大豆不育系異交結實率與花器官性狀的相關性分析

阿如汗，李志剛，孫佳堯，李資文，姚威港，崔天宇，張翠平，史 鐸，孫元成

（內蒙古民族大學 農學院，內蒙古 通遼028043）

近年來，我國每年需要進口8 000～9 000萬t大豆，如果自給自足需要超過2.4億hm2的耕地，這意味著1/3的耕地需要用于種植大豆，這將影響到其他作物的種植面積［1］.因此，在有限種植面積的前提下，提高大豆單產是解決國內大豆短缺的最佳途徑之一［2］.合理運用三系配套技術是體現大豆雜種優勢的有效途徑，提高不育系的異交結實率成為雜交制種的關鍵因素［3］.前人研究表明，蟲媒傳粉是提高大豆異交結實率的重要途徑之一，從蟲媒傳粉的角度，花器構造對授粉昆蟲的訪問頻率有重要意義［4］.在實際生產應用程序中，昆蟲授粉決定了雜交種子生產的產量.盡管我國大豆三系配套技術和切葉蜂輔助授粉技術已經投入生產實踐，培育出的“雜交豆2號”產量提高了22.7%，但受限于不育系較低的異交結實率，導致制種產量低，成本高，生產推廣困難［5］.因此，解決問題的關鍵是提高不育系異交結實率，而限制異交結實率的關鍵因素是大豆花器構造.本研究對3個大豆質核互作雄性不育系的異交結實率與花器官性狀進行分析研究，并進行相關性狀與異交結實率的相關分析及灰色關聯度分析［6］，旨在探索影響大豆異交結實率的關鍵因子，為不育系選育和高產制種提供理論基礎.

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料選用由吉林省農業科學院大豆研究所提供的高、中、低異交結實率的大豆不育系，分別為JLCMS116，JLCMS232，JLCMS9及其同型保持系，分別以A1，A2，A3表示.

1.2 試驗設計

大豆不育系和同型保持系材料于2019年5月8日種植于通遼市科爾沁區內蒙古民族大學北校區教學試驗基地.選擇肥力均勻一致、土壤類型為灰色草甸土、土質為壤土的撂荒地，分為3個小區，父母本1∶1等行距相間種植，行距70 cm，父本株距12 cm，母本株距12 cm.小區面積為30 m2.試驗材料均在同一時期播種，采用相同的田間管理模式.

1.3 測量項目與方法

在盛花期對大豆不育系花器官相關性狀進行測量，從2019年7月15日開始，每5 d進行1次.測量方法如下：

1.3.1 龍骨瓣開張度 目測：龍骨瓣張開柱頭外露（占調查總數的60%以上）為1級；龍骨瓣微張但柱頭不可見（占調查總數的60%以上）為2級；龍骨瓣緊緊閉合（占調查總數的60%以上）為0級.

1.3.2 花柱長度 取大豆新鮮花器官用FAA固定液帶回，在解剖鏡下切下花柱做成壓片，在萊卡熒光顯微鏡5倍物鏡下拍照測量.

1.3.3 花粉管長度 在早7：00 開始，取新鮮花蕾，用解剖針將花粉均勻散在液體培養基（10%蔗糖，50 mg·L-1硼酸，50 mg·L-1氯化鈣）表面，將載玻片置于底部墊有1層浸透蒸餾水的濾紙培養皿中，并在載玻片兩側各放置一個大小適中浸透水的脫脂棉球保濕，蓋上培養皿蓋子后放入培養箱內（28 ℃，3 h）萌發［7］.

以花粉管長度大于花粉直徑為花粉萌發標準［8］.在顯微鏡下隨機觀察，每個品系重復3次以上，每次重復隨機選取3個視野，每個視野隨機測量20個花粉管長度，每次處理測量不少于50個花粉管，計算其平均值.

1.3.4 萼片長度 用數顯游標卡尺測量花瓣裂口正對著的萼片長度.

1.3.5 柱頭+花柱總長 取大豆新鮮花器官用FAA固定液帶回，在解剖鏡下切下柱頭和花柱做成壓片，在萊卡熒光顯微鏡5倍物鏡下拍照測量.

1.3.6 花粉大小 取大豆新鮮花器官用FAA固定液帶回，在解剖鏡下將花粉用I2-IK染色做成壓片，在萊卡熒光顯微鏡10倍物鏡下拍照測量.

1.3.7 花藥、柱頭表面積 取大豆新鮮花器官用FAA固定液帶回，在解剖鏡下切下花藥和柱頭分別做成壓片，在萊卡熒光顯微鏡5倍物鏡下拍照測量，使用圖像處理軟件進行觀察測量花藥（柱頭）的長和寬.花藥（柱頭）表面積=長×寬.

1.3.8 泌蜜量 用內徑為0.1 mm的微量毛細吸管吸取花蜜，在0.1 mm刻度尺上測量毛細吸管內花蜜長度.泌蜜量=0.052×3.14×測量長度.

1.3.9 異交率 異交結實率=不育系結莢數/保持系結莢數×100%［9］.

1.4 數據分析

使用LASV4.6圖像處理軟件進行觀察測量，使用Excel 2019軟件整理統計、計算標準偏差并繪制圖表，并用DPS 16.05 進行數據分析.

2 結果與分析

如表1所示，A1萼片長度、柱頭+花柱總長、柱頭表面積、泌蜜量、異交率顯著高于A2，A3；A1龍骨瓣開張度和花藥表面積顯著高于A3，分別高出149.25%和33.24%；A1花粉管長度、花粉大小顯著低于A2.供試的3個大豆不育系在龍骨瓣開張度、萼片長度、柱頭+花柱總長、花藥表面積、柱頭表面積、泌蜜量和異交率呈現出相同的趨勢，即A1＞A2＞A3.

