大豆异交率性状研究概述

闫昊　张井勇　彭宝

摘要异交率是植物不同个体间发生杂交的概率。大豆是一种典型的自花授粉作物，天然异交率低。在杂交大豆育种实践中，要实现制种产量高、成本低的目标，最关键的技术要求是异交性能优良。从异交率研究进展、影响异交率的因素、研究异交率的方法三个方面进行综述，并对其研究进行展望。

关键词大豆；异交率；研究进展

中图分类号S565.1文献标识码A文章编号0517-6611（2017）36-0014-03

AbstractOutcrossing rate is a probability occurrence of hybridization between different individual plants. Soybean is a kind of typical selfpollinating crops and its natural outcrossing rate is low. To achieve high seed production yield and low cost in hybrid soybean breeding practice， outcrossing is the most key technical requirements for high performance. Research progress of outcrossing rate， influencing factors on outcrossing rate and research methods on outcrossing rate were reviewed and its research was prospected.

Key wordsSoybean；Outcrossing rate；Research progress

作物杂种优势利用育种实践中，不育系亲本应具有稳定不育性能，可恢复能力强，配合力高，异交结实能力强且异交结实率高。在不育系繁种田（不育系×保持系）和杂交制种田（不育系×恢复系）中要取得较高的制种产量和更好的经济效益，须考虑母父本行比、花期调节、株高和株型配置、人工辅助授粉等诸多因素的影响，且没有优良异交性能的不育系、保持系和恢复系作为保障，要选育具有广阔生产应用前景的杂交种和大幅提高杂交种繁制产量都是不现实的。

一般而言，天然异交率5%以下的植物为自花授粉植物，5%～20%为常异花授粉植物，20%以上为异花授粉植物[1]。大豆是一种典型的自花授粉作物，由于其花器小，花多，花粉黏重，花朵开放时翼瓣和龙骨瓣紧紧包住雄蕊和柱头，花药和柱头不外露，异花间传粉不易进行，且易落花落荚等，因而天然异交率很低（0.03%～3.62%）[2-4]。该研究概述了异交率研究进展、影响异交率的因素、研究异交率的方法，以期在杂交大豆育种实践中实现制种产量高、成本低的目标。

1异交率研究进展

异交率（Outcrossing rate）是植物不同个体间发生杂交的概率。目前国内外对于异交率的研究多集中在水稻和玉米中，这与以上2种作物三系配套，且杂交种大量应用于大田生产及制种技术有很大关系，而对于大豆异交率的研究比较少。

孙志强等[5]于1992年对大豆天然异交率进行了测定，应用控制大豆绿子叶的2个重叠隐性基因（d1d2）为标志表型基因，得到通交83-932、长农4号、吉林21号、吉林20号、公交8324-19的异交率分别为0.66%、0.50%、0.38%、046%、0.41%的结论。

Tyson等[6]研究了果园中转基因苹果同非转基因苹果的天然异交率，其设定的模型是忽略风媒和其他影响因素，假定蜜蜂为唯一传粉载体，只以开花性状及给体和受体距离作为影响因子。鉴定异交率是通过转基因种子中是否含有GUS基因来判定种子是否为异交所得。异交率在距离异交花粉源（含有GUS基因的转基因苹果植株）20 m内数值为4%～40%，超过异交花粉源180 m后趋近于零。

Kawashima等[7]于2006—2008年探讨了玉米的天然异交率同环境因素的影响，主要研究了年际间不同开花时期和散粉高峰期2个性状与天然异交率的关系，通过种脐颜色（白色或者黄色）判定是否为异交种子，结果显示年际间空气中花粉数量以及花粉散播的方式均不一样；年际间平均异交率总是变化的；异交率与每年的气候条件紧密相关，且随父母本距离的增加，异交率减小。

Ivanovska等[8]对玉米田间天然异交率的计算进行了模型化分析，忽略授粉昆虫等因素的影响，主要以风媒、角度以及给受体之间距离为变量，总结了计算不同年际间玉米品种风媒授粉异交率的公式。

2影响异交率的因素

Arroyo等[9]、Erickson等[10]、Chiang等[11]和Bock等[12]推测大豆在进化历史上是从异交作物转变为高度自交作物的。Fujita等[13]估测野生豆的异交率可达13%左右。Weber等[4]认为蜜蜂、蓟马等昆虫或者风均是造成异交的因子，种子经不同剂量X射线处理后，得到异交率增加了4～6倍的突变株，而对照的异交率为1%。根据目前研究进展，总结影响大豆天然异交率的因素主要有以下方面。

