抗落粒芝麻新品種選育進展與啟示

鄭 磊， 姚小丹， 張仙美， 吳鶴敏， 劉美茹， 衛(wèi)松山

(漯河市農(nóng)業(yè)科學院，河南漯河 462300)

在我國逐步實現(xiàn)工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、現(xiàn)代化這一經(jīng)濟社會發(fā)展大背景下，農(nóng)業(yè)機械化是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的必然要求。芝麻生產(chǎn)機械化程度低，特別是不能機械化聯(lián)合收獲已成為迫在眉睫的突出問題。機械化收獲根本解決途徑是宜機收芝麻的選育。目前芝麻品種開裂是完全機械化的首要障礙。裂蒴型品種在干旱天氣下可達60%～70%的產(chǎn)量損失，降水后損失更大。大多數(shù)國際芝麻學術會議都將抗裂蒴品種選育作為最重要的方向之一。

抗裂蒴只是衡量籽粒保持能力的一個方面，抗落粒更為確切。從全球范圍看，美國適合機械化收獲的芝麻品種已經(jīng)商品化，對抗落粒品種研究較為透徹。保加利亞、泰國、以色列、中國等國家近年來也開展了抗落粒芝麻品種的研究、選育與應用，其中有成功也有挫折。已發(fā)表的文獻缺乏詳實的抗落粒芝麻育種專題綜述。筆者回顧了國內(nèi)外、特別是美國的抗落粒芝麻品種的研究進展，以期為我國抗落粒芝麻育種提供思路和啟示。

裂蒴性分為裂、輕裂、不裂3種。開裂品種不抗落粒；不裂(即閉蒴)品種不會落粒；輕裂(即半閉蒴)具有一定的抗落粒性。

1 閉蒴品種的選育

閉蒴品種不會落粒，芝麻育種家們最初目標都是選育閉蒴品種，除了尋找自然突變體，也用誘變的方法來創(chuàng)造突變體。

1.1 id閉蒴突變體

Langham在委內(nèi)瑞拉發(fā)現(xiàn)了一個隱性單基因控制閉蒴的自然突變體，將其命名為(indehiscent)基因。Nafie研究后認為，閉蒴性狀有2種不同的遺傳模式：一些組合中表現(xiàn)為單基因控制，還有一些組合中表現(xiàn)為雙基因控制。劉艷陽等利用閉蒴材料，采用超級群體分離分析法(Super-BSA)，將閉蒴基因定位在第8連鎖群上。該基因屬于()基因家族。與裂蒴親本相比，閉蒴親本中基因第2個外顯子及第2個內(nèi)含子連接處缺失一段14 bp的序列(T A C A G G T A G C T A T G)，cDNA序列缺失77 bp，導致翻譯提前終止，從而產(chǎn)生閉蒴性狀。通過原核表達，證實了突變基因在翻譯過程中提前終止。Zhang等利用閉蒴材料，采用關聯(lián)分析的方法，將閉蒴基因定位在第8連鎖群上，在閉蒴卷葉突變體中有20個核苷酸(C A G G T A G C T A T G T A T A T G C A)突變?yōu)?個核苷酸(T C T T T G)，最終導致翻譯提前終止。

Ashri等發(fā)現(xiàn)隱性純合品種縫線處中果皮細胞層數(shù)的增加是閉蒴的主要原因，認為反復的吸濕和干燥造成蒴果壁上的張力不同，引起蒴果開裂，而這些增加的細胞阻止了其開裂。Day研究認為，中央維管束和外果皮之間中果皮細胞層數(shù)的增加是造成閉蒴的原因。

