苜蓿雄性不育系杂交组配组合光合生理特性及杂种遗传力研究

乌云塔娜, , , ,

(内蒙古农业大学草原与资源环境学院, 内蒙古 呼和浩特010019)

光合作用是植物生长发育的基础，是植物体内碳元素来源的重要途径[1-2]，同时也是提高植物株产量的生理基础之一。植物个体与群体的光合作用最终决定植株的生长发育特性和产量品质各项指标的形成[3]，也是光合作用研究一直广泛受重视的原因。光合作用是在一定的天气条件下，植物的各生理生态元素综合效应的最终体现[4-6]，作物中90%(95%的干物质来自于光合作用的产物[7]。因此，光合作用的结果是分析植株产量限制因素的重要依据之一[8]。光合作用中的许多生理生化性状均在不同程度上表现出杂种优势。

杂种遗传力是指应用于杂交群体某性状的遗传力，其大小随着杂交次数的增加而增加。吴仲贤[9]的“杂种优势的遗传力理论(HTH)”，以计算杂种遗传力与杂种优势效应，对杂交育种中的问题和预测纯系品种杂交的后果进行了解释。杂种遗传力作为一个新的遗传参数，其变异范围是0～1，与重复力、遗传力、遗传相关这3个纯系育种的参数并列为第4个遗传参数。该理论的实践意义在于，只需一个世代即可估计杂种遗传力，比纯系育种节省了50%的时间及人力与物力；与盲目杂交相比，可以节省50%的投入。

本研究通过分析测定苜蓿(Medicagosativa)雄性不育系组配出的强优势组合的光合生理特性和杂种遗传力，研究光合特性和杂种遗传力与杂种优势间的相关性，为苜蓿育种中杂交组配出更多高产、高抗的强优势杂交组合提供重要的理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本研究在中国农业科学院草原研究所国家多年生牧草种质资源圃进行。研究区域位于内蒙古自治区呼和浩特市西南约27 km的土默特左旗沙尔沁乡，地处大青山南麓的土默川平原。地理坐标为东经111°45′，北纬40°36′，海拔1 065 m，属中温带半干旱大陆性季风气候。其主要气候特征是降雨量少，蒸发量大，冬季漫长严寒，夏季短暂炎热。年平均气温5.6℃，7月份极端最高气温为37.3℃，1月份极端最低温度为-32.8℃，年均日照2 876.6 h，≥10℃的活动积温在2 700℃以上。无霜期约130 d，初霜期出现在9月中旬，终霜期出现在5月中旬。年均蒸发量1 870.3 mm，降水量400 mm左右，主要集中在7，8，9三个月。土壤类型为砂壤土，pH 8.5左右，有机质平均含量为0.6%，肥力中等，具备灌溉条件，栽培管理同大田。

以6个苜蓿雄性不育系为母本(表1)，选择14个具有突出优良性状的品种为父本(表2)，采用不完全双列杂交(NCⅡ)设计配制84个杂交组合，以杂交组合配合力聚类分析结果和杂种优势表现为基础，从强优势组合中选择具有代表性的7个杂交组合及其亲本进行光合特性及杂种遗传力分析。

1.2 试验方法

现蕾期测定每单株牧草产量(干草产量)、株高、分枝数等主要农艺性状，以牧草产量计算其杂种遗传力，并预算各杂交组合的杂种优势效应和杂种遗传力。

1.2.1光合生理特性测定 于苜蓿分枝期，选择天气晴朗的一天，在7:30—19:30间每隔3小时选择生长发育良好的植株，各株随机取样5片完整的叶片，连续3天重复测定各杂交组合及其亲本的光合生理特性指标，取其平均值。测定的光合特性指标包括净光合速率(Pn)，蒸腾速率(Tr)，叶片水分利用效率(WUE)等。

表1 苜蓿雄性不育系代号及来源Table 1 Code of alfalfa male sterile line and source

注：2(5)表示Ms-4×草原1号杂花苜蓿后代中选育的第5株不育株，4(3)表示Ms-4×(Ms-4×新疆大叶苜蓿)后代中选育的第3株不育株

Note：2(5) represents the fifth sterility strain of ms-4 ×MedicagovariaMartin‘Caoyuan No.1’and 4(3) represents the third sterility strain of ms-4 ×(ms-4 ×M.sativa‘Xinjiang Daye’)

表2 父本材料代号及品种Table 2 Code name of male parent material and variety

1.2.2杂种优势效应 中亲优势(%)= (F1-MP)/MP×100%；式中MP表示双亲产量性状表型的平均值。杂种遗传力计算：按照吴仲贤提供的公式[10]，对杂交组合在第一茬干草产量的表现进行杂种遗传力的计算分析。从杂种优势的定义出发：

H = F1 -MP，

其中, H =杂种优势, F1 为杂种一代, MP 为亲本平均数或中亲。由一个二项分布随机变数及其推广至多项分布推导出杂种优势的公式：

VF1= Na2/2 +Nd2/4+VI(F1)

