大豆不育系異交結(jié)實率與花器官性狀的相關(guān)性分析

阿如汗，李志剛，孫佳堯，李資文，姚威港，崔天宇，張翠平，史 鐸，孫元成

（內(nèi)蒙古民族大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，內(nèi)蒙古 通遼028043）

近年來，我國每年需要進(jìn)口8 000～9 000萬t大豆，如果自給自足需要超過2.4億hm2的耕地，這意味著1/3的耕地需要用于種植大豆，這將影響到其他作物的種植面積［1］.因此，在有限種植面積的前提下，提高大豆單產(chǎn)是解決國內(nèi)大豆短缺的最佳途徑之一［2］.合理運用三系配套技術(shù)是體現(xiàn)大豆雜種優(yōu)勢的有效途徑，提高不育系的異交結(jié)實率成為雜交制種的關(guān)鍵因素［3］.前人研究表明，蟲媒傳粉是提高大豆異交結(jié)實率的重要途徑之一，從蟲媒傳粉的角度，花器構(gòu)造對授粉昆蟲的訪問頻率有重要意義［4］.在實際生產(chǎn)應(yīng)用程序中，昆蟲授粉決定了雜交種子生產(chǎn)的產(chǎn)量.盡管我國大豆三系配套技術(shù)和切葉蜂輔助授粉技術(shù)已經(jīng)投入生產(chǎn)實踐，培育出的“雜交豆2號”產(chǎn)量提高了22.7%，但受限于不育系較低的異交結(jié)實率，導(dǎo)致制種產(chǎn)量低，成本高，生產(chǎn)推廣困難［5］.因此，解決問題的關(guān)鍵是提高不育系異交結(jié)實率，而限制異交結(jié)實率的關(guān)鍵因素是大豆花器構(gòu)造.本研究對3個大豆質(zhì)核互作雄性不育系的異交結(jié)實率與花器官性狀進(jìn)行分析研究，并進(jìn)行相關(guān)性狀與異交結(jié)實率的相關(guān)分析及灰色關(guān)聯(lián)度分析［6］，旨在探索影響大豆異交結(jié)實率的關(guān)鍵因子，為不育系選育和高產(chǎn)制種提供理論基礎(chǔ).

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料選用由吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院大豆研究所提供的高、中、低異交結(jié)實率的大豆不育系，分別為JLCMS116，JLCMS232，JLCMS9及其同型保持系，分別以A1，A2，A3表示.

1.2 試驗設(shè)計

大豆不育系和同型保持系材料于2019年5月8日種植于通遼市科爾沁區(qū)內(nèi)蒙古民族大學(xué)北校區(qū)教學(xué)試驗基地.選擇肥力均勻一致、土壤類型為灰色草甸土、土質(zhì)為壤土的撂荒地，分為3個小區(qū)，父母本1∶1等行距相間種植，行距70 cm，父本株距12 cm，母本株距12 cm.小區(qū)面積為30 m2.試驗材料均在同一時期播種，采用相同的田間管理模式.

1.3 測量項目與方法

在盛花期對大豆不育系花器官相關(guān)性狀進(jìn)行測量，從2019年7月15日開始，每5 d進(jìn)行1次.測量方法如下：

1.3.1 龍骨瓣開張度 目測：龍骨瓣張開柱頭外露（占調(diào)查總數(shù)的60%以上）為1級；龍骨瓣微張但柱頭不可見（占調(diào)查總數(shù)的60%以上）為2級；龍骨瓣緊緊閉合（占調(diào)查總數(shù)的60%以上）為0級.

1.3.2 花柱長度 取大豆新鮮花器官用FAA固定液帶回，在解剖鏡下切下花柱做成壓片，在萊卡熒光顯微鏡5倍物鏡下拍照測量.

1.3.3 花粉管長度 在早7：00 開始，取新鮮花蕾，用解剖針將花粉均勻散在液體培養(yǎng)基（10%蔗糖，50 mg·L-1硼酸，50 mg·L-1氯化鈣）表面，將載玻片置于底部墊有1層浸透蒸餾水的濾紙培養(yǎng)皿中，并在載玻片兩側(cè)各放置一個大小適中浸透水的脫脂棉球保濕，蓋上培養(yǎng)皿蓋子后放入培養(yǎng)箱內(nèi)（28 ℃，3 h）萌發(fā)［7］.

以花粉管長度大于花粉直徑為花粉萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)［8］.在顯微鏡下隨機(jī)觀察，每個品系重復(fù)3次以上，每次重復(fù)隨機(jī)選取3個視野，每個視野隨機(jī)測量20個花粉管長度，每次處理測量不少于50個花粉管，計算其平均值.

