張井勇,閆昊,彭寶,張春寶,李慧,王鵬年,丁孝羊,林春晶,孫寰,趙麗梅,張偉
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大豆RN型細胞質雄性不育系雌性育性對異交率的影響
張井勇,閆昊,彭寶,張春寶,李慧,王鵬年,丁孝羊,林春晶,孫寰,趙麗梅,張偉
(吉林省農業(yè)科學院大豆研究所/大豆國家工程研究中心,長春 130033)
【目的】研究RN型大豆細胞質雄性不育系、保持系雌性育性差異,明確RN型大豆細胞質雄性不育系是否存在雌性育性降低的現(xiàn)象,探討不育系雌性育性與異交率的相關性。【方法】首先在200余份RN型細胞質雄性不育系中,依據(jù)異交結實率高低,選擇有代表性的不育系及保持系6對;然后通過網室內投放蜜蜂傳粉對不育系進行異交率鑒定,確定不育系的異交率高低水平;再對6份不育系利用同一父本恢復系進行不去雄人工雜交試驗,明確不同異交結實率不育系在接受外來花粉受精結實方面是否存在差異;最后利用同一恢復系作共同父本,通過去雄、不去雄人工平行雜交方法,研究不育系及對應保持系間雜交成活率差異,對6份不育系及6份對應保持系雌性育性進行分析,同時分析不育系異交率與雌性育性的相關性?!窘Y果】網室異交率鑒定表明,供試6份不育系異交率存在顯著差異,最高達49.46%,最低僅15.94%。6份不育系在人工授粉雜交成活率上也存在顯著差異,高異交率不育系(JLCMS101A和JLCMS82A)雜交成活率顯著高于中、低異交率不育系,中異交率不育系(JLCMS9A和JLCMS47A)雜交成活率顯著高于低異交率不育系(JLCMS89A和JLCMS31A)。人工去雄平行雜交成活率,高、中異交率不育系顯著高于低異交率不育系;高、中、低異交率保持系間雜交成活率無顯著差異;雜交成活率在高、中異交率不育系與對應保持系間無顯著差異,而低異交率不育系的雜交成活率顯著低于其對應保持系的雜交成活率。人工不去雄平行雜交成活率,高異交率不育系雜交成活率顯著高于中、低異交率不育系雜交成活率;高、中、低異交率保持系間雜交成活率無顯著差異;高、中異交率不育系的雜交成活率與對應保持系的雜交成活率無顯著差異,而低異交率不育系的雜交成活率則顯著低于其對應保持系的雜交成活率?!窘Y論】在大豆RN型細胞質雄性不育系中,高異交率不育系雌性育性正常,低異交率不育系中存在因雌性育性差而影響正常結實的情況,雌性育性差是造成其異交結實性低的原因之一,不同異交率不育系對應保持系雌性育性均正常;不育系網室異交率與不育系去雄雜交成活率呈極顯著正相關,不育系網室異交率與不育系不去雄雜交成活率也呈極顯著正相關。去雄和不去雄平行雜交結果均可用于鑒定不育系的雌性育性。
大豆;不育系;異交率;雌性育性
【研究意義】雜種優(yōu)勢利用是提高作物產量的主要途徑,但大豆雜種優(yōu)勢利用研究起步較晚,1993年育成世界上第一個可實際應用的大豆RN型細胞質雄性不育系,并很快實現(xiàn)了“三系”配套[1-4]。2002年,孫寰等[5]審定了世界上第一個大豆雜交種。此后,張磊等[6]、趙麗梅等[7]、蓋鈞鎰等[8]、趙團結等[9]和Nie等[10]相繼發(fā)現(xiàn)了6種不同來源的不育細胞質類型,不育細胞質分別來源于栽培大豆W202、ZD8319、XXT、N21566、N2877和N23239,并育成多個質核互作雄性不育系。至今,全國已有12個春大豆雜交種和4個夏大豆通過審定[5,11-22],并已經在生產上大面積示范推廣應用。然而,仍有一些因素制約雜交大豆大規(guī)模商業(yè)化種植。特別是一些產量優(yōu)勢突出的組合,制種產量仍不理想,導致種子價格過高,農民種植積極性受影響。制種產量高低,直接與母本不育系的田間異交結實率(即異交率,下同)有關。異交率受諸多條件影響,傳粉昆蟲種類、群體大小,制種基地的大環(huán)境和制種田的局部環(huán)境[23-25],親本的基因型以及親本的田間布局和生長狀況都對不育系的田間異交率產生很大影響[26-27]。單株開花多寡、花器構造、花粉數(shù)量與質量、花的分泌物等都是影響對昆蟲吸引力和異交率的因素[28]。而雌性育性的高低,對異交率影響也不容忽視[29]?!厩叭搜芯窟M展】大豆核不育系雌性育性的相關研究較早,Bernard等[30]利用人工平行雜交發(fā)現(xiàn),正常可育大豆結實率為51%,ms2ms2的結實率略低,為42%,而ms1ms1僅為16%,核不育基因對ms1ms1雌性育性影響很大。宋啟建等[31]研究證實,大豆隱性核不育材料異交結實率的高低在很大程度上由雌性育性決定,而雄性不育材料的雌性育性常伴有不同程度的降低。對其降低程度可用不育度表示,不育度可用平行雜交的試驗測得。