木薯二倍体及其同源四倍体开花结实特性的比较

李恒锐; 陈会鲜; 杨海霞; 张秀芬; 何文; 梁振华; 郭素云; 刘连军; 黎萍; 陈海生; 严华兵

doi:10.3969/j.issn.1000-2561.2020.08.011

热带作物学报 >

2020 , Vol. 41 >Issue 8: 1582 - 1588

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-2561.2020.08.011

木薯二倍体及其同源四倍体开花结实特性的比较

李恒锐 ¹ ,
陈会鲜 ¹ ,
杨海霞 ¹ ,
张秀芬 ¹ ,
何文 ¹ ,
梁振华 ¹ ,
郭素云 ¹ ,
刘连军 ¹ ,
黎萍 ¹ ,
陈海生 ¹ ,
严华兵 ^,²^,^**

展开

1.广西南亚热带农业科学研究所,广西龙州 532415
2.广西农业科学院经济作物研究所,广西南宁 530007

**严华兵（YAN Huabing）,E-mail： h.b.yan@hotmail.com。

*同等贡献作者

李恒锐（1988—）,男,学士,助理研究员,研究方向：薯类作物栽培与育种。

陈会鲜（1986—）,女,硕士,农艺师,研究方向：作物栽培及遗传育种。

收稿日期: 2019-10-14

要求修回日期: 2019-11-29

网络出版日期: 2020-09-17

基金资助

广西重点研发计划项目(桂科AB16380075)

广西区公益性专项基金项目(GXNYRKS201809)

崇左市科技计划项目(崇科攻2019030)

版权

收起

Flowering and Fruiting Characteristics of Cassava Diploid and Its Autotetraploid

LI Hengrui ¹ ,
CHEN Huixian ¹ ,
YANG Haixia ¹ ,
ZHANG Xiufen ¹ ,
HE Wen ¹ ,
LIANG Zhenhua ¹ ,
GUO Suyun ¹ ,
LIU Lianjun ¹ ,
LI Ping ¹ ,
CHEN Haisheng ¹ ,
YAN Huabing ^,²^,^**

Expand

1. Guangxi South Subtropical Agricultural Science Research Institute, Longzhou, Guangxi 532415, China
2. Cash Crops Research Institute, Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanning, Guangxi 530007, China

Received date: 2019-10-14

Request revised date: 2019-11-29

Online published: 2020-09-17

Copyright

Copyright reserved © 2020. Office of Acta Agronomica Sinica All articles published represent the opinions of the authors, and do not reflect the official policy of the Chinese Medical Association or the Editorial Board, unless this is clearly specified.

Fold

摘要

以木薯品种‘新选048’和‘华南205’的二倍体及其同源四倍体为材料,采用定株观察的方法,比较二倍体及其同源四倍体开花结实特性的差异,探究染色体加倍后对木薯开花结实特性的影响,为开展木薯多倍体材料创制及鉴定提供科学参考。结果表明：2个木薯品种四倍体的开花结实物候期都要迟于二倍体,且四倍体的雌花、雄花、花药、果实、种子的形态大小均大于二倍体;2个木薯品种不同倍性间花药分布情况存在差异,‘新选048’的四倍体会出现两性花且其雌花花被颜色与二倍体存在明显差异;2个木薯品种不同倍性间开花及坐果数量也存在不同程度的差异,其中‘新选048’四倍体的单序总花量和雌、雄花总量显著大于二倍体的,但2个品种在不同倍性间开花及坐果数量的差异中呈现不同的规律。因此,木薯染色体加倍,可延迟开花结实的时间,增加生殖器官的大小,改变花形态特征和雌雄花的数量及花总量,但这种改变具有品种依赖性。

关键词： 木薯; 二倍体; 四倍体; 开花结实特性; 差异

本文引用格式

李恒锐 , 陈会鲜 , 杨海霞 , 张秀芬 , 何文 , 梁振华 , 郭素云 , 刘连军 , 黎萍 , 陈海生 , 严华兵 . 木薯二倍体及其同源四倍体开花结实特性的比较[J]. 热带作物学报, 2020 , 41(8) : 1582 -1588 . DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2020.08.011

