甘藍(lán)型油菜矮稈材料LSW2018的創(chuàng)制

王芳，張瑞茂，黃莎，唐容，王璐璐，楊斌，王轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)，楊元雨，王敏,3，趙德剛*，李超

（1.貴州大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/農(nóng)業(yè)生物工程研究院山地植物資源保護(hù)與種質(zhì)創(chuàng)制教育部重點實驗室，貴州 貴陽，550025；2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院/油料研究所/油菜研究所/貴州省植物保育技術(shù)應(yīng)用工程研究中心，貴州 貴陽，550006；3.貴州師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽，550025）

油菜作為世界四大油料作物之一，2020 年國內(nèi)油菜種植面積約為6.672×106hm2，占國內(nèi)油料作物種植總面積的50%；總產(chǎn)量約為1.26×107t，約占世界油菜籽總量的30%[1,2]。雜交油菜大面積推廣，在促進(jìn)產(chǎn)量增加20%～30%的同時，也使得90%以上的甘藍(lán)型油菜株高整體提高20 cm 左右[3]。雜交油菜株高整體增加，導(dǎo)致油菜抗倒伏能力下降，油菜倒伏后有效光合作用減少，籽粒灌漿受阻，產(chǎn)量和品質(zhì)嚴(yán)重降低，產(chǎn)量下降20%～30%，最高達(dá)50%，種子含油量降低10%～30%[4～7]，且增加了機(jī)械化收獲的難度和生產(chǎn)成本，嚴(yán)重影響油菜產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因此，培育抗倒伏能力強(qiáng)、高產(chǎn)、適合機(jī)械化收割的油菜品種是育種的主要目標(biāo)，也是保障食用油供給的關(guān)鍵。

株高是作物重要的農(nóng)藝性狀之一，影響作物的抗倒伏性、收獲指數(shù)和籽粒產(chǎn)量等[8]。半矮稈小麥、水稻品種的育成和應(yīng)用，開創(chuàng)了20 世紀(jì)60 年代綠色革命先河，大幅提升了作物產(chǎn)量[9,10]。半矮稈品種株高降低，種植密度增加，抗倒伏性提高，且收獲指數(shù)提高，利于機(jī)械化收獲[11]。近年來，研究者創(chuàng)制了很多矮稈、半矮稈油菜種質(zhì)，但至今還沒有理想的矮稈油菜品種在全國大面積推廣應(yīng)用。如：矮源1號，成熟時平均植株高度約24 cm，但千粒重僅2.7 g，且種子含油量僅33.97%[12]；自然突變材料99CDAM受3 對隱性基因控制，成熟時植株高度僅85 cm 左右，產(chǎn)量性狀較好，但抗病性差[13]；DS-4是由單基因控制完全顯性的矮稈突變體，高度23 cm左右，且種子萌發(fā)率較低[14,15]；突變體bndf-1株高為75 cm 有左右，其矮稈性狀受1對不完全顯性核基因控制，株型緊湊、有效分枝較多，但植株矮小，導(dǎo)致角果總數(shù)較少，產(chǎn)量較低[16]；利用快中子轟擊及硫酸二乙酯（DES）聯(lián)合處理甘藍(lán)型油菜高稈品系育成的突變體NDF-1，株高71.5 cm，株型緊湊、分枝多、生育期適中、抗性好，但是角果短，每莢角粒數(shù)少，產(chǎn)量較低[17]；EMS 誘變獲得的甘藍(lán)型油菜矮稈突變體Bnd2，其矮稈性狀為隱性性狀且受單基因控制，株高為100.65±8.09 cm，其單株有效角果數(shù)與親本無顯著差異，但主花序角果數(shù)、一次有效分枝數(shù)、每角粒數(shù)、角果長度、千粒重和單株產(chǎn)量顯著低于親本[18]；自然突變材料Bndwarf2葉片呈現(xiàn)深綠色，葉片皺縮較厚、株型緊湊，但千粒重較低，長勢不強(qiáng)[19]。盡管一些矮稈基因在改良作物中取得了很大進(jìn)展，但同時也對作物農(nóng)藝性狀產(chǎn)生負(fù)面影響，制約了矮稈或半矮稈品種育種進(jìn)程[20]。因此，創(chuàng)制具有株高中等、矮稈或半矮稈突變體新材料，是培育矮稈油菜品種的關(guān)鍵。

