白芥自交不親和性狀遺傳變異類型初步研究

范 惠 玲 白 生 文

（1.河西學(xué)院農(nóng)業(yè)與生態(tài)工程學(xué)院；2.河西學(xué)院生命科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 張掖 734000）

白芥（S.alba）屬十字花科白芥屬植物，能高抗十字花科植物多種病蟲害［1］，也能抗高溫及干旱脅迫［2］，是十字花科植物育種的優(yōu)良種質(zhì)資源.白芥籽具有鎮(zhèn)咳［3］、抗炎［4］、抗衰老［5］、抗皮膚?。?］、防治高血壓［7］等生理功能，在臨床上有重要應(yīng)用價值.近年來有關(guān)白芥的研究報道，主要集中在以下4個方面：（1）白芥離體快繁體系的建立［8］；（2）白芥葉片總RNA提取方法的比較研究［9］；（3）白芥與油菜體細(xì)胞遠(yuǎn)緣雜交研究［10］；（4）白芥優(yōu)良性狀研究進(jìn)展［11］.而針對白芥自交不親和性遺傳變異類型的研究比較少.

自交不親和植物的自交親和性研究在被子植物［12］繁殖生物學(xué)上具有重要的意義：（1）自交親和性可減輕或消除自交對自交不親和植物的不利影響，提高自交的效果；（2）通過自交，控制不良性狀的隱性基因或隱性致死和半致死基因得以純合并表現(xiàn)出來被淘汰，有益基因得以保留和累積，使有利基因型的頻率增加，又不使自交衰退產(chǎn)生；（3）便于選育優(yōu)良自交系，組配優(yōu)良雜交種［13］，同時自交親和性對促進(jìn)種間親和性有良好的作用；（4）自交親和材料也是研究花粉-雌蕊互作機(jī)制，植物進(jìn)化與演化的重要材料.鑒于此，本研究以20份白芥為材料，通過套袋自交，剝蕾授粉和開放授粉的方法，根據(jù)結(jié)籽數(shù)和處理花蕾數(shù)計算自交親和指數(shù)以及相對親和指數(shù)，對不同白芥材料進(jìn)行自交親和性變異分析，按親和性強(qiáng)弱進(jìn)行分類，挑選出自交親和性材料，為將來利用這一寶貴的種質(zhì)資源，提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 試驗材料

參試材料共20份，全部為白芥（表1）.所有參試材料均由河西學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院農(nóng)學(xué)教研室提供.

表1 研究材料名稱及來源地Table 1 The name of materials and their origins

1.2 田間試驗方法

試驗于2015～2016連續(xù)兩年在河西學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院教學(xué)科研示范園區(qū)進(jìn)行.試驗按順序排列，每份材料1行，行長3m，株距25cm，留苗10株.花期每份材料選生長健壯的單株，每個單株上任選三個一級分枝，一個用以套袋自交，一個用以剝蕾自交，每株套10個花蕾，第三個自然條件下雜交授粉，每個分枝掛牌標(biāo)記.套袋12～15d后，待全部花朵花瓣脫落時可脫去紙袋，成熟期單獨收獲每一個被標(biāo)記分枝上的角果，帶回室內(nèi)統(tǒng)計有效角果數(shù)和每角果中的飽滿籽粒數(shù).

1.3 自交親和性判斷方法和標(biāo)準(zhǔn)

自交親和指數(shù)=自交結(jié)實種子總數(shù)/套袋自交總花蕾數(shù)，相對親和指數(shù)=（剝蕾自交所結(jié)種子數(shù)/角）/（開放授粉所結(jié)種子數(shù)/角，以自交親和指數(shù)大小判斷自交親和性的高、低，親和類型的劃分主要參照陶國華［14］、方智遠(yuǎn)［15］、劉后利等［16］的方法進(jìn)行.自交親和指數(shù)＜1，品系或單株表現(xiàn)自交不親和性；自交親和指數(shù)≥1，品系或單株表現(xiàn)自交親和性.

2 結(jié)果與分析

2.1 白芥品種（系）間自交不親和性的變異類型

研究表明，不同白芥品系的自交不親和性差異較大，親和指數(shù)在0.00～5.71之間變化（表2）.根據(jù)自交親和性的判斷標(biāo)準(zhǔn)［16］，在所研究的白芥中存在著自交不親和的類型，同時也存在自交親和性的基因型群體.

按照自交親和指數(shù)≥1.00者屬自交親和、自交親和指數(shù)＜1.00者為自交不親和的標(biāo)準(zhǔn)，可將參試材料劃分為兩大類：即自交親和類型與自交不親和類型.在所研究的20個品系中，屬于自交親和類型的品系共有11個，分別是1、2、5等.無論自交不親和類型還是自交親和類型，不同品系之間自交親和性差異較大，如在自交親和類型中自交親和指數(shù)介于1.00～2.99 之間的品系有7 個，表現(xiàn)中等自交親和性；自交親和指數(shù)≥3.00的品系有4個，表現(xiàn)高度自交親和性；而在自交不親和類型中，自交親和指數(shù)大于0.00而小于1.00的品系有8個，表現(xiàn)中等自交不親和性；自交親和指數(shù)等于0.00的品種有1個，表現(xiàn)高度自交不親和性.

