菜薹乳白色花突变体的遗传规律研究及瓣化型细胞质不育系的应用

张德双 李佩荣 张凤兰 余阳俊 赵岫云 于拴仓 汪维红 苏同兵 辛晓云 卢桂香

（北京市农林科学院蔬菜研究中心，北京 100097）

菜薹〔Brassica campestris L. ssp. chinensis（L.）var. utilis Tsen et Lee〕起源于我国，别名菜心、绿菜薹、广东菜、菜尖等，是十字花科芸薹属芸薹种白菜亚种中以花薹为产品的变种，为一、二年生草本植物。菜薹的食用器官为花茎和薹叶，薹质柔嫩多汁，风味独特，富含纤维素、VC、胡萝卜素和矿质元素，享有蔬菜之冠的美誉。广州地区菜薹可实现周年生产供应，年栽培面积约16 800 hm2（刘自珠和张华，2016）。近年来，由于市场需求的改变、冷链物流和长途运输的发展，北方的一些地区利用相对冷凉、雨水较少的生态条件，如宁夏、河南等地也开始大面积种植菜薹，宁夏地区的“宁夏菜心”已经成为优势品牌，常年栽培面积可达6 000 hm2以上（方智远，2017）。菜薹的杂种优势利用主要以玻里马pol CMS、改良的萝卜胞质Ogu CMS和甘蓝型油菜CMS96细胞质不育系为母本，早优1号、早优2号、中花杂交菜心、秦薹1号、柳杂1号和柳杂2号等都是利用玻里马pol CMS育成的菜薹品种；广州市农业科学研究院利用萝卜胞质Ogu CMS育成2个菜薹一代杂种玉田1号和玉田2号；2018年，北京市农林科学院蔬菜研究中心利用甘蓝型油菜CMS96细胞质不育系育成18A1、18A2、18A4等菜薹新品系。

菜薹的花瓣颜色是重要的植物学性状之一，花色作为指示性状，可用于纯度鉴定或作为遗传标记等育种相关选择。但是菜薹的花色比较单一，黄色花为主要花瓣颜色。另外，白色花（张华和刘自珠，1999）和橘红色花（张德双 等，2013）也见报道。虽然获得了白色花和橘红色花材料，但在已推广的菜薹品种中还未见白色花和橘红色花一代杂种的报道。张德双等（2004）研究表明，大白菜橘红色花与橘红心球色的基因完全相同，大白菜橘红色花与营养成分相关，VC含量和β-胡萝卜素含量极显著高于普通白心大白菜。在菜薹新品种选育中，应拓宽不同花色资源，探索不同花色品种和营养品质的关系，以提高菜薹的营养品质、丰富菜薹品种类型，进而满足市民对菜薹品种的多样性需求。萝卜胞质Ogu CMS是菜薹的主要细胞质不育系，但是由于单一细胞质可能导致菜薹一代杂种对病害、虫害的脆弱性，存在对菜薹产业造成不利影响的隐患，因此应重视广泛引进和创制新型细胞质不育源，拓宽不同类型细胞质不育系在菜薹杂交优势利用中的应用。

本试验利用菜薹与大白菜杂交、回交，转育菜薹瓣化型细胞质不育系。同时，利用在菜薹中发现的乳白色花色突变体与黄花菜薹杂交，研究乳白色花色的遗传规律，并将黄花核心材料转为乳白色花。通过创制和筛选多种瓣化型细胞质不育系和乳白色花色菜薹优良亲本材料，进一步配制菜薹杂交组合，以期选育出乳白色花色、瓣化型细胞质不育系、强优势的菜薹一代杂种，更好地丰富市民的“菜篮子”，促进农民增收。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试菜薹超级80天菜心（P1）和坡头70天油青菜心（P2）均为自交6代以上的纯合自交系材料，前者的花色为乳白色，叶片颜色浅绿，购于广东省鹤山市农友种子店；后者的花色为黄色，叶片颜色深绿，购于杨伟星种子有限公司。

