蔬菜育种学试题A答案

蔬菜育种学试题A答案一、名词解释（每小题3分，共30分）1.系统育种：又称选择育种，是指对现有的蔬菜种质资源群体中出现的自然变异个体，通过单株选择、后代鉴定、比较试验等流程，筛选出性状稳定、符合生产需求的新品种的育种方法。系统育种是蔬菜育种最传统的方法之一，尤其适合常异花授粉、自花授粉蔬菜作物的性状改良，我国早期选育的大白菜、番茄、黄瓜地方优良品种80%以上都采用过系统育种路径，该方法无需人工创造变异，操作简便、育种周期短，但变异来源仅依赖自然突变，遗传改良幅度相对有限。2.配合力：指一个亲本材料与其他亲本杂交后，其杂交后代的性状表现出的综合能力，分为一般配合力和特殊配合力两类。一般配合力由亲本的加性效应基因决定，能够稳定遗传，是亲本材料本身的固有属性；特殊配合力由非加性效应基因（显性效应、上位性效应）决定，仅在特定的杂交组合中表现，是杂种优势形成的核心遗传基础。蔬菜育种中通常采用完全双列杂交、不完全双列杂交、NCⅡ设计三种方法开展配合力测定，为亲本选配提供量化依据。3.远缘杂交不育性：指植物分类学上不同种、属甚至亲缘关系更远的蔬菜材料进行人工杂交后，得到的杂交合子无法正常发育成完整的种子，或是杂交种子即使萌发也无法长成正常可育植株的现象。常见的蔬菜远缘杂交不育包括幼胚发育中途败育、杂种F1植株雄蕊退化无法产生正常花粉、雌蕊受精能力丧失三类，生产中通常采用幼胚离体拯救、染色体加倍、回交渐渗等方法克服远缘杂交不育障碍。4.分子标记辅助育种：是以DNA序列多态性开发的共显性/显性分子标记为筛选工具，在植物生长的任意时期，对目标性状的基因型进行直接选择的育种技术。该技术完全不受环境条件、作物生育期、性状表达时空差异的限制，能够精准区分目标基因的纯合子与杂合子，大幅降低传统表型选择的误选概率，目前已广泛应用于蔬菜抗病性、品质、雄性不育等性状的定向改良，典型应用案例包括番茄抗黄化曲叶病毒Ty系列基因、黄瓜抗白粉病pml基因的规模化筛选。5.杂种优势衰退率：指异花授粉蔬菜作物的杂种一代（F1）经过多代自交后，后代群体中杂种优势逐代降低，生长势、产量、抗逆性等核心性状逐步退化的比例数值。不同类型蔬菜的杂种优势衰退率存在显著差异，异花授粉的白菜、甘蓝等十字花科蔬菜F2代杂种优势衰退率可达35%以上，自花授粉的番茄、茄果类蔬菜F2代衰退率通常在15%以内，因此异花授粉蔬菜的杂种种子生产必须每一代采用双亲本定向杂交制种，禁止使用F2代留种。6.雌性系：指蔬菜作物群体中全部植株的雄花自然退化、仅能产生雌花的特殊品系，该性状由核基因隐性单基因或多基因控制。雌性系最早在黄瓜育种中得到应用，能够省去人工去雄的操作流程，大幅降低葫芦科瓜类蔬菜的杂交制种成本，目前生产上通常采用乙烯利、赤霉素等化学诱导剂处理雌性系材料，诱导其产生一定比例的雄花，实现雌性系的自交保存与扩繁。7.轮回选择：是一种面向群体改良的复合育种技术，通过将一批具有目标性状的基础材料相互杂交，不断打破不良基因连锁、聚合优良等位基因，逐步提高整个群体的优良基因频率，最终从改良群体中筛选出优异的单株或选育出高配合力自交系的育种方法。轮回选择特别适合异花授粉蔬菜的数量性状改良，目前已广泛应用于白菜、萝卜、甜玉米等作物的产量、抗逆性等多基因控制性状的遗传改良，相较于传统系谱选择，轮回选择能够有效避免遗传基础窄化导致的品种抗风险能力下降问题。8.生理小种：指病原物物种下分化出的、对特定作物抗病基因具有不同致病性的群体类型，同一病原的不同生理小种在形态上几乎没有差异，但在对应不同抗病基因的寄主材料上，侵染表现出显著的致病性分化。蔬菜育种中针对抗病性鉴定，必须采用对应区域的主流生理小种作为接种源，比如我国大白菜主产区的TuMV芜菁花叶病毒至少分化出7个不同生理小种，其中TuMV-C4是黄淮海主产区的优势小种，选育出抗该小种的品种才能满足生产实际需求。