大豆姊妹系品种冀豆17和冀nf58的光合、生理特性及其与产量性状的相关分析

王凤敏，杨春燕，王静华，刘兵强，赵双进，史晓蕾，冯 燕，张孟臣，秦 君

(河北省农林科学院 粮油作物研究所/国家大豆改良中心石家庄分中心/农业部黄淮海大豆生物学与遗传育种重点实验室/河北省遗传育种重点实验室，河北 石家庄 050035)

大豆姊妹系品种冀豆17和冀nf58的光合、生理特性及其与产量性状的相关分析

王凤敏，杨春燕，王静华，刘兵强，赵双进，史晓蕾，冯 燕，张孟臣，秦 君*

(河北省农林科学院 粮油作物研究所/国家大豆改良中心石家庄分中心/农业部黄淮海大豆生物学与遗传育种重点实验室/河北省遗传育种重点实验室，河北 石家庄 050035)

于2013—2015年连续3 a田间种植姊妹系大豆品种冀豆17、冀nf58及双亲，调查产量及相关的农艺性状，测定盛花期、盛荚期和鼓粒期叶片的净光合速率以及可溶性蛋白含量、可溶性糖含量、过氧化物酶活性等生理指标，比较冀豆17和冀nf58及其双亲生长发育过程中光合速率等生理指标差异及变化，并分析这些生理指标与产量的相关性，为大豆高产育种提供理论依据。结果表明：冀豆17和冀nf58的产量及相关农艺性状均高于双亲，其中冀豆17和冀nf58的产量、株高、主茎节数和3个时期的生物量均显著高于双亲，冀豆17的单株粒质量、百粒质量显著高于双亲；冀豆17和冀nf58在盛花期、盛荚期、鼓粒期的净光合速率均高于双亲，其中，冀豆17在盛荚期和鼓粒期都显著高于双亲；冀豆17和冀nf58的可溶性糖和可溶性蛋白含量在盛花期、盛荚期、鼓粒期均高于双亲，且盛花期超氧化物歧化酶、过氧化氢酶、谷氨酰胺合成酶的活性也均高于双亲。相关分析表明，产量与3个时期的生物量呈极显著正相关，与盛荚期和鼓粒期的净光合速率、3个时期的可溶性蛋白含量呈显著或极显著正相关，与盛荚期的可溶性糖含量、盛花期和盛荚期超氧化物歧化酶活性、盛花期谷氨酰胺合成酶活性呈显著或极显著正相关。盛荚期和鼓粒期的净光合速率、3个时期的可溶性蛋白含量、盛荚期可溶性糖含量、盛花期超氧化物歧化酶活性和谷氨酰胺合成酶活性较高时有利于大豆产量的提高，因此，这些生理指标可作为大豆高产育种的理论依据。

大豆； 姊妹系； 冀豆17； 冀nf58； 生理特性； 产量性状； 相关分析

光合作用是作物产量形成的基础，作物地上部干物质产量的90%来自于光合作用[1]，光合速率是衡量光合作用的指标。Hao等[2]研究表明，提高光合效率是提高大豆产量的重要途径。光合速率的提高对大豆产量改良具有重要作用[3]。Zhu等[4]研究表明，高产大豆的光合速率在鼓粒期达到最高值。施满容[5]研究表明，玉米品系叶片光合速率的差异源于光合机构的光反应系统。王玉芬等[6]研究表明，较高的光化学速率、较强的抗氧化能力是玉米品种满世通526适应干旱环境的重要生理指标。据报道，光合作用强的作物品种产量也高[7-8]。袁伟玲[9]通过研究不同基因型形态及生理特性对水稻产量潜力的影响得出，水稻生育后期叶片具有较高的叶绿素含量有利于产量的提高。可溶性糖是植物光合作用的初级产物，也是合成其他物质的原料[10-12]。可溶性糖含量的积累可调节植物组织渗透势，对维持膜系统的完整性及提高抗逆性具有重要的生理意义[13-14]。叶片中的可溶性蛋白质多数为有活性的酶，主要参与光合作用、呼吸代谢等。在大豆新品种的人工选育过程中，光合速率、暗呼吸速率及叶片可溶性蛋白含量呈升高趋势[15]。超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)、过氧化氢酶(CAT)是植物体内的保护酶，与抗逆性有一定的关系[16]。国际小麦改良中心(CIMMYT)在生理性状应用于小麦育种方面的研究已取得显著进展，并出版了小麦生理育种的性状鉴定手册[17-18]。