1.3.4 萼片長度 用數(shù)顯游標(biāo)卡尺測量花瓣裂口正對著的萼片長度.

1.3.5 柱頭+花柱總長 取大豆新鮮花器官用FAA固定液帶回，在解剖鏡下切下柱頭和花柱做成壓片，在萊卡熒光顯微鏡5倍物鏡下拍照測量.

1.3.6 花粉大小 取大豆新鮮花器官用FAA固定液帶回，在解剖鏡下將花粉用I2-IK染色做成壓片，在萊卡熒光顯微鏡10倍物鏡下拍照測量.

1.3.7 花藥、柱頭表面積 取大豆新鮮花器官用FAA固定液帶回，在解剖鏡下切下花藥和柱頭分別做成壓片，在萊卡熒光顯微鏡5倍物鏡下拍照測量，使用圖像處理軟件進(jìn)行觀察測量花藥（柱頭）的長和寬.花藥（柱頭）表面積=長×寬.

1.3.8 泌蜜量 用內(nèi)徑為0.1 mm的微量毛細(xì)吸管吸取花蜜，在0.1 mm刻度尺上測量毛細(xì)吸管內(nèi)花蜜長度.泌蜜量=0.052×3.14×測量長度.

1.3.9 異交率 異交結(jié)實率=不育系結(jié)莢數(shù)/保持系結(jié)莢數(shù)×100%［9］.

1.4 數(shù)據(jù)分析

使用LASV4.6圖像處理軟件進(jìn)行觀察測量，使用Excel 2019軟件整理統(tǒng)計、計算標(biāo)準(zhǔn)偏差并繪制圖表，并用DPS 16.05 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

2 結(jié)果與分析

如表1所示，A1萼片長度、柱頭+花柱總長、柱頭表面積、泌蜜量、異交率顯著高于A2，A3；A1龍骨瓣開張度和花藥表面積顯著高于A3，分別高出149.25%和33.24%；A1花粉管長度、花粉大小顯著低于A2.供試的3個大豆不育系在龍骨瓣開張度、萼片長度、柱頭+花柱總長、花藥表面積、柱頭表面積、泌蜜量和異交率呈現(xiàn)出相同的趨勢，即A1＞A2＞A3.

表1 大豆不育系的花器官性狀Tab. 1 Floral organ characters of soybean sterile lines

2.1 花器官性狀與異交結(jié)實率相關(guān)性分析

從表2可知，與異交結(jié)實率相關(guān)性最高的是柱頭+花柱總長，達(dá)到極顯著水平，相關(guān)系數(shù)為0.88；萼片長度、花藥表面積、泌蜜量均與異交結(jié)實率的正相關(guān)關(guān)系達(dá)到極顯著水平，分別為0.80，0.79，0.87；柱頭表面積與異交結(jié)實率呈極顯著負(fù)相關(guān)水平，相關(guān)系數(shù)為0.84；其他性狀與異交結(jié)實率的相關(guān)系數(shù)均未達(dá)到顯著水平.說明柱頭+花柱總長、萼片長度、花藥表面積、泌蜜量和柱頭表面積是影響異交結(jié)實率的關(guān)鍵因素.雖然其他性狀與異交結(jié)實率不顯著相關(guān)，但是可以通過改善不同性狀表現(xiàn)繼而提高異交結(jié)實率.

此外，通過相關(guān)性分析還可以看出，萼片長度和柱頭+花柱總長、花粉大小和花粉管長度、花藥表面積和泌蜜量均呈極顯著正相關(guān)；柱頭+花柱總長和泌蜜量呈顯著正相關(guān)；柱頭表面積和泌蜜量呈極顯著負(fù)相關(guān).由此在改善性狀表現(xiàn)時應(yīng)注意不同性狀間的互作制約關(guān)系.

表2 大豆不育系花器官性狀與異交結(jié)實率的相關(guān)系數(shù)Tab. 2 Correlation coefficient between flower organ characters and outcrossing seed setting rate of soybean male sterile lines

2.2 花器官性狀的通徑分析

由表3可知，各花器官性狀對異交結(jié)實率正向作用大小順序為：柱頭+花柱總長（0.681 8）＞花柱長度（0.234 9）＞泌蜜量（0.163 2）＞龍骨瓣開張度（0.146 8）＞花藥表面積（-0.066 9）＞萼片長度（-0.151 6）＞柱頭表面積（-0.292 2），說明花藥表面積、萼片長度和柱頭表面積對異交結(jié)實率沒有直接的積極作用，其余花器官性狀均對異交結(jié)實率有直接的積極作用.萼片長度、花藥表面積直接系數(shù)雖為負(fù)值，但間接系數(shù)分別為0.954 1，0.854 5，是通過影響其他花器官性狀間接對異交結(jié)實率產(chǎn)生積極作用.

