苜蓿雄性不育系雜交組配組合光合生理特性及雜種遺傳力研究

烏云塔娜, , , ,

(內蒙古農業大學草原與資源環境學院, 內蒙古 呼和浩特010019)

光合作用是植物生長發育的基礎，是植物體內碳元素來源的重要途徑[1-2]，同時也是提高植物株產量的生理基礎之一。植物個體與群體的光合作用最終決定植株的生長發育特性和產量品質各項指標的形成[3]，也是光合作用研究一直廣泛受重視的原因。光合作用是在一定的天氣條件下，植物的各生理生態元素綜合效應的最終體現[4-6]，作物中90%(95%的干物質來自于光合作用的產物[7]。因此，光合作用的結果是分析植株產量限制因素的重要依據之一[8]。光合作用中的許多生理生化性狀均在不同程度上表現出雜種優勢。

雜種遺傳力是指應用于雜交群體某性狀的遺傳力，其大小隨著雜交次數的增加而增加。吳仲賢[9]的“雜種優勢的遺傳力理論(HTH)”，以計算雜種遺傳力與雜種優勢效應，對雜交育種中的問題和預測純系品種雜交的后果進行了解釋。雜種遺傳力作為一個新的遺傳參數，其變異范圍是0～1，與重復力、遺傳力、遺傳相關這3個純系育種的參數并列為第4個遺傳參數。該理論的實踐意義在于，只需一個世代即可估計雜種遺傳力，比純系育種節省了50%的時間及人力與物力；與盲目雜交相比，可以節省50%的投入。

本研究通過分析測定苜蓿(Medicagosativa)雄性不育系組配出的強優勢組合的光合生理特性和雜種遺傳力，研究光合特性和雜種遺傳力與雜種優勢間的相關性，為苜蓿育種中雜交組配出更多高產、高抗的強優勢雜交組合提供重要的理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究在中國農業科學院草原研究所國家多年生牧草種質資源圃進行。研究區域位于內蒙古自治區呼和浩特市西南約27 km的土默特左旗沙爾沁鄉，地處大青山南麓的土默川平原。地理坐標為東經111°45′，北緯40°36′，海拔1 065 m，屬中溫帶半干旱大陸性季風氣候。其主要氣候特征是降雨量少，蒸發量大，冬季漫長嚴寒，夏季短暫炎熱。年平均氣溫5.6℃，7月份極端最高氣溫為37.3℃，1月份極端最低溫度為-32.8℃，年均日照2 876.6 h，≥10℃的活動積溫在2 700℃以上。無霜期約130 d，初霜期出現在9月中旬，終霜期出現在5月中旬。年均蒸發量1 870.3 mm，降水量400 mm左右，主要集中在7，8，9三個月。土壤類型為砂壤土，pH 8.5左右，有機質平均含量為0.6%，肥力中等，具備灌溉條件，栽培管理同大田。

以6個苜蓿雄性不育系為母本(表1)，選擇14個具有突出優良性狀的品種為父本(表2)，采用不完全雙列雜交(NCⅡ)設計配制84個雜交組合，以雜交組合配合力聚類分析結果和雜種優勢表現為基礎，從強優勢組合中選擇具有代表性的7個雜交組合及其親本進行光合特性及雜種遺傳力分析。

1.2 試驗方法

現蕾期測定每單株牧草產量(干草產量)、株高、分枝數等主要農藝性狀，以牧草產量計算其雜種遺傳力，并預算各雜交組合的雜種優勢效應和雜種遺傳力。

1.2.1光合生理特性測定 于苜蓿分枝期，選擇天氣晴朗的一天，在7:30—19:30間每隔3小時選擇生長發育良好的植株，各株隨機取樣5片完整的葉片，連續3天重復測定各雜交組合及其親本的光合生理特性指標，取其平均值。測定的光合特性指標包括凈光合速率(Pn)，蒸騰速率(Tr)，葉片水分利用效率(WUE)等。

表1 苜蓿雄性不育系代號及來源Table 1 Code of alfalfa male sterile line and source

注：2(5)表示Ms-4×草原1號雜花苜蓿后代中選育的第5株不育株，4(3)表示Ms-4×(Ms-4×新疆大葉苜蓿)后代中選育的第3株不育株

Note：2(5) represents the fifth sterility strain of ms-4 ×MedicagovariaMartin‘Caoyuan No.1’and 4(3) represents the third sterility strain of ms-4 ×(ms-4 ×M.sativa‘Xinjiang Daye’)

表2 父本材料代號及品種Table 2 Code name of male parent material and variety

1.2.2雜種優勢效應 中親優勢(%)= (F1-MP)/MP×100%；式中MP表示雙親產量性狀表型的平均值。雜種遺傳力計算：按照吳仲賢提供的公式[10]，對雜交組合在第一茬干草產量的表現進行雜種遺傳力的計算分析。從雜種優勢的定義出發：

H = F1 -MP，

其中, H =雜種優勢, F1 為雜種一代, MP 為親本平均數或中親。由一個二項分布隨機變數及其推廣至多項分布推導出雜種優勢的公式：

VF1= Na2/2 +Nd2/4+VI(F1)

