蠶豆有限生長習性的遺傳分析與種質篩選

龍玨臣　張繼君　王萍　武云霞　杜成章

摘 要 蠶豆是重要的冷季豆類作物，目前生產中應用廣泛的品種多為無限生長習性，成熟期常發(fā)生倒伏，難以滿足機械化收獲的要求。團隊創(chuàng)制出有限生長習性的蠶豆材料，并通過構建F1、F2、BC1群體進行遺傳分析。雜交F1表型分析結果表明，蠶豆生長習性受核基因調控，與細胞質遺傳無關，且無限生長習性相對有限生長習性為顯性；χ2測驗結果及雜交F2群體的表型分析結果表明，蠶豆生長習性的性狀受1對基因調控，且無限生長習性相對有限生長習性為顯性，BC1群體的表型分析結果進一步印證了F2群體的表型分析結果。創(chuàng)制的有限生長習性材料為蠶豆機械化生產提供了堅實的種質保證，同時厘清了蠶豆生長習性的遺傳規(guī)律，為蠶豆在生長習性方向的育種工作打下了理論基礎。還篩選得到了3個適宜機械化收獲的優(yōu)良蠶豆種質材料。

關鍵詞 蠶豆；生長習性；遺傳分析；種質篩選

中圖分類號：S643.6 文獻標志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.17.012

無限生長習性是豆科作物的主要特點，這可以延長作物生殖生長的持續(xù)時間，在部分生殖器官受損的情況下重新獲得營養(yǎng)和生殖器官，并形成產量[1]，但無限生長習性也導致了營養(yǎng)生長和生殖生長對同化產物的過度競爭，使產量和收獲指數(shù)變得不穩(wěn)定[2]。有限生長習性作物的特征是頂端花序完成分化后莖的生長也隨之停止[3]，這使得株高和倒伏率顯著降低，促進同化產物在營養(yǎng)生長和生殖生長之間更好地分配，從而獲得更穩(wěn)定的收獲指數(shù)[1]。此外，莢果在時間和空間上更加集中，便于田間管理和機械化收獲[4]。目前生產中常用的控制作物株高的方法，仍以噴施植物生長調節(jié)劑為主，但生長調節(jié)劑殘留對農產品質量安全造成了巨大的隱患，還會影響后茬作物的正常生長，不利于土地周年生產。通過育種手段控制作物株高，加快農業(yè)機械化生產進程勢在必行。

蠶豆（Vica fabea.L）是重要的冷季豆類作物之一，是主要的糧食和飼用作物，多年以來，育種家在蠶豆新品種選育特別是高產、高品質、短生育期品種等方面開展了大量工作，但目前生產上主推的蠶豆品種仍以無限生長習性品種為主，成熟期易發(fā)生倒伏，不適宜機械化收獲；同時隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，我國農村勞動力短缺現(xiàn)象日漸顯現(xiàn)，并逐漸成為限制蠶豆產業(yè)發(fā)展的關鍵因素。為應對目前出現(xiàn)的蠶豆機械化收獲難題，筆者通過大量工作創(chuàng)制了一批有限生長習性的蠶豆品系，為打破生長習性的制約提供了物質基礎。目前關于蠶豆有限生長習性的遺傳規(guī)律研究較少，因此本研究通過課題組現(xiàn)有材料構建了F1、F2和BC1群體，對蠶豆生長習性的遺傳規(guī)律進行探究。

1? 材料與方法

1.1? 試驗材料

本研究采用的是課題組自有的穩(wěn)定親本材料：GS-40（有限生長習性）和2016-327（無限生長習性）。通過GS-40×2016-327的正、反交構建F1、F2群體和BC1群體。GS-40為有限生長習性，結莢位靠植株上部，集中在頂端，株型緊湊直立。2016-327為無限生長習性材料，結莢位在中上部，株高較高。

1.2? 試驗方法

親本材料于2018年秋季種植在隔離大棚中，2019年春季配置GS-40×2016-327正、反交組合，并于當年獲得正、反交F1群體。2019年秋季將獲得的F1群體種植于隔離大棚令其自交，于2020年春季開展回交，當年獲得F2群體及BC1群體。在各世代成熟期前，對頂端分化情況進行觀察判定其生長習性，應用遺傳學方法記錄各群體生長習性的分離比，并應用χ2測驗進行分析。

1.3? 遺傳數(shù)據(jù)分析

本研究中χ2值的計算公式：

式（1）中，Ai為F2代第i個分離性狀觀測值，npi為預測F2代第i個分離性狀預期值，k為分離性狀總個數(shù)。采集的分離性狀數(shù)據(jù)在EXCEL中進行統(tǒng)計，χ2測驗采用SPSS軟件進行。

