幾種飼用麥類作物遠緣雜交的親和性比較

謝 楠,趙海明,李 源,劉貴波

(河北省農林科學院旱作農業研究所/河北省農作物抗旱研究重點實驗室,河北衡水 053000)

遠緣雜交把不同種、屬的特征、特性結合起來,突破種屬界限,擴大遺傳變異,從而創造新的變異類型或新物種,是創造新物種和選育新品種的一個重要育種技術和方法,是染色體水平上的轉基因工程。尤其在以收獲營養體為目的的飼草育種方面遠緣雜交將是一項重要的育種手段。

對于黑麥,小黑麥與小麥的遠緣雜交已有研究[1-3],多是以小麥為中心,利用黑麥、小黑麥的有益基因在改良小麥抗病性、品質和產量性狀方面進行研究。在小麥及其種間雜交不親和性方面,陳軍營[4]等利用硬粒小麥、小黑麥和黑麥各一個品種研究小麥遠緣雜交的不親和性。在親本組配上,已有采用非飼用品種的二倍體(黑麥)、六倍體(小黑麥、小麥)、四倍體(硬粒小麥)之間作雜交[4-6]。在利用飼用八倍體(小黑麥)與飼用二倍體(黑麥)和飼用六倍體小黑麥、冬小麥雜交進行研究尚未有過相關報導。試驗從遠緣雜交入手,研究立足于為選育收獲營養體的飼草新品種為目的,探討不同麥類作物種類之間的雜交親和性,為今后利用遠緣雜交開展麥類飼草新品種選育研究的田間雜交技術提供重要依據。

1 材料和方法

1.1 供試品種

試驗選用飼用黑麥、飼用六倍體小黑麥、飼用八倍體小黑麥和冬小麥品種各3個(表1)。

1.2 研究方法

1.2.1 試驗地點 試驗于2006年10月～2007年6月,2007年10月～2008年6月進行。試驗地位于河北省深州市護遲鎮的河北省農林科學院旱作農業研究所試驗站進行 ,E 115°42′,N 37°44′,海拔高度20 m,年均降水量510 mm,其中70%的降水集中在7～8月。年平均氣溫12.6℃,無霜期206 d。

1.2.2 試驗方法 分別于2006年10月15日和2007年10月20日造墑播種,施足底肥,尿素 375 kg/hm2,復合肥(N 14%,P 16%和 K 15%)750 kg/hm2,每個材料均播種2行,行長4.2 m,同一品種之間行距30 cm,不同品種之間行距60 cm,返青后結合灌水追施尿素225 kg/hm2。利用12個親本材料,采用人工去雄和授粉的方法以同一類別品種為重復共分3組(表2),同一類別的每個親本材料按照表中所示與其他類別相對應的3個材料進行正反雜交,每1組合兩個穗,共計72個組合,144穗。每個穗子兩側各留中部10個小花,共20個小花。

表1 品種名稱,來源及供種單位Table 1 Names and sources of tested cultivars

表2 試驗品種的分組Table 2 Groups of tested cultivars

待抽穗后田間選擇發育良好、一致,健壯和具有本品種典型特征的主莖穗或大分蘗穗為母本,進行人工整穗、去雄。并選擇與母本花期相近的父本穗對母本穗進行人工授粉,為了克服遠緣雜交的困難,對每個雜交組合中母本穗進行了多次授粉,這與袁漢民[5]在普通小麥遠緣雜交F1代表現型研究中所述相同。雜交后掛牌,注明父母本名稱、去雄日期和授粉日期。

為防止花期不育,對飼用黑麥的抽穗早品種在拔節期進行部分刈割,使再生后的部分植株花期推遲,達到花期相遇的目的。

1.2.3 調查項目及方法 盛花期以田間每品種有80%的植株開花為盛花期;抗倒性在收獲期分為4級,以無(0)、輕(25%)、中(30%)、重(50%)表示倒伏度,植株傾倒45°以上為倒伏;抗病性以田間調查三銹病、葉枯病和白粉病?？砂?級調查:無(0)全株無病、輕(1)基部兩葉片感染、中(2)中部葉片感染、重(3)旗葉及穗部均感染;在收獲后,分別調查記載不同雜交組合籽粒秕瘦和飽滿情況。結實籽粒的飽滿程度分為3級調查:1(飽滿)、2(干癟)、3(極干癟);收獲后,分別調查記載所有雜交組合的結實粒數。

結實率:統計雜交結實粒數,(結實粒數/授粉小花數×100%)。

飽滿度:(飽滿籽粒數/結實籽粒數)×100%。

結實率和飽滿度,用SAS軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 4種飼用麥類的盛花期和抗逆性

從表3可以看出,飼用六倍體小黑麥和飼用八倍體小黑麥達到盛花期的時間最接近,花期相遇可能使組合之間授粉較好,也給結實性創造了先決條件;飼用黑麥和冬小麥之間雖然盛花期的時間也較接近,但由于二者之間親緣關系較遠,結實性相對較弱;飼用六倍體小黑麥、飼用八倍體小黑麥分別和飼用黑麥、冬小麥之間花期有差別,如果在結實性方面出現差異,可能是導致結實率低的原因之一。盡管在試驗過程中人為的采取一些措施,如飼用黑麥類在拔節期進行部分植株刈割,使刈割后的植株花期推遲5 d,但是對于飼用六倍體小黑麥、飼用八倍體小黑麥來說還是未達到花期相遇的目的。

