菊芋有性繁殖特性與人工雜交育種研究

呂世奇，寇一翾，曾 軍，楊 彬，趙長明

(蘭州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

【研究意義】菊芋(Helianthustuberosus)屬于菊科向日葵屬一年生草本植物，起源于北美隨后經(jīng)歐洲傳入中國，菊芋生態(tài)適應(yīng)性強，生長迅速，生物量大,地上部分莖葉營養(yǎng)豐富，可作為家畜的飼料，其地下部分塊莖產(chǎn)量高，富含水溶性膳食纖維菊糖(占塊莖干重的70 %～90 %)[1-4]。菊糖具有低熱、高甜、對人體安全等特點[5]，廣泛應(yīng)用于食品、藥品等領(lǐng)域，已被包括美國在內(nèi)的世界多個國家列為資源性食品。近年來，菊芋亦作為新興經(jīng)濟作物和高密度能源植物，已被生物質(zhì)能源領(lǐng)域以及釀酒工業(yè)用來生產(chǎn)酒精類產(chǎn)品[6-9]。【前人研究進展】目前對菊芋的研究多集中在生理生態(tài)、栽培利用，采后貯藏，成分分析，菊糖提取、食品加工、生物乙醇、飼料利用價值等方面[10-19]。而對于菊芋產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要價值的人工育種工作卻研究甚少，由于菊芋以依賴塊莖的無性繁殖方式為主，其有性生殖存在嚴重的障礙[1]，嚴重限制其種質(zhì)資源利用和遺傳改良工作的開展，使菊芋遺傳改良工作遠遠落后于其他常規(guī)作物[20]。雜交技術(shù)作為遺傳改良的基本手段，可創(chuàng)造豐富的變異，拓寬種質(zhì)資源的遺傳基礎(chǔ)，同時可以促使優(yōu)良性狀的整合、互補，產(chǎn)生優(yōu)異的種質(zhì)材料。因此，全面系統(tǒng)了解菊芋有性繁殖特性及人工雜交育種的可能性，對于菊芋種質(zhì)資源的遺傳改良，培育高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)品種具有重要意義?！颈狙芯壳腥朦c】本文以已收集的國內(nèi)外56份菊芋種質(zhì)材料為研究對象，通過開放授粉、套袋自交、單性結(jié)實等方法研究菊芋有性繁殖特性和人工雜交育種的可能性?！緮M解決的關(guān)鍵問題】研究以期為菊芋人工雜交育種研究提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

根據(jù)塊莖顏色將56份種質(zhì)材料分為白色塊莖，紅色塊莖、棕色塊莖和紫色塊莖4種類型，其中源自中國菊芋種質(zhì)材料38份，日本菊芋種質(zhì)材料1份和歐洲菊芋種質(zhì)材料17份(具體來源及編號見表1)。所有試驗于2011-2012年在蘭州大學(xué)植物種質(zhì)資源圃(35° 56.364′N，104° 09.144′E，Alt: 1746 m)進行。

1.2 試驗方法

1.2.1 開放授粉 在自然條件下使植株自由授粉，種子成熟后，每個種質(zhì)材料選取15株，每株隨機選取5個花序，調(diào)查每個花序的管狀花數(shù)和結(jié)籽數(shù)，以結(jié)籽數(shù)與管狀花數(shù)的比率為結(jié)實率，取平均值為該種質(zhì)材料的開放結(jié)實率。

1.2.2 套袋自交 每個種質(zhì)材料選取15株，每株隨機選取5個未開放花序用硫酸紙袋套袋，所有管狀花雌蕊開始干枯后去掉硫酸紙袋；待種子成熟時統(tǒng)計每個花序的管狀花數(shù)及結(jié)籽數(shù)，以結(jié)籽數(shù)與管狀花數(shù)的比率為結(jié)實率，取平均值為該種質(zhì)材料的套袋自交結(jié)實率。

