紅菜薹與甘藍(lán)型油菜種間雜交后代礦質(zhì)元素的遺傳分析

張艷

(湖州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 旅游管理學(xué)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(chǎn)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(jié)前后,并由于色澤鮮艷、花薹肥嫩、富含營養(yǎng)、風(fēng)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(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)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(yōu)勢顯著,生產(chǎn)上廣泛使用雜種一代。但是,紅菜薹花器小、單花結(jié)籽少,若采用人工去雄的方法進(jìn)行雜交制種,既耗費人力財力,又無法滿足生產(chǎn)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(jìn)行種間、屬間雜交及其相關(guān)研究,獲得了紅菜薹雄性不育系,為紅菜薹雜種優(yōu)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(jì)90年代以來,隨著人們生活水平的不斷提高,城鄉(xiāng)居民的飲食結(jié)構(gòu)發(fā)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(zhì)元素在維持機體正常的能量轉(zhuǎn)換和新陳代謝等方面具有至關(guān)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(guān)紅菜薹礦質(zhì)元素含量及遺傳規(guī)律的研究卻未見報道。本試驗在進(jìn)行紅菜薹新型胞質(zhì)雄性不育系轉(zhuǎn)育的同時,對紅菜薹與甘藍(lán)型油菜種間雜種及回交后代Ca、Mg、Fe、Zn元素含量進(jìn)行測定,并對各礦質(zhì)元素的種間雜種優(yōu)勢及遺傳規(guī)律進(jìn)行分析,以期為紅菜薹的品質(zhì)育種提供有價值的理論依據(jù)和資源材料。

1 材料與方法

1.1 材料

供試材料為具有胞質(zhì)不育基因的甘藍(lán)型油菜(EruCMS)、紅菜薹及其雜種和回交后代。為了加快胞質(zhì)不育基因的轉(zhuǎn)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(jìn)行回交[9-10]。紅菜薹9418(3#)與俞優(yōu)(5#)為多代自交系,由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)蔬菜遺傳與育種課題組提供;甘藍(lán)型油菜(EruCMS)由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)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(nèi),隨機區(qū)組設(shè)計,3次重復(fù),進(jìn)行正常的田間管理,各小區(qū)肥水等條件一致。在3個小區(qū)內(nèi)選取外觀表現(xiàn)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(jìn)行礦質(zhì)元素提取時,準(zhǔn)確稱取0.1 g(精確到0.0001)粉末放入50 mL塑料瓶內(nèi),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(jìn)行礦質(zhì)元素含量的測定,每樣品重復(fù)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(fā)射光譜儀(美國Therm Element)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用中親優(yōu)勢(MP)和超親優(yōu)勢(HP)來預(yù)測甘藍(lán)型油菜與紅菜薹的雜種優(yōu)勢。

中親優(yōu)勢(MP)=[(F1-雙親平均值)/雙親平均值]×100%

超親優(yōu)勢(HP)=[(F1-高親值)/高親值]×100%

通過Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與圖表制作。

2 結(jié)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(xiàn)為184.58,雜交一代的Ca含量平均表現(xiàn)為196.27,大于親本的平均表現(xiàn);親本的Mg含量變幅為31.09～51.44,平均表現(xiàn)為40.42,雜交一代的Mg含量平均表現(xiàn)為35.66,明顯小于親本的平均表現(xiàn);親本的Fe含量變幅為1.01～1.41,平均表現(xiàn)為1.25,雜交一代的Fe含量平均表現(xiàn)為1.27,大于親本的平均表現(xiàn);親本的Zn含量變幅為0.92～1.49,平均表現(xiàn)為1.21,雜交一代的Zn含量平均表現(xiàn)為0.81,明顯小于親本的平均表現(xiàn)。

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(yōu)勢分析

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

表2 雜種F1的優(yōu)勢分析

2.3 甘藍(lán)型油菜與紅菜薹種間雜種回交群體遺傳參數(shù)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(lán)型油菜的雜交后代中,4種礦質(zhì)元素均存在廣泛的分離,各元素的最大分離幅度出現(xiàn)的世代不同。由表3可知,在甘藍(lán)型油菜×5#的后代中,Fe的最大分離幅度出現(xiàn)在F1代,說明對其F1代進(jìn)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(jìn)程;Ca、Mg最大分離幅度出現(xiàn)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(xiàn)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(lán)型油菜×3#的雜種后代中,Ca、Mg、Zn最大分離幅度出現(xiàn)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(xiàn)在BC3代,說明對其BC3代進(jìn)行選擇有可能獲得Fe含量較高的單株。