冀豆17和冀nf58是以Hobbit为母本、早5241为父本杂交选育而成的优良大豆品种[19]，其产量及对非生物胁迫的抗性较双亲均有显著提高。其中，大豆品种冀豆17具有高产、高油、广适的优良特性，是目前黄淮海区域主推大豆品种，其姊妹品种冀nf58是高油品种。Qin等[20]利用SSR标记研究冀豆17和冀nf58及双亲的遗传背景，表明Hobbit对冀豆17和冀nf58的遗传贡献高于早5241；并在蛋白质组学水平利用iTRAQ技术研究得出，冀豆17与双亲(Hobbit、早5241)14 d叶片差异表达蛋白分别为141、181个，冀豆17与双亲的POD、SOD、光合系统催化酶类等有差异表达[21]。前人对大豆姊妹品种冀豆17和冀nf58及其双亲在分子水平和蛋白质组学水平上进行了比较研究，但关于其高产、优质相关生理特性的研究尚未见报道。鉴于此，通过分析冀豆17和冀nf58及亲本在关键生长发育时期的光合速率等生理特性及其与产量的关系，探究优良大豆品种高产的生理基础，以期为大豆高产育种提供数据支持。

1 材料和方法

1.1 试验材料与田间设计

以姊妹系品种冀豆17、冀nf58及其母本Hobbit和父本早5241为试验材料。其中，Hobbit是从美国引进的高油种质资源；早5241是由国内早熟材料系7476与7572-1-1杂交选育而成，7572-1-1含有Williams(美国)和艳丽(日本)血缘(图1)。

图1 冀豆17和冀nf58的系谱

试验大豆于2013—2015年种植于堤上试验站，试验地地势平坦、排灌方便、肥力水平一致、能代表当地肥力水平，每个小区种植3行，行距0.5 m，行长6 m，株距0.1 m，小区面积18 m2，重复3次。

1.2 测定指标及方法

1.2.1 农艺性状 植株收获后调查株高、主茎节数、单株荚数、单株粒数、单株粒质量、百粒质量和产量。始花期(R1期)、始荚期(R3期)和始粒期(R5期)生物量测定参考黄中文等[22]的方法。生育时期划分参考Fehr等[23]的方法。

1.2.2 生理指标 在大豆盛花期(R2)、盛荚期(R4)和鼓粒期(R6) 3个时期(晴天)9:00—11:00，对倒3叶三出复叶完全展开的顶叶进行净光合速率测定，并取样以备实验室测定相关生理指标。采用

LI-6400XT光合仪(美国，Li-Cor公司)测定大豆的净光合速率。可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝G-250法[24]；可溶性糖含量测定采用蒽酮法[24]；SOD、POD、CAT的活性测定参考郑莎莎[25]的方法；谷氨酰胺合成酶(GS)活性测定采用南京建成生物试剂盒。

1.3 数据处理

数据采用Excel 2007整理和作图，利用SPSS 17.0进行显著性、相关性分析。

2 结果与分析

2.1 冀豆17和冀nf58及双亲的农艺性状分析

2013—2015年3 a冀豆17和冀nf58及双亲产量及相关农艺性状的方差分析结果(表1)表明，冀豆17和冀nf58产量显著高于双亲，产量表现为冀豆17>冀nf58>Hobbit>早5241；冀豆17和冀nf58的株高、主茎节数均显著高于亲本Hobbit和早5241。冀豆17和冀nf58单株荚数和单株粒数高于双亲，但差异不显著；冀豆17的单株粒质量和百粒质量显著高于双亲，冀nf58的单株粒质量和百粒质量高于双亲，但与冀豆17、双亲均无显著差异。冀豆17和冀nf58始花期(R1)、始荚期(R3)和始粒期(R5)的生物量均显著高于双亲(表2)。综合分析，冀豆17和冀nf58的产量及相关农艺性状均高于双亲。

