马铃薯4x-4x和4x-2x杂种后代高世代选系总产和商品薯产量比较

2014-03-12吕文河马子竣白雅梅李文霞徐学谱

东北农业大学学报 2014年10期

吕文河，马子竣，李莹,2，白雅梅，李文霞，徐学谱

（1.东北农业大学农学院，哈尔滨 150030；2.黑龙江省烟草公司哈尔滨烟叶公司，哈尔滨 150001；3.东北农业大学资源与环境学院，哈尔滨 150030；4.大兴安岭地区农业林业科学研究院，黑龙江加格达奇 165000）

传统马铃薯（Solanum tuberosumL.）育种方法（4x-4x杂交）需较大群体才能筛选到为数不多的符合目标性状的无性系。在加拿大选育一个新品种需要8～15万株实生苗[1]，其原因之一是在4x-4x杂交育种方案中使用的亲本多具有亲缘关系[2-3]。使用有亲缘关系品种作为杂交亲本有助于质量性状选择，却极大限制产量及产量稳定性改良[2,4]。其二是高产4x亲本中有利位点间互作在正常减数分裂过程中可能会遭到破坏[5]，这对马铃薯可能会产生负面影响，因为马铃薯总产量主要受非加性遗传效应控制[6-8]。采用倍性操作育种（Breeding via ploi⁃dy manipulation）可克服传统马铃薯育种缺点，使开发、评价和利用二倍体原始栽培种和野生种资源更容易[9-10]。

倍性操作育种方案包括3个步骤。首先是使四倍体马铃薯降倍，产生双单倍体（Dihaploid），双单倍体可以通过种间杂交或称倍性间杂交（4x-2x）获得，二倍体授粉者富利亚（S.phureja）的两个精子都和极核结合，形成六倍体的胚乳，没有受精的卵细胞孤雌生殖发育成一个双单倍体的胚[11]。Clulow等研究结果表明，三倍体合子S.phureja染色体优先消失可能是形成双单倍体的另一种机制[12]。其次是在二倍体水平上育种。Hougas和Pel⁃oquin发现，双单倍体和许多二倍体种杂交是亲和的，这样就可以使育种在二倍体水平上进行杂交[13]。在二倍体水平上育种的好处包括：简单的二倍体分离比例，容易选择多基因控制的性状，较少的杂交组合和较小的群体就可获得理想后代，降低染色体交换及不良性状发生的频率，易产生2n配子，易利用含有育种所需目标性状大约70%的野生种[14-15]。第三，利用2n配子恢复四倍体倍性。恢复倍性可利用有性多倍化（Sex polyploidiza⁃tion，SP）完成，可单向有性多倍化（Unilateral sexu⁃al polyploidy，USP），2n配子来自一个亲本，也可双向有性多倍化（Bilateral sexual polyploidy，BSP），2n配子来自两个亲本[8]。育种中常用的USP是4x-2x组合，因为二倍体马铃薯更易产生2n花粉，易鉴定。

Peloquin等研究证明，利用2n配子在马铃薯及其他作物中进行多倍化效果好于采用秋水仙素加倍法，这是因为等位基因多元化提高，杂合程度最大化，以及传递给子代的上位性[16-17]。产生2n配子的突变体在马铃薯中广泛分布。平行纺锤体（ps）产生2n花粉，其机制在遗传学上相当于第一次分裂重组（First division restitution，FDR）[18]。这个隐性性状（ps/ps）具有表现度不一致（Variable expres⁃sivity）和不完全外显率（Incomplete penetrance）特点，导致产生花粉里既有n花粉也有2n花粉[10]。平行纺锤体在栽培和野生马铃薯种中普遍存在，是马铃薯中产生2n花粉的主要机制[16,18]。平行纺锤体把二倍体亲本中大约80%的异质性和大部分上位性传递给四倍体后代[19]。这些估值被后来的分子标记分析证实[20]。和正常的减数分裂相比，FDR传递更多的非加性变异，对产量至关重要[21-25]。和传统四倍体育种相比，利用倍性操作育种的优点还包括其可在不损失产量和品质条件下加快新品种选育进程，提高育种效率[10,26]。本研究从育种实践角度出发，比较4x-4x和4x-2x杂种后代高世代选系总产、商品薯产量的差异，探讨利用倍性操作育种可能性。

