閆昊　張井勇　彭寶

摘要異交率是植物不同個體間發(fā)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(xiàn)制種產(chǎn)量高、成本低的目標(biāo)，最關(guān)鍵的技術(shù)要求是異交性能優(yōu)良。從異交率研究進(jìn)展、影響異交率的因素、研究異交率的方法三個方面進(jìn)行綜述，并對其研究進(jìn)行展望。

關(guān)鍵詞大豆；異交率；研究進(jìn)展

中圖分類號S565.1文獻(xiàn)標(biāo)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(yōu)勢利用育種實踐中，不育系親本應(yīng)具有穩(wěn)定不育性能，可恢復(fù)能力強，配合力高，異交結(jié)實能力強且異交結(jié)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(fù)系）中要取得較高的制種產(chǎn)量和更好的經(jīng)濟(jì)效益，須考慮母父本行比、花期調(diào)節(jié)、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(yōu)良異交性能的不育系、保持系和恢復(fù)系作為保障，要選育具有廣闊生產(chǎn)應(yīng)用前景的雜交種和大幅提高雜交種繁制產(chǎn)量都是不現(xiàn)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(jìn)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(jìn)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(xiàn)制種產(chǎn)量高、成本低的目標(biāo)。

1異交率研究進(jìn)展

異交率（Outcrossing rate）是植物不同個體間發(fā)生雜交的概率。目前國內(nèi)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(yīng)用于大田生產(chǎn)及制種技術(shù)有很大關(guān)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(jìn)行了測定，應(yīng)用控制大豆綠子葉的2個重疊隱性基因（d1d2）為標(biāo)志表型基因，得到通交83-932、長農(nóng)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(jié)論。

Tyson等[6]研究了果園中轉(zhuǎn)基因蘋果同非轉(zhuǎn)基因蘋果的天然異交率，其設(shè)定的模型是忽略風(fēng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)基因蘋果植株）20 m內(nèi)數(shù)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(huán)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(guān)系，通過種臍顏色（白色或者黃色）判定是否為異交種子，結(jié)果顯示年際間空氣中花粉數(shù)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(guān)，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(jìn)行了模型化分析，忽略授粉昆蟲等因素的影響，主要以風(fēng)媒、角度以及給受體之間距離為變量，總結(jié)了計算不同年際間玉米品種風(fēng)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(jìn)化歷史上是從異交作物轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨茸越蛔魑锏?。Fujita等[13]估測野生豆的異交率可達(dá)13%左右。Weber等[4]認(rèn)為蜜蜂、薊馬等昆蟲或者風(fēng)均是造成異交的因子，種子經(jīng)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(jù)目前研究進(jìn)展，總結(jié)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(rèn)為大豆天然異交率的實現(xiàn)主要有2種途徑：風(fēng)媒傳粉和蟲媒傳粉。從風(fēng)媒傳粉的角度，大豆柱頭外露程度，花粉飄散性以及花粉數(shù)量等性狀都會影響大豆的異交結(jié)莢率。白羊年等[14]提出從利用雄性不育系生產(chǎn)雜種種子已經(jīng)成功的作物如水稻、玉米、油菜等來看，均主要利用風(fēng)媒傳粉，節(jié)省支出，經(jīng)濟(jì)有效。就大豆目前用種量大、經(jīng)濟(jì)效益不高的狀況來看，久遠(yuǎn)之計還得利用風(fēng)媒傳粉的途徑，或者以風(fēng)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(fēng)力傳粉的可能性，結(jié)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(fēng)機(jī)開展傳粉試驗，結(jié)果表明風(fēng)不能為大豆傳粉。

