不結球白菜種質資源的研究與利用

非球形卷心菜，俗稱青卷心菜和蔬菜（北方）。它是中國的特產。占長江中下游和城市地區(qū)總復種面積的30%40%，適宜生長速度快、適應性強、成本低等特點。南方諺語“三天不吃青,肚里冒火星”,可見它在蔬菜周年供應中所具有的重要地位。近年來,日、美及歐洲一些國家也廣泛引種栽培。據(jù)文字考證,不結球白菜古名“菘”,早在公元三世紀三國時期的《吳錄》中,就有“陸遜催人種豆、菘”的記載,以后兩晉、南北朝古文獻中均有記錄。據(jù)葉靜淵考證初步認為,不結球白菜起源中心是在長江下游太湖地區(qū)一帶,其栽培歷史悠久,并且在長期自然和人工選擇的演化進程中分布于各地,種質資源極其豐富。目前,我國保存于種質資源中期庫的不結球白菜種質資源有1387份。據(jù)國外文獻報道,不結球白菜品種歐洲共保存146份,東南亞96份,日本近90份,亞蔬中心和美國保存較少。1人類學的觀點本文以系統(tǒng)化思想為指導,從生態(tài)學和植物學的觀點出發(fā),依據(jù)系統(tǒng)研究的基本原則,進行種質資源的綜合研究(圖1),并在研究方法上具有以下特點。1.1自然地形及遺傳育種學檢測。在文立足宏觀研究,將不結球白菜種質資源作為完整的有機整體,分別從形態(tài)、栽培、分類、生理和遺傳育種學各領域進行多學科的研究,以認識和掌握不結球白菜的自然現(xiàn)象和自然規(guī)律,達到種質資源研究和開發(fā)利用的“整體效應”。1.2農藝鑒定與園藝學分類對不結球白菜種質資源研究劃分為資源的搜集整理,主要形態(tài)、栽培、生物特性等農藝性狀鑒定;在此基礎上提出園藝學分類法;按其分類進行抗性鑒定和綜合利用共五大層次,每個層次又分若干研究方向分別進行。并注意研究各層次或同一層次之間的相關性和種性的異同,揭示個體與群體、群體與環(huán)境之間的內在聯(lián)系和特點。1.3內容分析的研究在不結球白菜種質資源研究過程中,隨著科技進步和先進測試儀器的應用,從靜態(tài)的種質個體擴展到生長發(fā)育的動態(tài)周期研究,從外部形態(tài)深入到內部機制,從定性發(fā)展到定量研究。同時,各層次的研究并不完全是孤立的,而是互相依賴、互相反饋、互相促進、協(xié)同發(fā)展,并不斷引進和吸收新技術,以推動種質資源研究水平的不斷提高。種質資源的研究,同樣要遵循“理論與實踐并重,近期與長遠兼顧”的原則,在自然和人工條件下,采用田間試驗和室內鑒定相結合的研究方法,并以有效利用種質資源、促進蔬菜生產和為現(xiàn)代育種服務為最終目的,以期探索種質資源系統(tǒng)化研究和利用的新路子,創(chuàng)建種質資源研究的新體系。2社會學的觀察與研究2.1品種農藝性狀調查研究于1954—1965、1972—1976、1980—1982年多次深入白菜主產區(qū)調查和收集地方品種200余份,觀察記載共26個項目的各品種農藝性狀,并逐一拍照,整理出其中同名異種或異名同種的品種,為白菜種質資源研究和利用,奠定了堅實的物質基礎。2.2幾種常見的梗種以成株產品器官的經濟性狀為主,按株態(tài)、基生葉和莖、花序、花莖葉及根的特征,從形態(tài)學入手,進行綜合鑒定與分析。結果表明:1)株態(tài)與耐寒、豐產性有關,一般塌地品種耐寒性強于開展與直立型,而直立型生長速度和豐產性優(yōu)于塌地型。2)依葉柄色澤不同,分為青、白、紫紅梗3種。青梗有特殊香味,營養(yǎng)價值高,白梗甜嫩而紫紅梗多為薹用種。其中又分別有長、短、扁、圓梗類型,長梗多供加工腌漬,短梗鮮食用,‘二樁’則鮮食、腌漬兼用,圓梗較耐旱瘠,扁梗肥水要求嚴格。