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不同松树种间杂交类型的可育性分析

2021-09-13 05:01孙明升冯源恒贾婕杨章旗
广西植物 2021年8期
关键词:综合评价

孙明升 冯源恒 贾婕 杨章旗

摘 要:探究不同松樹种间杂交可育性,为松树种间杂交育种亲本选配提供依据,进而为松树的杂种优势研究积累材料。该研究利用随机区组设计,通过92个松树种间杂交组合与20个半同胞对照,分析9种松树种间杂交类型子代的平均球果产种数、平均球果产种量、百粒重、发芽率与成苗率5项育性指标,综合球果期、种期与苗期3个阶段的表现,利用模糊数学隶属函数法对不同松树种间杂交类型进行可育性综合评价。结果表明:加勒比松×湿地松(C×E)、湿地松×加勒比松(E×C)与湿地松×火炬松(E×T)3种杂交类型育性表现优于或接近相应的半同胞对照,马尾松×湿地松(M×E)、马尾松×火炬松(M×T)、马尾松×加勒比松(M×C)、火炬松×加勒比松(T×C)、火炬松×马尾松(T×M)与火炬松×湿地松(T×E)杂交类型育性表现远低于半同胞对照,表现出低育性甚至不育。综合5项育性指标,亚组内杂交育性的整体表现明显优于亚组间杂交;湿地松与加勒比松为母本的3种杂交组合育性表现总体水平明显优于马尾松与火炬松为母本的另外6种杂交组合。9种杂交类型中除了火炬松×湿地松(T×E)外,均获得了具有生活力的杂交子代,尤其马尾松与3种国外松的杂交子代在相关研究中是首次获得,对松树种间杂交育种的研究具有重要意义。

关键词:杂交松,种实表型性状,可育性,种间杂交,综合评价

中图分类号:Q945.5

文献标识码:A

文章编号:1000-3142(2021)08-1270-10

Abstract: The aim of this study was to explore the fertility of interspecific hybridization of different pines, to provide basis for parents selection of interspecific hybrid breeding of pines, and to accumulate materials for the study of heterosis of pines. In this study, average number of seed production, average weight of seed production, 100-seed weight, germination rate and seedling rate of the progenies of nine interspecific hybrid types of pine trees were analyzed by 92 interspecific hybrid combinations and 20 half-sib controls using randomized block design. The performance of the progenies in cone, seed and seedling stage was analyzed comprehensively, and comprehensive evaluation of the fertility of cross types of different pine species was done by using the fuzzy mathematical membership function. The results were as follows: The three hybrid types of Pinus caribaea×P. elliottii(C×E), P. elliottii×P. caribaea(E×C) and P. elliottii×P. taeda(E×T) were better than or close to half-sib controls, and P. massoniana×P. elliottii(M×E), P. massoniana×P. taeda(M×T), P. massoniana×P. caribaea(M×C), P. taeda×P. caribaea(T×C), P. taeda×P. massoniana(T×M) and P. taeda×P. elliottii(T×E) were much lower than those of half-sib controls. According to the five fertility indexes, the overall performance of hybridization in the subgroup was better than that of intersubgroup hybridization, and that of the three hybrids of P. elliottii and P. caribaea as female parent was better than that of the other six hybrids of P. massoniana and P. taeda as female parent. In addition to P. taeda×P. elliottii(T×E), the living hybrid offspring were obtained in all the nine hybrids, especially the living hybrid offspring of P. massoniana and three kinds of foreign pines were obtained for the first time in relevant studies. It is of great significance to the study of interspecific hybridization breeding of pine trees.