趙團結等[32]對大豆顯性核雄性不育突變體N7241S進行遺傳分析,發(fā)現(xiàn)N7241S不育株的雌性育性與正常可育株無差異,與隱性核不育種質ms1、ms2相比,具有高的自然異交結實率,得出N7241S屬雄性不育、雌性育性正常突變體。趙團結等[33]研究了大豆不育性自然變異的特點,發(fā)現(xiàn)得到的17份核不育材料中表現(xiàn)為雄性完全不育或部分不育,利用人工平行雜交試驗及不育株自然結莢狀況將不育種質的雌性育性分為可育、部分不育和完全不育3類,雌雄育性組合有6種不育類型;研究表明大豆不育株的異交結實性與雌性育性有關。李曙光等[34]利用人工平行雜交試驗發(fā)現(xiàn),誘變獲得的核雄性不育突變體NJS-1H雌性育性不正常。細胞質雄性不育系雌性育性相關研究較少,主要原因是可利用的細胞質雄性不育系數(shù)量有限。在大豆中發(fā)現(xiàn)質核互作雄性不育系后,中國學者先后對細胞質來源不同的各類不育系進行了雌性育性測驗。孫寰等[2]采用平行雜交試驗,證明了RN型細胞質雄性不育系OA和同型保持系OB雌性育性無顯著差異。張磊等[6]以中油89B為不育胞質源育成的不育系W931A,雌性育性也不受影響。蓋鈞鎰等[8]以N8855為不育細胞質源,育成了不育系NJCMS1A,平行雜交試驗表明,雌性育性正常。Zhao等[35]對以N21566為不育胞質源育成的不育系NJCMS3A進行了雌性育性研究,平行雜交試驗表明雌性育性也正常?!颈狙芯壳腥朦c】上述相關研究,僅針對某一個或幾個少數(shù)不育系和保持系進行平行雜交試驗,由同一個不育細胞質育成的大量不育系,由于輪回親本不同,核基因組差異很大,不育系異交率高低差異也很大,它們之間雌性育性是否也有差異?是否受核基因組背景影響?【擬解決的關鍵問題】本研究通過確定RN型細胞質雄性不育系是否存在雌性育性降低的現(xiàn)象,明確不育系異交率高低與雌性育性相關性,用以指導雜交種育種實踐,并為高異交率及其機理研究提供理論基礎,提高大豆高異交率不育系選育效率,降低制種成本,推動雜交大豆產業(yè)化進程。
不育系6份及對應保持系6份,共12份材料(表1),包括高異交率材料2對:JLCMS82A和JLCMS82B、JLCMS101A和JLCMS101B(“A”代表不育系,“B”代表保持系,下同);中異交率材料2對:JLCMS47A和JLCMS47B、JLCMS9A和JLCMS9B;低異交率材料2對:JLCMS31A和JLCMS31B、JLCMS89A和JLCMS89B;共用父本恢復系JLCMS2R。不育系高、中、低異交率劃分標準以多年網室異交率均值為參考,無固定數(shù)值區(qū)分,在200多對不育系及保持系中,高異交率材料選自網室異交率排名穩(wěn)定在前三分之一的材料,中異交率材料選自網室異交率排名穩(wěn)定在中間三分之一的材料,低異交率材料選自網室異交率排名后三分之一的材料。
表1 試驗材料
2012—2016年,在范家屯雜交大豆實驗基地,隔離網室內進行試驗。
試驗采用隨機區(qū)組設計,3次重復,每個區(qū)組隨機播種6份不育系及對應保持系,小區(qū)為獨立網室,大小為4 m×6 m×2.5 m,小區(qū)內9行播種,不育系保持系按行比1﹕1種植,行距60 cm,穴播,株距30 cm,父母本每穴均保苗2株。出苗后的田間管理同大豆生產田,開花前及時進行除草除蟲,開花后禁止施用殺蟲劑,避免對傳粉昆蟲造成危害,影響傳粉及結實。開花期隨時觀察試驗田情況,避免大型動物、人等因素干擾野生昆蟲傳粉。
開花期,根據(jù)親本花色、葉形等表型性狀去除田內雜株,同時利用手檢不育系花粉,拔除可育植株。開花期每個網室投放1箱蜜蜂,群體大小約800只,定期檢查并飼喂蜜蜂。
在不育系及同型保持系鼓粒期至成熟期,在每個試驗區(qū)中間位置對待測不育系及同型保持系分別取樣,每行連續(xù)取5穴(10株)母本不育系和相同株數(shù)的同型保持系,調查結莢數(shù),計算平均結莢數(shù)。根據(jù)以下公式計算不育系異交結實率。
異交結實率=(母本不育系單株平均結莢數(shù)/對應保持系單株平均結莢數(shù))×100%。
2012—2014年,在范家屯雜交大豆實驗基地,設置播種網室大小為18 m×6 m×2.5 m,6份不育系與恢復系JLCMS2R相鄰種植,株距行距同1.2,3次重復,為防止天然傳粉昆蟲影響試驗結果,開花前扣網,使用殺蟲劑殺死可能存在的傳粉昆蟲;在不育系開花期,對母本不育系單株檢查花粉育性,取樣大小為次日開放的花蕾,70%酒精固定,在顯微鏡下觀察花粉敗育率,染色方法為I2-KI染色,花粉100%不育的單株用于雜交授粉試驗;天氣晴好情況下,一個技術工人對每個不育系每天雜交授粉30朵花(每次重復10朵,3次重復),雜交方式為不去雄授粉,選擇新開放的花朵,雜交時不去除花萼、旗瓣、翼瓣及花藥,僅去除龍骨瓣,雜交授粉10 d,R5期調查雜交成活率。
