菊芋有性繁殖特性与人工杂交育种研究

吕世奇，寇一翾，曾 军，杨 彬，赵长明

(兰州大学生命科学学院，草地农业生态系统国家重点实验室，甘肃 兰州 730000)

【研究意义】菊芋(Helianthustuberosus)属于菊科向日葵属一年生草本植物，起源于北美随后经欧洲传入中国，菊芋生态适应性强，生长迅速，生物量大,地上部分茎叶营养丰富，可作为家畜的饲料，其地下部分块茎产量高，富含水溶性膳食纤维菊糖(占块茎干重的70 %～90 %)[1-4]。菊糖具有低热、高甜、对人体安全等特点[5]，广泛应用于食品、药品等领域，已被包括美国在内的世界多个国家列为资源性食品。近年来，菊芋亦作为新兴经济作物和高密度能源植物，已被生物质能源领域以及酿酒工业用来生产酒精类产品[6-9]。【前人研究进展】目前对菊芋的研究多集中在生理生态、栽培利用，采后贮藏，成分分析，菊糖提取、食品加工、生物乙醇、饲料利用价值等方面[10-19]。而对于菊芋产业发展具有重要价值的人工育种工作却研究甚少，由于菊芋以依赖块茎的无性繁殖方式为主，其有性生殖存在严重的障碍[1]，严重限制其种质资源利用和遗传改良工作的开展，使菊芋遗传改良工作远远落后于其他常规作物[20]。杂交技术作为遗传改良的基本手段，可创造丰富的变异，拓宽种质资源的遗传基础，同时可以促使优良性状的整合、互补，产生优异的种质材料。因此，全面系统了解菊芋有性繁殖特性及人工杂交育种的可能性，对于菊芋种质资源的遗传改良，培育高产优质品种具有重要意义。【本研究切入点】本文以已收集的国内外56份菊芋种质材料为研究对象，通过开放授粉、套袋自交、单性结实等方法研究菊芋有性繁殖特性和人工杂交育种的可能性。【拟解决的关键问题】研究以期为菊芋人工杂交育种研究提供理论基础和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 供试材料

根据块茎颜色将56份种质材料分为白色块茎，红色块茎、棕色块茎和紫色块茎4种类型，其中源自中国菊芋种质材料38份，日本菊芋种质材料1份和欧洲菊芋种质材料17份(具体来源及编号见表1)。所有试验于2011-2012年在兰州大学植物种质资源圃(35° 56.364′N，104° 09.144′E，Alt: 1746 m)进行。

1.2 试验方法

1.2.1 开放授粉 在自然条件下使植株自由授粉，种子成熟后，每个种质材料选取15株，每株随机选取5个花序，调查每个花序的管状花数和结籽数，以结籽数与管状花数的比率为结实率，取平均值为该种质材料的开放结实率。

1.2.2 套袋自交 每个种质材料选取15株，每株随机选取5个未开放花序用硫酸纸袋套袋，所有管状花雌蕊开始干枯后去掉硫酸纸袋；待种子成熟时统计每个花序的管状花数及结籽数，以结籽数与管状花数的比率为结实率，取平均值为该种质材料的套袋自交结实率。

1.2.3 单性结实 选取去雄未授粉的花序，记录去雄管状花数后，剪除未开放的管状花，将花序套入硫酸纸袋，待雌蕊干枯后去掉硫酸纸袋；成熟后，统计结籽数。每个种质材料随机统计15株，以结籽数与去雄的管状花数的比率为结实率，取其平均值为该种质材料的单性结籽率。

表1 试验菊芋种质材料

注： LZJ001～LZJ017和LZJ035来源于国外；LZJ018～LZJ056(除LZJ035)来源于国内。

Note： LZJ001-LZJ017 and LZJ035 were obtained from abroad; LZJ018-LZJ056 (except for LZJ035) were obtained from China.