表4 甘藍(lán)型油菜×3#種間雜種群體及回交世代主要參數(shù)變化

表4(續(xù))

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

通過對各元素變異幅度和變異系數(shù)的分析可知,BC1代是選擇并改良種間雜種群體礦質(zhì)元素含量的關(guān)鍵世代,抓準(zhǔn)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(dá)到事半功倍的效果,這與前人的研究結(jié)果一致[15]。另外,如果能在BC1代選擇到礦質(zhì)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(yuǎn)緣雜交的回交轉(zhuǎn)育過程可以縮短,更重要的是因為回交次數(shù)的減少而得以保存較多的異源種質(zhì)及其有利基因的可能性,因為從理論上講,每進(jìn)行一次回交,就會替換掉50%的遠(yuǎn)緣種質(zhì)。

2.2.3 輪回親本種質(zhì)滲入比例不同的群體的遺傳動態(tài) 為了直觀地了解各礦質(zhì)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(jìn)行了作圖比較(圖1)。分析表明,礦質(zhì)元素的動態(tài)變化十分顯著,輪回親本種質(zhì)比例的增加使得各礦質(zhì)元素含量迅速向輪回親本方向發(fā)展。由圖可知,在用紅菜薹進(jìn)行連續(xù)回交的情況下,紅菜薹的性狀在后代中恢復(fù)得很快,連續(xù)回交5代后,4種礦質(zhì)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(lán)型油菜種間雜交結(jié)合回交的方法可以提高紅菜薹中礦質(zhì)元素的含量。但是,不同礦質(zhì)元素回交效應(yīng)的進(jìn)展速度不同,以3#為輪回親本時,Mg、Zn在BC1的進(jìn)展速度已達(dá)到高峰,而Ca、Fe的進(jìn)展速度相對較慢。明確不同礦質(zhì)元素回交效應(yīng)的進(jìn)展速度,對于采用回交法改良和修飾種間雜種后代的有關(guān)性狀具有重要的意義,回交效應(yīng)較快的礦質(zhì)元素可以減少回交代數(shù),反之需要增加回交代數(shù)。

圖1 各礦質(zhì)元素平均值在世代間的變化

3 討論

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

遠(yuǎn)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(biāo)的優(yōu)良單株進(jìn)行回交,且回交次數(shù)過多則會導(dǎo)致期望由遠(yuǎn)緣種中轉(zhuǎn)育過來的性狀基因頻率過低,尤其可能影響到產(chǎn)量等遺傳力較低的多基因性狀的轉(zhuǎn)育效果。因此,如何掌握回交的次數(shù)和重點世代,提高回交轉(zhuǎn)育的效果和效率,就成為遠(yuǎn)緣雜交育種成敗及結(jié)果好壞的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本試驗結(jié)果表明BC1是選擇并改良種間雜種群體多數(shù)元素的關(guān)鍵世代,這與前人的研究結(jié)果一致[16],說明可以在遠(yuǎn)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(lán)型油菜與紅菜薹雜種F1代時即根據(jù)植株的外觀性狀(主要是色澤、分枝節(jié)位以及葉形)施加選擇壓力,隨著回交代數(shù)的遞增,后代的外觀表現(xiàn)越來越像紅菜薹,但是礦質(zhì)元素含量并未隨輪回親本遺傳物質(zhì)的逐漸滲入呈現(xiàn)遞增的態(tài)勢,而是出現(xiàn)一些波動。這種現(xiàn)象的產(chǎn)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(xiàn)象[18]以及部分測定誤差導(dǎo)致。本試驗中,Ca、Mg、Fe 3種礦質(zhì)元素同時表現(xiàn)為在BC5時的含量接近輪回親本,并表現(xiàn)出一定程度的超親優(yōu)勢,說明通過甘藍(lán)型油菜與紅菜薹種間雜交結(jié)合有選擇的回交,可以提高紅菜薹中礦質(zhì)元素的含量,并為紅菜薹品質(zhì)育種提供重要的種質(zhì)資源,從而為育成礦質(zhì)元素含量較高的對人體健康有益的紅菜薹品種奠定基礎(chǔ)。