加性 顯性 F1 上位

VMP= Na2/2+VI/2

加性 親代上位

VH= Nd2/4 +VI(F1 )+VI/2

顯性 F1 上位親代上位

在此N =控制性狀的基因數, a =(Pi -Pj) 2 , d =離中親的偏差, 而各方差則如方程底部所列。狹義雜種遺傳力：

χH2=(1/2)N2/VF1

其中, VF1是F1 的方差, N 是控制某個性狀的基因數。

雜種優勢率：H .P .=VH/VF1

1.3 數據分析

利用Excel 2016對所有數據進行數據的預處理和圖表繪制，然后用SAS 9.0進行處理與方差分析。

2 結果與分析

2.1 雜交組合及其親本凈光合速率(Pn)日變化

各苜蓿雄性不育系以及父本材料的凈光合速率(圖1)均表現為“雙峰”曲線(10:30和16:30)。另外在13:30左右出現了光合“午休”現象，而晚上均較低；其中不育系2號、10號以及父本材料I 、II和III的峰值表現均上午高于下午。7個強優勢雜交組合的日均凈光合速率變化也表現為“雙峰”曲線，峰值也分別出現在10:30和16:30左右，夜晚多為負值。

圖1 雜交親本及其雜交組合凈光合速率(Pn)日變化Fig.1 Net photosynthetic rate (Pn) change of hybrid parent and Hybrid combination

2.1.1雜交組合凈光合速率中親優勢率表現 由圖2可見，在7個強優勢組合中， 12×I的日均凈光合速率中親優勢率表現最高且為正值(5.37%)，其他組合均為負值。

圖2 雜交組合凈光合速率中親優勢率Fig.2 The rate of parental dominance in net photosynthetic rate of hybrid combinations

2.2 雜交組合及其親本蒸騰速率(Tr)日變化

9個雜交親本的蒸騰速率日變化呈“單峰”曲線，出現峰值和低谷的大小和時間有明顯差異(圖3)。其中10號不育系和III、M2父本材料在13:30左右出現高峰值，其余雜交親本的高峰值出現在10:30左右。綜合來看，13號不育系的凈光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)在所有親本中均是最大值。7個強優勢組合的蒸騰速率日變化也都呈“單峰”曲線，其中2×II，2×III和10×M6等3個組合的峰值出現在10:30左右，其余組合出現在13:30左右。

圖3 雜交親本及其雜交組合蒸騰速率(Tr)日變化Fig.3 Diurnal change of transpiration rate (Tr) of hybrid parents and their cross combinations change

2.2.1雜交組合蒸騰速率中親優勢率表現 7個強優勢組合的日均蒸騰速率中親優勢率均表現為負值(圖4)，其中雜交組合12×III的值顯著高于其它組合(P< 0.05)。

圖4 雜交組合蒸騰速率中親優勢率Fig.4 The rate of parental dominance in the transpiration rate of the hybrid combinations

2.3 雜交組合及其親本葉片水分利用效率(WUE)變化

由圖5表明，2號、13號不育系和III號父本的水分利用效率日變化呈 “雙峰”曲線，峰值出現在每日10:30和16:30。而10號，12號不育系和II，M2，M6父本材料的水分利用效率日變化為“單峰”曲線。其中父本材料M6的最高峰值在13:30；父本材料I的數值從10:30至16:30基本沒有改變。另外，除13號不育系，其余父本的水分利用效率均高于各不育系。7個雜交組合中13×M2和12×III的水分利用效率(WUE)變化呈“雙峰”曲線。兩次峰值分別出現在10:30和16:30。其余組合的水分利用效率(WUE)變化呈“單峰” 曲線。其中12×I雜交組合的峰值10:30。2×II，2×III組合的峰值在13:30左右,13×III和10×M6組合的峰值在16:30左右。

2.3.1雜交組合水分利用效率中親優勢率表現 除雜交組合13×III(-10.00%)外其余6個雜交組合日均水分利用效率中親優勢率均表現為正值(圖6)。其中雜交組合13×M2的值顯著高于其它雜交組合(P< 0.05)。

2.4 光合生理特性與主要農藝性狀相關分析

7個強優勢組合的光合生理特性與主要農藝性狀相關性分析表明(表3)，雜交組合干草產量和為產量性狀主要影響因素的株高與水分利用效率間均呈顯著正相關關系。由此可見，在等量水分的消耗中，水分利用效率較高時，其合成的干物質量較大，即其產量就會相對較高。表明水分利用率可直接影響牧草產量和株高的表現。

表3 苜蓿雜交組合光合生理特性與產量性狀的相關系數Table 3 Photosynthetic physiological characteristics and yield of correlation coefficient of alfalfa hybrid combinations

注：*表示在0.05水平上差異顯著，**表示在0.01水平上差異顯著

Note：*indicates significant difference at the 0.05 level and **indicates significant difference at the 0.01 level, respectively

