基于不同叶形大豆遗传群体产量性状综合评价

史宏，张娟，毛婷婷，王鹏冬，张学武，贾爱红，张峰，杨新元*

（1.山西农业大学 经济作物研究所，山西 汾阳032200；2.鲁东大学 农学院，山东 烟台264025）

我国是大豆原产国，大豆在我国粮食安全和能源保障中占有重要地位。除了满足人们的日常食用，大豆还是畜牧业和养殖业最重要的蛋白来源。近年来，由于国外转基因大豆的涌入和跨国粮商的垄断，我国大豆产业面临严峻的挑战。为了提升我国大豆的自给水平和国际竞争力，2019年农业农村部决定实施大豆振兴计划，以促进大豆生产恢复发展［1］。然而目前土地资源严重短缺，大豆生产必须在保障主要粮食作物生产的前提下进行，因此培育高产优质的大豆品种是解决问题的关键。

前人的研究发现，大豆荚粒性状是影响大豆产量的重要因素之一［2］，单株荚数是与产量密切相关的性状指标。早在上世纪，戴瓯和［3］对31 份大豆地方品种进行荚粒性状遗传变异相关研究，发现单株荚粒数与产量具有较高的相关性，并且不会导致百粒重等有较大的变化，并提出培育多荚多粒品种是提高大豆产量的有效途径之一。随后的大豆育种实践也证实了荚粒数与产量显著相关的观点［4～6］。陈玉福［7］研究表明 单株荚数增加11个，每公顷大豆产量可增加810 kg。周新安等［8］研究表明四粒荚数与每荚粒数的相关系数高达0.932。李莹莹等［9］对Meta-QTL 区间进行基因注释，获得687 个基因，筛选11 个影响大豆荚粒性状的候选基因。

研究者们利用高代大豆重组自交系群体研究大豆荚粒性状关系发现，四粒荚数和每荚粒数受相同的主效数量性状基因座（quantitative trait loci，QTL）调控［10，11］，荚粒性状年份间存在极显著的差异，但可以定位到2 年稳定出现的荚粒性状的QTL，对提高大豆产量具有十分重要的意义［12～14］。随着遗传学研究的深入，发现一个主效基因Ln对叶形和每荚粒数贡献很大［15，16］。利用图位克隆，Tian 等发现该基因为一个锌指蛋白，并与拟南芥JAG（At1g68480）同源［17，18］。Ln基因在第一个外显子处有一个碱基突变，即GAT 突变为CAT，进而造成氨基酸由天冬氨酸突变为组氨酸，突变的等位基因被命名为Ln［19］。多年来大豆育种家们发现，大豆的荚粒数性状与叶形密切连锁［20］，大豆叶形可粗略分为椭圆叶形和披针叶形。四粒荚通常与披针叶连锁，而卵形叶（椭圆叶形）大豆品种多二粒荚或一粒荚，该性状受地域和环境的影响。大豆多荚粒高产品种的选育成为育种家们关注的焦点，尤其是四粒荚数的提升成为大豆产量突破的重要因素［21～23］。

大豆品种四粒荚数量较多的材料一般为披针叶形，四粒荚连锁基因及克隆的相关基因，均以披针叶形大豆材料为基础，目前在椭圆叶形背景下关于四粒荚研究的报道较少。本研究室通过多年的选育，培育出2 个四粒荚较多的重组自交系和等位系高代群体，2 个群体四粒荚比例平均达到15.6%，为多四粒荚家系。其中一个为椭圆叶多四粒荚，另一个为披针叶多四粒荚。由于椭圆叶的叶面积较披针叶大，光合作用面积增加，我们推测其可能具有更大的增产潜力。因此，本文通过2个不同叶形多四粒荚遗传群体的表型鉴定、叶形控制基因Ln测序及产量相关农艺性状的灰色关联度和相关性分析，对其进行综合评价，探索不同叶形背景下，四粒荚与产量的关系，为大豆高产育种及多荚粒基因应用于生产实践提供新思路。

1 材料和方法

1.1 试验材料

试验材料和数据来源于2 个四粒荚较多的重组自交系和等位系高代群体，考种单株四粒荚数量≥5 个。第一个群体是重组自交系群体260 个家系，选取其中25 个家系作为参试材料，组合来源于多亲本汾豆55×［（汾豆46×晋豆9 号）×晋豆29］的四交组合，高代品系定名为汾豆96，特征：椭圆叶形，中上部叶片三出复叶小叶的大小为12.1 cm×8.5 cm，白花，棕毛，其群体内存在四粒荚单株率在85%以上，平均单株内四粒荚数≥5；第二个群体是等位系群体288 个家系，选取其中35 个家系作为参试材料，组合来源于诱处4 号×汾豆56单交姐妹系组合之一（披针叶形群体），特征：披针叶形，中上部叶片三出复叶小叶的大小为11.3 cm×3.8 cm，花色有白花、紫花，茸毛有棕毛、灰毛，其群体内存在四粒荚单株率97.5%以上，平均单株内四粒荚数≥5。