1 材料与方法

1.1 材料

4x-4x和4x-2x组合各10个（见表1）。四倍体亲本为育成品种或高世代无性系，二倍体亲本056和057是普通马铃薯栽培种（S.tuberosum）双单倍体与二倍体栽培种富利亚（S.phureja）杂种的互交后代，L系列是经轮回选择适应长日照的二倍体栽培种富利亚（S.phureja,PHU）和窄刀薯（S.stenoto⁃mum,STN）杂种（PHU-STN)后代。二倍体亲本经鉴定产生至少5%2n花粉。

表1 试验所用4x-4x和4x-2x组合代号及亲本Table 1 Code and parentage of 4x-4x and 4x-2x crosses used in this experiment

2004年种植实生苗世代，每个组合播种100粒。3月16日在育苗盘播种，置于东北农业大学马铃薯温室内，4月20日将实生苗移到小营养钵（上口直径×高×下口直径为8 cm×8 cm×6 cm）中，放到冷床内，晚间覆膜保温。5月30日移入大营养钵（上口直径×高×下口直径为13 cm×12 cm×10 cm）中，置于东北农业大学马铃薯网室内。2004年9月29日收获，每一个单株保留一个最大的块茎，没有进行选择。收获后的块茎按组合混合置于窖内保存。

2005年种植无性一代，地点在加格达奇大兴安岭地区农业林业科学研究院马铃薯试验地。按组合种植，株行距为0.60 m×0.70 m。5月25日播种，按当地栽培马铃薯方式采用常规田间管理，9月10日人工单株收获。收获时按常规育种程序根据块茎性状进行选择。

2006～2010年种植无性二～六代材料，地点亦在加格达奇大兴安岭地区农业林业科学研究院马铃薯试验地。株行距为0.30 m×0.70 m，均采用常规田间管理，秋收时根据块茎表现（块茎性状，块茎产量）进行选择。2010年秋从4x-4x和4x-2x组合中各选出17个无性系供试验用。

1.2 方法

2011～2012年在加格达奇大兴安岭地区农业林业科学研究院马铃薯试验地进行4x-4x和4x-2x杂种后代高世代选系比较试验。采用随机区组设计，3次重复，单行区，行长6 m，垄距0.80 m，株距0.30 m。以克新18号（鲜食）和夏坡地（薯条加工）为对照。2011年5月16日播种，9月12日收获；2012年5月11日播种，9月14日收获。收获时，以小区面积（6 m×0.8 m）为单位，记载总产量和商品薯产量。薯块≥75 g视为是商品薯。

1.3 统计分析

两年数据采用联合方差分析，品种、年份固定，随机区组模型[27]，按照Gomez和Gomez的方法进行组间比较（Between-group comparison）和组内比较（Within-group comparison）[28]。

2 结果与分析

2.1 总产量

2011年总产9.28 kg·小区-1，2012年总产9.30 kg·小区-1，两年总产差异不显著（见表2，图1）。两个对照品种克新18号和夏坡地总产两年平均为9.27和7.60 kg·小区-1，二者差异不显著（见表2）。4x-2x和4x-4x后代高世代选系总产平均为9.20和9.48 kg·小区-1，二者差异不显著（见表2，图2）。但4x-2x内和4x-4x内的差异达极显著水平（见表2）。4x-2x后代高世代选系总产变化范围5.35～11.93 kg·小区-1，4x-4x后代高世代选系总产变化范围6.65～12.37 kg·小区-1。试验发现总产的品种和年份互作极显著（见表2）。

表2 4x-4x和4x-2x组合高世代选系总产量的联合方差分析Table 2 Combined analysis of variance for total tuber yield of advanced clones from 4x-4x and 4x-2x crosses

图1 2011年和2012年马铃薯总产量Fig.1 Total tuber yield of potatoes in 2011 and 2012

总产的品种和年份互作极显著也可从表3数据直观体现，例如2011年无性系HJ04-21-109的总产12.73 kg·小区-1，排第1位，2012年该无性系总产11.13 kg·小区-1，排第8位，而2011年无性系HJ04-3-18总产量10.90 kg·小区-1，位居第7位，2012年总产13.83kg·小区-1，上升到第1位。从两年的平均值来看，总产显著高于鲜食对照品种克新18号的无性系有 7 个（HJ04-3-18， HJ04-21-109，HJ04-3-60，HJ04-14-8，HJ04-21-32，HJ04-21-69和HJ04-3-59），其中来自4x-4x组合的有3个（HJ04-3-18，HJ04-3-60和 HJ04-3-59），来自4x-2x组合的有4个（HJ04-21-109，HJ04-14-8，HJ04-21-32和 HJ04-21-69）。除 HJ04-3-18外，其他无性系稳定性均表现良好。以上结果表明，虽然4x-4x组合和4x-2x组合类型总产量无显著差异，但从中选出的总产量高于鲜食对照克新18号的无性系数目4x-2x组合仍然较高于4x-4x组合（见表3）。

