桂果蔗1号不同级数健康种苗生长特征及性状变异

2021-06-30 02:27刘红坚梁文燊何为中叶权刘丽敏何毅波卢曼曼刘俊仙李松林善海
南方农业学报 2021年2期
关键词:遗传变异

刘红坚 梁文燊 何为中 叶权 刘丽敏 何毅波 卢曼曼 刘俊仙 李松 林善海

摘要:【目的】評价桂果蔗1号不同级数健康种苗的生长特征和变异特性,为提高果蔗健康种苗生产用种质量及高产栽培提供科学依据。【方法】对桂果蔗1号组培苗、第一级种茎和第二级种茎苗期生长表型性状进行连续观测,分析 3个不同级数果蔗幼苗的苗数、株高、地径、叶片数及+1叶的叶长、叶宽和叶面积等7个表型性状的生长特征和变异稳定性。【结果】不同级数果蔗种苗生长特征差异明显。第一级种茎和第二级种茎各方面生长特征相近,且均显著优于组培苗(P<0.05),但第二级种茎各方面表现仍明显优于第一级种茎。桂果蔗1号健康种苗各性状平均变异系数为5.48%,变异幅度为3.01%~11.88%,变异幅度最大的是苗数,最小的是地径。除了第二级种茎+1叶叶宽变异幅度有所上升外,其余6项表型性状变异均伴随着级数的增加而趋向稳定。3个不同级数种源所有性状的平均变异系数为3.32%~8.25%,以组培苗的平均变异系数最大(8.25%),第一级种茎苗次之(4.88%),第二级种茎苗最小(3.32%)。说明组培苗性状分离最大,高级苗(第二级种茎)性状较稳定。【结论】桂果蔗1号健康种苗第二级种茎的生长特性综合表现显著优于第一级种茎和组培苗,遗传变异也较稳定,为生产栽培最佳用种。

关键词: 果蔗;健康种苗;生长特征;遗传变异

中图分类号: S566.103.53                           文献标志码: A 文章编号:2095-1191(2021)02-0288-09

Abstract:【Objective】 Evaluating the growth characters and genetic characters of seedlings regenerated from healthy cane setts from different generations of chewing cane cultivar Guiguozhe 1 could help improve the quality of healthy cane setts and high-yielding cultivation. 【Method】Phenotypic characters of seedlings from three different generations of Guiguozhe 1 including tissue culture seedling(TCS), first generation seedling(FGS)and second generation seedling(SGS) were successively measured. Growth characters and variability stability of seven traits in seedlings from three generations were analyzed, including number of seedling, plant height, ground diameter, number of leaves, and leaf length, leaf width and area of the first leaf. 【Result】Growth characters were obviously different among generations. Phenotypic characters of FGS were close to SGS,and they performed better than TCS(P<0.05),but the performance of SGS was still better than FGS.Variation coefficient average value of 7 growth characters in seedlings from three generations was 5.48%. The variance range was 3.01%-11.88%,the number of seedling had the maximum variation and the ground diameter had the minimum variation. Except for the increase in variance of the first leaf width in SGS,the variances of other six growth characters tended to stabilize along with the increasing of generations. The variance coefficient average value of all seven characters ranged from 3.32% to 8.25%,that of TCS was the largest(8.25%), FGS was in middle(4.88%) and SGS was the smallest(3.32%). The results suggest that the characters segregation of TCS was the maximum,and the variance was relatively stable in later-generation(SGS). 【Conclusion】The SGS of chewing cane cultivar Guiguozhe 1 is comprehensively superior to TCS and FGS for all the growth characters,and its genetic variance is stable. SGS is recommended as the best cane setts for cultivation.