抗倒優性結果顯示(表3),2007年飼用黑麥品種的抗倒優性較差,尤以oklon品種抗倒優性最差,倒伏面積達到了50%以上,其他2個飼用黑麥品種Bates和89R47,也有中度倒伏現象發生,倒伏面積30%。另外,5月22日、23日遇大雨和大風天氣,正值植株生長后期,也是導致倒伏的原因。其他3類麥類無倒伏現象發生,抗倒優性較好;2008年參試的各品種都無倒伏現象發生(與當年的氣象因素有關)。

2年參試的各冬小麥品種均發生了不同程度的病害。而其他3類麥類作物均未發現有感染三銹病和白粉病,抗病性較好。飼用小黑麥作為黑麥屬和小麥屬物種經屬間有性雜交和雜種染色體數加倍而人工合成的新物種有著父母本的優良性狀,體現出了較強的雜種優勢。表現出抗倒、抗病性強的優良性狀。

表3 4種飼用麥類各品種的花期和抗逆性Table 3 The flowering period and stress resistance of 4 forage triticeae cultivars

2.2 4種飼用麥類不同組合的雜交結實率和飽滿度

不同組合的平均結實率6個組合平均結實率之間存在顯著差異(表4),因飼用六倍體小黑麥×飼用八倍體小黑麥平均結實率最高,達到53.86%,在所有組合中該組合雙親親緣關系最近。飼用六倍體小黑麥×冬小麥、飼用八倍體小黑麥×冬小麥和飼用黑麥×飼用六倍體小黑麥、飼用黑麥×飼用八倍體小黑麥之間平均結實率稍高,親緣關系較近;但前2個組合的平均結實率明顯高于后2個組合的平均結實率,表明冬小麥較飼用黑麥的親和性可能更強。飼用黑麥×冬小麥之間平均結實率最低,為10.21%,雙親的親緣關系較遠;飼用黑麥×飼用六倍體小黑麥、飼用黑麥×飼用八倍體小黑麥和飼用黑麥×冬小麥三者平均結實率在0.05和0.01水平下無顯著差異。結果表明遠緣雜交的結實率與雙親的親緣關系遠近相關,親緣關系較近的結實率較高。

不同組合正交和反交結實率,各組合之間都存在差異,有的組合正交和反交之間差異顯著,有的組合差異不顯著。同一組合正交和反交結實率之間存在差異的組合,如飼用八倍體小黑麥×冬小麥反交結實率為37.92%,而正交組合結實率為13.96%;飼用六倍體小黑麥×冬小麥反交結實率為50.63%,而正交組合為31.88%。陳軍營[4]在小麥及其近緣種間雜交的不親和性及其F1籽粒性狀研究中提到,雖然一些雜交組合正、反交都能受精結實,但由于核與質的互作不同造成正、反交之間存在較大差異,本試驗所得結論與該研究基本相同。

從結實籽粒的總飽滿度分析,不同組合差異顯著。飼用黑麥×冬小麥組合最高,飼用六倍體小黑麥×飼用八倍體小黑麥組合次之,但兩組合在0.05和0.01水平無顯著差異,飼用八倍體小黑麥×冬小麥組合總飽滿度最低,僅為4.08%,出現干癟籽粒居多。

表4 不同組合的雜交結實率和飽滿度Table 4 The seed setting rate and plumpness of different cross combinations

各組合無論正反交,收獲的種子都有出現干癟現象,有的組合飽滿度很低,是由于遠緣雜交使種子不能形成正常的胚而敗育,有相關研究報道在植物遠緣雜交中出現的異常染色體行為,從而導致雜交結實率降低以及代謝紊亂和種子皺縮等現象[7-8]。

不同組合正交和反交的飽滿度之間存在顯著差異,以飼用黑麥×冬小麥反交組合飽滿度最高(62.96%),飼用六倍體小黑麥×飼用八倍體小黑麥反交組合次之,飼用八倍體小黑麥×冬小麥正、反交組合飽滿度都較低,尤以反交組合最低(僅為0.61%),且這一組合正、反交之間在0.01水平無顯著差異。

綜合雜交結實率和飽滿度的分析,飼用六倍體小黑麥×飼用八倍體小黑麥之間雜交結實率和飽滿度都較高(尤以反交最為突出),親和性好;其雙親親緣關系相對最近。飼用黑麥×冬小麥雜交結實率最低,親和性差,雙親親緣關系較遠;但籽粒飽滿度相對較高,說明結實率與飽滿度之間的相關關系不明顯。因此,遠緣雜交的親和性主要取決于雙親親緣關系的遠近。

