紅菜薹與甘藍型油菜種間雜交后代礦質元素的遺傳分析

張艷

(湖州職業技術學院 旅游管理學院,浙江 湖州 313000)

紅菜薹(B.campestrisL. sspChinensisL.var.utilisTsen et Lee. 2n = 2x = 20)是我國長江流域的特產蔬菜,也是重要的秋冬時令蔬菜,其早熟品種和中晚熟品種大量上市之時正值國慶、元旦及春節前后,并由于色澤鮮艷、花薹肥嫩、富含營養、風味獨特而深受廣大消費者的喜愛。近年來,隨著人民生活水平的提高和社會經濟的不斷發展,人們對紅菜薹的消費需求日益提高,這對紅菜薹的新品種選育及育種材料、方法的更新提出了更高的要求。紅菜薹是異花授粉植物,雜種優勢顯著,生產上廣泛使用雜種一代。但是,紅菜薹花器小、單花結籽少,若采用人工去雄的方法進行雜交制種,既耗費人力財力,又無法滿足生產需求。近年來,育種人員利用十字花科蕓薹屬作物豐富的雄性不育資源,進行種間、屬間雜交及其相關研究,獲得了紅菜薹雄性不育系,為紅菜薹雜種優勢利用及新品種的選育提供了有利的信息及資源[1-5]。

20世紀90年代以來,隨著人們生活水平的不斷提高,城鄉居民的飲食結構發生明顯變化,部分人因長期攝取缺乏人體所必須的微量元素、維生素和纖維素等成分的食物,肥胖癥、心臟病、糖尿病、冠心病等日益增加。礦質元素在維持機體正常的能量轉換和新陳代謝等方面具有至關重要的作用,常作為酶、激素、維生素、核酸的成分參與生命代謝[6-7]。肖輝[8]等人的研究表明,紅菜薹中含有17種氨基酸,其中有7種是人體必需氨基酸,但有關紅菜薹礦質元素含量及遺傳規律的研究卻未見報道。本試驗在進行紅菜薹新型胞質雄性不育系轉育的同時,對紅菜薹與甘藍型油菜種間雜種及回交后代Ca、Mg、Fe、Zn元素含量進行測定,并對各礦質元素的種間雜種優勢及遺傳規律進行分析,以期為紅菜薹的品質育種提供有價值的理論依據和資源材料。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為具有胞質不育基因的甘藍型油菜(EruCMS)、紅菜薹及其雜種和回交后代。為了加快胞質不育基因的轉移和縮短育種年限,自F1代起田間人工選擇偏向紅菜薹的單株,以紅菜薹為輪回親本進行回交[9-10]。紅菜薹9418(3#)與俞優(5#)為多代自交系,由華中農業大學蔬菜遺傳與育種課題組提供;甘藍型油菜(EruCMS)由華中農業大學油菜遺傳育種實驗室提供。

1.2 方法

親本與雜種后代播種、育苗并定植于塑料大棚內,隨機區組設計,3次重復,進行正常的田間管理,各小區肥水等條件一致。在3個小區內選取外觀表現型及長勢較一致的單株,每世代10株,分別采集植株相同部位葉片。

各樣品于105 ℃殺青15 min,然后于80 ℃烘干至恒重。之后用植物粉碎機粉碎并過0.3 mm孔徑的分樣篩,裝于10 mL離心管中保存待用。進行礦質元素提取時,準確稱取0.1 g(精確到0.0001)粉末放入50 mL塑料瓶內,再加入10 ml的HCL(1 mol/L)于37 ℃恒溫箱中振蕩浸提2 h,過濾后進行礦質元素含量的測定,每樣品重復3次[11-12]。在相同的條件下制作空白樣品。樣品測定采用IRIS Advantage型等離子發射光譜儀(美國Therm Element)。