3)葉片變異多樣化,有全緣(板葉)、深裂(花葉)、復細鋸齒(雞冠狀)等。葉色自墨綠至淺黃綠,葉面平滑至有皺縮等。4)葉數(shù),一般10~15片,多者達近百枚,是產量構成的重要因素。5)不結球白菜與芥菜、甘藍等蕓薹屬植物同樣存在平行變異現(xiàn)象,除普通散葉型外,既有半結球與分蘗性品種,也有以肥嫩花薹為食用器官的品種,以及根部肥大,與葉同樣供食用的薹菜等。尤其是鑒定出一些品種的形態(tài)特征介于結球與不結球白菜之間的過渡型,如某些品種有葉翼與毛茸,花莖葉也有不抱莖者,為研究白菜的起源和演化提供了實際資料和新論據(jù)。2.3不同生態(tài)條件下蔬菜品種配比的篩選從生態(tài)學觀點出發(fā),觀察研究不同生態(tài)地理條件下華南、江淮、華北、西南等各區(qū)域白菜品種群。初步掌握在各種生態(tài)環(huán)境中適應性品種的類型分布、形態(tài)特征、發(fā)育特性及其顯著差異。并總結出相同生態(tài)條件下,各地定向選育成的形態(tài)近似,生育期不同的早、中、晚熟配套品種組合,有助于蔬菜品種區(qū)劃和科學引種。弄清白菜未能實現(xiàn)周年均衡生產與供應的主要癥結是缺乏夏季抗高溫暴雨的夏白菜,冬季抗凍的耐寒白菜,春季晚抽薹的春白菜和抗病、優(yōu)質、高產的秋冬白菜及各地對品種商品性的特定要求,為白菜的育種明確了主攻方向。3生物特征的研究3.1各品種播期對生育期的影響1954、1959、1960年對所收集的品種分3期播種,鑒定各品種生育、現(xiàn)蕾、抽薹、開花期及其與播種期的關系(表1)。結果表明,各類型品種的現(xiàn)蕾、抽薹、開花期和不同播期對生育期影響有明顯差異,并呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。同一品種在不同播期下,一般提早播種,對早熟品種的現(xiàn)蕾、抽薹和開花期均有提前趨勢,但對中、晚熟品種影響較小,主要是提早現(xiàn)蕾與抽薹,對開花期則影響不大。3.2春、冬性類型的選取1956—1957年分別對各地區(qū)不同類型代表性品種進行春化和光周期(采用長、短和自然光照處理)研究,并根據(jù)各類型品種對低溫感應的不同,歸納為春性、冬性弱、冬性、冬性強4個類型。春性品種不經低溫處理,在江南地區(qū)幾乎全年能抽薹開花;冬性弱品種需在0~12℃下處理10~20d,冬性品種需在0~9℃下處理20~30d;冬性強品種需在0~5℃下處理40d以上才能現(xiàn)蕾、抽薹或開花。同時,春化要求嚴格的品種,對光周期要求也愈嚴格。據(jù)此,可為各地改進其栽培技術和實現(xiàn)周年均衡生產中的品種選擇、茬口安排及良種繁育等提供了重要的科學依據(jù)。4種間線saheno在多年研究基礎上,依據(jù)各品種在植物學分類中的地位,主要生物學特性與栽培特點,形態(tài)特征的3級分類標準,提出了不結球白菜綜合性的園藝學分類法。確認我國不結球白菜屬蕓薹屬蕓薹種的一個亞種Brassicacampestrisssp.chinensisMakino,其下分5個變種(varieties):1)普通白菜類(munisTesnetLee);2)塌菜類(var.rosularisTsenetLee);3)菜薹類(var.tsaitaiHort.);4)分蘗菜類(var.multicepsHort.);5)薹菜類(var.taitsaiHort.)。每個變種下又分為若干類型。