大豆抗旱種質(zhì)資源篩選及利用

張彥軍，王興榮，張金福，李 玥，茍作旺，祁旭升，何正奎

（1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省農(nóng)業(yè)廣播電視學(xué)校，甘肅 蘭州730030；3.永靖縣農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心，甘肅 永靖 731600）

干旱是全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨的主要問題之一，干旱對(duì)農(nóng)作物造成的損失在所有非生物脅迫中占首位，每年因干旱造成巨大的農(nóng)業(yè)損失[1-2]。近年來，由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，用水量大幅度增加，以及氣候的異常，水資源供需矛盾已由干旱地區(qū)向濕潤地區(qū)擴(kuò)展[3]，將使這一矛盾更加尖銳化。甘肅省是我國水資源嚴(yán)重短缺的省份之一，在全球變暖背景下，甘肅省氣候也趨于變暖，旱災(zāi)程度和頻次呈增加趨勢，僅2016年下半年，蘭州市及周邊地區(qū)出現(xiàn)了持續(xù)100多天無有效降水的干旱天氣，干旱一直是限制甘肅農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要災(zāi)害之一。

大豆（Glycine max）是重要的糧、油、飼兼用作物，需求量日益增大，在我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中起著重要的作用。據(jù)我國大豆產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系研究中心調(diào)查，在遺傳育種領(lǐng)域，除高產(chǎn)品種需求占39%以外，耐逆和抗旱品種的需求占調(diào)查總樣本的近50%，說明提高對(duì)非生物逆境的抗性是大豆育種的重要任務(wù)。由于作物抗旱性的可遺傳性，對(duì)其進(jìn)行選擇是有效的[4]，因此，篩選大豆抗旱種質(zhì)資源及應(yīng)用于育種當(dāng)中是必然選擇。前人關(guān)于大豆抗旱性的研究報(bào)道較多，從抗旱性評(píng)價(jià)指標(biāo)及方法的研究[5-6]、大豆種質(zhì)資源抗旱性綜合評(píng)價(jià)[7-8]、生理生化[9-10]，到抗旱功能基因、轉(zhuǎn)錄因子等許多方面進(jìn)行了研究[11-13]。但隨著育種進(jìn)程加快、遺傳基礎(chǔ)匱乏的問題日漸明顯，大豆新品種選育需要更加優(yōu)良的親本材料。我們選取246份國內(nèi)大豆種質(zhì)資源，在年降水量不足40 mm的甘肅省敦煌市綠洲灌區(qū)對(duì)其進(jìn)行了田間自然抗旱鑒定，綜合評(píng)價(jià)抗旱性，篩選抗旱種質(zhì)資源，以期為干旱、半干旱地區(qū)大豆新品種的選育提供材料和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為我國不同省份育成的品種（系），共計(jì)246份，由國家農(nóng)作物種質(zhì)資源共享服務(wù)平臺(tái)—甘肅子平臺(tái)和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所提供。

1.2 試驗(yàn)方法

為了準(zhǔn)確判定大豆種質(zhì)資源的抗旱性，根據(jù)大豆種植生態(tài)區(qū)的不同將246份材料劃分為早熟、中熟和晚熟組3個(gè)組別。

2016年將246份大豆種質(zhì)資源種植在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院敦煌試驗(yàn)站，設(shè)干旱脅迫和正常灌水2個(gè)處理，每處理小區(qū)按隨機(jī)區(qū)組排列，重復(fù)3次。按行長2.0 m、行寬0.5 m、株距0.1 m種植2行區(qū)。試驗(yàn)地前茬為玉米，播種前結(jié)合整地基施磷酸二銨225 kg/hm2、尿素75 kg/hm2。干旱脅迫處理播前灌1次水（灌水量900 m3/hm2）以保證出苗，出苗至成熟期不再灌水，使其充分受旱；對(duì)照處理按當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)管理，全生育期灌水4次，每次灌水量為900 m3/hm2。

1.3 形態(tài)指標(biāo)測定

成熟后每小區(qū)取樣10株，參照《大豆種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》分別對(duì)株高、主莖節(jié)數(shù)、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重、單株生物量等6個(gè)形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行測定[14]，以平均值代表考察性狀值。

1.4 抗旱性評(píng)價(jià)

參照祁旭升等[15]的方法對(duì)246份參試材料的抗旱性進(jìn)行評(píng)價(jià)，抗旱級(jí)別劃分參照路貴和等[16]的逐級(jí)分類法，將246份材料的抗旱性劃分為極強(qiáng)、強(qiáng)、中等、弱、極弱5個(gè)級(jí)別。具體評(píng)價(jià)方法如下：

