芝麻繁育特性研究Ⅳ:海南南繁芝麻的天然异交率

孙 建,颜廷献,乐美旺,饶月亮,颜小文,周红英

(江西省农业科学院 作物研究所/国家油料改良中心 南昌分中心/江西省油料作物生物学重点实验室,江西 南昌 330200)

芝麻繁育特性研究Ⅳ:海南南繁芝麻的天然异交率

孙 建,颜廷献,乐美旺*,饶月亮,颜小文,周红英

(江西省农业科学院 作物研究所/国家油料改良中心 南昌分中心/江西省油料作物生物学重点实验室,江西 南昌 330200)

利用显/隐性单基因控制的单花/三花性状为标记,对海南南繁芝麻的天然异交率进行了测定。结果显示：邻近异花粉源的芝麻的天然异交率为4.44%～4.76%；天然异交率与异花粉源距离存在极显著的负相关(r= -0.626**),随着距离的增大,天然异交率不断下降,大约在距离异花粉源15～20行(6～8 m)处未检测到天然异交率；不同种植方向的天然异交率存在一定的差异。

芝麻;繁育特性;天然异交率;南繁;海南

“南繁”作为我国首创的一种独特育种及繁育方式,是利用我国南方特别是海南岛南部地区冬春季节气候温暖的优势条件,将夏季在北方种植的农作物育种材料,于冬春季节在南方再种植一季或两季的农作物育种方式,在农作物新品种培育过程中发挥着缩短育种年限、加速世代繁育的特殊作用[1-3]。在南繁作物的加代、繁育与种子生产中,天然异交率的存在不仅是作物种子纯度降低、种性退化的重要因素,也是基因漂流引起环境和食品安全的潜在风险[4]。研究和明确作物南繁过程中天然异交率的大小,对于该作物南繁过程中的繁育特性和种子生产研究具有重要意义。

芝麻是海南传统的油料作物,种植历史悠久,明代已有记载。海南芝麻生产遍及全岛各县市,主要产区集中在琼山、海口、澄迈等地,近年来种植面积约3300 hm2,历史最高达13333 hm2[5]。随着科研工作的不断加快与深入,南繁在芝麻育种和群体构建等方面具有越来越重要的作用,越来越多的芝麻品种有着南繁的经历,如驻芝10号、漯12和郑芝14号等[6-8]。芝麻是具有鲜艳花冠、泌蜜量较大的开放式开花习性的主要蜜源作物之一[9-10],是蜜蜂等传粉昆虫的重要访问对象。因此,在芝麻南繁中,天然异交率是一个不容忽视的客观问题。已有的报道显示,国外芝麻天然异交率在1%～65%,不同地区、不同品种差异较大[11-16]。笔者团队利用多组相对性状在我国主要芝麻产区开展了异交率测定研究,发现芝麻天然异交率在5.13%～23.35%[16],同时确定蜜蜂、切叶蜂等昆虫是芝麻传粉，特别是异花传粉的主要媒介[17]。但是,关于芝麻南繁过程中的天然异交率的研究报道尚属空白,因此,研究并明确芝麻南繁过程中的天然异交率对芝麻南繁中的群体构建、良种繁育和种子生产等工作具有十分重要的理论和实际意义,同时也对当地芝麻生产具有一定的参考价值。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以花期基本一致的显/隐性单基因控制的单花/三花性状为标记开展异交率测定,单花芝麻品种为“金黄麻”,三花芝麻品种为“赣芝9号”。试验材料均通过多年网帐隔离纯化而来。

1.2 试验原理及设计

1.2.1 试验原理 利用受显/隐性单基因控制的单花/三花性状为标记进行天然异交率测定,以显性单基因控制的单花性状材料为异花粉源,将单花和三花材料按试验设计种植,收获三花植株上的种子进行点播(不间苗),鉴定其标记性状,出现的单花植株即为天然异交产生,统计其出现频率以计算天然异交率。