此分類法的意義和作用在于:1)進一步明確了不結球白菜在植物學分類中的地位,改正了國內外學者以往對其分類上的某些混淆之處,如將薹菜與菜薹混淆。2)在不結球白菜亞種中新增薹菜與分蘗菜2個變種,更準確地反映了種質資源的實際情況。3)改變了過去僅僅以形態(tài)特征為依據(jù)而缺乏其他規(guī)律可循的分類法,對認識其品種間的親緣關系或遺傳相關性,提供了一定可籍遵循的科學依據(jù),更具理論和實用意義。5抗抗劑的評估和分析抗性和品質分析鑒定是種質資源研究的重要環(huán)節(jié),日益為研究者所重視。5.1主要品種的抗凍性測定1959—1960年,對近100個品種,按五級耐寒性評分法,進行了田間比較觀察,初步獲得各類品種抗凍性與地理分布、發(fā)育特性和形態(tài)特征相關和差異的狀況。1984—1985年選擇有代表性的主栽品種及雜交種,采用田間鑒定與電導法相結合的方法,進行抗凍性測定。研究結果表明,普通白菜類致死溫度在-8.9~-13.8℃之間;塌菜類在-10.8~-11.1℃范圍;薹菜類為-12.1~-13.5℃之間;菜薹類一般在-5~-10℃范圍。而雜種一代如‘矮雜二號’與普通白菜‘二月白’或‘三月白’類型相近,在-11.3~-13.1℃的范圍。并且在前人研究基礎上,進一步提出用消除本底的Logistic方程拐點溫度來估計不結球白菜的低溫致死溫度,改進了植物組織低溫致死溫度的確定方法。5.2不結球菜病毒病的鑒定1959—1960年按發(fā)病率高低的4級評分法,對100余個品種進行田間鑒定,初步獲得品種中抗病強弱的信息。1983—1985年對南京主要菜區(qū)采集的529份不結球白菜病毒病葉樣進行鑒定和分離。確定了該地區(qū)病毒病的類型有TuMV、TMV、CMV的單一和復合侵染,其中TuMV所占比例較大,為主要毒源,主導株系是TuMV84-13-36。并對473份不同類型的品種、品系及雜種進行苗期人工接種和田間自然誘發(fā)鑒定。同時,對抗病單株進行系譜選擇和篩選,獲得高抗、抗及耐病材料40余份。1986—1987年繼續(xù)擴大對種質資源多抗性鑒定和抗源篩選,并進一步配制組合和研究多抗性的鑒定方法和技術。5.3上海研磨慢的篩選南方不結球白菜周年供應中,普遍存在4—5月份春淡期。因此,從豐富的種質資源中鑒定和篩選出晚抽薹品種,對解決蔬菜春淡季的供應具有重要意義。1960—1963年在對各地遲熟品種的調查、引種和選擇基礎上,選用20個晚抽薹品種進行比較試驗,結果見表2。從表2可見,‘上海五月慢’是一個優(yōu)良的晚抽薹品種,比一般遲熟品種延遲10~15d抽薹。依據(jù)現(xiàn)蕾與抽薹速度,將晚抽薹種質資源歸納為3種類型:慢薹型、速薹型、漸薹型,抽薹期愈晚則單位面積產量和每日生產率愈高。5.4高溫和高濕模型資源的生長特性1963—1965年對各地區(qū)不同類型的代表品種,分別進行田間抗熱性觀察和品質分析,并對春白菜類型的主要品種的品質和食用價值進行測定和評價。結果表明,抗高溫和高濕的資源,一般屬普通白菜類的極早熟和早熟型。從生態(tài)型看,一般株型較直立,長梗小葉的生長速度快。中晚熟白菜和塌菜一般不耐熱。而品質分析和評價說明,大部分地區(qū)均有代表性的優(yōu)質地方品種,其中以塌菜類最佳,并且因用于鮮食、腌漬加工或兩者兼用的不同食用價值而各具特色,為抗熱和品質育種提供了有價值的基礎材料。6雜種優(yōu)勢及配合力1972—1976年,結合白菜雜種優(yōu)勢利用,對各代表品種的一代雜種主要經濟性狀的遺傳動態(tài)進行了觀察與分析(表3)。同時于1974—1975年,對腌漬白菜代表品種的雜種優(yōu)勢與配合力采用雙列雜交法進行分析。