Key words: fruit sugarcane; healthy seedling; growth characters; genetic variation

Foundation item: Innovation Driven Development Project of Guangxi(GKAA17202042-3); Key Research and Development Project of Guangxi(GKAB19245028); Project Support Team of Guangxi Academy of Agricultural Sciences (Guinongke 2018YT04); Basic Scientific Research Project of Guangxi Academy of Agricultural Sciences(Guinongke 2017YM05)

0 引言

【研究意义】果蔗是甘蔗属热带种(Saccharum officimarum L.)中具有大径、皮薄、低纤维、汁多、味甜的一类品种,富含人体必需的多种氨基酸和维生素及铁、钙、磷、锰等多种微量元素,具有解渴充饥、清凉解毒、消除疲劳等功效,是一种深受人们喜爱的鲜食果品。果蔗主要分布于我国华南地区,其中广西是种植果蔗的主要省(区)。果蔗主要分为黑皮蔗(拔地拉,Badila)、黄皮蔗、青皮蔗和白皮蔗4种,其中黑皮果蔗是最主要的栽培品种,种植面积比例在70%以上(吴松海等,2014;李瑞美等,2015)。果蔗由于较难开花用于有性杂交育种,目前,果蔗品种选育和改良主要通过在长期种植过程中发生的芽变,从中筛选出优良变异品种,如广西的桂果蔗1号、广东番禺的大灰黑、海南的黑蔗、浙江的温联、四川的川蔗26号和福建的龙黑果蔗等(王继华等,2013;肖炜等,2018)。甘蔗长期种植后,宿根矮化病、花叶病、黄叶病等病原反复侵染和积累,导致产量和品质下降。生产上果蔗种茎使用5年以上可造成100%宿根矮化病感染(韦文科,2002),花叶病和黄叶病发病率也接近100%(吴松海等,2012)。果蔗感染花叶病造成植株变矮、节间变短、品质变劣,产量下降可达30%左右(李海明和潘世明,2003)。茎尖脱毒组织培养技术是脱除果蔗种苗中病原,恢复种性,并提高产量和品质的有效办法,被广泛应用于改良果蔗产能。但健康种苗在生产过程中存在一定的组培效应和遗传变异(陈子云,1987;陆耀邦等,1989)。因此,研究果蔗组培苗及不同级数的生长特征和遗传变异,对于果蔗健康种苗的级数选择和生产种植推广具有重要意义。【前人研究进展】甘蔗健康种苗的出苗率、分蘖率、株高、生长速度、茎径、节间长、锤度及产量等多个指标均高于非脱毒种茎(周明强等,2006;吴松海等;2012;王文华等,2017)。近年来,科研工作者注意到健康种苗级数对果蔗产能的问题,并开展了一些研究。李松等(2010)研究了黑皮果蔗茎尖脱毒不同级数种茎苗的商品性能,其中以第二级种茎苗的株高、茎径和产量最佳,分别比未脱毒种茎苗增高41 cm,增粗0.25 cm,增产41.1%,花叶病的发病率也低于对照。吴松海等(2014)研究了不同级数黑皮果蔗脱毒种茎苗的生产性能,第二级和第三级种茎苗的蔗茎产量均比未脱毒果蔗种茎苗增产25%以上,蔗糖含量提高0.5%。从20世纪60年代以来,大量研究表明,几乎所有的植物组培苗均可产生不同程度的变异,而体细胞无性系变异率可高达90%以上(Smith and Drew,1990)。甘蔗组培苗的遗传变异主要表现为出芽、分蘖、株高、糖分、染色体数量等形态学、农艺性状和遗传物质的变异(Liu and Chen,1976;陆耀邦,1989;Rajeswari et al.,2009)。Liu和Chen(1976)从58个甘蔗品种的茎尖、包卷嫩叶和幼嫩花序的愈伤组织获得4600个植株,并从其中8个品种中挑选417个愈伤组织植株,愈伤组织后代植株与供体相比,形态差异频率最大可达34.0%,蔗糖含量提高2%~12%,甘蔗品种F156愈伤组织后代中的染色体数量为86~126条,而供体的数量为114条;品种F164愈伤组织后代中的染色体数量为88~108条,而供体的数量为108条。Zucchi等(2002)采用RAPD技术分析了甘蔗分生组织培养诱导的变异,在98个RAPD位点中多态性位点率为6.93%,并表明多态位点的变异频率与组织培养的代数无直接关系,且不同品种的遗传稳定性也不同。Francischini等(2017)采用甲基化敏感扩增多态性(Methylation-sensitive amplified polymorphism,MSAP)技术分析第三次转代培养组培苗,用EcoR I/Hpa II和EcoR I/Msp I引物对分别获得的多态性频率为28.36%和40.67%,母株与变异单克隆之间的相似度分别为0.877~0.911(EcoR I/Msp I)和0.928~0.955(EcoR I/Hpa II),变异造成了内部胞嘧啶甲基化,且变异植株的出现频率高于正常植株。但陸耀邦等(1989)认为甘蔗组培苗产生的变异具有一定的遗传性,第一年的表型变异不稳定,大多数在第二年的无性世代中基本稳定。【本研究切入点】桂果蔗1号是广西农业科学院甘蔗研究所从拔地拉自然突变株中系统选育而成的果蔗新品种,于2014年通过广西农作物品种审定委员会审定,是广西选育的第1个果蔗品种。桂果蔗1号具有直立、大茎、生长旺盛、高产及商品性好等诸多优点,目前已被广泛种植于广西、广东等多个省(区)(刘欣等,2015;莫振茂等,2017;李松等,2017)。本课题前期针对该品种的栽培技术已开展了一些研究(李松等,2015,2017),仍需对其健康种苗级数选用、生长特性和变异稳定性进行系统研究。【拟解决的关键问题】以黑皮果蔗桂果蔗1号为试验材料,对桂果蔗1号的组培苗、第一级和第二级种茎苗的生长特性和遗传变异开展研究,进一步评价桂果蔗1号不同级数健康种苗的生长能力,以期为该品种的健康种苗繁育及推广提供理论依据。

