不结球白菜种质资源的研究与利用

不结球白菜种质资源的研究与利用

非球形卷心菜，俗称青卷心菜和蔬菜（北方）。它是中国的特产。占长江中下游和城市地区总复种面积的30%40%，适宜生长速度快、适应性强、成本低等特点。南方谚语“三天不吃青,肚里冒火星”,可见它在蔬菜周年供应中所具有的重要地位。近年来,日、美及欧洲一些国家也广泛引种栽培。据文字考证,不结球白菜古名“菘”,早在公元三世纪三国时期的《吴录》中,就有“陆逊催人种豆、菘”的记载,以后两晋、南北朝古文献中均有记录。据叶静渊考证初步认为,不结球白菜起源中心是在长江下游太湖地区一带,其栽培历史悠久,并且在长期自然和人工选择的演化进程中分布于各地,种质资源极其丰富。目前,我国保存于种质资源中期库的不结球白菜种质资源有1387份。据国外文献报道,不结球白菜品种欧洲共保存146份,东南亚96份,日本近90份,亚蔬中心和美国保存较少。1人类学的观点本文以系统化思想为指导,从生态学和植物学的观点出发,依据系统研究的基本原则,进行种质资源的综合研究(图1),并在研究方法上具有以下特点。1.1自然地形及遗传育种学检测。在文立足宏观研究,将不结球白菜种质资源作为完整的有机整体,分别从形态、栽培、分类、生理和遗传育种学各领域进行多学科的研究,以认识和掌握不结球白菜的自然现象和自然规律,达到种质资源研究和开发利用的“整体效应”。1.2农艺鉴定与园艺学分类对不结球白菜种质资源研究划分为资源的搜集整理,主要形态、栽培、生物特性等农艺性状鉴定;在此基础上提出园艺学分类法;按其分类进行抗性鉴定和综合利用共五大层次,每个层次又分若干研究方向分别进行。并注意研究各层次或同一层次之间的相关性和种性的异同,揭示个体与群体、群体与环境之间的内在联系和特点。1.3内容分析的研究在不结球白菜种质资源研究过程中,随着科技进步和先进测试仪器的应用,从静态的种质个体扩展到生长发育的动态周期研究,从外部形态深入到内部机制,从定性发展到定量研究。同时,各层次的研究并不完全是孤立的,而是互相依赖、互相反馈、互相促进、协同发展,并不断引进和吸收新技术,以推动种质资源研究水平的不断提高。种质资源的研究,同样要遵循“理论与实践并重,近期与长远兼顾”的原则,在自然和人工条件下,采用田间试验和室内鉴定相结合的研究方法,并以有效利用种质资源、促进蔬菜生产和为现代育种服务为最终目的,以期探索种质资源系统化研究和利用的新路子,创建种质资源研究的新体系。2社会学的观察与研究2.1品种农艺性状调查研究于1954—1965、1972—1976、1980—1982年多次深入白菜主产区调查和收集地方品种200余份,观察记载共26个项目的各品种农艺性状,并逐一拍照,整理出其中同名异种或异名同种的品种,为白菜种质资源研究和利用,奠定了坚实的物质基础。2.2几种常见的梗种以成株产品器官的经济性状为主,按株态、基生叶和茎、花序、花茎叶及根的特征,从形态学入手,进行综合鉴定与分析。结果表明:1)株态与耐寒、丰产性有关,一般塌地品种耐寒性强于开展与直立型,而直立型生长速度和丰产性优于塌地型。2)依叶柄色泽不同,分为青、白、紫红梗3种。青梗有特殊香味,营养价值高,白梗甜嫩而紫红梗多为薹用种。其中又分别有长、短、扁、圆梗类型,长梗多供加工腌渍,短梗鲜食用,‘二桩’则鲜食、腌渍兼用,圆梗较耐旱瘠,扁梗肥水要求严格。3)叶片变异多样化,有全缘(板叶)、深裂(花叶)、复细锯齿(鸡冠状)等。叶色自墨绿至浅黄绿,叶面平滑至有皱缩等。4)叶数,一般10~15片,多者达近百枚,是产量构成的重要因素。5)不结球白菜与芥菜、甘蓝等芸薹属植物同样存在平行变异现象,除普通散叶型外,既有半结球与分蘖性品种,也有以肥嫩花薹为食用器官的品种,以及根部肥大,与叶同样供食用的薹菜等。尤其是鉴定出一些品种的形态特征介于结球与不结球白菜之间的过渡型,如某些品种有叶翼与毛茸,花茎叶也有不抱茎者,为研究白菜的起源和演化提供了实际资料和新论据。2.3不同生态条件下蔬菜品种配比的筛选从生态学观点出发,观察研究不同生态地理条件下华南、江淮、华北、西南等各区域白菜品种群。