蠶豆有限生長(zhǎng)習(xí)性的遺傳分析與種質(zhì)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(chǎn)中應(yīng)用廣泛的品種多為無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性，成熟期常發(fā)生倒伏，難以滿足機(jī)械化收獲的要求。團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制出有限生長(zhǎng)習(xí)性的蠶豆材料，并通過(guò)構(gòu)建F1、F2、BC1群體進(jìn)行遺傳分析。雜交F1表型分析結(jié)果表明，蠶豆生長(zhǎng)習(xí)性受核基因調(diào)控，與細(xì)胞質(zhì)遺傳無(wú)關(guān)，且無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性相對(duì)有限生長(zhǎng)習(xí)性為顯性；χ2測(cè)驗(yàn)結(jié)果及雜交F2群體的表型分析結(jié)果表明，蠶豆生長(zhǎng)習(xí)性的性狀受1對(duì)基因調(diào)控，且無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性相對(duì)有限生長(zhǎng)習(xí)性為顯性，BC1群體的表型分析結(jié)果進(jìn)一步印證了F2群體的表型分析結(jié)果。創(chuàng)制的有限生長(zhǎng)習(xí)性材料為蠶豆機(jī)械化生產(chǎn)提供了堅(jiān)實(shí)的種質(zhì)保證，同時(shí)厘清了蠶豆生長(zhǎng)習(xí)性的遺傳規(guī)律，為蠶豆在生長(zhǎng)習(xí)性方向的育種工作打下了理論基礎(chǔ)。還篩選得到了3個(gè)適宜機(jī)械化收獲的優(yōu)良蠶豆種質(zhì)材料。

關(guān)鍵詞 蠶豆；生長(zhǎng)習(xí)性；遺傳分析；種質(zhì)篩選

中圖分類號(hào)：S643.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2023.17.012

無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性是豆科作物的主要特點(diǎn)，這可以延長(zhǎng)作物生殖生長(zhǎng)的持續(xù)時(shí)間，在部分生殖器官受損的情況下重新獲得營(yíng)養(yǎng)和生殖器官，并形成產(chǎn)量[1]，但無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性也導(dǎo)致了營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)對(duì)同化產(chǎn)物的過(guò)度競(jìng)爭(zhēng)，使產(chǎn)量和收獲指數(shù)變得不穩(wěn)定[2]。有限生長(zhǎng)習(xí)性作物的特征是頂端花序完成分化后莖的生長(zhǎng)也隨之停止[3]，這使得株高和倒伏率顯著降低，促進(jìn)同化產(chǎn)物在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)和生殖生長(zhǎng)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(shí)間和空間上更加集中，便于田間管理和機(jī)械化收獲[4]。目前生產(chǎn)中常用的控制作物株高的方法，仍以噴施植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑為主，但生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑殘留對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全造成了巨大的隱患，還會(huì)影響后茬作物的正常生長(zhǎng)，不利于土地周年生產(chǎn)。通過(guò)育種手段控制作物株高，加快農(nóng)業(yè)機(jī)械化生產(chǎn)進(jìn)程勢(shì)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(lái)，育種家在蠶豆新品種選育特別是高產(chǎn)、高品質(zhì)、短生育期品種等方面開展了大量工作，但目前生產(chǎn)上主推的蠶豆品種仍以無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性品種為主，成熟期易發(fā)生倒伏，不適宜機(jī)械化收獲；同時(shí)隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加快，我國(guó)農(nóng)村勞動(dòng)力短缺現(xiàn)象日漸顯現(xiàn)，并逐漸成為限制蠶豆產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵因素。為應(yīng)對(duì)目前出現(xiàn)的蠶豆機(jī)械化收獲難題，筆者通過(guò)大量工作創(chuàng)制了一批有限生長(zhǎng)習(xí)性的蠶豆品系，為打破生長(zhǎng)習(xí)性的制約提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。目前關(guān)于蠶豆有限生長(zhǎng)習(xí)性的遺傳規(guī)律研究較少，因此本研究通過(guò)課題組現(xiàn)有材料構(gòu)建了F1、F2和BC1群體，對(duì)蠶豆生長(zhǎng)習(xí)性的遺傳規(guī)律進(jìn)行探究。

1? 材料與方法

1.1? 試驗(yàn)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(zhǎng)習(xí)性）和2016-327（無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性）。通過(guò)GS-40×2016-327的正、反交構(gòu)建F1、F2群體和BC1群體。GS-40為有限生長(zhǎng)習(xí)性，結(jié)莢位靠植株上部，集中在頂端，株型緊湊直立。2016-327為無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性材料，結(jié)莢位在中上部，株高較高。

1.2? 試驗(yàn)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(dāng)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(dāng)年獲得F2群體及BC1群體。在各世代成熟期前，對(duì)頂端分化情況進(jìn)行觀察判定其生長(zhǎng)習(xí)性，應(yīng)用遺傳學(xué)方法記錄各群體生長(zhǎng)習(xí)性的分離比，并應(yīng)用χ2測(cè)驗(yàn)進(jìn)行分析。