2015—2016年,在范家屯雜交大豆實驗基地,網室種植方式及花粉育性檢測同1.2和1.3,天氣晴好情況下,每天早晨7:00—11:00由3名技術工人員分別對所有試驗材料進行人工雜交授粉,為了消除人員之間因熟練程度不同產生的誤差,每人每天都做所有試驗組合,而且每個組合所做的花數(shù)相同,選取母本植株中部花朵授粉,每株每個節(jié)位不超過2朵,父本花粉來源均為高異交率恢復系JLCMS2R。2015年分別以6份不育系和6份保持系為母本雜交,授粉方式為人工去雄后授粉,母本選擇次日開放的花蕾,雜交時去除花萼、旗瓣、翼瓣及龍骨瓣,同時摘除花藥,避免損傷柱頭,父本每朵花僅給一朵母本花授粉,每份材料累計雜交150朵花以上。R5期調查每個材料雜交莢成活數(shù)量。為進一步降低人工去雄對雌蕊的影響,2016年對12份材料進行不去雄的平行雜交試驗,授粉方式為人工不去雄授粉,母本選擇次日開放的花蕾,雜交時去除花萼、旗瓣、翼瓣及龍骨瓣,使柱頭及花藥露出,但不摘除花藥,父本每朵花僅給一朵母本花授粉,每份材料累計雜交150朵花以上。
利用EXCEL2010及SPSS19.0[36]統(tǒng)計軟件進行統(tǒng)計分析。
網室隔離條件下利用蜜蜂授粉鑒定異交率(表2),結果表明,不同基因型不育系間異交率差異達顯著水平,高異交率不育系JLCMS101A異交率達49.46%,而低異交率不育系JLCMS89A異交率僅15.94%,兩者間相差3倍以上,高異交率不育系(JLCMS101A和JLCMS82A)的異交率顯著高于中異交率不育系(JLCMS47A和JLCMS9A),中異交率不育系(JLCMS47A和JLCMS9A)的異交率顯著高于低異交率不育系(JLCMS89A和JLCMS31A)。由此可以得出:異交率在不同基因型間差異很大,同一基因型在年度間也存在顯著差異。
表2 網室內利用蜜蜂傳粉異交率鑒定(2012—2014年,%)
不同小寫字母表示在=0.05水平差異顯著。下同
Different lowercase letters represent significant difference at the 0.05 level. The same as below
利用同一父本恢復系對不同基因型不育系進行人工不去雄雜交授粉,雜交授粉成活率在各基因型不育系間存在顯著差異(表3),雜交成活率最高為33.08%(高異交率不育系JLCMS101A),其次為31.37%(高異交率不育系JLCMS82A),雜交成活率最低為19.89%(低異交率不育系JLCMS31A),高異交率不育系(JLCMS101A和JLCMS82A)和中異交率不育系(JLCMS47A和JLCMS9A)的雜交成活率顯著高于低異交率不育系(JLCMS89A和JLCMS31A)雜交成活率,表明對不育系開放花朵人工雜交授粉,高異交率不育系花朵,更容易接受外來花粉而受精結實,其受精結實性好于低異交率不育系,可以理解為此時其雌性育性要明顯好于低異交率不育系的雌性育性,因此利用不育系對大豆種質進行測交時,選用高異交率不育系作母本雜交可以獲得相對多的雜交莢。
進一步對不育系網室異交率與其雜交成活率進行相關分析,結果表明,雜交成活率與網室異交率呈極顯著正相關,相關系數(shù)為0.840。
表3 不同不育系人工不去雄雜交授粉成活率(2012—2014,%)
表4 不同異交率不育系及保持系去雄平行雜交試驗結果(2015年)
通過對6份不育系及6份保持系人工去雄雜交授粉,分析各自的雜交成活率(表4),不育系的雜交成活率范圍在38.68%—56.61%,高異交率不育系雜交成活率顯著高于低異交率不育系雜交成活率;保持系的雜交成活率變化范圍不大,最低43.27%,最高48.23%,高、中、低異交率保持系間雜交成活率無顯著差異,說明三者雌性育性無差異;對具有相同細胞核來源的一對不育系及保持系而言,雜交成活率在高、中異交率不育系與對應保持系間無顯著差異,而低異交率不育系的雜交成活率顯著低于其對應保持系的雜交成活率;說明低異交率大豆不育系與其對應保持系比,雌性育性降低,而高、中異交率大豆不育系的雌性育性與其對應保持系比沒有降低或正常。
由表5可以看出,在對6份不育系及6份保持系不去雄雜交授粉情況下,高異交率不育系雜交成活率顯著高于中、低異交率不育系雜交成活率,這與表3的試驗結果基本一致;高異交率保持系與中、低異交率保持系間雜交成活率無顯著差異,說明三者間雌性育性無差異;對具有相同細胞核來源的一對不育系及保持系而言,高、中異交率不育系的雜交成活率與對應保持系的雜交成活率無顯著差異,而低異交率不育系的雜交成活率則顯著低于其對應保持系的雜交成活率,這表明在排除去雄損傷柱頭的情況下,低異交率大豆不育系的雌性育性與其對應保持系比,雌性育性降低,而高異交率大豆不育系的雌性育性與其對應保持系比沒有降低或正常。因此,供試低異交率保持系在轉育為不育系后存在雌性育性降低的現(xiàn)象。
