甘蓝型油菜有限花序对农艺性状的影响初探

李开祥，陈翠萍，贾永鹏，杜德志

(青海大学 农林科学院,国家油菜改良青海分中心,青海省春油菜遗传改良重点实验室,西宁 810016)

高等植物的花序一般可分为无限花序和有限花序[1]。目前，在许多植物中已经发现有限 花序对农艺性状具有重要的影响。在拟南芥中，Shannon等[2]在诱变的20000株无限花序拟南芥中发现了4株有限花序突变体(tfl1基因控制)，表现出降低株高和提前开花的特点。在豆类植物中，于国宜等[3]对533份不同结荚习性大豆品种的农艺性状研究发现，有限结荚品种在营养期、株高、百粒质量、抗倒伏和小区产量上优于无限结荚习性和亚有限结荚习性品种；同时，杨贵军等[4]对大豆77份有限结荚材料和84份亚有限结荚材料研究发现，相比亚有限结荚材料，有限材料在降低株高、抗倒伏和百粒质量性状上存在优势。郎莉娟等[5]对有限花序蚕豆品种研究发现，有较多的有限花序单株具有矮秆和丰产效应。同时也有研究人员发现有限花序蚕豆具有降低株高、增加收获指数(抑制顶端)和结荚整齐等特点[6-8]。在芝麻中，Zhang等[9]和王洋[10]对有限花序DS899农艺性状研究表明，有限花序DS899的株高降低26.4%，腿位高度比无限花序降低21.6%，千粒质量增加，生育期和花期缩短，无黄稍尖，这对芝麻高产改良具有重要作用。芥菜型油菜中，Kaur等[11]通过对125个芥菜型油菜有限花序株系和3个无限花序商业品种的农艺性状进行评价，结果发现，有限花序性状能降低株高、提前开花和提高收获指数，同时在成熟一致性、千粒质量及田间产量等也存在优势。综上所述，有限花序具有提前开花、生育期提前、株高降低、成熟一致等特性，其对农作物的遗传改良具有重要作用。

油菜是中国重要的油料作物之一，其中甘蓝型油菜是油菜中最重要的栽培种。甘蓝型油菜一般表现为无限花序，由于其无限生长习性，在生产上存在植株较高、易倒伏、整齐度不好、生育期过长和熟期不一致等缺陷。随着农作物机械化的实现，克服无限花序生长习性的不足，是现在面临的重要问题。因此，将甘蓝型油菜从无限花序向有限花序转变为解决该问题提供了一种新思路。自2014年杜德志研究员在小孢子培养获得的 DH 系(来源于春性甘蓝型品系246与冬性甘蓝型品系339杂种F1) 中发现了甘蓝型油菜有限花序突变株系4769，笔者课题组对其展开了一系列研究。本试验主要对甘蓝型油菜有限花序对农艺性状的影响进行初步探讨，考察有限花序是否存在潜在的育种价值，为将来有限花序的利用提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

材料为两组甘蓝型油菜有限花序/无限花序近等基因系(不同的遗传背景)，一组来源于有限花序品系4769的近等基因系AAW(无限花序)和aaW(有限花序)，另一组来源于有限花序品系571的近等基因系AAZ(无限花序)和aaZ(有限花序)，还有不同背景的甘蓝型油菜有限花序品系1583、1589、1593和1595。这些材料均由青海省农林科学院春油菜研究所提供。

近等基因系构建过程：以有限花序品系4769和571为轮回亲本，无限花序2982和2092为供体亲本，配制杂交组合4769×2982和571×2092，然后以对应的有限花序品系作轮回亲本进行回交[每代分离群体选用无限花序(显性性状)植株与轮回亲本回交]。在BC3F1代分离群体中选择无限花序植株自交，BC3F2分离群体中用与有限花序连锁的共显性分子标记扫描，将纯合显性和纯合隐性植株进行自交，即构建成近等基因系AAW(无限花序)、aaW(有限花序)和近等基因系AAZ(无限花序)、aaZ(有限花序)。有限花序的形态特征为在花序顶端(主花序和分枝花序)形成一个变异花器官(变异角果)，其周围会着生几个变异花器官(变异角果)，具体形态特征见 图1。

