新种质资源的鉴定及其生理特性研究，以培育耐热大豆品种

《Crop Science》：Identification of new germplasm sources and physiological traits for breeding heat-tolerant soybean varieties

大豆耐热性重组自交系群体田间试验表明，RIL 22、26、38、54、78、115在叶绿素指数（SPAD）、光合效率（Fv/Fm）、生物量积累、种子数及产量等指标上显著优于感热亲本DT97-4290，其中生物量遗传力（H2=0.48）最高，为耐热育种核心选择指标。耐热种质通过维持光合活性、减少膜脂过氧化（MDA含量低）及花粉活力（>80%）协同提升产量，为开发高温胁迫下适应品种提供了新资源。

　　
### 大豆耐热性研究：基于重组自交系种群（RIL）的生理与产量性状分析

#### **摘要**
本研究旨在通过生理性状和产量性状评估大豆重组自交系种群（RIL）的耐热性，并筛选可用于育种的理想品系。材料为DS25-1（耐热亲本）与DT97-4290（感热亲本）杂交育成的192个RIL品系，以及12个验证品种。田间试验于2022-2023年在南卡罗来纳州佩德伦顿进行，通过覆盖遮阳棚模拟高温胁迫（38-42℃持续4小时以上）。结果显示，RIL品系22、26、38、54、78、115表现出显著耐热性，而174、182、192则表现为感热。耐热品系在叶绿素指数、光合效率、地上生物量及产量等关键性状上优于亲本。研究还发现，地上生物量遗传力最高（H2=0.48），可作为耐热性选育的核心指标。此外，耐热品系在高温胁迫后仍能保持叶绿素含量稳定，表明其具备恢复能力。

#### **引言**
大豆作为全球重要的食用油和蛋白质来源，其产量受高温胁迫严重影响。当前育种面临三大瓶颈：遗传多样性不足、缺乏高效选育指标、耐热机制不明确。本研究基于DS25-1（耐热）与DT97-4290（感热）的RIL种群，通过多性状综合评价筛选耐热基因型，为育种提供资源。

#### **材料与方法**
1. **实验材料**
- RIL品系：192个（F?代），由DS25-1与DT97-4290杂交培育。
- 验证品种：12个（包括耐热品种Osage、SC18-8005等，感热品种LD00-3309等）。
- 种质特性：DS25-1为PI 587982A与DT98-9102的杂交后代，DT97-4290为抗病与感热品系。

2. **田间试验设计**
- **试验地点**：南卡罗来纳州佩德伦顿（海拔260米），2022-2023年连续两年试验。
- **高温处理**：在开花（R2期）至鼓粒（R4期）期间，使用遮阳棚覆盖单行小区，模拟日间38-42℃高温（持续14天）。
- **重复与统计**：4次重复，采用混合线性模型（GLIMMIX）分析，校正环境批次效应后进行聚类分析（Ward法）和主成分分析（PCA）。

3. **关键性状测定**
- **叶绿素指数与荧光**：SPAD仪测量第三片真叶，TTC染色法评估花粉活力。
- **光合作用**：2023年使用Li-Cor 6400/6800系统测定光抑制反应。
- **膜脂氧化**：硫代巴比妥酸（TBA）法测定MDA含量。
- **生物量与产量**：收获期（R8期）称量地上生物量，统计百粒重与单株粒数。

#### **研究结果**
1. **耐热与感热品系筛选**
- **耐热品系**（22、26、38、54、78、115）：
- 高温下叶绿素指数稳定（SPAD值≥42），光合速率达15-28 μmol·m?2·s?1。
- 地上生物量显著高于感热品系（2022年平均209 g·m?2 vs. 174 g·m?2）。
- 百粒重（12-19 g）与单株粒数（391-2646粒）优势明显。
- **感热品系**（174、182、192）：
- 高温下叶绿素流失快（SPAD值≤26），光合速率下降50%以上。
- 地上生物量低（2023年平均449 g·m?2），百粒重仅5-8 g。

2. **关键性状关联性分析**
- **光合作用与产量**：耐热品系光合速率与产量呈正相关（r=0.21-0.89）。
- **花粉活力与结实率**：78号品系花粉活力达86%，对应单株粒数增加40%。
- **膜脂氧化与胁迫恢复**：耐热品系MDA含量低于感热品系30%，且叶绿素指数高温后7天恢复率达80%以上。

3. **遗传力评估**
- 地上生物量遗传力最高（H2=0.48），其次是百粒重（H2=0.29）和单株粒数（H2=0.30）。
- 光合效率遗传力较低（H2=0.14），可能与环境干扰有关。

#### **讨论**
1. **耐热机制解析**
- **光合系统保护**：耐热品系通过维持叶绿素（SPAD值高15-20%）和光合系统II效率（Fv/Fm≥0.8），减少光抑制。
- **氧化损伤调控**：MDA含量低（<100 nM·g?1·FW?1）表明膜脂氧化损伤轻微，可能与抗氧化酶活性增强相关。
- **源库平衡优化**：高地上生物量（>400 g·m?2）促进光合产物向籽粒分配，单株粒数增加与耐热性呈正相关（r=0.69-0.80）。

2. **育种策略建议**
- **核心选育性状**：优先选择地上生物量、百粒重及单株粒数，其次为叶绿素荧光参数。
- **资源整合**：耐热品系22、38等可引入现有育种体系，结合分子标记（如参考基因组W82）加速育种进程。
- **多胁迫协同**：部分耐热品系（如SC18-8005）兼具抗旱特性，适合复合胁迫环境。

3. **研究局限性**
- **环境异质性**：2023年因极端天气导致部分重复试验中断，需扩大样本量。
- **发育阶段偏差**：部分品系因开花期差异导致高温处理时间不均，建议采用分期播种校正。

#### **结论**
本研究鉴定了DS25-1×DT97-4290 RIL种群中6个耐热品系（22、26、38、54、78、115），其耐热性通过叶绿素稳定、光合效率维持及生物量积累实现。地上生物量遗传力高（0.48），可作为高效选育指标。新获得的耐热种质资源与多性状关联模型为大豆抗逆育种提供了理论依据与实践工具。未来研究需结合基因组学解析耐热基因位点，并优化田间试验设计以减少环境干扰。

#### **作者贡献**
- **Shelby Hammond**：数据整理、统计分析与图表绘制。
- **Malarvizhi Sathasivam**：实验设计、生理指标测定与论文撰写。
- **Benjamin Fallen**：项目统筹与资源协调。
- **James Smith**：遗传数据提供与育种策略制定。
- **William C. Bridges Jr**：方法学验证与论文修订。
- **Sachin Rustgi**：研究资金支持与学术指导。
- **Sruthi Narayanan**：项目主导、论文统筹及最终审核。

#### **致谢**
感谢Clemson大学作物改良团队的技术支持，以及David Robb和Thomas Rapp在遮阳棚搭建中的协助。特别致谢实验室成员（包括Ricardo St. Aime、Danyang Liu等）在数据采集中的贡献。本研究受美国农业部NIFA AFRI项目（2022-67013-36173）资助。