呂世奇，寇一翾，曾 軍，楊 彬，趙長明

(蘭州大學生命科學學院，草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室，甘肅 蘭州 730000)

【研究意義】菊芋(Helianthustuberosus)屬于菊科向日葵屬一年生草本植物，起源于北美隨后經(jīng)歐洲傳入中國，菊芋生態(tài)適應性強，生長迅速，生物量大,地上部分莖葉營養(yǎng)豐富，可作為家畜的飼料，其地下部分塊莖產(chǎn)量高，富含水溶性膳食纖維菊糖(占塊莖干重的70 %～90 %)[1-4]。菊糖具有低熱、高甜、對人體安全等特點[5]，廣泛應用于食品、藥品等領域，已被包括美國在內(nèi)的世界多個國家列為資源性食品。近年來，菊芋亦作為新興經(jīng)濟作物和高密度能源植物，已被生物質能源領域以及釀酒工業(yè)用來生產(chǎn)酒精類產(chǎn)品[6-9]?！厩叭搜芯窟M展】目前對菊芋的研究多集中在生理生態(tài)、栽培利用，采后貯藏，成分分析，菊糖提取、食品加工、生物乙醇、飼料利用價值等方面[10-19]。而對于菊芋產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要價值的人工育種工作卻研究甚少，由于菊芋以依賴塊莖的無性繁殖方式為主，其有性生殖存在嚴重的障礙[1]，嚴重限制其種質資源利用和遺傳改良工作的開展，使菊芋遺傳改良工作遠遠落后于其他常規(guī)作物[20]。雜交技術作為遺傳改良的基本手段，可創(chuàng)造豐富的變異，拓寬種質資源的遺傳基礎，同時可以促使優(yōu)良性狀的整合、互補，產(chǎn)生優(yōu)異的種質材料。因此，全面系統(tǒng)了解菊芋有性繁殖特性及人工雜交育種的可能性，對于菊芋種質資源的遺傳改良，培育高產(chǎn)優(yōu)質品種具有重要意義。【本研究切入點】本文以已收集的國內(nèi)外56份菊芋種質材料為研究對象，通過開放授粉、套袋自交、單性結實等方法研究菊芋有性繁殖特性和人工雜交育種的可能性?！緮M解決的關鍵問題】研究以期為菊芋人工雜交育種研究提供理論基礎和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

根據(jù)塊莖顏色將56份種質材料分為白色塊莖，紅色塊莖、棕色塊莖和紫色塊莖4種類型，其中源自中國菊芋種質材料38份，日本菊芋種質材料1份和歐洲菊芋種質材料17份(具體來源及編號見表1)。所有試驗于2011-2012年在蘭州大學植物種質資源圃(35° 56.364′N，104° 09.144′E，Alt: 1746 m)進行。

1.2 試驗方法

1.2.1 開放授粉 在自然條件下使植株自由授粉，種子成熟后，每個種質材料選取15株，每株隨機選取5個花序，調查每個花序的管狀花數(shù)和結籽數(shù)，以結籽數(shù)與管狀花數(shù)的比率為結實率，取平均值為該種質材料的開放結實率。

1.2.2 套袋自交 每個種質材料選取15株，每株隨機選取5個未開放花序用硫酸紙袋套袋，所有管狀花雌蕊開始干枯后去掉硫酸紙袋；待種子成熟時統(tǒng)計每個花序的管狀花數(shù)及結籽數(shù)，以結籽數(shù)與管狀花數(shù)的比率為結實率，取平均值為該種質材料的套袋自交結實率。

1.2.3 單性結實 選取去雄未授粉的花序，記錄去雄管狀花數(shù)后，剪除未開放的管狀花，將花序套入硫酸紙袋，待雌蕊干枯后去掉硫酸紙袋；成熟后，統(tǒng)計結籽數(shù)。每個種質材料隨機統(tǒng)計15株，以結籽數(shù)與去雄的管狀花數(shù)的比率為結實率，取其平均值為該種質材料的單性結籽率。

表1 試驗菊芋種質材料

注： LZJ001～LZJ017和LZJ035來源于國外；LZJ018～LZJ056(除LZJ035)來源于國內(nèi)。

Note： LZJ001-LZJ017 and LZJ035 were obtained from abroad; LZJ018-LZJ056 (except for LZJ035) were obtained from China.

