六十年来育种对白花三叶草遗传之改良

六十年来育种对白花三叶草遗传之改良 專 題 討 論 六十年來育種對白花三葉草遺傳 之改良 Genetic Improvement in White Clover Representing Six Decades of Plant Breeding 作者,D. R. Woodfield and J. R. Caradus 出處,Crop Sci. 34:1205-1213 (1994) 指導老師,王裕文 老師 學 生,劉建甫 系 級,農藝系四年級 學 號,B83601037 日 期,1997年10月30日 時 間,上午11點10分 地 點,農藝館108教室 摘要, 六十年來,白花三葉草,white clover,Trifolium repens L.,,現的增進,可歸諸三項, 肥料的使用量增加,管理技術提昇以及培育優良遺傳型品種。 本次報告利用由全世界收集所得的110種白花三葉草品種,包含生態型和栽培種,在紐西蘭地區同一環境下栽培以評估60年來遺傳增進的速率。 從1985到1989年間的田間試驗中,以平均每年9次的輪流放 L.,,群作為管理的。而品系的分類則牧羊,sheep,Ovis aries 以其育成的年代,每10年為一組,、原生長所適應之氣候型,寒帶、溫帶及熱帶型,和植株型態,小葉型、中葉型、大葉非ladino型和大葉ladino型,。遺傳增進速率則利用迴歸,結果發現白花三葉草產量以每年1.44 g/?的速率在上升。而白花三葉草在混植草原中所佔的百分比也以每年0.14 %的比例增加著。這相當於這兩項指標每十年有6 % 的遺傳增進,這種增進率已超過其他種曾被提出報告的飼料作物。而從白花三葉草產量及在混植草原中所佔比例所得之遺傳增進,依型態區分則最多的是小葉型,每十年增加總產量7.5及8.7 %,和大葉非ladino型,6.6及8.3 %,。若依原生長環境區分, 則以溫帶型最高,8.3及8.1 %,其次為寒帶型,3.5及3.2 %,及熱帶型,1.5及2.6 %,。 前言, 在大多數溫帶放牧農場中白花三葉草是主要撒播用豆科牧草,透過固氮作用,每年可供給放牧用草原每公頃400公斤的氮肥並提高牧草品質,Crush, 1987,。由於其匍匐性及表現型的可塑性讓它成為一種理想的輔助豆科牧草而且也使其能在高度收刈密度下存活。各主要的栽培性狀在族群內與族群間也存在著高度的變異,Caradus et ., 1989a, Williams, 1987,。 al 早期的育種工作開始於1930年代,焦點放在從現有的生態型中進行選種。這些早期的生態型成功地應用在數十年的商業生產中,其後的種源交換,造成具有持續性,persistence,的生態型種源與外來高產種源的雜交混合。白花三葉草最常用的族群改良方式為在適應生產地的種源庫中進行外表型輪迴選拔,phenotypic recurrent selection,,Williams, 1987,。 白花三葉草的改良工作在全世界的29個國家中被進行。從1930年起,超過250種三葉草合成品種和生態型在世界各地推出;但在這 些品種中有一半以上已經不再有商用種子供應了,Organization for Economic Cooperation and Development ,OECD,只列出了70種適用於檢定的品種。以每十年為單位,新品種推出的數量從1930年代到1970年代都相當穩定,但是從1970年代起則有快速的上升,Fig. 1,。推出至今的栽培種主要為由選定的親本營養系或種子系透過天然授粉而產生的合成品種,其中只有‘Ensign’例外,它是由四個合成品種混合而成的。大多數推出的新品種都只能在市場上佔有少部份的比例,市場上則仍然為如‘Dutch’、‘Grasslands Huia’和Ladino衍生的品系所佔有。