突變體具有基因多效性：莖稈扭曲；葉背和花上有凸起；子葉和真葉呈杯狀；雌蕊短而彎曲導致大量不育，產(chǎn)量低。閉蒴材料經(jīng)過改良，大多數(shù)問題都得到了改善。美國育種家相繼選育出genesa2、Rio、Palmetto 3個品種。這些品種蒴果太硬，很多蒴果在聯(lián)合收割機里無法打開，無法有效脫粒。如果加大機器轉速，則造成籽粒受損，游離脂肪酸增加，種子酸敗。為此，Culp提出了聚合蒴果薄皮基因和基因來解決脫粒問題。Langham詳細介紹了美國芝麻育種家利用突變體的所做的一些嘗試：Kinman利用薄皮基因的策略，選育出Baco、Delco。蒴果外殼薄，更容易造成蒴果開口端卷曲，無法有效脫粒。Yermano通過增加蒴果長度，以期增加蒴果在聯(lián)合收割機的接觸面積，進而使蒴果開裂脫粒。他選育出的閉蒴品種R234蒴果長4.0 cm。蒴果長度的增加，不但會造成更多的表面斷裂，而且脫粒時種子須移動更長的距離。Smith從R234材料中選擇了Eli和Roy，并改進了含有薄皮基因的Baco。但上述品種仍然沒有成功，存在產(chǎn)量和酸敗的問題。Sesaco公司成立后，在Kinman留下的材料中選出帶有薄皮和閉蒴基因的S01(Sesaco 01)。由于收獲時種子受損嚴重，只用了1年。S01是Sesaco唯一的閉蒴品種。

1.2 無縫閉蒴(gs)突變體

Langham等發(fā)現(xiàn)了第2個閉蒴突變體()，它也是隱性單基因控制的。因為沒有縫線，2個心皮看上去只有1個心皮。蒴果比S01果皮更薄，在聯(lián)合收割機里同樣很難打開，經(jīng)過5年的選育，最終被放棄。

1.3 誘變閉蒴突變體

在聯(lián)合國糧農(nóng)組織(FAO)和國際原子能機構(IAEA)的幫助下，許多種植芝麻的發(fā)展中國家通過誘變來提高籽粒保持能力。Cagirgan利用γ射線誘變出8個閉蒴突變體和1個半閉蒴突變體。Uzun等利用群體分離分析法(BSA)法找到了與突變體連鎖的擴增片段長度多態(tài)性標記(AFLP)。Diouf等利用鈷60，300戈瑞(Gy)和400 Gy輻射劑量，獲得9株閉蒴突變體，他們認為γ射線的有效突變再加上有足夠大的群體時，容易獲得閉蒴突變體。而Mussi等通過用300 Gy和400 Gy 2種劑量的γ射線照射開裂芝麻品種Escoba Blanca，沒有產(chǎn)生閉蒴突變體。Wongyai等用500 Gy γ射線和EMS進行種子處理獲得了延遲開裂和抗落粒芝麻突變體。Maneekao等用γ射線和快中子獲得了半閉蒴突變體。Peleg等利用EMS誘變獲得了閉蒴品系S-91，并將閉蒴基因定位在第8連鎖群上，利用鑒定出的單核苷酸多態(tài)性(SNP)開發(fā)了高分辨率熔解標記。

1.4 其他的閉蒴品種

Georgiev等開展了芝麻機械化育種研究，起初，研究人員認為只有閉蒴品種才能實現(xiàn)機械化收獲。Georgiev等從俄羅斯引進閉蒴芝麻資源87010。利用該資源進行雜交，后代出現(xiàn)諸如葉片變形、不育等不良性狀，然后經(jīng)過多次雜交選擇，去除許多不良性狀。經(jīng)過多年努力改良，他們發(fā)布了閉蒴品種Viktoria。該品種的缺陷是田間干燥時間長，成熟時，閉蒴使種子的水分保持在15%以上；產(chǎn)量較低，采用聯(lián)合收割機收獲，有25%～50%的蒴果不能脫粒，機械損傷的種子達到50%。針對閉蒴材料，Ishpekov等建議采用兩段式收獲：先從植株上收獲蒴果，再將蒴果晾曬后脫粒2個步驟。其中，如何收獲蒴果尚未解決；干燥后的蒴果脫粒已經(jīng)解決——Kollev等研發(fā)一種專門脫粒設備，91%的種子能夠脫粒。

2 半閉蒴品種的選育

單基因控制的閉蒴具有完全的籽粒保持能力，但存在著難以脫粒的問題。育種家們逐步認識到芝麻機械化聯(lián)合收獲需要滿足2個條件：一是收獲前籽粒保持在蒴果內(nèi)不能丟失，二是在聯(lián)合收割機內(nèi)，能夠以最小的力將籽粒釋放，種子完好。籽粒保持和籽粒釋放過多過少都不能實現(xiàn)機械化收獲。育種家們通過聚合多個蒴果性狀來實現(xiàn)二者的平衡，即選育蒴果頂部稍微開口的半閉蒴品種。