試驗表明,產量和抗病性的雜種優(yōu)勢因組合、正反交而異。有些組合還因年份、地點等環(huán)境條件而不同。其產量雜種優(yōu)勢的廣義遺傳力估計值為76.7%~81.7%,并發(fā)現(xiàn)親本間在一般配合力、特殊配合力以及它們的波動上都有各自的特點,故選配組合時,對一般和特殊配合力及正反效應都需重視。1984年對普通白菜類的雜種優(yōu)勢與配合力進一步試驗分析證明,雜種種子千粒重、發(fā)芽勢、苗期的株高、葉柄長和葉柄重及成株單株重均表現(xiàn)出明顯的雜種優(yōu)勢。配合力分析說明,除與營養(yǎng)品質有關的性狀外,其余各種性狀在遺傳型中都存在顯著差異。其中葉片重和葉面積等性狀的一般配合力方差大于特殊配合力方差,說明它們可能主要由加性基因控制,能較穩(wěn)定地遺傳,而單株、葉柄、短縮莖重等性狀的一般配合力方差小于特殊配合力方差,這反映出它們可能主要取決于基因非加性效應。上述研究,為親本選配及育種方法的選擇,提供了優(yōu)良的基礎材料和理論依據(jù)。7物種資源遺傳多樣性分析與基本物種建設7.1球菜主要形態(tài)多樣性對125份不結球白菜的形態(tài)多樣性進行了分析,結果表明,我國不結球白菜具有豐富的形態(tài)多樣性,地區(qū)中以江蘇的不結球白菜平均多樣性指數(shù)最高,達0.972,性狀中以葉柄長的變異系數(shù)最大,達59.77%。通過多變量的主成分分析,第一主成分和第二主成分代表了不結球白菜形態(tài)多樣性的48.4%。通過系統(tǒng)聚類,把125份不結球白菜種質資源聚成6類,普通白菜不同程度地分別與塌菜、菜心、分蘗菜和薹菜聚在一起,說明普通白菜與其他種類間存在一定的親緣關系。7.2引物形成與遺傳多樣性用RAPD分子標記對國內外64份不結球白菜種質資源的DNA遺傳多樣性進行了分析。結果表明,23條引物共檢測出147個位點,其中71條為多態(tài)性位點,多態(tài)性比率達48.30%,平均每個引物產生6.39個位點和3.09個多態(tài)性位點。不結球白菜各類型中以普通白菜的Shannon信息指數(shù)為最高(0.1946);各生態(tài)區(qū)域中以江淮流域的Shannon信息指數(shù)為最高(0.1888);中國的Shannon信息指數(shù)高于國外,說明江淮流域是不結球白菜遺傳多樣性最豐富的地區(qū)。遺傳變異估算表明,不結球白菜的遺傳分化系數(shù)為59.05%,大部分變異主要存在于種群間;基因流為0.4995,說明群體間基因流動較少。7.3遺傳豐富度及聚類分析利用SRAP分子標記對國內外64份不結球白菜種質資源的DNA遺傳多樣性進行了分析。結果表明,21對引物組合共檢測出215個位點,其中112條為多態(tài)性位點,多態(tài)性比率達52.09%,平均每對引物組合產生10.24個位點和5.33個多態(tài)性位點。不結球白菜各類型中普通白菜的Shannon信息指數(shù)(0.2161)和遺傳豐富度((190)88.37%)最高;各生態(tài)區(qū)域中江淮流域的Shannon信息指數(shù)(0.2194)和遺傳豐富度((185)86.05%)最高;中國的Shannon信息指數(shù)(0.1949)和遺傳豐富度((188)87.44%)均高于國外。遺傳變異估算表明,不結球白菜遺傳分化系數(shù)為58.22%,大部分變異存在于種群間;基因流為0.4031,說明群體間基因流動較少,遺傳分化程度較高。