1 材料与方法

1. 1 试验地概况

大田试验在广西农业科学院甘蔗研究所种植基地进行。试验地海拔81~113 m,属南亚热带季风气候区,年平均气温21.8 ℃,年平均降水量1350 mm。土壤为由页岩发育而成的砖红壤,pH 5.0~5.5。

1. 2 试验材料

以黑皮果蔗桂果蔗1号脱毒健康组培苗、第一级种茎和第二级种茎为试验材料。第一级为2018年种植的组培苗所获得的种茎;第二级为2017年种植的组培苗,经2018年再种植所获得的种茎。第一级和第二级均为无花叶病种茎。

1. 3 试验方法

采用随机区组设计,3次重复。行长7.0 m,行距1.6 m,5行区,每小区面积56.0 m2,共9个小区。2019年3月12日种植,下种量119880芽/ha,组培苗种植株距0.3 m。调查期间5月6日和5月18日分别间苗1次。所有栽培管理措施按果蔗高产、高效栽培技术进行。

1. 4 调查内容及方法

2019年4月8日开展第1次调查,调查内容包括苗数、株高、地径(茎秆靠近地表面10 cm处直径)、完全展开的叶片数及+1叶的叶長和叶宽。每个重复调查2行,每隔约15 d调查1次,总共调查5次。除苗数外,其余指标均固定30株主茎进行跟踪调查。间苗后的苗数等于调查数和间苗数总和。叶面积=叶长×叶宽×0.67,其中0.67为换算系数(曾宪录等,2007)。

1. 5 数据处理

利用Excel 2007进行数据的处理及制图。采用DPS 7.05进行方差分析。以最后1次测量数据减去第1次测量数据的值表示各个表型性状的增量,并用变异系数表示性状增量的离散特征。