1.2 杂交组合

将两组有限花序/无限花序近等基因系与有限花序品系1583、1589、1593和1595配制杂交组合(表1)。近等基因系AAW和aaW种植3 a(2017，2018和2019，西宁)，2018年初配制8个杂交组合，种植2 a(2018和2019，西宁)。近等基因系AAZ和aaZ于2019年初配制了8个杂交组合，2019年4月底播于西宁试验基地，所有材料采用随机区组设计，重复3次，5行区(行长1.8 m，行距0.15 m)，每行最后定值12株。田间材料按照试验常规管理。

表1 杂交组合Table 1 Hybrid combination

1.3 田间材料花期统计和性状考察

花期及成熟期调查标准：将小区25%的植株开花时间作为该小区的初花期，75%的植株已开完花(成熟)的时间作为该小区的终花期(成熟期)。在小区成熟期，每个小区选取12株长势一致，无病害的植株作为考种单株，其余植株收获到纱网袋中晾晒后脱粒测小区产量。对农艺性状考察，主要考种内容包括株高(PH，plant height)、主花序长度(LMI，Length of main inflorescence)、主花序角果数(SMI，Siliques on main inflorescence)、一次分枝数(NPB，Number of primary branches)、二次分枝数(NSB，Number of secondary branches)、全株有效角果数(NSP，Number of siliques per plant)、每角粒数(SS，seeds per silique)、千粒质量(TSW，Thousand seed weight)、单株产量(SYP，Seed yield per plant)和小区产量(YP，Yield per plot)等。

倒伏指数：根据前人对倒伏指数的研究[12-13]，主要在植株成熟前进行倒伏情况调查，根据植株的主茎和地面形成的夹角，共划分成5个等级；Ⅴ级为0°(折断)，Ⅳ级为0～30°，Ⅲ级为30～45°，Ⅱ级为45～80°，Ⅰ级为80～90°。倒伏指数=(X1×1+X2×2+X3×3+X4×4+X5×5)/n，其中，X1～X5为各级的株数，1～5表示倒伏等级，n为调查的株数。

使用Microsoft Excel 2013对数据进行整理，利用SPSS 17.0进行分析。

2 结果与分析

2.1 有限花序对初花期、终花期和成熟期的影响

为了探索有限花序性状对初花期、终花期和成熟期的影响，先后利用两组有限花序/无限花序近等基因系(AAW和aaW，AAZ和aaZ)及其杂交组合进行分析(表2)。结果表明，两组近等基因系中的有限花序(aaW和aaZ)和无限花序(AAW和AAZ)在初花期差异不显著(例如：2017年AAW初花期为82.67±2.08 d，aaW为83.33±1.52 d；2018年AAW初花期为81.33±0.58 d，aaW为82.00±1.53 d)，同时笔者观察到杂交组合中有限花序和无限花序在初花期差异也不显著(例如：2018年AAW×1589初花期为 72.00±0.58 d，aaW×1589为72.33±1.73 d；2019年AAW×1589初花期为64.00±0.58 d，aaW×1589为64.33±0.58 d)。在终花期上，近等基因系中有限花序(aaW和 aaZ)比无限花序(AAW和 AAZ)平均早2～5 d且差异显著(例如：2017年AAW终花期为109.00±1.00 d，aaW为106.67±0.58 d；2018年AAW终花期为114.33±1.15 d，aaW为109.00±1.00 d)，在大部分杂交组合中有限花序比无限花序平均早2～4 d且差异显著。在成熟期上，近等基因系及大部分杂交组合中有限花序比无限花序平均也早 2～5 d且差异显著。综上所述，无论近等基因系还是杂交组合，有限花序对初花期没有影响，但能提前终花和成熟，缩短生育期。

表2 近等基因系与杂交组合的花期分析Table 2 Flowering analysis of near-isogenic lines and hybrid combinations

2.2 有限花序对株高的影响

对两组有限花序/无限花序近等基因系及其杂交组合中的株高进行分析(表3，表4)，结果表明，在两组近等基因系中，有限花序的植株高度显著低于无限花序，如近等基因系AAW在3 a中株高分别为187.27±3.22 cm、183.08±6.44 cm、179.81±2.45 cm，aaW分别为176.82± 3.24 cm、169.17±3.86 cm、170.78±1.33 cm；另一个组合近等基因系AAZ在2019年中株高158.16±2.79 cm，aaZ为151.26±1.95 cm。在杂交组合中，有限花序的植株高度也显著低于比无限花序，如无限花序组合AAW×1583在2 a中株高分别为159.47±3.11 cm和165.43± 2.37 cm，AAZ×1583为159.12±1.03 cm；有限花序组合aaW×1583在2 a中株高分别为 152.84±2.96 cm和158.11±3.68 cm，aaZ×1583为154.18±1.23 cm，其他组合也显示出有限花序株高显著低于无限花序。