依據(jù)本研究結(jié)果，可將參試材料分為4種類型（表2）：（1）高自交不親和類型（自交親和指數(shù)=0.00）；（2）自交不親和類型（0.00＜自交親和指數(shù)＜0.99）；（3）自交親和類型（1.00≤自交親和指數(shù)＜2.99）；（4）高自交親和類型（自交親和指數(shù)≥3.00）.

2.2 白芥品種（系）內(nèi)個體間自交不親和性的差異

白芥的自交不親和程度不僅因品系而呈現(xiàn)較大差異，即使在同一品系內(nèi)個體間自交不親和性也存在較大變異.研究表明，自交親和性較差的品系內(nèi)存在自交親和的單株（表3，圖版I）；相應(yīng)地，在自交親和性較強(qiáng)的品系內(nèi)，自交親和性也存在較大差異（表4，圖版I）.如自交不親和類型的品系13，平均自交親和指數(shù)為0.70，套袋自交的8個單株中，有2株表現(xiàn)自交親和，1株其自交親和指數(shù)為3.80，表現(xiàn)高度自交親和性；自交不親和類型的品系19，平均自交親和指數(shù)為0.88，套袋自交的9個單株中，有3株表現(xiàn)親和性，其中自交親和單株占群體的33%；屬于自交親和類型的品系17，群體內(nèi)88%植株表現(xiàn)自交親和，自交親和指數(shù)為0.00～4.40，平均自交親和指數(shù)高達(dá)2.79，個體間自交親和性強(qiáng)弱差異亦較大，9個單株中4個自交親和指數(shù)大于3，屬于高自交親和類型，1株自交親和性指數(shù)小于1，表現(xiàn)自交不親和；屬于自交親和類型的品系18，自交親和指數(shù)為0.00～4.60，群體內(nèi)75%植株表現(xiàn)自交親和，6株表現(xiàn)為自交親和性，其中3株為高自交親和株.總的趨勢是，群體自交親和指數(shù)越高的材料，自交親和的個體越多，也就是自交親和個體出現(xiàn)的頻率越高；而群體自交親和指數(shù)低的材料中自交親和的個體亦少.由此可見，就自交親和系的選育來講，在群體自交親和性高的材料中選擇可能易篩選出自交親和性高的基因型，效率亦較高.

表3 自交親和指數(shù)介于0-0.99之間的9個白芥品種（系）內(nèi)個體間自交親和指數(shù)的差異Table 3 Difference in self-compatibility index among plants within 9 self-incompatible cultivars

表4 11個自交親和白芥品種（系）內(nèi)自交親和個體的分布Table 4 Distribution of self-compatibility plants from11 self-compatible cultivars

圖版I 白芥不同單株間自交親和指數(shù)變化差異Figure I Variation of compatibility index in White mustard No.13，19，17 and 18

2.3 白芥不同品種（系）間剝蕾自交親和性和相對親和性的差異

從剝蕾自交的親和指數(shù)來分析，在所研究的所有品（種）系中，親和指數(shù)＜1.00 的品種（系）有9 個，占45%，＞1.00的品種（系）有11個，占55%（表5），剝蕾自交后親和指數(shù)的平均值為1.16.同時，從相對親和指數(shù)來看，相對親和指數(shù)＞1.00的白芥品種（系）只有1個，9個品種（系）的相對親和指數(shù)小于0.5.另外，圖版II 所示，開放授粉結(jié)角數(shù)和結(jié)籽數(shù)明顯大于剝蕾授粉的結(jié)角數(shù)和結(jié)籽數(shù)，通過早期剝蕾授粉，得到的自交種子極少.這些結(jié)果均表明，采用早期剝蕾授粉技術(shù)雖可改善白芥品種（系）的自交不親和情況，但效果不太明顯.

表5 白芥不同品種（系）剝蕾自交親和指數(shù)和相對親和指數(shù)Table 5 Compatibility index by bud-pollination and relative compatibility index among different materials