1.2.3 單性結(jié)實 選取去雄未授粉的花序，記錄去雄管狀花數(shù)后，剪除未開放的管狀花，將花序套入硫酸紙袋，待雌蕊干枯后去掉硫酸紙袋；成熟后，統(tǒng)計結(jié)籽數(shù)。每個種質(zhì)材料隨機統(tǒng)計15株，以結(jié)籽數(shù)與去雄的管狀花數(shù)的比率為結(jié)實率，取其平均值為該種質(zhì)材料的單性結(jié)籽率。

表1 試驗菊芋種質(zhì)材料

注： LZJ001～LZJ017和LZJ035來源于國外；LZJ018～LZJ056(除LZJ035)來源于國內(nèi)。

Note： LZJ001-LZJ017 and LZJ035 were obtained from abroad; LZJ018-LZJ056 (except for LZJ035) were obtained from China.

表2 56份菊芋材料的有性繁殖習(xí)性

1.2.4 人工雜交 選取能夠進行雜交的健康花序，去雄，用剪刀剪除同一花序上未開放的管狀花，授粉后套袋，并記錄授粉管狀花數(shù)，待植株成熟時統(tǒng)計結(jié)籽數(shù)，以結(jié)籽數(shù)與授粉管狀花數(shù)的比率為結(jié)實率，同一組合的所有結(jié)實率的平均值為該組合的雜交結(jié)實率。同理，正反交試驗中，分別選擇不同的種質(zhì)相互作為父本和母本，成熟后統(tǒng)計結(jié)籽率。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft excel 2007進行數(shù)據(jù)計算，SPSS 17.0對雜交試驗和正反交試驗結(jié)果進行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 有性繁殖特性

56份菊芋種質(zhì)材料有性繁殖習(xí)性統(tǒng)計結(jié)果表明(表2)，不同種質(zhì)材料有性繁殖習(xí)性存在明顯差異。套袋自交結(jié)實率變異最大，變異系數(shù)為162.61 %，套袋自交結(jié)實率在0～1.00 %之間，平均值為0.19 %，說明菊芋自交不親和，但自交結(jié)實現(xiàn)象存在；單株花序數(shù)目變異系數(shù)為59.67 %，花序數(shù)在116.40～8.40之間，均值為49.31；開放授粉結(jié)實率變異較大，變異系數(shù)為26.73 %，開放授粉結(jié)實率在0～25.28 %之間，平均值為7.01 %，說明菊芋結(jié)實率比較低且不同品系間差異較大；而管狀花數(shù)變異相對較小，變異系數(shù)為12.19 %，管狀花數(shù)在83.37～57.53之間，均值為69.06；去雄未授粉的單性結(jié)實率均為0，說明菊芋不存在未授粉情況下的單性生殖現(xiàn)象。

2.2 雜交試驗

以LZJ056、LZJ033、LZJ024、LZJ023、LZJ029、LZJ027、LZJ025、LZJ014、LZJ009為母本，以LZJ010、LZJ011、LZJ012、LZJ013為父本的雜交結(jié)果(表3)顯示，以塊莖顏色為紫色與棕色的種質(zhì)材料為母本時，顯示出了較高的雜交結(jié)實率(如LZJ024、LZJ023、LZJ029、LZJ027、LZJ025、LZJ056、LZJ033)，而以塊莖顏色為白色的種質(zhì)材料為母本時雜交結(jié)實率較低(如LZJ014、LZJ009)；以同一種質(zhì)材料為父本，不同種質(zhì)材料為母本時，雜交結(jié)實率的差異主要體現(xiàn)在母本不同塊莖顏色種質(zhì)材料之間(如♀LZJ014×♂LZJ010與♀LZJ024×♂LZJ010，♀LZJ033×♂LZJ011與♀LZJ029×♂LZJ011之間等)，同種塊莖顏色種質(zhì)材料之間差異較小(如♀LZJ014×♂LZJ012與♀LZJ009×♂LZJ012，♀LZJ029×♂LZJ011與♀LZJ027×♂LZJ011之間等)；以同一種質(zhì)材料為母本，不同種質(zhì)材料為父本時，雜交結(jié)實率因雜交父本的不同表現(xiàn)出了較大差異(如♀LZJ056×♂LZJ010與♀LZJ056×♂LZJ013，♀LZJ023×♂LZJ010與♀LZJ023×♂LZJ013之間等)或者差異較小(如♀LZJ056×♂LZJ011與♀LZJ056×♂LZJ012，♀LZJ027×♂LZJ011與♀LZJ027×♂LZJ012之間等)。