從蟲媒傳粉的角度，花部結(jié)構(gòu)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(nèi)衛(wèi)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(rèn)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(rèn)為南方地區(qū)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(qū)所做調(diào)查發(fā)現(xiàn)，除蜜蜂外，還有29個種的蜂類活動于豆田。李建平等[22]調(diào)查了吉林省中部地區(qū)豆田的昆蟲群體，認(rèn)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(shù)碼監(jiān)控大豆花資料表明，昆蟲傳粉高峰期在花開當(dāng)天的11：00—13：30，高異交率的品種吸引傳粉昆蟲平均次數(shù)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(jié)構(gòu)生物學(xué)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(rèn)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(rèn)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(yuǎn)，給體的花粉傳播到受體的概率就越小。Caviness等[26]用不育系進(jìn)行的研究表明，當(dāng)行間距離大于4.6 m時，異交很少發(fā)生。Boerma等[24]研究表明，在2.75～13.75 m的行內(nèi)距離和2～9 m的行間距離范圍內(nèi)，異交率隨距離的增大而減?。划?dāng)行間距離超過7 m或行內(nèi)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(qū)周圍種植10 m保護(hù)行，幾乎可以完全避免外來花粉污染。衛(wèi)保國等[18]利用同心圓法觀察薊馬傳粉，傳粉距離最遠(yuǎn)可達(dá)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(nèi)（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(huán)境因素

試驗地點和當(dāng)?shù)貧夂蚴怯绊懏惤宦实年P(guān)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(chǔ)，也是大豆雜交種制種的關(guān)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(dāng)?shù)貧夂蛞彩怯绊懏惤宦实囊蛩?，在大豆開花授粉期間，如出現(xiàn)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(jìn)行連續(xù)3年結(jié)實率的調(diào)查，其正交檢驗的結(jié)果為年際間的變化對結(jié)實率的影響達(dá)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(lián)系?；蛐偷牟町惪梢酝瑫r對2個因素或1個因素有影響。Caviness等[26]、Brim等[27]認(rèn)為部分或完全不育受體本身的自體受精無法實現(xiàn)，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(xí)性及其在時間和空間上的協(xié)調(diào)性，花器形態(tài)和結(jié)構(gòu)上的差異，可能是導(dǎo)致基因型間天然異交率不同和受體與給體間產(chǎn)生互作的內(nèi)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(dá)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(yīng)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(biāo)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(dǎo)致的受精結(jié)實，這些花粉包括那些來自在標(biāo)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(biāo)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(jié)構(gòu)方法（Population structure approach，PSA），是通過居群的自交系數(shù)（Inbreeding coefficient，F(xiàn)is）估計異交率的方法。根據(jù)居群自交系數(shù)（Fis）和異交率的關(guān)聯(lián)關(guān)系[28]，異交率t 可以用公式t=（1-Fis）/（1+Fis）進(jìn)行估算。間接法基于HardyWeinberg平衡假設(shè)，在非完全隨機(jī)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(yán)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(shè)所指的居群是二倍體無限居群（Infinite population），居群中異交隨機(jī)發(fā)生且已經(jīng)達(dá)到平衡，并且沒有選擇和自交衰退現(xiàn)象。間接法估計獲得的異交率結(jié)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(xiàn)象即使沒有發(fā)生自交也同樣存在；②分子標(biāo)記有零等位基因的技術(shù)缺陷。這些缺點導(dǎo)致間接法的假設(shè)基礎(chǔ)不能普遍適用或異交率結(jié)果被過低估計。間接法由于以居群為單位進(jìn)行異交率估計，所得到的結(jié)果代表居群異交率，無法了解群內(nèi)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(dāng)檢測的來自相同母株的10個后代中出現(xiàn)2個雜交后代時，該母株的異交率即為20%。當(dāng)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(biāo)、同工酶標(biāo)記以及不同類型的分子標(biāo)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(jī)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(guān)系較近（因為存在遺傳結(jié)構(gòu)），因此有些異交可能發(fā)生在親緣關(guān)系較近的個體之間，甚至可能發(fā)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(chǔ)十分相似，它們之間的雜交結(jié)果與自交結(jié)果相似，即雜交后代在大部分位點上出現(xiàn)純合基因型。其進(jìn)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(fā)生在不同個體間的異交）和近親異交（發(fā)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(fā)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(guān)系數(shù)，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(jī)制，有助于從理論上進(jìn)一步闡明雜交大豆應(yīng)用的關(guān)鍵問題及解決方法，并從雜種優(yōu)勢利用這一角度推進(jìn)大豆單產(chǎn)的顯著提高。異交率基因的分子定位可以指導(dǎo)高異交率三系的選育，縮短育種年限對于解決雜交大豆規(guī)模化應(yīng)用，穩(wěn)定我國大豆基本供給、持續(xù)發(fā)展具有重要的實踐意義。

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