图2 4x-2x和4x-4x组合高世代选系总产量Fig.2 Total tuber yield of advanced selections from 4x-2x and 4x-4x crosses

表3 4x-4x和4x-2x组合高世代选系及对照总产表现及稳定性参数Table 3 Total yield and stable parameter of 4x-4x and 4x-2x advanced selections and control cultivars

2.2 商品薯产量

2011年商品薯产量6.92 kg·小区-1，2012年商品薯产量7.58 kg·小区-1，两年商品薯产量差异极显著（见表4，图3）。两个对照品种克新18号和夏坡地商品薯产量两年平均为7.22和6.53 kg·小区-1，二者差异不显著（见表4）。

图3 2011年和2012年马铃薯的商品薯产量Fig.3 Marketable tuber yield of potatoes in 2011 and 2012

4x-2x和4x-4x后代高世代选系商品薯产量平均为6.60和7.94 kg·小区-1，二者有极显著差异（见表4，图4）。4x-2x内和4x-4x内无性系差异极显著（见表4）。4x-2x后代高世代选系商品薯产量变化范围2.55～9.60 kg·小区-1，4x-4x后代高世代选系商品薯产量变化范围5.07～11.98 kg·小区-1。试验发现商品薯产量的品种和年份互作极显著（见表4）。

表4 4x-4x和4x-2x组合高世代选系商品薯产量的联合方差分析Table 4 Combined analysis of variance for marketable tuber yield of advanced clones from 4x-4x and 4x-2x crosses

图4 4x-2x和4x-4x组合高世代选系商品薯产量Fig.4 Marketable tuber yield of advanced selections from 4x-2x and 4x-4x crosses

商品薯的品种和年份互作极显著也可从表5数据直观看出，2011年无性系HJ04-14-8的商品薯产量8.13 kg·小区-1，排第11位，2012年该无性系商品薯产量11.07 kg·小区-1，排第2位。2011年无性系HJ04-8-17商品薯产量8.20 kg·小区-1，位居第10位，2012年该无性系产量只有6.03 kg·小区-1，位次降到第28位。

从两年平均值来看，商品薯产量显著高于鲜食对照品种克新18号的无性系有9个（HJ04-3-18，HJ04-3-60，HJ04-3-59，HJ04-14-8，HJ04-7-36，HJ04-21-69，HJ04-21-32，HJ04-21-109，HJ04-7-23），其中来自4x-4x组合的有5个（HJ04-3-18，HJ04-3-60，HJ04-3-59，HJ04-7-36，HJ04-7-23），来自4x-2x组合的有4个（HJ04-14-8，HJ04-21-69，HJ04-21-32，HJ04-21-109）。除 HJ04-3-18和HJ04-14-8外，其他无性系稳定性均表现良好。以上结果表明，虽然4x-4x组合比4x-2x组合类型商品薯产量高，但从4x-2x组合中仍可选出商品薯高于鲜食对照克新18号无性系，表现稳定（见表5）。

表5 4x-4x和4x-2x组合高世代选系及对照商品薯产量表现及稳定性参数Table 5 Marketable tuber yield and stable parameter of 4x-4x and 4x-2x advanced selections and control cultivars

3 讨论与结论

4x-4x杂交是马铃薯育种中最常见组合方式。Douches等认为，新品种比重和炸片色泽有改善，但产量改良不明显[3]。研究结果表明，4x-2x组合后代块茎产量出现超中和超高优势[25-26,29-30]。这些组合产量高，且在多个环境中表现稳定[29,31]。若以家系为单位，4x-2x家系和4x-4x家系相比，在长势、熟期、产量、块茎外观及整齐性方面表现更好，和四倍体亲本相比，其有较好产量和长势[16,32]。