表2 56份菊芋材料的有性繁殖习性

1.2.4 人工杂交 选取能够进行杂交的健康花序，去雄，用剪刀剪除同一花序上未开放的管状花，授粉后套袋，并记录授粉管状花数，待植株成熟时统计结籽数，以结籽数与授粉管状花数的比率为结实率，同一组合的所有结实率的平均值为该组合的杂交结实率。同理，正反交试验中，分别选择不同的种质相互作为父本和母本，成熟后统计结籽率。

1.3 数据分析

采用Microsoft excel 2007进行数据计算，SPSS 17.0对杂交试验和正反交试验结果进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 有性繁殖特性

56份菊芋种质材料有性繁殖习性统计结果表明(表2)，不同种质材料有性繁殖习性存在明显差异。套袋自交结实率变异最大，变异系数为162.61 %，套袋自交结实率在0～1.00 %之间，平均值为0.19 %，说明菊芋自交不亲和，但自交结实现象存在；单株花序数目变异系数为59.67 %，花序数在116.40～8.40之间，均值为49.31；开放授粉结实率变异较大，变异系数为26.73 %，开放授粉结实率在0～25.28 %之间，平均值为7.01 %，说明菊芋结实率比较低且不同品系间差异较大；而管状花数变异相对较小，变异系数为12.19 %，管状花数在83.37～57.53之间，均值为69.06；去雄未授粉的单性结实率均为0，说明菊芋不存在未授粉情况下的单性生殖现象。

2.2 杂交试验

以LZJ056、LZJ033、LZJ024、LZJ023、LZJ029、LZJ027、LZJ025、LZJ014、LZJ009为母本，以LZJ010、LZJ011、LZJ012、LZJ013为父本的杂交结果(表3)显示，以块茎颜色为紫色与棕色的种质材料为母本时，显示出了较高的杂交结实率(如LZJ024、LZJ023、LZJ029、LZJ027、LZJ025、LZJ056、LZJ033)，而以块茎颜色为白色的种质材料为母本时杂交结实率较低(如LZJ014、LZJ009)；以同一种质材料为父本，不同种质材料为母本时，杂交结实率的差异主要体现在母本不同块茎颜色种质材料之间(如♀LZJ014×♂LZJ010与♀LZJ024×♂LZJ010，♀LZJ033×♂LZJ011与♀LZJ029×♂LZJ011之间等)，同种块茎颜色种质材料之间差异较小(如♀LZJ014×♂LZJ012与♀LZJ009×♂LZJ012，♀LZJ029×♂LZJ011与♀LZJ027×♂LZJ011之间等)；以同一种质材料为母本，不同种质材料为父本时，杂交结实率因杂交父本的不同表现出了较大差异(如♀LZJ056×♂LZJ010与♀LZJ056×♂LZJ013，♀LZJ023×♂LZJ010与♀LZJ023×♂LZJ013之间等)或者差异较小(如♀LZJ056×♂LZJ011与♀LZJ056×♂LZJ012，♀LZJ027×♂LZJ011与♀LZJ027×♂LZJ012之间等)。

对杂交父本、杂交母本的双因素方差分析显示，杂交结实率主要受母本的影响呈极显著水平(F= 9.014，P< 0.01)；受父母本互作影响亦达到极显著水平(F= 1.929，P< 0.01)，而受父本的影响不显著(F= 0.878，P> 0.05)。

2.3 正反交试验

通过对22种杂交组合结实率的方差分析(表4)，结果表明正反交结实率的差异主要来自正反交试验组合之间的差异(F= 2.337，P= 0.029 < 0.05)，例如杂交组合1与杂交组合10之间的差异等；对于同一杂交组合受正反交的组合方式的影响不显著(F= 1.404，P= 0.249 > 0.05)，例如在杂交组合3中，正交组合♀LZJ033×♂LZJ029与反交组合♀LZJ029×♂LZJ033对结实率的影响较小。

表3 菊芋杂交结实率

注： ** 表示在0.01水平上差异显著。

Note： ** indicates the significant difference at 0.01 level.

表4 菊芋正反交结实率分析

续表4 Continued table 4

组合编号No. 亲本Parents开放结实率( %)Achene setsof open pollination杂交组合Cross combination母本×父本(♀×♂)杂交花数Tubular flower numbers结实率( %)Achene setsof hybridizationLZJ0100.65LZJ010×LZJ0133912.9610LZJ0130.00LZJ013×LZJ014390LZJ0141.36LZJ014×LZJ01340011LZJ0120.27LZJ012×LZJ014380LZJ0141.36LZJ014×LZJ01259012LZJ0120.27LZJ012×LZJ0091080LZJ0090.70LZJ009×LZJ012379013LZJ0090.70LZJ009×LZJ0101770LZJ0100.65LZJ010×LZJ00944014LZJ0211.82LZJ021×LZJ055960LZJ05512.54LZJ055×LZJ021101015LZJ03721.04LZJ037×LZJ01710620.85LZJ01710.90LZJ017×LZJ037144016LZJ03721.04LZJ037×LZJ050700LZJ0504.96LZJ050×LZJ03754017LZJ03721.04LZJ037×LZJ0022000.32LZJ0020.95LZJ002×LZJ03789018LZJ03721.04LZJ037×LZJ004930LZJ0046.60LZJ004×LZJ037127019LZJ0499.66LZJ049×LZJ0371620LZJ03721.04LZJ037×LZJ0491391.8420LZJ0499.66LZJ049×LZJ0551330LZJ05512.54LZJ055×LZJ049131021LZJ03910.20LZJ039×LZJ0072914.22LZJ0075.78LZJ007×LZJ03939022LZJ03910.20LZJ039×LZJ004804.24LZJ0046.60LZJ004×LZJ039850正反交方差分析Variance analysis of reciprocal crosses组合之间Between No. and No.正反交之间Between cross and backcross F value2.337*1.404

