苜蓿雄性不育系雜交組配組合光合生理特性及雜種遺傳力研究

烏云塔娜, , , ,

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院, 內(nèi)蒙古 呼和浩特010019)

光合作用是植物生長(zhǎng)發(fā)育的基礎(chǔ)，是植物體內(nèi)碳元素來(lái)源的重要途徑[1-2]，同時(shí)也是提高植物株產(chǎn)量的生理基礎(chǔ)之一。植物個(gè)體與群體的光合作用最終決定植株的生長(zhǎng)發(fā)育特性和產(chǎn)量品質(zhì)各項(xiàng)指標(biāo)的形成[3]，也是光合作用研究一直廣泛受重視的原因。光合作用是在一定的天氣條件下，植物的各生理生態(tài)元素綜合效應(yīng)的最終體現(xiàn)[4-6]，作物中90%(95%的干物質(zhì)來(lái)自于光合作用的產(chǎn)物[7]。因此，光合作用的結(jié)果是分析植株產(chǎn)量限制因素的重要依據(jù)之一[8]。光合作用中的許多生理生化性狀均在不同程度上表現(xiàn)出雜種優(yōu)勢(shì)。

雜種遺傳力是指應(yīng)用于雜交群體某性狀的遺傳力，其大小隨著雜交次數(shù)的增加而增加。吳仲賢[9]的“雜種優(yōu)勢(shì)的遺傳力理論(HTH)”，以計(jì)算雜種遺傳力與雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng)，對(duì)雜交育種中的問(wèn)題和預(yù)測(cè)純系品種雜交的后果進(jìn)行了解釋。雜種遺傳力作為一個(gè)新的遺傳參數(shù)，其變異范圍是0～1，與重復(fù)力、遺傳力、遺傳相關(guān)這3個(gè)純系育種的參數(shù)并列為第4個(gè)遺傳參數(shù)。該理論的實(shí)踐意義在于，只需一個(gè)世代即可估計(jì)雜種遺傳力，比純系育種節(jié)省了50%的時(shí)間及人力與物力；與盲目雜交相比，可以節(jié)省50%的投入。

本研究通過(guò)分析測(cè)定苜蓿(Medicagosativa)雄性不育系組配出的強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合的光合生理特性和雜種遺傳力，研究光合特性和雜種遺傳力與雜種優(yōu)勢(shì)間的相關(guān)性，為苜蓿育種中雜交組配出更多高產(chǎn)、高抗的強(qiáng)優(yōu)勢(shì)雜交組合提供重要的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

本研究在中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所國(guó)家多年生牧草種質(zhì)資源圃進(jìn)行。研究區(qū)域位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市西南約27 km的土默特左旗沙爾沁鄉(xiāng)，地處大青山南麓的土默川平原。地理坐標(biāo)為東經(jīng)111°45′，北緯40°36′，海拔1 065 m，屬中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候。其主要?dú)夂蛱卣魇墙涤炅可?，蒸發(fā)量大，冬季漫長(zhǎng)嚴(yán)寒，夏季短暫炎熱。年平均氣溫5.6℃，7月份極端最高氣溫為37.3℃，1月份極端最低溫度為-32.8℃，年均日照2 876.6 h，≥10℃的活動(dòng)積溫在2 700℃以上。無(wú)霜期約130 d，初霜期出現(xiàn)在9月中旬，終霜期出現(xiàn)在5月中旬。年均蒸發(fā)量1 870.3 mm，降水量400 mm左右，主要集中在7，8，9三個(gè)月。土壤類(lèi)型為砂壤土，pH 8.5左右，有機(jī)質(zhì)平均含量為0.6%，肥力中等，具備灌溉條件，栽培管理同大田。

以6個(gè)苜蓿雄性不育系為母本(表1)，選擇14個(gè)具有突出優(yōu)良性狀的品種為父本(表2)，采用不完全雙列雜交(NCⅡ)設(shè)計(jì)配制84個(gè)雜交組合，以雜交組合配合力聚類(lèi)分析結(jié)果和雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為基礎(chǔ)，從強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合中選擇具有代表性的7個(gè)雜交組合及其親本進(jìn)行光合特性及雜種遺傳力分析。

1.2 試驗(yàn)方法

現(xiàn)蕾期測(cè)定每單株牧草產(chǎn)量(干草產(chǎn)量)、株高、分枝數(shù)等主要農(nóng)藝性狀，以牧草產(chǎn)量計(jì)算其雜種遺傳力，并預(yù)算各雜交組合的雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng)和雜種遺傳力。

