一種提高大豆不育繫結實性的方法與流程
2023-10-06 22:19:09 1
本發明涉及一種提高大豆不育繫結實性的方法，屬於農作物雜交種制種技術領域。
背景技術：
利用雜種優勢是大幅度提高作物產量最有效的途徑之一，該方法目前已經在禾本科、十字花科等植物中運用。玉米為異花授粉作物，在雜種優勢利用方面取得突破性的進展給其它作物提供了重要的啟示。自花授粉作物嚴格的自花授粉機制減少了作物的異交產量(Palmer et al.2001)。然而，袁隆平打開了自花授粉作物雜種優勢的利用道路，啟發科學家們研究大豆雜種優勢。
大豆是嚴格的自花授粉作物，一般異交結實率小於1％(Woodworth 1922；Jeffery et al.2003)。至20世紀90年代，中國已經選育了大豆質核互作雄性不育系和「三系」，使得大豆雜種優勢利用成為可能(Sun et al.1994；Gai et al.1995；Ding et al.2002；Bai and Gai 2005；Zhao and Gai 2006；Bai and Gai 2006)。科學家們利用昆蟲傳粉媒介(蜜蜂(Apis mellifera)和苜蓿切葉蜂(Megachile rotundata))在網室和開放環境下為不育系進行傳粉試驗，發現有傳粉媒介網室比無傳粉媒介網室的不育繫結實率高；開放環境下利用傳粉媒介，也提高了不育系的結實率；試驗結果表明，傳粉媒介極有可能解決不育系異花授粉的問題(Koelling 1981；Wang 2008)。但是，網室放蜂成本高，不育系的繁殖與雜交種的配製仍然存在很大的困難。因此如何在開放環境下提高大豆不育繫結實性成為雜交大豆產業化亟待解決的問題。
技術實現要素：
1、發明要解決的技術問題
本發明為了解決現有大豆不育系異交結實技術中存在的技術低效、成本較高、不易產業化的問題，提出了一種提高大豆不育繫結實性的方法。本發明利用大豆質核互作雄性不育系對異交結實中存在的問題進行逐步解析，找出了影響大豆不育系異花授粉的關鍵因子，解決了開放環境下大豆不育繫結實性的關鍵技術，加快了雜交大豆種子生產的產業化進程。
2、技術方案
為了實現上述目的，本發明所採用的技術方案為：
一種提高大豆不育繫結實性的方法，該方法包括以下步驟：
步驟一：選擇種植環境和播種時間
以手觸葉片、手指溼潤為有露水作為調查標準，選擇清晨葉片和花芽上無露水、開花期日平均溫度為20.2～26.0℃的種植環境，這種環境更利於大豆散粉、花粉活力較高，能為不育系異交結實提供更多的有效花粉；選擇在清晨7:00之前調查葉片和花芽上的露水情況；選擇春季播種大豆不育系及其父本，有效避免大豆開花期露水影響父本散粉；春季播種時間為4月上旬-5月下旬；
步驟二：選擇種植材料
選擇花粉萌發率達75％以上且全天有可持續萌發花粉的保持系或恢復系作為父本材料，花粉萌發率高的父本可為大豆不育系異花授粉提供充足的外源花粉；選擇花泌蜜量在0.18μL以上的不育系作為母本材料，更有利於吸引傳粉媒介為其傳粉，泌蜜量高的不育系，其相應的異交結莢率和異交結實率也高；
步驟三：利用自然昆蟲群體進行異花傳粉
在花泌蜜量尖峰時段利用種植環境中利於大豆異交結實的自然昆蟲群體進行異花傳粉；在花泌蜜量尖峰時段，自然昆蟲群體活動也處於尖峰時段，均為11:00-13:00；利於大豆異交結實的自然昆蟲群體主要有中華蜜蜂、義大利蜜蜂、北方切葉蜂、玉米毛帶蜂、擬絨毛淡脈隧蜂、細切葉蜂、黃鱗切葉蜂和熊蜂等；
步驟四：大豆不育繫結實性
在大豆開花期清晨葉片和花芽上無露水的環境下種植泌蜜量在0.18μL以上的母本材料、花粉萌發率達75％以上的父本材料；在大豆花泌蜜量尖峰時段利用種植環境中利於大豆異交結實的自然昆蟲群體進行異花傳粉。綜合利用環境、昆蟲和作物之間的協調關係，提高大豆不育繫結實性。
