一種提高大豆不育系結(jié)實(shí)性的方法與流程

本發(fā)明涉及一種提高大豆不育系結(jié)實(shí)性的方法，屬于農(nóng)作物雜交種制種技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

利用雜種優(yōu)勢是大幅度提高作物產(chǎn)量最有效的途徑之一，該方法目前已經(jīng)在禾本科、十字花科等植物中運(yùn)用。玉米為異花授粉作物，在雜種優(yōu)勢利用方面取得突破性的進(jìn)展給其它作物提供了重要的啟示。自花授粉作物嚴(yán)格的自花授粉機(jī)制減少了作物的異交產(chǎn)量(Palmer et al.2001)。然而，袁隆平打開了自花授粉作物雜種優(yōu)勢的利用道路，啟發(fā)科學(xué)家們研究大豆雜種優(yōu)勢。

大豆是嚴(yán)格的自花授粉作物，一般異交結(jié)實(shí)率小于1％(Woodworth 1922；Jeffery et al.2003)。至20世紀(jì)90年代，中國已經(jīng)選育了大豆質(zhì)核互作雄性不育系和“三系”，使得大豆雜種優(yōu)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)?？茖W(xué)家們利用昆蟲傳粉媒介(蜜蜂(Apis mellifera)和苜蓿切葉蜂(Megachile rotundata))在網(wǎng)室和開放環(huán)境下為不育系進(jìn)行傳粉試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)有傳粉媒介網(wǎng)室比無傳粉媒介網(wǎng)室的不育系結(jié)實(shí)率高；開放環(huán)境下利用傳粉媒介，也提高了不育系的結(jié)實(shí)率；試驗(yàn)結(jié)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(wǎng)室放蜂成本高，不育系的繁殖與雜交種的配制仍然存在很大的困難。因此如何在開放環(huán)境下提高大豆不育系結(jié)實(shí)性成為雜交大豆產(chǎn)業(yè)化亟待解決的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

1、發(fā)明要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明為了解決現(xiàn)有大豆不育系異交結(jié)實(shí)技術(shù)中存在的技術(shù)低效、成本較高、不易產(chǎn)業(yè)化的問題，提出了一種提高大豆不育系結(jié)實(shí)性的方法。本發(fā)明利用大豆質(zhì)核互作雄性不育系對異交結(jié)實(shí)中存在的問題進(jìn)行逐步解析，找出了影響大豆不育系異花授粉的關(guān)鍵因子，解決了開放環(huán)境下大豆不育系結(jié)實(shí)性的關(guān)鍵技術(shù)，加快了雜交大豆種子生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

2、技術(shù)方案

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種提高大豆不育系結(jié)實(shí)性的方法，該方法包括以下步驟：

步驟一：選擇種植環(huán)境和播種時(shí)間

以手觸葉片、手指濕潤為有露水作為調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)，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(huán)境，這種環(huán)境更利于大豆散粉、花粉活力較高，能為不育系異交結(jié)實(shí)提供更多的有效花粉；選擇在清晨7:00之前調(diào)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(shí)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(fā)率達(dá)75％以上且全天有可持續(xù)萌發(fā)花粉的保持系或恢復(fù)系作為父本材料，花粉萌發(fā)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，更有利于吸引傳粉媒介為其傳粉，泌蜜量高的不育系，其相應(yīng)的異交結(jié)莢率和異交結(jié)實(shí)率也高；

步驟三：利用自然昆蟲群體進(jìn)行異花傳粉

在花泌蜜量高峰時(shí)段利用種植環(huán)境中利于大豆異交結(jié)實(shí)的自然昆蟲群體進(jìn)行異花傳粉；在花泌蜜量高峰時(shí)段，自然昆蟲群體活動也處于高峰時(shí)段，均為11:00-13:00；利于大豆異交結(jié)實(shí)的自然昆蟲群體主要有中華蜜蜂、意大利蜜蜂、北方切葉蜂、玉米毛帶蜂、擬絨毛淡脈隧蜂、細(xì)切葉蜂、黃鱗切葉蜂和熊蜂等；

步驟四：大豆不育系結(jié)實(shí)性

在大豆開花期清晨葉片和花芽上無露水的環(huán)境下種植泌蜜量在0.18μL以上的母本材料、花粉萌發(fā)率達(dá)75％以上的父本材料；在大豆花泌蜜量高峰時(shí)段利用種植環(huán)境中利于大豆異交結(jié)實(shí)的自然昆蟲群體進(jìn)行異花傳粉。綜合利用環(huán)境、昆蟲和作物之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，提高大豆不育系結(jié)實(shí)性。