表2 56份菊芋材料的有性繁殖習性

1.2.4 人工雜交 選取能夠進行雜交的健康花序，去雄，用剪刀剪除同一花序上未開放的管狀花，授粉后套袋，并記錄授粉管狀花數(shù)，待植株成熟時統(tǒng)計結籽數(shù)，以結籽數(shù)與授粉管狀花數(shù)的比率為結實率，同一組合的所有結實率的平均值為該組合的雜交結實率。同理，正反交試驗中，分別選擇不同的種質相互作為父本和母本，成熟后統(tǒng)計結籽率。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft excel 2007進行數(shù)據(jù)計算，SPSS 17.0對雜交試驗和正反交試驗結果進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 有性繁殖特性

56份菊芋種質材料有性繁殖習性統(tǒng)計結果表明(表2)，不同種質材料有性繁殖習性存在明顯差異。套袋自交結實率變異最大，變異系數(shù)為162.61 %，套袋自交結實率在0～1.00 %之間，平均值為0.19 %，說明菊芋自交不親和，但自交結實現(xiàn)象存在；單株花序數(shù)目變異系數(shù)為59.67 %，花序數(shù)在116.40～8.40之間，均值為49.31；開放授粉結實率變異較大，變異系數(shù)為26.73 %，開放授粉結實率在0～25.28 %之間，平均值為7.01 %，說明菊芋結實率比較低且不同品系間差異較大；而管狀花數(shù)變異相對較小，變異系數(shù)為12.19 %，管狀花數(shù)在83.37～57.53之間，均值為69.06；去雄未授粉的單性結實率均為0，說明菊芋不存在未授粉情況下的單性生殖現(xiàn)象。

2.2 雜交試驗

以LZJ056、LZJ033、LZJ024、LZJ023、LZJ029、LZJ027、LZJ025、LZJ014、LZJ009為母本，以LZJ010、LZJ011、LZJ012、LZJ013為父本的雜交結果(表3)顯示，以塊莖顏色為紫色與棕色的種質材料為母本時，顯示出了較高的雜交結實率(如LZJ024、LZJ023、LZJ029、LZJ027、LZJ025、LZJ056、LZJ033)，而以塊莖顏色為白色的種質材料為母本時雜交結實率較低(如LZJ014、LZJ009)；以同一種質材料為父本，不同種質材料為母本時，雜交結實率的差異主要體現(xiàn)在母本不同塊莖顏色種質材料之間(如♀LZJ014×♂LZJ010與♀LZJ024×♂LZJ010，♀LZJ033×♂LZJ011與♀LZJ029×♂LZJ011之間等)，同種塊莖顏色種質材料之間差異較小(如♀LZJ014×♂LZJ012與♀LZJ009×♂LZJ012，♀LZJ029×♂LZJ011與♀LZJ027×♂LZJ011之間等)；以同一種質材料為母本，不同種質材料為父本時，雜交結實率因雜交父本的不同表現(xiàn)出了較大差異(如♀LZJ056×♂LZJ010與♀LZJ056×♂LZJ013，♀LZJ023×♂LZJ010與♀LZJ023×♂LZJ013之間等)或者差異較小(如♀LZJ056×♂LZJ011與♀LZJ056×♂LZJ012，♀LZJ027×♂LZJ011與♀LZJ027×♂LZJ012之間等)。

對雜交父本、雜交母本的雙因素方差分析顯示，雜交結實率主要受母本的影響呈極顯著水平(F= 9.014，P< 0.01)；受父母本互作影響亦達到極顯著水平(F= 1.929，P< 0.01)，而受父本的影響不顯著(F= 0.878，P> 0.05)。

2.3 正反交試驗

通過對22種雜交組合結實率的方差分析(表4)，結果表明正反交結實率的差異主要來自正反交試驗組合之間的差異(F= 2.337，P= 0.029 < 0.05)，例如雜交組合1與雜交組合10之間的差異等；對于同一雜交組合受正反交的組合方式的影響不顯著(F= 1.404，P= 0.249 > 0.05)，例如在雜交組合3中，正交組合♀LZJ033×♂LZJ029與反交組合♀LZJ029×♂LZJ033對結實率的影響較小。

表3 菊芋雜交結實率

注： ** 表示在0.01水平上差異顯著。

Note： ** indicates the significant difference at 0.01 level.