3、有益效果
⑴本發明是利用穩定的不育系，在有外源花粉的情況下，通過昆蟲傳粉來實現花粉從父本高效率地傳輸到母本。
⑵本發明綜合利用環境、昆蟲和作物之間的協調關係，提高了大豆不育繫結實性，自然異交結實率達88.93％，繁種產量達1461kg/公頃，制種產量達1830kg/公頃，加快了大豆不育系雜交種子生產的產業化進程。
⑶本發明發現了有利於大豆不育系異交結實的自然昆蟲群體，通過利用自然昆蟲群體，大大地降低了網室放蜂的制種成本。
附圖說明
圖1為南京和太原兩地大豆花粉萌發率(SPGR％)的調查圖；註：字母為多重比較測驗結果，不同字母表示差異顯著(P<0.05)。
圖2為花粉萌發期南京和太原兩地大豆葉片、花芽露水情況調查圖。
圖3為保持系SXCMS1B，SXJLCMS1B和恢復系Z-17，Z-119花粉萌發率(SPGR％)的調查圖；註：字母為多重比較測驗結果，不同字母表示差異顯著(P<0.05)。
圖4為大豆花泌蜜量和昆蟲訪花次數的分布圖；註：圖4-A為每小時的大豆花泌蜜量的統計圖；圖4-B為每小時昆蟲訪花次數的統計圖；字母為多重比較測驗結果，不同字母表示差異顯著(P<0.05)；橫坐標數字8～16代表8:00～16:00。
具體實施方式
以下的實施例便於更好地理解本發明，但不限定於本發明，下述實例中的實驗方法，如無特殊說明，均為常規方法，下述實例中所用的試驗材料，如無特殊說明，均為常規生化試劑。
實施例1：適宜種植環境的選擇
2013年在南京和太原種植保持系NJCMS1B、NJCMS2B和NJCMS3B，在開花期調查大豆花粉萌發率。結果如圖1所示，南京環境下的花粉萌發率平均為77.05％，太原環境下的花粉萌發率平均為86.36％，經測驗發現太原環境下的花粉萌發率比南京環境下的高。
2013年在大豆開花期於清晨7:00之前，以手觸葉片、手指溼潤為有露水的調查標準，觀察南京和太原種植環境下不少於20株大豆的葉片和花芽上的露水情況，發現南京環境下的大豆葉片(圖2-C)和花芽(圖2-D)上有許多露水，太原環境下的大豆葉片(圖2-A)和花芽(圖2-B)上無露水。大豆花芽上有露水易使花粉粘結且難以釋放。
南京開花期日平均溫度為24～34.6℃、日平均降雨量320.1mm，環境溼熱，清晨的大豆葉片上露水較多，花粉粘結，不利於散粉，影響大豆花粉活力；太原開花期日平均溫度為20.2～26℃、日平均降雨量216.1mm，環境較為乾燥，清晨的大豆葉片上沒有露水，這種環境更利於大豆花散粉，花粉活力較高，能為不育系異交結實提供更多的有效花粉(溫度和降雨量數據來自中國氣象數據網)；因此，選擇適宜大豆散粉的環境對提高不育系異交結實性至關重要。
實施例2：種植材料的選擇
(1)父本：2012年在太原的祁縣和榆次種植保持系SXCMS1B、SXJLCMS1B和恢復系Z-17、Z-119，開花期調查大豆花粉萌發率。結果如圖3所示，無論是保持系還是恢復系，花粉萌發率均達75％以上，可以為不育系異交結實提供充足的外源花粉。
(2)母本：2011-2013年在南京種植大豆質核互作雄性不育系NJCMS1A、NJCMS2A及其相應的保持系NJCMS1B、NJCMS2B，並設計了放蜂網室和不放蜂網室。開花期調查花泌蜜量，成熟期調查不育系的異交結莢數和異交結實數。異交結莢率和異交結實率分別為不育系單株的平均結莢數和平均結實數與保持系單株的平均結莢數和平均結實數的比值。結果如表1所示，花泌蜜量高的不育系，其相應的異交結莢率和異交結實率也高。
表1 2011-2013年不同大豆材料的花泌蜜量與異交結莢率和異交結實率