2.5 雜交組合雜種遺傳力與雜種優勢效應表現

對7個雜種優勢效應最為明顯的雜交組合進一步進行產量性狀雜種遺傳力分析發現(表4)，雜種遺傳力值的變異范圍均在0～1之間，其中雜交組合2×Ⅱ的雜種遺傳力最高(0.6129)，同時其雜種優勢效應值也最高(52.10%)；其次是雜交組合10×M6，12×Ⅰ的雜種遺傳力均高于0.5，其雜種優勢效應也明顯高于其他組合。雜種遺傳力和雜種優勢效應均最低的組合為13×M2(0.0789和24.01%)。

表4 苜蓿雜交組合雜種遺傳力Table 4 Hybrid heritability of alfalfa hybrid combinations

為深入了解雜種遺傳力與雜種優勢之間的相關關系，對雜交組合產量雜種遺傳力與雜種優勢效應進行相關分析發現(表5)，雜交組合雜種遺傳力與雜交組合特殊配合力、雜種優勢率和雜種優勢效應間存在不同程度的相關性。雜交組合雜種遺傳力與雜種優勢效應間存在極顯著正相關，與雜交組合特殊配合力間相關不顯著，而與雜種優勢率呈負相關趨勢。結果表明，雜種遺傳力可對雜種優勢效應有直接影響。

表5 苜蓿雜交組合雜種遺傳力與雜種優勢的相關系數Table 5 Alfalfa hybrid combinations of heterosis of hybrid genetic force and correlation coefficient

注：*表示在0.05水平上差異顯著，**表示在0.01水平上差異顯著

Note：*indicates significance at the 0.05 level and ** indicates significance at the 0.01 level probability levels, respectively

3 討論

3.1 雜種優勢與光合生理特性相關性

光合作用作為植物干物質生產的基本生理代謝過程，可能是苜蓿牧草產量雜種優勢表現形成的生理基礎。從本研究的各雜交組合光合生理特性的雜種優勢表現可知：凈光合速率的雜種優勢表現中，雜交組合12×I的中親優勢率值大于零，且顯著高于其余雜交組合(P<0.05)，同時凈光合速率的日均值也是最大。表明在相同的環境條件下，雜種優勢強的組合同化CO2的能力也強；蒸騰速率的雜種優勢表現中，雜交組合12×III的中親優勢率最高，且顯著高于其他組合(P<0.05)，組合的蒸騰速率也最大。由此說明，蒸騰速率呈正向優勢。而雜交組合的水分利用效率則呈負向優勢，說明在消耗等量的水分條件時，其生成的干物質量較少，因此需要消耗更多的水分來獲取較多的干物質。表明雜交組合與其親本相比較，水分的利用率相對較高。

3.2 雜種遺傳力與雜種優勢相關性

雜交育種在育種工作中被視為較為方便、快捷的方法之一。而雜種遺傳力概念的引入，使許多在純系育種中所應用的公式可以被推廣到雜交育種中去，使數量遺傳學與雜交組配的理論相統一[11]。本研究對雜交組配組合進行了產量性狀雜種遺傳力的分析發現，雜種遺傳力在雜交組配中具有雜種優勢的潛在能力，是組配出強優勢雜交組合的重要參考依據。雜交親本的雜種遺傳力與雜種優勢呈顯著正相關。雙親中至少有一個雜種遺傳力較高時，盡管其雜交組合的雜種遺傳力不是最高，也可以組配出雜種優勢較高的雜交組合。相反，利用雜種優勢力低的親本組配時，即使組合的雜種遺傳力相對較高,也難有較強的雜種優勢效應。雜交組合的雜種遺傳力與雜種優勢效應間存在極顯著正相關，因此雜種遺傳力可對雜種優勢效應有直接影響。

4 結論

從雜交組合各光合生理特性雜種優勢效應表明，凈光合速率雜種優勢為正向優勢，雜交組合12×I的中親優勢率值大于零，且顯著高于其余雜交組合(P<0.05)，同時凈光合速率的日均值也是最大。表明在相同的環境條件下，雜種優勢強的組合同化CO2的能力也強。

7個雜交組合蒸騰速率的雜種優勢表現中，雜交組合12×III的中親優勢率最高，且顯著高于其他組合(P<0.05)，組合的蒸騰速率最大。由此說明，蒸騰速率也為正向優勢。本試驗結果中，雜交組合與其雙親相比較，在一定的時間范圍里，單位葉面積的蒸騰速率較大，因此雜交組合在高溫環境中，可以更有效的降低葉面溫度。

雜交組合的水分利用效率則呈現為負向優勢，由此可知，雜交組合與雙親相比較，等量條件的水分被消耗時，雜交組合生成的干物質較少。因此，雜交組合若要獲得更多的干物質，則必須消耗更多的水分，說明雜交組合與親本相比，水分利用率相對較高。

雜交組合的雜種遺傳力與雜種優勢效應間存在極顯著正相關，與雜交組合特殊配合力間相關不顯著，因此雜種遺傳力可對雜種優勢效應有直接影響。