本研究利用倍性操作育种技术改良马铃薯，比较4x-2x和4x-4x杂种后代高世代选系产量的表现。所用的二倍体材料一是普通马铃薯栽培种（S.tuberosum）双单倍体与二倍体栽培种富利亚（S.phureja）杂种的互交后代，二是经轮回选择适应长日照的PHU-STN杂种后代。普通马铃薯栽培种（S.tuberosum）双单倍体与二倍体栽培种富利亚（S.phureja）杂种理论上含有50%S.phureja血缘；适应长日照的PHU-STN杂种含有100%的二倍体栽培种遗传构成。由于本试验所用组合并不是按一定遗传设计，所以未讨论两种不同二倍体亲本对4x-2x后代产量影响。从选择试验来看，4x-2x组合后代选系和4x-4x组合后代选系在总产量方面无差异，但从中选出的总产量高于鲜食对照克新18号的无性系数目4x-2x组合仍较高于4x-4x组合。从商品薯产量来看，4x-2x组合后代选系低于4x-4x组合，这是由于4x-2x组合后代选系单株结薯多，但单薯重低所致。富利亚（S.phureja）有高比重、抗某些病虫害等优点，但也存在休眠期短、芽眼深、晚熟等缺点。为筛选早熟品种，本试验设在加格达奇。加格达奇位于50°24'N，124°07'E，海拔371.7 m，无霜期约 110 d，活动积温1900～2100℃。由于加格达奇纬度高，无霜期短，会限制某些4x-2x高世代选系薯块生长。

Krantz和Yukon Gold利用倍性操作育种技术进行新品种选育[10,33]。这两个品种都有S.phureja和Katahdin单倍体（USW1）血缘，Krantz系谱还包含野生种S.raphanifolium和S.spegazzinii[34]。我国曾尝试采用倍性操作育种技术进行品种改良。如中国农业科学院蔬菜花卉研究所分别从欧美国家和国际马铃薯中心引进可产生2n配子的材料及野生种材料200多份，筛选出一大批高频率产生2n花粉、抗晚疫病或青枯病、高淀粉的二倍体杂种材料，获得HS196、QCE51-51-1等综合农艺性状优良、抗晚疫病或青枯病、还原糖含量低、2n花粉频率高于20%的二倍体基因型20多份。并通过利用2n配子的倍性操作育种技术把二倍体种质的优良性状转入四倍体马铃薯栽培种中，育成国家级品种中大1号[35]。另外，中国南方马铃薯研究中心2013年审定的鄂马铃薯11也是从4x-2x（南中552× DY4-2-10）组合选出[36]。

倍性操作育种技术是利用二倍体资源的有效手段。4x-2x组合和4x-4x组合后代选系总产量无差异，但从4x-2x组合中可选出更多高产无性系。4x-2x组合后代选系单株结薯多，而单薯重偏低。因此，在实施倍性操作育种计划时，应注重在二倍体水平上选择，重点改良二倍体种或二倍体杂种对长日照适应性，及块茎性状，提高大薯率。

[1] De Jong H,Tai G C C,Russell W A,et al.Yield potential and gen⁃otype-environment interactions of tetraploid-diploid(4x-2x)pota⁃to hybrids[J].American Potato Journal,1981,58:191-199.

[2] Mendoza H A,Haynes F L.Genetic relationship among potato cul⁃tivars grown in the United States[J].HortScience,1974(9):328-330.

[3] Douches D S,Maas D,Jartrzebski K R,et al.Assessment of pota⁃to breeding progress in the USA over the last century[J].Crop Sci,1996,36:1544-1552.

[4] Mendoza H A,Saywer R L.The breeding program at the Interna⁃tional Potato Center(CIP)[M]//Russel G E.Progress in plant breeding.UK:Butterworth,1985:117-137.

[5] Peloquin S J,Yerk G L,Werner J E.Ploidy manipulations in the potato[M]//Adolph K W.Chromosomes:Eukaryotic,prokaryotic,and viral,vol.II.Boca Raton,Florida,USA:CRC Press,1989:167-178.

[6] Mendoza H A,Haynes F L.Genetic basis of heterosis for yield in autotetraploid potato[J].Theor Appl Genet,1974,45:21-25.

[7] Mendiburu A O,Peloquin S J,Mok D W S.Potato breeding with haploids and 2n gametes[M]//Kasha K J.Haploids in higher plants:Advances and potential.Gueph(Ontario),Canada:Gueph University Press,1974:249-258.

[8] Mendiburu A O,Peloquin S J.The significance of 2n gametes in potato breeding[J].Theor Appl Genet,1977,54:177-180.

[9] Bradshaw J E,MacKay G R.Breeding strategies for clonally prop⁃agated potatoes[M]//Bradshaw J E,MacKay G R.Potato Genetics.Cambridge:CAB International,1994:467-497.

[10] Ortiz R.Potato breeding via ploidy manipulations[M]//Janick J.Plant Breeding Review,vol 16.New York:John Wiley and Sons,1998:15-86.

[11] Peloquin S J,Gabert A C,Ortiz R.Nature of‘pollinator’ effect in potato(Solanum tuberosumL.)haploid production[J].Ann Bot,1996,77:539-542.