Abstract

In this study, the diploid and its autotetraploid of ‘Xinxuan 048’ and ‘SC205’ were used as the test variety, and the differences of flowering and fruiting characteristics in the diploid and autotetraploid were compared using the method of fixed-plant observation to explore the effect of cassava chromosome doubling on flowering and fruiting characteristics, and provide scientific reference for the creation and identification of cassava polyploid material. The flowering and fruiting phenotypes of the tetraploids of the two cassava varieties were later than that of the diploid, and the size of the male and female flowers, anthers, fruits and seeds of the tetraploid was larger than that of the diploid. There were differences in anther distribution between different ploidy varieties of the two cassava varieties, and there were significant differences in the color of different ploidy female flowers in ‘Xinxuan 048’. Bisexual flowers appeared in the tetraploids of ‘Xinxuan 048’. There were also differences in the number of flowering and fruit setting between different ploidy cassava. The total single flower mass and total number of female or male flowers of the tetraploid of ‘Xinxuan 048’ were significantly larger than those of the diploid, but the difference of ‘SC205’ was not significant. Therefore, doubling the chromosome of cassava can delay the flowering time, increase the size of the reproductive organs, change the flower morphological characteristics and the number of male and female flowers and the total amount of flowers, but the change is different due to variety difference.

Key words： cassava; diploid; tetraploid; flowering and fruiting characteristics; difference

木薯（Manihot esculenta Crantz）是大戟科（Euphorbiaceae）木薯属（Manihot）植物。它被称为"全球第六大粮食作物""世界三大薯类作物之一""热区第四大食物能量供给作物"。随着石化资源的日益枯竭,木薯已成为我国生物质能源产业发展的重要资源,并最终被确定为我国中长期新能源战略中的重点发展方向。因此,木薯产业的发展对我国的粮食安全和新能源的发展具有举足轻重的作用。然而,高产、优质木薯种质资源的匮乏是当前我国木薯产业发展所面临的主要挑战之一^[1]。Soltis等^[2]通过研究发现,多倍体植株在生物学特性上能表现出根、茎、叶等营养器官的巨大性,并具有产量提高、品质提升、抗逆性增强等特点。前人利用二倍体与四倍体杂交的方式创制出来的多倍体如丹参^[3]、西瓜^[4]、梨^[5]、玉米^[6]、甜叶菊^[7]、柑橘^[8]等均表现出了强优势。因此,多倍体育种为木薯高产、优质资源的创制提供新的研究思路。研究二倍体及其同源四倍体的开花结实特性的差异可了解不同倍性木薯品种的开花结实规律,并能根据其开花结实规律有针对性地采取不同的育种措施,来提高多倍体材料鉴定及育种的效率,对木薯的育种具有积极的意义。

目前,对于木薯二倍体及其同源四倍体的比较研究主要集中在叶片形态特征及其解剖学结构^[9,10]、农艺性状^[11,12,13]、抗旱^[14]、分子遗传学^[15]、淀粉积累及光合特性^[11,12,13]等方面,而关于木薯二倍体及其同源四倍体开花结实特性的研究鲜见报道。为了更好地充实该领域的研究,本试验以具有育种价值的木薯品种‘新选048’和‘华南205’的二倍体及其同源四倍体为材料,通过定株观察木薯的开花结实物候期、开花特性、果实及种子生长发育动态变化规律,找出不同倍性间木薯开花结实特性的差异规律,以期为木薯多倍体材料的创制、鉴定和杂交利用提供科学参考。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 材料 ‘新选048’和‘华南205’的二倍体及其同源四倍体（两者均为广西主栽木薯品种）。其中二倍体（2x）材料（染色体数为2n=2x=36条）,来源于广西南亚热带农业科学研究所木薯种质资源圃;四倍体（4x）材料（染色体数为2n=4x=72条）,由广西农业科学院经济作物研究所木薯课题组鉴定后提供。

