天麻不同种质资源自交及其杂交后代果实和种苗农艺性状分析

Analysis of fruit and seedling agronomic characters of different germplasm resources and self-pollinated and hybrid offsprings of Gastrodia elata

摘要

对12份天麻种质进行自交和杂交实验，分析F0代、自交及杂交F1代的种子和白麻性状。结果显示，不同天麻种质表现出的性状差异明显，麻型上，红天麻的长宽比为1.94~2.50，麻型偏细长，而乌天麻长宽比1.82~2.07，麻型偏短粗；抽薹时间上，乌天麻最早，红天麻次之，不同种质的抽薹速度都符合 Logistics生长曲线；云南昭通血天麻花茎最长且较粗，而果荚数量居中下水平，湖北宜昌红天麻花茎相对较短，而果荚数量最多；以乌天麻变型为母本、安徽红天麻为父本的杂交F1代果荚颜色更偏向父本，以血天麻变型为母本、安徽红天麻为父本的杂交F1代颜色更偏向母本，杂交F1代种子性状呈现遗传母本的规律；云南禄劝血天麻为母本的杂交F1代种子活力达到了98%以上；不同来源乌、绿和血天麻为母本的杂交F1代白麻形状靠近父本安徽红天麻的细长条型，不同来源红天麻为母本的杂交F1代白麻形状都靠近父本云南昭通乌天麻的圆润饱满。以安徽红天麻为母本、云南昭通乌天麻为父本的杂交F1代种子性状表现出显著优势，云南禄劝血天麻为母本、安徽红天麻为父本杂交F1代种子活力最高；四川红天麻为母本、云南昭通乌天麻为父本杂交F1代白麻相对于自交白麻形态更显圆润饱满。

Abstract

Self⁃pollination and hybridization experiments were conducted on 12 germplasm resources of G. elata. The traits of the F0 generation， as well as those of the self⁃pollinated and hybrid F1 generations， were analyzed. The results showed that the 12 germplasms of G. elata exhibited obvious differences in traits. In terms of tuber type， Gastrodia elata Bl. f. elata type was slender， with the ratio of length to width ranging from 1.94 to 2.50， while Gastrodia elata Bl. f. glauca S. Chow type was short and thick， with the ratio ranging from 1.82 to 2.07. In terms of bolting time， Gastrodia elata Bl. f. glauca S. Chow bolted earliest， followed by Gastrodia elata Bl. f. elata. The bolting speed of these germplasms comfermed to the Logistics growth curve. The G. elata with blood⁃colored scape， which was original from Zhaotong， had the longest and thicker scape， while the number of fruit pods was below the medium level， Gastrodia elata Bl. f. elata from Yichang had a shorter scape and the largest number of fruit pods. The fruit pod color of the hybrid F1， with Gastrodia elata Bl. f. glauca S. Chow serving as female parent and Gastrodia elata Bl. f. elata from Anhui serving as male parent， was more inclined to the male parent. The color of hybrid F1， which used Gastrodia elata Bl. f. elata （blood⁃colored scape type）serving as female parent and Gastrodia elata Bl. f. elata from Anhui serving as male parent， was more inclined to the female parent， indicating that the traits of the seeds in the hybrid F1 showed the rule of inheritance from maternal parent. The seed vitality of hybrid F1， which used Gastrodia elata Bl. f. elata （blood⁃colored scape type） as female parent， reached more than 98%. The shape of hybrid F1 immature tuber of Gastrodia elata Bl. f. glauca S. Chow， Gastrodia elata Bl. f. viridis makino and Gastrodia elata Bl. f. elata （blood⁃colored scape type） from different origins， which serving as female parent， was close to the slender strip of the male parent Gastrodia elata Bl. f. elata from Anhui. The Gastrodia elata Bl. f. elata hybrid F1 from different origins， which serving as female parent， was close to the male parent Gastrodia elata Bl. f. glauca S. Chow from Zhaotong and showed rounded and full shape. The hybrid F1 with Gastrodia elata Bl. f. elata from Anhui serving as female parent and Gastrodia elata Bl. f. glauca S. Chow from Zhaotong serving as male parent showed significant advantages in seed traits among all hybrid combinations. The F1 seed vigor of Gastrodia elata Bl. f. elata （blood⁃colored scape type） from Luquan serving as female parent and Gastrodia elata Bl. f. elata from Anhui serving as male parent was the highest. The immature tubers of F1 hybrid with Gastrodia elata Bl. f. elata from Sichuan as the female parent and Gastrodia elata Bl. f. glauca S. Chow from Zhaotong as the male parent were more round and plump in shape compared to self pollinated immature tubers.