表1 冀豆17和冀nf58及亲本的农艺性状比较

注：同列不同小写字母表示在0.05水平上差异显著，下同。

表2 冀豆17和冀nf58及双亲各个时期生物量 kg/hm2

2.2 冀豆17和冀nf58及双亲的净光合速率分析

净光合速率是光合作用过程中的重要指标。表3表明，盛花期(R2)冀豆17的净光合速率显著高于早5241，高于Hobbit但差异不显著，冀nf58净光合速率都高于双亲但差异均不显著；盛荚期(R4)冀豆17的净光合速率显著高于双 亲及冀nf58，而冀nf58的净光合速率稍高于双亲，但差异不显著；鼓粒期(R6)冀豆17和冀nf58的净光合速率差异不显著，但均显著高于双亲。由此可见，盛花期、盛荚期、鼓粒期3个时期冀豆17和冀nf58的净光合速率均高于双亲，且冀豆17在盛荚期和鼓粒期均显著高于双亲。

表3 冀豆17和冀nf58及双亲的净光合速率比较 μmol /(m2·s)

2.3 冀豆17和冀nf58及双亲的相关生理特性分析

表4表明，盛花期、盛荚期和鼓粒期冀豆17和冀nf58的可溶性糖含量均高于双亲。盛花期、盛荚期4个品种可溶性糖含量的变幅分别为13.38～15.76、16.80～19.62 mg/g，鼓粒期为18.18～29.67 mg/g，可见，鼓粒期可溶性糖含量的变幅很大，这可能是大豆生育后期各品种间可溶性糖含量积累速率不同的原因，也可能与物质转化有关。盛花期、盛荚期、鼓粒期冀冀豆17和冀nf58的可溶性蛋白含量均高于双亲，且冀nf58的可溶性蛋白含量高于冀豆17。盛花期、盛荚期4个品种可溶性蛋白含量变幅

都较小，分别为2.16～2.94、3.23～3.61 mg/g，鼓粒期4个品种的变幅较大，为3.80～5.05 mg/g。冀豆17和冀nf58的SOD活性在盛花期和鼓粒期均高于双亲；冀豆17和冀nf58的POD活性在盛花期和盛荚期均低于父本早5241；冀豆17的CAT活性在盛花期和盛荚期高于双亲，冀nf58的CAT活性在盛花期高于双亲。SOD在3个抗逆酶中起关键作用，因此，可推断冀豆17和冀nf58在盛花期和鼓粒期的抗逆性方面存在一定的优势。

表4 冀豆17和冀nf58及双亲3个时期的生理指标比较

注：同行不同小写字母表示在0.05水平上差异显著。

2.4 冀豆17和冀nf58及双亲的产量、生物量、光合及生理性状的相关性分析

产量与生物量、光合及生理指标的相关分析(表5)表明，产量与始花期(R1)、始荚期(R3)和始粒期(R5)的生物量呈极显著正相关，相关系数均大于0.9，分别为0.910、0.957、0.924，体现了源库之间的协同性。产量与盛荚期和鼓粒期的净光合速率呈极显著正相关，相关系数分别为0.722、0.898；与盛荚期可溶性糖含量呈极显著正相关，相关系数为0.960；与3个时期可溶性蛋白含量呈显著或极显著正相关，相关系数分别为0.786、0.594、0.770；与盛花期、盛荚期SOD活性分别呈极显著、显著正相关，相关系数分别为0.736、0.634；与盛花期GS活性呈显著正相关，与鼓粒期GS活性呈极显著负相关，相关系数分别为0.705、-0.771，而冀豆17和冀nf58的GS活性在盛花期高于双亲，在鼓粒期低于双亲，两者的产量均高于双亲，因此，可推断盛花期GS活性高、鼓粒期GS活性低有利于高产。综上说明，产量与光合生理指标关系密切。