1.2.1光合生理特性測(cè)定 于苜蓿分枝期，選擇天氣晴朗的一天，在7:30—19:30間每隔3小時(shí)選擇生長(zhǎng)發(fā)育良好的植株，各株隨機(jī)取樣5片完整的葉片，連續(xù)3天重復(fù)測(cè)定各雜交組合及其親本的光合生理特性指標(biāo)，取其平均值。測(cè)定的光合特性指標(biāo)包括凈光合速率(Pn)，蒸騰速率(Tr)，葉片水分利用效率(WUE)等。

表1 苜蓿雄性不育系代號(hào)及來(lái)源Table 1 Code of alfalfa male sterile line and source

注：2(5)表示Ms-4×草原1號(hào)雜花苜蓿后代中選育的第5株不育株，4(3)表示Ms-4×(Ms-4×新疆大葉苜蓿)后代中選育的第3株不育株

Note：2(5) represents the fifth sterility strain of ms-4 ×MedicagovariaMartin‘Caoyuan No.1’and 4(3) represents the third sterility strain of ms-4 ×(ms-4 ×M.sativa‘Xinjiang Daye’)

表2 父本材料代號(hào)及品種Table 2 Code name of male parent material and variety

1.2.2雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng) 中親優(yōu)勢(shì)(%)= (F1-MP)/MP×100%；式中MP表示雙親產(chǎn)量性狀表型的平均值。雜種遺傳力計(jì)算：按照吳仲賢提供的公式[10]，對(duì)雜交組合在第一茬干草產(chǎn)量的表現(xiàn)進(jìn)行雜種遺傳力的計(jì)算分析。從雜種優(yōu)勢(shì)的定義出發(fā)：

H = F1 -MP，

其中, H =雜種優(yōu)勢(shì), F1 為雜種一代, MP 為親本平均數(shù)或中親。由一個(gè)二項(xiàng)分布隨機(jī)變數(shù)及其推廣至多項(xiàng)分布推導(dǎo)出雜種優(yōu)勢(shì)的公式：

VF1= Na2/2 +Nd2/4+VI(F1)

加性 顯性 F1 上位

VMP= Na2/2+VI/2

加性 親代上位

VH= Nd2/4 +VI(F1 )+VI/2

顯性 F1 上位親代上位

在此N =控制性狀的基因數(shù), a =(Pi -Pj) 2 , d =離中親的偏差, 而各方差則如方程底部所列。狹義雜種遺傳力：

χH2=(1/2)N2/VF1

其中, VF1是F1 的方差, N 是控制某個(gè)性狀的基因數(shù)。

雜種優(yōu)勢(shì)率：H .P .=VH/VF1

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2016對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理和圖表繪制，然后用SAS 9.0進(jìn)行處理與方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 雜交組合及其親本凈光合速率(Pn)日變化

各苜蓿雄性不育系以及父本材料的凈光合速率(圖1)均表現(xiàn)為“雙峰”曲線(10:30和16:30)。另外在13:30左右出現(xiàn)了光合“午休”現(xiàn)象，而晚上均較低；其中不育系2號(hào)、10號(hào)以及父本材料I 、II和III的峰值表現(xiàn)均上午高于下午。7個(gè)強(qiáng)優(yōu)勢(shì)雜交組合的日均凈光合速率變化也表現(xiàn)為“雙峰”曲線，峰值也分別出現(xiàn)在10:30和16:30左右，夜晚多為負(fù)值。

圖1 雜交親本及其雜交組合凈光合速率(Pn)日變化Fig.1 Net photosynthetic rate (Pn) change of hybrid parent and Hybrid combination

2.1.1雜交組合凈光合速率中親優(yōu)勢(shì)率表現(xiàn) 由圖2可見(jiàn)，在7個(gè)強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合中， 12×I的日均凈光合速率中親優(yōu)勢(shì)率表現(xiàn)最高且為正值(5.37%)，其他組合均為負(fù)值。

圖2 雜交組合凈光合速率中親優(yōu)勢(shì)率Fig.2 The rate of parental dominance in net photosynthetic rate of hybrid combinations

2.2 雜交組合及其親本蒸騰速率(Tr)日變化

9個(gè)雜交親本的蒸騰速率日變化呈“單峰”曲線，出現(xiàn)峰值和低谷的大小和時(shí)間有明顯差異(圖3)。其中10號(hào)不育系和III、M2父本材料在13:30左右出現(xiàn)高峰值，其余雜交親本的高峰值出現(xiàn)在10:30左右。綜合來(lái)看，13號(hào)不育系的凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)在所有親本中均是最大值。7個(gè)強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合的蒸騰速率日變化也都呈“單峰”曲線，其中2×II，2×III和10×M6等3個(gè)組合的峰值出現(xiàn)在10:30左右，其余組合出現(xiàn)在13:30左右。