Graphical abstract

关键词

天麻 / 种质资源 / 农艺性状 / 自交 / 杂交 / 种子活力

Key words

Gastrodia elata / germplasm resources / agronomic traits / self⁃pollination / hybridization / seed vitality

0 引 言

天麻为兰科（Orchidaceae）植物天麻（Gastrodia elata Bl.）的干燥块茎，是中国传统名贵中药材，具有息风止痉，平抑肝阳，祛风通络功效^［1］。天麻药材主要靠人工栽培供应，在湖北、陕西、云南、四川、贵州、安徽、河南等省均有大面积栽培基地。天麻的种质资源主要包括红天麻（Gastrodia elata Bl. f. elata）、乌天麻（Gastrodia elata Bl. f. glauca S. Chow）、绿天麻（Gastrodia elata Bl. f. viridis makino）等多个变型，它们在形态学和生长适宜性上有较大的差异^［2］。现天麻栽培主要采用种子进行有性繁殖，其能够避免天麻种源退化、提高天麻产量、扩大种源和改良品种，进而利用杂种优势培育新品种^［3］。不同作物种质具有不同特性，杂交育种则能够结合不同亲本的优良性状基因重组产生新的遗传变异，为育种改良提供更多可能性。从20世纪初开始，随着遗传学、分子生物学等学科的快速发展，人们开始利用种子选育、杂交育种和遗传工程等技术手段来进行中药材的育种工作。通过对中药材的遗传多样性的研究和分析，筛选出有潜力的优良品种，并通过人工选择和繁殖，逐渐形成了一批具有高产量、高品质和高药效的中药材新品种。中药材选育方法已呈现出从“选”到“育”的发展趋势^［4］。利用系统育种和杂交育种培育出人参、柴胡、桔梗和荆芥等13个新品种^［5］。在天麻育种上，率先采用宜昌红天麻和云南乌天麻为父母本杂交得到的杂交天麻“鄂天麻1号”和“鄂天麻2号” ^［6⁃7］，将不同变型天麻的优良基因进行组合，能培育得到具有双方优势的新品种。当前对天麻不同种质花茎形态和自交种子形态进行了一定的研究，但对于天麻不同种质之间杂交后代的果实及种子性状差异研究还较少报道。

本研究对不同产区收集的12份天麻种质资源进行了自交及杂交研究，比较了不同种质自交和杂交后的蒴果、种子的形态和种子活力差异，以期为天麻种质资源的评价及杂交育种提供科学支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

2022年12月至2023年2月，从云南、四川、湖北、安徽和陕西5个产区收集包括市场主要的杂交变型^［8］乌天麻、红天麻、绿天麻及新品种血天麻^［9］在内的12份箭麻，引种至湖北省随州市洛阳镇。经湖北中医药大学刘大会教授鉴定系兰科植物天麻的箭麻。材料来源见表1。

1.2 仪器试剂

IX⁃73P1F荧光倒置显微镜（日本OLYMPUS）；2%氯化三苯基四氮唑（TTC）染剂（国药集团化学试剂有限公司）。

1.3 试验设计

选取单个麻重为150~250 g，麻体无任何机械损伤、无病虫害、体型完整健硕、鹦哥嘴饱满完整的箭麻作为种麻。2023年2月底对12份种麻埋沙处理，在温室栽植，保持温度在20~25 ℃，相对空气湿度为60%~80%。筐内铺设10 cm厚的沙子，其上放置挑选好的箭麻，顶芽朝上，栽后盖沙8~10 cm，浇水至含水量在60%~80%^［10］。对12个类别的种麻进行自交，并以各产地的乌天麻、红天麻、绿天麻和血天麻作为母本，以具有地理标志性^{［11⁃12］}的安徽红天麻（BJ）和云南昭通乌天麻（AY）作为父本进行杂交实验，每株花序均分为上下两部分，下部约25朵作为自交实验组，上部约25朵作为杂交实验组，进行自交和杂交授粉^［13］。每个组合设3个重复，实验组合方式见表2。

