馬鈴薯航天育種材料在不同生態(tài)區(qū)域產(chǎn)量性狀的變化

余幫強(qiáng), 張國輝, 頡瑞霞, 王收良, 郭志乾

(寧夏農(nóng)林科學(xué)院固原分院, 寧夏 固原 756000)

植物航天育種是利用空間極端環(huán)境,如空間輻射、微重力、真空等誘發(fā)植物遺傳物質(zhì)發(fā)生改變,基于現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)選擇優(yōu)良變異種,并利用優(yōu)良變異種培育優(yōu)質(zhì)、多抗、高產(chǎn)植物新品種的育種方法[1]。研究實(shí)踐證明,航天育種具有獨(dú)特的優(yōu)勢:性狀變異幅度大,有益性狀變異頻率高;多數(shù)變異的優(yōu)良性狀能遺傳;性狀穩(wěn)定,遺傳時(shí)間較快,新品種育成周期短;同一個(gè)體能夠同時(shí)出現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)性狀的有益變異;能創(chuàng)造出其他育種方法難以獲得的罕見新基因資源(新種質(zhì))[2]。航天搭載種子返回地面后,還要進(jìn)行一系列的育種流程才能育成新品種。

早期的研究一般按照傳統(tǒng)的育種程序進(jìn)行選育,在多個(gè)世代進(jìn)行種植和選擇,最后選育出新品種。隨著生物技術(shù)的迅速發(fā)展,研究者將航天誘變育種與生物技術(shù)結(jié)合,通過調(diào)查分析群體表型特征、不同世代基因組特征研究空間環(huán)境遺傳改良機(jī)理。華南農(nóng)業(yè)大學(xué)陳志強(qiáng)團(tuán)隊(duì)提出了“空間誘變多代混系連續(xù)選擇與定向跟蹤篩選技術(shù)”學(xué)術(shù)思想,在分離群體定向篩選重要性狀(產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性)新種質(zhì)并高效應(yīng)用。羅文龍等[3]研發(fā)出“HRM-TILLING 高通量基因分型體系”,能夠高效鑒定航天育種材料的基因變異,并開發(fā)出多個(gè)功能型分子標(biāo)記,創(chuàng)制出系列多基因聚合骨干親本。

馬鈴薯(SolanumluberosumL.)是同源四倍體無性繁殖作物,由于基因分離復(fù)雜、細(xì)胞雜合水平高、隱性基因表現(xiàn)幾率較低、雜交結(jié)實(shí)困難等原因[4],導(dǎo)致用傳統(tǒng)育種方法選育新品種存在許多局限,在四倍體水平上選育優(yōu)良品種的效率不高。實(shí)踐證明,誘變育種與常規(guī)育種相比,在改變單基因控制的特殊性狀方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢,它可以打破基因連鎖,提高重組率,誘發(fā)產(chǎn)生自然界原來沒有的或常規(guī)育種難以獲得的新基因、新類型、新性狀,而且后代的性狀穩(wěn)定快,是育種資源的一種補(bǔ)充[5]。寧夏南部山區(qū)土層疏松深厚,通透性好,土壤含鉀量高,非常有利于塊莖干物質(zhì)的合成和積累,是我國馬鈴薯主產(chǎn)區(qū)之一[6]。為了豐富馬鈴薯育種方法,加快寧夏馬鈴薯育種進(jìn)程,寧夏農(nóng)林科學(xué)院固原分院馬鈴薯科研團(tuán)隊(duì)開始嘗試太空誘變育種方法。2020年載人航天飛船搭載了7個(gè)馬鈴薯品種的微型薯,每個(gè)品種7份共49份材料,大部分因失水嚴(yán)重未能正常出苗,經(jīng)過兩年繁育,目前剩余18份航天育種材料。本試驗(yàn)對這些航天育種材料在寧夏的干旱區(qū)、半干旱區(qū)、陰濕區(qū)3個(gè)不同生態(tài)區(qū)域進(jìn)行鑒定分析。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)基本概況

試驗(yàn)從2021年10月至2022年3月在寧夏干旱區(qū)、半干旱區(qū)、陰濕區(qū)3個(gè)不同生態(tài)區(qū)域開展。干旱區(qū)試驗(yàn)設(shè)在寧夏農(nóng)林科學(xué)院頭營科研基地(寧夏固原市原州區(qū)頭營鎮(zhèn)徐河村),年降雨量300 mm左右;半干旱區(qū)試驗(yàn)設(shè)在寧夏固原市西吉縣馬蓮鄉(xiāng)北山村,年降雨量400 mm左右;陰濕區(qū)試驗(yàn)設(shè)在寧夏農(nóng)林科學(xué)院觀莊科研基地(寧夏固原市隆德縣觀莊鄉(xiāng)林園村),年降雨量500 mm左右。

