春箭筈豌豆新品種“蘭箭3號(hào)”選育與特性評(píng)價(jià)

南志標(biāo)，王彥榮，聶斌，李春杰，張衛(wèi)國(guó)，夏超

（草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅蘭州730020）

以青藏高原為主體的高山草原占全國(guó)草原面積的1/3，是我國(guó)重要的草地畜牧業(yè)基地和生態(tài)屏障，飼養(yǎng)著全國(guó)90%的牦牛和藏羊；提供了黃河與長(zhǎng)江干流總徑流量的49%和25%［1］。由于生態(tài)環(huán)境嚴(yán)酷，每年因冬春季節(jié)缺草而導(dǎo)致家畜死亡和體重減少的損失，約等于畜群正常淘汰量的3倍以上。建立栽培草地，儲(chǔ)存干草用于冬春補(bǔ)飼，是減少家畜損失、緩解草地放牧壓力的主要措施之一。多年生豆科牧草在當(dāng)?shù)夭荒馨踩蕉?。春箭筈豌豆（Vicia sativa）是優(yōu)良的一年生豆科草飼肥兼用作物，具有產(chǎn)量高、適口性好、適應(yīng)性廣等特點(diǎn)［2-4］。在我國(guó)，其與燕麥（Avena sativa）混播，調(diào)制青干草是解決高山草原家畜營(yíng)養(yǎng)不足的有效途徑［5-7］。在開(kāi)展本選育工作之初，依據(jù)全國(guó)草品種審定委員會(huì)的公報(bào)統(tǒng)計(jì)，1987-1996年，我國(guó)通過(guò)審定的野豌豆屬牧草品種僅有6個(gè)。這些品種適應(yīng)范圍或是西南、華南和華東等地，或是北方水熱條件較好的地區(qū)，在高海拔地區(qū)多表現(xiàn)不佳，難以達(dá)到其生產(chǎn)能力，更不能完成生育周期、生產(chǎn)種子。而從其他地區(qū)調(diào)種，長(zhǎng)途運(yùn)輸，致使草種價(jià)格昂貴，牧民難以承受。缺乏適應(yīng)當(dāng)?shù)氐拇杭Q豌豆品種，是青藏高原發(fā)展高效草地畜牧業(yè)的主要限制因素之一。

鑒于上述原因，作者以選育在我國(guó)高山草原條件下，早熟、種子產(chǎn)量高的品種為育種目標(biāo)，開(kāi)展了春箭筈豌豆新品種選育。

1997年從設(shè)在敘利亞阿羅坡（Aleppo）的國(guó)際干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究中心（ICARDA）引進(jìn)了10個(gè)箭筈豌豆品系作為育種材料。1998年在甘肅省甘南藏族自治州夏河縣進(jìn)行了田間小區(qū)評(píng)價(jià)。發(fā)現(xiàn)品系2505在當(dāng)?shù)卦囼?yàn)條件下表現(xiàn)出較其他參試品系早熟的特點(diǎn)，但該群體中仍有約40%植株不能成熟。當(dāng)年自成熟植株收獲種子，作為育種材料，用于進(jìn)一步選育，以提高其早熟性［8］。本研究報(bào)告在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步選育的結(jié)果。經(jīng)過(guò)連續(xù)12年的努力，新品種于2011年通過(guò)國(guó)家草品種審定委員會(huì)審定，命名為“蘭箭3號(hào)”。選育過(guò)程如圖1所示。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

新材料選育、品種比較等試驗(yàn)均在甘肅省甘南藏族自治州夏河縣?？凄l(xiāng)進(jìn)行。據(jù)夏河縣氣象站資料，當(dāng)?shù)睾０?000 m，年均溫2.6℃，全年無(wú)霜期50 d，7月氣溫最高，平均14.9℃，年降水量350～450 mm，屬于典型的高山草原。試驗(yàn)地位于夏河縣草原站桑科分站院內(nèi)，土壤養(yǎng)分含量為全氮0.21%，全磷0.09%，全鉀1.70%，有機(jī)質(zhì)4.22%，速效氮0.0023%，速效磷0.00075%，速效鉀0.00175%。