9.自交不亲和系：指植物雌雄配子的遗传基础完全正常，花期自交时授粉无法正常受精结实，只有异花授粉才能产生正常种子的稳定遗传品系。十字花科蔬菜的自交不亲和性由单一位点的多个复等位基因控制，是目前十字花科蔬菜杂种优势利用的核心亲本类型之一，通常将花期自交亲和指数（结籽数/授粉花朵数）低于0.5的株系定义为强自交不亲和系，满足杂交制种的纯度要求。10.人工去雄制种：指在蔬菜雌花开放前，采用人工摘除雄花、雄蕊的操作，去除母本材料的自花授粉能力，随后授予父本的花粉生产杂交种子的制种方法。该方法不需要选育特殊的不育系、自交不亲和系材料，适用范围广，操作门槛低，主要应用于花器官较大、单株授粉结籽量高的茄果类、瓜类蔬菜的杂交种子生产，缺点是人工成本高，制种效率受工人操作熟练度影响较大。二、填空题（每空1分，共20分）本题标准答案依次为：1.高产、优质、抗逆、适宜轻简化栽培；2.品种资源收集与鉴定、亲本选配、杂交后代筛选、品种性状稳定性评价；3.纬度生态相似性、光照周期适应性、温周期特性；4.远缘杂交幼胚拯救、体细胞融合、染色体工程渐渗；5.加性效应、显性效应、上位性效应、互作效应；6.85%、96%、98%、99%；7.紫外线诱变、γ射线诱变、EMS甲基磺酸乙酯诱变；8.根结线虫、枯萎病、黄化曲叶病毒病、灰霉病；9.轮回亲本背景恢复率、连锁累赘去除效率、育种周期缩短比例；10.特异性、一致性、稳定性（DUS测试）。三、简答题（每小题6分，共30分）1.简述不同起源中心蔬菜作物的引种规律蔬菜作物的引种效率与其原生起源中心的生态条件直接相关，引种规律可按8个核心起源中心分类明确：第一类是中国起源中心的蔬菜，包括大白菜、萝卜、黄瓜、小白菜等本土作物，在国内跨区域引种时，温度适应性范围最广，仅需针对不同区域的光照周期特性调整熟性匹配即可，比如华北地区的春大白菜品种引种到华南区域，夏季高温长日下易出现未熟抽薹现象，需要筛选晚抽薹基因型适配；第二类是印巴起源中心的茄子、苦瓜等喜温短日蔬菜，引种到我国北方长日区域，营养生长阶段需要适当遮光处理才能正常开花坐果；第三类是中亚起源中心的胡萝卜、洋葱等长日蔬菜，引种到华南短日区域，鳞茎膨大期会出现膨大不良问题；第四类是近东起源中心的菠菜、蚕豆等耐寒作物，无法在华南夏季正常完成生长周期；第五类是地中海起源中心的甘蓝、花椰菜等需要春化的作物，引种到热带区域普遍无法完成花芽分化；第六类是埃塞俄比亚起源中心的豌豆、扁豆等喜凉耐湿热作物，适配我国西南高海拔区域种植；第七类是中美起源中心的番茄、辣椒等喜温中日光周期作物，我国南北区域均可正常种植，但高海拔紫外线强区域需要选育抗脐腐病的基因型适配；第八类是南美起源中心的马铃薯、菜豆等作物，引种到低海拔平原区域易出现病毒性退化问题，需要采用脱毒种薯配套。整体而言，起源中心与引种区域的生态相似性越高，引种的成功率越高，跨气候带引种必须开展梯度播期鉴定，避免出现适应性致死问题。2.简述蔬菜作物有性杂交育种的亲本选配通用原则蔬菜有性杂交育种的亲本选配需遵循4项核心原则，同时兼顾不同授粉类型作物的特殊需求：第一，双亲需具备互补的目标优良性状，母本的核心农艺性状需适配主产区的生产需求，父本提供母本缺失的抗性、品质性状，比如选育设施耐低温黄瓜品种，母本选本地主栽的产量高商品性好的自交系，父本引进耐低温抗霜霉病的外来自交系，实现性状互补；第二，双亲的一般配合力数值要处于较高水平，特殊配合力方差符合预期，避免双亲遗传背景近导致后代杂种优势退化；第三，双亲的生态类型存在适度差异，能够扩大杂交后代的遗传变异幅度，丰富筛选池中优异变异的类型；第四，双亲的开花期、花器结构、授粉亲和性匹配，不存在杂交不亲和障碍。对于异花授粉的十字花科蔬菜，选配时要优先考虑双亲自交衰退程度低的株系，避免杂交后代出现整齐度差的问题；对于自花授粉的茄果类蔬菜，选配时要优先考虑双亲纯合度达到99%以上的高代自交系，保证杂交后代性状稳定。