部分生態型品系,包括‘Kent wild white’,England,,‘Ladino Gigante Lodigiano’,Italy,和‘Irrigation’,Australia,仍有商業利用價值,但是大多數生態型品系已被改良的栽培種取代,Fig. 1; Williams, 1987,。 新推出的三葉草的品系可以明顯觀察到遺傳上的改良增進,Caradus et al., 1991; Cooper and Chapman, 1993,,然而,增進的速率則尚未被測定。穀類作物的增進速率像是玉米,Zea mays L.; Duvick, 1992; Russell, 1991,,小麥,Triticum aestivum L.; Austin et ., 1980,、大豆,Glycine max (L.) Merr.; Specht and Williams, al 1984,和高梁,Sorghum bicolor (L.) Moench; Miller and Kebede, 1984,都已現成可得,方便供育種者參考以制定未來育種策略。本研究的目的是為了測定,,i,最近六十年來白花三葉草所達成的遺傳增進速率以及,ii,品種原生地及生育特性如何影響這個速率。 材料及方法, 在1985年及1989年間在紐西蘭Palmerston North地區,利用110個白花三葉草生態型及栽培種共進行了兩個試驗,迷你區域草原,miniplot sward,試驗及單株栽培試驗。參試白花三葉草種源來自24個國家,代表近六十年來品種改良的成果。參試用的種子其年份不一,因為許多栽培種或是生態型已經不再供作商業生產用,無法取 得新鮮種子。所有的種子皆以0?,相對濕度30 ,的狀態被儲存在 Margot Forde Forage Germplasm Centre,AgResearch Grasslands, Palmerston North, New Zealand,維持其活力。大多數的品種以原 始種子繁殖,但部份品種的種子則是在隔離的籠架中增殖,因為儲存的種子量不足以在試驗中使用,。種苗種植在溫室中十週,之後在 1985年4月開始移植作田間試驗。在移植前以picrate method,Corkill, 1940,每品種取20個基因型進行起始的氰酸化,cyanogenesis,等 級檢測。此法可檢出在每一品種中在Ac,linamarinand lotaustralin glucosides,和Li,hydrolysing enzyme linamarase,兩基因座上帶 有顯性對偶基因之基因型頻率。如兩基因座同時都具有顯性對偶基因則受傷的葉片將會產生氰酸,HCN,。兩試驗中的土壤類型為fine silty over sandy mixed, mesic, Dystric Fluventic Eutrochrept,Cowie, 1978,。 一.草原試驗, 白花三葉草被移植進一個具低內寄生真菌,endophyte, ‘Grasslands Nui’多年生黑麥草,Lolium perenne L.,草原上,原草原上的三葉草則以噴灑Dicamba,2-methoxy-3,6-dichlorobenzoic acid,的方式先行排除。這樣可以確保白花三葉草成長時的環境競爭接近於商業栽培時的狀態。每個品種移植25株種苗到0.25?的迷你試區中,每個試區間以25?寬的走道區隔。試驗設計方式是採逢機完全區集三重複。試區在1985年7月到1989年4月間以羊群輪流放牧35次,Caradus et al., 1991,。每次放牧期間從1到3日不等,以確保刈草後高度降至1到2?,而兩次放牧的間隔則從春季的24天到冬季的60天不等。為避免因白花三葉草生長擴張到鄰近試區導致混淆,所有試區的邊緣皆採5公分深切邊並在每年春末及秋末以Dicamba處理試區間的通道。迷你試區調查的性狀如下, 1.1.三葉草產量,草原總產量,grass + clover,和三葉草在草原中所佔重量百分比。