橡膠草輪回選擇育種初探

范延新，楊軼華，鄭福云，張文天，付俊生，陳 菲，曾祥俊，沈 光*

（1. 黑龍江省科學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001；2. 黑龍江省科學(xué)院自然與生態(tài)研究所，黑龍江哈爾濱 150040）

0 引言

橡膠草（Taraxacum kok-saghyz Rodin）是菊科蒲公英屬多年生草本植物，也是世界上最有前景的天然橡膠植物之一[1]。它的根莖不僅含有2.89%～27.89%[2-3]的天然橡膠，而且還含有25%～40%的菊糖[4]。它還是研究橡膠合成機(jī)制的理想模式植物[5-6]。

世界各國為了推動(dòng)橡膠草產(chǎn)業(yè)化，解決天然橡膠供給不足的問題，由輪胎公司牽頭，聯(lián)合多家大學(xué)和研究單位陸續(xù)成立了產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，如美國的PENRA 計(jì)劃，歐洲的DRIVE4EU 計(jì)劃和中國的蒲公英橡膠產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟[7]。

在橡膠草產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程上，美國俄亥俄州立大學(xué)居于世界前列。他們采用輪回選擇育種和分子育種技術(shù)使橡膠草橡膠含量達(dá)到15%以上，橡膠產(chǎn)量小面積達(dá)到了1 t/ha，歐洲采用分子育種技術(shù)使橡膠草橡膠產(chǎn)量達(dá)到了0.5 t/ha。中國橡膠草橡膠產(chǎn)量為0.3 t/ha，與國外尚有一定的差距。

為了縮小與國外的差距，盡快實(shí)現(xiàn)橡膠草產(chǎn)業(yè)化，需要育種以提高橡膠草產(chǎn)量。作物育種技術(shù)主要包括傳統(tǒng)育種技術(shù)和分子育種技術(shù)。輪回選擇傳統(tǒng)育種是一種常用的傳統(tǒng)育種技術(shù)，是一種周期性的群體改良方法。它通過反復(fù)的鑒定、選擇、重組過程，使群體內(nèi)的優(yōu)良或增效基因頻率逐步增加，不良或減效基因頻率不斷壓低，改善群體內(nèi)目標(biāo)性狀的平均表現(xiàn)。輪回選擇尤其適合于對(duì)數(shù)量遺傳性狀進(jìn)行改良，如提高產(chǎn)量及其構(gòu)成因素、改善種子和植株品質(zhì)、提高抗病蟲性和對(duì)不良環(huán)境的耐受性等[8]。

進(jìn)行輪回選擇育種首先要開展橡膠草遺傳力和遺傳增益的研究，以確定輪回選擇育種實(shí)施方案，為橡膠草育種提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)樣地

試驗(yàn)地設(shè)置在哈爾濱市哈南工業(yè)新城的一個(gè)栽培基地（45°34′59.9″N，126°34′18.8″E）。當(dāng)?shù)貙儆跍貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候，年均溫4.2℃，年降水量532 mm，土壤類型為河灘土。試驗(yàn)樣地土壤理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)樣地土壤理化性質(zhì)

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用半同胞子代家系法計(jì)算橡膠草的遺傳力和遺傳增益。在2015 年栽培的品系K445 中隨機(jī)選擇12 個(gè)植株作為母本（圖1），分別采集它們的種子作為子代，標(biāo)記好，然后9 月末挖出測定它們的橡膠含量和根莖生物量。2016 年3 月初對(duì)12 個(gè)家系子代育苗，4 月下旬至5 月上旬定植，5 月下旬根據(jù)地上部位的多態(tài)性每個(gè)家系隨機(jī)選擇30 個(gè)植株樣本用于實(shí)驗(yàn)分析，于10 月中旬至下旬采樣測定地下生物量和橡膠含量。