區(qū)域試驗(yàn)和大田試驗(yàn)在甘肅省慶陽(yáng)市西峰區(qū)、甘南州夏河縣和碌曲縣進(jìn)行，各試驗(yàn)點(diǎn)自然條件見(jiàn)表1。

1.2 供試材料

根據(jù)1998年篩選試驗(yàn)的結(jié)果，以種子產(chǎn)量高的2505作為選育對(duì)象，原種來(lái)自國(guó)際干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究中心，其余各代種子來(lái)自上年中選植株收獲的種子。以早熟、抗寒、抗旱、耐瘠的333/A狹葉野豌豆（Vicia japonicacv.333/A）為對(duì)照品種，種子由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所購(gòu)得。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 新材料選育 1999-2002年在夏河縣穴播，行株距均為50 cm，每年播種1000株，從中選擇成熟早、結(jié)莢數(shù)多、種莢飽滿(mǎn)、每莢粒數(shù)多的植株100株左右，單收單打，而后將所獲種子混合，用作第2年的播種材料。次年繼續(xù)按此程序選擇。經(jīng)連續(xù)4年的選擇，獲得耐寒、早熟、種子產(chǎn)量高的植株90株。單獨(dú)脫粒，分株等量種子混合，組成2505-1新品系。

1.3.2 品種比較試驗(yàn) 2003-2005年連續(xù)進(jìn)行3年，播前耕翻平整土地，小區(qū)面積4 m×5 m=20 m2，均為4個(gè)重復(fù)。隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)間距0.5 m，區(qū)組間距1 m，試驗(yàn)地四周設(shè)2 m寬的保護(hù)行種植燕麥。播種量為75 kg·hm-2，行距25 cm，播深4～5 cm，播后人工耙平，每年均在4月底或5月初同期播種，由于生育期不同，參試品種達(dá)到各自成熟期后收獲。

圖1 蘭箭3號(hào)春箭筈豌豆選育程序Fig.1 Breeding procedure of common vetch cv.Lanjian No.3

表1 各試驗(yàn)地點(diǎn)的自然條件Table 1 Environmental conditions of experimental sites

1.3.3 區(qū)域試驗(yàn) 2006-2007年連續(xù)進(jìn)行2年，隨機(jī)區(qū)組排列，4次重復(fù)，小區(qū)面積3 m×6 m=18 m2，區(qū)組間距1 m，小區(qū)間距0.5 m，試驗(yàn)地四周設(shè)2 m寬的保護(hù)行種植燕麥，播量、播深、田間管理同品比試驗(yàn)。

1.3.4 大田生產(chǎn)試驗(yàn) 2008-2010年采用大區(qū)對(duì)比法，不設(shè)重復(fù)，種植面積為0.15～0.20 hm2。田間管理按當(dāng)?shù)厣a(chǎn)水平進(jìn)行，無(wú)施肥、灌溉，播量、播深、田間管理同前。夏河和碌曲兩地均為5月上旬播種，西峰為夏播，6月底或7月初播種。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目

1.4.1 牧草及種子產(chǎn)量 對(duì)新材料選育試驗(yàn)，每個(gè)品種或群體標(biāo)記15株，每株測(cè)定種子產(chǎn)量，草產(chǎn)量及草、種產(chǎn)量構(gòu)成因素，包括每株一級(jí)、二級(jí)分枝數(shù)，每株莢數(shù)，每莢粒數(shù)，千粒重以及根重。并從每小區(qū)選擇長(zhǎng)勢(shì)好、成熟早、結(jié)莢數(shù)多、種莢飽滿(mǎn)、每莢粒數(shù)多的植株單收單打，測(cè)定種子與牧草產(chǎn)量，而后將所獲種子混合，用作翌年播種材料。