本文参试材料均为单株存在四粒荚数≥5 个的大豆群体，且尝试提出定义多四粒荚大豆品种的标准：同一品种群体内存在四粒荚单株的单株率85%以上，平均单株四粒荚数≥5。

测定主要性状：株高、底荚高度、主茎节数、分枝数、一粒荚数、二粒荚数、三粒荚数、四粒荚数、单株重量、粒重和百粒重11 个性状。

1.2 试验设计与方法

1.2.1 试验设计

试验于2015−2018 年在山西省农业科学院经济作物研究所试验基地进行，采用随机区组设计，3 次重复，小区面积13 m2，6 行区，每公顷留苗15万株。试验地是沙壤土，前茬作物谷子，肥力中等。播前每公顷施有机肥（鸡粪）15 m3，磷酸二铵300 kg。整地前未浇水，靠自然降雨后播种，出苗较整齐，中耕除草3 次，各项田间管理措施按常规实施。成熟时，每区从中间4 行随机取样20 株，进行主要农艺性状测定考种，各供试材料各性状的调查数据见表1。叶形控制基因Ln测序在鲁东大学农学院分子实验室进行。

1.2.2 试验方法

参试材料用SPSS25.0 数据分析软件进行系统聚类，划分不同大豆产量类型。试验对60 份材料进行灰色关联度评价，研究影响四粒荚产量性状的主要农艺性状的关联系数和关联度排序，为选育多四粒荚高产品种提供理论支持。按照邓聚龙灰色关联度分析方法［24，25］，将参试材料主要农艺性状视为一个灰色系统，产量性状设定为母序列X0，生物产量、株高、茎粗、底荚高度、主茎节数、分枝数、一粒荚数、二粒荚数、三粒荚数、四粒荚数、总荚数、总粒数、荚粒重、茎杆重、粒重和百粒重16个性状分别设定为比较数列X1、X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X11、X12、X13、X14、X15、X16。原始数据一般都要进行数据的无量纲化处理，先分别求出各个原始序列的平均值，再用均值去除对应序列中每个数据，便可得到新的数据列，即均值化序列。计算公式不再详细列出。用DPS7.5 软件进行灰色关联度分析，分辨系数取值区间为（0，1），具体试验中ρ取值0.1，计算其关联系数和关联度。产量和不同叶片类型参试材料用SPSS25.0 分别进行相关性分析，研究影响多四粒荚材料产量因子与主要农艺性状间的关系。

表1 大豆多四粒荚材料生育特性Table 1 Growth traits of soybean with four more pods

2 结果与分析

2.1 两个遗传群体表型鉴定

按照邱丽娟等撰写的《大豆种质资源描述规范和数据标准》［26］，开花盛期植株中上部发育成熟的三出复叶顶小叶的叶形可分为1 披针形，2 卵圆，3 椭圆形，4 圆形（图1［26］）。对重组自交系和等位系高代群体进行田间表型鉴定，烟台地区重组自交系群体97.5%植株表现椭圆叶形，多四粒荚，单株四粒荚数的比例为15.66%；等位系群体100%植株表现披针叶形，多四粒荚，单株四粒荚数的比例为13.12%；汾阳试验基地重组自交系群体89.5%植株表现椭圆叶形，多四粒荚，单株四粒荚数的比例为10.12%；等位系群体100%植株上表现披针叶形，多四粒荚，单株四粒荚数的比例为9.75%。

图1 叶形划分标准Fig.1 Leaf shape division standard

2.2 叶形控制基因Ln 的重测序

对重组自交系和等位系高代群体进行基因型鉴定，分别提取汾豆96、椭圆叶形无四粒荚姐妹系-1 和披针叶形多四粒荚姐妹系-2 的基因组DNA，设计引物扩增控制叶形的Ln基因，把片段连接pEASY-T1 载体，转化大肠杆菌后，选取10个阳性克隆进行测序，以去除因扩增引入的突变。

由图2 可以看出，椭圆叶形的汾豆96 和姐妹系-1 与披针叶形的姐妹系-2，存在一个碱基的突变，该突变造成Asp（GAT）突变为His（CAT），说明该位点决定了大豆品系叶形，这和已发表的研究结果一致。由于我们的重组自交系为椭圆叶形、多四粒荚群体，因此推测可能存在其他位点的单碱基多态性调控大豆的荚粒数，这也需要进一步更深入研究（图2）。