圖3 雜交親本及其雜交組合蒸騰速率(Tr)日變化Fig.3 Diurnal change of transpiration rate (Tr) of hybrid parents and their cross combinations change

2.2.1雜交組合蒸騰速率中親優(yōu)勢(shì)率表現(xiàn) 7個(gè)強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合的日均蒸騰速率中親優(yōu)勢(shì)率均表現(xiàn)為負(fù)值(圖4)，其中雜交組合12×III的值顯著高于其它組合(P< 0.05)。

圖4 雜交組合蒸騰速率中親優(yōu)勢(shì)率Fig.4 The rate of parental dominance in the transpiration rate of the hybrid combinations

2.3 雜交組合及其親本葉片水分利用效率(WUE)變化

由圖5表明，2號(hào)、13號(hào)不育系和III號(hào)父本的水分利用效率日變化呈 “雙峰”曲線，峰值出現(xiàn)在每日10:30和16:30。而10號(hào)，12號(hào)不育系和II，M2，M6父本材料的水分利用效率日變化為“單峰”曲線。其中父本材料M6的最高峰值在13:30；父本材料I的數(shù)值從10:30至16:30基本沒(méi)有改變。另外，除13號(hào)不育系，其余父本的水分利用效率均高于各不育系。7個(gè)雜交組合中13×M2和12×III的水分利用效率(WUE)變化呈“雙峰”曲線。兩次峰值分別出現(xiàn)在10:30和16:30。其余組合的水分利用效率(WUE)變化呈“單峰” 曲線。其中12×I雜交組合的峰值10:30。2×II，2×III組合的峰值在13:30左右,13×III和10×M6組合的峰值在16:30左右。

2.3.1雜交組合水分利用效率中親優(yōu)勢(shì)率表現(xiàn) 除雜交組合13×III(-10.00%)外其余6個(gè)雜交組合日均水分利用效率中親優(yōu)勢(shì)率均表現(xiàn)為正值(圖6)。其中雜交組合13×M2的值顯著高于其它雜交組合(P< 0.05)。

2.4 光合生理特性與主要農(nóng)藝性狀相關(guān)分析

7個(gè)強(qiáng)優(yōu)勢(shì)組合的光合生理特性與主要農(nóng)藝性狀相關(guān)性分析表明(表3)，雜交組合干草產(chǎn)量和為產(chǎn)量性狀主要影響因素的株高與水分利用效率間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系。由此可見(jiàn)，在等量水分的消耗中，水分利用效率較高時(shí)，其合成的干物質(zhì)量較大，即其產(chǎn)量就會(huì)相對(duì)較高。表明水分利用率可直接影響牧草產(chǎn)量和株高的表現(xiàn)。

表3 苜蓿雜交組合光合生理特性與產(chǎn)量性狀的相關(guān)系數(shù)Table 3 Photosynthetic physiological characteristics and yield of correlation coefficient of alfalfa hybrid combinations

注：*表示在0.05水平上差異顯著，**表示在0.01水平上差異顯著

Note：*indicates significant difference at the 0.05 level and **indicates significant difference at the 0.01 level, respectively

2.5 雜交組合雜種遺傳力與雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng)表現(xiàn)

對(duì)7個(gè)雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng)最為明顯的雜交組合進(jìn)一步進(jìn)行產(chǎn)量性狀雜種遺傳力分析發(fā)現(xiàn)(表4)，雜種遺傳力值的變異范圍均在0～1之間，其中雜交組合2×Ⅱ的雜種遺傳力最高(0.6129)，同時(shí)其雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng)值也最高(52.10%)；其次是雜交組合10×M6，12×Ⅰ的雜種遺傳力均高于0.5，其雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng)也明顯高于其他組合。雜種遺傳力和雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng)均最低的組合為13×M2(0.0789和24.01%)。

表4 苜蓿雜交組合雜種遺傳力Table 4 Hybrid heritability of alfalfa hybrid combinations

為深入了解雜種遺傳力與雜種優(yōu)勢(shì)之間的相關(guān)關(guān)系，對(duì)雜交組合產(chǎn)量雜種遺傳力與雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng)進(jìn)行相關(guān)分析發(fā)現(xiàn)(表5)，雜交組合雜種遺傳力與雜交組合特殊配合力、雜種優(yōu)勢(shì)率和雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng)間存在不同程度的相關(guān)性。雜交組合雜種遺傳力與雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng)間存在極顯著正相關(guān)，與雜交組合特殊配合力間相關(guān)不顯著，而與雜種優(yōu)勢(shì)率呈負(fù)相關(guān)趨勢(shì)。結(jié)果表明，雜種遺傳力可對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng)有直接影響。

