大豆異交率性狀研究概述

閆昊　張井勇　彭寶

摘要異交率是植物不同個體間發生雜交的概率。大豆是一種典型的自花授粉作物，天然異交率低。在雜交大豆育種實踐中，要實現制種產量高、成本低的目標，最關鍵的技術要求是異交性能優良。從異交率研究進展、影響異交率的因素、研究異交率的方法三個方面進行綜述，并對其研究進行展望。

關鍵詞大豆；異交率；研究進展

中圖分類號S565.1文獻標識碼A文章編號0517-6611（2017）36-0014-03

AbstractOutcrossing rate is a probability occurrence of hybridization between different individual plants. Soybean is a kind of typical selfpollinating crops and its natural outcrossing rate is low. To achieve high seed production yield and low cost in hybrid soybean breeding practice， outcrossing is the most key technical requirements for high performance. Research progress of outcrossing rate， influencing factors on outcrossing rate and research methods on outcrossing rate were reviewed and its research was prospected.

Key wordsSoybean；Outcrossing rate；Research progress

作物雜種優勢利用育種實踐中，不育系親本應具有穩定不育性能，可恢復能力強，配合力高，異交結實能力強且異交結實率高。在不育系繁種田（不育系×保持系）和雜交制種田（不育系×恢復系）中要取得較高的制種產量和更好的經濟效益，須考慮母父本行比、花期調節、株高和株型配置、人工輔助授粉等諸多因素的影響，且沒有優良異交性能的不育系、保持系和恢復系作為保障，要選育具有廣闊生產應用前景的雜交種和大幅提高雜交種繁制產量都是不現實的。

一般而言，天然異交率5%以下的植物為自花授粉植物，5%～20%為常異花授粉植物，20%以上為異花授粉植物[1]。大豆是一種典型的自花授粉作物，由于其花器小，花多，花粉黏重，花朵開放時翼瓣和龍骨瓣緊緊包住雄蕊和柱頭，花藥和柱頭不外露，異花間傳粉不易進行，且易落花落莢等，因而天然異交率很低（0.03%～3.62%）[2-4]。該研究概述了異交率研究進展、影響異交率的因素、研究異交率的方法，以期在雜交大豆育種實踐中實現制種產量高、成本低的目標。

1異交率研究進展

異交率（Outcrossing rate）是植物不同個體間發生雜交的概率。目前國內外對于異交率的研究多集中在水稻和玉米中，這與以上2種作物三系配套，且雜交種大量應用于大田生產及制種技術有很大關系，而對于大豆異交率的研究比較少。

孫志強等[5]于1992年對大豆天然異交率進行了測定，應用控制大豆綠子葉的2個重疊隱性基因（d1d2）為標志表型基因，得到通交83-932、長農4號、吉林21號、吉林20號、公交8324-19的異交率分別為0.66%、0.50%、0.38%、046%、0.41%的結論。

Tyson等[6]研究了果園中轉基因蘋果同非轉基因蘋果的天然異交率，其設定的模型是忽略風媒和其他影響因素，假定蜜蜂為唯一傳粉載體，只以開花性狀及給體和受體距離作為影響因子。鑒定異交率是通過轉基因種子中是否含有GUS基因來判定種子是否為異交所得。異交率在距離異交花粉源（含有GUS基因的轉基因蘋果植株）20 m內數值為4%～40%，超過異交花粉源180 m后趨近于零。

Kawashima等[7]于2006—2008年探討了玉米的天然異交率同環境因素的影響，主要研究了年際間不同開花時期和散粉高峰期2個性狀與天然異交率的關系，通過種臍顏色（白色或者黃色）判定是否為異交種子，結果顯示年際間空氣中花粉數量以及花粉散播的方式均不一樣；年際間平均異交率總是變化的；異交率與每年的氣候條件緊密相關，且隨父母本距離的增加，異交率減小。

Ivanovska等[8]對玉米田間天然異交率的計算進行了模型化分析，忽略授粉昆蟲等因素的影響，主要以風媒、角度以及給受體之間距離為變量，總結了計算不同年際間玉米品種風媒授粉異交率的公式。

2影響異交率的因素

Arroyo等[9]、Erickson等[10]、Chiang等[11]和Bock等[12]推測大豆在進化歷史上是從異交作物轉變為高度自交作物的。Fujita等[13]估測野生豆的異交率可達13%左右。Weber等[4]認為蜜蜂、薊馬等昆蟲或者風均是造成異交的因子，種子經不同劑量X射線處理后，得到異交率增加了4～6倍的突變株，而對照的異交率為1%。根據目前研究進展，總結影響大豆天然異交率的因素主要有以下方面。