2.1传粉途径

目前认为大豆天然异交率的实现主要有2种途径：风媒传粉和虫媒传粉。从风媒传粉的角度，大豆柱头外露程度，花粉飘散性以及花粉数量等性状都会影响大豆的异交结荚率。白羊年等[14]提出从利用雄性不育系生产杂种种子已经成功的作物如水稻、玉米、油菜等来看，均主要利用风媒传粉，节省支出，經济有效。就大豆目前用种量大、经济效益不高的状况来看，久远之计还得利用风媒传粉的途径，或者以风媒为主，辅以自然昆虫传粉。但是赵丽梅等[15]在田间做了花粉截获量试验，研究风力传粉的可能性，结果表明落到柱头上的花粉概率微乎其微。于伟等[16]在田间利用吹风机开展传粉试验，结果表明风不能为大豆传粉。

从虫媒传粉的角度，花部结构对访花者的访问频率具有重要意义。Robacker等[17]研究表明，具有较多的花、每朵花较多的蜜腺、颜色更鲜艳、花更大、花开放更完全的植株更能吸引传粉者。国内卫保国等[18]证实花蓟马（Frankliniella intonsa Trybom）是传播大豆花粉的有益昆虫。赵丽梅等[19]认为蜜蜂和苜蓿切叶蜂是大豆传粉的有效昆虫。丁德荣等[20]认为南方地区自然开放条件下大豆传粉媒介主要为花蓟马。Rust等[21]在美国3个地区所做调查发现，除蜜蜂外，还有29个种的蜂类活动于豆田。李建平等[22]调查了吉林省中部地区豆田的昆虫群体，认为有24种蜂可为大豆传粉，其中切叶蜂6个种，熊蜂3个种，地蜂5个种，蜜蜂3个种，条蜂1个种，隧蜂1个种。张瑞军[23]通过数码监控大豆花资料表明，昆虫传粉高峰期在花开当天的11：00—13：30，高异交率的品种吸引传粉昆虫平均次数为15.66次/（朵·h），而相对低异交率的品种为3.25次/（朵·h）。

2.2花部结构生物学特性

开花期长短，开花期长可以令授粉昆虫工作时间更长，增加异花授粉频率，但开花期长也会使给体和受体的花期相遇困难。开花期高峰，它对不同的授粉昆虫会有不同的影响。给体和受体花期拟合度，给体和受体花期拟合度越高，昆虫异花授粉概率越大。张瑞军[23]认为花器形状、散粉性、柱头和花粉活力以及花泌蜜量、花蜜糖浓度也具有重要的作用，高泌蜜量且花蜜糖浓度大，将提高异交率。

2.3受体与给体之间的相对距离及隔离条件

Boerma等[24]、Nelson等[25]认为花粉受体与给体之间的相对距离及隔离条件也是影响异交率的一个重要因素。一般来说，给体与受体相距越远，给体的花粉传播到受体的概率就越小。Caviness等[26]用不育系进行的研究表明，当行间距离大于4.6 m时，异交很少发生。Boerma等[24]研究表明，在2.75～13.75 m的行内距离和2～9 m的行间距离范围内，异交率随距离的增大而減小；当行间距离超过7 m或行内距离超过18 m时，基本可以排除天然异交。Nelson等[25]所做类似试验表明，在小区周围种植10 m保护行，几乎可以完全避免外来花粉污染。卫保国等[18]利用同心圆法观察蓟马传粉，传粉距离最远可达25 m。但是，由于大豆的花粉传播是以昆虫为媒介，在一定距离范围内（10～80 cm），距离不会影响昆虫活动，对大豆天然异交率无明显影响。

2.4环境因素

试验地点和当地气候是影响异交率的关键因素，试验地点是否有足够的传粉昆虫源是影响大豆天然异交率的基础，也是大豆杂交种制种的关键。孙寰等[19]自1998年即在东北三省选择适宜大豆杂交种制种且有丰富传粉昆虫源的试验地。当地气候也是影响异交率的因素，在大豆开花授粉期间，如出现极端天气将使异交率显著降低。对34个ms6基因型核雄性不育系在虫媒条件（切叶蜂）下进行连续3年结实率的调查，其正交检验的结果为年际间的变化对结实率的影响达到极显著。