2.3 有限花序对主花序长度和角果数的影响

对两组有限花序/无限花序近等基因系及其杂交组合中的主花序长度进行分析(表3，表4)，结果表明，两组近等基因系(AAW和aaW，AAZ和aaZ)中有限花序的主花序长度(aaW，aaZ)显著短于无限花序(AAW，AAZ)的主花序长度，如2019年aaW和aaZ的主花序长度分别为 49.17±5.49 cm和45.64±5.14 cm个，AAW和AAZ分别为74.30±0.56 cm和64.99±6.22 cm，AAW和aaW在2017和2018年也是有限花序的主花序长度显著短于无限花序；在杂交组合中，所有有限花序组合的主花序长度显著比无限花序短。与株高降低的高度比较，有限花序缩短主花序的长度比株高降低的高度大(如：2019年AAW和aaW的株高差了9 cm左右，而主花序长度相差24 cm左右)。对主花序角果数的分析结果表明，两组有限花序/无限花序近等基因系及其杂交组合中有限花序的主花序角果数显著少于无限花序(如：AAW在3 a中主花序角果数分别为 65.35±2.47个、73.37±5.12个、58.37± 4.66个，aaW为58.25±2.44个、54.31±3.43个、 46.75±2.06个)。

2.4 抗倒伏性分析

从上述分析可知，有限花序能够缩短主花序长度和有效降低株高，降低株高是否能够影响植株的抗倒伏性。因此，在小区成熟收获前，对植株的倒伏指数进行统计分析(表5)。结果表明，两组近等基因系中有限花序(aaW倒伏指数：2018年为1.77±0.09，2019年为1.00±0.00；aaZ倒伏指数：2019年为1.47±0.46)的倒伏指数显著低于无限花序(AAW倒伏指数2018年为2.37± 0.07，2019年为2.10±0.05；AAZ倒伏指数：2019年为2.72±0.75)。在杂交组合中，来自近等基因系AAW和aaW所配组合的有限花序倒伏指数显著低于无限花序，而来自近等基因系AAZ和aaZ所配组合的有限花序倒伏指数与无限花序差异不显著。因此认为，有限花序在一定程度上能增强抗倒伏性。

2.5 有限花序对分枝数的影响

在全株有效分枝数中，两组近等基因系(AAW和aaW，AAZ和aaZ)中有限花序的分枝数(aaW，aaZ)显著多于无限花序(AAW，AAZ)的，如2019年aaW和aaZ的分枝数为12.22± 1.29个和13.05±0.31个，AAW和AAZ为 7.60±0.90个和9.96±0.84个，AAW和 aaW在2017和2018年也是有限显著多于无限；在杂交组合中，有限花序组合的有效分枝数多于无限花序，同时大部分组合达到显著差异。将一次和二次分枝数分开分析发现，两组近等基因系及其杂交组合在一次分枝数差异不显著(个别组合除外)，但在二次分枝数上存在显著差异(个别组合除外)。因此认为有限花序通过增加二次分枝数来增加全株有效分枝数。

2.6 有限花序对产量相关性状的影响

从上述结果可知，有限花序在株高、生育期、分枝数以及抗倒伏上非常有益于植株，但笔者关注对产量是否有影响。因此，对两组近等基因系(AAW和aaW，AAZ和aaZ)及其杂交组合的小区产量进行分析(表3，表4)，结果表明，不同年份两组近等基因系中有限花序和无限花序之间小区产量没有显著差异[2019年AAW(645.56± 45.66 g)和aa W(757.18±33.2 g)除外]；在杂交组合中，2018年组合AAW×1593(837.51± 38.04 g)和aaW×1593(944.52±37.66 g)之间小区产量存在显著差异，其余组合都没有显著差异。因此认为有限花序不会对产量产生负面 影响。