1.1.2 试验地概况试验地位于广西南亚热带农业科学研究所木薯杂交育种基地,地处北纬22°20′26″,东经106°47′39″,海拔330 m。该试验地属南亚热带季风气候,试验期间（2018年）的年均气温为22.6℃,极端最高温为40.9℃（6月3日）,极端最低温为2℃（12月20日）,最热月均气温为27.5℃,最冷月均气温为19.9℃,平均降水量为1392.7 mm,年均相对湿度为86%,年均蒸发量1113.9 mm,全年无霜期为359 d。土壤为红壤,为促进木薯自然开花,试验地常年不施肥料,其基础养分检测结果为：有机质33.9 g/kg,全氮1.73 g/kg,全磷0.905 g/kg,全钾3.4 g/kg,水解性氮130 mg/kg,有效磷0.451 mg/kg,速效钾42.8 mg/kg,pH 4.3。

1.2 方法

1.2.1 试验设计本试验共设4个处理,即‘新选048’二倍体、‘新选048’四倍体、‘华南205’二倍体、‘华南205’四倍体,每个处理设3次重复,株行距为2 m×2 m,每小区面积为60 m²,覆盖除草地膜,全生育期不施肥。种植时间为2018年3月15日,收获时间为2019年1月18日。植株约高1 m时,每个处理分别选取生长健壮、长势一致的植株5株,分株编号,挂牌标识,设为日后固定观测的对象。

1.2.2 开花结实物候期观测主要观测的物候期包括：现蕾期（小区30%植株现蕾）、初花期（小区30%植株开花）、盛花期（小区80%植株开花）、结实期（小区30%植株结有可视0.5 cm左右果实）、果熟期（小区30%果实尖端微裂,果皮由光泽变粗糙）、落果期（小区30%果实成熟崩裂后散落种子）。

1.2.3 开花特性的观察测定每个挂牌植株选择1个花序挂牌标记。在盛花期观测每个挂牌花序的雌、雄花数量,并选取花被片完全展开的雌、雄花各5朵,记录雌、雄花部形态特征。与此同时,分阶段每周标记累加统计每个观测单株的雌雄花数量。于果实成熟期观测记录每个花序的坐果数,并统计单个花序的坐果率,公式如下：单序坐果率=单序坐果数/单序雌花数量×100%。

1.2.4 果实及种子发育特征的观察测定雌花开放后每隔10 d采样1次,直至果实成熟,每次采集5个果实,观察记录木薯果实发育规律。利用游标卡尺测量其横径和纵径大小,后用手术刀纵切果实取出种子,再测量种子的横径、纵径大小。

1.3 数据处理

采用Microsoft Office Excel 2007软件对原始数据进行整理计算和绘图,并采用DPS 7.05软件对数据进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 不同倍性间木薯品种开花结实物候比较

开花结实物候是繁殖生物学研究的重要内容之一^[16]。将木薯开花结实物候期划分为6个阶段,分别为现蕾期、初花期、盛花期、结实期、果熟期、落果期。从表1可知,‘新选048’各物候期要早于‘华南205’,以‘新选048’二倍体最早,‘华南205’四倍体最晚,表明‘新选048’二倍体能够最快完成从现蕾到果实成熟的过程。从现蕾、初花、盛花、结实、果熟、落果期看,‘新选048’和‘华南205’二倍体各物候期都要早于四倍体,其中‘新选048’二倍体较四倍体在6个阶段分别提前2、2、1、4、4、6 d,而‘华南205’二倍体较四倍体分别提前5、6、4、6、10、7 d。这表明四倍体的开花结实会比二倍体有所延迟。

表1 不同倍性间木薯品种开花结实物候比较

Tab. 1 Comparison of flowering and fruiting phenology of cassava varieties with different ploidy

观测项目 Observation items	新选048（月-日） Xinxuan 048 (M-D)		华南205（月-日） SC205 (M-D)
观测项目 Observation items	2x	4x	2x	4x
现蕾期	8-90	8-11	8-21	8-26
初花期	8-16	8-18	9-30	9-90
盛花期	8-23	8-24	9-11	9-15
结实期	9-12	9-16	9-25	10-10
果熟期	11-25	11-29	12-10	12-11
落果期	12-20	12-26	1-50	1-12