在一個50×8?的長條區域中,用手提式電動剪刀切除植株到1?高度,將植株分開為白花三葉草及禾草兩部分,分別乾燥、秤重。試驗期間共取樣8次,分別於每年4月及12月進行,,8次取樣的平均值列於表1。年平均三葉草產量及草原產量可以平均值乘以9,相當於每年平均放牧次數,求計。 2.2.匍匐莖的數量。每次放牧,共35次,前,在一個190c?的方格中清點匍匐莖生長點的數目。生長點平均值列於表1。 3.3.在十月及三月中的每次放牧前記錄每個試區的開花總數。4年中19次計算所得之平均值列於表1。 4.4.小葉寬度,公釐,。早春時隨機選取兩匍匐莖,調查其上第二完全展開葉的中間小葉寬度。 另外,試驗結束後,土壤pH值為5.1,磷,Olsen-P,含量為10?/?,有機質含量為66g/?。 二.單株試驗, 以每行5株植株為一試區,以逢機完全區集,RCB,設計6重複進行單株試驗。植株行株距各為60公分。每年以羊群平均放牧5次,每次放牧之後以機械修整邊緣,使各單株植株直徑接近於20公分。調查項目包括下列數項, 1.1.小葉寬度,公釐,。測定方式同前一試驗。結果中所顯示的小葉寬度為草原試驗與本單株試驗的平均值。 2.2.植株高度,公分,。在1985年夏天及1986年秋天的兩次放牧前測量之。 3.3.葉片白色標記,white leaf marks,出現的頻率。這是由一個V基因座控制的性狀,Brewbaker and Carnahan, 1956,。未出現白色V型標記,vv,的植株比例及出現完整V型標記的植株比例,Vf 包 含Brewbaker和Carnahan在1956提出的Vl、Vi和Vh等,。 三.統計分析, 所有資料使用Genstat,Genstat 5 Committee, 1987,進行變方分析。參試品系則以下列分群方式進行三向分析, (i) (i)釋出的年代,每十年為一單位,。 (ii)(ii)外型習性,小葉,中葉,大葉非ladino型及大葉ladino型,。 (iii)(iii)原生育地的氣候型,寒帶,cold,、溫帶,cool,和熱帶,warm-hot,,。氣候型的判定是依照各地隆冬時,midwinter,的平均日高溫所得,小於3?者定義為寒帶型,介於3?到13?則為溫帶型,大於13?就歸類為熱帶型。 將釋出年代每十年平均值進行迴歸分析,SAS Proc. Reg.,可用來推測六十年來遺傳增進的速率,SAS Institute, 1988,。將所得之絕對遺傳增進速率除以各十年期內各性狀的均值作為各十年期遺傳增進速率的估值。起始的遺傳值是以所有十年期的平均值為估值,利用此平均值所估得的遺傳增進速率估計值較使用第一個十年期平均值來得保守,不使用第一個十年期,1939年之前,的另一個原因是在該十年期只有10個參試品系,Table 1,。 結果與討論, 一.各參試品系的表現, 試驗後所得各十年期中最高產的品系分別為, ‘Irrigation’,1930年代,、‘Kersey’,1940年代,、‘Tribla’,1950年代,、‘Crau’,1960年代,、‘Olwen’,1970年代,和‘G23’,1980年代,。 而最低產的則為, ‘Landsberger,’1930年代,、‘Pathfinder,’1940年代,、‘Common Idaho’,1950年代,、‘ML-48-65’,1960年代,、‘Undrom’,1970年代,和‘Sandra’,1980年代,。 除了‘Irrigation’外,源自澳洲,,1950年代之前表現最好的品系皆源自荷蘭及北歐。而最近數十年來,則以源自法國,紐西蘭及美國的品系表現較佳。在這個試驗中,儘管推出的年代是1966年,Table 1,,法國品種‘Crau’是最高產的品種。寒帶地區的品系表現較溫暖地區育成的品種為差。最低產的三個品種一來自加拿大,另外兩種來自瑞典。源自其他寒帶地區,如,俄羅斯、捷克斯拉夫的品系同樣表現較差。