表4 菊芋正反交結實率分析

續(xù)表4 Continued table 4

組合編號No. 親本Parents開放結實率( %)Achene setsof open pollination雜交組合Cross combination母本×父本(♀×♂)雜交花數(shù)Tubular flower numbers結實率( %)Achene setsof hybridizationLZJ0100.65LZJ010×LZJ0133912.9610LZJ0130.00LZJ013×LZJ014390LZJ0141.36LZJ014×LZJ01340011LZJ0120.27LZJ012×LZJ014380LZJ0141.36LZJ014×LZJ01259012LZJ0120.27LZJ012×LZJ0091080LZJ0090.70LZJ009×LZJ012379013LZJ0090.70LZJ009×LZJ0101770LZJ0100.65LZJ010×LZJ00944014LZJ0211.82LZJ021×LZJ055960LZJ05512.54LZJ055×LZJ021101015LZJ03721.04LZJ037×LZJ01710620.85LZJ01710.90LZJ017×LZJ037144016LZJ03721.04LZJ037×LZJ050700LZJ0504.96LZJ050×LZJ03754017LZJ03721.04LZJ037×LZJ0022000.32LZJ0020.95LZJ002×LZJ03789018LZJ03721.04LZJ037×LZJ004930LZJ0046.60LZJ004×LZJ037127019LZJ0499.66LZJ049×LZJ0371620LZJ03721.04LZJ037×LZJ0491391.8420LZJ0499.66LZJ049×LZJ0551330LZJ05512.54LZJ055×LZJ049131021LZJ03910.20LZJ039×LZJ0072914.22LZJ0075.78LZJ007×LZJ03939022LZJ03910.20LZJ039×LZJ004804.24LZJ0046.60LZJ004×LZJ039850正反交方差分析Variance analysis of reciprocal crosses組合之間Between No. and No.正反交之間Between cross and backcross F value2.337*1.404

注：*表示在0.05水平上差異顯著。

Note：* indicates the significant difference at 0.05 level.

3 討 論

通過不同菊芋種質材料的開放授粉、套袋自交授粉和單性結實試驗結果表明，菊芋種質材料開放授粉結實率較低，普遍在25 %以下。近緣關系可能是導致菊芋種質材料開放授粉結實率低下的主要原因之一，產(chǎn)生這種結果是因為菊芋主要通過無性繁殖傳播，經(jīng)擴增片段長度多態(tài)性(AFLP)分析也表明，所有種質材料之間親緣關系非常近[21]，而且高度自交不親和性導致菊芋結實率低下。另外，開放授粉結實率可能與種質材料類型有較大的關系，紫色和棕色塊莖種質材料結實率較高，紅色和白色塊莖種質材料結實率低，大部分不能結實，可能是因為紫色和棕色塊莖種質材料傾向于野生化，而白色和紅色塊莖種質材料傾向于經(jīng)過馴化栽培，而很多研究也表明野生種的結實率高于栽培種[22]。套袋自交的結果表明，菊芋種質材料傾向于自交不親和，但仍有部分材料可以獲得少量的自交種子，說明在菊芋種質材料雜交過程中仍需防止花粉污染，確保雜交種子的準確性；同時自交種子的獲得可以用來進行材料性狀分離規(guī)律的研究以及自交對于菊芋遺傳結構的影響等研究。通過去雄但不授粉試驗可以得出，菊芋在不進行授粉條件下不能誘導孤雌生殖，因此可以確定雜交授粉時獲得的種子為雜交種子，為菊芋雜交育種研究的成功和雜交種子的純度提供保證。

雜交試驗結果表明，菊芋種質材料的雜交結實率變異大，方差分析結果表明，雜交結實率主要與母本、父母本互作有關。另外，雜交結實率表現(xiàn)出正反交的差異不明顯，正反交結實率主要受雜交組合方式的影響。就種質材料類型來看，紫色塊莖和棕色塊莖種質材料雜交結實率更高，白色塊莖和紅色塊莖種質材料結實率低或接近于零，這主要是由于群體遺傳差異還是氣候或者生育期差異造成的，還需進一步研究。對于結實率低的原因，Kays and Nottingham[1]解釋為植株本身較高的雄性不育、雜交不親和，由于影響菊芋雜交結實的因素復雜多變，需對菊芋種子繁殖規(guī)律做進一步研究，以了解開放結實低的原因，尋找雜交結實關鍵限制因素，為菊芋遺傳改良提供技術支撐。

通過菊芋雜交試驗的結果得出，雜交結實率主要與母本、父母本互作有關，因此雜交育種時應注重母本的選擇，利用具有某一優(yōu)良性狀的父本進行雜交，以獲得雜交種子，從而集中多種優(yōu)良性狀。本試驗得出能夠考慮作為優(yōu)良的高雜交結實率的雜交母本包括，白色塊莖種質材料的雜交母本：LZJ039、LZJ010、LZJ037；紫色塊莖種質材料的雜交母本：LZJ032、LZJ029；棕色塊莖種質材料的雜交母本：LZJ033、LZJ026、LZJ031、LZJ056。

4 結 論

本研究表明菊芋開放結實率較低，無單性生殖現(xiàn)象，并且傾向于自交不親和；雜交結實率主要受母本和父母本互作影響；以紫色和棕色塊莖群體為母本時表現(xiàn)出較高的雜交結實率；在雜交育種中應該注重母本的選擇，篩選出LZJ039、LZJ010、LZJ037、LZJ032、LZJ029、LZJ033、LZJ026、LZJ031、LZJ056等9份種質材料作為高結實率的雜交母本。從而為菊芋雜交育種研究提供新的理論依據(jù)，加快菊芋種質資源創(chuàng)新和新品種培育進程。