3个时期的生物量与3个时期可溶性蛋白含量呈显著或极显著正相关；与盛荚期和鼓粒期的净光合速率呈显著或极显著正相关；与盛荚期可溶性糖含量呈极显著正相关；与盛花期SOD活性呈极显著正相关；与盛花期GS活性呈显著正相关，与鼓粒期GS活性呈极显著负相关，而冀豆17和冀nf58 GS活性在盛花期高于双亲而在鼓粒期低于双亲，两者在3个时期生物量均高于双亲，因此，可推断盛花期GS活性高有利于生物量的累积，鼓粒期GS活性高不利于生物量的累积，而GS在高等植物氮代谢的初级同化中起作用，是氮代谢的关键酶[27]，可见，生物量的累积与氮代谢存在一定的关系。综上说明，生物量与光合生理指标间存在着一定的关系。

表5 产量与3个时期生物量、光合生理指标的相关性分析

注：产量与POD、CAT活性相关性不显著,未列出；*、**分别表示在0.05、0.01水平上显著、极显著相关。

3 结论与讨论

产量与物质生产总量存在一定关系，本研究结果显示，冀豆17和冀nf58的产量以及各个时期的生物量均高于双亲，且产量与生物量均呈极显著正相关。据报道，超高产水稻具有较高的干物质生产能力[28]，本研究结果与其一致。

光合作用与产量密切相关，净光合速率是反映光合作用最直观的指标，冀豆17和冀nf58在3个时期净光合速率都高于双亲，盛荚期和鼓粒期的净光合速率与产量以及3个时期的生物量均呈极显著或显著正相关，推测盛荚期和鼓粒期的净光合速率可作为高产育种理论依据。可溶性糖是光合作用的初产物，本研究中冀豆17和冀nf58可溶性糖含量在盛荚期显著高于双亲，盛荚期可溶性糖含量与产量以及3个时期的生物量均呈极显著正相关，推测盛荚期可溶性糖含量的累积对产量的提高有一定的影响，可将盛荚期可溶性糖含量作为高产育种的理论依据。

叶片中的可溶性蛋白多为有活性的酶，这些酶参与光合作用、呼吸代谢，可能间接影响产量。SOD、POD、CAT等是植物体内清除活性氧的重要抗氧化酶，也是保护酶系统的重要组分。保护酶系统启动后，能及时清除一定数量过剩的活性氧和过氧化物，从而减轻过氧化作用的伤害，提高细胞的抗逆性[29]。本研究中，冀豆17和冀nf58的可溶性蛋白含量在盛花期、盛荚期、鼓粒期3个时期均高于双亲，3个时期可溶性蛋白含量与产量、3个时期生物量呈极显著或显著正相关，故推断，可溶性蛋白在大豆中后期生长发育过程中对产量和生物量累积具有很大的影响，3个时期的可溶性蛋白含量也可作为高产育种的理论依据。SOD是保护系统酶中最关键的酶，冀豆17和冀nf58的SOD活性在盛花期和鼓粒期均高于双亲，且盛花期SOD活性与产量以及3个时期生物量呈极显著正相关，说明产量高的大豆品种可能与抗逆性有一定的关系。GS是光呼吸中氮代谢重要的酶，并且GS在初级氮同化中起作用。冀豆17和冀nf58的GS活性在盛花期显著高于双亲，鼓粒期显著低于双亲，并且盛花期GS活性与产量以及3个时期的生物量均呈显著正相关，鼓粒期GS活性与产量以及3个时期生物量呈极显著负相关，可推断，盛花期GS活性较高和鼓粒期GS活性较低有利于大豆产量的提高。

综上得出，盛荚期和鼓粒期的净光合速率、3个时期的可溶性蛋白含量、盛荚期可溶性糖含量、盛花期SOD活性和GS活性较高时有利于大豆产量的提高，因此，这些生理指标可作为高产育种的理论依据。

[1] 袁飞.转基因大麦光合生理特性研究[D].沈阳:东北大学,2011.