1 材料與方法

1.1 材料

2009年春，以德油5號F1為母本，自育的新品系273R 為父本，配制雜交組合GZ715。2011 年在其F2代群體中發(fā)現(xiàn)6 株變異株，苗期葉色明顯比其他單株深、葉面皺縮且凹凸不平、葉柄變短，呈匍匐狀生長，成熟期株高明顯比正常植株矮。經(jīng)過5 代自交純化，2016 年獲得18 個表型較為穩(wěn)定的自交純系，后再經(jīng)過2 年純化及綜合性狀評鑒，將綜合性狀表現(xiàn)優(yōu)良且遺傳穩(wěn)定的甘藍(lán)型矮縮突變體油菜命名為 LSW2018，同源正常高稈植株命名為HSW2018（圖1）。

1.2 田間試驗

2018-2021 年3 年度，田間分別種植LSW2018和HSW2018，各設(shè)3個重復(fù)，每個重復(fù)10行，每行16株（雙株留苗），行距0.40 m，株距0.33 m，田間管理同常規(guī)生產(chǎn)。

1.3 性狀考察

性狀考察參照伍曉明等《油菜種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》方法[21]。苗期，每個材料隨機(jī)取5株，分別對葉片等有關(guān)農(nóng)藝性狀進(jìn)行統(tǒng)計；花期每個材料隨機(jī)取30株，對花瓣和花蕾的長度、寬度，花柄的長度，花蕾著生段長度進(jìn)行測量；成熟期每個材料隨機(jī)取30 株，對根頸直徑、株高、分枝高度、一次分枝數(shù)及總長度、主花序長度、有效角果數(shù)、每角粒數(shù)、著果密度、分枝角度、總?cè)~數(shù)、子葉節(jié)至頂枝距離、節(jié)間距、第一個有效分枝、第5 和第10 節(jié)處的直徑及木質(zhì)部厚度進(jìn)行測量；自然晾干后，每個材料隨機(jī)取30 株，對千粒重、地上部干重（g/株）、種子重（g/株）、收獲指數(shù)、芥酸、硫苷、含油量、蛋白質(zhì)進(jìn)行分析。所有性狀參數(shù)均取3個年度的平均值。數(shù)據(jù)以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。所有數(shù)據(jù)的平均值計算、顯著性差異分析均采用軟件SPSS 23.0。

2 結(jié)果與分析

2.1 LSW2018苗期性狀

苗期LSW2018 子葉為腎形，頂葉較寬大，裂葉3～4 對，葉緣明顯鋸齒狀，葉片深綠，葉柄短，整體較匍匐，長勢中偏弱但穩(wěn)健，株高較HSW2018矮；抽薹現(xiàn)蕾后，轉(zhuǎn)為正常生長，但葉面皺縮，葉柄仍保持短縮狀態(tài)。而同源高稈HSW2018 苗型正常、半直立、葉面平展、葉片綠色，葉柄較長（圖1）。開盤期LSW2018最大葉寬極顯著大于HSW2018，最大葉長和苗高極顯著低于HSW2018（表1）。

表1 LSW2018與HSW2018苗期主要性狀比較Table 1 Comparison of main characters between LSW2018 and HSW2018 at seedling stage

圖1 LSW2018與HSW2018單株和群體苗期對比Fig.1 Comparison of LSW2018 and HSW2018 individual plant and population performance at seedling stage

2.2 初花期植株與花器官特征

初花期對植株高度及花器官特征進(jìn)行測量（表2）。結(jié)果表明，LSW2018與HSW2018以及其他正常甘藍(lán)型油菜品種（系）一樣，花序均呈簇生狀，花蕾大小、花瓣大小、花柄長度無明顯差異，但株高和花

表2 初花期LSW2018與HSW2018植株與花器官性狀比較Table 2 Comparison of plant and flower traits between LSW2018 and HSW2018 at initial flowering stage

蕾段長差異較顯著，LSW2018 初花期的平均株高為90 cm，比HSW2018矮70 cm（圖2A）。

圖2 LSW2018與HSW2018的株高、花期比較Fig.2 Comparison of plant height and florescence between LSW2018 and HSW2018