1.2 试验方法

1.2.1 乳白色花色遗传 2017年秋季，配制超级80天菜心×坡头70天油青菜心F1；2018年春季，F1自交获得F2，F1与双亲分别回交，获得BC1和BC1′群体，其中 BC1为 F1×P1，BC1′为 F1×P2。8月21日，在大棚内采用穴盘育苗方法，播种6世代材料，9月10日定植到大棚中，10月30日开始调查6个世代全部单株的花瓣颜色，同时记录各单株花色，并拔除已开花的单株，避免重复记数，调查工作持续到6个世代全部单株开花、并可以明显分辨出花色才结束，研究乳白色花的遗传规律。

1.2.2 营养成分含量测定 2018年10月30日，分别取超级80天菜心和坡头70天油青菜心10～12 cm长菜薹30个，包括花茎和薹叶，3次重复，送交农业农村部种质质量监督检测中心测定VC、可溶性糖、纤维素、蛋白质等营养成分含量。VC含量测定采用2，6-二氯酚靛酚滴定法，可溶性糖含量测定采用蒽酮比色法，纤维素含量测定采用重量法，蛋白质含量测定采用凯氏定氮法。试验数据采用卡方χ2和F测验进行方差分析。

1.2.3 瓣化型细胞质CMS不育系的转育 瓣化型细胞质CMS不育系来源于大白菜，2017年春季和2018年春季，以坡头70天油青菜心为父本与大白菜瓣化型细胞质CMS连续回交2代，获得菜薹瓣化型细胞质不育系，定名为18NBCC。2018年8月21日，采用穴盘育苗的方法播种18NBCC，9月10日定植到露地，11月12日取18NBCC分枝花序，在实体解剖镜下观察18NBCC蜜腺，并照相。

2 结果与分析

2.1 菜薹乳白色花的遗传规律

从2017年10月30日开始，分别调查6个世代全部单株的花瓣颜色，因为菜薹开花时间和生长势等不一致，花色调查和记录工作直至11月25日结束。从彩色图版1、2可以看出，超级80天菜心的花瓣颜色混杂有部分浅黄色等，因此该品种花色不是纯白色，为乳白色，坡头70天油青菜心的花瓣颜色为黄色。超级80天菜心（P1）×坡头70天油青菜心（P2）杂交F1的花瓣颜色为黄色，表明乳白色花对黄花的显隐性关系为隐性。而F2、BC1和BC1′群体的各单株花色出现了分离（表1）。BC1分离群体的各单株在初花期和盛花期植株生长势旺盛，叶片大，分枝和花序多，花蕾饱满，花朵盛开（彩色图版3、4）；同时，具有乳白色花植株的叶片颜色也不同于亲本P1的浅绿色，其颜色比亲本P1深。

表1 菜薹乳白色花色6个世代的遗传分析

进一步对F2、BC1和BC1′群体的各单株花色进行方差分析。在F2群体中，χ2=0.080＜χ20.05=3.841，黄色花与乳白色花植株的分离比例符合3∶1；在BC1群体中，χ2=0.003＜χ20.05=3.841，黄色花与乳白色花植株的分离比例符合1∶1；在BC1′群体中，316株为黄花，14株为乳白色花。表明菜薹黄花对乳白色花为显性，乳白色花由1对隐性等位基因控制。

但是菜薹乳白色花的遗传也表现出一定的复杂性。本试验中，在F2群体中发现1株黄花和乳白色花嵌合体，这株嵌合体表现为：同一植株的不同分枝花序的颜色不同，包括4个黄花枝条和4个乳白色花枝条（彩色图版5）；同一花序的不同花朵颜色不同；同时，在这株上也发现1朵花的4个花瓣中，2个花瓣为黄色，2个花瓣为乳白色（彩色图版6）。此外，笔者2018年在引进的菜薹资源材料引心-635中也发现了1株具有黄花和乳白色花的嵌合体，这株嵌合体表现为：同一植株的不同分枝花序的颜色不同（彩色图版7），同一花序中出现了不同颜色的花朵（彩色图版8）。从2011年到现在，笔者已经发现4份具有黄花和乳白色花的菜薹嵌合体材料。

2.2 2种花色菜薹主要营养成分比较

从表2可以看出，超级80天菜心的蛋白质含量极显著高于坡头70天油青菜心，可溶性糖含量和纤维素含量显著高于坡头70天油青菜心，水分含量和VC含量与坡头70天油青菜心无显著差异。

