甘蓝型油菜萌发期低温耐性相关性状的配合力、遗传效应及杂种优势分析

张毅，黄贺，程勇，丁晓雨，曾柳，罗丹，肖本木，廖钦珍，陈坚，吕艳*，邹锡玲*

（1.中国农业科学院油料作物研究所/农业农村部油料作物生物学与遗传育种重点实验室，湖北 武汉，430062；2.都昌县农业农村局，江西 九江，332600；3.阳新县农业农村局，湖北 黄石，435200）

油菜是我国重要的油料作物，是国民食用植物油的重要来源，其菜籽油占国产菜籽油总量的55%以上[1]。长江流域是中国油菜的主产区，其种植面积占全国油菜种植总面积80%以上[2,3]。在我国长江流域二熟制和三熟制区，因茬口矛盾、气候影响导致油菜播种期推迟到10 月下旬以后。气象资料表明，进入10 月下旬后，长江流域气温下降到15℃以下，甚至最低温度达到3.5°C，且异常低温频发[4]。油菜种子萌发最适温度为25°C，研究表明9°C 低温会严重降低油菜发芽率，发芽时间推迟3～7d[5,6]。此外，随着农业产业结构的调整、农村劳动力的转移以及农业机械化的发展，免耕直播技术逐渐成为油菜种植的主要方式[7]。低温胁迫已成为制约长江流域晚茬直播油菜推广的瓶颈，因此开展油菜萌发期低温耐性的遗传改良研究，选育低温耐性优异的甘蓝型油菜品种，对保障长江流域油菜生产具有重要的意义。

植物低温耐性的遗传机制非常复杂，是由多基因控制的数量性状[8]。马延华等研究表明，玉米发芽期相对发芽率的遗传为2对加性-上位性主基因+多基因模型，主基因遗传率为91.57%，多基因遗传率为7.86%[9]。王州飞等研究表明，低温胁迫下水稻种子的萌发性状是由多基因控制的数量遗传性状，且不同的萌发性状受不同遗传模式控制，其中吸胀速率、根长、芽长、活力指数由2对主基因+多基因模型控制，发芽率由2 对或3 对主基因模型控制，发芽指数由2对主基因控制，以主基因遗传为主，主基因遗传率为26.4%～95.3%[10]。甘蓝型油菜是一种自然的异源四倍体植物，由A 和C 基因组二倍体祖先种杂交产生[11,12]。赵娜等研究表明，油菜低温耐性为多基因控制的数量性状，表现为性状连续变异且受环境的影响较大[13]。随着杂种优势在作物上的广泛利用，杂交油菜育种已成为选育具有强抗寒性油菜品种的重要途径[14～17]。杂种优势利用的关键在于优异杂交组合的选配，杂交组合的选配主要以配合力作为重要依据。在育种过程中选择亲本材料时，配合力的高低非常重要。配合力包括一般配合力（GCA）和特殊配合力（SCA），其中一般配合力受加性基因效应控制，能够在亲本和后代之间遗传[18～20]。特殊配合力受非加性基因效应的控制，不可以固定遗传[21]。刘林波等选择6 个抗寒能力不同的白菜型冬油菜品种（系），按Griffing I 配制杂交组合，对低温胁迫下生理生化相关指标和越冬率等性状的一般配合力、特殊配合力的遗传规律进行分析，研究表明，各性状的一般配合力和特殊配合力方差均达到极显著水平[22]。

目前低温耐性相关性状配合力在油菜中的研究还比较少，且主要集中在油菜苗期低温耐性方面，缺乏油菜萌发期低温耐性相关性状配合力的研究。因此，本研究以10个低温耐性不同的甘蓝型油菜品种为亲本，按照NCⅡ不完全双列杂交配制5×5组合，对甘蓝型油菜低温胁迫下萌发期各相关性状的配合力，遗传中各方差分量以及遗传效应进行分析，为选育低温耐性优异的油菜品种提供种质资源，为利用杂种优势改良甘蓝型油菜低温耐性提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材料

10 个甘蓝型油菜品系来自于中国农业科学院油料作物研究所和江苏省农业科学院（表1），按照文献[26]的结果将10 个材料分为耐低温（P6～P10）和敏感（P1～P5）两组。以敏感组（P1～P5）为母本，耐低温材料（P6～P10）为父本，2018年9月27日将材料种植于中国农业科学院油料作物研究所试验农场（武汉市武昌区），2019年3月于盛花期采用NCⅡ不完全双列杂交配制杂交组合，2019 年5 月7 日收获杂种F1及自交后代，种子收获后，于4℃保存。