通過對2015年和2016年6份不育系的網室異交率(電子附表2015—2016網室異交率)與平行雜交成活率相關分析(表6),可見不育系網室異交率與不育系不去雄雜交成活率呈極顯著正相關,相關系數(shù)為0.916;不育系網室異交率與不育系去雄雜交成活率也呈極顯著正相關,相關系數(shù)為0.916;不育系網室異交率與保持系雜交成活率不相關,不育系雜交成活率與保持系雜交成活率也不相關。
表5 不同異交率不育系及保持系不去雄平行雜交試驗結果(2016年)
()中數(shù)字代表偽雜種個數(shù)nonhybrid pods
表6 網室異交率與平行雜交成活率相關系數(shù)(Pearson相關性)
**表示在0.01水平(雙側)顯著相關 **significant at the 0.01 probability level
通過對不育系開放花朵雜交授粉試驗、花蕾去雄及不去雄平行雜交試驗比較發(fā)現(xiàn),不育系在不去雄雜交授粉情況下(表3),理論上不會損傷柱頭,其雜交成活率應該較高,但實際結果與人工去雄雜交授粉比較(表4),其雜交成活率反而低,查詢2012—2014年氣象記錄發(fā)現(xiàn),這3年(特別是2013年)開花期陰雨天較多(氣象數(shù)據(jù)文中未列出),這可能直接影響正常授粉效果而降低雜交莢成活率,而進一步的重復試驗(表5)表明不育系的不去雄雜交成活率明顯高于去雄的雜交成活率。
本研究人工去雄平行雜交試驗中(表4),相對保持系來說,不育系花藥分散不黏連,人工去雄較容易,且不容易損傷柱頭,理論上,不育系授粉的成功率應該比保持系高,對于雌性育性正常的高異交率材料而言,與這一假設吻合,但低異交率不育系雜交成活率低于對應保持系,雌性育性差可能是原因之一。
人工雜交同昆蟲傳粉相似,均有無效授粉,如父本無花粉或有花粉但沒有授粉成功,授粉時花粉沒有完全發(fā)育成熟、延遲成熟等;導致低異交率不育系雌性育性差的原因,也可能與柱頭發(fā)育不正常有關,如柱頭畸形、延遲成熟等,此方面有待于進一步研究。
此外,本研究中,高異交率不育系JLCMS101A和JLCMS82A分別存在1.05%和0.54%自交結實,產生自交結實的原因:可能是母本不育系植株開花過程中,個別節(jié)位花朵的花粉敗育率變化,產生自交結實現(xiàn)象。已有研究報道,許多核雄性不育系及個別細胞質雄性不育系的育性穩(wěn)定性易受田間環(huán)境影響而產生自交結實[37]?!叭怠彪s交種制種中,如果因為不育系的不穩(wěn)定而產生自交結實的現(xiàn)象,會導致雜交種中混入不育系種子,雜交種在生產田會出現(xiàn)不育株(不結實單株)而導致減產,因此,選育育性穩(wěn)定的不育系十分重要。
本研究中試驗材料按張井勇等[38]的分類標準進行分類,2個高異交率不育系為極易被恢復不育系,而2個低異交率不育系為不易被恢復不育系,吉林省農業(yè)科學院雜交大豆研究團隊在多年的雜交種育種實踐中也發(fā)現(xiàn)多數(shù)高異交率不育系被恢復程度好,相反,低異交率不育系被恢復程度差。由此可看出不育系的異交率似乎與其被恢復性有一定的聯(lián)系,二者控制該性狀的相關基因可能存在連鎖關系,此推斷還需要進一步研究。
此外,白羊年等[39]發(fā)現(xiàn)不育系的異交率與保持系的散粉性有關。張井勇等[28]報道不育系的異交率與花的泌蜜量也有關。因此,影響大豆不育系異交率的其他因素還需進一步研究。
在大豆RN型低異交率不育系中存在雌性育性差的現(xiàn)象,但其對應的保持系雌性育性正常,雌性育性通過觀察植株形態(tài)、花器構造很難發(fā)現(xiàn),只有在轉育為不育系后,通過平行雜交確認,不育系在育種過程中需要回交5代以上,當轉育成功后,因雌性育性差而淘汰勢必增加了無效工作,因此提前對雌性育性進行判斷尤為重要,在育種過程中,可依據(jù)與異交率顯著相關的其他性狀,先對雌性育性有一個簡單判斷,再結合田間異交率鑒定方法,可選育出雌性育性正常的不育系,為此,張井勇等[40]提出一種高效大規(guī)模鑒定大豆種質昆蟲吸引力的方法,可以借鑒。
在大豆RN型細胞質雄性不育系中,高異交率不育系雌性育性正常,低異交率不育系存在雌性育性差而影響正常結實的現(xiàn)象,雌性育性差是造成其異交結實性低的原因之一,不同異交率保持系雌性育性均正常。不育系網室異交率與不育系不去雄雜交成活率和去雄雜交成活率均呈極顯著正相關,不育系網室異交率與保持系雜交成活率無相關性,不育系雜交成活率與保持系雜交成活率也不相關。去雄和不去雄平行雜交試驗均可用于鑒定不育系的雌性育性。