3、有益效果

⑴本發(fā)明是利用穩(wěn)定的不育系，在有外源花粉的情況下，通過昆蟲傳粉來實(shí)現(xiàn)花粉從父本高效率地傳輸?shù)侥副尽?/p>

⑵本發(fā)明綜合利用環(huán)境、昆蟲和作物之間的協(xié)調(diào)關(guān)系，提高了大豆不育系結(jié)實(shí)性，自然異交結(jié)實(shí)率達(dá)88.93％，繁種產(chǎn)量達(dá)1461kg/公頃，制種產(chǎn)量達(dá)1830kg/公頃，加快了大豆不育系雜交種子生產(chǎn)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

⑶本發(fā)明發(fā)現(xiàn)了有利于大豆不育系異交結(jié)實(shí)的自然昆蟲群體，通過利用自然昆蟲群體，大大地降低了網(wǎng)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(fā)率(SPGR％)的調(diào)查圖；注：字母為多重比較測驗(yàn)結(jié)果，不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

圖2為花粉萌發(fā)期南京和太原兩地大豆葉片、花芽露水情況調(diào)查圖。

圖3為保持系SXCMS1B，SXJLCMS1B和恢復(fù)系Z-17，Z-119花粉萌發(fā)率(SPGR％)的調(diào)查圖；注：字母為多重比較測驗(yàn)結(jié)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(shù)的分布圖；注：圖4-A為每小時(shí)的大豆花泌蜜量的統(tǒng)計(jì)圖；圖4-B為每小時(shí)昆蟲訪花次數(shù)的統(tǒng)計(jì)圖；字母為多重比較測驗(yàn)結(jié)果，不同字母表示差異顯著(P<0.05)；橫坐標(biāo)數(shù)字8～16代表8:00～16:00。

具體實(shí)施方式

以下的實(shí)施例便于更好地理解本發(fā)明，但不限定于本發(fā)明，下述實(shí)例中的實(shí)驗(yàn)方法，如無特殊說明，均為常規(guī)方法，下述實(shí)例中所用的試驗(yàn)材料，如無特殊說明，均為常規(guī)生化試劑。

實(shí)施例1：適宜種植環(huán)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(diào)查大豆花粉萌發(fā)率。結(jié)果如圖1所示，南京環(huán)境下的花粉萌發(fā)率平均為77.05％，太原環(huán)境下的花粉萌發(fā)率平均為86.36％，經(jīng)測驗(yàn)發(fā)現(xiàn)太原環(huán)境下的花粉萌發(fā)率比南京環(huán)境下的高。

2013年在大豆開花期于清晨7:00之前，以手觸葉片、手指濕潤為有露水的調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)，觀察南京和太原種植環(huán)境下不少于20株大豆的葉片和花芽上的露水情況，發(fā)現(xiàn)南京環(huán)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(huán)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(jié)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(huán)境濕熱，清晨的大豆葉片上露水較多，花粉粘結(jié)，不利于散粉，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(huán)境較為干燥，清晨的大豆葉片上沒有露水，這種環(huán)境更利于大豆花散粉，花粉活力較高，能為不育系異交結(jié)實(shí)提供更多的有效花粉(溫度和降雨量數(shù)據(jù)來自中國氣象數(shù)據(jù)網(wǎng))；因此，選擇適宜大豆散粉的環(huán)境對提高不育系異交結(jié)實(shí)性至關(guān)重要。

實(shí)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(fù)系Z-17、Z-119，開花期調(diào)查大豆花粉萌發(fā)率。結(jié)果如圖3所示，無論是保持系還是恢復(fù)系，花粉萌發(fā)率均達(dá)75％以上，可以為不育系異交結(jié)實(shí)提供充足的外源花粉。

(2)母本：2011-2013年在南京種植大豆質(zhì)核互作雄性不育系NJCMS1A、NJCMS2A及其相應(yīng)的保持系NJCMS1B、NJCMS2B，并設(shè)計(jì)了放蜂網(wǎng)室和不放蜂網(wǎng)室。開花期調(diào)查花泌蜜量，成熟期調(diào)查不育系的異交結(jié)莢數(shù)和異交結(jié)實(shí)數(shù)。異交結(jié)莢率和異交結(jié)實(shí)率分別為不育系單株的平均結(jié)莢數(shù)和平均結(jié)實(shí)數(shù)與保持系單株的平均結(jié)莢數(shù)和平均結(jié)實(shí)數(shù)的比值。結(jié)果如表1所示，花泌蜜量高的不育系，其相應(yīng)的異交結(jié)莢率和異交結(jié)實(shí)率也高。

