蒙古黄芪开花习性及有性杂交技术初探

田洪岭，郭淑红，张丽君，吴昌娟，裴帅帅

(1.山西农业大学经济作物研究所，太原 030031；2.山西农业大学农业基因研究中心，太原 030031)

蒙古黄芪(Astragalusmembranaceusvar. mongholicus Bge.)为豆科(Labiatae)黄芪属多年生草本植物[1]，在我国已有两千多年的药用历史，始见于汉墓马王堆出土的帛书“五十二病方”[2]。我国黄芪属资源有8亚属278种2亚种35变种2变形，主要分布于山西、内蒙古、甘肃、青海等省的半干旱、海拔800～1 300 m之间的向阳山坡或灌丛边缘，喜凉爽干燥气候[3]。

黄芪为虫媒花，自花不孕或自交不亲和的异花授粉植物[4-5]。由于不易自交得到纯的品系，黄芪名称、产地以及功效都发生了巨大的变化[6]。栽培方面，黄芪种质混杂混乱情况严重，山西、内蒙古、甘肃等不同黄芪产区常调种使用，蒙古黄芪种子与膜荚黄芪种子掺杂，加剧了种子混杂程度[7-8]；在黄芪种质资源选育方面，从1994—2015年间，选育出的蒙古黄芪品种有陇芪1号至陇芪4号[9-11]、黄芪新品系JX 08-5-1[12]；膜荚黄芪品种有山东的文黄11[13]和泰黄芪1号[14]；以及甘肃黄芪新品系94-02[15]。山西省尚无黄芪品种选育报道，育种工作的严重滞后，制约了山西省黄芪产业的发展，黄芪杂交方法及杂交技术的研究可以促进山西省黄芪品种选育进程[8]。山西省黄芪以蒙古黄芪为主，在5—7月开花、结荚、鼓粒至成熟，本研究通过在蒙古黄芪盛花期观察花器，并参照大豆[16-17]、苦荞等[18]作物的杂交方法配制杂交组合试验，探索蒙古黄芪的杂交方法，为加快蒙古黄芪育种进程，建立高产、优质、纯正的蒙古黄芪种质资源库奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试蒙古黄芪材料(见表1、图1)，均由山西农业大学经济作物研究所中药材课题组提供。

2019年5月，采用种子直播方式将HQHY-3和HQWT-6种植于山西农业大学经济作物研究所药用植物试验田(以下简称经作所试验田)。经作所试验田位于汾阳市东南方，37°14′40″N，111°47′2″E，是太原盆地的一部分，为新垦树林地，土质为黄壤土，肥力中上等，排灌方便。平均海拔750 m，全年平均气温9.7 ℃，年降水量小于462 mm，全年平均日照时数为2 601.3 h，无霜期175 d左右。种植方式为穴条播，穴距为0.5 m，每穴4株，每穴条间留有空地。

1.2 试验方法

1.2.1蒙古黄芪花器观察

在花期，利用显微镜(SMZ-171-TL，厦门麦克奥迪科技有限公司)观察柱头和花粉的成熟情况与花蕾外部形态之间的关系。

1.2.2杂交方法

参照大豆[16-17]、苦荞[18]等作物的杂交方法进行杂交。编号HQHY-3和HQWT-6 两个亲本，各选择健康、无病虫害植株10株，枝条上部已经萌动即将开花的向阳枝条。5月上旬进入盛花期，每天09：00时左右开始授粉，持续到6月上旬结束。

1.3 数据统计

采用Excel 2003软件进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 材料特征特性

HQHY-3花色为纯白色，鲜根直立，是典型的山西恒山鞭杆芪特性，黄芪甲苷含量714.29 mg/kg，叶间距大；HQWT-6花朵尖端红色，根型较直立，有少许须根，黄芪甲苷含量544.05 mg/kg，叶间距小，株高较HQHY-3高10～15 cm。