對雜交父本、雜交母本的雙因素方差分析顯示，雜交結(jié)實率主要受母本的影響呈極顯著水平(F= 9.014，P< 0.01)；受父母本互作影響亦達到極顯著水平(F= 1.929，P< 0.01)，而受父本的影響不顯著(F= 0.878，P> 0.05)。

2.3 正反交試驗

通過對22種雜交組合結(jié)實率的方差分析(表4)，結(jié)果表明正反交結(jié)實率的差異主要來自正反交試驗組合之間的差異(F= 2.337，P= 0.029 < 0.05)，例如雜交組合1與雜交組合10之間的差異等；對于同一雜交組合受正反交的組合方式的影響不顯著(F= 1.404，P= 0.249 > 0.05)，例如在雜交組合3中，正交組合♀LZJ033×♂LZJ029與反交組合♀LZJ029×♂LZJ033對結(jié)實率的影響較小。

表3 菊芋雜交結(jié)實率

注： ** 表示在0.01水平上差異顯著。

Note： ** indicates the significant difference at 0.01 level.

表4 菊芋正反交結(jié)實率分析

續(xù)表4 Continued table 4

組合編號No. 親本Parents開放結(jié)實率( %)Achene setsof open pollination雜交組合Cross combination母本×父本(♀×♂)雜交花數(shù)Tubular flower numbers結(jié)實率( %)Achene setsof hybridizationLZJ0100.65LZJ010×LZJ0133912.9610LZJ0130.00LZJ013×LZJ014390LZJ0141.36LZJ014×LZJ01340011LZJ0120.27LZJ012×LZJ014380LZJ0141.36LZJ014×LZJ01259012LZJ0120.27LZJ012×LZJ0091080LZJ0090.70LZJ009×LZJ012379013LZJ0090.70LZJ009×LZJ0101770LZJ0100.65LZJ010×LZJ00944014LZJ0211.82LZJ021×LZJ055960LZJ05512.54LZJ055×LZJ021101015LZJ03721.04LZJ037×LZJ01710620.85LZJ01710.90LZJ017×LZJ037144016LZJ03721.04LZJ037×LZJ050700LZJ0504.96LZJ050×LZJ03754017LZJ03721.04LZJ037×LZJ0022000.32LZJ0020.95LZJ002×LZJ03789018LZJ03721.04LZJ037×LZJ004930LZJ0046.60LZJ004×LZJ037127019LZJ0499.66LZJ049×LZJ0371620LZJ03721.04LZJ037×LZJ0491391.8420LZJ0499.66LZJ049×LZJ0551330LZJ05512.54LZJ055×LZJ049131021LZJ03910.20LZJ039×LZJ0072914.22LZJ0075.78LZJ007×LZJ03939022LZJ03910.20LZJ039×LZJ004804.24LZJ0046.60LZJ004×LZJ039850正反交方差分析Variance analysis of reciprocal crosses組合之間Between No. and No.正反交之間Between cross and backcross F value2.337*1.404

注：*表示在0.05水平上差異顯著。

Note：* indicates the significant difference at 0.05 level.