對(duì)于品種比較和區(qū)域試驗(yàn)小區(qū)，生長(zhǎng)期結(jié)束后測(cè)定全部參試品種的小區(qū)種子和牧草產(chǎn)量。手工摘取成熟的豆莢，自然風(fēng)干，脫粒后測(cè)定小區(qū)的莢殼重和種子產(chǎn)量；摘除成熟豆莢后，將植株沿地表刈割，測(cè)定小區(qū)的鮮草產(chǎn)量，每小區(qū)再稱(chēng)取500 g鮮草帶回實(shí)驗(yàn)室，95℃烘干24 h，測(cè)定各品種牧草干物質(zhì)產(chǎn)量。

生產(chǎn)試驗(yàn)中，將整個(gè)地塊人工收獲，脫粒清選、風(fēng)干后，稱(chēng)重、計(jì)算單位面積的種子產(chǎn)量。牧草產(chǎn)量測(cè)定時(shí)，將每地塊設(shè)1 m2樣方，5次重復(fù)，測(cè)定鮮重，而后稱(chēng)取500 g帶回實(shí)驗(yàn)室，95℃烘干，測(cè)干重，計(jì)算單位面積產(chǎn)量。

1.4.2 物候期觀(guān)測(cè) 在品種比較試驗(yàn)中，播后每10 d觀(guān)察一次，物候記載依據(jù)“牧草、飼料作物觀(guān)察項(xiàng)目與記載標(biāo)準(zhǔn)”［9］，即50%出苗為出苗期，10%植株開(kāi)花為初花期，80%植株開(kāi)花為盛花期。

1.4.3 形態(tài)特征觀(guān)測(cè) 在各小區(qū)觀(guān)測(cè)出苗、分枝、現(xiàn)蕾，開(kāi)花、結(jié)莢、成熟等時(shí)期。并在每小區(qū)標(biāo)記10株，測(cè)量苗期株高，盛花期觀(guān)測(cè)花的顏色及不同花色比率。

苗期每小區(qū)挖出10株幼苗，目測(cè)莖基部的顏色并用尺測(cè)量紫色莖基的長(zhǎng)度，于苗期和結(jié)莢初期，每小區(qū)各取10株，測(cè)定葉寬、葉長(zhǎng)，計(jì)算長(zhǎng)寬比。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

使用SPSS 17.0軟件（SPSS公司，美國(guó)）進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)各選育材料和品種所獲得的數(shù)據(jù)按測(cè)定項(xiàng)目進(jìn)行方差分析，采用Duncan法進(jìn)行多重比較，顯著性區(qū)間定義在95%水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 新材料選育

經(jīng)1999-2002年的連續(xù)選擇，品系2505的單株種子產(chǎn)量從原種的2.69 g，增加到第4代的5.05 g，增加87.7%，干草產(chǎn)量從4.1 g·株-1，增加到第四代的6.6 g·株-1，增幅達(dá)61.0%。產(chǎn)量構(gòu)成因素分析表明，種子與草產(chǎn)量的增加主要是由于每株莢數(shù)、每莢粒數(shù)以及二級(jí)分枝數(shù)增加，而一級(jí)分枝數(shù)則無(wú)明顯改變（表2）。第3代和第4代之間各項(xiàng)指標(biāo)均十分接近，似可認(rèn)為經(jīng)過(guò)連續(xù)4代的選擇，中選群體的優(yōu)良性狀已基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，形成了與其親本2505顯著不同的特征，將其命名為2505-1，進(jìn)入品比試驗(yàn)。

表2 春箭筈豌豆2505-1品系各代種子與牧草產(chǎn)量及其構(gòu)成因素Table 2 Seed yield，herbage dry matter yield and their components of F0-F4 common vetch new line 2505-1

2.2 新品系特征

2.2.1 種子與牧草產(chǎn)量 經(jīng)2003-2005年連續(xù)3年的測(cè)定，2505-1、2505和333/A的種子產(chǎn)量分別為821、656和353 kg·hm-2，新品系2505-1比原始親本高25.2%，比對(duì)照品種333/A高132.6%（表3）。參試3個(gè)品種（系）的草產(chǎn)量分別為2086、1681和2528 kg·hm-2。新品系2505-1的牧草產(chǎn)量較原始親本提高24.1%，比333/A的產(chǎn)草量略低，相當(dāng)于其產(chǎn)量的82.5%（表3）。