2.1 美國Sesaco公司半閉蒴品種研究進展

2.1.1 半閉蒴品種所需的蒴果性狀 為了提高芝麻的籽粒保持能力，Sesaco公司研究了芝麻干燥后蒴果的形態(tài)，確立了蒴果開口(capsule opening)、心皮開裂(capsule split)、假膜完整性(capsule membrane completeness)、假膜附著性(capsule membrane attachment)、果皮收縮(capsule constriction)、籽粒胎盤附著(capsule placenta attachment)6個主要蒴果性狀，每個性狀評分為0～8級，具體見表1。

表1 Sesaco公司確定的適合機械化育種的6個蒴果性狀[12]

籽粒胎盤附著(TP)和蒴果開口(TO)是影響籽粒保持最重要的2個性狀， 心皮開裂(TS)和果皮收縮(TC)是籽粒釋放最重要的2個性狀。所有性狀都是相關的：假膜完整性(TM)和假膜附著性(TA)可以互補；非常好的籽粒胎盤附著(TP)可以補償更多的蒴果開口(TO)。

Sesaco公司通過聚合以上6個性狀培育出一系列半閉蒴品種，具體見表2。

表2 Sesaco公司所用的具有6個蒴果性狀的資源材料[28]

2.1.2 抗落粒性的評價方法 上述蒴果性狀主要用于新材料鑒定和親本選擇，隨著各個性狀的聚合，需要一種衡量后代品系籽粒保持總體效果的方法。Langham先后采用籽粒保持評級(HLD)、直立抗落粒能力測試(USR)和倒置抗落粒能力測試(ISR)、振動篩抗落粒能力測試(SSR)、擊鼓測試(drum test)等多種評價方法。

2.1.2.1 HLD評級 HLD評級由蒴果直立籽粒保持(capsule upright hold，TI)、蒴果倒置籽粒保持(capsule inverted hold，KE)和蒴果開口(capsule opening，TO)3個指標的數(shù)字等級組成。TI為干燥后植株上蒴果的種子量；KE為從植株上輕輕取下蒴果，倒置旋轉后留下的種子量。每個數(shù)字在0～8的范圍內(nèi)(0=無種子；1=少量種子；4=半蒴種子；7=大量種子；8=所有種子)；TO為蒴果開口。KE是關鍵評級，其缺點為主觀性強，同時評級會隨著評價時間的推移而發(fā)生改變。因此，須要制定一種客觀量化的評價方法。

2.1.2.2 USR和ISR方法 Langham制定了可以量化的USR和ISR方法。方法為取10個生理成熟綠色蒴果，直立放置干燥后，對掉落的種子稱質量()，模擬在植株直立情況下的落粒。然后模擬聯(lián)合收割機收割作業(yè)，將蒴果旋轉后從15 cm高落下3次，對掉落的種子稱質量()，留在蒴果里的種子稱質量。總質量=++、USR=(總質量-)/總質量、ISR=/總質量。

KE評級和USR方法都不能進一步地進行區(qū)分籽粒保持優(yōu)異的品系。此外，KE評級和USR方法取決于測量時間，測量越早，得分越高。于是Sesaco公司制定了SSR方法。

2.1.2.3 SSR方法 在所有種子成熟至第1個蒴果干燥之間，取10個蒴果，測籽粒產(chǎn)量。3個月過后，在同一小區(qū)內(nèi)再取10個蒴果，測籽粒產(chǎn)量。二者比值稱為天氣抗落粒性(weather shatter resistance)。由于成熟后需等待3個月測量，這種方法可操作性差，Sesaco公司利用往復振蕩器來模擬天氣的影響。經(jīng)過試驗，確定了振幅3.8 cm，頻率 250次/min，振蕩10 min，籽粒保持效果與天氣抗落粒性相差最小，模擬了環(huán)境因素對籽粒保持的影響。SSR=(總質量--)/總質量，用百分比表示。其中和總質量與ISR公式對應含義相同，與ISR公式中的有區(qū)別，表示蒴果經(jīng)過機械振動后掉落的種子。用機械振動代替15 cm高處掉落的操作，實現(xiàn)了對蒴果沖擊力量的標準化，并且速度更快。