Key words: hybrid pine, fruit and seed phenotypic traits, fertility, interspecific hybridization, comprehensive appraisal

松树种间杂交是综合利用现有种质和远缘种质的优良性状来拓宽种内遗传资源、扩大基因库、弥补近缘杂交的局限性是种质创新的重要途径(栾启福等,2011)。林业上杂交育种实例多为远缘杂交,通过远缘杂交來获得杂种优势是林木遗传改良的常用方法。马尾松(Pinus massoniana)是我国亚热带地区分布最广的森林树种,也是荒山造林的先锋树种(冯源恒等,2019);火炬松(P. taeda)具有优良材性,已成为我国南方集体林区短周期造纸用材和建筑用材的主要栽培树种之一(徐有明等,2005);湿地松(P. elliottii)具有生长快、材质好、产脂高和适应性强等优点,是美国的主要造林树种之一(南方松种源试验协作小组,1985);加勒比松(P. caribaea)具有生长快、适应性强的特点,是南亚热带低海拔丘陵地区造林绿化的主要树种之一(曾小平等,1999)。随着松树育种工作的深入和人们对育种目标的不断提高,种内遗传变异的幅度往往不能满足人们的育种需求。因此,通过远缘杂交打破种间杂交障碍,使优良基因在种间充分流动,培育兼具不同物种优良特性的新种质,具有广阔的前景和重要的应用价值(Cheng et al.,2011)。

然而,与正常杂交结实相比,从花粉萌发、生长到果实成熟及杂交子代的生长、发育,松树种间杂交都可能会面临一些困难。因此,探究不同松树种间杂交类型的可育性成为高效选配杂交亲本的重要前提。为全面分析不同松树种间杂交类型可育性,本研究从种间杂交子代的球果期、种期与苗期3个阶段,比较全面地探究种间杂交松可育性,为松树种间杂交育种亲本选配提供依据。探讨种间杂交松在球果期、种期与苗期性状上的优势表现,为松树种间杂种优势研究积累材料 。

1 材料与方法

1.1 试验材料

材料为广西壮族自治区林业科学研究院于2016年与2017年在南宁市林业科学研究所(108° 00′ E、23° 10′ N)进行松树种间杂交试验得到的球果。杂交组合共92个(表1),其中马尾松×湿地松(M×E)7个;马尾松×火炬松(M×T)11个;马尾松×加勒比松(M×C)5个;火炬松×加勒比松(T×C)4个;火炬松×湿地松(T×E)7个;火炬松×马尾松(T×M)6个;湿地松×火炬松(E×T)27个;湿地松×加勒比松(E×C)20个;加勒比松×湿地松(C×E)5个。同时设置马尾松、湿地松、加勒比松与火炬松各5个半同胞对照(表2)。

1.2 方法

1.2.1 种实性状测定 对收集回来的杂交球果进行常规观察与测量,统计每个杂交子代号其球果的总数量和总重量;之后分类整理,取得种子后,每个杂交子代号随机选取100粒种子称重,重复5次,统计百粒重与总重。

1.2.2 育苗试验 2018年10月在广西壮族自治区马尾松工程技术研究中心(22°55′ N、108°20′ E)播种,苗床宽0.6 m,条状播种,条宽20 cm,条与条之间用木板隔离。所有种子采收后均经过手工初步筛选,每个组合随机数100粒种子,重复4次(400粒),之后将这4个重复的种子按照随机区组的方法(一列小区)播种在以黄心土为主要基质的普通苗床中,稻草覆盖,浇水,遮荫网遮荫保湿,待种子基本萌发、地上部分长3 cm左右时,揭去覆盖稻草,观察并统计发芽率,移苗后继续遮荫浇水,调查最后移出的每个小区保留苗木的数量来计算成苗率。