聚類分析結果表明,以遺傳相似系數(shù)0.872為截值,可按生態(tài)區(qū)域或生態(tài)特征把不結球球白菜分為6個類群。與RAPD分子標記相比,每個SRAP引物擴增出的位點數(shù)較RAPD多60.25%,擴增出的多態(tài)位點數(shù)較RAPD多72.94%,多態(tài)位點比率較RAPD高7.85%,說明SRAP標記較RAPD標記的多態(tài)性高。7.4核心種質構建策略對195份不結球白菜種質資源,采用優(yōu)先取樣,調整的歐氏距離計算樣品間的遺傳距離,用不加權類平均法、可變類平均和離差平方和分別進行系統(tǒng)聚類,選擇原始種質的15%、20%、25%、30%和35%取樣水平,應用Shannon多樣性信息指數(shù)、Simpson遺傳多樣性指數(shù)、表型保留比率、表型頻率方差、均值差異百分率、方差差異百分率、均值比、方差比、最大值、最小值、極差、變異系數(shù)等12個評價指標,結合數(shù)量性狀和質量性狀進行不同核心種質構建策略對比分析,并進行了檢驗。結果表明,以30%的取樣水平,按優(yōu)先取樣+多次聚類隨機取樣+不加權類平均聚類法為中國不結球白菜核心種質的可行策略;從195份資源中構建了59份核心種質;10個數(shù)量性狀和12個質量性狀的遺傳多樣性指數(shù)未達差異顯著水平。構建的核心種質能夠代表原始種質的遺傳變異多樣性;核心種質的構建也能說明不結球白菜的起源中心。8選育抗高溫、高產、優(yōu)質品種,構建品種核心帶種質資源的搜集、保存、鑒定和研究,其最終目的在于開發(fā)和利用。正因為有效利用了資源研究中所獲得的重要試材和理論依據(jù),并采用先進的育種方法與技術。因此,加速了優(yōu)良品種的發(fā)掘和新品種選育的進程,同時,為蔬菜周年均衡供應的研究和進行蔬菜區(qū)域規(guī)劃及充實教學內容提供了重要科學依據(jù)。1)發(fā)掘‘上海五月慢’。針對白菜“晚春缺”,1960—1961年從春白菜晚抽薹品種資源中,發(fā)掘出優(yōu)良地方品種‘上海五月慢’,經品種比較試驗,較‘南京四月白’遲抽薹10~15d,增產17.3%~91.6%。自1963年始,在江蘇、廣西、江西省直接繁種推廣,有效地緩和了當?shù)?—5月蔬菜淡季供應。2)選育出‘苜腌’新品種。針對冬季缺抗病高產的腌漬品種,1975年從腌漬品種資源中,選擇‘南京高樁’ב杭州瓢羹白’的一代雜種,進一步在其后代中選育出抗病、高產、優(yōu)質的‘苜腌’新品種,并成為當?shù)刂髟云贩N,對改善冬季腌菜供應起到積極作用。3)育成抗熱‘矮雜一號’新品種。針對白菜“伏缺”,1973年以耐熱品種資源‘常州短白梗’為父本,與‘南京矮腳黃’兩用系為母本雜交,育成抗高溫、暴雨、高產、優(yōu)質的‘矮雜一號’抗熱新品種,較對照增產30%~152%,1977年起陸續(xù)在江蘇、安徽、四川、湖北等21個省、市推廣,對克服各地蔬菜“伏缺”起到重大作用。4)選育出耐寒‘矮雜二號’和‘矮雜三號’新品種。針對白菜“春缺”,1977年利用耐寒品種資源‘南京亮白葉’及‘合肥黑心烏’為父本,‘矮腳黃’兩用系為母本,育成耐寒性強的‘矮雜二號’和‘矮雜三號’一代雜種,1980年起在全國10余省廣泛推廣,對解決當?shù)厥卟恕按喝薄卑l(fā)揮了重要作用。5)育成雄性不育兩用系、自交不親和系,選育出‘矮抗五號’、‘矮抗六號’、‘暑綠’、‘寒笑’新組合。針對雜優(yōu)利用制種技術難題,1972年從優(yōu)良地方品種‘矮腳黃’自交后代中,育成雄性不育兩用系,不僅用于‘矮雜一、二、三號’的