1.3? 遺傳數(shù)據(jù)分析

本研究中χ2值的計(jì)算公式：

式（1）中，Ai為F2代第i個(gè)分離性狀觀測(cè)值，npi為預(yù)測(cè)F2代第i個(gè)分離性狀預(yù)期值，k為分離性狀總個(gè)數(shù)。采集的分離性狀數(shù)據(jù)在EXCEL中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，χ2測(cè)驗(yàn)采用SPSS軟件進(jìn)行。

1.4? 種質(zhì)篩選

2021年將課題組現(xiàn)有的76個(gè)有限生長(zhǎng)習(xí)性蠶豆材料按單株種植于重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院渝西作物實(shí)驗(yàn)基地，每個(gè)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(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行記載，于成熟期對(duì)各株行的莢質(zhì)、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(chǎn)量進(jìn)行考察（見(jiàn)表1）。從中篩選高產(chǎn)、軟莢的有限生長(zhǎng)習(xí)性的優(yōu)質(zhì)種質(zhì)材料。

2? 結(jié)果與分析

2.1? 親本穩(wěn)定性檢驗(yàn)

本研究中的2個(gè)親本材料（GS-40和2016-327）在2017年分別通過(guò)隔離自交獲得自交F1群體，2018年考察F1群體表現(xiàn)生長(zhǎng)習(xí)性。結(jié)果表明，GS-40自交F1群體共計(jì)107個(gè)，均表現(xiàn)為有限生長(zhǎng)習(xí)性；2016-327自交F1群體共計(jì)143個(gè)，均表現(xiàn)為無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性。通過(guò)穩(wěn)定性測(cè)驗(yàn)，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(zhǎng)習(xí)性表現(xiàn)

通過(guò)對(duì)GS-40×2016-327正反交F1群體的生長(zhǎng)習(xí)性表現(xiàn)進(jìn)行觀察統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，正反交獲得的所有F1個(gè)體均表現(xiàn)為無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性，正反交結(jié)果一致。這表明蠶豆生長(zhǎng)習(xí)性受核基因調(diào)控，與細(xì)胞質(zhì)遺傳無(wú)關(guān)，且無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性相對(duì)有限生長(zhǎng)習(xí)性為顯性（表2）。

2.3? 雜交F2群體生長(zhǎng)習(xí)性表現(xiàn)

于始莢期對(duì)F2群體的生長(zhǎng)習(xí)性進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其中GS-40×2016-327組合共獲得292個(gè)單株，有限生長(zhǎng)習(xí)性的有64個(gè)，無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性的有228個(gè)，分離比為1∶1.36。2016-327×GS-40組合共獲得217個(gè)單株，有限生長(zhǎng)習(xí)性的為58個(gè)，無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性的為159個(gè)，分離比為1∶2.7。χ2檢驗(yàn)結(jié)果表明，兩個(gè)組合群體的分離比均小于[χ20.05]=3.84，因此通過(guò)χ2檢驗(yàn)可確定兩個(gè)組合的分離比符合1∶3。這表明，生長(zhǎng)習(xí)性的性狀受1對(duì)基因調(diào)控，且無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性相對(duì)有限生長(zhǎng)習(xí)性為顯性（見(jiàn)表3）。

2.4? BC1群體生長(zhǎng)習(xí)性表現(xiàn)

利用有限親本和無(wú)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(gè)單株，其分離比為1∶1.25；（GS-40×2016-327）×2016-327獲得62個(gè)單株，均為無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性。（2016-327×GS-40）×GS-40獲得69個(gè)單株，分離比為1∶1.16；（2016-327×GS-40）×2016-327獲得57個(gè)單株，均為無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性。通過(guò)χ2檢驗(yàn)對(duì)BC1分離群體的分離比進(jìn)行測(cè)驗(yàn)，結(jié)果顯示均小于[χ20.05]=3.84，分離比符合1∶1。這表明有限生長(zhǎng)習(xí)性不受細(xì)胞質(zhì)基因調(diào)控，而受1對(duì)核基因調(diào)控，且無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性為顯性，也進(jìn)一步證明了F2群體中得到的結(jié)果（見(jiàn)表4）。

2.5? 種質(zhì)篩選

于成熟期對(duì)76個(gè)株系進(jìn)行了室內(nèi)考種，結(jié)果表明，單株產(chǎn)量在30 g以上的有17個(gè)材料，百粒重在90 g以上的材料有23個(gè)，適宜機(jī)械化收獲的軟莢材料共23個(gè)，底莢高度大于15 cm的材料26個(gè)；其中同時(shí)滿足以上條件的材料有3個(gè)，分別為YS-1、YS-13和YS-56，這3個(gè)種質(zhì)材料產(chǎn)量高，又適宜機(jī)械化收獲（見(jiàn)表5）。

