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Genetic analysis of style and pollen traits in hybrid progeny populations of Camellia oleifera

花匠小妙招
2025-08-12 17:54

摘要：为分析油茶杂交子代主要生殖性状的遗传变异规律, 以YZ2×HS、YZ2×DY2、DY2×YZ2三个杂交子代群体及其亲本为试材, 调查其花柱长和花粉活力, 并进行遗传变异、分级频率、相对遗传力及聚类分析。结果表明: 3个杂交子代群体花柱长的变异系数均大于20%, 花粉活力的变异系数均大于50%。3个子代群体中花柱长、花粉活力两个性状的中亲优势和超高亲优势均为负值, 花粉活力的超低亲优势同样均为负值, 说明油茶子代群体的杂种优势在这两个性状中表现出降低的趋势, 花粉活力衰减明显。在花柱长的相对遗传力中, 以YZ2为母本的子代群体中母本相对遗传力大于父本, DY2×YZ2子代群体的母本相对遗传力小于父本; 在花粉活力的相对遗传力中, 以YZ2为母本的子代群体中父本相对遗传力大于母本, DY2×YZ2子代群体的父本相对遗传力小于母本。聚类分析比较发现, 3个群体中最易筛选出杂交成功率较高单株的子代群体为YZ2×DY2。油茶杂交子代花柱长和花粉活力的变异广泛, 花柱长的遗传相对稳定; 花柱长和花粉活力的遗传趋势均倾向于性状较弱的亲本。

Abstract: This study aims to analyze the genetic variations of main reproductive traits in the hybrid progeny of Camellia oleifera. The style length and pollen viability were measured for three hybrid progeny populations of YZ2×HS, YZ2×DY2, and DY2×YZ2, and their parents. The genetic variation analysis, grade frequency analysis, relative heritability analysis, and cluster analysis were carried out. The results showed that the coefficient of variation of style length was greater than 20% in the three hybrid progeny populations, and that of pollen viability was greater than 50%. The mid-parent heterosis and super-high-parent heterosis of the two traits in the three populations were negative, and the super-low-parent heterosis of pollen viability was also negative, indicating that the heterosis of the progeny population of C. oleifera showed a decreasing trend in these two traits and the pollen viability decreased significantly. Regarding the style length, the relative heritability of the female parent was greater than that of male parent in the progeny population with YZ2 as female parent, and the relative heritability of the female parent was weaker than that of the male parent in the progeny population of DY2×YZ2. Regarding the pollen viability, the relative heritability of the male parent was greater than that of the female parent in the progeny population with YZ2 as the female parent, and the relative heritability of the male parent was weaker than that of the female parent in the progeny population of DY2×YZ2. The cluster analysis revealed that the progeny population of YZ2×DY2 had a high possibility of producing the plants with a high hybrid success rate. It is concluded that the variations in style length and pollen viability are extensive in the hybrid progeny of C. oleifera, and the style length and pollen viability tended to be inherited from the parents with weaker traits.

Key words: Camellia oleifera style length pollen vitality genetic variation multivariate statistical analysis

油茶(Camellia oleifera) 属山茶科山茶属，是我国特有的木本油料植物，在我国食用油产业发展中占重要地位，具有很高的经济价值[1]。我国油茶栽培历史悠久，种植面积广袤，拥有种类繁多的近缘种、自然类型和地方农家品种，种质资源十分丰富，主要分布在湖南、湖北、江西等省的丘陵地区[2-3]。油茶的自交亲和性差以及品种搭配不合理等原因，导致油茶产量一直没有得到有效增长，因此，杂交育种在提高油茶产量方面仍具有较大潜力[4]。

杂交育种是获得具有优良遗传品质的新品种和加快良种创制的必要途径，在油茶育种中占有重要地位[5]。柴静瑜等[6]以巢式交配的种内、种间杂交子代林为试材，探索了普通油茶与小果油茶种间杂交的亲本配置及遗传效应规律；梁恬等[7]以4个普通油茶优良无性系为材料，通过不完全双列杂交，筛选出‘闽43’和‘闽60’为优良母本，‘闽50’和‘闽54’为优良父本，优良杂交组合为12号(‘闽60’×‘闽54’)；陈雅等[8]以攸县油茶和普通油茶进行杂交，发现其子代雌配子体育性良好，回交结实率高。油茶的授粉受精与花柱、花粉密切相关[9-10]，良好的花粉活力是油茶受精的前提。韦红莉[11]发现威宁短柱油茶花粉活力在盛花期时最高，其自交不亲和反应发生在花柱基部；GONG et al[12]发现普通油茶和攸县油茶之间的单向杂交不亲和主要是由花柱抑制花粉管的生长导致的。因此，研究油茶花柱和花粉性状的遗传变异规律，对提高油茶杂交授粉受精率有重要意义。本研究以3个油茶杂交子代群体及其亲本为试验材料，对其花柱和花粉的性状进行比较分析，阐述其遗传变异规律，为油茶杂交育种筛选成功率高的父母本提供科学依据。