图2 不同叶形Ln 基因扩增测序Fig.2 Amplification and sequencing of Ln genes in different leaf shapes

2.3 遗传群体的聚类分析

用数据分析软件SPSS25.0 将60 个多四粒荚材料进行系统聚类（图3），在OD=14 处，可将其分为三类。第一类为平均单株荚数达到274.23 个、7 551.45 kg·hm-2的超高产类型5 份，其中2 份披针叶形和3 份椭圆叶形；第二类为总荚数小于100个、6 346.5 kg·hm-2的中高产量类型29 份，其中10份披针叶形和19 份椭圆叶形又分别聚成2 个亚类；第三类为平均单株荚数达到41.21 个、1 687.8 kg·hm-2的低产类型23 份，均为披针叶形。

2.3.1 60 个多四粒荚大豆材料的主要农艺性状分析

大豆遗传群体不同类型间，产量相关性状中总粒数差距最大，高达800.768 粒，总荚数差距次之，高达357.178 个，单株产量相差187.698 g。超高产类型表现为矮杆、多主茎节数、短节间、多分枝和多荚粒特性（表1）。

2.3.2 灰色关联度分析

不同大豆遗传群体家系产量与主要农艺性状的灰色关联系数（表2）。

2.3.3 主要农艺性状与产量性状的关联度与关联序

关联系数是比较数列与参考数列在各个时刻的关联程度值，所以它的数不止一个，而程度值过于分散不便于进行整体性比较。因此有必要将各个时刻的关联系数集中为一个值，作为比较数列与参考数列间关联程度的数量表示，即关联度ri（表3）。由表3 结果可见，多四粒荚材料产量与各性状的关联度大小顺序依次为：茎杆的重量＞单株重量＞荚粒重＞茎粗＞分枝数＞总荚数＞三粒荚数＞株高＞百粒重＞总粒数＞二粒荚数＞四粒荚数＞一粒荚数＞底荚高度＞主茎节数。依照关联分析原则，关联度大的数列与产量的关系最为密切，关联度小的数列与产量的关系则较远。由分析可知，生物产量（茎杆重量和单株重量）与产量的关联度最大（r=0.544 4和r=0.542 3），其次为荚粒重（r=0.541 9），第3为茎粗（r=0.541 6）。生物产量代表地上地下大豆植株的总量，荚粒重代表荚粒性状的总量，茎粗则代表要有良好的抗倒伏性。

2.4 不同叶形大豆群体四粒荚与单株荚数、茎粗和单株粒重的关系

椭圆叶形四粒荚遗传群体，其单株荚数、茎粗和单株产量均随四粒荚数的增加呈增涨趋势，椭圆叶形多四粒荚品种的选育有助于群体产量提升，是获得高产、超高产的有效途径（图4）。披针叶型四粒荚遗传群体，其单株荚数、茎粗和单株产量均随四粒荚数的增加呈降低趋势，披针叶型多四粒荚品种提升群体产量效果不明显，影响它产量的主要农艺性状不在于四粒荚的提升，可能与我们试验条件比较干旱有关（图5）。

3 讨论

大豆多荚粒性状一直是高产、超高产关注的焦点，而四粒荚通常与披针叶连锁，该性状（我国）受地域和环境的影响，椭圆或卵圆形叶的大豆品种，其荚粒性状大多表现为一粒荚、二粒荚居多，三粒荚数量次之，四粒荚的数量少。本文涉及的两个遗传群体，群体内单株存在四粒荚的比率高，三粒和四粒豆荚占总荚数的50%以上，尤其椭圆叶形群体，不同环境条件下群体单株存在四粒荚的比率基本不变，只是条件干旱时数量略微减少，具有稳定的遗传性。利用椭圆叶形、多四粒荚群体作为试验材料，我们发现一个碱基的突变，该突变造成Asp（GAT）突变为His（CAT），与陈磊［27］发现的叶形SNP 相同。椭圆叶形背景下，四粒荚数量稳定遗传，调控大豆四粒荚的基因位点正在进一步研究。

大豆多四粒荚遗传群体聚类分析结果显示，不同叶形材料聚在一起，即使在同一产量水平的一个大类中，比如第二类为29 份总荚数小于100个，平均折合亩产423.17 kg 的中高产类型，其中10 份披针叶形和19 份椭圆叶形又分别单另聚在一起，成为2 个亚类，而不是混合聚在一起，聚类结果符合田间表型鉴定的试验结果，与当初试验设想吻合。披针叶形多四粒荚材料可能很多，但对于产量突破有很多限制因素，尤其对于干旱地区。遗传群体叶形和四粒荚稳定遗传，属于原创材料的突破和创新。

