马铃薯航天育种材料在不同生态区域产量性状的变化

余帮强, 张国辉, 颉瑞霞, 王收良, 郭志乾

(宁夏农林科学院固原分院, 宁夏 固原 756000)

植物航天育种是利用空间极端环境,如空间辐射、微重力、真空等诱发植物遗传物质发生改变,基于现代生物学技术选择优良变异种,并利用优良变异种培育优质、多抗、高产植物新品种的育种方法[1]。研究实践证明,航天育种具有独特的优势:性状变异幅度大,有益性状变异频率高;多数变异的优良性状能遗传;性状稳定,遗传时间较快,新品种育成周期短;同一个体能够同时出现多个目标性状的有益变异;能创造出其他育种方法难以获得的罕见新基因资源(新种质)[2]。航天搭载种子返回地面后,还要进行一系列的育种流程才能育成新品种。

早期的研究一般按照传统的育种程序进行选育,在多个世代进行种植和选择,最后选育出新品种。随着生物技术的迅速发展,研究者将航天诱变育种与生物技术结合,通过调查分析群体表型特征、不同世代基因组特征研究空间环境遗传改良机理。华南农业大学陈志强团队提出了“空间诱变多代混系连续选择与定向跟踪筛选技术”学术思想,在分离群体定向筛选重要性状(产量、品质、抗性)新种质并高效应用。罗文龙等[3]研发出“HRM-TILLING 高通量基因分型体系”,能够高效鉴定航天育种材料的基因变异,并开发出多个功能型分子标记,创制出系列多基因聚合骨干亲本。

马铃薯(SolanumluberosumL.)是同源四倍体无性繁殖作物,由于基因分离复杂、细胞杂合水平高、隐性基因表现几率较低、杂交结实困难等原因[4],导致用传统育种方法选育新品种存在许多局限,在四倍体水平上选育优良品种的效率不高。实践证明,诱变育种与常规育种相比,在改变单基因控制的特殊性状方面具有独特的优势,它可以打破基因连锁,提高重组率,诱发产生自然界原来没有的或常规育种难以获得的新基因、新类型、新性状,而且后代的性状稳定快,是育种资源的一种补充[5]。宁夏南部山区土层疏松深厚,通透性好,土壤含钾量高,非常有利于块茎干物质的合成和积累,是我国马铃薯主产区之一[6]。为了丰富马铃薯育种方法,加快宁夏马铃薯育种进程,宁夏农林科学院固原分院马铃薯科研团队开始尝试太空诱变育种方法。2020年载人航天飞船搭载了7个马铃薯品种的微型薯,每个品种7份共49份材料,大部分因失水严重未能正常出苗,经过两年繁育,目前剩余18份航天育种材料。本试验对这些航天育种材料在宁夏的干旱区、半干旱区、阴湿区3个不同生态区域进行鉴定分析。

1 材料与方法

1.1 试验区基本概况

试验从2021年10月至2022年3月在宁夏干旱区、半干旱区、阴湿区3个不同生态区域开展。干旱区试验设在宁夏农林科学院头营科研基地(宁夏固原市原州区头营镇徐河村),年降雨量300 mm左右;半干旱区试验设在宁夏固原市西吉县马莲乡北山村,年降雨量400 mm左右;阴湿区试验设在宁夏农林科学院观庄科研基地(宁夏固原市隆德县观庄乡林园村),年降雨量500 mm左右。

1.2 参试材料

参试材料为2020年航天飞船搭载返回地面的7个马铃薯品种,按照2020年10月收获的单株进行种植,参试材料共25份,其中对照材料7份,参试太空诱变材料18份[陇薯7号(1份)、青薯9号(3份)、青薯168(4份)、大西洋(1份)、宁薯17号(1份)、宁薯18号(4份)、宁薯19号(4份)],分别以对应品种的对应级别种薯作为对照。为了方便试验管理,将航天诱变试验材料及对照材料分别编号,具体见表1。

1.3 试验设计

将每个品种的太空诱变材料及其对照材料进行分类种植,比较太空诱变材料与对照之间的差异。随机区组试验设计,重复3次,每个区组每份材料种植10株。采用露地起垄垄上种植方式,垄面宽70 cm,垄沟宽40 cm,垄高15 cm,一垄两行,平均行距55 cm,株距40 cm,种植密度为3 031株/667 m2。试验观测鉴定指标与方法严格参照《国家马铃薯品种区域试验调查记载项目及标准》进行。

1.4 统计与分析

采用Excel2007软件计算处理,显著性分析用DPS数据处理系统进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同航天育种材料在干旱区产量性状的变化

从表2可以看出,与对应的对照材料相比,马铃薯不同航天育种材料在干旱区产量性状有一定的变化。旱作条件下,单株大薯数差异显著的航天育种材料有3份,其中,青薯168有2份(HT2020-03-1、HT2020-03-3),均比对照减少37.3%;宁薯19号1份(HT2020-09-4),比对照减少42.7%。单株大薯重差异显著的航天育种材料有5份,其中,青薯9号2份(HT2020-02-2、HT2020-02-3),分别比对照增加41.6%、减少32.6%;青薯168、宁薯18号、宁薯19号各1份(HT2020-03-1、HT2020-08-3、HT2020-09-2),分别比对照减少36.0%、增加46.1%和32.4%。单株小薯数差异显著的航天育种材料3份,其中:青薯9号2份(HT2020-02-1、HT2020-02-2),分别比对照增加32.6%,37.0%;宁薯18号1份(HT2020-08-3),比对照增加71.1%。单株小薯重差异显著的航天育种材料4份,其中,青薯9号、宁薯18号各1份(HT2020-02-2、HT2020-08-3),分别比对照增加80.0%,34.7%;宁薯19号2份(HT2020-09-2、HT2020-09-4),分别比对照增加56.1%,53.7%。产量差异显著的航天育种材料5份,其中,青薯9号2份(HT2020-02-2、HT2020-02-3),分别比对照增加28.5%、减少27.7%;青薯168、宁薯18号、宁薯19号各1份(HT2020-03-1、HT2020-08-3、HT2020-09-2),分别比对照减少27.7%、增加29.9%和26.7%。