2.3 不同品種的雜交親和性

飼用黑麥類3個品種與其他類別品種雜交后,oklon品種結實率相對較高,表現較好,89R47飽滿度較高與Bates分別和冬小麥類組合后飽滿度達到了50%,但結實率偏低,尤以Bates最為突出,也表明結實率和飽滿度的相關關系不明顯。oklon品種在3類組合中親和性較好,Bates相對較差(圖1)。

飼用六倍體小黑麥類與其他類別組合后,結實率中新830最高,尤其在與飼用八倍體小黑麥組合中達到了60%,NSHW11品種結實率和飽滿度相對較高,NTH1888組合后飽滿度雖然較高,但結實率較另2個品種低。綜合以中新830品種較好,NSHW11品種次之(圖2)。

勁松81品種在飼用八倍體小黑麥類與其他類別組合后,結實率最高,飽滿度較93761次之,93755的結實率和飽滿度相對較低(圖3)。

冬小麥類各品種與其他類別雜交后,良星99品種的綜合結實率最高,但飽滿度偏低,衡雜3號結實率和飽滿度都較高,表現較好,衡5229的飽滿度雖高,但結實率偏低,其與黑麥類組合后的結實率僅5%(圖4)。

試驗所用4類12個品種中,oklon、中新 830、勁松81和衡雜3號品種親和性相對較好。表明同類不同品種之間的遠緣雜交親和性存在明顯差異。因此,在實際利用過程中,為保證遠緣雜交的成功率要注意通過試驗加以鑒定選擇親和性好的品種。

3 小結

因受品種本身生長發育特性影響,飼用黑麥類品種生育進程較快,由于莖稈細弱抗倒性相對較差,但抗病性表現較好;冬小麥品種抗病性較差;飼用小黑麥類品種兼有飼用黑麥和冬小麥的優良性狀,表現出了較好的抗逆性。飼用六倍體和飼用八倍體小黑麥因盛花期相近,花期相遇程度高,授粉較好結實性強。

通過對飼用黑麥、飼用六倍體、飼用八倍體小黑麥、冬小麥雜交結實率和結實籽粒飽滿度的分析可得出:(1)親緣關系較近的類別之間雜交結實率高,親和性好;反之結實率低,親和性較差。飼用六倍體小黑麥×飼用八倍體小黑麥平均結實率最高,其中,尤以反交最為突出;而飼用黑麥×冬小麥之間平均結實率最低。前者親緣關系較近,后者親緣關系較遠。符合遺傳學的一般規律;(2)由于核與質的互作不同造成同一組合正反交之間結實率存在較大差異;(3)飼用六倍體×飼用八倍體小黑麥組合總飽滿度較高,飼用黑麥×冬小麥組合總飽滿度最高,但結實率偏低,說明結實率與飽滿度之間的相關關系不明顯。結實籽粒飽滿度的差異與親和性有一定的關系,但雜交種子有無生命力,胚能否生成很難判斷,需對后代繼續種植進行判斷,值得進一步的研究和討論;(4)同一類別不同品種之間與其他類別雜交親和性存在明顯差異。這可能是由于同一類別不同品種遺傳學上的細微差異所致。

今后開展此類研究工作應注意:(1)由于同一組合正反交之間存在差異,在試驗中應注意選擇確定哪個親本作母本;(2)同一類別不同品種與其他類別品種進行雜交,品種間也存在差異,應通過試驗加以鑒定選擇親和性較強的品種進行雜交;(3)仍需進一步研究組合的去雄、授粉時間及授粉次數對雜交結實性所帶來的影響;(4)探討解決花期不育的措施,例如:錯期播種;早春發育快品種在拔節期進行部分植株的刈割等。

試驗中同類別不同品種間受到花期不遇、授粉時間與授粉次數或其他物候因素的作用,都會對試驗結果產生一定程度的影響。而且,試驗只是對當代的結實情況進行分析,為了使試驗結果更為準確可靠,應將當代所得雜交種子在下一年進行種植,觀察后代表現以判斷雜交成功與否,來進一步推斷親和性。

[1]吳金華,吉萬全,李鳳珍.黑麥在小麥改良中的應用研究進展[J].麥類作物學報,2005,25(1):115-119.

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[3]張紅,王萬新,劉麗云.小黑麥在小麥遺傳改良中的應用[J].安徽農學通報,2007,13(2):107-108.

[4]陳軍營,馮林劍,舒文濤,等.小麥及其近緣種間雜交的不親和性及其F1籽粒性狀研究[J].河南農業科學,2006,12:16-19.

[5]袁漢民,王小亮,陳東升,等.普通小麥遠緣雜交 F1代表現型研究[J].植物遺傳資源學報,2005,6(4):377-380.

[6]趙鳳梧,李慧敏,劉冬成,等.普通小麥與硬粒小麥種間雜交培育抗干熱風新種質研究[J].河北農業科學,2005,9(3):15-21.

[7]李常保,劉艷華,桂長青,等.普通小麥與粗山羊草正反交育性機理的胚胎學研究[J].作物學報,2002,28(2):170-174.

[8]HU Shi Yi.Angiosperm embryology[M].Beijing:People's Education Press,1982.