3 討 論

通過不同菊芋種質(zhì)材料的開放授粉、套袋自交授粉和單性結(jié)實試驗結(jié)果表明，菊芋種質(zhì)材料開放授粉結(jié)實率較低，普遍在25 %以下。近緣關(guān)系可能是導(dǎo)致菊芋種質(zhì)材料開放授粉結(jié)實率低下的主要原因之一，產(chǎn)生這種結(jié)果是因為菊芋主要通過無性繁殖傳播，經(jīng)擴增片段長度多態(tài)性(AFLP)分析也表明，所有種質(zhì)材料之間親緣關(guān)系非常近[21]，而且高度自交不親和性導(dǎo)致菊芋結(jié)實率低下。另外，開放授粉結(jié)實率可能與種質(zhì)材料類型有較大的關(guān)系，紫色和棕色塊莖種質(zhì)材料結(jié)實率較高，紅色和白色塊莖種質(zhì)材料結(jié)實率低，大部分不能結(jié)實，可能是因為紫色和棕色塊莖種質(zhì)材料傾向于野生化，而白色和紅色塊莖種質(zhì)材料傾向于經(jīng)過馴化栽培，而很多研究也表明野生種的結(jié)實率高于栽培種[22]。套袋自交的結(jié)果表明，菊芋種質(zhì)材料傾向于自交不親和，但仍有部分材料可以獲得少量的自交種子，說明在菊芋種質(zhì)材料雜交過程中仍需防止花粉污染，確保雜交種子的準確性；同時自交種子的獲得可以用來進行材料性狀分離規(guī)律的研究以及自交對于菊芋遺傳結(jié)構(gòu)的影響等研究。通過去雄但不授粉試驗可以得出，菊芋在不進行授粉條件下不能誘導(dǎo)孤雌生殖，因此可以確定雜交授粉時獲得的種子為雜交種子，為菊芋雜交育種研究的成功和雜交種子的純度提供保證。

雜交試驗結(jié)果表明，菊芋種質(zhì)材料的雜交結(jié)實率變異大，方差分析結(jié)果表明，雜交結(jié)實率主要與母本、父母本互作有關(guān)。另外，雜交結(jié)實率表現(xiàn)出正反交的差異不明顯，正反交結(jié)實率主要受雜交組合方式的影響。就種質(zhì)材料類型來看，紫色塊莖和棕色塊莖種質(zhì)材料雜交結(jié)實率更高，白色塊莖和紅色塊莖種質(zhì)材料結(jié)實率低或接近于零，這主要是由于群體遺傳差異還是氣候或者生育期差異造成的，還需進一步研究。對于結(jié)實率低的原因，Kays and Nottingham[1]解釋為植株本身較高的雄性不育、雜交不親和，由于影響菊芋雜交結(jié)實的因素復(fù)雜多變，需對菊芋種子繁殖規(guī)律做進一步研究，以了解開放結(jié)實低的原因，尋找雜交結(jié)實關(guān)鍵限制因素，為菊芋遺傳改良提供技術(shù)支撐。

通過菊芋雜交試驗的結(jié)果得出，雜交結(jié)實率主要與母本、父母本互作有關(guān)，因此雜交育種時應(yīng)注重母本的選擇，利用具有某一優(yōu)良性狀的父本進行雜交，以獲得雜交種子，從而集中多種優(yōu)良性狀。本試驗得出能夠考慮作為優(yōu)良的高雜交結(jié)實率的雜交母本包括，白色塊莖種質(zhì)材料的雜交母本：LZJ039、LZJ010、LZJ037；紫色塊莖種質(zhì)材料的雜交母本：LZJ032、LZJ029；棕色塊莖種質(zhì)材料的雜交母本：LZJ033、LZJ026、LZJ031、LZJ056。

4 結(jié) 論

本研究表明菊芋開放結(jié)實率較低，無單性生殖現(xiàn)象，并且傾向于自交不親和；雜交結(jié)實率主要受母本和父母本互作影響；以紫色和棕色塊莖群體為母本時表現(xiàn)出較高的雜交結(jié)實率；在雜交育種中應(yīng)該注重母本的選擇，篩選出LZJ039、LZJ010、LZJ037、LZJ032、LZJ029、LZJ033、LZJ026、LZJ031、LZJ056等9份種質(zhì)材料作為高結(jié)實率的雜交母本。從而為菊芋雜交育種研究提供新的理論依據(jù)，加快菊芋種質(zhì)資源創(chuàng)新和新品種培育進程。