1.4? 種質篩選

2021年將課題組現(xiàn)有的76個有限生長習性蠶豆材料按單株種植于重慶市農業(yè)科學院渝西作物實驗基地，每個單株形成株行種植，行距50 cm，穴距25 cm，每穴2苗。參考《蠶豆種質資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》進行記載，于成熟期對各株行的莢質、莢姿、株高、分枝數(shù)、主莖節(jié)數(shù)、單株莢數(shù)、單莢粒數(shù)、百粒重及株行產量進行考察（見表1）。從中篩選高產、軟莢的有限生長習性的優(yōu)質種質材料。

2? 結果與分析

2.1? 親本穩(wěn)定性檢驗

本研究中的2個親本材料（GS-40和2016-327）在2017年分別通過隔離自交獲得自交F1群體，2018年考察F1群體表現(xiàn)生長習性。結果表明，GS-40自交F1群體共計107個，均表現(xiàn)為有限生長習性；2016-327自交F1群體共計143個，均表現(xiàn)為無限生長習性。通過穩(wěn)定性測驗，表明本研究中的親本遺傳穩(wěn)定性良好，可用于后期遺傳分析配置雜交組合。

2.2? 雜交F1群體生長習性表現(xiàn)

通過對GS-40×2016-327正反交F1群體的生長習性表現(xiàn)進行觀察統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，正反交獲得的所有F1個體均表現(xiàn)為無限生長習性，正反交結果一致。這表明蠶豆生長習性受核基因調控，與細胞質遺傳無關，且無限生長習性相對有限生長習性為顯性（表2）。

2.3? 雜交F2群體生長習性表現(xiàn)

于始莢期對F2群體的生長習性進行統(tǒng)計，其中GS-40×2016-327組合共獲得292個單株，有限生長習性的有64個，無限生長習性的有228個，分離比為1∶1.36。2016-327×GS-40組合共獲得217個單株，有限生長習性的為58個，無限生長習性的為159個，分離比為1∶2.7。χ2檢驗結果表明，兩個組合群體的分離比均小于[χ20.05]=3.84，因此通過χ2檢驗可確定兩個組合的分離比符合1∶3。這表明，生長習性的性狀受1對基因調控，且無限生長習性相對有限生長習性為顯性（見表3）。

2.4? BC1群體生長習性表現(xiàn)

利用有限親本和無限親本分別與正反交F1群體展開回交獲得BC1群體，其中（GS-40×2016-327）×GS-40獲得54個單株，其分離比為1∶1.25；（GS-40×2016-327）×2016-327獲得62個單株，均為無限生長習性。（2016-327×GS-40）×GS-40獲得69個單株，分離比為1∶1.16；（2016-327×GS-40）×2016-327獲得57個單株，均為無限生長習性。通過χ2檢驗對BC1分離群體的分離比進行測驗，結果顯示均小于[χ20.05]=3.84，分離比符合1∶1。這表明有限生長習性不受細胞質基因調控，而受1對核基因調控，且無限生長習性為顯性，也進一步證明了F2群體中得到的結果（見表4）。

2.5? 種質篩選

于成熟期對76個株系進行了室內考種，結果表明，單株產量在30 g以上的有17個材料，百粒重在90 g以上的材料有23個，適宜機械化收獲的軟莢材料共23個，底莢高度大于15 cm的材料26個；其中同時滿足以上條件的材料有3個，分別為YS-1、YS-13和YS-56，這3個種質材料產量高，又適宜機械化收獲（見表5）。

3? 小結與討論

有學者認為生長習性是受少數(shù)基因控制的質量性狀[5-6]，關于大豆的研究中，有限生長習性的材料與無限生長習性的材料雜交后，F(xiàn)1代表現(xiàn)為無限生長習性，這表明在大豆中無限生長習性相對于有限生長習性表現(xiàn)為顯性，這一點與本研究結果是一致的[7]。筆者猜想，這一現(xiàn)象是否在豆科作物中普遍存在，還需要進一步試驗驗證。本研究結果表明蠶豆有限生長習性受單基因調控，這與大豆的相關研究結果一致[7]。有的作物生長習性還會受光周期影響，在光照不足或光周期明顯縮短的情況下，表現(xiàn)出明顯的無限生長特性；而光周期適宜時，表現(xiàn)為有限生長習性[8-10]。本課題組在長期實踐中并未發(fā)現(xiàn)蠶豆的生長習性受光周期調控的案例，在對不同緯度的適應性鑒定中，僅表現(xiàn)為株高和節(jié)間長度的差異。針對這一差異，課題組將持續(xù)關注并開展相關研究。