3.简述自交不亲和系选育的核心流程和关键鉴定指标自交不亲和系的选育分为5个核心操作环节：第一步是原始材料初选，从育种资源池中筛选花器官发育正常、花期自交结籽量少的单株，作为选育基础材料；第二步是自交分离与亲和性初测，对初选单株进行花期人工套袋自交、蕾期人工自交，分别统计花期自交亲和指数和蕾期自交亲和指数，优先选择花期亲和指数小于0.5、蕾期亲和指数大于5的单株，进入下一轮自交选育；第三步是多代自交纯合，连续开展4-5代的自交筛选，淘汰亲和性分离的株系，获得亲和性稳定的株系群体；第四步是亲和性稳定性鉴定，分别在不同温度、不同光照强度的设施环境下测定株系的亲和指数，淘汰环境适应性差、亲和指数波动大的株系，保证大田制种条件下自交不亲和性稳定表达；第五步是配合力测定，筛选出一般配合力高、特殊配合力方差大的自交不亲和系，作为杂交制种的亲本材料。核心鉴定指标为：强自交不亲和系的花期亲和指数≤0.5，系内株间花期异交亲和指数≤1.0，蕾期自交结实率不低于正常自然授粉的60%，后代自交不亲和性性状分离比例小于5%。4.简述蔬菜抗逆育种中耐低温弱光性的核心鉴定指标和筛选时期蔬菜耐低温弱光性的鉴定分为苗期快速鉴定和成株期全生育期验证两个阶段，对应不同的量化指标：苗期鉴定阶段通常采用温度10℃/5℃（昼/夜）、光照强度50μmol·m-2·s-1的环境条件处理7-10天，测定3类核心生理指标：一是细胞膜损伤指标，即低温弱光处理后植株叶片的电解质渗透率，耐低温弱光材料的电解质渗透率通常低于20%，敏感材料可达到60%以上；二是光合生理指标，即叶片的叶绿素a/b值，耐低温弱光材料的叶绿素a/b值稳定在1.5-2.0区间，光系统Ⅱ最大光化学效率Fv/Fm不低于0.7；三是形态伤害指标，统计冷害指数，耐低温弱光材料的冷害指数低于2级，无明显萎蔫、黄化、落叶症状。成株期鉴定阶段测定的核心指标包括：低温弱光条件下的植株坐果率、坐果节位、畸形果率、产量损失率，耐低温弱光品种的坐果率高于40%，畸形果率低于10%，产量损失率比对照主栽品种低30%以上。蔬菜耐低温弱光性的最佳筛选时期为子叶展平后第3片真叶完全展开的苗期，该时期鉴定结果与全生育期抗性表现的相关性可达0.85以上，能够大幅减少后期筛选的工作量。5.简述分子标记辅助选择相较于传统表型选择的优势和适用场景分子标记辅助选择的核心优势体现在4个方面：一是选择时期提前，在作物发芽后苗期即可采集少量叶片提取DNA开展基因型鉴定，不需要等到目标性状表达，大幅缩短育种周期，比如番茄抗病毒病育种，传统表型需要成株期接种鉴定，苗期筛选可以节省3-4个月的田间种植时间；二是选择结果不受环境条件影响，不需要创造特定的抗病接种、低温胁迫等鉴定环境，避免了生物胁迫、非生物胁迫处理不均匀导致的表型鉴定误差，选择准确率可达到100%；三是可以精准区分纯合基因型和杂合基因型，针对隐性性状的定向选择效率比传统表型选择提升3倍以上，回交转育过程中可以通过全基因组背景标记筛选，仅2-3代就可以将轮回亲本的背景恢复率提升到99%以上，传统表型选择需要6代以上才能达到同等效果；四是可以同时聚合多个不同的优良目标基因，比如将番茄抗黄化曲叶病毒、抗枯萎病、抗根结线虫的4个抗性基因通过分子标记筛选聚合到同一个材料中，不需要多次接种多个不同病原物，操作简便效率高。目前分子标记辅助选择最适合的应用场景包括：单基因/少数主效基因控制的抗病性鉴定、品质性状基因型筛选、回交改良过程中的背景选择、难以开展表型鉴定的特殊性状筛选。四、论述题（每小题25分，共50分）1.论述十字花科异花授粉蔬菜杂种优势利用的主要途径，结合大白菜、甘蓝、花椰菜三个作物的生产实际分析不同途径的适配性、制种效率和应用痛点十字花科异花授粉蔬菜的杂种优势利用目前已经形成4类成熟技术路径，不同路径适配不同作物的生产特性，具体分析如下：第一类是自交不亲和系制种途径，技术原理是利用双亲的自交不亲和性，开花期放任昆虫授粉，完成异花杂交生产F1种子。