2.2 蒙古黄芪开花习性

蒙古黄芪一年生植株基本不开花，编号HQHY-3和HQWT-6的两个亲本均为两年生植株，以主茎腋生总状花序为主,花序间排列较疏松，每株花序的数量差异较大，十几个到几十个不等，与植株的大小相关。花序的发育顺序是先主枝后侧枝,单朵花开放顺序由基部向上依次开放，每个花序有花10～29朵(见图1)。总花梗比叶稍长或近等长，至果期显著伸长。 果熟期为棕色，长19～26 mm，宽9～11 mm，内有1～7粒种子。

4月底5月初，HQHY-3首先出现花蕾，4 d后HQWT-6 开始出现花蕾，一直持续到6月下旬。从5月初开始，花蕾花朵连续开放进入盛花期，5月中下旬开始，植株开花结果期并存，且继续有花序形成。HQHY-3于5月12日开始结荚，HQWT-6结荚比HQHY-3晚4 d。

2.3 蒙古黄芪花器构造

蒙古黄芪花由外向内分为苞片、花萼、花冠、雄蕊和雌蕊(见图2)。花梗与苞片近等长，有黑色毛；苞片条形，花萼钟状，长约5 mm。小花为典型的蝶形花，两侧对称，花瓣5枚。花朵最外面且最大的为旗瓣，里面最小的2片为龙骨瓣，夹在中间2片像翅膀为翼瓣。花序最初的形态呈穗状(见图3 C ，未开花)，花冠整个包于花萼中，花萼基部贴附两个小苞片，花柄极短，苞片长于花蕾；随着花蕾进一步的发育，花冠逐渐露出，至开放前呈淡黄色(见图3 )。花冠伸长至花萼的2倍时，繁殖器官成熟，受精过程开始。随着花蕾展开，暴露出的花药随即开裂。在显微镜下观察得知未展开的花蕾，花药不开裂。

表2 单荚结实数统计Table 2 Statistics of seed setting rate per pod

2.4 花的雌蕊、雄蕊成熟期

蒙古黄芪的花药一般在花未开放以前就已散粉，将花蕾按照花冠与花萼的长度，分为冠>萼、冠=萼和冠<萼三种(见图3)。在显微镜下观察，得知冠大于萼时，花蕾柱头和花粉都已成熟。花瓣完全盛开的花朵(图3 A)，花粉布满柱头，盛开的小花长17.2～19.2 mm，花萼占整个花长的35%～38%，花瓣没有开放的花朵，花粉没有散掉(图3 B左)；冠等于萼时(图3 B右)，花蕾长8～9 mm，子房长3～3.5 mm时，胚囊卵球形，位于合点端，花蕾柱头和花粉都已成熟，但此时花朵都尚未开放，花粉内外壁明显，表明有三孔沟，花粉粒近圆球形，花粉粒为穴状纹饰；冠小于萼时(图3 C)，花蕾柱头和花粉皆未成熟。因此选择冠大于或等于萼的类型作为父本，杂交时当时去雄，当时授粉。

图3 蒙古黄芪花蕾状态Fig.3 Flower bud status of Astragalus membranaceus var. mongholicus

2.5 杂交步骤

2021年5月初，HQHY-3和HQWT-6 两个亲本先后进入盛花期，5月上旬至6月下旬，适宜的花蕾较多。每天09：00时左右开始授粉。首先确定父本材料，采集冠>萼即将开放的新鲜花朵，放入事先准备好的小纸袋中，标上名称。随后，将母本材料优异单株枝条上已开过的花序和冠<萼的花蕾摘除，选择冠>萼、冠=萼的花序。授粉时轻轻将母本花序旗瓣或龙骨瓣划破,露出柱头；拿出一朵父本的花序，撕下花龙骨瓣处的萼片，从两龙骨瓣之间分开花冠，露出黄色的花药；将花粉团整个夹出，对准母本柱头，轻轻摩擦一两下，随后将花粉团放在柱头上，完成授粉(见图4)。

图4 杂交步骤Fig.4 Hybrid steps

授粉完成后，在花朵下方系上红绳作为标记，套上授粉袋子。在所作组合的枝条挂上标签，注明父母本编号和名称，以及授粉日期和杂交人员信息。授粉1周后，检查杂交荚是否成活。