1.2 參試材料

參試材料為2020年航天飛船搭載返回地面的7個(gè)馬鈴薯品種,按照2020年10月收獲的單株進(jìn)行種植,參試材料共25份,其中對照材料7份,參試太空誘變材料18份[隴薯7號(hào)(1份)、青薯9號(hào)(3份)、青薯168(4份)、大西洋(1份)、寧薯17號(hào)(1份)、寧薯18號(hào)(4份)、寧薯19號(hào)(4份)],分別以對應(yīng)品種的對應(yīng)級別種薯作為對照。為了方便試驗(yàn)管理,將航天誘變試驗(yàn)材料及對照材料分別編號(hào),具體見表1。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將每個(gè)品種的太空誘變材料及其對照材料進(jìn)行分類種植,比較太空誘變材料與對照之間的差異。隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),重復(fù)3次,每個(gè)區(qū)組每份材料種植10株。采用露地起壟壟上種植方式,壟面寬70 cm,壟溝寬40 cm,壟高15 cm,一壟兩行,平均行距55 cm,株距40 cm,種植密度為3 031株/667 m2。試驗(yàn)觀測鑒定指標(biāo)與方法嚴(yán)格參照《國家馬鈴薯品種區(qū)域試驗(yàn)調(diào)查記載項(xiàng)目及標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行。

1.4 統(tǒng)計(jì)與分析

采用Excel2007軟件計(jì)算處理,顯著性分析用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同航天育種材料在干旱區(qū)產(chǎn)量性狀的變化

從表2可以看出,與對應(yīng)的對照材料相比,馬鈴薯不同航天育種材料在干旱區(qū)產(chǎn)量性狀有一定的變化。旱作條件下,單株大薯數(shù)差異顯著的航天育種材料有3份,其中,青薯168有2份(HT2020-03-1、HT2020-03-3),均比對照減少37.3%;寧薯19號(hào)1份(HT2020-09-4),比對照減少42.7%。單株大薯重差異顯著的航天育種材料有5份,其中,青薯9號(hào)2份(HT2020-02-2、HT2020-02-3),分別比對照增加41.6%、減少32.6%;青薯168、寧薯18號(hào)、寧薯19號(hào)各1份(HT2020-03-1、HT2020-08-3、HT2020-09-2),分別比對照減少36.0%、增加46.1%和32.4%。單株小薯數(shù)差異顯著的航天育種材料3份,其中:青薯9號(hào)2份(HT2020-02-1、HT2020-02-2),分別比對照增加32.6%,37.0%;寧薯18號(hào)1份(HT2020-08-3),比對照增加71.1%。單株小薯重差異顯著的航天育種材料4份,其中,青薯9號(hào)、寧薯18號(hào)各1份(HT2020-02-2、HT2020-08-3),分別比對照增加80.0%,34.7%;寧薯19號(hào)2份(HT2020-09-2、HT2020-09-4),分別比對照增加56.1%,53.7%。產(chǎn)量差異顯著的航天育種材料5份,其中,青薯9號(hào)2份(HT2020-02-2、HT2020-02-3),分別比對照增加28.5%、減少27.7%;青薯168、寧薯18號(hào)、寧薯19號(hào)各1份(HT2020-03-1、HT2020-08-3、HT2020-09-2),分別比對照減少27.7%、增加29.9%和26.7%。

表2 不同航天育種材料在干旱區(qū)產(chǎn)量性狀的變化

2.2 不同航天育種材料在半干旱區(qū)產(chǎn)量性狀的變化

從表3可以看出,與對應(yīng)的對照材料相比,馬鈴薯不同航天育種材料在半干旱區(qū)產(chǎn)量性狀有一定的變化。半干旱條件下,單株大薯數(shù)差異顯著的航天育種材料0份。單株大薯重差異顯著的航天育種材料3份,其中,青薯168有2份,即HT2020-03-1、HT2020-03-2,分別比對照減少50.5%、增加36.4%;寧薯18號(hào)1份,即HT2020-08-3,比對照增加57.6%。單株小薯數(shù)差異顯著的航天育種材料1份,即青薯9號(hào)的HT2020-02-1,比對照增加20.0%。單株小薯重差異顯著的航天育種材料2份,其中,寧薯18號(hào)、寧薯19號(hào)各1份,即HT2020-08-2、HT2020-09-3,分別比對照增加93.8%和88.2%。產(chǎn)量差異顯著的航天育種材料6份,其中,青薯9號(hào)2份,即HT2020-02-1、HT2020-02-2,分別比對照減少40.0%、增加34.9%;青薯168有2份,即HT2020-03-1、HT2020-03-2,分別比對照減少44.8%、增加32.8%;寧薯18號(hào)、寧薯19號(hào)各1份,即HT2020-08-3、HT2020-09-2,分別比對照增加47.4%和57.9%。