在寒冷地區育成的品種通常有較小的葉片及匍匐生長的習性,這類特徵通常與耐霜害有關,Caradus et al., 1989b,。以耐霜害為目標所選育的品系,當生長在溫暖無霜的條件下,其表現即為生長緩 慢、冬季休眠以及低產,Caradus and Eerens, 1993,。 所得結果中,三葉草所佔重量比與三葉草乾重頗為相似。有12個品系在草原試驗中其三葉草比例超過30 ,,Table 1,,依Davies 和Levy在1931年之建議,應可供給動物最佳的生育需求所需之牧草。 二.遺傳增進的速率, 品種表現以十年期的平均值顯示在圖二,Fig. 2,。三葉草產量及重量百分比等兩性狀均有顯著的增加,P<0.01,。1980年代推出的品系乾物產量較1939年之前推出者增加28 ,,較1940年代推出者增加44 ,,然而,十年期中成長量最大者發生在1950年代,Fig. 2,。這恰巧與大型葉,無氰酸含量,acyanogenic,,ladino型白花三葉草種源的發現與重要品系如,‘Grasslands Huia’及‘Ladino Gigante Lodigiano’的推出相吻合。整體而言三葉草乾重的增加速度為0.16g/?-harvest,相當於每年增加1.44g/?。將此值除以110個品系的平均產量即可得到每十年遺傳增進的速率為6 ,,Fig. 2,。此遺傳增進的速度與另外兩個使用相同迴歸分析法的白花三葉草實驗所得之結果相近,Rhind et al., 1979; Vacek and Zapletalova, 1982,。在南非利用31個品系評估所得的資料顯示三葉草產量增加速率為每十年 6.8 ,,Rhind et al., 1979,,在捷克利用24個品系之評估則得到4.6 ,的結果,Vacek and Zapletalova, 1982,。三葉草在放牧草原中的 比例,1950年代所推出之品種超過1939年之前推出者28 ,,1980年代推出者則超過38 ,。這顯示三葉草在放牧草原的含量每年上升0.14,,每十年遺傳增進速度為6 ,,Fig. 2,。每十年期之間的草 原總產量並沒有明顯的改變,顯示三葉草產量及比例的增加,可能是透過競爭的提昇力而來,所以禾草產量相對地就被削減了,Table 2,。 苜蓿,alfalfa,Medicago sativa L.,,多年生黑麥草,perennial ryegrass,和義大利黑麥草,Italian ryegrass,Lolium multiflorum Lam.,,是少數幾種遺傳增進速率已經測定的飼料作物。在苜蓿中,每十年遺傳增進的速率從1.8 ,到2.6 ,,Hill et al., 1988; Holland and Bingham, 1994,,而在多年生三葉草及義大利黑麥草曾有每十 年提昇5 ,的報告被提出,van Wijk and Reheul, 1991,。這裡所提出白花三葉草增進速率是與先前所報告的黑麥草數據相近,然而卻是苜蓿的2到3倍。這種差異可利用遺傳行為上的差異加以解釋。白花三葉草與苜蓿皆為四倍體,2n=4x=32,,但是苜蓿是同質四倍體的四染體,tetrasomic,遺傳,白花三葉草是異質四倍體的二染體,disomic,遺傳。在一個基因座上,四染體所可能產生的異質結合型數目遠較二染體為多,其遺傳增進速率也因此較低。,Hill et al., 1988,。 由於大部份參試的白花三葉草品系都不是專為紐西蘭地區所選育的,而竟能得到如此高的遺傳增進估值是相當特別的。在已被研究的穀類作物中擁有高遺傳增進速率者例如玉米及小麥,其育種週期較短,而且育種家可以改變收穫指數而增加產量,Austin et al., 1980; Russell, 1991,。但對白花三葉草而言,其多年生特性會延長其評估時間及育種週期,至少三年,。