1.3 數據處理

用中親優勢(MP)和超親優勢(HP)來預測甘藍型油菜與紅菜薹的雜種優勢。

中親優勢(MP)=[(F1-雙親平均值)/雙親平均值]×100%

超親優勢(HP)=[(F1-高親值)/高親值]×100%

通過Excel進行數據統計與圖表制作。

2 結果與分析

2.1 親本及組合的Ca、Mg、Fe、Zn元素含量

由表1可知,親本的Ca含量變幅為142.75～231.08,平均表現為184.58,雜交一代的Ca含量平均表現為196.27,大于親本的平均表現;親本的Mg含量變幅為31.09～51.44,平均表現為40.42,雜交一代的Mg含量平均表現為35.66,明顯小于親本的平均表現;親本的Fe含量變幅為1.01～1.41,平均表現為1.25,雜交一代的Fe含量平均表現為1.27,大于親本的平均表現;親本的Zn含量變幅為0.92～1.49,平均表現為1.21,雜交一代的Zn含量平均表現為0.81,明顯小于親本的平均表現。

表1 親本和組合的Ca、Mg、Fe、Zn元素含量 ug/g

2.2 種間雜種F1的優勢分析

雜種優勢所涉及的性狀大都為數量性狀,故必須以具體數值來衡量和表達其優勢的程度[13]。通過中親與超親優勢分析可知(表2),在甘藍型油菜與紅菜薹的兩個雜交組合中,均有一些元素出現一定程度的雜種優勢,有些元素出現雜種劣勢。在甘藍型油菜×5#的F1中,Ca、Fe中親優勢為正值,Mg、Zn的中親優勢為負值,4個元素均不存在超親優勢;在甘藍型油菜×3#的F1中,中親優勢和高親優勢表現為正值的均只有Ca。通過種間雜種優勢分析可知,甘藍型油菜與紅菜薹的F1中,相同元素在不同基因型父本的影響下會有不同的雜種優勢,說明雜種優勢存在著親本基因型的差異。此外,在礦質元素的雜種優勢利用方面,不僅要看親本的平均表現,還要看組合的具體表現[14]。

表2 雜種F1的優勢分析

2.3 甘藍型油菜與紅菜薹種間雜種回交群體遺傳參數分析

2.2.1 各元素最大變異幅度在回交世代間的變化 在紅菜薹與甘藍型油菜的雜交后代中,4種礦質元素均存在廣泛的分離,各元素的最大分離幅度出現的世代不同。由表3可知,在甘藍型油菜×5#的后代中,Fe的最大分離幅度出現在F1代,說明對其F1代進行選擇有可能獲得Fe含量較高的單株,從而有利于加速育種進程;Ca、Mg最大分離幅度出現在BC2代,說明BC2代中可能存在Ca、Mg含量均較高的單株;Zn最大分離幅度出現在BC3代,說明其BC3代群體中可能存在Zn含量較高的單株。由表4可知,在甘藍型油菜×3#的雜種后代中,Ca、Mg、Zn最大分離幅度出現在BC1代,對BC1代群體加以選擇可能會獲得Ca、Mg、Zn含量均較高的育種材料;Fe的最大分離幅度出現在BC3代,說明對其BC3代進行選擇有可能獲得Fe含量較高的單株。

表4 甘藍型油菜×3#種間雜種群體及回交世代主要參數變化

表4(續)

2.2.2 各元素變異系數在回交世代間的變化 各礦質元素的遺傳變異系數在不同回交世代間是不同的。由表3可知,在甘藍型油菜×5#的雜種后代中,Fe變異系數的最大值出現在F1代;Zn變異系數最大值出現在BC1代;Mg 變異系數最大值出現在BC2代;Ca變異系數最大值出現在BC3代。由表4可知,在甘藍型油菜×3#的雜種后代中,Ca、Mg、Zn變異系數最大值出現在BC1代;Fe變異系數最大值出現在BC3代。