2.2 不同倍性间木薯品种开花特性的比较

2.2.1 不同倍性间木薯品种开花及座果数量的比较从表2可知,‘新选048’不同倍性间木薯品种的开花及坐果数量的相关指标的增幅在-56.79%~15.11%之间变化,而‘华南205’的增幅在-6.72%~12.12%之间变化;在比较不同品种间开花及座果相关指标的增幅大小时发现,两品种除了单序坐果数的增幅方向（正负）相同以外,其他指标的增幅方向均呈相反的方向;比较木薯不同倍性间开花及坐果数量的差异显著性时,结果发现‘华南205’不同倍性间开花及坐果数量均差异不显著,‘新选048’不同倍性间在单序雌花数量、单序雄花数量、单序坐果数、坐果率等方面的差异也不显著,但‘新选048’二倍体的单序总花量、雌花总数量、雄花总数量显著高于四倍体;比较不同倍性的雌雄花的比值时,结果发现‘新选048’二倍体的雌雄花比值大于四倍体,而‘华南205’不同倍性的雌雄花比值基本持平。这说明木薯染色加倍后可改变其开花及坐果数量,但这种改变会因品种的不同而朝着不同的方向发展,改变的大小也会因品种而异。

表2 不同倍性间木薯品种开花及坐果数量比较

Tab. 2 Comparison of flowering and fruit setting in different ploidy cassava varieties

性状 Characters	新选048 Xinxuan048		增幅 Increased/%	华南205 SC205		增幅Increased/%
性状 Characters	2x	4x	增幅 Increased/%	2x	4x	增幅Increased/%
单序雌花数量	8.20±1.94^a	6.20±1.17^a	-32.26	5.80±2.04^a	6.60±2.24^a	12.12
单序雄花数量	25.40±6.62^a	16.20±2.71^a	-56.79	34.80±5.15^a	36.60±4.88^a	4.92
单序总花量	33.60±6.02^a	22.40±3.32^b	-50.00	40.60±6.62^a	43.20±6.40^a	6.02
单序坐果数	5.20±0.98^a	4.80±1.33^a	-8.33	3.80±1.60^a	3.60±0.80^a	-5.55
单序坐果率/%	65.47±13.00^a	77.12±14.60^a	15.11	64.95±13.39^a	60.86±22.45^a	-6.72
雌花总数量	30.60±4.27^a	20.60±3.72^b	-48.54	5.80±2.04^a	6.60±2.24^a	12.12
雄花总数量	68.80±7.83^a	56.80±4.58^b	-21.13	34.80±5.15^a	36.60±4.88^a	4.92
雌花总数量/雄花总数量	0.44	0.36		0.17	0.18

	注：表中数据为平均数±标准差,同行不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。
	Note: The data in the table are mean ± standard deviation, and different lowercase letters in the same line indicate significant difference (P<0.05).

2.2.2 不同倍性间木薯花部形态特征的比较从表3可知,四倍体木薯的雌雄花的横径均大于二倍体的雌雄花的横径,其中2个木薯品种不同倍性间雄花的横径差异均达到显著性水平。从图1可知,不同倍性间木薯品种花部形态特征有相同之处也有不同之处。就雄花而言,2个木薯品种不同倍性间雄花的颜色无差异,但四倍体雄花花药较二倍体肥厚,并且黄色花药侧生于白色花丝上,花丝贴生与花被片,而二倍体的雄花花药则集中在中部或分散在花瓣上;就雌花而言,‘新选048’二倍体雌花花被为白色（花被片中脉及两侧为浅红色）,四倍体雌花花被为粉色（花被片中脉及两侧为红色）,而‘华南205’二倍体与四倍体雌花均为乳黄色（花被片中脉及两侧为粉色）;就子房颜色而言,2个木薯品种不同倍性间的子房颜色均相同,‘新选048’为绿色,‘华南205’为绿紫色;就花的性别种类而言,‘新选048’四倍体木薯植株出现了两性花（既有花柱又有花药）。这表明木薯四倍体的花和花药的形态大小均大于二倍体,且花药分布情况、雌花颜色、花的性别种类与二倍体也有着明显的差异,但不同木薯品种的差异规律不尽相同。

表3 不同倍性间木薯品种雌雄花的横径比较

Tab. 3 Comparison of transverse diameters of male and female flowers of cassava varieties between different ploidy