初步掌握在各种生态环境中适应性品种的类型分布、形态特征、发育特性及其显著差异。并总结出相同生态条件下,各地定向选育成的形态近似,生育期不同的早、中、晚熟配套品种组合,有助于蔬菜品种区划和科学引种。弄清白菜未能实现周年均衡生产与供应的主要症结是缺乏夏季抗高温暴雨的夏白菜,冬季抗冻的耐寒白菜,春季晚抽薹的春白菜和抗病、优质、高产的秋冬白菜及各地对品种商品性的特定要求,为白菜的育种明确了主攻方向。3生物特征的研究3.1各品种播期对生育期的影响1954、1959、1960年对所收集的品种分3期播种,鉴定各品种生育、现蕾、抽薹、开花期及其与播种期的关系(表1)。结果表明,各类型品种的现蕾、抽薹、开花期和不同播期对生育期影响有明显差异,并呈现一定的规律性。同一品种在不同播期下,一般提早播种,对早熟品种的现蕾、抽薹和开花期均有提前趋势,但对中、晚熟品种影响较小,主要是提早现蕾与抽薹,对开花期则影响不大。3.2春、冬性类型的选取1956—1957年分别对各地区不同类型代表性品种进行春化和光周期(采用长、短和自然光照处理)研究,并根据各类型品种对低温感应的不同,归纳为春性、冬性弱、冬性、冬性强4个类型。春性品种不经低温处理,在江南地区几乎全年能抽薹开花;冬性弱品种需在0~12℃下处理10~20d,冬性品种需在0~9℃下处理20~30d;冬性强品种需在0~5℃下处理40d以上才能现蕾、抽薹或开花。同时,春化要求严格的品种,对光周期要求也愈严格。据此,可为各地改进其栽培技术和实现周年均衡生产中的品种选择、茬口安排及良种繁育等提供了重要的科学依据。4种间线saheno在多年研究基础上,依据各品种在植物学分类中的地位,主要生物学特性与栽培特点,形态特征的3级分类标准,提出了不结球白菜综合性的园艺学分类法。确认我国不结球白菜属芸薹属芸薹种的一个亚种Brassicacampestrisssp.chinensisMakino,其下分5个变种(varieties):1)普通白菜类(munisTesnetLee);2)塌菜类(var.rosularisTsenetLee);3)菜薹类(var.tsaitaiHort.);4)分蘖菜类(var.multicepsHort.);5)薹菜类(var.taitsaiHort.)。每个变种下又分为若干类型。此分类法的意义和作用在于:1)进一步明确了不结球白菜在植物学分类中的地位,改正了国内外学者以往对其分类上的某些混淆之处,如将薹菜与菜薹混淆。2)在不结球白菜亚种中新增薹菜与分蘖菜2个变种,更准确地反映了种质资源的实际情况。3)改变了过去仅仅以形态特征为依据而缺乏其他规律可循的分类法,对认识其品种间的亲缘关系或遗传相关性,提供了一定可籍遵循的科学依据,更具理论和实用意义。5抗抗剂的评估和分析抗性和品质分析鉴定是种质资源研究的重要环节,日益为研究者所重视。5.1主要品种的抗冻性测定1959—1960年,对近100个品种,按五级耐寒性评分法,进行了田间比较观察,初步获得各类品种抗冻性与地理分布、发育特性和形态特征相关和差异的状况。1984—1985年选择有代表性的主栽品种及杂交种,采用田间鉴定与电导法相结合的方法,进行抗冻性测定。研究结果表明,普通白菜类致死温度在-8.9~-13.8℃之间;塌菜类在-10.8~-11.1℃范围;薹菜类为-12.1~-13.5℃之间;菜薹类一般在-5~-10℃范围。而杂种一代如‘矮杂二号’与普通白菜‘二月白’或‘三月白’类型相近,在-11.3~-13.1℃的范围。并且在前人研究基础上,进一步提出用消除本底的Logistic方程拐点温度来估计不结球白菜的低温致死温度,改进了植物组织低温致死温度的确定方法。5.2不结球菜病毒病的鉴定1959—1960年按发病率高低的4级评分法,对100余个品种进行田间鉴定,初步获得品种中抗病强弱的信息。1983—1985年对南京主要菜区采集的529份不结球白菜病毒病叶样进行鉴定和分离。确定了该地区病毒病的类型有TuMV、TMV、CMV的单一和复合侵染,其中TuMV所占比例较大,为主要毒源,主导株系是TuMV84-13-36。