辣椒雄性不育系的篩選與鑒定

摘 要：將細(xì)胞質(zhì)雄性不育機(jī)制應(yīng)用于辣椒育種工作，可加快辣椒雜交種的生產(chǎn)及利用雜種優(yōu)勢(shì)來(lái)提高辣椒產(chǎn)量和品質(zhì)，并降低制種成本。在眾多F2代辣椒中篩選鑒定出雄性不育源（HG），通過(guò)切片分析不育株辣椒細(xì)胞組織的發(fā)育情況，進(jìn)一步篩選鑒定出辣椒的雄性不育株。同時(shí)，選用性狀優(yōu)良的父本與篩選出的不育株進(jìn)行雜交、回交育種，為辣椒三系育種提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：辣椒；雄性不育；切片；雜交

中圖分類號(hào)：S641.303 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1674-7909（2024）7-59-4

DOI：10.19345/j.cnki.1674-7909.2024.07.013

0 引言

辣椒（Capsicum annuum L.）為茄科（Solanaceae）辣椒屬（Capsicum）一年生或有限多年生草本或灌木植物，因其獨(dú)特的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值而深受消費(fèi)者喜愛(ài)［1］。2022年，貴州省辣椒種植面積約為36.2萬(wàn) hm2。

細(xì)胞質(zhì)雄性不育（cytoplasmic male sterility，CMS）在辣椒F1代雜交育種中發(fā)揮著重要作用。雄性不育（male sterility）是指植物在生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，產(chǎn)生的雄配子沒(méi)有正?？捎倪z傳功能［2］。植物雄性不育是一種對(duì)植物自身不利的性狀，但因其能與正?；ǚ凼芫Y(jié)實(shí)，在雜交育種方面又具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)［3］。植物雄性不育主要特征是小孢子發(fā)育異常，花粉萌發(fā)逐漸變?nèi)跎踔羻适劝l(fā)功能［4］。雄性不育現(xiàn)象基本發(fā)生在植物界。目前，至少在43科162屬320個(gè)種和297個(gè)種間雜交種中發(fā)現(xiàn)雄性不育現(xiàn)象［5］。

作物雜種優(yōu)勢(shì)在生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用，后代產(chǎn)量比親本產(chǎn)量高15%～50% 。目前，雜交育種已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，如在辣椒、玉米、油菜籽、高粱、向日葵等的生產(chǎn)中均用到雜種優(yōu)勢(shì)。然而，作物花朵去雄問(wèn)題是限制雜種優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用的難題之一。作物花朵去雄會(huì)消耗大量的人力、物力和財(cái)力，而要解決這個(gè)問(wèn)題的最好方法是篩選雄性不育系來(lái)進(jìn)行育種［6］。在辣椒細(xì)胞質(zhì)雄性不育方面，已有學(xué)者進(jìn)行了大量研究。例如，李瑩瑩等［7］認(rèn)為敗育在減數(shù)分裂的任何時(shí)期都有可能發(fā)生，且敗育方式不同，主要表現(xiàn)形式為絨氈層異常發(fā)育；Wang等［8］在不育系138A中篩選出強(qiáng)候選基因。目前，此技術(shù)辣椒三系育種中的實(shí)際應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究?；诖耍P者通過(guò)田間試驗(yàn)來(lái)選育出新的辣椒不育系，以期為辣椒產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供一定參考。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

于2020—2021年在海南大學(xué)農(nóng)科基地開(kāi)展試驗(yàn)。該地屬熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫為24.8 ℃。由于溫度適宜，1 a可種植兩茬辣椒。

