红菜薹与甘蓝型油菜种间杂交后代矿质元素的遗传分析

张艳

(湖州职业技术学院 旅游管理学院,浙江 湖州 313000)

红菜薹(B.campestrisL. sspChinensisL.var.utilisTsen et Lee. 2n = 2x = 20)是我国长江流域的特产蔬菜,也是重要的秋冬时令蔬菜,其早熟品种和中晚熟品种大量上市之时正值国庆、元旦及春节前后,并由于色泽鲜艳、花薹肥嫩、富含营养、风味独特而深受广大消费者的喜爱。近年来,随着人民生活水平的提高和社会经济的不断发展,人们对红菜薹的消费需求日益提高,这对红菜薹的新品种选育及育种材料、方法的更新提出了更高的要求。红菜薹是异花授粉植物,杂种优势显著,生产上广泛使用杂种一代。但是,红菜薹花器小、单花结籽少,若采用人工去雄的方法进行杂交制种,既耗费人力财力,又无法满足生产需求。近年来,育种人员利用十字花科芸薹属作物丰富的雄性不育资源,进行种间、属间杂交及其相关研究,获得了红菜薹雄性不育系,为红菜薹杂种优势利用及新品种的选育提供了有利的信息及资源[1-5]。

20世纪90年代以来,随着人们生活水平的不断提高,城乡居民的饮食结构发生明显变化,部分人因长期摄取缺乏人体所必须的微量元素、维生素和纤维素等成分的食物,肥胖症、心脏病、糖尿病、冠心病等日益增加。矿质元素在维持机体正常的能量转换和新陈代谢等方面具有至关重要的作用,常作为酶、激素、维生素、核酸的成分参与生命代谢[6-7]。肖辉[8]等人的研究表明,红菜薹中含有17种氨基酸,其中有7种是人体必需氨基酸,但有关红菜薹矿质元素含量及遗传规律的研究却未见报道。本试验在进行红菜薹新型胞质雄性不育系转育的同时,对红菜薹与甘蓝型油菜种间杂种及回交后代Ca、Mg、Fe、Zn元素含量进行测定,并对各矿质元素的种间杂种优势及遗传规律进行分析,以期为红菜薹的品质育种提供有价值的理论依据和资源材料。

1 材料与方法

1.1 材料

供试材料为具有胞质不育基因的甘蓝型油菜(EruCMS)、红菜薹及其杂种和回交后代。为了加快胞质不育基因的转移和缩短育种年限,自F1代起田间人工选择偏向红菜薹的单株,以红菜薹为轮回亲本进行回交[9-10]。红菜薹9418(3#)与俞优(5#)为多代自交系,由华中农业大学蔬菜遗传与育种课题组提供;甘蓝型油菜(EruCMS)由华中农业大学油菜遗传育种实验室提供。

1.2 方法

亲本与杂种后代播种、育苗并定植于塑料大棚内,随机区组设计,3次重复,进行正常的田间管理,各小区肥水等条件一致。在3个小区内选取外观表现型及长势较一致的单株,每世代10株,分别采集植株相同部位叶片。

各样品于105 ℃杀青15 min,然后于80 ℃烘干至恒重。之后用植物粉碎机粉碎并过0.3 mm孔径的分样筛,装于10 mL离心管中保存待用。进行矿质元素提取时,准确称取0.1 g(精确到0.0001)粉末放入50 mL塑料瓶内,再加入10 ml的HCL(1 mol/L)于37 ℃恒温箱中振荡浸提2 h,过滤后进行矿质元素含量的测定,每样品重复3次[11-12]。在相同的条件下制作空白样品。样品测定采用IRIS Advantage型等离子发射光谱仪(美国Therm Element)。

1.3 数据处理

用中亲优势(MP)和超亲优势(HP)来预测甘蓝型油菜与红菜薹的杂种优势。

中亲优势(MP)=[(F1-双亲平均值)/双亲平均值]×100%

超亲优势(HP)=[(F1-高亲值)/高亲值]×100%

通过Excel进行数据统计与图表制作。

2 结果与分析

2.1 亲本及组合的Ca、Mg、Fe、Zn元素含量

由表1可知,亲本的Ca含量变幅为142.75～231.08,平均表现为184.58,杂交一代的Ca含量平均表现为196.27,大于亲本的平均表现;亲本的Mg含量变幅为31.09～51.44,平均表现为40.42,杂交一代的Mg含量平均表现为35.66,明显小于亲本的平均表现;亲本的Fe含量变幅为1.01～1.41,平均表现为1.25,杂交一代的Fe含量平均表现为1.27,大于亲本的平均表现;亲本的Zn含量变幅为0.92～1.49,平均表现为1.21,杂交一代的Zn含量平均表现为0.81,明显小于亲本的平均表现。

表1 亲本和组合的Ca、Mg、Fe、Zn元素含量 ug/g

2.2 种间杂种F1的优势分析

杂种优势所涉及的性状大都为数量性状,故必须以具体数值来衡量和表达其优势的程度[13]。通过中亲与超亲优势分析可知(表2),在甘蓝型油菜与红菜薹的两个杂交组合中,均有一些元素出现一定程度的杂种优势,有些元素出现杂种劣势。在甘蓝型油菜×5#的F1中,Ca、Fe中亲优势为正值,Mg、Zn的中亲优势为负值,4个元素均不存在超亲优势;在甘蓝型油菜×3#的F1中,中亲优势和高亲优势表现为正值的均只有Ca。通过种间杂种优势分析可知,甘蓝型油菜与红菜薹的F1中,相同元素在不同基因型父本的影响下会有不同的杂种优势,说明杂种优势存在着亲本基因型的差异。此外,在矿质元素的杂种优势利用方面,不仅要看亲本的平均表现,还要看组合的具体表现[14]。