表3 新品系2505-1和對(duì)照品種的種子和牧草產(chǎn)量Table 3 Seed and herbage dry matter yields of common vetch new line 2505-1 and control cultivar（kg·hm-2）

2.2.2 物候期 新品系2505-1的早熟特性十分明顯，3年生育期為92～106 d，平均為100 d，親本品系2505生長(zhǎng)期為98～111 d，對(duì)照品種333/A為104～122 d，平均分別為106和113 d，2505-1的生育期比其親本品系2505和對(duì)照品種333/A分別短6和13 d（表4）。

表4 新品系2505-1和對(duì)照品種的物候期Table 4 Phenological phase of common vetch new line 2505-1 and control cultivar

2.3 新品系的適應(yīng)區(qū)域

2006-2007年，連續(xù)兩年在甘肅省慶陽(yáng)市西峰區(qū)，甘南州夏河縣和碌曲縣三地進(jìn)行試驗(yàn)。兩年平均，新品系2505-1在西峰、夏河和碌曲三地的種子產(chǎn)量比原始親本2505分別高16.5%、32.5%和18.5%，比對(duì)照品種333/A分別高48.0%、174.9%和108.9%（表5）。

表5 新品系2505-1和對(duì)照品種在3個(gè)試驗(yàn)地的種子產(chǎn)量Table 5 Seed yield of common vetch new line 2505-1 and control cultivar at 3 experimental sites

新品系2505-1在西峰、夏河和碌曲的干草產(chǎn)量比其原始親本分別高27.2%、19.1%和19.0%，比對(duì)照品種333/A分別高14.3%、-9.8%和0.4%（表6）。

表6 新品系2505-1和對(duì)照品種在3個(gè)試驗(yàn)地點(diǎn)的牧草產(chǎn)量Table 6 Herbage dry matter yield of common vetch new line 2505-1 and control cultivar at 3 experimental sites

2.4 大田條件下牧草和種子產(chǎn)量

2008-2010年，在甘肅省慶陽(yáng)市西峰區(qū)、甘南州夏河縣和碌曲縣大田生產(chǎn)條件下，新品系2505-1種子產(chǎn)量分別比其親本2505平均增加18.3%、21.7%和22.2%，比對(duì)照333/A分別增加47.7%、97.7%和73.2%（表7）。

新品系2505-1的牧草產(chǎn)量亦高于其親本品系2505，在西峰區(qū)、夏河縣和碌曲縣分別增加了12.7%、20.2%和31.9%，與333/A接近，增加幅度分別為7.3%、6.4%和1.8%，二者差異不顯著（表8）。

2.5 新品系形態(tài)特征

根據(jù)數(shù)年觀(guān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)2505-1與其原始親本2505無(wú)明顯的形態(tài)區(qū)別，但與333/A存在著明顯的形態(tài)區(qū)別，主要表現(xiàn)在1月齡左右的幼苗莖基部明顯披帶紫色，紫色莖基長(zhǎng)度平均1.9～2.8 cm，明顯短于333/A（2.4～5.8 cm），因地域而異。2505-1的種子近扁圓形，種皮帶黑色斑紋，而333/A則為長(zhǎng)圓形，種皮無(wú)斑紋。此外，2505-1比333/A早熟，播種至盛花期的天數(shù)少8 d（表9）。

表7 新品系2505-1和對(duì)照品種在大田生產(chǎn)條件下的種子產(chǎn)量Table 7 Seed yield of common vetch new line 2505-1 and control cultivar under field conditions

表8 新品系2505-1和對(duì)照品種在大田生產(chǎn)條件下的牧草產(chǎn)量Table 8 Herbage dry matter yield of common vetch new line 2505-1 and control cultivar under field condition

表9 新品系2505-1和品種333/A的形態(tài)特征Table 9 Morphological traits of common vetch new line 2505-1 and cultivar 333/A