该途径的优势是选育技术门槛相对较低，不需要特殊的性状诱导处理，制种流程简便，上世纪90年代到2010年前后是我国十字花科蔬菜杂交制种的主流技术路径。适配性方面，该路径最适合甘蓝育种，甘蓝的自交不亲和性稳定性高，受环境影响小，蕾期自交结实率高，自交不亲和系选育周期短，而大白菜和花椰菜的自交不亲和性受温湿度影响大，花期遇到30℃以上高温时亲和指数会显著上升，出现大量自交假杂种。制种效率方面，甘蓝利用自交不亲和系制种每亩可产种子80-120公斤，种子纯度稳定在90%-93%区间，基本满足生产用种要求。应用痛点方面，自交不亲和系多代自交后生活力衰退严重，亲本的繁殖系数逐年下降，种子生产过程中需要人工蕾期自交扩繁亲本，人力成本逐年上升，种子纯度无法达到国家一级良种98%的标准，近年来已经逐步被雄性不育系制种技术替代。第二类是胞质雄性不育系制种途径，技术原理是利用不育细胞质的不育基因控制母本完全不产生花粉，不需要人工去雄，放任父本花粉授粉生产F1种子。该途径的优势是种子纯度可以稳定达到98%以上，亲本扩繁流程简便，制种产量高，是目前大白菜的主流制种技术。适配性方面，大白菜经过多年种质改良，已经选育出了无黄化、无败育缺陷的改良Ogura胞质雄性不育材料，配合力水平高，完全适配生产需求，目前我国90%以上的大白菜商业杂交品种采用胞质雄性不育系制种。而甘蓝的胞质雄性不育系早期存在低温苗期黄化的缺陷，直到2018年前后我国育种家才选育出了改良版的甘蓝Ogura胞质不育系，目前逐步进入产业化应用阶段，制种产量比自交不亲和系提升30%以上。花椰菜的胞质雄性不育系转育难度极大，不同熟性的花椰菜材料转育不育系后普遍存在花球发育畸形的问题，目前还没有实现大范围产业化应用。应用痛点方面，胞质雄性不育系的保持系选育难度大，转育周期至少需要5年以上，单一胞质大面积推广容易带来潜在的病害流行风险，需要同步培育多种不同胞质类型的不育系，避免遗传背景单一导致的生产安全问题。第三类是核基因雄性不育系制种途径，技术原理是利用细胞核隐性不育基因，通过两用系的方式实现母本不育株比例50%，拔除可育株后开展杂交制种。该途径的优势是不育性完全由核基因控制，不存在胞质缺陷问题，后代表现稳定，目前在大白菜育种中也有一定范围应用。适配性方面，该途径适合开花期拔除母本可育株的操作，大白菜开花期生长量大，拔除可育株操作简便，但是甘蓝、花椰菜在开花前需要经过春化，拔除可育株会直接影响植株营养生长，导致制种产量大幅下降。应用痛点方面，制种过程中如果可育株拔除不彻底，会导致大量母本自交假杂种出现，种子纯度难以保证。第四类是人工蕾期去雄制种途径，技术原理是开花前人工去除母本的雄蕊，授予父本花粉生产杂交种子。该途径的优势是不需要选育特殊的不育系、自交不亲和系材料，适配所有十字花科蔬菜。目前花椰菜杂交种生产中60%以上采用该路径，因为花椰菜的花球是商品器官，蕾期人工去雄授粉单荚结籽数量可达到15粒以上，制种效率满足生产需求，而如果采用不育系制种，很多优良花椰菜基因型无法转育出正常的雄性不育系。应用痛点方面，人工去雄制种人力成本高，每亩制种的人工成本超过3000元，制种规模难以扩大。整体来看，不同途径的适配性需要结合作物的种质资源特性、生产成本、种子纯度要求综合选择，未来十字花科蔬菜杂种优势利用的主流方向是改良胞质雄性不育系规模化应用，配套分子标记辅助选育技术，进一步缩短不育系的转育周期，解决不同作物的适配性问题。2.结合我国设施蔬菜产业的发展需求，论述当前设施专用蔬菜品种的育种目标优先级调整方向以及对应的技术实现路径我国设施蔬菜种植面积已经超过3500万公顷，占蔬菜总种植面积的30%以上，2023年设施蔬菜总产值突破2.2万亿元，是菜篮子工程的核心支撑产业，传统的设施蔬菜育种目标以高产、抗病为核心，已经无法匹配当前的产业升级需求，育种目标优先级需要从3个维度进行调整，配套对应的技术路径实现产业化落地：第一，抗性育种目标从单一抗病向多抗复合抗性、非生物抗逆并重调整。