表1 2011-2013年不同大豆材料的花泌蜜量與異交結(jié)莢率和異交結(jié)實(shí)率

注：數(shù)字后字母為多重比較測驗(yàn)結(jié)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(zhì)核互作雄性不育系SXJLCMS1A及其保持系SXJLCMS1B，以及恢復(fù)系Z-17和Z-119，于開花期通過數(shù)碼監(jiān)控?cái)z像系統(tǒng)對傳粉媒介進(jìn)行觀察，時(shí)間為一天中9:30-15:30，每地點(diǎn)觀察2天；2012年在太原祁縣和榆次種植大豆質(zhì)核互作雄性不育系SXJLCMS1A、SXJLCMS1B及其相應(yīng)的保持系SXCMS1A、SXCMS1B，以及恢復(fù)系Z-17和Z-119，每地點(diǎn)觀察3天。同時(shí)，每個(gè)材料每小時(shí)用10μL毛細(xì)管采集至少10朵花的泌蜜量。結(jié)果如圖4所示，昆蟲訪問的高峰時(shí)段與花泌蜜量的高峰時(shí)段一致，均為11:00-13:00。

實(shí)施例3：利于大豆異交結(jié)實(shí)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(tǒng)計(jì)結(jié)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、意大利蜜蜂和熊蜂，切葉蜂科的北方切葉蜂、細(xì)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(xiàn)頻率最高的是中華蜜蜂，在觀察的時(shí)間里訪花次數(shù)為391次，占總昆蟲訪花次數(shù)的55.0％；訪問了836朵花，占總昆蟲訪花數(shù)目的57.9％；訪花時(shí)間共計(jì)4075秒，占總昆蟲訪花時(shí)間的45.8％，其次是意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(diào)查結(jié)果

實(shí)施例4：不育系異交結(jié)實(shí)性的調(diào)查

(1)2014年在山西種植大豆質(zhì)核互作雄性不育系NJCMS1A、NJCMS2A、NJCMS3A、SXJLCMS1A和SXCMS1A及其相應(yīng)的保持系NJCMS1B、NJCMS2B、NJCMS3B、SXJLCMS1B和SXCMS1B。試驗(yàn)設(shè)計(jì)了放蜂網(wǎng)室、不放蜂網(wǎng)室和開放環(huán)境。網(wǎng)室內(nèi)父母本1:1種植，網(wǎng)室大小為長6m*寬4m*高2.5m。放蜂網(wǎng)室內(nèi)的傳粉媒介為蜜蜂。成熟期調(diào)查不育系單株的異交結(jié)莢數(shù)和異交結(jié)實(shí)數(shù)。如表3所示，方差分析表明不同環(huán)境下的不育系在異交結(jié)莢率和異交結(jié)實(shí)率上有顯著差異(P<0.01)。

表3 大豆不育系的異交結(jié)莢率和異交結(jié)實(shí)率的方差分析結(jié)果

注：*：P<0.05；**：P<0.01

如表4所示，放蜂網(wǎng)室的大豆質(zhì)核互作雄性不育系的異交結(jié)莢率和異交結(jié)實(shí)率比不放蜂網(wǎng)室分別提高了55.7％和43.7％，說明網(wǎng)室人工放蜂提高了異交結(jié)莢率和異交結(jié)實(shí)率。開放環(huán)境下比不放蜂網(wǎng)室分別提高了45.2％～55.7％和39.8％～41.5％，可能是由于太原開放環(huán)境下有利于大豆異交結(jié)實(shí)的自然昆蟲群體。因此，有目的地培育有利于大豆異交結(jié)實(shí)的自然昆蟲群體，如中華蜜蜂和意大利蜜蜂等，將有利于提高大豆不育系異交結(jié)實(shí)性。

表4 不同環(huán)境下的大豆異交結(jié)莢率和異交結(jié)實(shí)率

注：數(shù)字后字母為多重比較測驗(yàn)結(jié)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(zhì)核互作雄性不育系SXJLCMS1A及其保持系SXJLCMS1B，設(shè)計(jì)了開放環(huán)境和放蜂網(wǎng)室。開放環(huán)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(wǎng)室下父母本1:1種植，行距50cm，網(wǎng)室面積40m²，傳粉媒介為蜜蜂。成熟期調(diào)查不育系單株的異交結(jié)莢數(shù)和異交結(jié)實(shí)數(shù)。如表5所示，在開放環(huán)境下，SXJLCMS1A的異交結(jié)實(shí)率達(dá)88.93％，異交產(chǎn)量達(dá)1461.0千克/公頃；在放蜂網(wǎng)室下，SXJLCMS1A的異交結(jié)實(shí)率達(dá)95.4％，異交產(chǎn)量達(dá)1524.0千克/公頃。結(jié)果表明自然昆蟲群體作用下的大豆不育系異交結(jié)實(shí)率和繁種產(chǎn)量能夠達(dá)到放蜂網(wǎng)室的效果，利用自然昆蟲群體可大大降低了網(wǎng)室放蜂的制種成本。

表5 大豆質(zhì)核互作雄性不育系的繁種結(jié)果