通過對各元素變異幅度和變異系數的分析可知,BC1代是選擇并改良種間雜種群體礦質元素含量的關鍵世代,抓準BC1的選擇,選少量最佳單株回交,可以少做BC2的組合,省工省時,從而達到事半功倍的效果,這與前人的研究結果一致[15]。另外,如果能在BC1代選擇到礦質元素含量高且外觀形狀與紅菜薹比較接近的單株,其意義不僅在于遠緣雜交的回交轉育過程可以縮短,更重要的是因為回交次數的減少而得以保存較多的異源種質及其有利基因的可能性,因為從理論上講,每進行一次回交,就會替換掉50%的遠緣種質。

2.2.3 輪回親本種質滲入比例不同的群體的遺傳動態 為了直觀地了解各礦質元素含量在不同世代間的變化趨勢,對各元素在不同世代的平均值進行了作圖比較(圖1)。分析表明,礦質元素的動態變化十分顯著,輪回親本種質比例的增加使得各礦質元素含量迅速向輪回親本方向發展。由圖可知,在用紅菜薹進行連續回交的情況下,紅菜薹的性狀在后代中恢復得很快,連續回交5代后,4種礦質元素的平均值都接近或超過輪回親本紅菜薹,表明紅菜薹與甘藍型油菜種間雜交結合回交的方法可以提高紅菜薹中礦質元素的含量。但是,不同礦質元素回交效應的進展速度不同,以3#為輪回親本時,Mg、Zn在BC1的進展速度已達到高峰,而Ca、Fe的進展速度相對較慢。明確不同礦質元素回交效應的進展速度,對于采用回交法改良和修飾種間雜種后代的有關性狀具有重要的意義,回交效應較快的礦質元素可以減少回交代數,反之需要增加回交代數。

圖1 各礦質元素平均值在世代間的變化

3 討論

遠緣雜交是拓寬紅菜薹遺傳基礎和豐富遺傳多樣性的重要途徑之一。研究結果初步表明:紅菜薹與甘藍型油菜具有較好的親和性,雜種后代遺傳變異明顯,出現了較多具有雜種優勢的變異單株。本試驗中,礦質元素Ca、Fe表現中親優勢或超親優勢,并隨父本基因型的不同有所變化,說明紅菜薹與甘藍型油菜進行種間雜交可以產生具有優勢的變異單株?？梢?紅菜薹與甘藍型油菜的種間雜交可以人工合成和創新紅菜薹種質資源。

遠緣雜交需要在雜種后代的多種分離或超親性狀中選擇符合育種目標的優良單株進行回交,且回交次數過多則會導致期望由遠緣種中轉育過來的性狀基因頻率過低,尤其可能影響到產量等遺傳力較低的多基因性狀的轉育效果。因此,如何掌握回交的次數和重點世代,提高回交轉育的效果和效率,就成為遠緣雜交育種成敗及結果好壞的關鍵環節。本試驗結果表明BC1是選擇并改良種間雜種群體多數元素的關鍵世代,這與前人的研究結果一致[16],說明可以在遠緣雜交的早期后代選擇性狀偏向輪回親本的單株加以利用,從而提高育種效率。

在甘藍型油菜與紅菜薹雜種F1代時即根據植株的外觀性狀(主要是色澤、分枝節位以及葉形)施加選擇壓力,隨著回交代數的遞增,后代的外觀表現越來越像紅菜薹,但是礦質元素含量并未隨輪回親本遺傳物質的逐漸滲入呈現遞增的態勢,而是出現一些波動。這種現象的產生可能是由于外在的選擇壓力[17]、不同回交世代中存在的基因沉默現象[18]以及部分測定誤差導致。本試驗中,Ca、Mg、Fe 3種礦質元素同時表現為在BC5時的含量接近輪回親本,并表現出一定程度的超親優勢,說明通過甘藍型油菜與紅菜薹種間雜交結合有選擇的回交,可以提高紅菜薹中礦質元素的含量,并為紅菜薹品質育種提供重要的種質資源,從而為育成礦質元素含量較高的對人體健康有益的紅菜薹品種奠定基礎。