圖版II 白芥不同品種（系）剝蕾自交和開放授粉結(jié)角數(shù)和結(jié)籽數(shù)A：14白芥3-1，左：剝蕾授粉結(jié)角數(shù)，右：開放授粉結(jié)角數(shù)；B：13白芥18-2，左：開放授粉結(jié)角數(shù)，右：剝蕾授粉結(jié)角數(shù)C：13白芥13-6，左：剝蕾授粉結(jié)角數(shù)，右：開放授粉結(jié)角數(shù)；D：14白芥12-1，左：剝蕾授粉結(jié)角數(shù)，右：開放授粉結(jié)角數(shù)E：13白芥15-5，左：開放授粉結(jié)籽數(shù)，右：剝蕾授粉結(jié)籽數(shù)；F：13白芥21-4，左：開放授粉結(jié)籽數(shù)，右：剝蕾授粉結(jié)籽數(shù)Figure II.The number of pods and seeds by bud-pollinated and open-pollinated in different S.albaA：14 white mustard 3-1，Left：Pods by bud-pollinated，Right：Pods by open-pollinated；B：13 white mustard18-2，Left：Pods by open-pollinated；Right：Pods by bud-pollinated；C：13 white mustard 13-6，Left：Pods by bud-pollinated，Right：Pods by open-pollinated；D：14 white mustard 12-1，Left：Pods by bud-pollinated，Right：Pods by open-pollinated；E：13 white mustard 15-5，Left：Seeds by open-pollinated；Right：Seeds by bud-pollinated；F：13 white mustard 21-4，Left：Seeds by open-pollinated；Right：Seeds by bud-pollinated.

3 結(jié)論與討論

20份不同來源的材料中，套袋自交親和指數(shù)≤1的品種（系）有9個，＞1的品種（系）11個，其中只有4個品種（系）的親和指數(shù)＞3.從剝蕾自交的親和指數(shù)來分析，親和指數(shù)＜1的品種（系）有9個，占45%，＞1.00的品種（系）有11個，占55%.從相對親和指數(shù)來看，白芥品種（系）的相對親和指數(shù)＞1.00的品系只有1個.在十字花科的其它植物，如白菜型油菜中，剝蕾授粉的親和指數(shù)與開放授粉接近［17］.這說明通過剝蕾授粉技術(shù)，并不能明顯改善白芥的自交不親和性.

三系統(tǒng)分類法常被用來研究植物的自交親和性變異情況：自交不親和類型、自交親和類型和高自交親和類型.本研究表明，白芥的自交不親和性存在廣泛變異.參試材料的自交親和指數(shù)、結(jié)角率差異較大，套袋自交親和指數(shù)介于0.00～5.71之間.依據(jù)本研究結(jié)果，可將參試材料分為4種類型：高自交親和類型、自交親和類型、自交不親和類型和高自交不親和類型.孫萬倉［17］根據(jù)自交親和指數(shù)的大小，將85份白菜型油菜也劃分成上述四種類型.白芥、蕓芥和白菜型油菜，三者是十字花科近緣植物，且都表現(xiàn)高度自交不親和性狀，本研究證明這三種植物的自交親和性分類系統(tǒng)也是一致的.

自交不親和的白芥由于長期異花授粉，使其群體為一個由不同基因型個體組成的雜合群體，產(chǎn)量潛力有限.就產(chǎn)量改善而言，提高這類作物的產(chǎn)量水平的有效途徑是通過培育自交系來利用雜種優(yōu)勢，而自交系的選育面臨著自交不親和與自交衰退兩大難題，因此，研究白芥的自交親和性將對提高產(chǎn)量有很大幫助.白芥多數(shù)品種（系）屬自交不親和類型，但也存在自交親和性較強(qiáng)的品種群體，尤其是2、5、7和11這四個白芥品種（系）中分布著較高頻率的自交親和基因.因此在這些品種（系）內(nèi)可篩選出自交親和的材料，從而可育成白芥自交系用于雜種優(yōu)勢研究，進(jìn)一步挖掘白芥品種（系）的生產(chǎn)潛力.

為了盡早鑒定作物品種的自交親和性，可采用花粉管數(shù)量統(tǒng)計法.Seavey 和Bawa［18］研究發(fā)現(xiàn)，有些情況下花粉管數(shù)量符合自交親和的標(biāo)準(zhǔn)，但結(jié)籽數(shù)很低.Kodad 和Socias［19］認(rèn)為，這種現(xiàn)象與自交不親和的延遲因素有關(guān)，主要包括花粉管到達(dá)胚珠前的抑制作用、胚珠的受精前抑制作用和合子后排斥作用等.本研究中，筆者應(yīng)用套袋自交方法判斷蕓芥的自交親和性，該方法可避免上述延遲因素對準(zhǔn)確判斷自交親和性的影響，這與劉后利［16］的報道結(jié)果一致.Sun等［20］研究發(fā)現(xiàn)，利用化學(xué)藥劑處理柱頭或花粉，可使一個自交不親和系變成自交親和系，但自交親和性狀是暫時的，即只在處理的當(dāng)代表現(xiàn)，在育種過程中需要用藥劑再次處理后代單株其才能表現(xiàn)親和性狀.另外，控制蕓薹屬植物自交親和性的部分基因已被克隆和測序［21，22］，因此利用基因工程技術(shù)也可培育出自交親和系.本研究結(jié)果表明，采用套袋自交法同樣能選育出自交親和性穩(wěn)定的品系，且該方法不僅方便而且經(jīng)濟(jì)實用.