几种饲用麦类作物远缘杂交的亲和性比较

谢 楠,赵海明,李 源,刘贵波

(河北省农林科学院旱作农业研究所/河北省农作物抗旱研究重点实验室,河北衡水 053000)

远缘杂交把不同种、属的特征、特性结合起来,突破种属界限,扩大遗传变异,从而创造新的变异类型或新物种,是创造新物种和选育新品种的一个重要育种技术和方法,是染色体水平上的转基因工程。尤其在以收获营养体为目的的饲草育种方面远缘杂交将是一项重要的育种手段。

对于黑麦,小黑麦与小麦的远缘杂交已有研究[1-3],多是以小麦为中心,利用黑麦、小黑麦的有益基因在改良小麦抗病性、品质和产量性状方面进行研究。在小麦及其种间杂交不亲和性方面,陈军营[4]等利用硬粒小麦、小黑麦和黑麦各一个品种研究小麦远缘杂交的不亲和性。在亲本组配上,已有采用非饲用品种的二倍体(黑麦)、六倍体(小黑麦、小麦)、四倍体(硬粒小麦)之间作杂交[4-6]。在利用饲用八倍体(小黑麦)与饲用二倍体(黑麦)和饲用六倍体小黑麦、冬小麦杂交进行研究尚未有过相关报导。试验从远缘杂交入手,研究立足于为选育收获营养体的饲草新品种为目的,探讨不同麦类作物种类之间的杂交亲和性,为今后利用远缘杂交开展麦类饲草新品种选育研究的田间杂交技术提供重要依据。

1 材料和方法

1.1 供试品种

试验选用饲用黑麦、饲用六倍体小黑麦、饲用八倍体小黑麦和冬小麦品种各3个(表1)。

1.2 研究方法

1.2.1 试验地点 试验于2006年10月～2007年6月,2007年10月～2008年6月进行。试验地位于河北省深州市护迟镇的河北省农林科学院旱作农业研究所试验站进行 ,E 115°42′,N 37°44′,海拔高度20 m,年均降水量510 mm,其中70%的降水集中在7～8月。年平均气温12.6℃,无霜期206 d。

1.2.2 试验方法 分别于2006年10月15日和2007年10月20日造墒播种,施足底肥,尿素 375 kg/hm2,复合肥(N 14%,P 16%和 K 15%)750 kg/hm2,每个材料均播种2行,行长4.2 m,同一品种之间行距30 cm,不同品种之间行距60 cm,返青后结合灌水追施尿素225 kg/hm2。利用12个亲本材料,采用人工去雄和授粉的方法以同一类别品种为重复共分3组(表2),同一类别的每个亲本材料按照表中所示与其他类别相对应的3个材料进行正反杂交,每1组合两个穗,共计72个组合,144穗。每个穗子两侧各留中部10个小花,共20个小花。

表1 品种名称,来源及供种单位Table 1 Names and sources of tested cultivars

表2 试验品种的分组Table 2 Groups of tested cultivars

待抽穗后田间选择发育良好、一致,健壮和具有本品种典型特征的主茎穗或大分蘖穗为母本,进行人工整穗、去雄。并选择与母本花期相近的父本穗对母本穗进行人工授粉,为了克服远缘杂交的困难,对每个杂交组合中母本穗进行了多次授粉,这与袁汉民[5]在普通小麦远缘杂交F1代表现型研究中所述相同。杂交后挂牌,注明父母本名称、去雄日期和授粉日期。

为防止花期不育,对饲用黑麦的抽穗早品种在拔节期进行部分刈割,使再生后的部分植株花期推迟,达到花期相遇的目的。

1.2.3 调查项目及方法 盛花期以田间每品种有80%的植株开花为盛花期;抗倒性在收获期分为4级,以无(0)、轻(25%)、中(30%)、重(50%)表示倒伏度,植株倾倒45°以上为倒伏;抗病性以田间调查三锈病、叶枯病和白粉病。可按4级调查:无(0)全株无病、轻(1)基部两叶片感染、中(2)中部叶片感染、重(3)旗叶及穗部均感染;在收获后,分别调查记载不同杂交组合籽粒秕瘦和饱满情况。结实籽粒的饱满程度分为3级调查:1(饱满)、2(干瘪)、3(极干瘪);收获后,分别调查记载所有杂交组合的结实粒数。

结实率:统计杂交结实粒数,(结实粒数/授粉小花数×100%)。

饱满度:(饱满籽粒数/结实籽粒数)×100%。

结实率和饱满度,用SAS软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 4种饲用麦类的盛花期和抗逆性