1.2.3 指标选取 (1)平均球果产种数:每个杂交组合子代种子总数量与球果总数量的比值。

(2)平均球果产种量:每个杂交组合子代种子总重量与球果总重量的比值。

(3)百粒重:每个组合随机挑选的100粒子代种子的重量。

(4)发芽率(%)=正常发芽种子总数/供试种子数×100。

(5)成苗率(%)=正常成苗种子总数/供试种子数×100。

平均球果产种数一定程度上体现出松树种间杂交两亲本交配是否亲和;平均球果产种量是反映生殖适应性的重要指标(毛建丰等,2007);百粒重是体现种子大小与充实程度的一项指标;种子发芽率是评价林木种子质量的重要指标,是种子分级和定价的主要依据,在种子生产和经营中有着重要意义,在育苗调种前通常需要检测种子的发芽率(颜启传,2001);成苗率的高低可以综合地体现出不同松树种间的杂交亲和性以及对外界条件的自身适应性。

1.2.4 统计分析方法 用Excel 2007App对数据进行处理,用SPSS 23.0App的GLM模块对不同组间与种间杂交类型相关育性指标数据进行方差分析,用LSD法多重比较分析不同组间与种间水平之间各个育性指标的差异显著性。以yijkl=u+Ti+C(i)j+B(ij)k+εijkl为线性模型对9种不同松树种间杂交子代的平均球果产种数、平均球果产种量、百粒重、发芽率与成苗率等5项育性指标进行杂交类型间、杂交组合间的系统分组设计方差分析。式中:yijkl表示来自第i个杂交类型第j个杂交组合在第k个区组第l个个体性状值;u表示总体平均值;Ti表示杂交类型效应;C(i)j为杂交组合效应;B(ij)k为区组效应;εijkl为随机误差。

利用单一育性指标评价松树种间杂交育性水平的局限性很大,尚缺乏可用来鉴定不同松树种间杂交类型育性水平的综合评价体系。为全面、客观、准确地评价不同松树种间杂交类型的育性水平,需根据多个性状综合评价(王贺正,2007;李贵全等,2007)。隶属函数值法客观合理,克服了单一性状指标评价的局限性,基于多项指标测定的基础上,采用隶属函数综合评价的方法能提高评价的准确性(张智猛等,2011)。本文利用隶属函数值综合评估的方法,综合评价了9种不同松树种间杂交类型的育性水平。

式中:Xi指的是某一指标的测定值;Xmax与Xmin分别指的是该对应育性指标的最大值与最小值。

2 结果与分析

2.1 不同松树亚组杂交可育性指标分析

在Price et al.(1998)提出的松属内种的分类中,加勒比松、湿地松与火炬松同属一个亚组(Australes),马尾松属另一个亚组(Pinus)。在本试验中,M×E、M×T、M×C与T×M为A组(亚组间杂交),T×C、T×E、E×T、E×C与C×E为B组(亚组内杂交)。综合5项指标,亚组内杂交的育性表现明显优于亚组间杂交(表3)。对亚组间杂交与亚组内杂交相关育性指标进行方差分析,平均球果产种数、平均球果产种量、百粒重、发芽率与成苗率均有极显著差异(表4),说明在不同松树种间杂交中,亲本亲缘关系的远近会使亲本配合力有很大差别,杂交子代在球果期、种期、苗期的生长表现存在很大差异。从变异幅度上看,除了百粒重,B组其余4项指标的极大值均显著大于A组,一定程度上说明松树种间杂交亲本亲缘关系的远近通过影响亲本配合力来进一步影响杂交子代在球果期、种期与苗期3个阶段杂种优势的产生与表现。