2.1傳粉途徑

目前認為大豆天然異交率的實現主要有2種途徑：風媒傳粉和蟲媒傳粉。從風媒傳粉的角度，大豆柱頭外露程度，花粉飄散性以及花粉數量等性狀都會影響大豆的異交結莢率。白羊年等[14]提出從利用雄性不育系生產雜種種子已經成功的作物如水稻、玉米、油菜等來看，均主要利用風媒傳粉，節省支出，經濟有效。就大豆目前用種量大、經濟效益不高的狀況來看，久遠之計還得利用風媒傳粉的途徑，或者以風媒為主，輔以自然昆蟲傳粉。但是趙麗梅等[15]在田間做了花粉截獲量試驗，研究風力傳粉的可能性，結果表明落到柱頭上的花粉概率微乎其微。于偉等[16]在田間利用吹風機開展傳粉試驗，結果表明風不能為大豆傳粉。

從蟲媒傳粉的角度，花部結構對訪花者的訪問頻率具有重要意義。Robacker等[17]研究表明，具有較多的花、每朵花較多的蜜腺、顏色更鮮艷、花更大、花開放更完全的植株更能吸引傳粉者。國內衛保國等[18]證實花薊馬（Frankliniella intonsa Trybom）是傳播大豆花粉的有益昆蟲。趙麗梅等[19]認為蜜蜂和苜蓿切葉蜂是大豆傳粉的有效昆蟲。丁德榮等[20]認為南方地區自然開放條件下大豆傳粉媒介主要為花薊馬。Rust等[21]在美國3個地區所做調查發現，除蜜蜂外，還有29個種的蜂類活動于豆田。李建平等[22]調查了吉林省中部地區豆田的昆蟲群體，認為有24種蜂可為大豆傳粉，其中切葉蜂6個種，熊蜂3個種，地蜂5個種，蜜蜂3個種，條蜂1個種，隧蜂1個種。張瑞軍[23]通過數碼監控大豆花資料表明，昆蟲傳粉高峰期在花開當天的11：00—13：30，高異交率的品種吸引傳粉昆蟲平均次數為15.66次/（朵·h），而相對低異交率的品種為3.25次/（朵·h）。

2.2花部結構生物學特性

開花期長短，開花期長可以令授粉昆蟲工作時間更長，增加異花授粉頻率，但開花期長也會使給體和受體的花期相遇困難。開花期高峰，它對不同的授粉昆蟲會有不同的影響。給體和受體花期擬合度，給體和受體花期擬合度越高，昆蟲異花授粉概率越大。張瑞軍[23]認為花器形狀、散粉性、柱頭和花粉活力以及花泌蜜量、花蜜糖濃度也具有重要的作用，高泌蜜量且花蜜糖濃度大，將提高異交率。

2.3受體與給體之間的相對距離及隔離條件

Boerma等[24]、Nelson等[25]認為花粉受體與給體之間的相對距離及隔離條件也是影響異交率的一個重要因素。一般來說，給體與受體相距越遠，給體的花粉傳播到受體的概率就越小。Caviness等[26]用不育系進行的研究表明，當行間距離大于4.6 m時，異交很少發生。Boerma等[24]研究表明，在2.75～13.75 m的行內距離和2～9 m的行間距離范圍內，異交率隨距離的增大而減小；當行間距離超過7 m或行內距離超過18 m時，基本可以排除天然異交。Nelson等[25]所做類似試驗表明，在小區周圍種植10 m保護行，幾乎可以完全避免外來花粉污染。衛保國等[18]利用同心圓法觀察薊馬傳粉，傳粉距離最遠可達25 m。但是，由于大豆的花粉傳播是以昆蟲為媒介，在一定距離范圍內（10～80 cm），距離不會影響昆蟲活動，對大豆天然異交率無明顯影響。

2.4環境因素

試驗地點和當地氣候是影響異交率的關鍵因素，試驗地點是否有足夠的傳粉昆蟲源是影響大豆天然異交率的基礎，也是大豆雜交種制種的關鍵。孫寰等[19]自1998年即在東北三省選擇適宜大豆雜交種制種且有豐富傳粉昆蟲源的試驗地。當地氣候也是影響異交率的因素，在大豆開花授粉期間，如出現極端天氣將使異交率顯著降低。對34個ms6基因型核雄性不育系在蟲媒條件（切葉蜂）下進行連續3年結實率的調查，其正交檢驗的結果為年際間的變化對結實率的影響達到極顯著。