表1 大豆不育系的花器官性狀Tab. 1 Floral organ characters of soybean sterile lines

2.1 花器官性狀與異交結實率相關性分析

從表2可知，與異交結實率相關性最高的是柱頭+花柱總長，達到極顯著水平，相關系數為0.88；萼片長度、花藥表面積、泌蜜量均與異交結實率的正相關關系達到極顯著水平，分別為0.80，0.79，0.87；柱頭表面積與異交結實率呈極顯著負相關水平，相關系數為0.84；其他性狀與異交結實率的相關系數均未達到顯著水平.說明柱頭+花柱總長、萼片長度、花藥表面積、泌蜜量和柱頭表面積是影響異交結實率的關鍵因素.雖然其他性狀與異交結實率不顯著相關，但是可以通過改善不同性狀表現繼而提高異交結實率.

此外，通過相關性分析還可以看出，萼片長度和柱頭+花柱總長、花粉大小和花粉管長度、花藥表面積和泌蜜量均呈極顯著正相關；柱頭+花柱總長和泌蜜量呈顯著正相關；柱頭表面積和泌蜜量呈極顯著負相關.由此在改善性狀表現時應注意不同性狀間的互作制約關系.

表2 大豆不育系花器官性狀與異交結實率的相關系數Tab. 2 Correlation coefficient between flower organ characters and outcrossing seed setting rate of soybean male sterile lines

2.2 花器官性狀的通徑分析

由表3可知，各花器官性狀對異交結實率正向作用大小順序為：柱頭+花柱總長（0.681 8）＞花柱長度（0.234 9）＞泌蜜量（0.163 2）＞龍骨瓣開張度（0.146 8）＞花藥表面積（-0.066 9）＞萼片長度（-0.151 6）＞柱頭表面積（-0.292 2），說明花藥表面積、萼片長度和柱頭表面積對異交結實率沒有直接的積極作用，其余花器官性狀均對異交結實率有直接的積極作用.萼片長度、花藥表面積直接系數雖為負值，但間接系數分別為0.954 1，0.854 5，是通過影響其他花器官性狀間接對異交結實率產生積極作用.

表3 大豆不育系花器官性狀的通徑分析Tab. 3 Path analysis of floral organ characters of soybean male sterile lines

2.3 異交結實率與花器官性狀灰色關聯度分析

由表4可知，不育系異交結實率與9個花器官性狀關聯順序為：花藥表面積＞泌蜜量＞萼片長度＞柱頭+花柱總長＞花柱長度＞龍骨瓣開張度＞花粉大小＞柱頭表面積＞花粉管長度.其中，花藥表面積與異交結實率關聯程度最高（0.564 3），泌蜜量與異交結實率關聯程度次之（0.544 6）.花粉大小、柱頭表面積、花粉管長度與異交結實率關聯系數均低于0.300 0，其中，花粉管長度與異交結實率關聯程度最低（0.244 0）.

表4 不育系異交結實率與花器官性狀關聯度及排序Tab. 4 Correlation degree and sequence of outcrossing seed setting rate and flower organ characters of male sterile lines

3 討論與結論

大豆是十分嚴格的自花授粉作物，天然異交率低于1%，是大豆花器官特殊的結構特征所致，因此雜交大豆種子生產效率比較低［10］.大豆花器官小，花粉少而黏重，柱頭短［11］，花藥小致使龍骨瓣和翼瓣緊緊包裹柱頭和花藥，大面積的花間風媒傳粉和人工授粉是難以實現的.在實際的育種工作中提高制種效率，降低制種成本，是雜交大豆產業化亟需解決的關鍵技術難題.趙麗梅等［12］通過多年的探索和研究，建立了高效制種技術體系，即“昆蟲-環境-作物三位一體綜合體系”，在該體系“作物”這個環節表明，在田間開放條件下，大豆不育系的花器官怎樣最大效率地吸引昆蟲進行授粉是提高大豆不育系異交結實率的關鍵.

本研究結果表明，大豆不育系的花器官柱頭+花柱總長與異交結實率呈極顯著水平，且對異交結實率有積極影響，即柱頭+花柱總長越大異交結實率越高.目前，關于柱頭+花柱總長與異交結實率相關性的研究較少，一般認為柱頭+花柱總長越長異交結實率越高，但柱頭+花柱總長沒有被視為影響異交結實率的主要因子.本研究中柱頭表面積與異交結實率相關系數為負值，柱頭表面積直接系數和間接系數均為負值，即柱頭表面積與異交結實率呈反比，與前人研究結果相同［13］.大豆作為嚴格的自花授粉作物，經過長期的演變柱頭表面積變小，目的是為了防止授粉昆蟲在授粉活動時破壞脆弱的柱頭，從而降低異交結實率.不育系花器官各個性狀的相關性分析和通徑分析顯示，泌蜜量與異交結實率呈極顯著正相關，直接通徑系數為正值，灰色關聯度位次是第二位，是直接產生影響的因素；萼片長度與異交結實率呈極顯著正相關，直接通徑系數卻為負值，灰色關聯度位次是第三位，是各花器官性狀相互協調作用間接產生的結果.

在不育系選育過程中，應以柱頭及花柱長、泌蜜量高、萼片短、龍骨瓣開張度大為目標，選育出在開放的田間條件下更高異交結實率的不育系，提高雜交制種效率，為大豆產業化推廣提供理論依據.