1.2 試驗(yàn)材料

所用到的試驗(yàn)材料均為筆者所在的課題組在網(wǎng)上購(gòu)買的純種辣椒，用于篩選不育材料的辣椒品種有HG、SQ、CJHJ、LJ、LST，用于雜交試驗(yàn)的辣椒品種有種質(zhì)5號(hào)、292號(hào)、CH5-19、紅貴-4、292-36、紅貴-1、Ca76、Ca68、Ca130、海紅CH2、Ca40、Ca333、Ca250、海紅ch2-17、4-50-1、亮劍-1、Ca46、0102-4-1、0102-4、ZW0074、彩椒88、Ca81、Ca188、Cc48、Cc195、格魯吉亞001、Ca234、Ca343、雜3-jwh、385-非、393、410、Ca161、Ca322、Cb216、Cb430、Cc100、Cc445。在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)辣椒栽培種和試驗(yàn)?zāi)康倪M(jìn)行編號(hào)。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 播種育苗

對(duì)5個(gè)不同品種（HG、SQ、CJHJ、LJ、LST）的辣椒種子進(jìn)行篩選，剔除其中不飽滿和生活力低的種子，并對(duì)辣椒種子進(jìn)行浸種催芽。每個(gè)辣椒品種催芽100粒種子，并恒溫浸種。浸種后放在溫室內(nèi)進(jìn)行催芽，催芽時(shí)要及時(shí)換水，并用紗布包裹后搓洗，待種子露白后播種，播種時(shí)使用的是24孔穴盤(pán)。播種后，將穴盤(pán)放到恒溫實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行培育，并定期澆水。待幼苗長(zhǎng)出6～8片真葉后移栽到基地，每個(gè)品種選擇80株（共400株）長(zhǎng)勢(shì)好的辣椒苗進(jìn)行移栽，移栽前進(jìn)行蹲苗，移栽后要及時(shí)澆水、施肥、防治病蟲(chóng)害等。

1.3.2 篩選不育材料

在移栽的400株辣椒中，篩選出花朵沒(méi)有花粉的辣椒植株（前期只能根據(jù)辣椒花朵是否有花粉來(lái)進(jìn)行初步篩選）。在篩選出無(wú)花粉的辣椒植株后，用鏡檢法對(duì)辣椒花蕾進(jìn)行檢測(cè)，觀察其是否有花粉，從而初步判斷是否為不育的辣椒植株。

細(xì)胞質(zhì)雄性（CMS）不育株能用于辣椒育種，細(xì)胞核雄性（GMS）不育株不能用于辣椒育種。所以，為了進(jìn)一步確定篩選出的辣椒不育株是GMS不育株還是CMS不育株，要對(duì)不育株進(jìn)行雜交授粉，用其他可育辣椒與不育株進(jìn)行雜交，收集后代種子，并進(jìn)行催芽種植，通過(guò)有無(wú)花粉來(lái)判定不育株是GMS不育株還是CMS不育株。

1.4 花粉鑒定

當(dāng)移栽的400株辣椒完全開(kāi)花后，分別鑒別其是否有花粉，最終只找到一株（HG）沒(méi)有花粉，如圖1所示。辣椒不育系植株的外觀與可育系植株不存在差別，二者的主要區(qū)別是有無(wú)花粉。HG可育株花瓣在未開(kāi)放時(shí)很飽滿，待花蕾開(kāi)放后，能清晰看到可育株有很多花粉［見(jiàn)圖1（a）］；HG不育株花瓣還沒(méi)有開(kāi)放時(shí)呈皺縮狀態(tài)，在花瓣完全打開(kāi)后，雄蕊干癟，沒(méi)有花粉［見(jiàn)圖1（b）］。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 雜交試驗(yàn)分析

以辣椒HG不育株為母本，選用優(yōu)良的辣椒品種作為父本進(jìn)行雜交，得到F1代。選擇沒(méi)有花粉的株系，用其與父本連續(xù)回交，得到F2代、F3代、F4代。通過(guò)這種方式得到的后代細(xì)胞核具有父本細(xì)胞核的優(yōu)良特征，即含有隱性的不育核基因（ss）。這是因?yàn)槟感赃z傳是細(xì)胞質(zhì)雄性不育的特性［9］，本身就有不育基因，可以把不育的特征回交轉(zhuǎn)育到優(yōu)良的父本中［10］，從而篩選出穩(wěn)定的不育系和保持系。不同優(yōu)良種質(zhì)與HG的雜交情況見(jiàn)表1。