[2] Hao N B,Du W G,Ge Q Y,etal.Progress in the breeding of soybean for high photosynthetic efficiency[J].Acta Botanica Sinica,2002,44(3):253-258.

[3] 崔世友.与产量有关的大豆株型、光合生理及耐低磷性状的基因定位[D].南京:南京农业大学,2006:75-76.

[4] Zhu G J,Jiang G M,Hao N B,etal.Relationship between ecophysiological features and grain yield in different soybean varieties[J].Acta Botanica Sinica,2002,44(6):725-730.

[5] 施满容.两个玉米品系叶片光合速率差异的生理机制初探[J].亚热带植物科学,2006,35(3):18-21.

[6] 王玉芬,李娟,路战远,等.玉米高产品种光合特性及抗氧化系统对水分胁迫的响应[J].华北农学报,2015,30(6):97-104.

[7] 韩俊梅.杂交大豆光合生理生化机制的研究[D].太原:山西大学,2013.

[8] 李建军,王君,任美玲,等.地黄新品系叶片色素及光合特性分析[J].河南农业科学,2016,45(7):93-95,142.

[9] 袁伟玲.不同基因型水稻形态及生理特性对其产量潜力的影响[D].武汉:华中农业大学,2010.

[10] 许志信,白永飞.干草原牧草贮藏碳水化合物含量变化规律的研究[J].草地学报,1994,3(4):27-31.

[11] 白永飞,许志信,段淳清,等.典型草原主要牧草植物贮藏碳水化合物分布部位的研究[J].中国草地,1996(1):7-9.

[12] 王静,杨持,王铁娟,等.冷蒿种群在不同放牧干扰下叶绿素、可溶性糖的对比研究[J].内蒙古大学学报(自然科学版),2005,36(3):280-283.

[13] 郑莎莎,孙传范,孙红春,等.不同外源激素对花铃期棉花主茎叶生理特性的影响[J].中国农业科学,2009,42(12):4383-4389.

[14] 郭玉春,余高镜,曾建敏,等.外引高羊茅草坪草种主要性状的周年表现与生理特性研究[J].农业现代化研究,2002,23(6):409-413.

[15] 温尚斌,石连旋,王丹生,等.大豆叶片光合与呼吸、硝酸还原酶活性及可溶性蛋白含量相互关系的探讨[J].东北大学学报,1999(1):67-70.

[16] 何学利.植物体内的保护酶系统[J].现代农业科技,2010(10):37-38.

[17] Reynolds M P,Ortiz-Monasterio J I,McNab A.Application of physiology in wheat breeding[J].Mexico:CIMMYT,2001:88-100.

[18] Pask A,Pietragalla J,Mullan D M,etal.Physiological breedingⅡ:A field guide to wheat phenotyping[J].Mexico:CIMMYT,2012:60-62.

[19] 张孟臣,张磊,刘学义.黄淮海大豆改良种质[M].北京:中国农业出版社,2014:74-76.

[20] Qin J,Wang F M,Gu F,etal.A genetic composition analysis of soybean sibling varieties Jidou17 and Ji nf58[J].Australian Journal of Crop Science,2014,8(5):791-798.

[21] Qin J,Gu F,Liu D,etal.Proteomic analysis of elite soybean Jidou17 and its parents using iTRAQ-based quantitative approaches[J].Proteome Science,2013,11(1):334-345.

[22] 黄中文,赵团结,俞德跃,等.大豆生物量累积、收获指数及产量间的相关与QTL分析[J].作物学报,2008,34(6):944-951.

[23] Fehr W R,Caviness C E,Burmood T D,etal.Stages of development descriptions for soybeans,Glycinemax(L) Merrill[J].Crop Science,1971,11(6):929-931.

[24] 史树德,孙亚卿,魏磊.植物生理学实验指导[M].北京:中国林业出版社,2011:33-35,88-90,93-96.

[25] 郑莎莎.蔗糖和激素处理对棉花早衰的调控效应[D].保定:河北农业大学,2009.

[26] 李常健,林清华,张楚富.高等植物谷氨酰胺合成酶研究进展[J].生物学杂志,2001,18(4):1-3.