表1 试验亲本材料的来源Table1 Genetic origin of parents material used in this experiment

1.2 材料培养及试验设计

每个亲本和杂交组合精选150粒种子，用1%的次氯酸钠溶液浸泡5 min 后，蒸馏水清洗3 次，置于预先配制好0.8%（8 g/L）的琼脂皿中，均匀铺放油菜种子，每个发芽皿（130 mm × 130 mm）25 粒，共3次重复。具体试验方法参考黄贺[5,23]等人的研究。

1.3 测定指标与方法

以芽长＞2 mm 为发芽标准，每天定时统计发芽数。对照组第3 d 统计发芽势，第5 d 统计发芽率、发芽指数、平均发芽速度；试验组第8 d 统计发芽势，第12 d 测定发芽率、发芽指数、平均发芽速度，计算公式参照黄贺等人的研究[5,23]。

1.4 数据处理

运用Excel 2016 对试验数据进行初步整理，用DPS7.5软件进行配合力和遗传参数的分析。

（1）配合力和遗传参数的计算公式参照高之仁等人的研究[24,25]。公式如下：

其中：i（i=1,2,3,4,5）代表母本，j（j=1,2,3,4,5）代表父本，F1为各杂交组合的平均值，Pf和Pm分别为各杂交组合母本与父本相应性状的平均值，Pmax为双亲中各相应性状平均值的最大值。

（3）相对值（R）=低温（9℃）下的测定值/对照（22℃）测定值。

2 结果与分析

2.1 低温胁迫对油菜萌发期主要性状的影响

将亲本与杂交组合分别在22℃和9℃条件下进行萌发，对各萌发指标进行统计分析，结果表明（表2），在22℃条件下，不同杂交组合F1的发芽率均达到96%以上，说明种子质量合格，且各杂交组合间的发芽指标差异不显著。在低温（9℃）胁迫下，发芽率和发芽势主要分布在50%～100%之间，发芽指数主要分布在2.7～8.1，平均发芽时间主要分布在3.1～6.6 d 之间，最长延迟到12 d。表明低温（9℃）胁迫严重影响油菜种子萌发且不同杂交组合间低温耐性差异显著。P5×P6、P5×P8、P5×P10 等组合在低温（9℃）胁迫下的发芽率和发芽势均达到100%，发芽指数均在8.0 左右，平均发芽时间在3 d 左右，表明低温耐性表现优异。不同亲本在9℃下的各萌发性状差异显著，其中P2、P7、P10等亲本在9℃下各萌发性状表现优异，P3、P6 等品种材料对低温表现较敏感。通过对低温（9℃）胁迫下杂交组合间的主要萌发性状进行方差分析，结果表明各性状的相对值在25个杂交组合间均达到极显著水平，因此可进一步进行配合力的方差分析。

表2 F1在低温（9°C）与对照（22°C）条件下萌发期主要性状分析Table 2 Analysis of germination-related traits of B.napus under conditions of 9°C and 22°C

2.2 低温胁迫下萌发期主要性状的配合力方差分析

不同杂交组合间主要萌发性状的方差分析结果表明，母本对相对发芽率、相对发芽指数、相对平均发芽时间GCA 的影响大于父本，母本和父本对相对发芽势GCA 的影响均达到显著水平，SCA 对相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数、相对平均发芽时间的影响均达到极显著水平，因此可进一步对各杂交组合在低温胁迫下各相对指标的配合力效应值进行估算。

2.3 低温胁迫下亲本萌发期主要性状一般配合力分析

低温胁迫下亲本萌发期主要性状的GCA 分析结果表明（图1），不同亲本间主要萌发指标的GCA差异显著，表明不同亲本萌发期主要萌发性状的遗传效应差异显著。P4（中双10 号）各发芽性状的GCA 相对效应值分别为-23.4、-24.05、-17.98、11.65，与P4相比，P2、P5、P7、P10这4个亲本相对发芽率的GCA相对效应值提高30以上、相对发芽势的GCA相对效应值提高36左右、相对发芽指数的GCA相对效应值提高21以上，而相对发芽时间的GCA相对效应值分别降低9.73、24.16、22.78、24.31（图1）。表明上述4 个亲本是低温耐性优良的自交系，可以作为配制杂交组合的候选亲本。