1.2.2 试验设计与异交率计算 试验在海南省三亚市天涯区江西省农业科学院南繁试验基地进行。采用条播种植模式,在周边无其他芝麻花粉源存在的前提下,在宽2 m、长25 m左右的东西走向的厢面上,先在中心位置种植5行异花粉源(单花)材料,在其他位置双向条播对应的三花性状材料,行距40 cm,田间管理如常。成熟后按行分别收获三花性状材料植株上的种子,每行随机收获2株,即重复2次。将收获种子在江西省农科院试验基地(南昌莲塘)进行点播(不间苗)种植，并在花期进行性状调查,测定距离异花粉源不同方向、不同行距下芝麻的天然异交率。以单花性状为目标性状,调查和计算天然异交群体内该目标性状植株占总群体植株的百分率,即为天然异交率(%)。试验数据整理与相关分析通过Excel和SPSS软件进行。

2 结果与分析

2.1 不同方向、不同距离天然异交率的变化与相关分析

检测结果(表1)显示：东面株行的天然异交率为0%～4.44%,西面株行的天然异交率为0%～4.76%；在与异源花粉相邻的3行中,东面株行的天然异交率为3.11%～4.44%,西面株行的天然异交率为0.76%～4.76%。图1、图2显示,随着距离异花粉源的行数的增加,东、西面株行的天然异交率呈波动下降趋势,其中东面株行在20行(8.0 m)以后没有检测到天然异交率,西面株行在10行(4.0 m)以后没有检测到天然异交率。此外，东面株行的天然异交率整体上要高于西面株行的,而西面株行的天然异交率降低幅度明显大于东面株行的。

相关分析结果表明,芝麻的天然异交率与异花粉源距离呈极显著(P<0.01)负相关,相关系数为-0.626。其中,东面株行的天然异交率与异花粉源距离呈极显著负相关(r=-0.774**),西面株行的天然异交率与异花粉源距离呈显著负相关(r=-0.484*)。

可见,南繁芝麻存在一定程度的天然异交率,邻近异花粉源芝麻的天然异交率可达4.76%；天然异交率与异花粉源的距离有直接关系,随着相隔行数的增多,天然异交率逐渐减少。不同种植方向芝麻的天然异交率差异明显,这可能与风向影响昆虫访问芝麻花有关。

表1 不同方向、不同距离芝麻的天然异交率

注:E为东面株行,W为西面株行。

2.2 零异交率的理论距离估算

分别对表1数据和图1、图2进行趋势线(对数)分析，结果表明：东面株行芝麻天然异交率的趋势线公式为y=-1.4069ln(x)+4.1044,在距离异花粉源约7.6 m(19行)时天然异交率为0;西面株行芝麻天然异交率的趋势线公式为y=-0.8986ln(x)+2.3908,在距离异花粉源约6.0 m(15行)时天然异交率为0。该结果较其他生态区的估算值[16]略小,可能与试验基地(种植作物以水稻为主)的昆虫种类和数量等环境因素有关。因此,在芝麻海南南繁过程中,不同材料间其相邻15～20行之内(6～8 m)所获种子存在杂合的可能性较高,这为芝麻南繁工作提供了理论参考。

图1 东面株行不同距离芝麻的天然异交率

图2 西面株行不同距离芝麻的天然异交率

3 讨论

一直以来,芝麻都被认为是自花授粉作物,但在科研和生产实践中,较高频率出现的天然异交现象一直困扰着芝麻繁育与种子生产。不同国家和地区的研究者也对芝麻的天然异交率先后进行了报道,例如：Langham检测到委内瑞拉的芝麻存在4.6%的天然异花授粉作用；Rheenen发现尼日利亚芝麻的天然异交率为3.5%～9.6%；Khidir估算的苏丹芝麻的天然异交率为3.1%～6.7%； Musa等研究结果显示墨西哥芝麻的异交率为4.4%～24.8%[12-15]；孙建等[16]首次通过多年多点试验对我国芝麻主要产区的异交率进行了测定,结果显示混合种植模式下芝麻的天然异交率为5.13%～23.35%,平均12.69%,在不同生态区、不同年份、不同品种间均存在较大的差异；Yermanos更是认为在特定条件下,芝麻的天然异交率可以高达65%[13]。本试验检测到芝麻在海南南繁过程中,紧邻异花粉源的天然异交率为4.44%～4.76%,该结果与前人的研究结果[12-16]相近,说明了芝麻天然异交率的普遍存在。但该结果较我国主产区的芝麻天然异交率[16]稍低,可能与昆虫数量和环境因素存在一定的关系。首先,由于风媒对芝麻传粉基本上不起作用,所以昆虫是芝麻主要的传粉媒介[17]；冬季海南三亚气温不高且常受大陆冷空气的影响,传粉昆虫的数量和活动频率并不太高,直接导致天然异交率的降低。其次,海南是我国冬季蔬菜的主要生产地,在本试验实施地的周边地区种植有大量的豇豆、黄秋葵及瓜果类等蔬菜,而紧邻试验地核心区则种植了大量的水稻,农药的使用和蔬菜花粉对昆虫的吸引,直接导致芝麻访花昆虫的减少,从而使得天然异交率稍低于主产区。