圖1 橡膠草12 個(gè)家系母本材料

1.3 遺傳力的測定

分別測定分根數(shù)、橡膠含量、糖含量的遺傳力。計(jì)算公式如下：

按自由授粉子代材料的方法估算遺傳力，設(shè)有f(12)個(gè)家系，每個(gè)家系有r(30)株苗，則共有fr 個(gè)數(shù)據(jù)。

1.4 遺傳增益與選擇強(qiáng)度的測定

響應(yīng)：入選親本的子代平均表現(xiàn)距被選擇親本群體平均型值間的離差，以符號(hào)R 表示。

遺傳增益：響應(yīng)除以親本群體的平均表現(xiàn)型值所得百分率，叫遺傳增益，用符號(hào)△G 表示。

入選率：選擇個(gè)體數(shù)目占選擇群體總數(shù)的比例，用符號(hào)P 表示。

選擇差：選擇植物性狀的平均值與選擇群體的平均值之差，用符號(hào)S 表示。

選擇強(qiáng)度：選擇差除以該性狀的標(biāo)準(zhǔn)差，所得比值為選擇強(qiáng)度，用符號(hào)i 表示。i=S/σp

表2 遺傳力分析

2 結(jié)果與分析

2.1 橡膠草遺傳力

2.1.1 橡膠含量遺傳力。f=12，r=30，N=f×r=360。

2.1.2 地下生物量遺傳力。f=12，r=30，N=f×r=360。

2.2 橡膠草遺傳增益

2.2.1 橡膠含量遺傳增益。當(dāng)入選率為10%時(shí)，M11 的選擇差最小，為0.50，M6 的選擇差最大，為5.10；M7 的選擇強(qiáng)度最小，為0.66，M11 的選擇強(qiáng)度最大，為1.97。當(dāng)入選率為20%時(shí)，M3 的選擇差最小，為0.64，M6 的選擇差最大，為4.10；M7 的選擇強(qiáng)度最小，為0.49，M11 的選擇強(qiáng)度最大，為1.58。當(dāng)入選率為30%時(shí)，M11 的選擇差最小，為0.30，M6 的選擇差最大，為3.40；M7 的選擇強(qiáng)度最小，為0.38，M1 的選擇強(qiáng)度最大，為1.25（表5）。

表5 橡膠草半同胞家系橡膠含量不同入選率的選擇差和選擇強(qiáng)度

當(dāng)入選率為10%時(shí)，M11 的響應(yīng)最小，為0.10，M6橡膠含量的響應(yīng)和遺傳增益最大，為4.80、77%。當(dāng)入選率為20%時(shí)，M10、M11 的響應(yīng)和遺傳增益均最小，均小于0；M6 的響應(yīng)和遺傳增益最大，分別為3.80、61%。當(dāng)入選率為30%時(shí)，M10、M11 的響應(yīng)和遺傳增益也最小，均小于0；M6 的響應(yīng)和遺傳增益最大，分別為3.10、50%（表6）。

表3 橡膠草半同胞家系橡膠含量方差分析

表4 橡膠草半同胞家系地下生物量方差分析

表6 橡膠草半同胞家系不同入選率橡膠含量的響應(yīng)和遺傳增益

當(dāng)入選率為10%時(shí)，M1 和M11 的平均橡膠含量最小，為6.6%，M6 的平均橡膠含量最大，為11.0%。當(dāng)入選率為20%、30%時(shí)，M1 的平均橡膠含量均最小，分別為6.4%、6.3%，M6 的平均橡膠含量最大，分別為10.0%、9.3%（表7）。

表7 橡膠草半同胞家系不同入選率的橡膠含量（%）

2.2.2 地下生物量遺傳增益。當(dāng)入選率為10%時(shí)，M1的選擇差最小，為0.77，M5 的選擇差最大，為2.52；M10 的選擇強(qiáng)度最小，為1.31，M9 的選擇強(qiáng)度最大，為2.58。當(dāng)入選率為20%時(shí)，M1 的選擇差最小，為0.65，M3 和M11 的選擇差最大，為1.81；M6 的選擇強(qiáng)度最小，為1.20，M5 的選擇強(qiáng)度最大，為1.62。當(dāng)入選率為30%時(shí)，M1 的選擇差最小，為0.56，M11 的選擇差最大，為1.52；M6 的選擇強(qiáng)度最小，為0.99，M11 的選擇強(qiáng)度最大，為1.33（表8）。

表8 橡膠草半同胞家系地下生物量不同入選率的選擇差和選擇強(qiáng)度

當(dāng)入選率為10%時(shí)，M1 的響應(yīng)最小，為0.85，M3的遺傳增益最小，為0.19；M5 的響應(yīng)最大，為3.47，M8的遺傳增益最大，為2.11。當(dāng)入選率為20%時(shí)，M1 的響應(yīng)最小，為0.73，M3 的遺傳增益最小，為0.12；M12 的響應(yīng)和遺傳增益最大，為3.18、1.99。當(dāng)入選率為30%時(shí)，M3 的響應(yīng)和遺傳增益最小，分別為0.46、0.07；M12的響應(yīng)和遺傳增益最大，分別為2.93、1.83（表9）。