2.2 切片分析

可育株和不育株系的切片如圖2所示。由圖2可知，辣椒敗育發(fā)生在減數(shù)分裂過(guò)程中，小孢子母細(xì)胞發(fā)育受辣椒細(xì)胞絨氈層的影響，導(dǎo)致小孢子母細(xì)胞不能正常發(fā)育，辣椒細(xì)胞絨氈層因過(guò)度膨大而嚴(yán)重?cái)D壓花粉粒細(xì)胞，導(dǎo)致生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中的減數(shù)分裂過(guò)程發(fā)生異常，從而使辣椒不能形成正常的花粉粒，導(dǎo)致辣椒出現(xiàn)敗育現(xiàn)象，且沒(méi)有花粉的辣椒花蕾切片幾乎沒(méi)有花粉粒形成［見(jiàn)圖2（a）］，而在減數(shù)分裂后期，正常辣椒花蕾的切片有明顯的花粉粒［見(jiàn)圖2（b）］，進(jìn)一步驗(yàn)證篩選出的、沒(méi)有花粉的辣椒植株是雄性不育辣椒株系。

3 結(jié)束語(yǔ)

辣椒敗育發(fā)生在減數(shù)分裂過(guò)程中，由于小孢子母細(xì)胞發(fā)育過(guò)程受辣椒細(xì)胞絨氈層的影響，導(dǎo)致小孢子母細(xì)胞不能正常發(fā)育，細(xì)胞絨氈層過(guò)度膨大會(huì)嚴(yán)重?cái)D壓花粉粒細(xì)胞，導(dǎo)致減數(shù)分裂發(fā)生異常，從而使辣椒不能形成正常的花粉粒。上述過(guò)程是辣椒細(xì)胞質(zhì)雄性不育的形成過(guò)程［11］，該研究中的辣椒可育株和不育株的切片分析結(jié)果與上述論證一致。

筆者在5個(gè)不同品種（共400株辣椒）中篩選出名為HG的辣椒雄性不育株。通過(guò)可育株系和不育株系同一個(gè)發(fā)育時(shí)期的切片對(duì)比分析可知，篩選出的HG是雄性不育辣椒株系，再利用篩選出的不育源與優(yōu)良的父本進(jìn)行回交，并連續(xù)回交3～4代，即可培育出雄性不育系。這與劉紫垠等［12］的研究結(jié)果基本一致；不同的是，劉紫垠等［12］研究時(shí)用到的辣椒不育源是引進(jìn)的，而該研究的不育源是通過(guò)田間試驗(yàn)篩選得到的。下一步，要篩選出保持系和恢復(fù)系，以期為辣椒三系育種提供一定的技術(shù)支持。

辣椒不育系篩選在辣椒三系育種中具有非常重要的作用，有很高的經(jīng)濟(jì)效益。利用細(xì)胞質(zhì)雄性不育法育種可降低成本，提高辣椒產(chǎn)量和品質(zhì)。目前，隨著高通量測(cè)序技術(shù)的快速發(fā)展，為辣椒線粒體基因組、轉(zhuǎn)錄組、蛋白組的測(cè)序和分析提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。未來(lái)，可結(jié)合轉(zhuǎn)錄組、代謝組、蛋白組等組學(xué)和辣椒線粒體基因組來(lái)研究細(xì)胞質(zhì)雄性不育，從而挖掘出更多有價(jià)值的信息，為辣椒育種提供更多有價(jià)值的參考。

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基金項(xiàng)目：貴陽(yáng)市科技計(jì)劃項(xiàng)目（筑科項(xiàng)目〔2022〕3號(hào)）。

作者簡(jiǎn)介：李彩朝（1994—），男，碩士，助理農(nóng)藝師，研究方向：蔬菜育種。

通信作者：譚萍（1986—），女，碩士，農(nóng)藝師，研究方向：蔬菜育種及栽培技術(shù)推廣。