加性 显性 F1 上位

VMP= Na2/2+VI/2

加性 亲代上位

VH= Nd2/4 +VI(F1 )+VI/2

显性 F1 上位亲代上位

在此N =控制性状的基因数, a =(Pi -Pj) 2 , d =离中亲的偏差, 而各方差则如方程底部所列。狭义杂种遗传力：

χH2=(1/2)N2/VF1

其中, VF1是F1 的方差, N 是控制某个性状的基因数。

杂种优势率：H .P .=VH/VF1

1.3 数据分析

利用Excel 2016对所有数据进行数据的预处理和图表绘制，然后用SAS 9.0进行处理与方差分析。

2 结果与分析

2.1 杂交组合及其亲本净光合速率(Pn)日变化

各苜蓿雄性不育系以及父本材料的净光合速率(图1)均表现为“双峰”曲线(10:30和16:30)。另外在13:30左右出现了光合“午休”现象，而晚上均较低；其中不育系2号、10号以及父本材料I 、II和III的峰值表现均上午高于下午。7个强优势杂交组合的日均净光合速率变化也表现为“双峰”曲线，峰值也分别出现在10:30和16:30左右，夜晚多为负值。

图1 杂交亲本及其杂交组合净光合速率(Pn)日变化Fig.1 Net photosynthetic rate (Pn) change of hybrid parent and Hybrid combination

2.1.1杂交组合净光合速率中亲优势率表现 由图2可见，在7个强优势组合中， 12×I的日均净光合速率中亲优势率表现最高且为正值(5.37%)，其他组合均为负值。

图2 杂交组合净光合速率中亲优势率Fig.2 The rate of parental dominance in net photosynthetic rate of hybrid combinations

2.2 杂交组合及其亲本蒸腾速率(Tr)日变化

9个杂交亲本的蒸腾速率日变化呈“单峰”曲线，出现峰值和低谷的大小和时间有明显差异(图3)。其中10号不育系和III、M2父本材料在13:30左右出现高峰值，其余杂交亲本的高峰值出现在10:30左右。综合来看，13号不育系的净光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)在所有亲本中均是最大值。7个强优势组合的蒸腾速率日变化也都呈“单峰”曲线，其中2×II，2×III和10×M6等3个组合的峰值出现在10:30左右，其余组合出现在13:30左右。

图3 杂交亲本及其杂交组合蒸腾速率(Tr)日变化Fig.3 Diurnal change of transpiration rate (Tr) of hybrid parents and their cross combinations change

2.2.1杂交组合蒸腾速率中亲优势率表现 7个强优势组合的日均蒸腾速率中亲优势率均表现为负值(图4)，其中杂交组合12×III的值显著高于其它组合(P< 0.05)。

图4 杂交组合蒸腾速率中亲优势率Fig.4 The rate of parental dominance in the transpiration rate of the hybrid combinations

2.3 杂交组合及其亲本叶片水分利用效率(WUE)变化

由图5表明，2号、13号不育系和III号父本的水分利用效率日变化呈 “双峰”曲线，峰值出现在每日10:30和16:30。而10号，12号不育系和II，M2，M6父本材料的水分利用效率日变化为“单峰”曲线。其中父本材料M6的最高峰值在13:30；父本材料I的数值从10:30至16:30基本没有改变。另外，除13号不育系，其余父本的水分利用效率均高于各不育系。7个杂交组合中13×M2和12×III的水分利用效率(WUE)变化呈“双峰”曲线。两次峰值分别出现在10:30和16:30。其余组合的水分利用效率(WUE)变化呈“单峰” 曲线。其中12×I杂交组合的峰值10:30。2×II，2×III组合的峰值在13:30左右,13×III和10×M6组合的峰值在16:30左右。

2.3.1杂交组合水分利用效率中亲优势率表现 除杂交组合13×III(-10.00%)外其余6个杂交组合日均水分利用效率中亲优势率均表现为正值(图6)。其中杂交组合13×M2的值显著高于其它杂交组合(P< 0.05)。

2.4 光合生理特性与主要农艺性状相关分析

7个强优势组合的光合生理特性与主要农艺性状相关性分析表明(表3)，杂交组合干草产量和为产量性状主要影响因素的株高与水分利用效率间均呈显著正相关关系。由此可见，在等量水分的消耗中，水分利用效率较高时，其合成的干物质量较大，即其产量就会相对较高。表明水分利用率可直接影响牧草产量和株高的表现。

表3 苜蓿杂交组合光合生理特性与产量性状的相关系数Table 3 Photosynthetic physiological characteristics and yield of correlation coefficient of alfalfa hybrid combinations

注：*表示在0.05水平上差异显著，**表示在0.01水平上差异显著

Note：*indicates significant difference at the 0.05 level and **indicates significant difference at the 0.01 level, respectively