2 结果与分析

2. 1 桂果蔗1号表型性状生长特性

2. 1. 1 苗数生长特性 从图1可看出,随着种植时间的延长,第一级和第二级种茎的苗数均逐渐增加,组培苗直到5月23日才开始大量分蘖,但总苗数始终极显著少于第一级和第二级种茎的苗数(P<0.01,下同)。4月8日至5月23日调查期间,第一级和第二级种茎的分蘖数量相当,差异不显著(P>0.05,下同),但6月11日调查时第二级种茎的苗数显著多于第一级种茎(P<0.05,下同)。从趋势线来看,第一级种茎和第二级种茎的趋势线接近,但第二级种茎的斜率最大(42.566),组培苗趋势线的斜率最小(32.333),截距(-24.799)和相关系数(R2=0.7992)也最小,说明第一级和第二级种茎苗期分蘖能力明显优于组培苗。从净增长量来看,组培苗的苗数在5月23日调查时出现一个骤增的峰值(90.66株),之后分蘖趋向减弱;而第一级种茎和第二级种茎的苗数则分别在5月8日和6月11日出现2个增长峰值(表1)。

2. 1. 2 株高生长特性 从图2可看出,随着种植时间的延长,组培苗、第一级和第二级种茎的株高均呈增长趋势;4月8日至5月8日第一级种茎的株高稍高于第二级种茎,随后第二级种茎株高增速加快,5月23日时,第二级种茎株高稍高于第一级种茎,6月11日时显著高于第一级种茎;第一级和第二级种茎的株高始终极显著高于组培苗。从趋势线看,组培苗、第一级种茎和第二级种茎的斜率较接近,第二级种茎趋势线的斜率最大(9.900),第一级种茎的最小(8.600),组培苗的截距最小(-4.015);三者相关系数均较高,说明第二级种茎苗明显优于第一级种茎苗和组培苗。从净增长量来看,组培苗的株高在5月23日达峰值(12.20 cm),随后增长变缓;而第一级和第二级种茎的株高一直处于加速增长状态(表1)。

2. 1. 3 地径生长特性 从图3可看出,组培苗、第一级种茎和第二级种茎的地径增长速度较一致,但第一级种茎和第二级种茎的地径始终大于组培苗。4月8日至5月8日第一级种茎的地径均稍高于第二级种茎;从5月23日开始,第二级种茎增速超过第一级种茎,6月11日第二级种茎的地径显著大于第一级种茎。从趋势线看,组培苗、第一级种茎和第二级种茎的斜率均较接近,但仍以第二级种茎的最高(0.597),第一级种茎的最小(0.539);组培苗的截距最小(-0.556);三者相关系数均较高。从净增长量来看,组培苗、第一级种茎和第二级种茎的地径均一直处于加速增长状态(表1)。

2. 1. 4 叶片数生长特性 从图4可看出,组培苗由于是直接移栽,所以初期叶片数较多,极显著多于第一级种茎和第二级种茎的叶片数,但组培苗的叶片数增长较缓慢;第一级种茎和第二级种茎的叶片数增速较快且二者较接近,5月8日开始已极显著多于组培苗。从斜率来看,第一级种茎(2.563)和第二级种茎(2.744)高于组培苗(1.278);组培苗截距最大(2.496),但相关系数最小(R2=0.8324)。从净增长量来看,组培苗、第一级种茎和第二级种茎的叶片数均在4月24日出现一个小的峰值,5月8日增速减缓,随后增速再上升;第一级种茎和第二级种茎分别在5月23日和6月11日再次出现峰值(表1)。

2. 1. 5 叶长生长特性 从图5可看出,4月8日组培苗、第一级种茎和第二级种茎的+1叶长度差异不显著,随着种植时间的延长,第一级种茎和第二级种茎的+1叶长度均显著或极显著长于组培苗。从趋势线来看,第二级种茎的斜率最大(24.500),组培苗的斜率最小(19.533)。从净增长量来看,组培苗的叶长在5月23日前持续增长,于5月23日达峰值,随后增长减缓;而第一级种茎和第二级种茎均分别在4月24日和5月23日出现2个峰值(表1)。