1 材料与方法1.1 试验材料

YZ2×HS是以攸县油茶‘攸杂2’(YZ2)为母本、国审良种‘华硕’(HS)为父本，杂交获得的子代群体，以其中的247株4年生实苗作为试验材料。以油茶新品种‘德油2’(DY2)和‘攸杂2’(YZ2)为亲本，杂交获得YZ2×DY2和DY2×YZ2子代群体，采用YZ2×DY2子代群体中的534株4年生实苗、DY2×YZ2子代群体中的747株4年生实苗作为试验材料。YZ2×HS、YZ2×DY2子代群体栽培在湖南省长沙县路口镇明月村的中南林业科技大学油茶试验示范基地(28°24′35″N，113°13′23″E)，DY2×YZ2子代群体栽培在湖南省长沙市天心区中南林业科技大学油茶种苗试验田(112°59′E，28°06′N)。

1.2 试验方法

花柱长(style length, SL)的测定：在每个杂交子代群体的盛花期，每个单株挑选3朵完全盛开的花，使用游标卡尺测量花柱的长度，并计算其平均值。花粉活力(pollen viability, PV)的测定：在盛花期，采集尚在蕾期的花苞，收集花药，并将其烘干至花粉散出；制备主成分为0.01%硼酸+10%蔗糖+1%琼脂的固体培养基，将花粉均匀撒入其中，置于25 ℃的环境下培养3~4 h，使用4倍显微镜观察花粉的萌发情况并拍照记录。花粉活力/%=已萌发花粉数/花粉总数×100。

1.3 数据处理与分析

利用Office 2021软件进行数据整理；采用SPSS 26.0软件统计分析平均值、标准差(standard deviation，SD)、变异系数(coefficient of variation，CV或CV)、相对遗传力，并绘制频数分布图，使用k均值聚类的方法进行聚类分析。

群体花柱长、花粉活力的分级参照刘孟军[13]的分级方法，对频数分布趋向正态分布的群体按X-1.281 8S、X-0.524 6S、X+0.524 6S、X+1.281 8S四个点划分为5个等级，其中，X为某性状的平均值，S为标准差，不符合正态分布的群体按等距分级的方法分为5个等级。

杂种优势以中亲优势(mid-parent heterosis，MPH或HMP)、超高亲优势(best parent heterosis，BPH或HBP)和超低亲优势(low-parent heterosis，LPH或HLP)表示。变异系数和杂种优势的计算公式如下：

CV/%=S/X×100 (1)HMP/%=(FM−VMP)/VMP×100 (2)HBP/%=(FM−VBP)/VBP×100 (3)HLP/%=(FM−VLP)/VLP×100 (4)

式中：S表示标准差；X表示平均值；FM表示子代某一性状的平均值；VMP表示双亲某一性状的平均值(mid-parent value，MPV)；VBP表示双亲中较高的亲本值(better parent value，BPV)；VLP表示双亲中较低的亲本值(lower parent value，LPV)。

相对遗传力计算公式如下：

aF=(FM−PM)/(PF−PM) (5)aM=(FM−PF)/(PM−PF) (6)

式中：PF表示父本值；PM表示母本值；aF表示父本的相对遗传力；aM表示母本的相对遗传力，且aF+aM=1[14]。

2 结果与分析2.1 花柱长的基本参数与分级2.1.1 花柱长的基本参数与变异情况

3个品种的油茶亲本及杂交子代群体花柱长的基本参数与变异情况如表 1所示。杂交子代群体YZ2×HS、YZ2×DY2、DY2×YZ2花柱长的变异水平相近，变异系数分别为28.76%、28.49%、22.62%，均大于20%，说明油茶花柱长的变异丰富。其中, DY2×YZ2子代群体的变异系数最小，说明该子代群体的花柱长遗传相对稳定。3个杂交子代群体的变异范围相近，均大于8 mm。YZ2×HS子代群体的标准差最大，为2.06 mm，说明该子代群体的花柱长离散程度最高；YZ2×DY2子代群体的标准差最小，为0.87 mm，说明该子代群体的花柱长分布最集中。