1.4 天麻花部和蒴果性状调查

参考《中华人民共和国农业行业标准植物品种特异性、一致性和稳定性测试指南天麻》^［14］测定相关指标，对种麻的长、宽、重等农艺性状进行了测量。2023年4月20日蒴果逐渐膨大成熟后，参考文献［10］测定箭麻的抽薹高度，抽薹高度为自破土出苗至花茎最大生长高度。统一调查了12份种质材料的花茎高度、花茎粗度、花序高度、花朵数量、茎秆颜色5个农艺性状，各组材料茎秆颜色参照中国传统色彩（https：//www.chinavid.com/chinese-color.html）对比记录。在4月28日至5月10日蒴果成熟期对自交及杂交果荚的长、宽、重及颜色4个农艺性状进行测量统计。选取自交和杂交每组20~25个蒴果进行长、宽和重量检测。

1.5 天麻种子形态观察和生活力测定

将种子从蒴果中倒出并混匀后，每组取1.00 mg于1.50 mL离心管中，加入2%TTC染液1.00 mL混合摇匀，于30 ℃培养箱中黑暗处理24 h^［15］，在显微镜（目镜10×，物镜4×）下观察种胚长宽及种子活力率，每组性状观察取3次的重复结果。

种子活力= （视野内红胚种子数/视野内种子总数）×100%

1.6 数据处理及分析

用Excel对数据进行处理，导入SPSS 26.0进行统计分析。采用Duncan 新复极差法进行显著性分析，GraphPad Prism 8进行图片绘制和数据分析。

2 结果与分析

2.1 不同种质天麻块茎性状比较

12份天麻种质中AW麻宽的特征显著，达到64.54 mm，AP次之。BD和BW麻体偏长，分别为142.06 mm和133.28 mm。AW长宽比最小，BD的长宽比最大；不同产地红天麻的长宽比在1.94~2.50，乌天麻的长宽比在1.82~2.07，绿天麻的长宽比在1.97~2.10，而血天麻的长宽比在1.99~2.22。长宽比比值越大代表越细长，比值越小代表越短圆，红天麻的长宽比在1.94~2.50，是识别天麻种类的重要表型参数（见表3）。

2.2 不同种质天麻花部性状比较

12份天麻种质抽薹后花茎生长均呈现为“S”型曲线，见图1。升温定植后乌天麻（AY、AP、AW）的抽薹较早，随后抽薹的是红天麻（BD、BP、BW、BJ）。所有组别整体上都符合Logistics生长曲线，先慢速生长，后快速生长，最终趋于平缓状态。其中，AY组从抽薹到茎长稳定最快，用时14 d左右，DL组在所有组别中生长速率最慢，用时35 d左右。

由表4可知，12份天麻种质在5个农艺性状上表现出不同程度的差异，各产地不同变型花茎高度均值范围在96.60~157.07 cm，花茎粗度在0.81~1.40 cm，花序轴长在30.67~69.57 cm，开花数量在56.67~84.33个。不同天麻种质花茎高、花茎粗、花序长和开花数呈显著性差异。其中，以DY花茎高和花茎粗分别是153.13 cm和1.11 cm，在所有种质中为显著长且粗；AL和BW花茎高分别是96.6 cm、97.07 cm，相对其他种质显著矮；DY花序轴为68.2 cm，为显著最长，AL花序轴30.67 cm，相对其他种质短。BW蒴果数量为84个左右，显著较多，DL、AP、AW、BP和DY蒴果数量分别是59、62、62、64和69个左右，相对其他种质较少。各种质在外观形态上未表现出品种间的较大差异，DY的花茎较高较粗而果荚数量并不占优势；BW花茎较矮，平均果荚数量相对其他种质较多。