本试验结果显示,东西不同方向的芝麻的异交率存在较明显的差距,东面芝麻的天然异交率随着与异源花粉距离的增加而逐步下降,在距离异花粉源8 m之后没有检测到天然异交率,而西面芝麻的天然异交率则随着与异源花粉距离的增加而陡然下降,在距离异花粉源4 m之后便没有检测到天然异交率。这种因种植方向带来的天然异交率差异可能与三亚气候条件和昆虫的生活习性相关,冬春季节三亚市天涯区受气候和山体的影响,试验基地以东北风为主。而蜜蜂等大多数访花昆虫均为昼出性昆虫,其具有对日光的正趋性,同时,在风速较低时,昆虫有逆风飞行扩散的习性,在访花时,下风处的昆虫有靠风传气味寻找蜜源的特点[18-19]。访花昆虫的这些特性和试验地的风向,直接导致访花昆虫将异源花粉优先传送到东面植株,使东面芝麻的天然异交率要普遍高于西面的。因此,访花昆虫的访花习性影响了芝麻天然异交率的高低,日照方向和花期风向在一定程度上可以作为良种繁育和种子生产的考虑因素。

农作物良种繁育对种子纯度有严格的要求,尤其对原原种纯度,一般要求在繁育过程中排除机械混杂等人为因素之外,其天然异交率应该控制在0.1%以内[20]。本试验检测到海南南繁芝麻天然异交率达到4.44%～4.76%,因此通过有效隔离降低或排除天然异交率在芝麻南繁中显得较为重要。距离隔离是芝麻良种繁育过程中主要方式之一[11]。孙建等[16]在多年多点监测我国主产区芝麻天然异交率的基础上,提出了400 m空间距离加8～12 m保护行的理论隔离方法。本试验在条播种植模式下,综合东西方向异交率出现的特点,估算出距离异源花粉6～8 m的情况下,南繁芝麻的天然异交率几乎为0。参考油菜、棉花等其他作物在欧洲、加拿大和澳大利亚的相关规定[21-25],我们提出,芝麻南繁中理论隔离距离为400 m,加上6～8 m的保护行,这样可满足良种繁育种99.9%的纯度要求,但其实际隔离效果则需要进一步试验验证。

[1] 佟屏亚.异地培育理论的创立与南繁发展[J].中国种业,2000,28(2):11-13.

[2] 董照辉,张应禄,刘继芳,等.我国南繁基地建设问题的探讨与建议[J].中国农业科技导报,2010(1):52-55.

[3] 周晶,罗劲梅,徐雪荣,等.南繁基地建设的战略意义及发展方向[J].热带农业工程,2014,38(3):45-48.

[4] 胡凝,姚克敏,袁潜华,等.海南南繁区水稻基因飘流的最大阈值距离及其时空分布特征[J].中国农业科学,2014,47(23):4551-4562.

[5] 符斋,云白杨.海南省油料作物生产存在的问题与发展对策[J].中国农技推广,2010,26(2):10-12.

[6] 张仙美.芝麻新品种漯12的选育及栽培要点[J].河南农业科学,2002(7):18-19.

[7] 崔向华,段莹,阚跃峰,等.黑芝麻新品种驻芝10号的选育[J].中国种业，2008(7):60-61.

[8] 张体德,张海洋,卫双玲,等.芝麻新品种郑芝14号的选育及应用[J].农业科技通讯,2010(12):178-180.

[9] 刘炳仑.我国春夏秋冬44种主要蜜源植物的花粉形态[J].养蜂科技,2001(4):4-6.

[10] 于先觉,韩开菊,李莉.芝麻花期的蜂群管理[J].中国蜂业,2009,60(6):21.