2.3 農(nóng)藝性狀表現(xiàn)

成熟期取LSW2018 和HSW2018 的植株分別對根頸直徑、株高、分枝高度、一次分枝數(shù)、主花序長度、有效角果數(shù)、角果密度和分枝角度進(jìn)行測定（表3）。結(jié)果表明，LSW2018 根頸直徑2.86±0.15 cm、一次分枝總長為563.2±6.96 cm，極顯著大于HSW2018，而株高為136.24±2.18 cm、分枝高度為32.5±1.97 cm，極顯著低于HSW2018（圖3）。

圖3 LSW2018與HSW2018的植株性狀Fig.3 Plant characteristics of LSW2018 and HSW2018

2.4 主莖及主要分枝特性

通過對LSW2018 和HSW2018 的主莖及主要分枝特性進(jìn)行統(tǒng)計分析（表4），結(jié)果表明，LSW2018 子葉節(jié)至頂枝距離、節(jié)間距都極顯著低于HSW2018，而第5 節(jié)、第10 節(jié)、第一個有效分枝的直徑都極顯著高于HSW2018。由此可見LSW2018 株高的顯著降低，主要是其主莖節(jié)間距的縮短所致，且LSW2018的莖稈明顯比HSW2018更加粗壯。

表4 LSW2018和HSW2018的主莖、主要分枝特性Table 4 Main stem and main branch characteristics of LSW2018 and HSW2018

2.5 經(jīng)濟(jì)性狀及品質(zhì)表現(xiàn)

成熟期分析了LSW2018 與HSW2018 的單株有效角果數(shù)、角粒數(shù)、千粒重、種子重、收獲指數(shù)、地上部干重（除葉片外的其它部分）等與經(jīng)濟(jì)性狀密切相關(guān)的性狀（表5）。結(jié)果顯示，LSW2018 單株有效角果數(shù)、千粒重和收獲指數(shù)顯著高于HSW2018，角粒數(shù)、單株種子重極顯著低于HSW2018，其他性狀無明顯差異。LSW2018 種子芥酸含量1.3%，硫苷含量44.2 μmol/g餅，含油量45.3%，蛋白質(zhì)23.5%。

表3 LSW2018與HSW2018的農(nóng)藝性狀比較Table 3 Comparison of agronomic characters between LSW2018 and HSW2018

表5 矮稈系LSW2018與HSW2018經(jīng)濟(jì)性狀比較Table 5 comparison of economic characters of LSW2018 and HSW2018

3 結(jié)論與討論

株型與作物產(chǎn)量密切相關(guān)，合理的株型可以提高葉面積系數(shù)和群體光合效率，從而提高作物收獲指數(shù)和產(chǎn)量[22]。甘藍(lán)型矮稈油菜新種質(zhì)LSW2018是自然突變產(chǎn)生的，株高中等，育苗移栽平均株高136.24 cm，直播平均株高110.4 cm，在苗期，植株整體呈匍匐狀生長、長勢中偏弱但穩(wěn)健，葉色深、葉片厚且皺縮、葉柄短，莖稈粗壯，節(jié)間短，分枝位低，抗倒性特強(qiáng)，作者稱LSW2018 苗期這一系列表型特征為“矮縮”，這一表型與課題組前期報道的矮稈種質(zhì)DW871的表型存在極大差異，且都高度抗倒伏，其中前者主要為矮縮性狀、分枝角度較大，后者為特異花序、分枝角度小[23,24]?，F(xiàn)蕾后，LSW2018 植株逐漸轉(zhuǎn)為正常形態(tài)，其開花習(xí)性、分枝角度、花序特征等性狀與HSW2018基本無明顯區(qū)別，但株高和分枝位存在極顯著差異。在整個生育期中，LSW2018 株型偏矮，其主莖的直徑、木質(zhì)部厚度和抗倒性明顯高于HSW2018。因此，可利用LSW2018 通過雜交手段，解決普通正常甘藍(lán)型油菜存在易倒伏等問題。

