油菜含油量的遺傳與生態(tài)學研究

摘 要：提高含油量是提高單位面積產(chǎn)油量的關(guān)鍵措施之一，高油育種是我國甘藍型油菜育種主攻目標之一。本研究：1）3個高油品系、1個中油品種和2個低油品系為材料，采用同一母本植株相同部位不同分枝授自身花粉和另一父本花粉研究含油量母體和花粉直感效應遺傳，結(jié)果表明：種子含油量主要由母體植株基因型控制，母體效應值達 0.86；父本花粉對F1種子含油量具有一定花粉直感效應，影響含油量平均為 1.86 個百分點，花粉直感效應值為 0.14 ；2）利用386份材料及連續(xù)四年國家冬油菜區(qū)域試驗材料開展含油量生態(tài)學研究，結(jié)果表明：春油菜區(qū)含油量顯著高于冬油菜區(qū)含油量，長江中游區(qū)含油量高于上游區(qū)，長江下游區(qū)含油量高于中游區(qū)，黃淮區(qū)含油量高于長江下游區(qū)。

關(guān)鍵詞：含油量遺傳；母體效應；生態(tài)學；甘藍型油菜

油菜是我國和世界上最重要的油料作物，是世界上僅次于大豆和棕櫚的第三大油料作物，油菜菜油是菜籽的主要加工產(chǎn)品，大約80%的菜籽價值通過榨取菜油來體現(xiàn)。據(jù)統(tǒng)計，油菜含油量提高1%，相當于菜籽增產(chǎn)2.3～2.5個百分點。長江流域主產(chǎn)區(qū)油菜種植面積占我國油菜生產(chǎn)總面積的90%，長江流域主產(chǎn)區(qū)菜籽的含油量為41%～42%，比世界第一大菜籽出口國加拿大的菜籽含油量低4～6個百分點（王漢中，2010），成為影響國產(chǎn)菜籽競爭力的最主要因素之一。因此，

提高我國油菜品種含油量、增加單位面積產(chǎn)油量已成為我國油菜育種的主攻目標。

一、材料與方法

1.供試材料

本試驗用于花粉直感效應和母體效應研究的材料包括：3個高含油量甘藍型油菜品系0911、zy-13和T8，1個中含油量品種1009號，2個低含油量品系1023和0802。

2.方法

（1）花粉直感效應和母體效應研究。2010年9月18日將6個供試材料進行苗床育苗，10月21日移栽，行1.67米，行距0.4米，每行栽10 株，每一個材料移栽20行。2011年3月采用完全雙列雜交法配制雜交種F1于初花期選擇花期和生長狀況一致的優(yōu)良單株主花序套袋自交，每一個雜交組合選取4株， 編號分成2組。在每一分組中，將一個單株的第 1、3、5、7 分枝分別去雄授自身花粉（P1×P1）， 2、4、6、8分枝分別去雄授另一父本花粉（P1×P2）（圖 2.1-A）；相反地，另一株則將 1、3、5、7 分枝分別去雄授另一父本花粉（P1×P2）， 2、4、6、8 分枝分別去雄授自身花粉（P1×P1）（如圖 2.1-B）。另一分組重復上述工作；反交操作同前述， 同一正反交組合在同一天上午或下午完成。成熟時收獲無發(fā)病和無倒伏單株。按單株分枝分別進行脫粒，相同組合的種子按單株上的 1、3、5、7 分枝和 2、4、6、8 分枝混合，進行含油量測定。

（2）含油量的遺傳研究。

以甘藍型油菜8個品系（種）為材料，采用8×8完全雙列雜交設計， 2010年春在重慶配制雜交組合，單株成對雜交。成熟時，從雜交株上分別收獲正、反交F1種子和自交種子。同年5月份， 將F1種子分成2份， 一份種植于貴州威寧， 選擇優(yōu)良單株套袋自交，收獲成熟F2種子。同年9月28日將親本種子、另一份F1種子及夏繁所得F2種子同時種植于重慶農(nóng)科院墊江試驗基地，初花時套袋自交。親本和F1種子各種6行， F2種子種30行。行寬2.0米， 行距0.33米， 每行種14株。成熟時收獲無發(fā)病和無倒伏的單株，分單株脫粒，測定種子含油量。親本和F1代單株分別調(diào)查10～15株，F(xiàn)2代單株調(diào)查224～286株，每一單株種測2次，以平均數(shù)代表性狀表現(xiàn)。