2.1.2.4 擊鼓測試 擊鼓試驗是將手指放在距離主莖中心約1.2 cm的地方，用食指和中指交替快速連續(xù)擊打主莖，就像擊鼓一樣。嗒嗒聲反映果皮收縮(TC)的程度，聲音大表明蒴果里的種子松動，籽粒保持性稍差。該方法用于IND(improved non-dehiscent)品種的主觀判斷。

2.1.3 發(fā)布的半閉蒴品種 根據(jù)籽粒保持能力和收獲方式的不同，Sesaco公司將半閉蒴品種命名為抗落粒品種(non-shattering，NOSHA)、聯(lián)合收獲品種(direct combine，DC)、抗裂蒴品種(non-dehiscent，ND)、改良抗裂蒴品種(improved non-dehiscent，IND)幾個階段。芝麻抗落粒術語尚未統(tǒng)一。如“2.1.1”節(jié)所述，蒴果的裂蒴性狀(抗裂蒴)是實現(xiàn)籽粒保持能力(抗落粒)的一個方面，Sesaco公司將抗落粒和抗裂蒴并列起來命名的方式有待商榷。

起初，Sesaco公司制定了一個抗落粒新品種的最低要求：先用鋪條機割倒鋪條晾干，然后用聯(lián)合收割機撿起脫粒。這些品種被稱為NOSHA。1982年發(fā)布第1個NOSHA品種。這類品種包括 S02(Sesaco 02)、S03、S04、S05、S06、S07、S08、S09、S10、S12、S14。

下一步是DC品種，可以直接用聯(lián)合收割機收獲。1988年發(fā)布第一個DC品種。發(fā)布的DC品種有S11、S15、S16、S17、S18、S19、S20和S21。

1997年，ND品種問世，其標準為SSR>64.9%。ND品種比DC品種籽粒胎盤附著能力更強，從而表現(xiàn)出更加優(yōu)異的的抗落粒性。發(fā)布的ND品種有S22、S23、S24、S25、S26、S28、S29、S55。

IND品種為改良ND品種，是Sesaco公司發(fā)布的最新品種。它保留了ND品種SSR>64.9%的標準，同時要求通過擊鼓測試。與ND品種的區(qū)別在于成熟后落粒的速度更慢，芝麻收獲適期1個月后，植株上85%蒴果沒有落粒，發(fā)布的IND品種有S27、S30、S32、S33、S34、S35、S36、S37、S38、S39、S70。

2.2 保加利亞半閉蒴品種研究進展

Ishpekov等認為半閉蒴品種蒴果應具有5個性狀：蒴果頂端開口小；心皮開裂至蒴長一半；胎盤和假膜緊貼；蒴果上部狹窄；籽粒胎盤附著。Stamatov等發(fā)現(xiàn)，蒴果狹窄的位置比蒴果狹窄的程度影響更大。狹窄處與底部的距離對籽粒保持影響最大，其次為籽粒胎盤附著強度。

Ishpekov等利用1個由擺錘和測量記錄電子系統(tǒng)組成的試驗裝置開展籽粒保持能力評判(擺錘試驗)。方法為記載成熟時自然掉落的種子質量；擺錘撞擊后，蒴果在慣性作用力下一部分種子脫落，脫落種子質量，剩余種子質量為。擺錘試驗與Sesaco公司的SSR方法主要區(qū)別在于，前者為對蒴果施加的是慣性作用力，而后者為對蒴果施加的是碰撞力。Ishpekov利用3個指標進行評價，=/(+)、=/(+)、=/(+)，并認為反映自然脫粒種子的多少，其值高的品種不適合機械收獲；反映撞擊后蒴果剩余種子的多少，主要蒴果狹窄等蒴果形狀引起，值高說明須要打爛果皮后脫粒；反映籽粒胎盤附著能力，值高說明可以正常脫粒。Stamatov等研究認為，≥1.5，狹窄處與蒴果底部距離與蒴長之比≥60% 時，籽粒保持可達100%。