表 1 油茶花柱长参数Table 1 Style length parameters of C. oleifera

亲本
Parent 花柱长
SL/mm 杂交子代
Hybrid progeny 花柱长SL/mm 变异系数
CV/% 标准差
SD 平均值
Average 范围
Range YZ2 4.02±0.37 YZ2×HS 2.06 7.16 3.03~11.94 28.76 HS 11.53±0.82 YZ2×DY2 0.87 3.04 1.11~9.19 28.49 DY2 6.95±0.15 DY2×YZ2 1.08 4.77 2.53~11.35 22.62

2.1.2 花柱长的分级频率

将去除拖尾后呈正态分布的YZ2×DY2、DY2×YZ2子代群体的花柱长频率按照1.3的分级方法分为5个等级；YZ2×HS子代群体按等距分级的方法分为5个等级。由表 2所示，油茶花柱长各等级占比范围为5.26%~52.14%，3个子代群体花柱长各等级占比最高的均为Ⅲ级，占比由大到小依次为：DY2×YZ2(52.14%)＞YZ2×DY2(45.07%)＞YZ2×HS(33.2%)。表明DY2×YZ2子代群体花柱长的遗传最为稳定，油茶花柱长的频率分布较为集中。结合图 1来看，3个子代群体的花柱长包含YZ2分级区间的占比均大于包含另一个亲本的分级区间，其中YZ2×DY2子代群体这两个区间的占比差距尤其大，说明3个子代群体花柱长的遗传均趋向于YZ2。在父、母本含DY2的两个子代群体中，DY2所在的区间占比均最小，说明DY2对这两个子代群体花柱长的遗传影响较小。

表 2 油茶花柱长分级频率Table 2 Grade frequency of style length of C. oleifera

杂交子代
Hybrid progeny 分级频率Grade frequency/% Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ YZ2×HS 17.81 16.60 33.20 27.13 5.26 YZ2×DY2 8.01 21.23 45.07 17.88 7.82 DY2×YZ2 5.35 22.86 52.14 12.83 6.82

注：图中虚线为概率分级区间分隔线，从左到右为Ⅰ~Ⅴ级区间。Note: dotted line in the graph is the dividing line for probability grading interval, and the horizontal axis from left to right indicates I~V level intervals.图 1 油茶杂交子代花柱长频数分布Fig. 1 Frequency distribution of style length of C. oleifera hybrid progeny

2.2 花粉活力的基本参数与分级2.2.1 花粉活力的基本参数与变异情况

3个品种的油茶亲本及杂交子代群体花粉活力的基本参数和变异情况如表 3所示。杂交子代群体YZ2×HS、YZ2×DY2、DY2×YZ2花粉活力的变异水平相近，变异系数分别为56.80%、53.80%、52.20%，均大于50%，说明油茶花粉活力的变异十分丰富。其中, DY2×YZ2子代群体的变异系数最小，说明该子代群体的花粉活力遗传相对稳定。3个杂交子代群体花粉活力的变异范围相近，均大于90%，YZ2×HS子代群体的变异范围最小。YZ2×HS子代群体的标准差最小，为14.13%，说明该子代群体的花粉活力分布最集中；YZ2×DY2群体的标准差最大，为27.67%，说明该子代群体的花粉活力离散程度最高。

表 3 油茶花粉活力参数Table 3 Pollen viability parameters of C. oleifera

亲本
Parent 花粉活力
PV/% 杂交子代
Hybrid progeny 花粉活力PV/% 变异系数
CV/% 标准差
SD 平均值
Average 范围
Range YZ2 71.90±1.26 YZ2×HS 14.13 24.87 1.69~68.66 56.80 HS 60.89±0.99 YZ2×DY2 27.67 51.43 1.19~96.30 53.80 DY2 68.28±0.66 DY2×YZ2 21.49 41.16 1.97~96.36 52.20