式中：

TR——性狀相對(duì)值；

Xd——干旱脅迫處理性狀測定值；

Xw——正常灌水處理性狀測定值；

ADC——平均抗旱系數(shù)；

WDC——加權(quán)抗旱系數(shù)；

ri——入選性狀相對(duì)值與平均抗旱系數(shù)的相關(guān)系數(shù)；

n——x、y兩變量的等級(jí)對(duì)子數(shù)，即樣本容量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，利用DPS 9.50軟件進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)、相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對(duì)不同大豆品種形態(tài)指標(biāo)的影響

從表1可以看出，在不同處理下，6個(gè)形態(tài)指標(biāo)的變異系數(shù)介于12.64%～58.40%，其中單株粒重變異系數(shù)最大，單株生物量、單株粒數(shù)、單株莢數(shù)、株高和主莖節(jié)數(shù)次之，說明246份材料之間遺傳差異比較大，具有代表性。與正常灌水相比，干旱脅迫嚴(yán)重影響了大豆的生長發(fā)育，6個(gè)形態(tài)指標(biāo)均降低，其中株高降低最為明顯，比對(duì)照降低了60.86%；單株粒重降低幅度最小，較對(duì)照降低6.79%。

表1 246份大豆種質(zhì)資源6個(gè)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析

2.2 大豆抗旱評(píng)價(jià)指標(biāo)與抗旱性評(píng)價(jià)值間的相關(guān)性分析

抗旱指標(biāo)的選擇直接關(guān)系到抗旱鑒定結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)前期的研究結(jié)果[6，17-18]，最終篩選出株高、主莖節(jié)數(shù)、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重、單株生物量等6個(gè)形態(tài)指標(biāo)為評(píng)價(jià)大豆抗旱性最佳的抗旱指標(biāo)。從表2可以看出，株高與單株莢數(shù)、單株粒數(shù)和單株粒重不相關(guān)，說明大豆株高越高并不代表其莢數(shù)越多，相應(yīng)的莢粒數(shù)和粒重越大。6個(gè)抗旱指標(biāo)與平均抗旱系數(shù)、加權(quán)抗旱系數(shù)間均呈極顯著正相關(guān)，說明所選指標(biāo)可以準(zhǔn)確、真實(shí)地評(píng)價(jià)大豆抗旱性。

2.3 大豆種質(zhì)資源抗旱性綜合評(píng)價(jià)

作物抗旱性受本身基因和所在環(huán)境的雙重影響，是一個(gè)極其復(fù)雜的過程。為更加準(zhǔn)確評(píng)價(jià)大豆種質(zhì)資源的抗旱性，根據(jù)大豆種植生態(tài)區(qū)的不同將246份材料劃分為早熟、中熟和晚熟組3個(gè)組別。利用加權(quán)抗旱系數(shù)法對(duì)其抗旱性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，其加權(quán)抗旱系數(shù)值越大表示抗旱性越強(qiáng)。參照路貴和等[16]的逐級(jí)分類法，將246份大豆種質(zhì)資源劃分為極強(qiáng)、強(qiáng)、中等、弱、極弱5個(gè)級(jí)別（表3）。

2.3.1 早熟組種質(zhì)資源抗旱性分析 早熟組材料共計(jì)75份，全部由黑龍江材料組成。田間記載早熟組材料的生育期在90 d左右，干旱脅迫使得大豆生育期較灌水對(duì)照縮短2～5 d，說明干旱脅迫加快了大豆的成熟，不利于大豆生育后期的灌漿，導(dǎo)致籽粒不飽滿，影響產(chǎn)量。

根據(jù)表3抗旱性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將75份材料分為5級(jí)，其中，11份屬1級(jí)、8份屬2級(jí)、34份屬3級(jí)、9份屬4級(jí)、13份屬5級(jí)（表4）。從表4可以看出，每個(gè)品種系列在成株期表現(xiàn)出了不同程度的抗旱性，如合農(nóng)系列在5個(gè)抗旱級(jí)別中均有分布，這可能與每個(gè)品種所選親本有一定的關(guān)系。通過田間自然抗旱鑒定篩選出綏小粒豆2號(hào)、綏無腥豆2號(hào)、合農(nóng)75、黑農(nóng)71、綏農(nóng)36等19份強(qiáng)抗旱大豆種質(zhì)資源，這些抗旱種質(zhì)資源可為大豆早熟品種選育提供優(yōu)良親本材料。

2.3.2 中熟組種質(zhì)資源抗旱性分析 中熟組材料由51份遼寧種質(zhì)和52份吉林種質(zhì)組成，共計(jì)103份。該組材料的生育期為120 d左右，干旱脅迫處理較對(duì)照提前2～6 d成熟。