Ishpekov等發(fā)布了3個半裂蒴芝麻品種，分別為Aida、Nevena和Valya。

2.3 中國半閉蒴品種研究進展

師立松等測量計算蒴果長、蒴果寬等10項指標，通過多種統(tǒng)計學分析，認為裂口寬可以作為芝麻抗裂蒴性鑒定評價的指標，并篩選出11份高抗裂蒴種質。張秀榮等選育出微裂蒴品種中芝78和中芝75，大田機收獲機損率分別為14.4%、10.8%。河南省農(nóng)業(yè)科學院芝麻研究中心張海洋團隊研發(fā)出的半閉蒴新品系豫芝NS610和豫芝ND837，具有很好的籽粒保持性狀(未發(fā)表)。

2.4 其他國家半閉蒴品種研究進展

Kang通過將芝麻倒放在袋子里，稱量干燥后掉在袋子里的種子；蒴果內(nèi)種子脫粒并稱量，計算落粒百分比來評估籽粒保持性。Shim等選育的Kopoom品種具有抗裂蒴特性。

Gar等用3個抗裂蒴指標(SRC1表示晃動植株掉落的種子數(shù)；SRC2表示蒴果倒置后保留的種子；SRC3表示蒴果長度與開口長度的比值)、8個F代群體進行了數(shù)量性狀基因座(QTL)定位，利用中國農(nóng)業(yè)科學院油料作物研究所發(fā)布的第1版芝麻參考基因組，將8個抗裂蒴QTL定位在LG3、LG5、LG6、LG7、LG11、LG15、LG16 7個連鎖群上。

Dash等測量了10個指標來檢測抗落粒性狀：干燥前心皮開裂長度(CS1)、干燥后心皮開裂長度(CS2)、干燥前蒴果開口大小(CO1)、干燥后蒴果開口大小(CO2)、翻轉后損失種子數(shù)(UN)、翻轉后損失種子質量(UW)、翻轉后保留種子數(shù)(RN)、翻轉后保留種子質量(RW)、種子總數(shù)(PSN)、種子總質量(PSW)。通過這些指標計算6個參數(shù)：心皮開裂程度ESC=(CS2-CS1)/CL，其中CL為蒴長；蒴果開口程度ECO=(CO2-CO1)/CL，其中CL為蒴長；直立抗裂蒴性USR=(UW+RW)/PSW；倒轉抗裂蒴性ISR=RW/PSW；果皮收縮CCON=RN/PSN；振動篩裂蒴性SSR=(PSW-UW)/PSW。參數(shù)USR和ISR的計算采用1998年FAO/IAEA曼谷會議推薦的方法，其他參數(shù)差異較大。利用該評判標準，他們篩選出7個籽粒保持良好的品系作為親本使用。

泰國農(nóng)業(yè)大學利用Sesaco 20和具有延遲開裂特性的KUds6111雜交選育出C plus 1和C plus 2等2個籽粒保持品種。Phumichai等認為C plus 1是由2個基因重疊作用引起，并開發(fā)出了籽粒保持性狀的序列特異性擴增區(qū)標記(SCAR)。此外，Wongyai等利用籽粒保持芝麻品系與開裂芝麻品系雜交，采用SSR方法進行篩選，選育出半閉蒴芝麻新品種KU21，籽粒保持可達98%。

3 討論與啟示

3.1 閉蒴品種的選育

閉蒴品種能夠完全解決籽粒保持的問題，主要缺點是不能有效脫粒，現(xiàn)在已經(jīng)被大多數(shù)國家的育種研究者放棄。但隨著新技術的發(fā)展，特別是專用脫粒機械的研發(fā)，也許能夠為解決該難題提供新的思路。這不僅需要育種家的努力，還需要機械工程師的幫助。