2.2.2 花粉活力的分级频率

将3个子代群体的花粉活力频率分布按等距分级的方法分为5个等级。由表 4所示，油茶花粉活力各等级占比范围为6.08%~33.95%，3个子代群体的各等级占比均比较相近，其中，分级频率最高的等级为DY2×YZ2的Ⅱ级(33.95%)。表明油茶花粉活力的遗传很不稳定且较为均匀。结合图 2可知，3个子代群体花粉活力的分布趋势均偏离YZ2，说明YZ2对这3个子代群体花粉活力的遗传影响较小。

表 4 油茶花粉活力分级频率Table 4 Grade frequency of pollen viability of C. oleifera

杂交子代
Hybrid progeny 分级频率Grade frequency/% Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ YZ2×HS 25.89 26.40 25.38 14.72 7.61 YZ2×DY2 18.24 21.64 12.42 28.86 18.84 DY2×YZ2 18.07 33.95 27.70 14.19 6.08

注：图中虚线为分级区间分隔线，从左到右为Ⅰ~Ⅴ级区间。Note: dotted line in the figure is the dividing line of the graded interval, and the horizontal axis from left to right indicates I~V level intervals.图 2 油茶杂交子代花粉活力频数分布图Fig. 2 Frequency distribution of pollen viability of C. oleifera hybrid progeny

2.3 花柱和花粉性状的杂种优势与相对遗传力对比分析

油茶3个子代群体花柱长、花粉活力的杂种优势和相对遗传力如表 5所示。3个子代群体的两个性状的中亲优势和超高亲优势均为负值，其中，花柱长的中亲优势范围为-44.55%~-7.97%、超高亲优势范围为-56.24%~-31.44%，花粉活力的中亲优势范围为-62.54%~-26.62%、超高亲优势范围为-65.41%~-28.47%，说明油茶子代群体杂种优势在这两个性状上均表现出下降的趋势，且少有超越双亲的单株，花柱长的缩短有利于油茶的杂交育种，但花粉活力的衰退会对油茶的繁殖造成负面影响。3个子代群体花粉活力的超低亲优势范围为-59.15%~-24.68%，均为负向超亲优势，YZ2×DY2子代群体花柱长超低亲优势为负值，其余两个子代群体为正值，且其花粉活力超亲优势值最大，表明在该子代群体中易获得杂交成功率较高的单株。

表 5 油茶花柱和花粉的杂种优势和相对遗传力Table 5 Heterosis and relative heritability of style length and pollen viability in C. oleifera

性状
Trait 杂交子代
Hybrid progeny 中亲值
MPV 中亲优势
MPH/% 超高亲优势
BPH/% 超低亲优势
LPH/% 相对遗传力
Relative heritability 父本aF 母本aM 花柱长
SL YZ2×HS 7.78 -7.97 -37.94 78.00 0.42 0.58 YZ2×DY2 5.49 -44.55 -56.24 -24.35 -0.33 1.33 DY2×YZ2 5.49 -13.13 -31.44 18.53 0.75 0.25 花粉活力
PV YZ2×HS 66.40 -62.54 -65.41 -59.15 4.27 -3.27 YZ2×DY2 70.09 -26.62 -28.47 -24.68 5.65 -4.65 DY2×YZ2 70.09 -41.27 -42.75 -39.71 -7.49 8.49

在花柱长的相对遗传力中，以YZ2为母本的子代群体中母本相对遗传力大于父本，且YZ2×DY2子代群体的母本相对遗传力远大于父本，而DY2×YZ2子代群体的母本相对遗传力小于父本。在花粉活力的相对遗传力中，以YZ2为母本的子代群体中父本相对遗传力大于母本，其中，YZ2×DY2的父、母本相对遗传力差距更大；DY2×YZ2子代群体的父本相对遗传力小于母本，且在3个子代群体中其父、母本的相对遗传力差距最大。

2.4 聚类分析

对3个油茶杂交子代群体花柱长和花粉活力进行k均值聚类，并计算每个类群性状的平均值，其中，YZ2×HS、YZ2×DY2、DY2×YZ2子代群体分别有184、501、590株，结果如表 6所示。将每个子代群体均划分为三大类，分别为1、2、3类群。YZ2×HS子代群体平均花柱长最短的类群为3类，共47株，占比为25.54%，平均花柱长为4.60 mm；平均花粉活力最高的类群是1类，共43株，占比为23.37%，平均花粉活力为43.96%。YZ2×DY2子代群体平均花柱长最短的类群和花粉活力最高的类群均为1类，共222株，占比为44.31%，平均花柱长为2.77 mm，花粉活力为73.72%。DY2×YZ2子代群体平均花柱长最短的类群为3类，共303株，占比为51.35%，平均花柱长为4.37 mm；平均花粉活力最高的类群是1类，共222株，占比为37.63%，平均花粉活力为63.08%。由此可见，3个子代群体中最易筛选出杂交成功率较高单株的杂交子代为YZ2×DY2。