性状 Characters	新选048 Xinxuan048		增幅 Increased/%	华南205 SC205		增幅Increased/%
性状 Characters	2x	4x	增幅 Increased/%	2x	4x	增幅Increased/%
雌花横径/cm	2.07±0.07^a	2.36±0.06^a	14.01	1.53±0.04^a	1.67±0.05^a	8.91
雄花横径/cm	1.64±0.04^a	2.29±0.16^b	39.55	1.81±0.04^a	2.28±0.06^b	25.78
两性花横径/cm	—	2.84±0.06	—	—	—	—

	注：表中数据为平均数±标准差,同行不同小写字母表示差异显著（P<0.05）,"—"表示两性花仅在‘新选048’四倍体植株中发现。
	Note: The data in the table are mean ± standard deviation, the different lowercase letters in the same line indicate significant difference (P<0.05), "—" means hermaphrodite flowers were found only in tetraploid plants of ‘Xinxuan 048’.

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图1 不同倍性间木薯品种雌雄花形态比较

A-1：‘新选048’二倍体雌花;A-4：‘新选048’二倍体雄花;A-2：‘新选048’四倍体雌花;A-5：‘新选048’四倍体雄花;A-3：‘新选048’两性花形态;B-1：‘华南205’二倍体雄花;B-3：‘华南205’二倍体雌花;B-2：‘华南205’四倍体雄花;B-4：‘华南205’四倍体雌花。

Fig. 1 Comparison of female and male flowers characteristics of cassava varieties with different ploidies

A-1 is diploid female flowers of ‘Xinxuan 048’; A-4 is diploid male flower of ‘Xinxuan 048’; A-2 is tetraploid female flower of ‘Xinxuan 048’; A-5 is tetraploid male flower of ‘Xinxuan 048’; A-3 is bisexual flower of ‘Xinxuan 048’; B-1 is diploid male flower of the ‘SC205’; B-3 is diploid female flowers of the ‘SC205’; B-2 is tetraploid male flower of the ‘SC205’; B-4 is tetraploid female flower of the ‘SC205’.

2.3 不同倍性间木薯品种果实及种子发育特性比较

2.3.1 不同倍性间木薯品种果实发育特性比较木薯果实从发育初期即花期过后至果实成熟的整个生长发育过程约经历120 d。本试验从花期过后的40 d开始每隔10 d观察一次果实的发育情况。由图2、图3、图4可知,2个品种不同倍性间果实纵、横径总体上均随着时间的推移呈上升趋势;从果实的纵、横径大小数值来看,‘新选048’四倍体纵、横径在各观察期内均高于二倍体,而‘华南205’四倍体在花期过后的前80 d的果实纵、横径与二倍体的相差不大,但80 d后却高于二倍体。这说明木薯品种四倍体的果实也能正常发育,并且果实大小均不同程度的大于二倍体,但不同品种四倍体种子增大程度和增大时期存在一定的差异。

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图2 在各观察期内不同倍性木薯品种果实的纵径

Fig. 2 Longitudinal diameter of fruit of different cassava varieties in each observation period

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图3 在各观察期内不同倍性木薯品种果实的横径

Fig. 3 Longitudinal diameter of fruit of different ploidy ploidy cassava varieties in each observation period

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图4 不同倍性间木薯品种果实发育形态比较

A：‘新选048’二倍体;B：‘新选048’四倍体;C：‘华南205’二倍体;D：‘华南205’四倍体;图中从左到右依次为花期过后的40、50、60、70、80、90、100、110、120 d共9个时期的果实形态。

Fig. 4 Comparison of fruit development characteristics of cassava varieties with different ploidy

A: ‘Xinxuan 048’ diploid; B: ‘Xinxuan 048’ tetraploid; C: ‘SC205’ diploid; D: ‘SC205’ tetraploid;From the left to right in the picture, the fruit morphology were 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110, 120 d after flowering.