表3 大豆不育系花器官性狀的通徑分析Tab. 3 Path analysis of floral organ characters of soybean male sterile lines

2.3 異交結(jié)實率與花器官性狀灰色關(guān)聯(lián)度分析

由表4可知，不育系異交結(jié)實率與9個花器官性狀關(guān)聯(lián)順序為：花藥表面積＞泌蜜量＞萼片長度＞柱頭+花柱總長＞花柱長度＞龍骨瓣開張度＞花粉大?。局^表面積＞花粉管長度.其中，花藥表面積與異交結(jié)實率關(guān)聯(lián)程度最高（0.564 3），泌蜜量與異交結(jié)實率關(guān)聯(lián)程度次之（0.544 6）.花粉大小、柱頭表面積、花粉管長度與異交結(jié)實率關(guān)聯(lián)系數(shù)均低于0.300 0，其中，花粉管長度與異交結(jié)實率關(guān)聯(lián)程度最低（0.244 0）.

表4 不育系異交結(jié)實率與花器官性狀關(guān)聯(lián)度及排序Tab. 4 Correlation degree and sequence of outcrossing seed setting rate and flower organ characters of male sterile lines

3 討論與結(jié)論

大豆是十分嚴(yán)格的自花授粉作物，天然異交率低于1%，是大豆花器官特殊的結(jié)構(gòu)特征所致，因此雜交大豆種子生產(chǎn)效率比較低［10］.大豆花器官小，花粉少而黏重，柱頭短［11］，花藥小致使龍骨瓣和翼瓣緊緊包裹柱頭和花藥，大面積的花間風(fēng)媒傳粉和人工授粉是難以實現(xiàn)的.在實際的育種工作中提高制種效率，降低制種成本，是雜交大豆產(chǎn)業(yè)化亟需解決的關(guān)鍵技術(shù)難題.趙麗梅等［12］通過多年的探索和研究，建立了高效制種技術(shù)體系，即“昆蟲-環(huán)境-作物三位一體綜合體系”，在該體系“作物”這個環(huán)節(jié)表明，在田間開放條件下，大豆不育系的花器官怎樣最大效率地吸引昆蟲進(jìn)行授粉是提高大豆不育系異交結(jié)實率的關(guān)鍵.

本研究結(jié)果表明，大豆不育系的花器官柱頭+花柱總長與異交結(jié)實率呈極顯著水平，且對異交結(jié)實率有積極影響，即柱頭+花柱總長越大異交結(jié)實率越高.目前，關(guān)于柱頭+花柱總長與異交結(jié)實率相關(guān)性的研究較少，一般認(rèn)為柱頭+花柱總長越長異交結(jié)實率越高，但柱頭+花柱總長沒有被視為影響異交結(jié)實率的主要因子.本研究中柱頭表面積與異交結(jié)實率相關(guān)系數(shù)為負(fù)值，柱頭表面積直接系數(shù)和間接系數(shù)均為負(fù)值，即柱頭表面積與異交結(jié)實率呈反比，與前人研究結(jié)果相同［13］.大豆作為嚴(yán)格的自花授粉作物，經(jīng)過長期的演變柱頭表面積變小，目的是為了防止授粉昆蟲在授粉活動時破壞脆弱的柱頭，從而降低異交結(jié)實率.不育系花器官各個性狀的相關(guān)性分析和通徑分析顯示，泌蜜量與異交結(jié)實率呈極顯著正相關(guān)，直接通徑系數(shù)為正值，灰色關(guān)聯(lián)度位次是第二位，是直接產(chǎn)生影響的因素；萼片長度與異交結(jié)實率呈極顯著正相關(guān)，直接通徑系數(shù)卻為負(fù)值，灰色關(guān)聯(lián)度位次是第三位，是各花器官性狀相互協(xié)調(diào)作用間接產(chǎn)生的結(jié)果.

在不育系選育過程中，應(yīng)以柱頭及花柱長、泌蜜量高、萼片短、龍骨瓣開張度大為目標(biāo)，選育出在開放的田間條件下更高異交結(jié)實率的不育系，提高雜交制種效率，為大豆產(chǎn)業(yè)化推廣提供理論依據(jù).