2.5 杂交组合杂种遗传力与杂种优势效应表现

对7个杂种优势效应最为明显的杂交组合进一步进行产量性状杂种遗传力分析发现(表4)，杂种遗传力值的变异范围均在0～1之间，其中杂交组合2×Ⅱ的杂种遗传力最高(0.6129)，同时其杂种优势效应值也最高(52.10%)；其次是杂交组合10×M6，12×Ⅰ的杂种遗传力均高于0.5，其杂种优势效应也明显高于其他组合。杂种遗传力和杂种优势效应均最低的组合为13×M2(0.0789和24.01%)。

表4 苜蓿杂交组合杂种遗传力Table 4 Hybrid heritability of alfalfa hybrid combinations

为深入了解杂种遗传力与杂种优势之间的相关关系，对杂交组合产量杂种遗传力与杂种优势效应进行相关分析发现(表5)，杂交组合杂种遗传力与杂交组合特殊配合力、杂种优势率和杂种优势效应间存在不同程度的相关性。杂交组合杂种遗传力与杂种优势效应间存在极显著正相关，与杂交组合特殊配合力间相关不显著，而与杂种优势率呈负相关趋势。结果表明，杂种遗传力可对杂种优势效应有直接影响。

表5 苜蓿杂交组合杂种遗传力与杂种优势的相关系数Table 5 Alfalfa hybrid combinations of heterosis of hybrid genetic force and correlation coefficient

注：*表示在0.05水平上差异显著，**表示在0.01水平上差异显著

Note：*indicates significance at the 0.05 level and ** indicates significance at the 0.01 level probability levels, respectively

3 讨论

3.1 杂种优势与光合生理特性相关性

光合作用作为植物干物质生产的基本生理代谢过程，可能是苜蓿牧草产量杂种优势表现形成的生理基础。从本研究的各杂交组合光合生理特性的杂种优势表现可知：净光合速率的杂种优势表现中，杂交组合12×I的中亲优势率值大于零，且显著高于其余杂交组合(P<0.05)，同时净光合速率的日均值也是最大。表明在相同的环境条件下，杂种优势强的组合同化CO2的能力也强；蒸腾速率的杂种优势表现中，杂交组合12×III的中亲优势率最高，且显著高于其他组合(P<0.05)，组合的蒸腾速率也最大。由此说明，蒸腾速率呈正向优势。而杂交组合的水分利用效率则呈负向优势，说明在消耗等量的水分条件时，其生成的干物质量较少，因此需要消耗更多的水分来获取较多的干物质。表明杂交组合与其亲本相比较，水分的利用率相对较高。

3.2 杂种遗传力与杂种优势相关性

杂交育种在育种工作中被视为较为方便、快捷的方法之一。而杂种遗传力概念的引入，使许多在纯系育种中所应用的公式可以被推广到杂交育种中去，使数量遗传学与杂交组配的理论相统一[11]。本研究对杂交组配组合进行了产量性状杂种遗传力的分析发现，杂种遗传力在杂交组配中具有杂种优势的潜在能力，是组配出强优势杂交组合的重要参考依据。杂交亲本的杂种遗传力与杂种优势呈显著正相关。双亲中至少有一个杂种遗传力较高时，尽管其杂交组合的杂种遗传力不是最高，也可以组配出杂种优势较高的杂交组合。相反，利用杂种优势力低的亲本组配时，即使组合的杂种遗传力相对较高,也难有较强的杂种优势效应。杂交组合的杂种遗传力与杂种优势效应间存在极显著正相关，因此杂种遗传力可对杂种优势效应有直接影响。

4 结论

从杂交组合各光合生理特性杂种优势效应表明，净光合速率杂种优势为正向优势，杂交组合12×I的中亲优势率值大于零，且显著高于其余杂交组合(P<0.05)，同时净光合速率的日均值也是最大。表明在相同的环境条件下，杂种优势强的组合同化CO2的能力也强。

7个杂交组合蒸腾速率的杂种优势表现中，杂交组合12×III的中亲优势率最高，且显著高于其他组合(P<0.05)，组合的蒸腾速率最大。由此说明，蒸腾速率也为正向优势。本试验结果中，杂交组合与其双亲相比较，在一定的时间范围里，单位叶面积的蒸腾速率较大，因此杂交组合在高温环境中，可以更有效的降低叶面温度。

杂交组合的水分利用效率则呈现为负向优势，由此可知，杂交组合与双亲相比较，等量条件的水分被消耗时，杂交组合生成的干物质较少。因此，杂交组合若要获得更多的干物质，则必须消耗更多的水分，说明杂交组合与亲本相比，水分利用率相对较高。

杂交组合的杂种遗传力与杂种优势效应间存在极显著正相关，与杂交组合特殊配合力间相关不显著，因此杂种遗传力可对杂种优势效应有直接影响。