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Effects of Female Fertility of RN Type Male-Sterile Lines on Outcrossing rate
ZHANG JingYong, YAN Hao, PENG Bao, ZHANG ChunBao, LI Hui, WANG PengNian, DING XiaoYang, LIN ChunJing, SUN Huan, ZHAO LiMei, ZHANG Wei
(Soybean Research Center of Jilin Academy of Agriculture Sciences/National Engineering Research Center for Soybean, Changchun 130033)
【Objective】To study the differences in female fertility of RN-type soybean cytoplasmic male sterile lines (A-lines) and maintainer lines (B-lines), determine whether there is a decline in female fertility in RN-type soybean cytoplasmic male sterility lines, and explore the correlation between female fertility and outcrossing rate in male sterile lines. 【Method】Firstly, 6 pairs of sterile lines and maintainer lines were selected from more than 200 RN-type cytoplasmic male sterile lines; outcrossing rates among these lines were different. Second, the outcrossing rate of male sterile lines was evaluated using honeybee pollination in net cages. Third, six male sterile lines were pollinated by non-removing stamen test, with male parents of the same restorer line, to determine whether there were differences in fertilization and podding. Finally, the differences in survival rate between sterile lines and maintainer lines were studied by removing stamens and non-removing stamens parallel cross test with the same restorer line used as the male parent. 【Result】The outcrossing rates in cages were significantly different among the six sterile lines tested: the highest outcrossing rate was 49.46% and the lowest outcrossing rate was 15.94%. there were significant differences among survival rates of artificial crosses of six sterile lines tested: the survival rate of sterile lines with a high outcrossing rate were significantly higher than that of medium and lowoutcrossing rate sterile lines and the survival rate of sterile lines with medium outcrossing rate were significantly higher than that of lowoutcrossing rate sterile lines. For