并对473份不同类型的品种、品系及杂种进行苗期人工接种和田间自然诱发鉴定。同时,对抗病单株进行系谱选择和筛选,获得高抗、抗及耐病材料40余份。1986—1987年继续扩大对种质资源多抗性鉴定和抗源筛选,并进一步配制组合和研究多抗性的鉴定方法和技术。5.3上海研磨慢的筛选南方不结球白菜周年供应中,普遍存在4—5月份春淡期。因此,从丰富的种质资源中鉴定和筛选出晚抽薹品种,对解决蔬菜春淡季的供应具有重要意义。1960—1963年在对各地迟熟品种的调查、引种和选择基础上,选用20个晚抽薹品种进行比较试验,结果见表2。从表2可见,‘上海五月慢’是一个优良的晚抽薹品种,比一般迟熟品种延迟10~15d抽薹。依据现蕾与抽薹速度,将晚抽薹种质资源归纳为3种类型:慢薹型、速薹型、渐薹型,抽薹期愈晚则单位面积产量和每日生产率愈高。5.4高温和高湿模型资源的生长特性1963—1965年对各地区不同类型的代表品种,分别进行田间抗热性观察和品质分析,并对春白菜类型的主要品种的品质和食用价值进行测定和评价。结果表明,抗高温和高湿的资源,一般属普通白菜类的极早熟和早熟型。从生态型看,一般株型较直立,长梗小叶的生长速度快。中晚熟白菜和塌菜一般不耐热。而品质分析和评价说明,大部分地区均有代表性的优质地方品种,其中以塌菜类最佳,并且因用于鲜食、腌渍加工或两者兼用的不同食用价值而各具特色,为抗热和品质育种提供了有价值的基础材料。6杂种优势及配合力1972—1976年,结合白菜杂种优势利用,对各代表品种的一代杂种主要经济性状的遗传动态进行了观察与分析(表3)。同时于1974—1975年,对腌渍白菜代表品种的杂种优势与配合力采用双列杂交法进行分析。试验表明,产量和抗病性的杂种优势因组合、正反交而异。有些组合还因年份、地点等环境条件而不同。其产量杂种优势的广义遗传力估计值为76.7%~81.7%,并发现亲本间在一般配合力、特殊配合力以及它们的波动上都有各自的特点,故选配组合时,对一般和特殊配合力及正反效应都需重视。1984年对普通白菜类的杂种优势与配合力进一步试验分析证明,杂种种子千粒重、发芽势、苗期的株高、叶柄长和叶柄重及成株单株重均表现出明显的杂种优势。配合力分析说明,除与营养品质有关的性状外,其余各种性状在遗传型中都存在显著差异。其中叶片重和叶面积等性状的一般配合力方差大于特殊配合力方差,说明它们可能主要由加性基因控制,能较稳定地遗传,而单株、叶柄、短缩茎重等性状的一般配合力方差小于特殊配合力方差,这反映出它们可能主要取决于基因非加性效应。上述研究,为亲本选配及育种方法的选择,提供了优良的基础材料和理论依据。7物种资源遗传多样性分析与基本物种建设7.1球菜主要形态多样性对125份不结球白菜的形态多样性进行了分析,结果表明,我国不结球白菜具有丰富的形态多样性,地区中以江苏的不结球白菜平均多样性指数最高,达0.972,性状中以叶柄长的变异系数最大,达59.77%。通过多变量的主成分分析,第一主成分和第二主成分代表了不结球白菜形态多样性的48.4%。通过系统聚类,把125份不结球白菜种质资源聚成6类,普通白菜不同程度地分别与塌菜、菜心、分蘖菜和薹菜聚在一起,说明普通白菜与其他种类间存在一定的亲缘关系。7.2引物形成与遗传多样性用RAPD分子标记对国内外64份不结球白菜种质资源的DNA遗传多样性进行了分析。结果表明,23条引物共检测出147个位点,其中71条为多态性位点,多态性比率达48.30%,平均每个引物产生6.39个位点和3.09个多态性位点。不结球白菜各类型中以普通白菜的Shannon信息指数为最高(0.1946);各生态区域中以江淮流域的Shannon信息指数为最高(0.1888);中国的Shannon信息指数高于国外,说明江淮流域是不结球白菜遗传多样性最丰富的地区。遗传变异估算表明,不结球白菜的遗传分化系数为59.05%,大部分变异主要存在于种群间;基因流为0.4995,说明群体间基因流动较少。