3? 小結(jié)與討論

有學(xué)者認(rèn)為生長(zhǎng)習(xí)性是受少數(shù)基因控制的質(zhì)量性狀[5-6]，關(guān)于大豆的研究中，有限生長(zhǎng)習(xí)性的材料與無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性的材料雜交后，F(xiàn)1代表現(xiàn)為無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性，這表明在大豆中無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性相對(duì)于有限生長(zhǎng)習(xí)性表現(xiàn)為顯性，這一點(diǎn)與本研究結(jié)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(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。本研究結(jié)果表明蠶豆有限生長(zhǎng)習(xí)性受單基因調(diào)控，這與大豆的相關(guān)研究結(jié)果一致[7]。有的作物生長(zhǎng)習(xí)性還會(huì)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(wú)限生長(zhǎng)特性；而光周期適宜時(shí)，表現(xiàn)為有限生長(zhǎng)習(xí)性[8-10]。本課題組在長(zhǎng)期實(shí)踐中并未發(fā)現(xiàn)蠶豆的生長(zhǎng)習(xí)性受光周期調(diào)控的案例，在對(duì)不同緯度的適應(yīng)性鑒定中，僅表現(xiàn)為株高和節(jié)間長(zhǎng)度的差異。針對(duì)這一差異，課題組將持續(xù)關(guān)注并開展相關(guān)研究。

蠶豆生長(zhǎng)習(xí)性的相關(guān)研究目前還處于起步階段，生產(chǎn)中的大部分蠶豆品種為無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性，機(jī)械化收獲難題亟待解決。隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展加快，農(nóng)村勞動(dòng)力短缺嚴(yán)重，機(jī)械化生產(chǎn)必然是農(nóng)作物收獲的主要方式。目前，缺乏適宜機(jī)械化收獲的品種是限制蠶豆產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的一個(gè)主要問(wèn)題。本研究通過(guò)構(gòu)建遺傳群體對(duì)蠶豆生長(zhǎng)習(xí)性進(jìn)行了遺傳分析，厘清了有限生長(zhǎng)習(xí)性的遺傳規(guī)律。同時(shí)本研究中的有限生長(zhǎng)習(xí)性親本材料可以作為穩(wěn)定的品系改良成為適宜機(jī)械化收獲的品種，為蠶豆機(jī)械化收獲打下物質(zhì)基礎(chǔ)。此外，篩選創(chuàng)制了一批有限生長(zhǎng)習(xí)性的材料，從中篩選得到3個(gè)具有重大開發(fā)價(jià)值的種質(zhì)材料，將在今后的蠶豆產(chǎn)業(yè)宜機(jī)化發(fā)展進(jìn)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(zhǎng)習(xí)性均表現(xiàn)為無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性，這表明蠶豆生長(zhǎng)習(xí)性受核基因調(diào)控，與細(xì)胞質(zhì)遺傳無(wú)關(guān)，且無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性相對(duì)有限生長(zhǎng)習(xí)性為顯性。雜交F2生長(zhǎng)習(xí)性的分離比符合1∶3，表明蠶豆生長(zhǎng)習(xí)性的性狀受1對(duì)基因調(diào)控，且無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性相對(duì)有限生長(zhǎng)習(xí)性為顯性。2個(gè)BC1群體的生長(zhǎng)習(xí)性分離比均符合1∶1，這表明有限生長(zhǎng)習(xí)性不受細(xì)胞質(zhì)基因調(diào)控，而受1對(duì)核基因調(diào)控，且無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性為顯性，F(xiàn)2群體的分離結(jié)果和BC1群體的分離結(jié)果相互印證。綜上所述，蠶豆有限生長(zhǎng)習(xí)性受1對(duì)核基因調(diào)控，而不受細(xì)胞質(zhì)基因調(diào)控，且無(wú)限生長(zhǎng)習(xí)性為顯性。篩選得到3個(gè)適宜機(jī)械化收獲的優(yōu)良材料，分別為YS-1、YS-13和YS-56。

參考文獻(xiàn)：

[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(duì)菜用蠶豆生長(zhǎng)的影響[J].長(zhǎng)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(xué)，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(diào)控[J].中國(guó)油料作物學(xué)報(bào)，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(zé)任編輯：易? 婧）

收稿日期：2023-05-13

基金項(xiàng)目：重慶市農(nóng)業(yè)科學(xué)院績(jī)效激勵(lì)引導(dǎo)專項(xiàng)項(xiàng)目（cqaas2021jxjl05）；國(guó)家產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系（CARS-08）；重慶市技術(shù)創(chuàng)新和應(yīng)用發(fā)展專項(xiàng)重點(diǎn)項(xiàng)目（cstc2021jscx-gksbX0011）；重慶市作物種質(zhì)永川豆類高粱蕎麥資源庫(kù)（ZWZZ2020012）。

作者簡(jiǎn)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。