从表3可以看出,饲用六倍体小黑麦和饲用八倍体小黑麦达到盛花期的时间最接近,花期相遇可能使组合之间授粉较好,也给结实性创造了先决条件;饲用黑麦和冬小麦之间虽然盛花期的时间也较接近,但由于二者之间亲缘关系较远,结实性相对较弱;饲用六倍体小黑麦、饲用八倍体小黑麦分别和饲用黑麦、冬小麦之间花期有差别,如果在结实性方面出现差异,可能是导致结实率低的原因之一。尽管在试验过程中人为的采取一些措施,如饲用黑麦类在拔节期进行部分植株刈割,使刈割后的植株花期推迟5 d,但是对于饲用六倍体小黑麦、饲用八倍体小黑麦来说还是未达到花期相遇的目的。

抗倒优性结果显示(表3),2007年饲用黑麦品种的抗倒优性较差,尤以oklon品种抗倒优性最差,倒伏面积达到了50%以上,其他2个饲用黑麦品种Bates和89R47,也有中度倒伏现象发生,倒伏面积30%。另外,5月22日、23日遇大雨和大风天气,正值植株生长后期,也是导致倒伏的原因。其他3类麦类无倒伏现象发生,抗倒优性较好;2008年参试的各品种都无倒伏现象发生(与当年的气象因素有关)。

2年参试的各冬小麦品种均发生了不同程度的病害。而其他3类麦类作物均未发现有感染三锈病和白粉病,抗病性较好。饲用小黑麦作为黑麦属和小麦属物种经属间有性杂交和杂种染色体数加倍而人工合成的新物种有着父母本的优良性状,体现出了较强的杂种优势。表现出抗倒、抗病性强的优良性状。

表3 4种饲用麦类各品种的花期和抗逆性Table 3 The flowering period and stress resistance of 4 forage triticeae cultivars

2.2 4种饲用麦类不同组合的杂交结实率和饱满度

不同组合的平均结实率6个组合平均结实率之间存在显著差异(表4),因饲用六倍体小黑麦×饲用八倍体小黑麦平均结实率最高,达到53.86%,在所有组合中该组合双亲亲缘关系最近。饲用六倍体小黑麦×冬小麦、饲用八倍体小黑麦×冬小麦和饲用黑麦×饲用六倍体小黑麦、饲用黑麦×饲用八倍体小黑麦之间平均结实率稍高,亲缘关系较近;但前2个组合的平均结实率明显高于后2个组合的平均结实率,表明冬小麦较饲用黑麦的亲和性可能更强。饲用黑麦×冬小麦之间平均结实率最低,为10.21%,双亲的亲缘关系较远;饲用黑麦×饲用六倍体小黑麦、饲用黑麦×饲用八倍体小黑麦和饲用黑麦×冬小麦三者平均结实率在0.05和0.01水平下无显著差异。结果表明远缘杂交的结实率与双亲的亲缘关系远近相关,亲缘关系较近的结实率较高。

不同组合正交和反交结实率,各组合之间都存在差异,有的组合正交和反交之间差异显著,有的组合差异不显著。同一组合正交和反交结实率之间存在差异的组合,如饲用八倍体小黑麦×冬小麦反交结实率为37.92%,而正交组合结实率为13.96%;饲用六倍体小黑麦×冬小麦反交结实率为50.63%,而正交组合为31.88%。陈军营[4]在小麦及其近缘种间杂交的不亲和性及其F1籽粒性状研究中提到,虽然一些杂交组合正、反交都能受精结实,但由于核与质的互作不同造成正、反交之间存在较大差异,本试验所得结论与该研究基本相同。

从结实籽粒的总饱满度分析,不同组合差异显著。饲用黑麦×冬小麦组合最高,饲用六倍体小黑麦×饲用八倍体小黑麦组合次之,但两组合在0.05和0.01水平无显著差异,饲用八倍体小黑麦×冬小麦组合总饱满度最低,仅为4.08%,出现干瘪籽粒居多。

表4 不同组合的杂交结实率和饱满度Table 4 The seed setting rate and plumpness of different cross combinations

各组合无论正反交,收获的种子都有出现干瘪现象,有的组合饱满度很低,是由于远缘杂交使种子不能形成正常的胚而败育,有相关研究报道在植物远缘杂交中出现的异常染色体行为,从而导致杂交结实率降低以及代谢紊乱和种子皱缩等现象[7-8]。

不同组合正交和反交的饱满度之间存在显著差异,以饲用黑麦×冬小麦反交组合饱满度最高(62.96%),饲用六倍体小黑麦×饲用八倍体小黑麦反交组合次之,饲用八倍体小黑麦×冬小麦正、反交组合饱满度都较低,尤以反交组合最低(仅为0.61%),且这一组合正、反交之间在0.01水平无显著差异。