註：數字後字母為多重比較測驗結果，不同字母表示差異顯著(P<0.05)
(3)高泌蜜量的大豆材料吸引昆蟲活動：2011年在太原祁縣和榆次種植大豆質核互作雄性不育系SXJLCMS1A及其保持系SXJLCMS1B，以及恢復系Z-17和Z-119，於開花期通過數碼監控攝像系統對傳粉媒介進行觀察，時間為一天中9:30-15:30，每地點觀察2天；2012年在太原祁縣和榆次種植大豆質核互作雄性不育系SXJLCMS1A、SXJLCMS1B及其相應的保持系SXCMS1A、SXCMS1B，以及恢復系Z-17和Z-119，每地點觀察3天。同時，每個材料每小時用10μL毛細管採集至少10朵花的泌蜜量。結果如圖4所示，昆蟲訪問的尖峰時段與花泌蜜量的尖峰時段一致，均為11:00-13:00。
實施例3：利於大豆異交結實的自然昆蟲群體的篩選
對太原大豆田間自然昆蟲群體的統計結果如表2所示，田間自然昆蟲群體主要為膜翅目，包括蜜蜂科的中華蜜蜂、義大利蜜蜂和熊蜂，切葉蜂科的北方切葉蜂、細切葉蜂和黃鱗切葉蜂，以及遂蜂科的玉米毛帶蜂和擬絨毛淡脈隧蜂。其中訪花昆蟲出現頻率最高的是中華蜜蜂，在觀察的時間裡訪花次數為391次，佔總昆蟲訪花次數的55.0％；訪問了836朵花，佔總昆蟲訪花數目的57.9％；訪花時間共計4075秒，佔總昆蟲訪花時間的45.8％，其次是義大利蜜蜂和北方切葉蜂。
表2 太原大豆田間自然昆蟲群體的調查結果
實施例4：不育系異交結實性的調查
(1)2014年在山西種植大豆質核互作雄性不育系NJCMS1A、NJCMS2A、NJCMS3A、SXJLCMS1A和SXCMS1A及其相應的保持系NJCMS1B、NJCMS2B、NJCMS3B、SXJLCMS1B和SXCMS1B。試驗設計了放蜂網室、不放蜂網室和開放環境。網室內父母本1:1種植，網室大小為長6m*寬4m*高2.5m。放蜂網室內的傳粉媒介為蜜蜂。成熟期調查不育系單株的異交結莢數和異交結實數。如表3所示，方差分析表明不同環境下的不育系在異交結莢率和異交結實率上有顯著差異(P<0.01)。
表3 大豆不育系的異交結莢率和異交結實率的方差分析結果
註：*：P<0.05；**：P<0.01
如表4所示，放蜂網室的大豆質核互作雄性不育系的異交結莢率和異交結實率比不放蜂網室分別提高了55.7％和43.7％，說明網室人工放蜂提高了異交結莢率和異交結實率。開放環境下比不放蜂網室分別提高了45.2％～55.7％和39.8％～41.5％，可能是由於太原開放環境下有利於大豆異交結實的自然昆蟲群體。因此，有目的地培育有利於大豆異交結實的自然昆蟲群體，如中華蜜蜂和義大利蜜蜂等，將有利於提高大豆不育系異交結實性。
表4 不同環境下的大豆異交結莢率和異交結實率
註：數字後字母為多重比較測驗結果，不同字母表示差異顯著(P<0.05)
(2)2014年在太原種植大豆質核互作雄性不育系SXJLCMS1A及其保持系SXJLCMS1B，設計了開放環境和放蜂網室。開放環境下父母本1:2種植，行距50cm，傳粉媒介為自然昆蟲群體。放蜂網室下父母本1:1種植，行距50cm，網室面積40m2，傳粉媒介為蜜蜂。成熟期調查不育系單株的異交結莢數和異交結實數。如表5所示，在開放環境下，SXJLCMS1A的異交結實率達88.93％，異交產量達1461.0千克/公頃；在放蜂網室下，SXJLCMS1A的異交結實率達95.4％，異交產量達1524.0千克/公頃。結果表明自然昆蟲群體作用下的大豆不育系異交結實率和繁種產量能夠達到放蜂網室的效果，利用自然昆蟲群體可大大降低了網室放蜂的制種成本。
表5 大豆質核互作雄性不育系的繁種結果