2.3 不同种质天麻花朵自交、杂交F1代蒴果性状比较

由表5看出，各种质自交F1蒴果长度均值范围在20.26~26.91 mm，宽度范围在7.87~11.37 mm，重量均值范围在0.23~0.67 g。自交F1蒴果中DY长为26.91 mm左右，在所有种质中最长，AW、AY、DY的蒴果分别是11.00 mm、10.76 mm、11.37 mm，相对其他自交F1显著最宽，DY蒴果重量为0.67 g相对其他自交F1代显著最重。各种质作为母本的杂交F1代得到的蒴果长度均值范围在18.12~25.35 mm，宽度范围在6.92~11.01 mm，重量均值范围在0.16~0.50 g。杂交F1代蒴果中CY长为25.35 mm，长度在所有杂交组合中最长；DY蒴果宽为11.01 mm，相对其他杂交F1代显著较宽，DY蒴果重量为0.50 g，相对其他杂交F1代显著最重。结合自交F1代和杂交F1代蒴果性状可以得出，杂交组合AL×BJ、CL×BJ和CY×BJ的F1代蒴果的长度均大于其父母本自交F1代，长度倍数范围在1.02~1.22；其中，AL×BJ的F1代蒴果宽分别是其父母本自交F1代蒴果宽的1.02和1.04倍；其他杂交组合后代F1代的蒴果长和宽均小于其父母本的自交F1代，AL×BJ、CL×BJ和CY×BJ在蒴果性状上具有超亲优势。由图2看出，4种红天麻的蒴果普遍较圆润饱满，鼓起处位于果荚中间部分且摘取时易破开，而其他3种形态上较相似，都表现为上宽下窄状，鼓起处位于上半部分。综上，红天麻蒴果较其他3种短小而饱满，乌、绿、血三种蒴果相对红天麻蒴果较长。图2中，在自然光线下，AL、AP、AW和AY的杂交F1代蒴果比自交F1的棕色更偏向父本杏红色；BJ、BP、BD和BW的杂交F1代蒴果与自交F1代无较明显的颜色偏向，更多体现在蒴果大小的变化，而CL的杂交F1代蒴果豆青比于自交F1代颜色豆绿色变浅，CY的颜色无太大变化，DL和DY两种的自交F1代蒴果颜色鲜亮有光泽，杂交F1代颜色相比自交F1代都更偏向母本。各种质杂交F1代形状及颜色变化，存在杂交后的性状遗传多样性。

2.4 不同种质天麻自交和杂交F1代的种子形态和活性比较

由图3可以看出，不同品种的种子形态形状不同。自交组乌天麻种子呈纺锤状或月牙状弯曲，中部突起明显且两端较尖锐，红天麻种子多为纺锤形，一端渐尖一端平截状，绿天麻和血天麻形态与乌天麻相似，呈明显的纺锤状或月牙状弯曲，血天麻的种子较其他3种天麻都更长，在显微观察中发现红天麻种子中出现无胚情况多，存在未授粉成功等因素。杂交组天麻种子形态上遗传母本性状，乌天麻、绿天麻和血天麻的杂交种子呈细长的纺锤状或月牙状，红天麻杂交种子呈圆润纺锤状。

由表6可知，各种质自交F1代种子长度均值在481.23~1 101.73 µm，种子宽度在164.37~194.78 µm，种胚长度在215.06~443.8 µm，种胚宽度在122.75~167.21 µm；不同品种天麻种子长度中BD种子0.51 mm最短，AL、AW和CY分别为1.03 mm、1.10 mm和1.05 mm在自交F1代中最长，CL种子活力最强，达到了100%，各杂交F1种子长度均值范围在665.17~1 005.48 µm，种子宽度在165.35~187.68 µm，种胚长度在207.81~256.84 µm，种胚宽度在119.86~138.34 µm；DL杂交的种子活力达到了98%以上，在杂交组中显著最高；杂交F1代种子明显更长的有BD和BW，自杂交F1代的种子宽无显著差异；Al×BJ、AP×BJ、BJ×AY、BP×AY、BD×AY、BW×AY和DY×BJ杂交后F1代种子活力为96.19%、96.05%、95.02%、85.59%、90.32%、85.53%和91.73%相对亲本活力增强。AL自交种胚相对杂交种胚长显著，AW自交种子相对杂交种子长显著，BJ杂交种胚相对自交种胚长较显著，BP自交种子相对杂交种子宽显著，BD自交种子相对杂交种子宽显著，CL自交与杂交的4种性状差异不显著，CY杂交种胚长相对自交极其显著，DL自交与杂交的4种性状差异不显著，DY杂交种子相对自交种子宽较显著，杂交种胚相对自交种胚宽较显著。其中BJ组的种子长、种子宽、种胚长和种胚宽皆为杂交F1代相对自交高，CY、DY的4项农艺性状中有3项杂交F1高于自交，CY×BJ、DY×BJ展现出了杂交F1代种子形态上的优势。