表2 不同航天育种材料在干旱区产量性状的变化

2.2 不同航天育种材料在半干旱区产量性状的变化

从表3可以看出,与对应的对照材料相比,马铃薯不同航天育种材料在半干旱区产量性状有一定的变化。半干旱条件下,单株大薯数差异显著的航天育种材料0份。单株大薯重差异显著的航天育种材料3份,其中,青薯168有2份,即HT2020-03-1、HT2020-03-2,分别比对照减少50.5%、增加36.4%;宁薯18号1份,即HT2020-08-3,比对照增加57.6%。单株小薯数差异显著的航天育种材料1份,即青薯9号的HT2020-02-1,比对照增加20.0%。单株小薯重差异显著的航天育种材料2份,其中,宁薯18号、宁薯19号各1份,即HT2020-08-2、HT2020-09-3,分别比对照增加93.8%和88.2%。产量差异显著的航天育种材料6份,其中,青薯9号2份,即HT2020-02-1、HT2020-02-2,分别比对照减少40.0%、增加34.9%;青薯168有2份,即HT2020-03-1、HT2020-03-2,分别比对照减少44.8%、增加32.8%;宁薯18号、宁薯19号各1份,即HT2020-08-3、HT2020-09-2,分别比对照增加47.4%和57.9%。

表3 不同航天育种材料在半干旱区产量性状的变化

2.3 不同航天育种材料在阴湿区产量性状的变化

从表4可以看出,与对应的对照材料相比,马铃薯不同航天育种材料在阴湿区产量性状有一定的变化。阴湿条件下,单株大薯数差异显著的航天育种材料2份,即青薯9号的HT2020-02-1、HT2020-02-2,分别比对照减少44.9%、增加57.1%。单株大薯重差异显著的航天育种材料5份,其中,青薯9号2份,即HT2020-02-1、HT2020-02-2,分别比对照减少44.7%、增加51.5%;青薯168、宁薯18号、宁薯19号各1份,即HT2020-03-1、HT2020-08-3、HT2020-09-2,分别比对照减少35.8%、增加33.9%、增加25.6%。单株小薯数差异显著的航天育种材料0份。单株小薯重差异显著的航天育种材料4份,其中,青薯168、宁薯18号各1份,即HT2020-08-2、HT2020-09-3,分别比对照增加60.0%和110.5%;宁薯19号2份,即HT2020-09-2、HT2020-09-3,分别比对照增加220.0%和180.0%。产量差异显著的航天育种材料6份,其中,青薯9号2份,即HT2020-02-1、HT2020-02-2,分别比对照减少41.0%、增加40.5%;青薯168有2份,即HT2020-03-1、HT2020-03-2,分别比对照减少32.0%、增加29.7%;宁薯18号、宁薯19号各1份,即HT2020-08-3、HT2020-09-2,分别比对照增加31.0%,23.4%。

表4 不同航天育种材料在阴湿区产量性状的变化

3 讨论与结论

如表5所示,不同航天育种材料的产量性状在不同生态区域变化情况不同。综合3个生态区域来看,与对应的对照材料相比,在3个不同生态区域单株大薯数发生显著变化的航天材料共5份,且每份材料仅在1个生态区域有变化;在3个不同生态区域单株大薯重发生显著变化的航天材料共7份,其中,HT2020-03-1在3个区域均显著减少,HT2020-08-3在3个区域均显著增加,HT2020-02-2、HT2020-09-2均在2个区域显著增加;在3个不同生态区域单株小薯数发生显著变化的航天材料共3份,其中,HT2020-02-1在2个区域显著增加;在3个不同生态区域单株小薯重发生显著变化的航天材料共5份,其中HT2020-08-3在3个区域均显著增加,HT2020-09-2、HT2020-09-3在2个区域显著增加;在3个不同生态区域产量发生显著变化的航天材料共7份,其中HT2020-02-2、HT2020-08-3、HT2020-09-2在3个区域均显著增加,HT2020-03-1在3个区域均显著减少,HT2020-02-1在2个区域均显著减少,HT2020-03-2在2个区域均显著增加。

表5 不同生态区域产量性状变化品种综合统计

分析发现,产量性状发生变化的大部分航天育种材料在3个区域有相同的变化趋势,或者2个区域有相同的变化趋势、另一个区域没有变化,没有出现同一份航天育种材料在不同生态区域产量性状发生反向的变化情况。结合上一年的试验结果,初步判断参试的18份航天育种材料产量性状变化可能主要是由太空诱变引起的,生态区域的不同对产量性状的影响不大。由于本试验只是用常规方法对产量性状进行了鉴定比较,试验结果与试验条件控制不精准等因素也有一定的关系,因此还需要利用分子生物学等手段进一步明确航天育种材料遗传物质的变异情况。