[11] Weiss E A. Castor, sesame and safflower [M]. London: Leonard Hill, 1971: 311-525.

[12] Brar G S, Ahuja K L. Sesame, its culture, genetics, breeding and biochemistry: annual review [J]. Plant Science, 1979(1):245-313.

[13] Yermanos D M. Sesame [M]//Fehr W, Hadleys H. Hybridization of crop plants. Madison: Agronomy-crop Science Society of America, 1980: 549-563.

[14] 冯祥运,张秀荣,刘越英.基因库芝麻种子繁殖更新方法研究[J].中国油料,1997,19(1):63-65.

[15] 翟志席,詹英贤.杂交芝麻[M].北京:中国农业出版社,1997:147-150.

[16] 孙建,颜廷献,高德学,等.芝麻繁育特性研究Ⅰ:天然异交率的测定[J].中国油料作物学报,2015,37(4):462-466.

[17] 孙建,魏星,乐美旺,等.芝麻繁育特性研究Ⅱ:异花传粉媒介的确定[J].作物杂志,2015(3):36-40.

[18] 王立和,张青文,杨淑霞,等.螟黄赤眼蜂在棉田的扩散方向及其与风速风向的关系[J].昆虫学报,1998,41(增刊):76-81.

[19] 张青文,张巍巍,蔡青年,等.苜蓿切叶蜂授粉扩散行为及苜蓿种子增产效应的研究[J].应用生态学报,1999,10(5):606-608.

[20] 王志兴,王旭静,贾士荣.主要农作物转基因飘流频率和距离的数据调研与分析Ⅰ:背景、调研目的及所考虑的问题[J].中国农业科技导报,2011,13(3):26-29.

[21] 李允静,卢长明,王旭静,等.主要农作物转基因飘流频率和距离的数据调研与分析Ⅴ:油菜[J].中国农业科技导报,2012,14(1):49-56.

[22] 王旭静,贾士荣,王志兴.主要农作物转基因飘流频率和距离的数据调研与分析Ⅵ:棉花[J].中国农业科技导报,2012,14(6):19-22.

[23] Bilsborrow P E, Evans E J, Bowman J, et al. Contamination of edible double-low oilseed rape crops via pollen transfer from high erucic cultivars [J]. J Sci Food Agne, 1998, 76: 17-22.

[24] SCIMAC. Guidelines for growing newly developed herbicide tolerant crops [Z/OL]. http://www.scimac.org.uk/files/onfarm_guidelines.pdf, 1999.

[25] Staniland B K, McVetty P B E, Friesen L F, et al. Effectiveness of border areas in confining the spread of transgenicBrassicanapuspollen [J]. Can J Plant Sci, 2000, 80: 521-526.

StudyonBreedingCharacteristicsofSesame(Sesamumindicum) Ⅳ:SpontaneousOutcrossingRateofSesameinWinterMultiplicationinHainan

SUN Jian, YAN Ting-xian, YUE Mei-wang*, RAO Yue-liang, YAN Xiao-wen, ZHOU Hong-ying

(Crop Research Institute, Jiangxi Academy of Agricultural Sciences / Nanchang Branch, National Center of Oil Crop Improvement / Jiangxi Provincial Key Laboratory of Oil Crop Biology, Nanchang 330200, China)

Using the mono-floral / tri-floral character controlled by dominant / recessive single gene as marker, we measured the spontaneous outcrossing rate (SOR) of sesame (Sesamumindicum) in winter multiplication in Hainan. The results showed that: the SOR of sesame adjacent to different pollen sources was 4.44%～4.76%, and it was very significantly negatively correlated with the distance from different pollen source (r=-0.626**); the SOR of sesame gradually decreased with the increase in the distance from different pollen source, and it could not be detected beyond 15～20 lines (6～8 m) from different pollen sources; there was a certain difference in SOR among sesame plants planted in different directions.

Sesame; Breeding characteristics; Spontaneous outcrossing rate; Winter multiplication; Hainan

2017-07-20

国家特种油料产业技术体系建设项目(CARS-14)。

孙建(1981─),男,江西高安人,副研究员,主要从事芝麻遗传育种与良种繁育研究。*通讯作者:乐美旺。

S565.3

A

1001-8581(2017)11-0017-04

(责任编辑:黄荣华)