3 討論

春箭筈豌豆在西亞、北非及地中海沿岸國(guó)家廣泛種植［10］，尤其適宜于年降水量250～400 mm的地區(qū)［11］，但尚無(wú)在高海拔地區(qū)生長(zhǎng)的報(bào)道?！疤m箭3號(hào)”春箭筈豌豆新品種是我國(guó)第一個(gè)在高山草原能夠完成生命周期，且種子產(chǎn)量較高的品種。如果從1999年田間單株選育開(kāi)始，到2010年申報(bào)新品種，歷時(shí)12年（圖1），作為一年生牧草，其選育周期似乎偏長(zhǎng)。這固然是因?yàn)楦呱讲菰硣?yán)酷，為選育工作帶來(lái)很多困難；但另一方面，就選育工作本身而言亦有改進(jìn)的余地。新品種是在完成3年區(qū)域試驗(yàn)后，又進(jìn)行了3年的生產(chǎn)試驗(yàn)。根據(jù)國(guó)家草品種審定標(biāo)準(zhǔn)，區(qū)域試驗(yàn)和生產(chǎn)試驗(yàn)可同時(shí)進(jìn)行［9］，由此即可相應(yīng)地縮短3年的育種周期。

我國(guó)現(xiàn)有箭筈豌豆品種選育時(shí)間普遍偏長(zhǎng)，均在10年以上。“蘭箭3號(hào)”的選育，如前所述，如果安排得當(dāng)，可以在10年之內(nèi)育成。這主要得益于ICARDA根據(jù)育種者的目標(biāo)，提供了較好的材料［8］。由此可以看出，掌握適宜的種質(zhì)資源，亦即基因資源，是品種選育中事半功倍的重要因素［12］。另外，育種進(jìn)程在很大程度上也取決于育種者的經(jīng)驗(yàn)和在田間發(fā)現(xiàn)優(yōu)異性狀的能力。通過(guò)南繁措施或許可縮短選育周期。

近年來(lái)，基因組學(xué)和蛋白組學(xué)飛速發(fā)展，生物信息學(xué)和遺傳信息學(xué)數(shù)據(jù)大量增加，分子生物技術(shù)廣泛應(yīng)用，基因技術(shù)和分子標(biāo)記輔助選擇取得了一定的進(jìn)展，為開(kāi)展分子設(shè)計(jì)育種奠定了基礎(chǔ)［13］。與水稻（Oryza sativa）、小麥（Triticum aestivum）、玉米（Zea mays）等主要農(nóng)作物相比，開(kāi)展牧草分子設(shè)計(jì)育種的困難更多，這主要是因?yàn)閷?duì)牧草基因網(wǎng)絡(luò)和功能調(diào)控尚缺少研究，重要農(nóng)藝性狀的遺傳基礎(chǔ)、形成機(jī)制和代謝網(wǎng)絡(luò)等方面也知之甚少，需要下大功夫開(kāi)展基礎(chǔ)研究?？梢灶A(yù)見(jiàn)，常規(guī)育種在未來(lái)一段時(shí)期，將仍然是主要的育種方法。令人鼓舞的是我國(guó)學(xué)者正在開(kāi)展春箭筈豌豆全基因組測(cè)序（劉志鵬，未發(fā)表資料），同時(shí)，在箭筈豌豆分子機(jī)制方面也進(jìn)行了一些探討［14-17］，這些成果將加快春箭筈豌豆常規(guī)育種的進(jìn)程，并為分子設(shè)計(jì)育種提供重要的基礎(chǔ)。

單株選擇與混合選擇是品種選育的常用方法。其中單株選擇在育種早期有利于淘汰不良植株，提高選育效率?；旌线x擇則能更好地反映育種群體的性狀，這兩種方法在箭筈豌豆育種中均是常用方法［18］。本研究采用單株選擇與混合選擇相結(jié)合的方法，在選育早期采用穴播，株距50 cm以上，在此條件下，植株擁有足夠的營(yíng)養(yǎng)空間，基本不存在競(jìng)爭(zhēng)。因此，穴播條件下植株的性狀可以反映出植物本身所具有的生物學(xué)、生態(tài)學(xué)特性。而在選育后期，采用混合選擇可以加快選擇進(jìn)展。實(shí)踐證明單株選擇與混合選擇相結(jié)合的方法，較適合于春箭筈豌豆的品種選育。江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院育成的6625和中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院蘭州畜牧與獸藥研究所選育的333A等品種，均是采用這兩種方法選育而成。