传统设施番茄育种仅要求抗2-3种病害，而当前设施生产中连作障碍问题突出，连续10年以上连作的设施土壤中土传病害发病率超过60%，要求设施专用品种必须同时抗番茄黄化曲叶病毒、枯萎病、根腐病、根结线虫4类土传病害，同时抗灰霉病、叶霉病两种高湿诱导的气传病害，复合抗病位点数量要达到6个以上。同时设施环境长期处于低温弱光、高湿、高二氧化碳浓度的特殊条件，以往的露地品种耐逆性完全不匹配，要求设施专用品种必须具备耐10℃以下低温、耐50μmol·m-2·s-1弱光、耐35℃以上亚高温的综合抗逆性，长季节栽培模式下连续10个月采收期不早衰，落花落果率低于10%。该目标的技术实现路径采用多基因分子标记定向聚合技术，将所有的抗病、抗逆基因的功能标记整合到高通量SNP育种芯片中，在每一代育种材料苗期就进行基因型鉴定，淘汰没有聚合全部目标基因的单株，育种选择效率提升4倍以上，目前国内育种团队已经选育出聚合7个抗病位点的番茄长季节栽培品种，在山东寿光的设施种植中产量比传统品种提升25%以上。第二，品质育种目标从外观商品性优先转向风味品质、营养品质、耐贮运性状协同改良。以往设施蔬菜品种选育为了追求产量，大幅牺牲了风味品质，当前消费者的需求升级后，要求设施番茄的可溶性固形物含量达到8%以上，番茄红素含量高于20mg/100g鲜重，可溶性糖与有机酸的比值稳定在8-10的适宜区间，具备传统番茄的风味口感；设施黄瓜的苦味物质含量为0，挥发性风味物质己醛、己烯醇含量提升50%以上，无苦涩味。同时设施蔬菜生产的长距离运输需求，要求品种的耐贮运性提升，番茄在室温下存放15天仍然保持硬度，不会出现软熟腐烂问题。该目标的技术实现路径采用全基因组选择结合基因编辑定向改良技术，通过对番茄2000份核心种质的全基因组关联分析，定位控制可溶性固形物、风味物质的12个关键QTL位点，通过基因编辑定点敲除调控淀粉降解的SlSGR1负调控基因，将番茄的可溶性固形物含量从5%左右提升到9%，不需要导入外来基因，属于精准定向改良，育种周期从传统的8年缩短到3年以内。第三，轻简化栽培适配性育种目标优先级全面提升，适配当前劳动力短缺的产业现状。传统设施蔬菜栽培需要大量人工整枝、打杈、点花，劳动力成本占总生产成本的60%以上，要求设施专用品种具备侧枝自然封顶、不需要点花即可自然坐果、抗除草剂等轻简化性状，减少人工操作的环节，每亩设施蔬菜的用工量从传统的30个工日降低到10个工日以内。该目标的技术实现路径是从野生种质资源中挖掘自然单性结实的关键基因，通过远缘杂交渐渗结合分子标记筛选，选育出不需要点花即可正常坐果的番茄、黄瓜品种，坐果率稳定在90%以上，不需要喷施2,4-D等激素，既降低人工成本，又避免了激素残留带来的食品安全风险。整体而言，当前设施专用蔬菜品种的育种目标调整完全匹配产业升级的真实需求，通过将全基因组选择、基因编辑、分子标记辅助育种等前沿技术与传统常规育种技术结合，能够快速选育出满足需求的突破性新品种，支撑我国设施蔬菜产业高质量发展。五、综合应用题（共20分）针对华南夏秋露地专用小白菜新品种选育目标，完整的选育技术流程及各环节核心操作、鉴定指标、质量控制要求如下：第一步，原始种质资源精准评价阶段（耗时1年）。将230份地方农家种、72份引进国外种质、45份高代自交系全部种植在华南夏秋种植试点，35℃以上自然高温环境下开展全生育期性状调查，分别测定3类核心指标：一是抗逆性指标，采用人工摩擦接种TuMV-C4优势生理小种，统计接种15天后的病情指数，筛选出病情指数低于15的高抗TuMV株系；同时在38℃高温下处理10天，统计热害指数，筛选热害指数低于