[27] 陈胜勇,李观康,汪云,等.谷氨酰胺合成酶的研究进展[J].中国农学通报,2010,26(22):45-49.

[28] 杜永,王艳,王学红,等.黄淮地区不同粳稻品种株型/产量与品质的比较分析[J].作物学报,2007,33(7):1079-1085.

[29] 丁秀文,张国良,戴其根,等.1,2,4-三氯苯胁迫对水稻分蘖盛期植株生长和生理特性的影响[J].作物学报,2014,40(3):487-496.

Photosynthetic and Physiological Characteristics of Soybean Sibling Cultivars Jidou 17,Ji nf58 and Their Relationships with Yield Traits

WANG Fengmin，YANG Chunyan，WANG Jinghua，LIU Bingqiang，ZHAO Shuangjin，SHI Xiaolei，FENG Yan,ZHANG Mengchen,QIN Jun*

(Institute of Cereal and Oil Crops，Hebei Academy of Agricultural and Forestry Sciences/National Soybean Improvement Center Shijiazhuang Sub-Center/North China Key Laboratory of Biology and Genetic Improvement of Soybean，Ministry of Agriculture/Key Laboratory of Crop Genetics and Breeding of Hebei Province，Shijiazhuang 050035，China)

Jidou 17，Ji nf58 and their parents were planted from 2013 to 2015,the yield and related agronomic traits were investigated,the net photosynthetic rate,soluble sugar content,soluble protein content and antioxidase activity were measured at full-bloom stage，podding stage and seed filling stage，the difference of the above indexes of Jidou 17，Ji nf58 and their parents and their relationships with yield were analyzed,so as to provide theoretical guidance for high yield breeding.The results showed that yield and related agronomic traits of Jidou 17 and Ji nf58 were higher than that of their parents，among which yield，plant height，number of nodes on main stem and biomass at full-bloom stage，podding stage and seed filling stage of Jidou 17 and Ji nf58 were significantly higher than that of their parents.For Jidou 17，the seed weight per plant and 100-seed weight were significantly higher than that of the parents.The net photosynthetic rate of Jidou 17 and Ji nf58 were higher than that of their parents at full-bloom stage，podding stage and seed filling stage，especially at podding stage and seed filling stage for Jidou 17.Soluble sugar content and soluble protein content of Jidou 17 and Ji nf58 were higher than that of their parents at the three stages.The activities of superoxide dismutase，catalase and glutamine synthetase were higher in Jidou 17 and Ji nf58 compared to their parents at full-bloom stage.There were extremely significantly positive correlation between yield and biomasses at three stages.There were significantly or extremely significantly positive correlation between yield and net photosynthetic rate at podding stage and seed filling stage.Yield also had significantly or extremely significantly positive correlation with soluble protein content at three stages.There were significantly or extremely significantly positive correlation between yield and soluble sugar content at podding stage,superoxide dismutase at full-bloom stage and podding stage，activity of glutamine synthetase at flowering stage.It was beneficial to improvement of yield when the net photosynthetic rate at podding stage and seed filling stage，the soluble protein content at three stages，the soluble sugar content at podding stage，the activities of superoxide dismutase and glutamine synthetase at full-bloom stage were higher in soybean.Therefore，these physiological characteristics could be used as theoretical bases for high yield breeding.

soybean; sibling cultivars; Jidou 17; Ji nf58; physiological characteristics; yield traits; correlation analysis

2016-11-24

国家自然科学基金项目(31471522)；国家产业技术体系项目(CARS-004-PS06)；国家科技支撑计划项目(2014BAD11B01-X01)；河北省自然科学基金资助项目(C2014301035)；河北省农林科学院粮油作物研究所青年创新基金课题(LYS2016003)

王凤敏(1981-)，女，河北栾城人，助理研究员，硕士，主要从事大豆遗传育种研究。E-mail:wangfm89@163.com

*通讯作者：秦 君(1971-)，女，河北赞皇人，研究员，博士，主要从事大豆遗传育种研究。E-mail:hbnkydd@163.com

S565.1

A

1004-3268(2017)04-0038-06