表5 苜蓿雜交組合雜種遺傳力與雜種優(yōu)勢(shì)的相關(guān)系數(shù)Table 5 Alfalfa hybrid combinations of heterosis of hybrid genetic force and correlation coefficient

注：*表示在0.05水平上差異顯著，**表示在0.01水平上差異顯著

Note：*indicates significance at the 0.05 level and ** indicates significance at the 0.01 level probability levels, respectively

3 討論

3.1 雜種優(yōu)勢(shì)與光合生理特性相關(guān)性

光合作用作為植物干物質(zhì)生產(chǎn)的基本生理代謝過(guò)程，可能是苜蓿牧草產(chǎn)量雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)形成的生理基礎(chǔ)。從本研究的各雜交組合光合生理特性的雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)可知：凈光合速率的雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)中，雜交組合12×I的中親優(yōu)勢(shì)率值大于零，且顯著高于其余雜交組合(P<0.05)，同時(shí)凈光合速率的日均值也是最大。表明在相同的環(huán)境條件下，雜種優(yōu)勢(shì)強(qiáng)的組合同化CO2的能力也強(qiáng)；蒸騰速率的雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)中，雜交組合12×III的中親優(yōu)勢(shì)率最高，且顯著高于其他組合(P<0.05)，組合的蒸騰速率也最大。由此說(shuō)明，蒸騰速率呈正向優(yōu)勢(shì)。而雜交組合的水分利用效率則呈負(fù)向優(yōu)勢(shì)，說(shuō)明在消耗等量的水分條件時(shí)，其生成的干物質(zhì)量較少，因此需要消耗更多的水分來(lái)獲取較多的干物質(zhì)。表明雜交組合與其親本相比較，水分的利用率相對(duì)較高。

3.2 雜種遺傳力與雜種優(yōu)勢(shì)相關(guān)性

雜交育種在育種工作中被視為較為方便、快捷的方法之一。而雜種遺傳力概念的引入，使許多在純系育種中所應(yīng)用的公式可以被推廣到雜交育種中去，使數(shù)量遺傳學(xué)與雜交組配的理論相統(tǒng)一[11]。本研究對(duì)雜交組配組合進(jìn)行了產(chǎn)量性狀雜種遺傳力的分析發(fā)現(xiàn)，雜種遺傳力在雜交組配中具有雜種優(yōu)勢(shì)的潛在能力，是組配出強(qiáng)優(yōu)勢(shì)雜交組合的重要參考依據(jù)。雜交親本的雜種遺傳力與雜種優(yōu)勢(shì)呈顯著正相關(guān)。雙親中至少有一個(gè)雜種遺傳力較高時(shí)，盡管其雜交組合的雜種遺傳力不是最高，也可以組配出雜種優(yōu)勢(shì)較高的雜交組合。相反，利用雜種優(yōu)勢(shì)力低的親本組配時(shí)，即使組合的雜種遺傳力相對(duì)較高,也難有較強(qiáng)的雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng)。雜交組合的雜種遺傳力與雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng)間存在極顯著正相關(guān)，因此雜種遺傳力可對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng)有直接影響。

4 結(jié)論

從雜交組合各光合生理特性雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng)表明，凈光合速率雜種優(yōu)勢(shì)為正向優(yōu)勢(shì)，雜交組合12×I的中親優(yōu)勢(shì)率值大于零，且顯著高于其余雜交組合(P<0.05)，同時(shí)凈光合速率的日均值也是最大。表明在相同的環(huán)境條件下，雜種優(yōu)勢(shì)強(qiáng)的組合同化CO2的能力也強(qiáng)。

7個(gè)雜交組合蒸騰速率的雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)中，雜交組合12×III的中親優(yōu)勢(shì)率最高，且顯著高于其他組合(P<0.05)，組合的蒸騰速率最大。由此說(shuō)明，蒸騰速率也為正向優(yōu)勢(shì)。本試驗(yàn)結(jié)果中，雜交組合與其雙親相比較，在一定的時(shí)間范圍里，單位葉面積的蒸騰速率較大，因此雜交組合在高溫環(huán)境中，可以更有效的降低葉面溫度。

雜交組合的水分利用效率則呈現(xiàn)為負(fù)向優(yōu)勢(shì)，由此可知，雜交組合與雙親相比較，等量條件的水分被消耗時(shí)，雜交組合生成的干物質(zhì)較少。因此，雜交組合若要獲得更多的干物質(zhì)，則必須消耗更多的水分，說(shuō)明雜交組合與親本相比，水分利用率相對(duì)較高。

雜交組合的雜種遺傳力與雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng)間存在極顯著正相關(guān)，與雜交組合特殊配合力間相關(guān)不顯著，因此雜種遺傳力可對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng)有直接影響。