2.6 杂交组合配制

以HQHY-3×HQWT-6、HQWT-6×HQHY-3分别配置100个组合。

从表2可以看出，HQHY-3亲本材料单独种植时，100个果荚，空荚率17%，以1荚1粒、1荚3粒占比较高，占比分别为42%、20%。其次为1荚4粒，占比12%，1荚2粒，占比7%，偶有1荚5粒，占比2%。 HQHY-6亲本材料单独种植时，100个果荚，空荚率10%，1荚1粒、1荚3粒均占比28%，1荚2粒占比23%，1荚4粒和1荚5粒占比较低，分别为10%和1%。

HQHY-3和HQWT-6杂交，HQHY-3为母本时有32个组合结实，以1荚2粒结实最多，占比20%，其次为1荚3粒，占比5%，1荚1粒、1荚4粒和1荚5粒较为均匀，均占比2%，偶有1荚6粒，占比1%。HQWT-6为母本时有33个组合结实，也以1荚2粒结实最多，占比18%，其余与HQHY-3为母本时区别不明显，趋势基本一致。

3 讨论与结论

种质资源是药用植物进行优良个体筛选的物质基础, 也是品种改良的源泉。我国的药用植物资源是长期自然选择和人工选择的产物,在漫长的历史长河中，由于天然杂交造成的基因重组、分离、基因漂变或突变, 蕴藏着丰富的已知或未知的有用基因,使其具有独特的优良性状以及抗御自然灾害的特性，尤其是野生亲缘植物和古老的地方种。药用植物的育种目标不仅是提高入药部位的生物产量，更要提高该部位药用成分的相对含量[19-20]。目前，我国在药用植物良种选育方面的研究表明，较大规模人工栽培的中药材植物中，仅有40%的药用植物进行了良种选育工作，选育出了225个新品种[21]。在选育的225 个新品种中，杂交育种仅占育成品种的10.1%，选育法获得品种占育成品种的71.2%。石斛[22]、天麻[23]、柴胡[24]、半夏[25]，几种药用植物都进行过杂交育种研究，但未见育成品种的报道。综上所述，中药材的杂交育种仍处于初级探索阶段。

黄芪作为传统补气药材中的“补药之长”，由于所含的化学成分多样，功能强大，药理作用显著等特点，广泛应用于保健品、食品、饮料等领域[26]。我国是世界上唯一的黄芪药材产地和出口国[27]，面对国内巨大的市场需求量，我国野生黄芪种质资源被过度采挖，面临枯竭[28-29]，黄芪药材资源供应从野生为主转变至栽培为主，蒙古黄芪主产区逐渐南移，从山西、内蒙古转移至陕西、甘肃、宁夏等地。但在黄芪栽培中存在着种质混乱混杂的情况，种植基地相互调换种质、冒名使用的问题。市场上高产、优质的黄芪品种缺乏，甘肃和山东有选育的黄芪品种，山西和内蒙古主产区尚无品种选育报道。建立高产、优质、抗逆性强的黄芪种质资源库以及开展黄芪品种选育工作，具有十分重要的理论价值和现实意义。

蒙古黄芪种植于山西省吕梁市汾阳市经作所试验田，处于低纬度区域，花期较早，4月中下旬到6月下旬陆续开放,持续2个月之久。为了提高杂交成活率，在蒙古黄芪花期，保证杂交圃的小环境空气湿度较高，特别是母本区域的土壤有充足的水分，若遇干旱要及时浇水；干旱不严重时每天傍晚向杂交圃喷水。蒙古黄芪花冠长度大于或者等于花萼时，表明其柱头和花粉均已成熟，与徐昭玺和王丽华[30]的研究结果一致。由于蒙古黄芪是自花不孕或自交不亲和的异花授粉植物[4-5]，因此父本的最佳选择是冠大于或等于萼的花瓣尚未开放,花粉没有散掉的小花。编号为HQWT-3 和HQHY-6的黄芪材料在叶形和花色上差异显著，遵循优势互补原则，进行有性杂交，能够在后代中明显辨别真假杂交种。