2.5 不同种质天麻自交和杂交F1代白麻性状比较

BJ、BD和BW自交F1代白麻长度与其他自交F1代白麻相比具有显著性，分别是70.92 mm、69.01 mm和69.36 mm，杂交组合AW×BJ和DY×BJ的F1代白麻较其他杂交组合显著，分别是69.67 mm和69.52 mm；自交F1代中CY的白麻宽度在所有自交F1代中显著，达到29.35 mm，杂交组合BP×AY的F1代白麻宽度在所有杂交F1代中显著，为29.41 mm；其中BJ、BD自交F1的长宽比为3.03、3.04，较其他自交F1代显著，杂交组合DY×BJ的F1代白麻长宽比为2.90 mm，较其他杂交组合显著。对比得出，AW×BJ、CY×BJ和DY×BJ杂交F1比值为2.55、2.09和2.90，相对母本自交F1代的2.07、1.57和1.92增大，麻型靠近父本BJ的细长条型；而BJ×AY、BP×AY杂交F1代的相对母本自交F1比值都降低，麻型靠近父本AY的圆润饱满，改善了麻型，在杂交表观性状上有显著优势（表7）。

4 讨 论

天麻主产区海拔范围广泛，在因地制宜、控制好温湿度及光照前提下，可引种天麻在不同海拔处抽薹生长^［16］。天麻品种选育主要围绕乌、红和绿3种变型进行杂交，不同产地天麻因遗传背景和环境因素影响，在产量、性状、成分等方面显示出明显差异^［8］，本研究选取了主要天麻产区的地方主栽品系或特色种质资源进行不同品系间的杂交，以期获得不同种质为天麻优良品种选育奠定基础。据报道，气候环境对乌天麻箭麻的生育期和农艺性状具有显著影响，而授粉量会影响天麻蒴果大小、重量和单颗果实的种子总重量，但对种子长度和种胚的形态影响不大^［13］。通过研究天麻自交和杂交后代的蒴果、种子形态，可以深入了解天麻的遗传特性和遗传规律，可以初步预测杂交后代的性状表现，为后续的遗传改良和杂交育种提供理论基础^［17］。研究种子活力差异有助于了解种子的萌发能力和生长潜力，为提高种子质量、增加产量提供科学依据^［18］。天麻四种变型在麻型、花茎色泽、蒴果产量和后代性状上具有显著差异，本研究的结果与以往报道一致^{［9，19⁃20］}，红天麻种质的麻型较其他天麻变型偏长，其长宽比在1.94~2.50；种质间花茎及蒴果表观上存在差异，红天麻果荚较其他3种短小而饱满，乌、绿、血3种果荚相对红天麻果荚较长。另外，据文献报道，天麻杂交育种后代的白麻产量显著高于自交天麻，显示出杂种优势^{［21⁃22］}，而杂交后代在蒴果和种子的性状以及种子活力、种子产量、质量甚至次生代谢产物的积累存在相关性^{［23⁃24］}。本研究发现，杂交后代在蒴果表型性状、种子性状及活力与种子产量、白麻性状上与自交有显著差异，果荚性状介于亲本之间，乌麻杂交果荚颜色更偏向母本的棕黑色，血麻杂交颜色更偏向母本的橘红色，蒴果颜色是属于母本遗传；麻型是天麻药材优质优形的重要指标，天麻不同种质杂交后代的麻型具有父系遗传的特点，如AW、CY和DY杂交后白麻麻型靠近父本BJ的细长条型，BJ、BP杂交后麻型靠近父本AY的圆润饱满型，本研究结果说明选择AY作为父本，BJ或BP作为母本对于天麻优形育种具有重要意义。

自杂交育种作为传统育种手段之一，在作物和中药材品种的改良和新品种选育中发挥着重要作用^{［25⁃26］}。品种选育研究总结了成熟天麻的产量和形状^［7］，经过了长时间研究得出的优良杂交组合，而本研究结果说明相对亲本有改善天麻形状的杂交组合，以及遗传特性偏向和规律，统计了前人研究中未系统总结的种子产量等，与后续天麻成熟块茎的性状和产量紧密相关。天麻的品种选育包括挑选亲本，人工控制温湿度繁育，与共生菌拌种萌发，定植土壤及后期生长观察等。本研究对挑选亲本和自杂交繁育的主要表观性状进行了统计，后续仍需重复试验遗传稳定性和进一步开展箭麻品质评价工作，从而选育出具有高产、高品质和抗逆性强的天麻优良新品种并进行生产使用。

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基金资助

国家重点研发计划(2023YFC3503804)

湖北省支持种业高质量发展资金项目(HBZY2023B00503)

现代农业产业技术体系建设专项(CARS-21)

湖北省自然科学基金计划联合基金项目(2024AFD234)

湖北中医药大学博士教师科研启动经费(2023ZXB010)