表2 黄花和乳白色花菜薹的主要营养成分比较

2.3 菜薹瓣化型细胞质不育系18NBCC的性状表现

经田间性状比较和实体解剖镜下观察，菜薹瓣化型细胞质不育系18NBCC的主要性状表现为：在现蕾期和初花期，花蕾不黄化、不脱落；花瓣为复花瓣，花药和花丝严重退化，变成瓣化状花瓣（彩色图版9、10），蜜腺正常（彩色图版11），不育株率和不育度均达到100%。在田间，18NBCC不育系可以吸引蜜蜂访花，经昆虫辅助授粉后结实正常。

3 结论与讨论

3.1 菜薹乳白色花的遗传规律

花色性状的遗传一直是甘蓝型油菜（Brassica napus，4n=38，AACC）性状的研究热点，一般认为甘蓝型油菜的白花基因来源于甘蓝C基因组或萝卜R基因组。戚存扣和傅寿仲（1992）报道，甘蓝型油菜白花性状对黄花呈不完全显性遗传，花瓣颜色受1对基因控制。邓昌蓉等（2014）开展了人工合成甘蓝型油菜花色变异后代的遗传研究。以黄花的大黄油菜（Brassica rapa，2n=20，AA）为母本，白花的中迟芥蓝（Brassica oleracea，2n=18，CC）为父本，通过有性杂交共获得10个人工合成的甘蓝型油菜S0单株，其中9株S0单株的花色为白色，而1株（B9）的花色表现为花色嵌合体。进一步以人工合成的甘蓝型油菜B9花色嵌合体自交后代的白花及突变的黄花株系为材料，构建BC1和F2分离群体，研究花色的遗传规律。结果表明白花突变体的遗传是由1对不完全显性基因控制的质量性状，白花（WW）对黄花（ww）表现为不完全显性。

菜薹的花色以黄色为主，白花对黄花为隐性，由1对等位基因控制（张华和刘自珠，1999）。研究表明，利用菜薹白花材料配制的F1具有较强的杂种优势，株型紧凑、采收期集中、抽薹性比较理想、带有全套育性恢复基因，有可能作为父本系材料与不育系配制一代杂种，用于遗传研究（张华和刘自珠，1999）。菜薹橘红色花的遗传规律与白花一致，橘红色花对黄花为隐性，由1对等位基因控制（张德双 等，2013）。本试验中，在超级80天菜心自交分离后代中发现1株乳白色花突变体，经过自交6代，单株性状纯合稳定，花色表现为乳白色，叶色为浅绿色。该菜薹的乳白色花不同于白色花，不是单纯的白色，其花色明显混有浅黄色，因此取名为乳白色。菜薹乳白色花与白花的遗传规律相似，乳白色花对黄花为隐性，由1对等位基因控制，但乳白色花的遗传也表现出一些复杂性和特殊性。本试验在501株F2群体中发现了1株黄花和乳白色花嵌合体。

3.2 同一株菜薹出现乳白色花和黄花分枝花序、同花序的不同花瓣颜色花朵以及同花朵的不同颜色花瓣嵌合体的原因

花色嵌合体是由不同遗传性状的细胞共同发育形成的同一个体或器官，细胞突变是嵌合体形成的基础。邓昌蓉等（2014）发现1株（B9）花色嵌合体，即同一植株的不同花或同一朵花上出现黄、白2种颜色；B9单株自交得到的S1性状发生了分离，出现白、乳白和黄3种花色的植株。

从2011年到现在，笔者在菜薹育种材料中先后发现了4份黄花和乳白色花的嵌合体，它们的共同点是：同一个体同时具有黄花和乳白色花分枝花序、同花序的黄花和乳白色花花朵以及同花朵的黄色和乳白色花瓣。菜薹乳白色花和黄花嵌合体发生原因不详，说明黄花或乳白色花基因具有易变倾向。2018年秋季，将超级80天菜心×坡头70天油青菜心F2群体和引心-635中发现的2株嵌合体分别单独套袋、自交，获得2份材料的同一植株上黄花、乳白色花和同一花序的黄色和乳白色花朵的自交后代种子，2019年春季将继续播种乳白色花和黄花嵌合体的后代，调查花瓣颜色和花色分离比例，进一步验证乳白色花的遗传规律。同时，黄花和乳白色花嵌合体为同一植株的不同花序，也是近等基因系（near isogenic lines，NIL）材料，今后将通过菜薹乳白色花和黄花F2分离群体和NIL材料，初步开展菜薹乳白色花的染色体定位和遗传等分子标记研究。