crossing survival rate after artificially removing stamens, A-lines with high and medium outcrossing rates were significantly higher than that with lowoutcrossing rates; there were no significant differences among B-lines with high, medium, or low outcrossing rates; there were no significant differences among high A-lines, middle A-lines, and their corresponding B-lines, while A-lines with a low outcrossing rate were significantly lower than their corresponding B-lines. For crossing survival rate by artificially not removing stamen, A-lines with a high outcrossing rate were significantly higher than that with medium or lowoutcrossing rates; there were no significant differences among B-lines with high, medium and low outcrossing rates; there were no significant differences among high A-lines, middle A-lines, and their corresponding B-lines, while A-lines with low outcrossing rate were significantly lower than their corresponding B-lines. 【Conclusion】 For RN-type cytoplasmic male-sterile lines of soybean, female fertility of A-lines with high outcrossing rates were normal and female fertility of a few A-lines with low outcrossing rates were poor, affecting their seed setting. Female fertility of B-lines with different outcrossing rates were all normal, the outcrossing rate of A-lines in cages were significantly positively correlated with their crossing survival rate following artificial stamen removal and in plants where the stamen was not removed, the outcrossing rates of A-lines in cages were not correlated with their B-lines’ crossing survival rate. All parallel crosses by removing and non-removing stamens can thus be used to evaluate female fertility of A-lines.
soybean; Male-Sterile Lines; outcrossing rate; female fertility
10.3864/j.issn.0578-1752.2019.08.003
2018-11-23;
2019-01-23
吉林省農業(yè)科技創(chuàng)新工程(CXGC2017ZY004)、吉林省科技發(fā)展計劃項目(20190101007JH;20170201001NY)、國家自然科學基金青年基金(31301399)
張井勇,Tel:15699526311;E-mail:zhangjy@cjaas.com。 通信作者趙麗梅,E-mail:lmzhao@cjaas.com。通信作者張偉,E-mail:zw.0431@163.com
(責任編輯 李莉)