表2 大豆抗旱指標(biāo)與抗旱性評(píng)價(jià)值的相關(guān)性分析①

表3 抗旱性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)表3抗旱性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將103份材料分為5級(jí)，其中，16份屬1級(jí)、12份屬2級(jí)、47份屬3級(jí)、14份屬4級(jí)、14份屬5級(jí)（表5）。從表5看出，強(qiáng)抗旱種質(zhì)中遼寧種質(zhì)有13份、吉林種質(zhì)為15份，說明遼寧和吉林材料的抗旱性差別不大，與早熟組種質(zhì)相似，每個(gè)品種系列在5個(gè)抗旱級(jí)別中均有分布，如遼寧的遼豆系列和吉林的吉育系列。篩選出的遼豆42、撫豆21、開育12、吉農(nóng)36、遼豆39等28份強(qiáng)抗旱大豆種質(zhì)資源可為大豆中熟品種的選育提供優(yōu)良親本材料。

2.3.3 晚熟組種質(zhì)資源抗旱性分析 晚熟組材料主要由黃淮生態(tài)區(qū)的材料和甘肅省的2個(gè)新育成品種及3個(gè)品系組成，共計(jì)68份。該組材料的生育期為140 d左右，干旱脅迫處理較對(duì)照提前2～8 d成熟。

根據(jù)表3抗旱性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，將103份材料分為5級(jí)，其中，11份屬1級(jí)、11份屬2級(jí)、22份屬3級(jí)、10份屬4級(jí)、14份屬5級(jí)（表6）。從表6看出，強(qiáng)抗旱種質(zhì)中包括來自山西、陜西、北京、寧夏、山東、甘肅、河北的22份種質(zhì)，而內(nèi)蒙古和新疆的種質(zhì)抗旱性相對(duì)較差。甘肅省參試的5個(gè)品種（系）均屬于抗旱類型，其中新育成品種隴中黃601和隴中黃602的親本是前期抗旱性鑒定表現(xiàn)為抗旱的種質(zhì)，進(jìn)一步說明大豆抗旱性是可遺傳的，以抗旱性強(qiáng)的種質(zhì)做親本，可選育出強(qiáng)抗旱的大豆新品種。通過抗旱性綜合評(píng)價(jià)，篩選出晉豆21、秦豆11、中黃75、寧豆5號(hào)、晉豆44等22份強(qiáng)抗旱大豆種質(zhì)資源，可為大豆晚熟品種的選育提供遺傳資源。

表4 早熟組大豆種質(zhì)資源抗旱性評(píng)價(jià)

表5 中熟組大豆種質(zhì)資源抗旱性評(píng)價(jià)

表6 晚熟組大豆種質(zhì)資源抗旱性評(píng)價(jià)

3 小結(jié)與討論

為與大田生產(chǎn)相結(jié)合，田間自然條件下進(jìn)行作物抗旱性研究十分必要。有學(xué)者認(rèn)為符合條件的田間自然抗旱鑒定是最理想的方法[19]，但我國大部分地區(qū)年降水量高，不能夠達(dá)到自然干旱脅迫的程度。甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院敦煌試驗(yàn)站位于東經(jīng) 92°13′～95°30′、北緯 39°53′～41°35′，年平均降水量僅為39.9 mm，蒸發(fā)量高達(dá)2 486 mm，屬典型的暖溫帶干旱性氣候[20]，同時(shí)具有充足的光熱資源和良好的灌溉條件，相當(dāng)于一個(gè)巨大的“天然抗旱棚”。因此，本試驗(yàn)設(shè)置在甘肅省敦煌市，提高了大豆種質(zhì)資源抗旱鑒定評(píng)價(jià)的準(zhǔn)確性。干旱脅迫處理后，大豆種質(zhì)資源的生長發(fā)育受到極大影響，其農(nóng)藝性狀等指標(biāo)大幅度降低，不同熟期組的生育期較對(duì)照縮短2～8 d，這與前人的研究結(jié)果相一致[6，18，21-22]。

在前期研究中我們得出，株高、主莖節(jié)數(shù)、單株莢數(shù)、單株粒數(shù)、單株粒重、單株生物量等6個(gè)形態(tài)指標(biāo)與大豆抗旱性相關(guān)性最為密切。通過相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)上述6個(gè)抗旱指標(biāo)與平均抗旱系數(shù)和加權(quán)抗旱系數(shù)間呈極顯著正相關(guān)。利用加權(quán)抗旱系數(shù)法對(duì)246份大豆種質(zhì)資源進(jìn)行抗旱性綜合評(píng)價(jià)，篩選出69份強(qiáng)抗旱大豆種質(zhì)資源。來自甘肅省的2個(gè)品種和3個(gè)品系均屬于抗旱類型，通過對(duì)前期抗旱鑒定結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，新育成品種隴中黃601和隴中黃602的親本是均屬于強(qiáng)抗旱材料，進(jìn)一步說明作物抗旱性是可遺傳的[23]。因此，本研究所篩選出的強(qiáng)抗旱大豆種質(zhì)資源可為干旱、半干旱地區(qū)大豆抗旱育種提供遺傳基礎(chǔ)材料。