7.3遗传丰富度及聚类分析利用SRAP分子标记对国内外64份不结球白菜种质资源的DNA遗传多样性进行了分析。结果表明,21对引物组合共检测出215个位点,其中112条为多态性位点,多态性比率达52.09%,平均每对引物组合产生10.24个位点和5.33个多态性位点。不结球白菜各类型中普通白菜的Shannon信息指数(0.2161)和遗传丰富度((190)88.37%)最高;各生态区域中江淮流域的Shannon信息指数(0.2194)和遗传丰富度((185)86.05%)最高;中国的Shannon信息指数(0.1949)和遗传丰富度((188)87.44%)均高于国外。遗传变异估算表明,不结球白菜遗传分化系数为58.22%,大部分变异存在于种群间;基因流为0.4031,说明群体间基因流动较少,遗传分化程度较高。聚类分析结果表明,以遗传相似系数0.872为截值,可按生态区域或生态特征把不结球球白菜分为6个类群。与RAPD分子标记相比,每个SRAP引物扩增出的位点数较RAPD多60.25%,扩增出的多态位点数较RAPD多72.94%,多态位点比率较RAPD高7.85%,说明SRAP标记较RAPD标记的多态性高。7.4核心种质构建策略对195份不结球白菜种质资源,采用优先取样,调整的欧氏距离计算样品间的遗传距离,用不加权类平均法、可变类平均和离差平方和分别进行系统聚类,选择原始种质的15%、20%、25%、30%和35%取样水平,应用Shannon多样性信息指数、Simpson遗传多样性指数、表型保留比率、表型频率方差、均值差异百分率、方差差异百分率、均值比、方差比、最大值、最小值、极差、变异系数等12个评价指标,结合数量性状和质量性状进行不同核心种质构建策略对比分析,并进行了检验。结果表明,以30%的取样水平,按优先取样+多次聚类随机取样+不加权类平均聚类法为中国不结球白菜核心种质的可行策略;从195份资源中构建了59份核心种质;10个数量性状和12个质量性状的遗传多样性指数未达差异显著水平。构建的核心种质能够代表原始种质的遗传变异多样性;核心种质的构建也能说明不结球白菜的起源中心。8选育抗高温、高产、优质品种,构建品种核心带种质资源的搜集、保存、鉴定和研究,其最终目的在于开发和利用。正因为有效利用了资源研究中所获得的重要试材和理论依据,并采用先进的育种方法与技术。因此,加速了优良品种的发掘和新品种选育的进程,同时,为蔬菜周年均衡供应的研究和进行蔬菜区域规划及充实教学内容提供了重要科学依据。1)发掘‘上海五月慢’。针对白菜“晚春缺”,1960—1961年从春白菜晚抽薹品种资源中,发掘出优良地方品种‘上海五月慢’,经品种比较试验,较‘南京四月白’迟抽薹10~15d,增产17.3%~91.6%。自1963年始,在江苏、广西、江西省直接繁种推广,有效地缓和了当地4—5月蔬菜淡季供应。2)选育出‘苜腌’新品种。针对冬季缺抗病高产的腌渍品种,1975年从腌渍品种资源中,选择‘南京高桩’ב杭州瓢羹白’的一代杂种,进一步在其后代中选育出抗病、高产、优质的‘苜腌’新品种,并成为当地主栽品种,对改善冬季腌菜供应起到积极作用。3)育成抗热‘矮杂一号’新品种。针对白菜“伏缺”,1973年以耐热品种资源‘常州短白梗’为父本,与‘南京矮脚黄’两用系为母本杂交,育成抗高温、暴雨、高产、优质的‘矮杂一号’抗热新品种,较对照增产30%~152%,1977年起陆续在江苏、安徽、四川、湖北等21个省、市推广,对克服各地蔬菜“伏缺”起到重大作用。4)选育出耐寒‘矮杂二号’和‘矮杂三号’新品种。针对白菜“春缺”,1977年利用耐寒品种资源‘南京亮白叶’及‘合肥黑心乌’为父本,‘矮脚黄’两用系为母本,育成耐寒性强的‘矮杂二号’和‘矮杂三号’一代杂种,1980年起在全国10余省广泛推广,对解决当地蔬菜“春缺”发挥了重要作用。5)育成雄性不育两用系、自交不亲和系,选育出‘矮抗五号’、‘矮抗六号’、‘暑绿’、‘寒笑’新组合。针对杂优利用制种技术难题,1972年从优良地方品种‘矮脚黄’自交后代中,育成雄性不育两用系,不仅用于‘矮杂一、二、三号’的