遗传群体灰色关联分析：灰色关联分析方法在大豆高产育种中主要数量性状选择上的应用，能对品种（系）多性状综合评估，并把田间宏观观察与室内考种得到的微观数据资料结合起来，使育种材料的决选更加数量化。通过灰色关联分析，找出制约大豆产量的主导因子，为选育高产大豆品种提供重要的依据。大豆多四粒荚群体产量与各性状的关联度大小排序为：茎杆重量＞单株重量＞荚粒重＞茎粗＞分枝数＞总荚数。茎秆重量与产量的关联度最大（r=0.544 4），其次为单株重量（r=0.542 3），第三为荚粒重（r=0.541 9），第四为茎粗（r=0.541 6），第五分枝数（r=0.526 6）、第六为总荚数（r=0.526 2）。本文遗传群体构建和产量评价，考虑了机械化收获的因素，更注重些荚粒性状、抗倒性和生物产量对收获产量的影响。

遗传群体相关性分析：椭圆叶形和披针叶形多四粒荚大豆群体的产量与生物产量、荚粒性状、茎粗、主茎节数、分枝数极显著正相关。椭圆叶形群体四粒荚数与单株重量、茎粗、主茎节数、分枝数和三粒荚数呈极显著正相关，而披针叶形群体四粒荚表现相关性不显著，甚至有微弱不显著的负相关。这个结果与郝瑞莲单株荚数和单株粒数与产量密切相关的研究结果相同，与张海泉、王秋玲、彭姜龙、童燕等单株荚数和粒数对产量贡献较大的研究结论相同［28～31］，与薛红等研究结果不一致［32］。试验条件和考种项目的不同，可能导致相关性结果不尽相同。本研究结论表明，遗传群体的抗逆能力可能影响四粒荚和产量的相关性。

不同叶形的2 个遗传群体，其单株产量随四粒荚数的增加，呈现的趋势不同，这应该与试验条件比较干旱有关，揭示椭圆叶形群体的抗旱性比披针叶形群体好。披针叶形遗传群体单株产量随四粒荚增加会下降，其叶形虽然与大豆四粒荚基因连锁，但在干旱条件下，可能对产量的提升起不到关键作用，生物产量、株高、分枝数等影响会更大些。椭圆叶形的四粒荚连锁基因的挖掘，对多荚粒大豆抗旱育种可能会有重要意义。育种选择时应根据结荚习性不同而有所侧重，亚有限生长型，本身无分枝或极少，应选择单株荚数多且3、4 粒荚多的单株；无限生长型，不能盲目的选择多分枝的单株，应选择分枝数在2～3 个为宜［33］。研究表明，多四粒荚群体大豆产量与生物产量、荚粒性状、大豆株型和抗倒伏性密切相关，提高荚粒比，增加三、四粒荚对大豆产量突破很有帮助。选择茎秆粗壮、多荚粒、株型收敛的抗倒伏类型，不仅是高产、超高产育种的有效途径，也是适应机械化收获的必然要求。

图3 基于多四粒荚的60 份大豆品种（系）树状聚类图Fig.3 Dendrogram of 60 soybean varieties（lines）based on more of the 4-seed pod

图4 椭圆叶形大豆群体四粒荚数与产量关系Fig.4 Relationship between the number of four pods and yield of oval leaf soybean variety

图5 披针叶形大豆群体四粒荚数与产量关系Fig.5 Relationship between the number of four pods and yield of coniferous soybean variety

表4 两种不同叶形大豆群体产量与农艺性状的总相关性Table 4 Total correlation between yield and agronomic traits of two different leaf-shape soybean populations

4 结论

椭圆叶形四粒荚遗传群体的单株荚数、茎粗和单株产量，均随四粒荚数的增加呈增涨趋势，椭圆叶形多四粒荚品种的选育有助于群体产量提升，是获得高产、超高产的有效途径。披针叶形四粒荚遗传群体，其单株荚数、茎粗和单株产量均随四粒荚数的增加呈降低趋势，披针叶形多四粒荚品种提升群体产量效果不明显，影响它产量的主要农艺性状与四粒荚增减关系不密切，可能与我们试验条件比较干旱有关。椭圆叶形、多四粒荚群体调控大豆荚粒数基因位点的挖掘，对大豆产量的突破具有重要的指导意义。