图1 低温胁迫下亲本萌发期主要性状GCA的相对效应值Fig.1 Relative effect of GCA in B.napus L.under low temperature stress condition

2.4 低温胁迫下萌发期主要性状特殊配合力分析

对各杂交组合SCA 的效应值进行分析结果表明（表3），不同杂交组合间各萌发性状SCA 的效应值存在显著差异。P2、P5、P7、P10 这4 个亲本各发芽性状GCA 的效应值在亲本中表现优异，由其组配的杂交组合各性状SCA 的效应值在25 个杂交组合中表现也比较优异，表明GCA 表现优异的亲本是配制低温耐性优良杂交组合的基础。P4（中双10 号）各性状GCA 的效应值表现较差，但是P4×P7、P4×P10 在低温条件下各萌发性状表现优异，表明通过杂种优势可以改良油菜的低温耐性。此外，研究还发现，同一亲本所配置的不同杂交油菜组合其相对萌发性状的特殊配合力效应存在较大差异，如P1所配的P1×P10 具有较高发芽率特殊配合力，而P1×P9则具有较低发芽率特殊配合力。最后本研究还发现，组合P5×P10 的相对发芽势、相对发芽率和相对发芽指数这三个发芽性状的SCA 相对效应值均较高，分别为15.07、14.88、42.73，相对平均发芽时间的SCA 相对效应值为-23.60，因此该组合是萌发期耐低温能力较强的组合，可用来指导油菜杂种优势的利用与杂交优良组合的选配。

表3 甘蓝型油菜品种萌发期主要性状的SCA相对效应值Table 3 Relative effect values of SCA of seed germination-related traits under low temperature stress condition in B.napus.

2.5 低温胁迫下萌发期主要性状的遗传参数估算

本研究进一步对低温胁迫下发芽相关性状的遗传参数进行分析（表4），结果表明，相对发芽势、相对发芽率、相对发芽指数以及相对平均发芽时间的GCA 方差分别为46.19%、35.23%、52.17%、41.83%，SCA 方差分别为53.81%、64.77%、47.83%、58.17%，差距较小，说明各相对萌发性状受加性效应和非加效应的共同控制，在育种上选配杂交组合时要注意兼顾GCA 与SCA 的作用。本研究在9℃下，对4个相对萌发性状的遗传参数进行估算。结果表明，4 个相对萌发性状的广义遗传力均大于90%（表4），说明这些性状具有较好的遗传能力。相对发芽势、相对发芽率、相对发芽指数以及相对平均发芽时间的狭义遗传力分别为44.27%、34.63%、50.56%、38.98%。

表4 低温胁迫下萌发期主要性状遗传参数估计Table 4 Genetic parameters of germination-related traits under low temperature stress condition in B.napus

2.6 低温胁迫下萌发期主要性状的杂种势分析

本研究进一步对25 个杂交组合低温胁迫下各萌发性状的杂种优势进行分析，结果表明（表5），相对发芽势具有较强的中亲优势和较弱的超亲优势；相对发芽率和相对发芽指数的中亲优势和超亲优势均较强；相对平均发芽时间的中亲优势和超亲优势均弱。不同杂交组合各性状的中亲优势和超亲优势差异显著，说明这些性状在子代具有较大的选择空间，本研究中，P2、P5、P7、P10 这4 个亲本各发芽性状GCA 的效应值在亲本中表现优异，由其组配的杂交组合各性状SCA 的效应值在25 个杂交组合中表现也比较优异。因此，我们进一步对其杂种优势进行分析，结果表明，由上述4个亲本配制的杂交组合在低温胁迫下萌发期主要性状的中亲优势和超亲优势均较强。上述结果进一步证实了通过GCA 和SCA 分析得到的低温耐性优异的亲本的可靠性。

表5 低温胁迫下萌发期主要性状的杂种优势分析Table 5 Heterosis analysis of germination-related traits under low temperature stress condition in B.napus