表3 不同航天育種材料在半干旱區(qū)產(chǎn)量性狀的變化

2.3 不同航天育種材料在陰濕區(qū)產(chǎn)量性狀的變化

從表4可以看出,與對應(yīng)的對照材料相比,馬鈴薯不同航天育種材料在陰濕區(qū)產(chǎn)量性狀有一定的變化。陰濕條件下,單株大薯數(shù)差異顯著的航天育種材料2份,即青薯9號(hào)的HT2020-02-1、HT2020-02-2,分別比對照減少44.9%、增加57.1%。單株大薯重差異顯著的航天育種材料5份,其中,青薯9號(hào)2份,即HT2020-02-1、HT2020-02-2,分別比對照減少44.7%、增加51.5%;青薯168、寧薯18號(hào)、寧薯19號(hào)各1份,即HT2020-03-1、HT2020-08-3、HT2020-09-2,分別比對照減少35.8%、增加33.9%、增加25.6%。單株小薯數(shù)差異顯著的航天育種材料0份。單株小薯重差異顯著的航天育種材料4份,其中,青薯168、寧薯18號(hào)各1份,即HT2020-08-2、HT2020-09-3,分別比對照增加60.0%和110.5%;寧薯19號(hào)2份,即HT2020-09-2、HT2020-09-3,分別比對照增加220.0%和180.0%。產(chǎn)量差異顯著的航天育種材料6份,其中,青薯9號(hào)2份,即HT2020-02-1、HT2020-02-2,分別比對照減少41.0%、增加40.5%;青薯168有2份,即HT2020-03-1、HT2020-03-2,分別比對照減少32.0%、增加29.7%;寧薯18號(hào)、寧薯19號(hào)各1份,即HT2020-08-3、HT2020-09-2,分別比對照增加31.0%,23.4%。

表4 不同航天育種材料在陰濕區(qū)產(chǎn)量性狀的變化

3 討論與結(jié)論

如表5所示,不同航天育種材料的產(chǎn)量性狀在不同生態(tài)區(qū)域變化情況不同。綜合3個(gè)生態(tài)區(qū)域來看,與對應(yīng)的對照材料相比,在3個(gè)不同生態(tài)區(qū)域單株大薯數(shù)發(fā)生顯著變化的航天材料共5份,且每份材料僅在1個(gè)生態(tài)區(qū)域有變化;在3個(gè)不同生態(tài)區(qū)域單株大薯重發(fā)生顯著變化的航天材料共7份,其中,HT2020-03-1在3個(gè)區(qū)域均顯著減少,HT2020-08-3在3個(gè)區(qū)域均顯著增加,HT2020-02-2、HT2020-09-2均在2個(gè)區(qū)域顯著增加;在3個(gè)不同生態(tài)區(qū)域單株小薯數(shù)發(fā)生顯著變化的航天材料共3份,其中,HT2020-02-1在2個(gè)區(qū)域顯著增加;在3個(gè)不同生態(tài)區(qū)域單株小薯重發(fā)生顯著變化的航天材料共5份,其中HT2020-08-3在3個(gè)區(qū)域均顯著增加,HT2020-09-2、HT2020-09-3在2個(gè)區(qū)域顯著增加;在3個(gè)不同生態(tài)區(qū)域產(chǎn)量發(fā)生顯著變化的航天材料共7份,其中HT2020-02-2、HT2020-08-3、HT2020-09-2在3個(gè)區(qū)域均顯著增加,HT2020-03-1在3個(gè)區(qū)域均顯著減少,HT2020-02-1在2個(gè)區(qū)域均顯著減少,HT2020-03-2在2個(gè)區(qū)域均顯著增加。

表5 不同生態(tài)區(qū)域產(chǎn)量性狀變化品種綜合統(tǒng)計(jì)

分析發(fā)現(xiàn),產(chǎn)量性狀發(fā)生變化的大部分航天育種材料在3個(gè)區(qū)域有相同的變化趨勢,或者2個(gè)區(qū)域有相同的變化趨勢、另一個(gè)區(qū)域沒有變化,沒有出現(xiàn)同一份航天育種材料在不同生態(tài)區(qū)域產(chǎn)量性狀發(fā)生反向的變化情況。結(jié)合上一年的試驗(yàn)結(jié)果,初步判斷參試的18份航天育種材料產(chǎn)量性狀變化可能主要是由太空誘變引起的,生態(tài)區(qū)域的不同對產(chǎn)量性狀的影響不大。由于本試驗(yàn)只是用常規(guī)方法對產(chǎn)量性狀進(jìn)行了鑒定比較,試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)條件控制不精準(zhǔn)等因素也有一定的關(guān)系,因此還需要利用分子生物學(xué)等手段進(jìn)一步明確航天育種材料遺傳物質(zhì)的變異情況。