（3）含油量測定方法。采用Foss NIRSystems 5000 近紅外分析儀（Foss-tecator Infrasoft International，LLC）分析測定油菜籽含油量，分析定標模型購于該公司（www.winisi.com， Wu et al.，2002）。定標模型用 WinISI III 專門化學計量學軟件開發(fā)，采用改良無偏最小二乘法（Modified PLS） 進行定標回歸分析（吳建國等，2004），定標相關(guān)性為 0.9877，定標標準差 0.5779。本課題組每年對 100多份材料與索氏抽提法比對，二者高度一致，誤差<1%，（數(shù)據(jù)未發(fā)表），5 年共測試 40 多萬份育種材料，表明近紅外法分析含油量結(jié)果準確，可以用于本課題研究項目。

（4）統(tǒng)計方法。采用SSPS 9.0統(tǒng)計分析軟件對同一母體植株上自交和雜交種子的含油量進行分析比較， 應用浙江大學朱軍教授開發(fā)的統(tǒng)計分析軟件對世代平均數(shù)資料進行估算和預測。

二、結(jié)果與分析

1.親本和雜交組合的含油量表現(xiàn)

2011年用于母體效應和花粉直感效應研究的6個親本平均含油量為42.32%（變幅為30.93%～49.16%）， F1種子平均含油量為43.13%（變幅為30.19%～50.98%）；2007年用于含油量遺傳效應研究的8個親本平均含油量為41.53%（變幅為32.48%～52.61%）， F1植株種子平均含油量為41.06%（變幅為28.55%～50.74%）， F2代植株種子平均含油量為41.63%（變幅為27.05%～55.10%）。

2.母體效應和父本花粉直感效應對油菜種子含油量的影響

以低含油量父本給高含油量母本植株授粉，所有 F1種子含油量比自交種子含油量平均降低1.67 個百分點，達極顯著差異水平；比中親值高4.95 個百分點，亦存在極顯著差異。以高含油量父本給低含油量母本植株授粉， 所有 F1種子含油量比自交種子含油量平均提高2.05個百分點，達到極顯著差異水平；比中親值低4.47 個百分點， 差異極顯著。F1種子含油量與自交種子含油量之差，即（P1×P2）-（P1×P1），平均數(shù)間差異達到極顯著水平，表明父本效應明顯存在；F1種子含油量與中親值的差異更大， 無論以高含油量或以低含油量材料做母本，F(xiàn)1種子含油量明顯偏向于母本，說明母體效應起主要作用。 各組合的母體效應值和花粉直感效應（父本效應）值列于表2.2。結(jié)果表明：以低含油量材料為父本給高含油量母本植株授粉，9個組合中母體效應值最高為0.92，最低為0.81，平均母體效應值為0.88；花粉直感效應（父本效應）值最高為0.19，最低為0.08，平均值為0.12。以高含油量為父本給低含油量母本植株授粉，9 個組合中母體效應值最高為0.90，最低為0.82，平均母體效應值為0.84；花粉直感效應（父本效應）值最高為0.18，最低為0.10，平均值為0.16。組合平均母體效應值為0.86，花粉直感效應（父本效應）均值為0.14。表明 F1種子含油量主要由母體植株基因型控制，花粉直感效應對含油量產(chǎn)生一定影響， 本試驗中影響含油量的平均值為1.86個百分點。

三、討論

1.父本花粉直感效應和母體效應對油菜種子含油量的影響

當兩個親本雜交時，父本通過花粉直感可對雜交當代性狀產(chǎn)生影響，如玉米油分存在花粉直感效應，宋同明估計出玉米油分基因的花粉直感效應值為 0.35；雜種直接著生于母體植株上，母體植株提供了種子發(fā)育所需要的全部營養(yǎng)物質(zhì)，一方面是母體核基因?qū)ψ哟a(chǎn)生影響，另一方面母體細胞質(zhì)基因也可能對子代產(chǎn)生影響。本試驗中，母體效應平均值為0.86，花粉直感效應（父本效應）值為0.14，表明油菜含油量性狀主要由母體植株基因型所決定，胚基因型的影響僅占 14%左右。一直以來，國內(nèi)外研究人員都將重點放在胚珠和種子，尋找控制油菜含油量基因， 多年來沒有取得突破性研究進展。本研究發(fā)現(xiàn)將為油菜高含油量分子生物學研究特別是基因表達分析提供全新的方向和思路，即含油量基因表達研究重點是油菜母體組織而不是胚，也表明任何影響母體植株生長狀況的因素，都將有可能影響種子的含油量。另一方面，在高含油量大田生產(chǎn)或油菜區(qū)域試驗中， 考慮到低含油量花粉基因?qū)ψ杂墒诜鄯N子的平均含油量降低、或高含油量花粉基因?qū)ψ杂墒诜鄯N子平均含油量提高有限，一般情況下不必隔離種植或套袋自交測定含油量，本研究成果為高含油量油菜生產(chǎn)應用和油菜區(qū)域試驗含油量檢測提供了理論依據(jù)。