2. 1. 6 叶宽生长特性 从图6可看出,第一级和第二级种茎的+1叶宽度较接近,二者无显著差异,但二者均极显著大于组培苗。从趋势线来看,第一级种茎和第二级种茎+1叶宽度的增速也较接近,第一级种茎的斜率(0.803)最大,第二级种茎的斜率(0.798)其次,组培苗的斜率(0.726)最小,增速最慢,截距也最小(-0.128),但三者的相关系数均较高。从净增长量来看,组培苗叶宽的增速一直处于上升状态;而第一级种茎和第二级种茎叶宽的增速分别在4月24日和5月23日出现2个峰值(表1)。

2. 1. 7 叶面积生长特性 从图7可看出,随着种植时间的延长,组培苗、第一级种茎和第二级种茎+1叶叶面积均不断增大,但第一级和第二级种茎+1叶叶面积增长较快,其中第二级种茎的叶面积增大较快(斜率为93.148),组培苗增长最慢(斜率为62.224)。4月8日至5月23日,第一级和第二级种茎的+1叶叶面积无显著差异,但从6月11日开始,第二级种茎+1叶叶面积显著大于第一级种茎,三者的趋势线相关系数均较高(图7)。从净增长量来看,组培苗的+1叶叶面积在5月23日达增长高峰,随后减缓;而第一级种茎和第二级种茎+1叶叶面积的增长情况与其叶长和叶宽变化规律相同(表1)。

2. 2 桂果蔗1号表型性状差异

以6月11日调查的数据减去4月24日调查的数据,获得各个表型性状的增量(表2)。由表2可看出,桂果蔗1号7个表型性状在不同级数种源间均差异显著。第二级种茎除了叶宽稍低于第一级种茎外,其他各个表型性状的增量均为最高;虽然第一级种茎苗的株高和地径均稍低于组培苗,但差异不显著;第二级种茎在苗数、株高和地径3个性状上均显著或极显著高于第一级种茎,而这3个性状也是直接影响果蔗产量的最重要指标;各表型性状的增量总体上呈现第二级种莖>第一级种茎>组培苗的趋势。

2. 3 桂果蔗1号表型性状变异

变异系数表示性状离散特征,变异系数越大,性状离散程度越大,表型多样性越丰富;反之说明该种源的群体性状变异幅度较低。由表3可看出,桂果蔗1号健康种苗各性状平均变异系数为5.48%,平均变异幅度为3.01%~11.88%,平均变异系数最大的是苗数,最小的是地径。除了第二级种茎苗叶宽变异幅度有所上升外,其余6项性状的变异幅度均伴随着级数的增加而趋向稳定。3个不同级数种源所有性状的平均变异系数为3.32%~8.25%,以组培苗的平均变异系数最大(8.25%),第一级种茎苗次之(4.88%),第二级种茎苗的平均变异系数最小(3.32%)。说明组培苗性状分离最大,不宜直接用于生产种植,高级苗(第二级种茎苗)性状相对较稳定,适用于生产种植。

3 讨论

甘蔗组培苗生产不受时间、季节和地域的影响,具有脱除种茎内病原病毒、复壮品种等诸多优点,可为甘蔗优良品种的大量繁殖和推广提供有力保障(Usman,2015)。甘蔗健康种苗在田间的种植具有提高单产和品质的特点,但是有关组培苗级数对甘蔗生长特性方面的报道较少。甘蔗的生育期主要分为萌芽、出苗、分蘖、伸长和成熟5个阶段。前人研究主要集中在6—12月之间(包括部分分蘖期、伸长期和成熟期),果蔗在6—7月的株高生长速度最快,脱毒健康种苗的增速明显高于常规种茎(王伦旺等,2002;周明强等,2006;吴松海等,2012)。李松等(2010)研究认为以第二级健康种苗的株高增速最快,其次为第一级和第三级;而吴松海等(2014)认为第一级和第二级相当。本研究结果表明,第一级和第二级健康种苗的株高快速生长期均出现在6月份,第二级健康种苗的增速显著高于第一级健康种苗,与李松等(2010)的研究结果一致,而组培苗的株高快速增长期出现在5月份,主要原因是组培苗属于杯苗移栽,定植时已形成根系,能更早地吸收土壤中的水分和营养,但第一级和第二级健康种苗是用种茎进行种植,种植和生长情况与组培苗不一样。因此,果蔗健康种苗不同级数的性状可通过苗期即可完成生长特性的评价,为生产用种的选择提供快捷、科学的参考依据。