表 6 聚类分析结果对比Table 6 Comparison of cluster analysis results

杂交子代
Hybrid progeny 数量
Total plants 类群
Cluster 花柱长
SL/mm 花粉活力
PV/% 数量
Plants 数量占比
Proportion/% YZ2×HS 184 1 7.71 43.96 43 23.37 2 8.53 18.35 94 51.09 3 4.60 17.24 47 25.54 YZ2×DY2 501 1 2.77 73.72 222 44.31 2 4.41 62.87 75 14.97 3 2.89 20.81 204 40.72 DY2×YZ2 590 1 4.66 63.08 222 37.63 2 6.73 34.48 65 11.02 3 4.37 26.40 303 51.35

3 讨论与结论

被子植物受精过程的关键在于花粉与柱头的正常识别、花粉管在花柱中的生长延长以及雌雄配子之间的顺利融合[15]。许多研究表明，柱头可授性和花粉活性是影响杂交成功率的重要因素[16-18]，花柱长影响授粉受精的成功率[19]。在油茶的授粉受精过程中花柱和花粉发挥着至关重要的作用，较高的花粉活力有利于提高油茶的座果率[20]，而花粉活力过低可能导致雄性不育[21]，花柱越长对油茶杂交花粉管生长抑制越明显[12]。本研究对3个油茶杂交子代群体花柱和花粉活力的性状遗传进行分析，发现YZ2×DY2子代群体最易获得花柱较短、花粉活力较高的单株，在未来油茶杂交育种工作中，可在该子代群体中挑选杂交成功率较高的父、母本。

性状变异是优化遗传品质的基础，变异系数越大，进行品种改良时选择的潜力就越大[22]。傅志强等[23]对多个不同品种的油茶花器官特征的研究结果显示，油茶花柱长的变异系数很小，这与本研究的结果存在差异，原因可能是YZ2×HS杂交组合是普通油茶与短柱茶(Camellia brevistyla)杂交，使得其子代群体花柱长的遗传变异更广泛，而DY2作为其中筛选出的优株，以DY2为亲本的杂交子代群体的花柱同样会长短不一，导致变异系数变大。因此，在未来的杂交育种工作中，可以选择表型差异明显的不同品种作为亲本，以获得性状多样的子代，丰富品种改良的选择。在许多木本植物中花粉性状的变异程度较大，范净等[24]发现砂梨(Pyrus pyrifolia)花粉特性的平均变异系数为66.3%；齐秀娟等[25]对不同来源猕猴桃(Actinidia chinensis)雄株花粉特性的研究结果显示，猕猴桃杂交子代花粉萌发率的变异系数普遍较大，与油茶花粉活力的变异系数相近。

本研究结果表明，3个杂交子代群体花柱长和花粉活力的中亲优势均为负值，印证了杂交后代非加效应解体使多个个体性状低于亲本[26]；YZ2×HS和DY2×YZ2子代群体花柱长的超低亲优势为正值，说明这两个群体花柱长的杂种优势衰退程度较低；3个杂交子代群体花粉活力的超低亲优势均为负值，说明油茶杂交子代花粉活力的杂种优势衰退明显，且控制花粉活力的基因较多。

相对遗传力是亲本的具体性状向杂交子代传递遗传特征能力的相对大小或强弱[27]，本研究通过对3个油茶杂交子代花柱和花粉性状相对遗传力的对比分析，发现其在不同性状和不同亲本中差异较大，在花柱长的遗传中，3个杂交子代群体均倾向于YZ2，郭鑫淼等[28]对油茶杂交子代DY2×HS子代群体花器官性状的研究结果显示，其花柱长的遗传明显倾向于母本DY2，本研究结果显示3个亲本花柱长的排名为HS＞DY2＞YZ2。在花粉活力的遗传中，以YZ2为母本的子代群体倾向于父本，而DY2×YZ2子代群体明显倾向于母本，3个亲本花粉活力的排名为YZ2＞DY2＞HS。综上所述，油茶杂交子代花柱长和花粉活力的遗传趋势均会倾向于性状较弱的亲本。