表2 杂种F1的优势分析

2.3 甘蓝型油菜与红菜薹种间杂种回交群体遗传参数分析

2.2.1 各元素最大变异幅度在回交世代间的变化 在红菜薹与甘蓝型油菜的杂交后代中,4种矿质元素均存在广泛的分离,各元素的最大分离幅度出现的世代不同。由表3可知,在甘蓝型油菜×5#的后代中,Fe的最大分离幅度出现在F1代,说明对其F1代进行选择有可能获得Fe含量较高的单株,从而有利于加速育种进程;Ca、Mg最大分离幅度出现在BC2代,说明BC2代中可能存在Ca、Mg含量均较高的单株;Zn最大分离幅度出现在BC3代,说明其BC3代群体中可能存在Zn含量较高的单株。由表4可知,在甘蓝型油菜×3#的杂种后代中,Ca、Mg、Zn最大分离幅度出现在BC1代,对BC1代群体加以选择可能会获得Ca、Mg、Zn含量均较高的育种材料;Fe的最大分离幅度出现在BC3代,说明对其BC3代进行选择有可能获得Fe含量较高的单株。

表4 甘蓝型油菜×3#种间杂种群体及回交世代主要参数变化

表4(续)

2.2.2 各元素变异系数在回交世代间的变化 各矿质元素的遗传变异系数在不同回交世代间是不同的。由表3可知,在甘蓝型油菜×5#的杂种后代中,Fe变异系数的最大值出现在F1代;Zn变异系数最大值出现在BC1代;Mg 变异系数最大值出现在BC2代;Ca变异系数最大值出现在BC3代。由表4可知,在甘蓝型油菜×3#的杂种后代中,Ca、Mg、Zn变异系数最大值出现在BC1代;Fe变异系数最大值出现在BC3代。

通过对各元素变异幅度和变异系数的分析可知,BC1代是选择并改良种间杂种群体矿质元素含量的关键世代,抓准BC1的选择,选少量最佳单株回交,可以少做BC2的组合,省工省时,从而达到事半功倍的效果,这与前人的研究结果一致[15]。另外,如果能在BC1代选择到矿质元素含量高且外观形状与红菜薹比较接近的单株,其意义不仅在于远缘杂交的回交转育过程可以缩短,更重要的是因为回交次数的减少而得以保存较多的异源种质及其有利基因的可能性,因为从理论上讲,每进行一次回交,就会替换掉50%的远缘种质。

2.2.3 轮回亲本种质渗入比例不同的群体的遗传动态 为了直观地了解各矿质元素含量在不同世代间的变化趋势,对各元素在不同世代的平均值进行了作图比较(图1)。分析表明,矿质元素的动态变化十分显著,轮回亲本种质比例的增加使得各矿质元素含量迅速向轮回亲本方向发展。由图可知,在用红菜薹进行连续回交的情况下,红菜薹的性状在后代中恢复得很快,连续回交5代后,4种矿质元素的平均值都接近或超过轮回亲本红菜薹,表明红菜薹与甘蓝型油菜种间杂交结合回交的方法可以提高红菜薹中矿质元素的含量。但是,不同矿质元素回交效应的进展速度不同,以3#为轮回亲本时,Mg、Zn在BC1的进展速度已达到高峰,而Ca、Fe的进展速度相对较慢。明确不同矿质元素回交效应的进展速度,对于采用回交法改良和修饰种间杂种后代的有关性状具有重要的意义,回交效应较快的矿质元素可以减少回交代数,反之需要增加回交代数。

图1 各矿质元素平均值在世代间的变化

3 讨论

远缘杂交是拓宽红菜薹遗传基础和丰富遗传多样性的重要途径之一。研究结果初步表明:红菜薹与甘蓝型油菜具有较好的亲和性,杂种后代遗传变异明显,出现了较多具有杂种优势的变异单株。本试验中,矿质元素Ca、Fe表现中亲优势或超亲优势,并随父本基因型的不同有所变化,说明红菜薹与甘蓝型油菜进行种间杂交可以产生具有优势的变异单株。可见,红菜薹与甘蓝型油菜的种间杂交可以人工合成和创新红菜薹种质资源。

远缘杂交需要在杂种后代的多种分离或超亲性状中选择符合育种目标的优良单株进行回交,且回交次数过多则会导致期望由远缘种中转育过来的性状基因频率过低,尤其可能影响到产量等遗传力较低的多基因性状的转育效果。因此,如何掌握回交的次数和重点世代,提高回交转育的效果和效率,就成为远缘杂交育种成败及结果好坏的关键环节。本试验结果表明BC1是选择并改良种间杂种群体多数元素的关键世代,这与前人的研究结果一致[16],说明可以在远缘杂交的早期后代选择性状偏向轮回亲本的单株加以利用,从而提高育种效率。

在甘蓝型油菜与红菜薹杂种F1代时即根据植株的外观性状(主要是色泽、分枝节位以及叶形)施加选择压力,随着回交代数的递增,后代的外观表现越来越像红菜薹,但是矿质元素含量并未随轮回亲本遗传物质的逐渐渗入呈现递增的态势,而是出现一些波动。这种现象的产生可能是由于外在的选择压力[17]、不同回交世代中存在的基因沉默现象[18]以及部分测定误差导致。本试验中,Ca、Mg、Fe 3种矿质元素同时表现为在BC5时的含量接近轮回亲本,并表现出一定程度的超亲优势,说明通过甘蓝型油菜与红菜薹种间杂交结合有选择的回交,可以提高红菜薹中矿质元素的含量,并为红菜薹品质育种提供重要的种质资源,从而为育成矿质元素含量较高的对人体健康有益的红菜薹品种奠定基础。