[12] Clulow S A,Wilkinson M J,Waugh R,et al.Cytological and mo⁃lecular observations onSolanum phureja-induced dihaploid pota⁃toes[J].Theor Appl Genet,1991,82:545-551.

[13] Hougas R W,Peloquin S J.Crossability ofSolanum tuberosumhaploids with diploidSolanumspecies[J].Potato Res,1960,3:325-330.

[14] Ross H A.Potato breeding problems and prospective[M].Berlin:Verlag Paul Prey,1985.

[15] Watanabe K N,Orrillo M,Vega S,et al.Selection of diploid pota⁃to clones from diploid(haploid x wild species)F1hybrid families for short day conditions[J].Breeding Sci,1995,45:341-347.

[16] Peloquin S J,Yerk G L,Werner J E,et al Potato breeding with haploids and 2n gametes[J].Genome,1989,31:1000-1004.

[17] Ramanna M S,Jacobsen E.Relevance of sexual polyploidization for crop improvement-A review[J].Euphytica,2003,133:3-18.

[18] Mok D W S,Peloquin S J.Three mechanisms of 2n pollen forma⁃tion in diploid potatoes[J].Can J Genet Cytol,1975,17:217-225.

[19] Peloquin S J.Genetic engineering with meiotic mutants[M]//Mul⁃cahy D L,Ottaviano E.Pollen:Biology and implications for plant breeding.Amsterdam:Elsevier Science Publishing Inc,1983:311-316.

[20] Barone A,Gebhardt C,Frusciante L.Heterozygosity in 2n gam⁃etes of potato evaluated by RFLP markers[J].Theor Appl Genet,1995,91:98-104.

[21] Hutten R C B,Schippers M G M,Hermsen J G T,et al.Compara⁃tive performance of FDR and SDR progenies from reciprocal 4x-2x crosses in potato[J].Theor Appl Genet,1994,89:545-550.

[22] De Jong H,Tai G C C.Analysis of tetraploid-diploid hybrids in cultivated potatoes[J].Potato Res,1977,20:111-121.

[23] De Jong H,Tai G C C.Evaluation of potato hybrids obtained from tetraploid-diploid crosses.I.Parent-offspring relationships[J].Plant Breeding,1991,107:177-182.

[24] Concilio L,Peloquin S J.Tuber yield of true potato seed families from different breeding schemes[J].Amer Potato J,1986,64:81-85.

[25] Buso J A,Boiteux L S,Peloquin S J.Multitrait selection system using populations with a small number of interploid(4x-2x)hy⁃brid seedlings in potato:degree of high-parent heterosis for yield and frequency of clones combining quantitative agronomic traits[J].Theor Appl Genet,1999,99:81-91.

[26] Peloquin S J,Ortiz R.Techniques for introgressing unadapted germplasm to breeding populations[M]//Stalker H T,Murphy J P.Plant Breeding in the 1990's.Raleigh,North Carolina:CAB Inter⁃national,1992:485-512.

[28] Gomez K A,Gomez A A.Statistical procedure for agricultural re⁃search[M].2nded.New York:John Willey and Sons,1984.

[29] Darmo E,Peloquin S J.Performance and stability of nine 4x clones from 4x-2x crosses and four commercial cultivars[J].Pota⁃to Res,1990,33:357-364.

[30] Werner J E,Peloquin S J.Yield and tuber characteristics of 4x progeny from 2x x 2x crosses[J].Potato Res,1991,34:261-267.

[31] Buso J A,Boiteux L S,Peloquin S J.Tuber yield and quality of 4x-2x(FDR)potato progenies derived from the wild diploid spe⁃ciesSolanum berthaultiiandSolanum tarijense[J].Plant Breeding,2003,122:229-232.

[32] Buso J A,Boiteux L S,Peloquin S J.Heterotic effects for yield and tuber solids and type of gene action for five traits in 4x potato families derived from interploid(4x-2x)crosses[J].Plant Breed⁃ing,2000,119:111-117.

[33] Johnston G R,Rowberry R G.Yukon Gold;a new yellow-fleshed,medium-early,high quality table and French-fry cultivar[J].Am⁃er Potato J,1981,58:241-244.

[34] van Berloo R,Hutten R C B,van Eck H J,et al.An online potato pedigree database resource[J].Potato Res,2007,50:45-57.

[35] 屈冬玉,金黎平,谢开云.中国马铃薯产业10年回顾[M].北京:中国农业科学技术出版社,2010.

[36] 沈艳芬,田恒林,陈家吉,等.马铃薯新品种——‘鄂马铃薯11’的选育[J].中国马铃薯,2013,27(5):319－320.