以LSW2018 為母本，與正常高稈油菜品種（品系）配制的所有雜交組合，F(xiàn)1代及后代分離的矮稈植株均具有矮縮特征。因此認(rèn)為，LSW2018 這一矮縮性狀表現(xiàn)為顯性遺傳，具體詳細(xì)的遺傳研究結(jié)果將另文報道，其矮縮性狀基因或可作為矮稈油菜品系選育的重要候選基因。

LSW2018 具有葉柄短、苗期匍匐且生長穩(wěn)健、全生育期抗倒性特強(qiáng)且耐密植，適宜于輕簡化生產(chǎn)等優(yōu)勢，但還存在結(jié)實率一定程度偏低、單株產(chǎn)量較低等缺陷，在短期內(nèi)直接應(yīng)用尚有難度，但由于LSW2018 的矮縮性狀是受顯性基因控制，這為利用該類型矮縮性狀創(chuàng)制新種質(zhì)提供捷徑。即一方面創(chuàng)制新種質(zhì)，利用LSW2018 轉(zhuǎn)育新的同類型常規(guī)優(yōu)異新品系，可以豐富該類型材料的種質(zhì)基礎(chǔ)；另一方面利用雜種優(yōu)勢，以LSW2018 為親本，轉(zhuǎn)育成隱性核不育三系或質(zhì)不育系，與正常高稈恢復(fù)系配制強(qiáng)優(yōu)勢雜交組合，將會有效促進(jìn)該新種質(zhì)盡快進(jìn)入生產(chǎn)應(yīng)用。2016 年以來，課題組通過開展新材料、新品系轉(zhuǎn)育研究，已獲得了多個矮縮標(biāo)記性狀穩(wěn)定的甘藍(lán)型油菜常規(guī)品系、1套隱性核不育三系和1套質(zhì)不育系，實現(xiàn)了三系配套?？沟剐愿鼜?qiáng)、結(jié)實率更高、產(chǎn)量更高的組合正在篩選鑒定中，期待盡早選育出該類型矮稈雜交油菜品種（組合）進(jìn)入生產(chǎn)應(yīng)用。

目前矮稈種質(zhì)資源主要通過物理誘變、化學(xué)誘變和自然突變3 種方法獲得。在已報道過的與LSW2018 類似的甘藍(lán)型油菜中，bndf-1來源于自然突變，苗期就表現(xiàn)出明顯的矮化特征且葉片明顯皺縮，抽薹、開花期植株上部葉片逐漸趨于正常，株高平均在75 cm[16]；自然突變材料ed1在幼苗期出現(xiàn)較明顯的矮化特性：生長緩慢、下胚軸縮短、葉片面積變小，在營養(yǎng)生長期ed1的矮化表型更加明顯：葉片顏色變深、葉片面積明顯變小且極度卷曲皺縮，成熟期ed1的株高為23 cm 左右[25]；矮稈資源“矮源1號”的小孢子雙單倍體后代ds-4在苗期葉片明顯皺縮且向下彎曲、葉柄較短，成熟期時ds-4突變體株高僅為23.4±3.78 cm[14,15]；經(jīng)化學(xué)誘導(dǎo)劑和快中子轟擊聯(lián)合處理的突變體ndf-2，葉片顏色深、葉片厚且皺縮，成熟時平均高度為86.8±4.9 cm[26]；EMS 誘變油菜種子分離出的突變體sca，在苗期葉片明顯皺縮，成熟時sca突變體株高只有76.0±3.4 cm，sca節(jié)間細(xì)胞伸長受到抑制，從而導(dǎo)致節(jié)間距縮短株高降低[27]；本研究材料LSW2018，在苗期也出現(xiàn)葉色深，葉片厚且皺縮，植株明顯矮化等特征，但現(xiàn)蕾后，LSW2018 植株逐漸轉(zhuǎn)為正常形態(tài)，通過統(tǒng)計分析，其株高的降低是主要由節(jié)間距縮短引起的。綜合分析，LSW2018 與前人報道的矮稈油菜來源不同，苗期矮化表型存在部分相似，但成熟后的株型存在很大差異，初步認(rèn)為LSW2018 為一個新的甘藍(lán)型矮稈種質(zhì)資源，有重要研究應(yīng)用價值。因此，后期本課題組將進(jìn)一步研究控制LSW2018 矮縮性狀的基因以及節(jié)間距縮短的具體原因，深入了解LSW2018的矮化機(jī)制。