3.3 BC1′群体中菜薹乳白色花单株存在的原因

本试验发现，在超级80天菜心×坡头70天油青菜心回交BC1′群体330株中出现了14株乳白色花植株，黄花植株与乳白色花植株的比例为158∶7。可能的原因是，在获得F1×坡头70天油青菜心回交一代BC1′时，F1作为母本没有彻底去雄，导致F1的极少量花粉可能自交，所以在BC1′群体中出现乳白色花的植株。张德双等（2013）研究了菜薹橘红色花的遗传规律，在2份菜薹橘红色花BC1回交群体（F1×橘红色花菜薹）中发现具有橘红色子叶的个别单株，橘红色子叶与绿色子叶的比例分别是6∶85和2∶101，隐性性状橘红色子叶发生的原因可能是F1自交结实的结果。本试验乳白色花出现的原因与其相似。

3.4 菜薹乳白色花与黄花材料的主要营养成分

本试验结果表明，超级80天菜心的蛋白质含量极显著高于坡头70天油青菜心，可溶性糖含量和纤维素含量显著高于坡头70天油青菜心。这可能是由于乳白色花和黄花花色不同，也可能是因为超级80天菜心和坡头70天油青菜心品种不同而导致的差异。目前还不能确定花色和品种如何决定蛋白质、可溶性糖、纤维素含量的显著或极显著差异，只能初步认为这组数据说明花色有可能与主要营养成分有关。张德双等（2004）研究表明，控制大白菜橘红色花与橘红心球色的基因完全相同，橘红色叶球大白菜的VC含量和β-胡萝卜素含量极显著高于普通白心大白菜。今后将进一步选取菜薹核心材料与乳白色花超级80天菜心杂交、多代回交和自交，创制菜薹乳白色花和黄花的近等基因系，这些材料除了花色不同外，遗传背景相似，测定其主要营养成分含量，将有助于阐明花色与营养品质的可能关系，为菜薹的种质资源创制和品种选育提供指导。此外，将乳白色花菜薹与普通大白菜杂交、多代回交和自交，获得转育乳白色花的大白菜材料，观察大白菜的花色，比较乳白色花的大白菜材料、白花大白菜材料以及黄花大白菜材料之间主要营养成分等性状的异同，也将为大白菜的种质资源创制和品种选育提供参考。

3.5 菜薹瓣化型CMS不育系18NBCC的应用

目前，菜薹的不育系主要有玻里马pol CMS、改良的萝卜胞质Ogu CMS、甘蓝型油菜CMS96细胞质不育系和隐性细胞核雄性不育系。玻里马pol CMS不育性不稳定，在一定温度条件下可能出现有粉株，影响F1的纯度。利用隐性细胞核雄性不育系生产菜薹杂交种时，必须拔除50%的可育株，不仅增加了制种成本和工作量，也可能存在因为没有彻底拔除可育植株而导致自交的隐患。相比较而言，改良的萝卜胞质Ogu CMS不育系和甘蓝型油菜CMS96细胞质不育系为普遍应用的细胞质不育系，二者的不育株率和不育度均为100%。但是，一旦Ogu CMS不育系和CMS96不育系得到广泛应用，可能存在多代自交后生长势退化的风险。同时，由于单一细胞质可能导致杂交菜薹对病害、虫害的脆弱性，在大面积生产中一旦遇到病害、虫害流行的年份，可能存在菜薹绝收的更大风险。因此，必须寻找多种类型的不育源，以丰富菜薹的不育系种类。瓣化型不育系18NBCC可能为新的不育系类型，表现为细胞质遗传的特点，其不育株率和不育度均为100%，将有利于丰富菜薹的细胞质不育系种类。下一步，将利用orf138、orf222、orf224、atp6、atp9、atpA、NADH 和 coxI等 线 粒体不育基因设计引物，扩增18NBCC线粒体基因组，寻找差异带型，验证18NBCC不育系的所属类型。