此外,由於產量的評估是利用機械或 放牧的方式採收地上部植株,透過地上部及地下部的資源分配而改變收穫指數所能獲得的產量增加相當有限,Woodfield and Caradus, 1990,。 在大多數白花三葉草育種工作中,增加動物生長的表現是主要的課題,因此牧草的產量並非總是優先。草原中的三葉草含量及總草原產量,草原持續性以及牧草品質都是影響動物生育的重要因子也因此都是育種選拔的目標。三葉草在草原中的含量對於動物體重的增加有直接的關係,Chapman et al., 1993,。Chapman et al ,1993,利用了兩個三葉草品種及一個原生生態系在紐西蘭的一個低肥力山丘進行了大規模的放牧試驗,比較生長、固氮能力及動物生產量。種植‘Grasslands Tahora’,1982年推出,的草原乾物質的產量較‘Grasslands Huia’及原生生態型分別高出9及65 ,。而固氮能力則分別超出37及45 ,。最重要的,Tahora草原全年可飼養的動物數目較Huia或原生生態型多出9,,動物體重也有明顯的增加,分別是夏天的18,及秋天的59,。 對於提昇白花三葉草遺傳增進速率,育種技術只有小小的貢獻,因為六十年來表現型輪迴選種在這方面依然是主要的育種技術,Williams, 1987,。不像玉米,三葉草育種並未朝向雜交品系的選育。最近十年,在世界四個主要育種中心開始進行材料自交育種計 劃,期望藉著減少有害隱性對偶基因而降低遺傳負擔,genetic load,使將來的改良速度加快。對於已獲得的品種改良原因,首先,我們將之歸諸於不斷改進的種源篩選及評估技術,使其更符合實際狀況,第二,透過結合生態型的遺傳物質與國際間交換的優良遺傳物質而維持寬廣的遺傳基礎以適應不同的環境與土壤等逆境。在1950年代以前,評估工作是對在沒有伴生禾草的分植栽培單株上使用肉眼判定。後來逐漸將植株轉移到草原競爭環境中進行評估以及利用較客觀的性狀調查,而提高育種者辨認選育優良基因型的能力。 部份育種計劃依靠人工收割而不採用放牧進行評估品種表現。以人工收割來評估品種表現不能正確反映出在密集放牧之下的品種表現,Evans et al., 1992; Ingram, 1984,。人工收割的方式較有利於大葉品系,然而小葉及中葉品種在密集放牧之下會有更好的持續力及生產力。在歐洲,國際間列出的已檢定品種其表現主要是在人工收刈下進行評估,因此部份育種者也就沿用這種評估技術。但持續這種方式可能會選育出農藝潛力低劣的品系。 1939年之前的品系具有較高頻度的無白色葉標記,vv,,顯示這些品系及生態系有較高程度的自交性,Table 2,。較高程度的自交在這些品系及生態系所分佈的較隔離的區域中是可能發生的。在1940年之後,無白色標記的基因型頻度的減少和生態系間雜交及外來族群 的引入相符,同時也增加了異質性,heterozygosity,。白色V型標記在近代為配合植物品種專利,Plant Variety Rights,被積極地選拔以培育有特色的品種。 三.型態、開花與氰酸化, 白花三葉草品種的葉子大小與植株高度,夏、秋兩季測得,從1930年代到1960年代都有增加,但之後就停止了,Table 2,。葉的大小是一個分辨植物型的良好指標,小葉植株具有匍匐性,而大葉植株則多具直立性,Caradus et al., 1989a,。小葉種較大葉種有更高的匍匐莖密度,Caradus ., 1989a; Caradus and Williams, 1989; et al Evans et al., 1992,。大葉與長柄通常伴隨短生長期間高產量的性質,Caradus et al., 1991,,但高密度的匍匐莖通常是改良營養生長持續力的必要條件,Williams, 1987; Caradus and Williams, 1989,。Caradus et al.,1990,曾提出在葉型分群內改良匍匐莖的密度,顯示持續力能在不縮小葉型及犧牲產量之下被改良。 