3 讨论

本试验在配制NCⅡ不完全双列杂交时，按照闫蕾等的研究将10 个材料分成耐低温材料（P6～P10）和敏感材料（P1～P5）两组[26]，但是在进行低温萌发试验时，结果表明有些耐低温材料（P6、P8）在萌发期表现敏感，有些敏感材料（P2、P4）在萌发期表现耐低温。这可能是由于油菜在萌发期的耐低温机制与苗期的耐低温机制存在差异，黄贺等研究也表明油菜苗期的低温耐性与油菜萌发期的低温耐性不相关[4]。蔡志欢等研究表明水稻不同生育期受到的低温胁迫可分为芽期、苗期、孕穗期、抽穗杨花期和灌浆期五个时期，且不同生育期耐低温的机制不同[27]。杨静等对玉米萌发期和苗期的抗氧化酶活性和基因表达水平进行测定，发现低温萌发期和苗期的生理生化机制不同以及抗氧化物基因表达水平存在差异[28]。因此后续有必要开展不同生育期低温耐性配合力及遗传参数分析。本研究结果表明，在22℃下不同杂交组合各萌发性状差异不显著，但是在9℃下，不同杂交组合各萌发性状差异显著，低温耐性不同。表明是由不同组合基因型之间的差异所引起的，遗传差异真实存在。

不同亲本的低温耐性存在差异，其中P2、P7、P10 这三个亲本在9℃下各萌发性状表现较优异。此外通过对各萌发性状的配合力分析，结果也表明，上述3 个亲本各萌发性状GCA 的效应值在亲本中表现优异，其配制的杂交组合各萌发性状的SCA较优异，这与王俊生等的研究结果一致[29]。一般配合力是亲本品种基因加性效应对杂交后代产生的平均表现，能够稳定遗传，可预测杂交后代性状的表现；特殊配合力是亲本品种在特定组合内由基因的显性方差、上位性作用等对某一些性状产生的不符合品种平均表现得一种能力，是基因和环境互作的结果，受环境影响加大，可作为杂种优势利用的依据[30,31]。因此，在利用杂种优势对低温耐性进行遗传改良时，不仅要注重亲本的低温耐性，还要兼顾GCA 和SCA。最后，我们通过对由上述亲本配制的杂交组合的杂种优势进行分析，结果表明，由上述亲本配制的组合在低温胁迫下，各萌发性状的中亲优势和超亲优势，表现均较优异，杂种优势较强。后期，我们将通过多年多点试验进一步鉴定上述亲本配制杂交组合的低温耐性。徐晨璐等的研究表明玉米的杂种优势高低是由组配组合的两个亲本品种间的遗传差异所决定[32]。在本研究中，组合P5×P10各萌发性状的SCA 较优异，但是该组合的中亲优势和超亲优势较低，P5、P10、P5×P10 在低温胁迫下各萌发性状差异不显著，表明该组合通过杂种优势提高低温耐性的空间较小，这可能是由于P5、P10 两个亲本的遗传差异较小造成的。因此，在利用杂种优势改良油菜低温耐性时，不仅要注重GCA和SCA的大小，还要分析各组合的杂种优势。

就油菜的杂交育种而言，亲本的遗传分析非常重要[33]，它是油菜耐低温性遗传改良的依据。在本研究所选用的10 个亲本中，C18 在9℃下各萌发性状表现均为优异，且一般配合力最大，同时由C18组配的杂交组合：（B018×沪油17）×C18 在9℃下各萌发性状表现优异，显性基因表现突出。因此，在育种实践上培育油菜耐低温品种时，C18 可作为油菜低温耐性遗传改良中的候选亲本。此外，本研究还发现，甘蓝型油菜在低温胁迫下的相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数和相对平均发芽时间的GCA 和SCA 在25 个组合间差异均达到了显著或极显著水平。罗明亮等认为，当性状的特殊配合力方差大于一般配合力方差时，表明这些性状的杂种优势表现以显性基因效应为主，加性效应相对较小[34]。本研究中，相对发芽率、相对发芽势、相对发芽指数和相对平均发芽时间等性状的SCA 方差大于GCA方差，表明这些性状的杂种优势表现以显性基因效应为主。所以在配制杂交组合时，既要考虑加性基因的效应，又要重视基因的非加性效应，才能获得较好的理想效果。吕慧芳等的研究表明，广义遗传力和狭义遗传力均高的性状可在早期进行选择，广义遗传力较高，狭义遗传力较低的性状在育种的晚期选择[35]。本研究对低温胁迫下油菜萌发期相关性状遗传参数进行估算，结果表明，相对发芽指数的狭义遗传力较高，可在早代利用该性状对耐低温品种进行选择；相对发芽势、相对发芽率和相对平均发芽时间的狭义遗传力较低，而广义遗传力相对较高，表明这3 个性状不宜在早代选择，应在高世代选择。