2.細胞質(zhì)效應對含油量的影響

細胞質(zhì)基因可通過葉綠體或線粒體影響植株的光合作用或呼吸作用，從而影響種子的性狀表現(xiàn)。本研究表明， 細胞質(zhì)效應影響油菜含油量，這Wu等人研究結(jié)果一致。研究中發(fā)現(xiàn)細胞質(zhì)效應有正、負效應之分，并獲得了2個細胞質(zhì)效應值較大的特異資源（F2代正反交含油量平均值相差3個百分點以上）。因此， 細胞質(zhì)差異可能影響不同組合或雜種后代的含油量。育種中，一方面可利用細胞質(zhì)正效應值較大的資源開展含油量細胞質(zhì)育種，對于存在細胞質(zhì)負效應但核基因型表現(xiàn)優(yōu)異的資源，可采用反交方法，避免細胞質(zhì)負效應影響，篩選出細胞質(zhì)效應良好且核基因型優(yōu)異的組合和雜交后代，從而達到提高油菜含油量的效果。為開展含油量遺傳改良提供了一條新途經(jīng)。

3.高含油量遺傳改良潛力

本研究發(fā)現(xiàn)了細胞質(zhì)正效應值達3.27 的品系。以該品系為母本，導入高含油量核基因，后代含油量可能提高 3.27 個百分點。在高含油量核基因型方面，除本研究中獲得的含油量55.10%的單株外，還獲得了5個來源完全不同且含油量達 50%以上的品系，其中 P086 含油量達到 55%以上。以自主開發(fā)的與高含油量緊密連鎖的分子標記對上述 6 個高含油量材料鑒定結(jié)果表明，控制含油量的基因不等位。因此，通過聚合育種和分子標記輔助選擇將不同的高含油量核基因聚合起來，再整合上述含油量為顯著正效應的細胞質(zhì)，有望獲得含油量達到60%以上的冬油菜品系。

另外，作者還做了不同生態(tài)區(qū)含油量的分析。研究表明，春油菜區(qū)含油量高于冬油菜區(qū)含油量，平均高2個百分點左右。含油量與緯度、經(jīng)度、海拔等均有明顯的相關(guān)性，含油量相關(guān)程度隨緯度變化最大，存在顯著相關(guān)性；與經(jīng)度也存在顯著差異；與海拔間無顯著相關(guān)性。上述發(fā)現(xiàn)與前人研究油菜、油料木本植物含油量結(jié)果有一定差異（沈惠聰?shù)龋?89；吳志莊等，2009；顧慶龍等，2001），可能與油菜油脂積累過程特異性有關(guān)。 種質(zhì)資源是作物育種的基礎，本研究篩選到 7 份在不同生態(tài)區(qū)含油量能夠穩(wěn)定遺傳的高含油量品種（系）。0911在四個不同生態(tài)區(qū)含油量均穩(wěn)定在 46%以上，在民樂含油量超過 50%；T8 和 zy-13 兩個品系在四個不同生態(tài)環(huán)境下含油量穩(wěn)定在 50%以上。這些品種（系）在不同生態(tài)區(qū)均能穩(wěn)定保持高含油量，成為高含油量育種的重要種質(zhì)資源。長江中游區(qū)含油量比長江上游區(qū)含油量高；長江下游區(qū)含油量比長江中游區(qū)含油量高；黃淮區(qū)含油量比長江下游區(qū)含油量高。

作者簡介：黃桃翠（1978—）女，湖北建始人，助理研究員，碩士，主要從事遺傳育種研究。