2.2 不同松树种间杂交类型可育性指标分析

由表5可知,9种杂交类型中除了T×E外,均获得了具有生活力的杂交子代。C×E的平均球果产种数最高,平均每颗球果可以产种59.7粒,T×E平均球果产种数最低,T×E产种数为0的组合数占总组合数的50.0%,受精前不亲和或者是染色体配对障碍是造成这种现象的主要原因;C×E的平均球果产种量最高,平均每千克球果可以产种34.29 g,T×E的平均球果产种量最低,平均每千克球果产种仅1.37 g;T×M的百粒重平均值最高,达2.73 g,M×E的百粒重平均值最低,仅0.66 g。在其他松树种间杂交子代中,E×T、E×C与T×E的百粒重均大于2.00 g,T×C、M×C与C×E依次递减,百粒重平均值在1.00~2.00 g之间,M×T的百粒重平均值仅为0.84 g。可能是因为杂交不亲和性等原因,M×C、E×T、E×C与T×M种子的发育参差不齐,种子大小差异很大,种子百粒重变异幅度也较大。M×C 与E×T中个别杂交组合平均球果产种数、平均球果产种量与百粒重的最大值远大于相应半同胞对照3个指标的最大值,原因可能是种间杂种优势在种实阶段的初步表现。

在所有种间杂交类型中,C×E种子的平均发芽率最高,达38.99%;平均发芽率最低的是T×E,14个杂交组合的平均发芽率均为0,主要原因可能是火炬松作母本与湿地松受精后杂种胚败育及不育,进而导致胚、胚乳和子房组织在发育时不能进行有效协调,尤其是胚乳发育不正常所造成的胚营养物质缺乏,进而阻碍其正常的生长发育。在其他几种松树种间杂交组合中,E×C、E×T的平均发芽率为28.71%、15.39%,M×E、M×T、M×C、T×C、T×M杂交子代的平均发芽率均小于10.00%。C×E种子的平均成苗率最高,达33.32%;最低的是T×E,杂交子代平均成苗率为0;E×C、E×T的平均成苗率为19.78%、14.17%;M×E、M×T、M×C、T×C、T×M的平均成苗率均小于10.00%。这与相对应平均发芽率的高低水平相一致。E×T、E×C与C×T中个别杂交组合发芽率与成苗率的最大值明显大于相应半同胞对照两指标的最大值,原因可能是种间杂种优势在杂交松苗期的逐步表现。

与半同胞对照比较,C×E与E×C杂交子代的平均球果产种数与平均球果产种量优于加勒比松半同胞;T×M杂交子代的平均百粒重优于马尾松半同胞子代对照(表6)。这可能是杂种优势在杂交子代生长过程中的初步表现。半同胞子代的发芽率与成苗率均高于相应的种间杂交子代。在不同种间杂交类型之间,对杂交子代平均球果产种数、平均球果产种量、百粒重、发芽率与成苗率等5项育性指标进行方差分析均有极显著差异(表7),表明种间杂交育种是创造变异的一种可靠手段,系统研究不同松树种间杂交可育性对于杂交工作中的亲本选择和杂交优势的评估利用是非常必要的。

在本试验所有种间杂交类型中,依据5项育性指标,以湿地松与加勒比松为母本的3种杂交组合育性表现总体水平明显优于马尾松与火炬松为母本的6种杂交组合。这说明在松树种间杂交中,亲本种不同,亲本配合力有很大差别,杂交子代在球果期、种期、苗期的生长表现也存在很大差异。不同松树进行种间杂交,育性指标的变异幅度最大值一定程度上从表型性状体现出种期与苗期时的杂种优势。由表5与表6可知,对比半同胞对照,E×T、E×C与C×E个别组合在种期与苗期都表现出一定的杂种优势;M×C的百粒重变异幅度极大值也高于其半同胞对照,说明M×C杂交子代中个别组合在种子质量上表现出杂种优势。

对不同松树种间杂交5项育性指标进行相关性分析,结果见表8。总体上,松树种间杂交5项育性指标之间存在正相关性。平均球果产种数与平均球果产种量存在显著正相关,与发芽率存在显著正相关;平均球果产种量与发芽率、成苗率均存在显著正相关;发芽率与成苗率存在极显著正相关。

2.3 不同松树种间杂交类型可育性综合评价

对9种不同松树种间杂交类型进行可育性综合评价,结果见表9。由表9可知,9种不同松树种间杂交类型可育性由优到劣依次为C×E、E×C、E×T、T×C、T×E、M×E、M×C、M×T、T×M。亞组内杂交的育性表现明显优于亚组间杂交;湿地松与加勒比松为母本的3种杂交组合育性表现总体水平明显优于马尾松与火炬松为母本的6种杂交组合。