注：*表示在0.05水平上差异显著。

Note：* indicates the significant difference at 0.05 level.

3 讨 论

通过不同菊芋种质材料的开放授粉、套袋自交授粉和单性结实试验结果表明，菊芋种质材料开放授粉结实率较低，普遍在25 %以下。近缘关系可能是导致菊芋种质材料开放授粉结实率低下的主要原因之一，产生这种结果是因为菊芋主要通过无性繁殖传播，经扩增片段长度多态性(AFLP)分析也表明，所有种质材料之间亲缘关系非常近[21]，而且高度自交不亲和性导致菊芋结实率低下。另外，开放授粉结实率可能与种质材料类型有较大的关系，紫色和棕色块茎种质材料结实率较高，红色和白色块茎种质材料结实率低，大部分不能结实，可能是因为紫色和棕色块茎种质材料倾向于野生化，而白色和红色块茎种质材料倾向于经过驯化栽培，而很多研究也表明野生种的结实率高于栽培种[22]。套袋自交的结果表明，菊芋种质材料倾向于自交不亲和，但仍有部分材料可以获得少量的自交种子，说明在菊芋种质材料杂交过程中仍需防止花粉污染，确保杂交种子的准确性；同时自交种子的获得可以用来进行材料性状分离规律的研究以及自交对于菊芋遗传结构的影响等研究。通过去雄但不授粉试验可以得出，菊芋在不进行授粉条件下不能诱导孤雌生殖，因此可以确定杂交授粉时获得的种子为杂交种子，为菊芋杂交育种研究的成功和杂交种子的纯度提供保证。

杂交试验结果表明，菊芋种质材料的杂交结实率变异大，方差分析结果表明，杂交结实率主要与母本、父母本互作有关。另外，杂交结实率表现出正反交的差异不明显，正反交结实率主要受杂交组合方式的影响。就种质材料类型来看，紫色块茎和棕色块茎种质材料杂交结实率更高，白色块茎和红色块茎种质材料结实率低或接近于零，这主要是由于群体遗传差异还是气候或者生育期差异造成的，还需进一步研究。对于结实率低的原因，Kays and Nottingham[1]解释为植株本身较高的雄性不育、杂交不亲和，由于影响菊芋杂交结实的因素复杂多变，需对菊芋种子繁殖规律做进一步研究，以了解开放结实低的原因，寻找杂交结实关键限制因素，为菊芋遗传改良提供技术支撑。

通过菊芋杂交试验的结果得出，杂交结实率主要与母本、父母本互作有关，因此杂交育种时应注重母本的选择，利用具有某一优良性状的父本进行杂交，以获得杂交种子，从而集中多种优良性状。本试验得出能够考虑作为优良的高杂交结实率的杂交母本包括，白色块茎种质材料的杂交母本：LZJ039、LZJ010、LZJ037；紫色块茎种质材料的杂交母本：LZJ032、LZJ029；棕色块茎种质材料的杂交母本：LZJ033、LZJ026、LZJ031、LZJ056。

4 结 论

本研究表明菊芋开放结实率较低，无单性生殖现象，并且倾向于自交不亲和；杂交结实率主要受母本和父母本互作影响；以紫色和棕色块茎群体为母本时表现出较高的杂交结实率；在杂交育种中应该注重母本的选择，筛选出LZJ039、LZJ010、LZJ037、LZJ032、LZJ029、LZJ033、LZJ026、LZJ031、LZJ056等9份种质材料作为高结实率的杂交母本。从而为菊芋杂交育种研究提供新的理论依据，加快菊芋种质资源创新和新品种培育进程。