果蔗脱毒种苗经过脱毒后,出苗数、分蘖率、株高、产量和品质等多个方面种性得到复壮。李松等(2010)研究表明,脱毒种茎苗第一级、第二级、第三级和未脱毒种茎的出苗率无显著差异,但第二级和第三级的株高、茎径和产量显著高于第一级和未脱毒种茎,第二级和第三级之间无显著差异。吴海松等(2014)的研究结果也表现出基本一致的规律,但认为第一级、第二级和第三级的株高无显著差异,并显著高于未脱毒种茎;第二级和第三级的茎径无显著差异,并显著高于组培苗和未脱毒种茎。本研究结果表明,第二级健康种苗的出苗数、株高和茎径方面均显著高于组培苗和第一级种茎苗,组培苗和第一级种茎苗之间无显著差异;而第一级种茎苗和第二级种茎苗的叶片数、叶长、叶宽和叶面积之间无显著差异,并显著大于组培苗。脱毒果蔗叶片翠绿、宽大、绿叶期长、果蔗生长旺盛,提高了叶绿素含量、Ca2+-ATP和Mg2+-TAP酶活性及光合系统光能转换率和潜在光化学反应活性,进而促进甘蔗的生理代谢,有利于果蔗的生长发育,增进果蔗株高的增长(潘大仁等,2001;戴友铭等,2008)。本研究结果基本与前人结论一致,证明第二级健康种茎优于组培苗和第一级种茎,适用于生产种植用种。第二级种茎在苗数、株高和地径3个性状上均显著高于第一级种茎,而这3个性状也是直接影响果蔗的产量的最重要指标。

植物在组织培养过程中通常会出现遗传变异,表现为产生一系列新的性状,这是植物育种改良的一种方法,但同时也是植物微繁和遗传转化工作中需要克服的难题(Larkin and Scowcroft,1981)。变异的方式主要包括:(1)染色体变异;(2)点突变、基因重排及基因的扩增和丢失;(3)转座因子的激活;(4)DNA甲基化等(韦彦余等,2004;李晓玲等,2008)。甘蔗组培苗及再生后代的变异与遗传稳定性也得到了科研工作者的很多关注(Snyman et al.,2011)。陈子云(1987)研究表明,变异最大的性状是株高、茎径、蔗糖分和单位面积有效茎数。本研究结果表明,桂果蔗1号的7个表型性状中,以苗数的变异最大,而株高和地径则较稳定,说明变异可能与品种特性有关(Zucchi et al.,2002)。而不同品种不同表型性状的变异幅度差异较大,形态特征变幅最大可达34.0%,蔗糖分比供体提高2%~12%,染色体数量也出现不同程度的增加或减少(Liu and Chen,1976)。本研究中,除了第二级种茎叶宽变异有所增加,其余6项性状指标均伴随着级数的增加而趋向稳定。3个不同级数种源所有性状的平均变异系数为3.32%~8.25%,以组培苗的平均变异系数最大,为8.25%,第一级种茎苗次之,为4.88%,第二级种茎苗的平均变异系数最小,为3.32%,该结果与陆耀邦等(1989)的结论基本一致,说明这种变异具有稳定的遗传性。

4 结论

桂果蔗1号健康种苗第二级种茎的生长特性综合表现显著优于第一级种茎及组培苗,遗传变异也较稳定,第二级种茎为生产栽培最佳用种。

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(責任编辑 王 晖)

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