3.2 半閉蒴品種的選育

半閉蒴品種是蒴果籽粒保持和籽粒釋放平衡的結果，既具有一定籽粒保持的特性，又可以實現(xiàn)有效脫粒。其缺點為籽粒有不同程度的落粒損失，隨著新品種的改良，只能接近手工收割的損失率。半閉蒴品種的主要目標就是提高籽粒的籽粒保持能力，降低落粒損失率。當包括人工等成本在內(nèi)，種植抗落粒芝麻比手工收割裂蒴品種效益高時，抗落粒芝麻就可以推廣，半閉蒴品種是目前各國抗落粒品種研發(fā)的重點方向。

關于芝麻抗落粒品種所需的蒴果性狀，美國育種家總結得最為全面。保加利亞蒴果指標與美國大體相同，主要差異為蒴果收縮變?yōu)檩艄敳开M窄?？梢钥隙ǖ氖?，蒴果開口大小是影響籽粒保持性極其重要的性狀。半閉蒴品種頂端有一個小的開口，勢必造成成熟后在大風等自然條件下落粒，因此籽粒胎盤附著，特別是頂端胎盤附著可以阻擋蒴內(nèi)的種子向外流失。在蒴果開口較小的前提下，胎盤附著強度和持續(xù)時間很大程度決定了品種的抗落粒性。此外，心皮沿縫線開裂是蒴果在聯(lián)合收割機中籽粒順利無損釋放的關鍵因素，典型的佐證例子就是閉蒴基因和閉蒴基因在修飾基因作用下，出現(xiàn)了蒴果頂部開口的雜交后代，由于心皮沒有開裂，仍有很高的籽粒受損。筆者認為，蒴果開口、籽粒胎盤附著和心皮開裂是半閉蒴必須具備的蒴果性狀，其他性狀有待開展重復性的甄別，以確定最佳性狀。

在籽粒保持效果評價方面，Ishpekov等利用上述擺錘試驗、Sesaco公司的USR和ISR方法、自然風干的方法對同一組材料進行籽粒保持的評價。筆者根據(jù)其試驗結果進行了分析，Sesaco公司方法與自然風干方法相關系數(shù)高，可以反映田間抗落粒綜合表現(xiàn)；可能是擺錘試驗的計算方法的原因[筆者認為，擺錘試驗指標和Sesaco的ISR指標可以通過ISR=/(1+)進行換算，由于缺乏2種方法對同一材料評價的原始數(shù)據(jù)，不能比較二者的效果]，其指標沒能很好地反映田間抗落粒表現(xiàn)，筆者推薦Sesaco公司的抗落粒評價技術。對于高代抗落粒品系，先采用田間主觀判斷的方法(如HLD評級或擊鼓測試)，評級高的優(yōu)良品系再進行SSR等客觀評價方法，可以大大減少工作量。

半閉蒴品種的籽粒保持是幾個蒴果性狀共同作用的結果。筆者認為遺傳分析不宜如Gar等所做的那樣，用品種抗落粒的綜合表現(xiàn)作為考察指標。因為籽粒保持的綜合表現(xiàn)不是一個性狀，而是幾個不同但具有相關性的蒴果性狀共同作用的結果，性狀不同的組合形式，可能表現(xiàn)出相同的籽粒保持效果，用抗落粒的綜合表現(xiàn)作為考察指標有可能得不到準確的結果。應該對涉及的各個蒴果性狀進行遺傳研究，找出每個性狀的主效QTL，開展分子標記輔助選擇和設計育種，才有可能迅速實現(xiàn)幾個蒴果性狀的聚合，加快抗落粒新品種選育進程。

抗落粒性涉及的蒴果性狀是數(shù)量性狀，從美國的育種經(jīng)驗看，通過反復雜交逐步提高了一些蒴果性狀(如籽粒胎盤附著)，進而提高了品種的籽粒保持能力。中國農(nóng)業(yè)科學院油料作物研究所和河南省農(nóng)業(yè)科學院芝麻研究中心的抗落粒材料必將為我國芝麻機械化收獲育種做出巨大貢獻，同時還須要發(fā)掘更多的具有籽粒保持蒴果性狀的資源，豐富的半閉蒴資源會為抗落粒芝麻品種的選育提供更多的選擇和可能。

致謝：衷心感謝河南省農(nóng)業(yè)科學院芝麻研究中心梅鴻獻博士提供部分文獻、審閱初稿并提出寶貴意見！