表9 橡膠草半同胞家系地下生物量不同入選率的響應(yīng)和遺傳增益

當(dāng)入選率為10%時(shí)，M1 的平均地下生物量最小，為3.95 g，M3 的平均地下生物量最大，為7.74 g；當(dāng)入選率為20%、30%時(shí)，M1 的平均地下生物量均最小，分別為3.83 g、3.74 g，M3 的平均地下生物量最大，分別為7.27 g、6.96 g（表10）。

表10 橡膠草半同胞家系不同入選率的地下生物量（g）

3 結(jié)論與討論

3.1 橡膠草遺傳力

橡膠草分根數(shù)單株遺傳力為38.24%，家系遺傳力為75.49%。橡膠含量單株遺傳力為35.90%，家系遺傳力為74.73%。地下生物量單株遺傳力為21.29%，家系遺傳力為61.65%。橡膠草遺傳力最高為分根數(shù)，其次為橡膠含量，最小的為地下生物量。說明橡膠草分根數(shù)主要受遺傳因素的影響，較少受環(huán)境因素的影響。相比而言，地下生物量主要受環(huán)境因素的影響，較少受遺傳因素的影響。

一般認(rèn)為，用半同胞家系平均值估算的遺傳力比用半同胞家系單株估算的遺傳力可靠，而且，選擇也常常根據(jù)家系平均值進(jìn)行的。所以，家系遺傳力是比較重要的遺傳參數(shù)。

3.2 橡膠草遺傳增益

為了提高橡膠草的生物量和橡膠產(chǎn)量，將生物量和橡膠含量高的品系篩選出來進(jìn)入輪回選擇育種是一種有效的方法。一般認(rèn)為分根數(shù)多的，生物量也較大。所以選擇分根數(shù)最大的M9 家系進(jìn)行輪回選擇育種以增加橡膠草分根數(shù)，選擇橡膠含量最大的M6 家系進(jìn)行輪回選擇育種以增加橡膠草橡膠含量，選擇地下生物量含量最大的M3 家系進(jìn)行輪回選擇育種以增加橡膠草地下生物量。當(dāng)各自達(dá)到選種目標(biāo)后，再進(jìn)行雜交以提高產(chǎn)量。入選率選擇多少主要取決于現(xiàn)有的財(cái)力以及選種的目標(biāo)，如果財(cái)力較多，計(jì)劃在較短的時(shí)間內(nèi)完成育種目標(biāo)，則需要選擇更多的生物量和橡膠含量較大的品系，并將入選率設(shè)定為10%，甚至更??；如果資金較少，則需要對(duì)較少的品系進(jìn)行選種、育種。

4 結(jié)論

橡膠草分根數(shù)單株遺傳力為38.24%，家系遺傳力為75.49%。橡膠含量單株遺傳力為35.90%，家系遺傳力為74.73%。地下生物量單株遺傳力為21.29%，家系遺傳力為62.65%。

當(dāng)入選率為10%時(shí)，M6 橡膠含量的響應(yīng)和遺傳增益最大，分別為4.80、77%；當(dāng)入選率為20%時(shí)，M6 的響應(yīng)和遺傳增益最大，分別為3.80、61%。當(dāng)入選率為30%時(shí)，M6 的響應(yīng)和遺傳增益最大，分別為3.10、50%。

當(dāng)入選率為10%時(shí)，M5 地下生物量的響應(yīng)最大，為3.47，M8 地下生物量的遺傳增益最大，為2.11。當(dāng)入選率為20%時(shí)，M12 地下生物量的響應(yīng)和遺傳增益最大，為3.18、1.99。當(dāng)入選率為30%時(shí)，M12 地下生物量的響應(yīng)和遺傳增益最大，分別為2.93、1.83。

橡膠草輪回選擇育種時(shí)，選擇橡膠含量最大的M6 家系以增加橡膠含量，選擇地下生物量最大的M3家系以增加地下生物量。最后將兩個(gè)家系雜交可能獲得高橡膠產(chǎn)量的橡膠草品系。