大豆不育系异交结实率与花器官性状的相关性分析

阿如汗，李志刚，孙佳尧，李资文，姚威港，崔天宇，张翠平，史 铎，孙元成

（内蒙古民族大学 农学院，内蒙古 通辽028043）

近年来，我国每年需要进口8 000～9 000万t大豆，如果自给自足需要超过2.4亿hm2的耕地，这意味着1/3的耕地需要用于种植大豆，这将影响到其他作物的种植面积［1］.因此，在有限种植面积的前提下，提高大豆单产是解决国内大豆短缺的最佳途径之一［2］.合理运用三系配套技术是体现大豆杂种优势的有效途径，提高不育系的异交结实率成为杂交制种的关键因素［3］.前人研究表明，虫媒传粉是提高大豆异交结实率的重要途径之一，从虫媒传粉的角度，花器构造对授粉昆虫的访问频率有重要意义［4］.在实际生产应用程序中，昆虫授粉决定了杂交种子生产的产量.尽管我国大豆三系配套技术和切叶蜂辅助授粉技术已经投入生产实践，培育出的“杂交豆2号”产量提高了22.7%，但受限于不育系较低的异交结实率，导致制种产量低，成本高，生产推广困难［5］.因此，解决问题的关键是提高不育系异交结实率，而限制异交结实率的关键因素是大豆花器构造.本研究对3个大豆质核互作雄性不育系的异交结实率与花器官性状进行分析研究，并进行相关性状与异交结实率的相关分析及灰色关联度分析［6］，旨在探索影响大豆异交结实率的关键因子，为不育系选育和高产制种提供理论基础.

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料选用由吉林省农业科学院大豆研究所提供的高、中、低异交结实率的大豆不育系，分别为JLCMS116，JLCMS232，JLCMS9及其同型保持系，分别以A1，A2，A3表示.

1.2 试验设计

大豆不育系和同型保持系材料于2019年5月8日种植于通辽市科尔沁区内蒙古民族大学北校区教学试验基地.选择肥力均匀一致、土壤类型为灰色草甸土、土质为壤土的撂荒地，分为3个小区，父母本1∶1等行距相间种植，行距70 cm，父本株距12 cm，母本株距12 cm.小区面积为30 m2.试验材料均在同一时期播种，采用相同的田间管理模式.

1.3 测量项目与方法

在盛花期对大豆不育系花器官相关性状进行测量，从2019年7月15日开始，每5 d进行1次.测量方法如下：

1.3.1 龙骨瓣开张度 目测：龙骨瓣张开柱头外露（占调查总数的60%以上）为1级；龙骨瓣微张但柱头不可见（占调查总数的60%以上）为2级；龙骨瓣紧紧闭合（占调查总数的60%以上）为0级.

1.3.2 花柱长度 取大豆新鲜花器官用FAA固定液带回，在解剖镜下切下花柱做成压片，在莱卡荧光显微镜5倍物镜下拍照测量.

1.3.3 花粉管长度 在早7：00 开始，取新鲜花蕾，用解剖针将花粉均匀散在液体培养基（10%蔗糖，50 mg·L-1硼酸，50 mg·L-1氯化钙）表面，将载玻片置于底部垫有1层浸透蒸馏水的滤纸培养皿中，并在载玻片两侧各放置一个大小适中浸透水的脱脂棉球保湿，盖上培养皿盖子后放入培养箱内（28 ℃，3 h）萌发［7］.

以花粉管长度大于花粉直径为花粉萌发标准［8］.在显微镜下随机观察，每个品系重复3次以上，每次重复随机选取3个视野，每个视野随机测量20个花粉管长度，每次处理测量不少于50个花粉管，计算其平均值.

1.3.4 萼片长度 用数显游标卡尺测量花瓣裂口正对着的萼片长度.

1.3.5 柱头+花柱总长 取大豆新鲜花器官用FAA固定液带回，在解剖镜下切下柱头和花柱做成压片，在莱卡荧光显微镜5倍物镜下拍照测量.

1.3.6 花粉大小 取大豆新鲜花器官用FAA固定液带回，在解剖镜下将花粉用I2-IK染色做成压片，在莱卡荧光显微镜10倍物镜下拍照测量.

1.3.7 花药、柱头表面积 取大豆新鲜花器官用FAA固定液带回，在解剖镜下切下花药和柱头分别做成压片，在莱卡荧光显微镜5倍物镜下拍照测量，使用图像处理软件进行观察测量花药（柱头）的长和宽.花药（柱头）表面积=长×宽.

1.3.8 泌蜜量 用内径为0.1 mm的微量毛细吸管吸取花蜜，在0.1 mm刻度尺上测量毛细吸管内花蜜长度.泌蜜量=0.052×3.14×测量长度.

1.3.9 异交率 异交结实率=不育系结荚数/保持系结荚数×100%［9］.

1.4 数据分析

使用LASV4.6图像处理软件进行观察测量，使用Excel 2019软件整理统计、计算标准偏差并绘制图表，并用DPS 16.05 进行数据分析.

2 结果与分析

如表1所示，A1萼片长度、柱头+花柱总长、柱头表面积、泌蜜量、异交率显著高于A2，A3；A1龙骨瓣开张度和花药表面积显著高于A3，分别高出149.25%和33.24%；A1花粉管长度、花粉大小显著低于A2.供试的3个大豆不育系在龙骨瓣开张度、萼片长度、柱头+花柱总长、花药表面积、柱头表面积、泌蜜量和异交率呈现出相同的趋势，即A1＞A2＞A3.