为了解析其中的原因，对产量相关性状进行了分析。首先认为有限花序会对全株有效角果数产生影响，原因是有限花序缩短了花序长度，每分枝着生的角果数变少，势必会影响全株有效角果数。但是在两组近等基因系(AAW和aaW，AAZ和aaZ)及其杂交组合中，有限花序(例如：2018年aaW有效角果数为327.94±29.07 个，aaW×1583为260.37±19.14个、aaW×1589为 238.40±15.94个、aaW×1593为311.12± 20.28个、aaW×1595为222.58±13.48个)和无限花序(例如：2018年AAW有效角果数为 299.77±25.90 个、AAW×1583为234.90± 25.28个、AAW×1589为260.49±36.40 个、AAW×1593为301.90±16.32 个、AAW×1595为207.03±18.66 个)之间的全株有效角果数不存在显著差异(个别组合除外，如：2019年AAZ和 aaZ )。随后结合分枝数分析发现，虽然分枝的角果数变少了，但有限花序的二次分枝数明显要比无限花序多，所以造成有限花序和无限花序之间的全株有效角果数没有差异。

对千粒质量、每角粒数和单株产量进行分析，结果表明，在两组近等基因系(AAW和aaW，AAZ和aaZ)及其杂交组合中，有限花序(例如：2018年aaW千粒质量、每角粒数和单株产量分别为3.71±0.07 g、24.00±1.19粒、14.96± 0.39 g)和无限花序(例如：2018年AAW千粒质量、每角粒数和单株产量为3.77±0.04 g、 22.56±0.84粒、14.17±0.40 g)之间的千粒质量、每角粒数和单株产量不存在显著差异(个别组合除外)。因此认为在绝大多数组合中有限花序不能影响全株有效角果数、千粒质量、每角粒数和单株产量这些产量相关性状，进而也不会对产量产生影响。

3 结论与讨论

通过对两组有限花序/无限花序近等基因系(AAW和aaW，AAZ和aaZ)及其杂交组合的初花期、终花期和成熟期进行分析，结果表明，无论近等基因系还是杂交组合，有限花序对初花期没有影响，但能提前终花和成熟(平均提前2～5 d左右)，缩短生育期。目前，在其他植物的有限花序材料中也发现缩短生育期这种现象。例如，在拟南芥[2]、金鱼草[14]和西红柿[15]等植物的有限花序能提前开花和成熟。在芝麻中，王洋[10]对芝麻有限花序突变体DS899研究发现该突变体比对照‘豫芝11号’提前10 d左右开花，生育期缩短4 d。但是在这些有限花序材料中都是通过提前开花来缩短生育期，而甘蓝型油菜并没有提前开花。分析甘蓝型油菜有限花序缩短生育期的原因认为是有限花序打破了花序顶端优势，加快了各花序生长发育速度，增加单位时间内开花数量，缩短了植株的开花时间，相对于无限花序它能提前终花，缩短整个生育期。

对两组近等基因系(AAW和aaW，AAZ和aaZ)及其杂交组合中的株高和抗倒伏性分析发现，甘蓝型油菜有限花序的植株高度显著低于无限花序，在一定程度上有限花序能增强抗倒伏性。这与在芝麻[10]、大豆[16]、蚕豆[5]、芥菜型油菜[11]等植物的研究结果一致。分析甘蓝型油菜有限花序能增强抗倒伏性的原因，笔者认为是有限花序由于生长点提前退化，导致各花序长度变短，株高降低，各花序基本处于同一水平高度，从而保持整个植株处于平衡状态而不向某一方向倾斜，所以有限花序具有较强的抗倒伏能力。

虽然甘蓝型油菜有限花序能有效缩短生育期和增强抗倒伏能力，但是否对产量有负面影响是育种家比较关心的问题。笔者对两组近等基因系(AAW和aaW，AAZ和aaZ)及其杂交组合的小区产量的分析结果表明，不同年份两组近等基因系中有限花序和无限花序之间小区产量没有显著差异，这说明有限花序对产没有负面影响。在芝麻[10]、大豆[16]、蚕豆[5]、芥菜型油菜[11]等植物的有限花序研究中也发现其对产量没有负面影响。随后笔者又对其形成的原因进行解析，结果发现，两组近等基因系及其杂交组合中有限花序和无限花序之间的有效分枝数有显著差异，而在千粒质量、全株有效角果数、每角粒数和单株产量上总体差异不大。这说明有限花序通过增加有效分枝数来保证全株有效角果数与无限花序没有差异，而其他与产量相关的性状(千粒质量、每角粒数和单株产量)没有差异，所以对产量不会产生负面影响。

综上所述，甘蓝型油菜有限花序能有效缩短生育期、降低株高、增强抗倒伏性，但对产量没有负面影响。这为有限花序的应用提供参考价值；将来可能在油菜早熟、抗倒伏品种的选育上起重要作用。