综合杂交结实率和饱满度的分析,饲用六倍体小黑麦×饲用八倍体小黑麦之间杂交结实率和饱满度都较高(尤以反交最为突出),亲和性好;其双亲亲缘关系相对最近。饲用黑麦×冬小麦杂交结实率最低,亲和性差,双亲亲缘关系较远;但籽粒饱满度相对较高,说明结实率与饱满度之间的相关关系不明显。因此,远缘杂交的亲和性主要取决于双亲亲缘关系的远近。

2.3 不同品种的杂交亲和性

饲用黑麦类3个品种与其他类别品种杂交后,oklon品种结实率相对较高,表现较好,89R47饱满度较高与Bates分别和冬小麦类组合后饱满度达到了50%,但结实率偏低,尤以Bates最为突出,也表明结实率和饱满度的相关关系不明显。oklon品种在3类组合中亲和性较好,Bates相对较差(图1)。

饲用六倍体小黑麦类与其他类别组合后,结实率中新830最高,尤其在与饲用八倍体小黑麦组合中达到了60%,NSHW11品种结实率和饱满度相对较高,NTH1888组合后饱满度虽然较高,但结实率较另2个品种低。综合以中新830品种较好,NSHW11品种次之(图2)。

劲松81品种在饲用八倍体小黑麦类与其他类别组合后,结实率最高,饱满度较93761次之,93755的结实率和饱满度相对较低(图3)。

冬小麦类各品种与其他类别杂交后,良星99品种的综合结实率最高,但饱满度偏低,衡杂3号结实率和饱满度都较高,表现较好,衡5229的饱满度虽高,但结实率偏低,其与黑麦类组合后的结实率仅5%(图4)。

试验所用4类12个品种中,oklon、中新 830、劲松81和衡杂3号品种亲和性相对较好。表明同类不同品种之间的远缘杂交亲和性存在明显差异。因此,在实际利用过程中,为保证远缘杂交的成功率要注意通过试验加以鉴定选择亲和性好的品种。

3 小结

因受品种本身生长发育特性影响,饲用黑麦类品种生育进程较快,由于茎秆细弱抗倒性相对较差,但抗病性表现较好;冬小麦品种抗病性较差;饲用小黑麦类品种兼有饲用黑麦和冬小麦的优良性状,表现出了较好的抗逆性。饲用六倍体和饲用八倍体小黑麦因盛花期相近,花期相遇程度高,授粉较好结实性强。

通过对饲用黑麦、饲用六倍体、饲用八倍体小黑麦、冬小麦杂交结实率和结实籽粒饱满度的分析可得出:(1)亲缘关系较近的类别之间杂交结实率高,亲和性好;反之结实率低,亲和性较差。饲用六倍体小黑麦×饲用八倍体小黑麦平均结实率最高,其中,尤以反交最为突出;而饲用黑麦×冬小麦之间平均结实率最低。前者亲缘关系较近,后者亲缘关系较远。符合遗传学的一般规律;(2)由于核与质的互作不同造成同一组合正反交之间结实率存在较大差异;(3)饲用六倍体×饲用八倍体小黑麦组合总饱满度较高,饲用黑麦×冬小麦组合总饱满度最高,但结实率偏低,说明结实率与饱满度之间的相关关系不明显。结实籽粒饱满度的差异与亲和性有一定的关系,但杂交种子有无生命力,胚能否生成很难判断,需对后代继续种植进行判断,值得进一步的研究和讨论;(4)同一类别不同品种之间与其他类别杂交亲和性存在明显差异。这可能是由于同一类别不同品种遗传学上的细微差异所致。

今后开展此类研究工作应注意:(1)由于同一组合正反交之间存在差异,在试验中应注意选择确定哪个亲本作母本;(2)同一类别不同品种与其他类别品种进行杂交,品种间也存在差异,应通过试验加以鉴定选择亲和性较强的品种进行杂交;(3)仍需进一步研究组合的去雄、授粉时间及授粉次数对杂交结实性所带来的影响;(4)探讨解决花期不育的措施,例如:错期播种;早春发育快品种在拔节期进行部分植株的刈割等。

试验中同类别不同品种间受到花期不遇、授粉时间与授粉次数或其他物候因素的作用,都会对试验结果产生一定程度的影响。而且,试验只是对当代的结实情况进行分析,为了使试验结果更为准确可靠,应将当代所得杂交种子在下一年进行种植,观察后代表现以判断杂交成功与否,来进一步推断亲和性。

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[8]HU Shi Yi.Angiosperm embryology[M].Beijing:People's Education Press,1982.