表1 大豆不育系的花器官性状Tab. 1 Floral organ characters of soybean sterile lines

2.1 花器官性状与异交结实率相关性分析

从表2可知，与异交结实率相关性最高的是柱头+花柱总长，达到极显著水平，相关系数为0.88；萼片长度、花药表面积、泌蜜量均与异交结实率的正相关关系达到极显著水平，分别为0.80，0.79，0.87；柱头表面积与异交结实率呈极显著负相关水平，相关系数为0.84；其他性状与异交结实率的相关系数均未达到显著水平.说明柱头+花柱总长、萼片长度、花药表面积、泌蜜量和柱头表面积是影响异交结实率的关键因素.虽然其他性状与异交结实率不显著相关，但是可以通过改善不同性状表现继而提高异交结实率.

此外，通过相关性分析还可以看出，萼片长度和柱头+花柱总长、花粉大小和花粉管长度、花药表面积和泌蜜量均呈极显著正相关；柱头+花柱总长和泌蜜量呈显著正相关；柱头表面积和泌蜜量呈极显著负相关.由此在改善性状表现时应注意不同性状间的互作制约关系.

表2 大豆不育系花器官性状与异交结实率的相关系数Tab. 2 Correlation coefficient between flower organ characters and outcrossing seed setting rate of soybean male sterile lines

2.2 花器官性状的通径分析

由表3可知，各花器官性状对异交结实率正向作用大小顺序为：柱头+花柱总长（0.681 8）＞花柱长度（0.234 9）＞泌蜜量（0.163 2）＞龙骨瓣开张度（0.146 8）＞花药表面积（-0.066 9）＞萼片长度（-0.151 6）＞柱头表面积（-0.292 2），说明花药表面积、萼片长度和柱头表面积对异交结实率没有直接的积极作用，其余花器官性状均对异交结实率有直接的积极作用.萼片长度、花药表面积直接系数虽为负值，但间接系数分别为0.954 1，0.854 5，是通过影响其他花器官性状间接对异交结实率产生积极作用.

表3 大豆不育系花器官性状的通径分析Tab. 3 Path analysis of floral organ characters of soybean male sterile lines

2.3 异交结实率与花器官性状灰色关联度分析

由表4可知，不育系异交结实率与9个花器官性状关联顺序为：花药表面积＞泌蜜量＞萼片长度＞柱头+花柱总长＞花柱长度＞龙骨瓣开张度＞花粉大小＞柱头表面积＞花粉管长度.其中，花药表面积与异交结实率关联程度最高（0.564 3），泌蜜量与异交结实率关联程度次之（0.544 6）.花粉大小、柱头表面积、花粉管长度与异交结实率关联系数均低于0.300 0，其中，花粉管长度与异交结实率关联程度最低（0.244 0）.

表4 不育系异交结实率与花器官性状关联度及排序Tab. 4 Correlation degree and sequence of outcrossing seed setting rate and flower organ characters of male sterile lines

3 讨论与结论

大豆是十分严格的自花授粉作物，天然异交率低于1%，是大豆花器官特殊的结构特征所致，因此杂交大豆种子生产效率比较低［10］.大豆花器官小，花粉少而黏重，柱头短［11］，花药小致使龙骨瓣和翼瓣紧紧包裹柱头和花药，大面积的花间风媒传粉和人工授粉是难以实现的.在实际的育种工作中提高制种效率，降低制种成本，是杂交大豆产业化亟需解决的关键技术难题.赵丽梅等［12］通过多年的探索和研究，建立了高效制种技术体系，即“昆虫-环境-作物三位一体综合体系”，在该体系“作物”这个环节表明，在田间开放条件下，大豆不育系的花器官怎样最大效率地吸引昆虫进行授粉是提高大豆不育系异交结实率的关键.

本研究结果表明，大豆不育系的花器官柱头+花柱总长与异交结实率呈极显著水平，且对异交结实率有积极影响，即柱头+花柱总长越大异交结实率越高.目前，关于柱头+花柱总长与异交结实率相关性的研究较少，一般认为柱头+花柱总长越长异交结实率越高，但柱头+花柱总长没有被视为影响异交结实率的主要因子.本研究中柱头表面积与异交结实率相关系数为负值，柱头表面积直接系数和间接系数均为负值，即柱头表面积与异交结实率呈反比，与前人研究结果相同［13］.大豆作为严格的自花授粉作物，经过长期的演变柱头表面积变小，目的是为了防止授粉昆虫在授粉活动时破坏脆弱的柱头，从而降低异交结实率.不育系花器官各个性状的相关性分析和通径分析显示，泌蜜量与异交结实率呈极显著正相关，直接通径系数为正值，灰色关联度位次是第二位，是直接产生影响的因素；萼片长度与异交结实率呈极显著正相关，直接通径系数却为负值，灰色关联度位次是第三位，是各花器官性状相互协调作用间接产生的结果.

在不育系选育过程中，应以柱头及花柱长、泌蜜量高、萼片短、龙骨瓣开张度大为目标，选育出在开放的田间条件下更高异交结实率的不育系，提高杂交制种效率，为大豆产业化推广提供理论依据.