氰酸化的程度和匍匐莖密度在各個年代都有顯著的變化,P<0.01,,然而其傾向並非直線的,Table 2,。1980年代成功的高產品種,通常是保持原有的高密度匍匐莖而非保持原有的葉型,Table 2,。這種傾向也在紐西蘭其他進行試驗中的高產量品系或品種中被注 意到,Caradus et al., 1990, 1991,。具氰酸化能力的植株當葉片受損時會釋放氰酸,HCN,以提供不同程度的保護,以對抗無脊椎害蟲,然而不具氰酸化能力的植株顯然較適應較寒冷的氣候,Daday, 1987,。Caradus和Williams,1989,報告了具有較高牧草產量及持續力的族群會含有較高頻度的產生氰酸的基因型。雖然有此明顯的關連,但60年來改變產生氰酸顯性性狀的頻度似乎沒有對產量的提昇有所貢獻,Table 2; Fig. 2,。1970及1980年代,品種中氰酸化基因型的平均頻度並不高,氰酸化的等級從1930到1960年代都在下降,然而牧草產量及三葉草比例從1940到1960年代卻有增加,Table 2; Fig. 2,。 花序數目的平均數在60年來並沒有明顯的改變,P>0.05,。在這些改良品種上,牧草產量的提昇並沒有嚴重地影響種子的生產,Table 2,。花芽密度、開花及其稔實性對具有較好遺傳特質的白花三葉草品種獲得商業生產成功皆為重要因子,Thomas, 1987,。無法成功地提供商業生產所需種子量通常是新品種無法在市場上佔有一席之地的主因,Davies, 1984,。要成功,新品種必須要能和Grasslands Huia競爭,因為這個品種在目前世界市場上有種子供應及價格上的優勢,Davies, 1984,。 四.品種習性與原生地氣候, 遺傳的增進程度最大的是小葉種的每十年產量增加7.5及草原中所佔比例增加8.7 ,,大葉非ladino型的6.6及8.3 ,,Table 3,。對大葉非ladino型品系所觀察到的高遺傳增進速率可能是取樣偏差所造成的假象但這也反映了近十年來對此型植株大葉高產潛力期望的現象。小葉種所達到的水準反映出近代育種目標的改變,特別是在丘陵地及密集放牧草原中重視持續力的選育,Caradus and Williams, 1989,。中葉品種的改良速率較低,或許可以反映出人們喜歡選拔較大或較小型葉的品系。通常在選拔高產量的品系會由小葉型傾向中或大葉型的基因型,而選拔高持續力的品系時,則通常會選拔較小葉型的基因型。在本試驗中並未發現有此類特性上的改變,因此,在相同葉型內的遺傳增進速率可能無法完全解釋所獲得的遺傳增進。 當在溫帶地區進行評估,來自溫帶氣候型的品種展現較來自較寒 冷及較溫暖地區的品種為好的改良速率,不論是產量或是在草原中的乾重百分比皆是,Table 4,。1960以來,較溫暖地區的三葉草產量發生令人憂慮的下降趨勢,但這也許只是反映出在產量之外的選拔標準,像是持續力或是抗病蟲害等特性。來自丹麥及比利時的品系對寒帶型三葉草的遺傳增進速率評估有顯著的影響,在1950年代及1980年代中有較多的品系來自這兩個地區,其遺傳增進速率高,當在1970及1980年代來自這兩個地區的品系較少時,其遺傳增進速率低,Table 1及4,。 結論, 60年來在白花三葉草上的遺傳改良可歸因於改良評估的方法與辨認優良的親本。三葉草產量與組成草原百分比的遺傳增進速率達到每十年6,,相對於其他牧草作物的速率,此為一高速率,van Wijk and Reheul, 1991; Holland and Bingham, 1994,,但卻較其他的穀類作物低一些,Austin et al., 1980; Russell, 1991,。 在玉米及苜蓿上,產量的改良是依靠在基礎族群上累積優良的對偶基因,從寬廣的遺傳基礎上合併親本以增加雜種優勢,Lamkey and Smith, 1987; Holland and Bingham, 1994,。無論如何,在不論其機制如何下,系統性地改良族群應可對白花三葉草的改良進展提供助力。