，三粒荚，百粒重，有效分枝数，单株粒数，每荚粒数，单株粒重，水分含量，脂肪含量，空荚，蛋白含量和无效分枝数。可以看出大豆株高是对光敏感度最强的一个农艺性状，其次是三粒荚，有效分枝数，主茎节数，单株粒重，一粒荚，四粒荚等农艺性状，其中一粒荚和四粒荚受光周期影响与其它性状相反，也就是说株高，三粒荚，有效分枝数，主茎节数，单株粒重在长光周期条件下比短光周期条件下相对值较高，而一粒荚和四粒荚则相反，在短光周期条件下的相对值较高，该结果与表1中对不同的光周期方差分析结果一致。

表3 大豆各农艺性状在不同光周期下的主成分分析

3 讨 论

3.1 大豆是一个受光周期影响较大的作物

大豆是一个短日照作物，如果日照长度高于临界日照将会出现营养生长不能正常转变生殖生长，导致不能正常开花结实。由于大豆对光周期反应较为敏感且随着地理纬度的降低而增强，因此在大豆生产上有明显的地域性限制。以前大多数科研工作者以开花期或者成熟期的变化来研究大豆光周期敏感性，本研究则侧重以大豆农艺性状和品质性状受光周期的影响来探讨大豆光周期敏感性。

通过研究发现大豆株高，有效分枝数，无效分枝数，主茎节数，一粒荚，二粒荚，三粒荚，四粒荚，空荚，单株有效荚数，单株总荚数，单株粒数，每荚粒数，百粒重，单株粒重，蛋白含量，水分含量，脂肪含量18个农艺性状中大多数性状受光周期的影响，尤其是株高，有效分枝数，主茎节数，一粒荚，三粒荚，单株粒重等性状在长光照和短光照不同光周期条件下差异极显著，这与前人研究结果较一致[8,10-11]，进而说明大豆是一个极易受光周期影响的农作物。

3.2 光周期对大豆各农艺性状的影响

农艺性状是作物在长期适应环境的过程中，通过进化而产生的，同时也受外界生存环境变化影响。本研究中大豆株高，有效分枝数，主茎节数，百粒重等性状在不同光周期条件下表现有一定的差异。如在短光周期条件下性状值明显低于长光周期，说明开花前短光周期条件会导致大豆营养生长时间缩短，从而促进大豆提前进入生殖生长，这也是作物在特定环境条件下的自身调节反映[28]。同样在特定条件下各农艺性状间也具有相关性，如正常长光周期条件下，株高与有效分枝数，主茎节数等农艺性状存在一定程度的相关，同样在短光周期条件下，株高与有效分枝数，主茎节数等农艺性状也存在一定程度的相关，说明作物各农艺性状间不同程度的相互关联，同时也显示作物会随着不同的生态条件进行自身调节。作物农艺性状在受到自然因素(不同经纬度、地区气候)等影响，形成对地理环境因子适应性的响应性状特征[29-30]。

本研究对3个大豆材料的各农艺性状的光相对敏感度进行分析发现株高，有效分枝数，主茎节数，一粒荚，三粒荚和单株粒重表现出对光较强的敏感性，说明这6个指标适合作为大豆光敏感评价指标。其次发现不同大豆材料间的农艺性状光相对敏感度有一定的差别，如中119和中黄35农艺性状的光相对敏感度较一致，而晋豆25的部分农艺性状的光相对敏感度则相反，如二粒荚，百粒重等性状。说明不同大豆材料间对光敏感度有差异，这与前人研究的不同大豆生态区不同品种类型光周期敏感性不同结果一致[8]，说明本研究采用的晋豆25与中119和中黄35属于来源不同生态区大豆品种有关。

3.3 大豆光敏感育种应用

结合前人研究和本研究发现，大豆光周期反应敏感性不仅体现在开花期和成熟期等性状，同时也体现在一些农艺性状上。因此可以借鉴小麦育种经验，通过培育矮化和光不敏感性农艺性状等品种，推动小麦育种的 “绿色革命”[31]。在大豆育种过程同样选择光不敏感性农艺性状以及对光周期迟钝型的品种，不断改善大豆品种的广生态适应性，或者选择光敏感性大豆品种，推进大豆“两系”育种进程。

在育种过程中，结合大豆的开花期，成熟期，农艺性状，品质性状以及结合目前已经克隆的调控大豆光周期基因(虽然现在报道的已经克隆的调控大豆光周期基因很多，但是实际应用的很少)等综合指标，配制大量组合，多年多点跨生态区选择，最终将大豆广适性优良基因聚合在一起，选育出大豆广适性且高产优良品种。以此来突破国产大豆供不应求的局面[32]，应对全球大豆贸易格局变化对我国大豆产业所造成的风险。

4 结 论

本研究利用3份来源不同的大豆材料，对其开花前不同光周期处理，通过分析18个不同农艺性状方差分析、相关性分析、主成分分析和光相对敏感度比较分析，结果表明3份大豆材料各农艺性状对光周期敏感性有差异，其中株高，株高，有效分枝数，主茎节数，一粒荚，三粒荚和单株粒重表型较强，可以作为大豆光敏感性育种评价指标，同时也可以为大豆广适性和“两系”育种提供鉴定依据。