2.5基因型差异

在异交过程中，自花授粉受阻和外源花粉的有效传播这2个因素是相对独立，又有着不可分割的联系。基因型的差异可以同时对2个因素或1个因素有影响。Caviness等[26]、Brim等[27]认为部分或完全不育受体本身的自体受精无法实现，会明显地提高异交率。对于育性正常的大豆基因型，受体与给体的开花习性及其在时间和空间上的协调性，花器形态和结构上的差异，可能是导致基因型间天然异交率不同和受体与给体间产生互作的内在原因。赵丽梅等[15]报道不育系间异交率差异非常明显，低者不足10%，高者达60%～70%，相差5～6倍，甚至更高。

3研究异交率的方法

已有研究应用差异明显的性状如种脐颜色、花色、子叶颜色等基因作为标记测定异交率[2，4-5]。理论上，异交指接受来自别的花朵花粉导致的受精结实，这些花粉包括那些来自在标记基因位点上带有与受体相同等位基因的基因型的花粉，甚至来自受体基因型的其他植株或同一植株其他花朵的花粉。因此，用任何标记性状来估计大豆的天然异交率都将低于实际天然异交率。研究植物异交率主要有2种方法：间接法和直接法。

间接法又叫居群结构方法（Population structure approach，PSA），是通过居群的自交系数（Inbreeding coefficient，Fis）估计异交率的方法。根据居群自交系数（Fis）和异交率的关联关系[28]，异交率t 可以用公式t=（1-Fis）/（1+Fis）进行估算。间接法基于HardyWeinberg平衡假设，在非完全随机交配的居群中，杂合子的比例会随世代而减少，居群的自交率越高，居群中杂合子缺失程度越严重，因此可以通过居群中杂合子缺失的程度来估计居群自交的程度。假设所指的居群是二倍体无限居群（Infinite population），居群中异交随机发生且已经达到平衡，并且没有选择和自交衰退现象。间接法估计获得的异交率结果可以理解为对居群多世代的综合估计。间接法主要有2个缺点：①杂合子缺失现象即使没有发生自交也同样存在；②分子标记有零等位基因的技术缺陷。这些缺点导致间接法的假设基础不能普遍适用或异交率结果被过低估计。间接法由于以居群为单位进行异交率估计，所得到的结果代表居群异交率，无法了解群内各家系的异交率和变异情况。

直接法又叫后代检测方法（Progenyarray approach，PAA），是检测特定母株后代中杂交后代的比例以估计母株异交率的方法。例如，当检测的来自相同母株的10个后代中出现2个杂交后代时，该母株的异交率即为20%。当检测居群中多个母株时，通过母株间的简单平均和异交率模型的估计可以获得居群异交率。检测杂交后代的工具包括表型指标、同工酶标记以及不同类型的分子标记。直接法估计植物异交率常用的模型是混合交配模型（Mixed mating model），该模型最早由Fyfe等[29]提出。Ritland[30]指出花粉散布不可能是完全随机的，接受邻近个体花粉的可能性往往较大。一般邻近个体的亲缘关系较近（因为存在遗传结构），因此有些异交可能发生在亲缘关系较近的个体之间，甚至可能发生在相同家系的不同子代个体间，由于这些个体之间的遗传基础十分相似，它们之间的杂交结果与自交结果相似，即杂交后代在大部分位点上出现纯合基因型。其进一步通过多个位点估计的异交率和单个位点估计的异交率比较分析了真实异交（发生在不同个体间的异交）和近亲异交（发生在近缘个体间的异交）的相对程度，完善了混合交配模型对植物异交率的研究方法。他开发的MLTR（Multilocus Mating System Program，MLTR ver.3.0）软件可用于推测母本基因型，分析总异交率、真实异交率、近亲异交率以及其他相关系数，是目前异交率研究的主要分析工具。

4展望

深入研究大豆异交率的遗传和分子机制，有助于从理论上进一步阐明杂交大豆应用的关键问题及解决方法，并从杂种优势利用这一角度推进大豆单产的显著提高。异交率基因的分子定位可以指导高异交率三系的选育，缩短育种年限对于解决杂交大豆规模化应用，稳定我国大豆基本供给、持续发展具有重要的实践意义。

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