2.5基因型差異

在異交過程中，自花授粉受阻和外源花粉的有效傳播這2個因素是相對獨立，又有著不可分割的聯系。基因型的差異可以同時對2個因素或1個因素有影響。Caviness等[26]、Brim等[27]認為部分或完全不育受體本身的自體受精無法實現，會明顯地提高異交率。對于育性正常的大豆基因型，受體與給體的開花習性及其在時間和空間上的協調性，花器形態和結構上的差異，可能是導致基因型間天然異交率不同和受體與給體間產生互作的內在原因。趙麗梅等[15]報道不育系間異交率差異非常明顯，低者不足10%，高者達60%～70%，相差5～6倍，甚至更高。

3研究異交率的方法

已有研究應用差異明顯的性狀如種臍顏色、花色、子葉顏色等基因作為標記測定異交率[2，4-5]。理論上，異交指接受來自別的花朵花粉導致的受精結實，這些花粉包括那些來自在標記基因位點上帶有與受體相同等位基因的基因型的花粉，甚至來自受體基因型的其他植株或同一植株其他花朵的花粉。因此，用任何標記性狀來估計大豆的天然異交率都將低于實際天然異交率。研究植物異交率主要有2種方法：間接法和直接法。

間接法又叫居群結構方法（Population structure approach，PSA），是通過居群的自交系數（Inbreeding coefficient，Fis）估計異交率的方法。根據居群自交系數（Fis）和異交率的關聯關系[28]，異交率t 可以用公式t=（1-Fis）/（1+Fis）進行估算。間接法基于HardyWeinberg平衡假設，在非完全隨機交配的居群中，雜合子的比例會隨世代而減少，居群的自交率越高，居群中雜合子缺失程度越嚴重，因此可以通過居群中雜合子缺失的程度來估計居群自交的程度。假設所指的居群是二倍體無限居群（Infinite population），居群中異交隨機發生且已經達到平衡，并且沒有選擇和自交衰退現象。間接法估計獲得的異交率結果可以理解為對居群多世代的綜合估計。間接法主要有2個缺點：①雜合子缺失現象即使沒有發生自交也同樣存在；②分子標記有零等位基因的技術缺陷。這些缺點導致間接法的假設基礎不能普遍適用或異交率結果被過低估計。間接法由于以居群為單位進行異交率估計，所得到的結果代表居群異交率，無法了解群內各家系的異交率和變異情況。

直接法又叫后代檢測方法（Progenyarray approach，PAA），是檢測特定母株后代中雜交后代的比例以估計母株異交率的方法。例如，當檢測的來自相同母株的10個后代中出現2個雜交后代時，該母株的異交率即為20%。當檢測居群中多個母株時，通過母株間的簡單平均和異交率模型的估計可以獲得居群異交率。檢測雜交后代的工具包括表型指標、同工酶標記以及不同類型的分子標記。直接法估計植物異交率常用的模型是混合交配模型（Mixed mating model），該模型最早由Fyfe等[29]提出。Ritland[30]指出花粉散布不可能是完全隨機的，接受鄰近個體花粉的可能性往往較大。一般鄰近個體的親緣關系較近（因為存在遺傳結構），因此有些異交可能發生在親緣關系較近的個體之間，甚至可能發生在相同家系的不同子代個體間，由于這些個體之間的遺傳基礎十分相似，它們之間的雜交結果與自交結果相似，即雜交后代在大部分位點上出現純合基因型。其進一步通過多個位點估計的異交率和單個位點估計的異交率比較分析了真實異交（發生在不同個體間的異交）和近親異交（發生在近緣個體間的異交）的相對程度，完善了混合交配模型對植物異交率的研究方法。他開發的MLTR（Multilocus Mating System Program，MLTR ver.3.0）軟件可用于推測母本基因型，分析總異交率、真實異交率、近親異交率以及其他相關系數，是目前異交率研究的主要分析工具。

4展望

深入研究大豆異交率的遺傳和分子機制，有助于從理論上進一步闡明雜交大豆應用的關鍵問題及解決方法，并從雜種優勢利用這一角度推進大豆單產的顯著提高。異交率基因的分子定位可以指導高異交率三系的選育，縮短育種年限對于解決雜交大豆規?；瘧茫€定我國大豆基本供給、持續發展具有重要的實踐意義。

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