蠶豆生長習性的相關研究目前還處于起步階段，生產中的大部分蠶豆品種為無限生長習性，機械化收獲難題亟待解決。隨著農業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展加快，農村勞動力短缺嚴重，機械化生產必然是農作物收獲的主要方式。目前，缺乏適宜機械化收獲的品種是限制蠶豆產業(yè)高質量發(fā)展的一個主要問題。本研究通過構建遺傳群體對蠶豆生長習性進行了遺傳分析，厘清了有限生長習性的遺傳規(guī)律。同時本研究中的有限生長習性親本材料可以作為穩(wěn)定的品系改良成為適宜機械化收獲的品種，為蠶豆機械化收獲打下物質基礎。此外，篩選創(chuàng)制了一批有限生長習性的材料，從中篩選得到3個具有重大開發(fā)價值的種質材料，將在今后的蠶豆產業(yè)宜機化發(fā)展進程中扮演重要角色。

本研究采用的親本材料（GS-40和2016-327）系穩(wěn)定材料，可用于后續(xù)研究。雜交F1群體生長習性均表現(xiàn)為無限生長習性，這表明蠶豆生長習性受核基因調控，與細胞質遺傳無關，且無限生長習性相對有限生長習性為顯性。雜交F2生長習性的分離比符合1∶3，表明蠶豆生長習性的性狀受1對基因調控，且無限生長習性相對有限生長習性為顯性。2個BC1群體的生長習性分離比均符合1∶1，這表明有限生長習性不受細胞質基因調控，而受1對核基因調控，且無限生長習性為顯性，F(xiàn)2群體的分離結果和BC1群體的分離結果相互印證。綜上所述，蠶豆有限生長習性受1對核基因調控，而不受細胞質基因調控，且無限生長習性為顯性。篩選得到3個適宜機械化收獲的優(yōu)良材料，分別為YS-1、YS-13和YS-56。

參考文獻：

[1]? AVILA C M， ATIENZA S G， MORENO M T， et al. Development of a new diagnostic marker for growth habit selection in faba bean （Vicia faba L.） breeding[J]. Theoretical and Applied Genetics， 2007， 115（8）： 1075-1082.

[2]? HUYGHE C. Genetics and genetic modifications of plant architecture in grain legumes： a review[J]. Agronomie， 1998， 18： 383-411.

[3]? FILIPPETTi A. Inheritance of determinate growth habit induced in Vicia faba major by ethyl methane sulphonate （EMS）[J]. Fabis News， 1986， 15： 12-14.

[4]? 范淑英，張彥斌，谷成日，等.摘心對菜用蠶豆生長的影響[J].長江蔬菜，2006（3）：43.

[5]? BERNARD R L. Two genes affecting stem termination in soybean[J]. Crop Science， 1972， 12： 235-239.

[6]? 胡喜平，趙海紅，郭泰，等.半矮稈大豆育種組配方式的研究[J].大豆科學，2009，28（5）：935-937.

[7]? LIU B， WATANABE S， UCHIYAMA T， et al. The soybean stem growth habit gene Dt1 is an ortholog of arabidopsis TERMINAL FLOWER1[J]. Plant Physiology， 2010， 153： 198-210.

[8]? 吳存祥，劉金，李興宗，等.扁莖大豆的花序形態(tài)受光周期調控[J].中國油料作物學報，2004，26（1）：36-41.

[9]? LI X M， WU C X， MA Q B， et al. Morphology and anatomy of the differentiation of flower buds and the process of flowering reversion in soybean cv. Zigongdongdou[J]. Acta Agronomica Sinica， 2005， 31： 1437-1442.

[10]? XU M， XU Z， LIU B， et al. Genetic variation in four maturity genes affects photoperiod insensitivity and PHYA-regulated post-flowering responses of soybean[J]. BMC Plant Biology， 2013， 13： 91.

（責任編輯：易? 婧）

收稿日期：2023-05-13

基金項目：重慶市農業(yè)科學院績效激勵引導專項項目（cqaas2021jxjl05）；國家產業(yè)技術體系（CARS-08）；重慶市技術創(chuàng)新和應用發(fā)展專項重點項目（cstc2021jscx-gksbX0011）；重慶市作物種質永川豆類高粱蕎麥資源庫（ZWZZ2020012）。

作者簡介：龍玨臣（1991—），男，重慶合川人，碩士，副研究員，主要從事豆類作物遺傳育種及植保研究。E-mail： longjuechen@163.com。

*為通信作者，E-mail： duchengzhang@qq.com。