3 讨论

3.1 不同松树种间杂交育性分析

种间杂交研究重要的科学价值体现在突破生殖隔离障碍,获得具有生活力的子代,进而寻找具有杂种优势的子代。9种杂交类型中除T×E外,均获得了具有生活力的杂交子代,尤其马尾松与3种国外松的杂交子代在同类相关研究中是首次获得,对进一步研究松树种间杂种优势具有重要意义。松树进化史研究与其系统发育关系密不可分,在Price et al.(1998)提出的松属内种的分类中,加勒比松、湿地松与火炬松同属一个亚组(Australes),马尾松属另一个亚组(Pinus),相同亚组内的种亲缘关系最近。洑香香等(2011)利用5对SSR引物获得的41个种间多态性位点,构建的10个松树近缘种亲缘关系与传统的研究结果基本一致。本试验把9种杂交类型分成亚组间杂交与亚组内杂交,结果发现亚组内杂交子代在球果期、种期与苗期的整体表现要明显优于亚组间杂交,说明亲本间亲缘关系的远近通过影响亲本配合力,进一步影响杂交子代在球果期、种期与苗期3个阶段的整体表现。

杂交松种子质量的好坏与其成苗率的高低是杂交松推广造林的主要限制因素,通过系统研究杂交松球果期、种期与苗期3个阶段表现的内在联系具有重要意义。对不同松树种间杂交5项育性指标进行相关性分析,研究发现5项育性指标之间均存在正相关性。本研究结果表明松树种间杂交子代球果期、种期与苗期3个阶段紧密联系,球果产种情况影响着杂交种的质量,杂交种子的质量进一步影响播种后的发芽情况和成苗情况。

因此,合理的亲本选配是进行松树杂交育种研究的重要保障,也是杂交松育苗与推广的重要前提。不同松树种间杂交育性表现与杂交组合、母本都有很大的关系。在本试验中,湿地松与加勒比松为母本的3种杂交组合,其育性表现总体水平明显优于马尾松与火炬松为母本的6种杂交组合。调查分析杂交子代球果产种情况(平均球果产种量与平均球果产种率)、种子质量(百粒重)、发芽率、成苗率以及育苗环境对种苗生产的影响,对杂交松种苗生产和造林安排具有重要的引导意义。松树进行种间杂交,产种数量较少,效率较低,成苗率不高,探究不同松树种间杂交育性表现为亲本选配提供依据,会更好地解决杂交松推广造林的瓶颈问题(潘志刚等, 1999)。

3.2 影响不同松树种间杂交育性高低的主要原因

探究不同松树种间杂交类型的可育性是高效选配杂交亲本的重要前提,与松树种内杂交结实相比,从花粉萌发生长到果实成熟,再到杂交子代的生长发育,松树种间杂交都可能存在一些问题。根据松树种间杂交的过程,一般将其分为以下几个方面:受精前不亲和、受精后染色体配对障碍和受精后杂种胚败育及不育(赵罕等,2016)。