春箭筈豌豆種內(nèi)變異較大［19］，具有豐富的遺傳多樣性［20］。選育過(guò)程中采用的性狀指標(biāo)事關(guān)選育的成效。本研究中，確定了每株的莢數(shù)、每莢的粒數(shù)、千粒重等指標(biāo)和每株一級(jí)分枝數(shù)、二級(jí)分枝數(shù)以及完成生育周期的生長(zhǎng)天數(shù)等作為主要的性狀指標(biāo)。這些指標(biāo)充分反映了箭筈豌豆種子和牧草生長(zhǎng)的狀況，是在材料評(píng)價(jià)、品種選育等方面采用的主要指標(biāo)［21-23］。千粒重、一級(jí)分枝數(shù)和根干重是遺傳力較強(qiáng)的指標(biāo)，相對(duì)比較穩(wěn)定（表2）。曾有研究報(bào)道，千粒重是較為穩(wěn)定的性狀［24］，但每株根系重量不易發(fā)生改變，在以往春箭筈豌豆選育的報(bào)道中似不多見(jiàn)。每株莢數(shù)、每莢粒數(shù)與種子產(chǎn)量密切相關(guān)，而每株的分枝數(shù)則與牧草產(chǎn)量密切相關(guān)［25］，其中每莢粒數(shù)，單株粒重等受環(huán)境的影響較大，通過(guò)選擇可以獲得理想的植株。

筆者以往對(duì)5個(gè)箭筈豌豆品系基因型與環(huán)境互作效應(yīng)及農(nóng)藝性狀穩(wěn)定性的研究表明，基因型與生態(tài)環(huán)境互作對(duì)各農(nóng)藝性狀具有比較強(qiáng)的可塑性，個(gè)體的表型是其與基因型和環(huán)境共同作用的結(jié)果［26］。表型、遺傳與環(huán)境具有密切而復(fù)雜的關(guān)系，表型與遺傳之間往往具有高度的一致性。因此，通過(guò)多地的試驗(yàn)與評(píng)價(jià)，可以在多地表現(xiàn)較好的特征，選擇符合育種要求的材料。實(shí)際上，也就選擇了所需要的遺傳型。

環(huán)境條件尤其是氣溫與降水對(duì)箭筈豌豆的表現(xiàn)有重要影響［27］。在區(qū)域試驗(yàn)中，西峰、夏河、碌曲三地，西峰的溫度最高，其在夏播條件下牧草產(chǎn)量達(dá)3214 kg·hm-2，顯著高于碌曲的2213 kg·hm-2和夏河2769 kg·hm-2（表6），表現(xiàn)出溫度與產(chǎn)草量的正相關(guān)性。在高山草原地區(qū)，7和8月的溫度對(duì)箭筈豌豆完成生育周期、提高種子產(chǎn)量具有重要的影響，降水也有一定的作用［26］?！疤m箭3號(hào)”的特征之一是生育期短（表4），這一優(yōu)異特性適宜廣大的高海拔草原區(qū)，已有研究表明其在西藏自治區(qū)海拔4500 m的地區(qū)表現(xiàn)出了優(yōu)異的生產(chǎn)性狀［28］。在西藏其他地區(qū)，與燕麥混播也表現(xiàn)出了很好的生產(chǎn)性能［29］。

“蘭箭3號(hào)”生育期較短，種子產(chǎn)量較高，其光合產(chǎn)物的積累特征有待于進(jìn)一步的研究。自新品種通過(guò)審定以來(lái)，在家畜生產(chǎn)與環(huán)境效應(yīng)［30］、輪作系統(tǒng)中的作用及產(chǎn)出［31］等方面開(kāi)展了初步的研究，需要進(jìn)一步加大相關(guān)的研究力度和深度，并加快其在高山草原區(qū)的推廣應(yīng)用。