2.3.2 不同倍性间木薯品种种子发育特性比较从图5、图6、图7可知,各处理的种子纵、横径均随着时间的推移呈不断增大的趋势,‘新选048’四倍体的纵、横径在各观察期均大于二倍体,仅在前110 d不同倍性间的差异较大,而在110 d后两者的差异很小;‘华南205’四倍体的纵径在110 d之前均大于二倍体,且差异较大,但在110 d后两者趋于持平;‘华南205’四倍体的横径在各观察期均大于二倍体,且在90、100、120 d三个观察期的差异较大,其他时期差异不大。这说明木薯四倍体的种子大于二倍体,且这种优势在种子发育前期较明显。

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图5 各观察期内不同倍性木薯品种种子的纵径

Fig. 5 Vertical diameter of seed of different ploidy cassava varieties in each observation period

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图6 各观察期内不同倍性木薯品种种子的横径

Fig. 6 Cross diameter of seed different ploidy cassava varieties in each observation period

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图7 不同倍性间木薯品种种子发育形态比较

A、B、C、D图中从左到右依次为开花后80、90、100、110、120 d共5个时期的种子形态。

Fig. 7 Comparison of fruit development characteristics of cassava varieties with different ploidy

From the left to right pictures A, B, C, D were the seeds 80, 90, 100, 110 and 120 d after flowering.

3 讨论

本研究结果显示,木薯四倍体的开花结实物候要滞后于二倍体的。这可能是因为二倍体营养积累时间快于四倍体,能够更早地完成从营养生长到生殖生长的过程^[17]。因此,在开展木薯二倍体与四倍体杂交组配时,应根据两者物候期的特点,错开种植时间,以达到花期相遇的目的,从而提高育种效率。童俊^[18]和周媛^[19]分别对紫薇、盾叶薯蓣的二倍体及其四倍体开花结实物候进行观测,结果表明四倍体的开花结实物候期较二倍体稍有延迟,这一结果与本研究观测结果一致。然而,植物开花结实物候不仅与植物本身的遗传特性有关,还与环境条件中的纬度、海拔、光照、温度和湿度等环境因子有着密切的联系。因此,在今后的研究中还应开展多年多点试验来进行物候观测,以验证这一试验结论,从而得到一个较为明确的评价。

通过比较木薯二倍体及其四倍体的各生殖器官形态大小时发现,2个木薯品种四倍体的雌花、雄花、花药、果实、种子均大于二倍体的。许多作物的染色体加倍后也呈现出与本研究结果相似的现象。如牛维和等^[20]对君子兰进行了人工多倍体诱导,结果获得了大型花和厚花瓣的新品种;刘选明等^[21]在比较黄花菜二倍体及其四倍体的植株解剖结构时,结果发现四倍体的各器官均增大,且四倍体的花粉粒明显大于二倍体的;童俊等^[22]用秋水仙素诱导紫珠,结果发现紫珠四倍体的花径和果径均大于二倍体的。因此,在进行多倍体材料鉴定时,可将木薯生殖器官的形态大小作为表型鉴定指标。

此外,在本研究中,同一品种不同倍性木薯品种在开花及坐果数量、花部颜色、花器官分布特征、花性别种类等4个方面均存在不同程度的差异,但不同木薯品种的差异大小及差异规律不完全相同。表型指标的差异是由植物中基因表达差异所导致的,而造成这种表达差异的原因可能是基因剂量效应差异,也可能是表观遗传差异,而不同木薯品种多倍体的开花及坐果数量、花部形态特征、花朵种类的表达变异的原因可能也不同,从而呈现出不同的差异大小和差异规律。因此,开花及坐果数量、花部颜色、花器官分布特征、花性别种类等4个性状不宜作为所有木薯多倍体材料鉴定的表型指标。

4 结论

综上可得,木薯染色体加倍,可延迟开花结果时间,增加生殖器官的大小,并改变雌雄花的数量、总开花量、花形态特征,但对花的数量及特征的影响会因为品种的不同而呈现出不同的变化规律。因此,在木薯多倍体育种中,可根据不同倍性间开花结实特性的差异规律,有针对性地错开二倍体和四倍体的种植时间,并采取相应的促花促果措施,以提高杂交效率;而在木薯多倍体鉴定中,木薯生殖器官的形态大小可作为主要的表型鉴定指标,而开花及坐果数量、花部颜色、花器官分布特征、花性别种类等指标可作为辅助表型鉴定指标。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序

[1]	陈松笔, 安飞飞, 张振文, 等. 木薯综合育种理论探讨[J]. 生命科学, 2016,28(7):807-816.

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