在试验中,M×E、M×T、M×C、T×C、T×E与T×M的杂交子代平均球果产种数较少,平均球果产种量较低可能是种间杂交受精前不亲和或者是受精后染色体配对障碍等原因造成的。杂交不亲和还会使种子发育参差不齐,相同的杂交组合的子代出现种子大小差异很大和百粒重变异幅度很大的情况,例如M×C和E×T。松树种间杂交受精前不亲和主要表现为花粉萌发障碍和花粉管生长障碍。研究表明,远缘杂交时植物花粉到达柱头之后,柱头乳突细胞会大量积累胼胝质,从而形成一种对远缘花粉的拒绝反应,反应强度主要与亲本间亲缘关系的远近有关,产生这一现象的原因及遗传机制较为复杂,目前还没有定论(刘焕芳等,2004)。正常情况下,花柱与花粉管有效识别后,花粉管生长所需的营养物质与生理空间来源于花柱组织表皮细胞死亡,然而在远缘杂交中缺少这种有效识别(齐秀娟,2013)。远缘杂交不亲和性与各种氧化酶活性有关,特别是柱头特异蛋白与绒毡层合成的特异蛋白之间相互识别的结果(Pollegioni et al.,2013)。同源染色体的正常联会是杂交成功的基础。在远缘杂交中,双亲染色体融合时,雌雄配子亲缘关系的差异可能会导致染色体行为异常。在有些远缘杂交中,精子能够进入胚囊并且在卵细胞质中解体,但解体后却能刺激卵细胞产生单倍体的胚。然而,在有些情况下,受精过程虽然能够完成,但是受精卵会出现染色体消除或染色体消减的现象(康向阳,2003)。亲本的染色体会在之后的分裂过程中部分丢失或完全丢失,最终出现杂交子代为单倍体或者是某一亲本一至多条染色体共存的现象(Wang et al.,2009)。双亲染色体在受精前分别被各自的核包围,形态差异较大的双亲染色体

受精后可能在空间上分开排列,甚至独立分裂,形成兼有雌雄双核的嵌合体胚(李再云等,2005)。这种情况所产生的杂交子代通常包含了来自双亲不同的染色体组,在减数分裂中染色体无法正常配对和分离,导致育性降低或高度不育。

发芽率与成苗率低主要是由于种间杂交受精后杂种胚败育及不育所致,例如M×E、M×T、T×E与T×M,尤其是T×E。在进行远缘杂交时,由于会受到外来基因组的干预,在胚形成到成熟的一系列过程中都存在着一些不协调的因素,阻碍其正常的生长发育,主要表现为受精不完全、胚胎不发育等,普遍认为核质互作不平衡、染色体不平衡与基因不平衡是导致这一现象的主要原因(Chen et al.,2008)。也有观点认为,胚无法正常发育的原因是母体组织发育时的异常增生使胚和胚乳失去了发育空间,进而相继败育。还有一些观点认为,杂种胚在发育过程中缺乏某些必需的化学物质或者是整个过程中某些物质浓度的改变都会导致幼胚死亡(赵罕等,2016)。

种间杂交在林业上取得了很大的进展,无论是用材林,还是经济林都培育出了很多优良品种,这也使人们看到了种间杂交育种发展的广阔前景。因此,种间杂交育种机遇与挑战并存。随着现代生物技术的不断发展与试验手段的不断进步,松树种间杂交育种应该更能展示出其推动种质创新、拓宽遗传资源的优势。由于远缘杂交不亲和的原因极其复杂,种间杂交的遗传机制目前尚未明确。探究松树种间杂交过程中各个阶段的发育机理,使杂交子代既保持双亲的杂交优势,又不至于被繁殖隔离机制所限制,需要进一步研究。

4 结论

综合松树种间杂交与半同胞对照子代平均球果产种数、平均球果产种量、百粒重、发芽率与成苗率5项可育性指标,C×E、E×C与E×T 3种杂交类型育性表现优于或接近半同胞对照,育性较好。M×E、M×T、M×C、T×C、T×E与T×M的杂交類型育性表现远低于半同胞对照,表现出低育性甚至不育。亚组内杂交育性的整体表现明显优于亚组间杂交;湿地松与加勒比松为母本的3种杂交组合育性表现总体水平明显优于马尾松与火炬松为母本的另外6种杂交组合。9种杂交类型中除T×E外,均获得了具有生活力的杂交子代,尤其马尾松与3种国外松的杂交子代在相关研究中是首次获得,对松树种间杂交育种的进一步研究具有重要意义。

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(责任编辑 何永艳)

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