开放科学（资源服务）标识码（OSID）： 
蚕豆是常异花授粉作物,平均异交率在30%左右[7]。异交可导致基因重组、遗传变异,使种质资源失去原有的遗传完整性,对种质资源的一致性和稳定性产生影响[8,9],给种质资源的保纯及利用带来阻碍[10]。一方面,较高的异交率使蚕豆种质资源在评价鉴定、扩繁保纯及品种选育、推广种植过程中易造成基因的流失和重组。在大田生产上,高异交率易导致蚕豆品种不能留种,直接影响品种的使用年限。另一方面,较高的异交率为蚕豆品种系统选育提供了可能性,也为种质资源单一群体内部基因组的完整性和多样性保存提供了保障。蚕豆异交率的高低受多种因素的影响,传粉媒介、环境因素、品种差异性及田间管理等均在一定程度上影响异交的发生[10]。如何挖掘具有高异交率和低异交率的特异性蚕豆种质资源,并充分协调影响蚕豆异交率的因素,保障其在适宜范围内变化,使其在不同方面发挥更好的应用效果,是目前研究的主要方向之一。本文综述了蚕豆异交率、异交媒介和异交影响因素等研究进展及异交率的应用研究,以期推动其在理论研究和实际生产工作中的应用。
1 蚕豆异交率研究进展
蚕豆在世界各洲均有生产和分布,主要集中在亚洲、非洲、欧洲和南美洲[1]。蚕豆年产量超过10万t的国家有中国、埃塞俄比亚、澳大利亚、英国、德国、法国、埃及、苏丹和瑞典（2017年度FAO数据）。目前,已报道的蚕豆异交率范围为0%~84%[6,11-13]。有关蚕豆异交率的研究报道主要集中于20世纪,且以欧洲国家较为突出,进入21世纪后,各国的相关研究报道均较少。通用的测定异交率的表型标记性状主要包括种脐颜色、种皮颜色、花色和托叶蜜腺有无,主要的分子测定方法为等位酶标记分析法,包括乙醇脱氢酶（alcohol dehydrogenase）、天冬氨酸转氨酶（aspartate aminotransferase）、葡萄糖-6-磷酸异构酶（glucose-6-phosphate isomerase）、异柠檬酸脱氢酶（isocitrate dehydrogenase）、磷酸葡萄糖酸脱氢酶（phosphogluconate dehydrogenase）和莽草酸酯脱氢酶（shikimate dehydrogenase）等。
1.1 欧洲的蚕豆异交率研究
荷兰和德国开展蚕豆异交率的研究较早,20世纪初至20世纪末均有相关研究报道,而自21世纪开始,则未见进一步的研究报道。英国的蚕豆异交率研究主要集中于20世纪50-80年代。西班牙的蚕豆异交率研究主要在20世纪末和21世纪初,是目前对蚕豆异交率研究较为深入的国家,其他国家研究相对较少,且主要集中在20世纪七八十年代。
1.1.5 欧洲其他国家和地区蚕豆异交率的研究进展 欧洲各国和地区的蚕豆异交率研究结果差异较大,但多数表现为异交率高且异交率变化范围大。Hebblethwaite[11]测得蚕豆异交率范围为48%~84%,平均异交率为60%。Picard[30]以种脐颜色为标记,测得蚕豆异交率范围为19%~79%,平均异交率为45%。Derenne[31]以种脐颜色为标记,测得蚕豆平均异交率为35%。Hanna等[32]以托叶蜜腺为标记,测得蚕豆平均异交率为45%。Homola[33]测得蚕豆异交率范围为12%~36%,平均异交率为19%。Poulsen[34]以种皮、种脐颜色为标记,测得蚕豆异交率范围为29%~61%,平均异交率为44%。Porceddu等[35]以种皮颜色为标记,测得蚕豆异交率范围为15%~46%,平均异交率为31%。Voluzneva[36]测得蚕豆异交率范围分别为2%~19%和4%~22%,平均异交率分别为11%和13%。
1.2 非洲的蚕豆异交率研究
1.3 亚洲的蚕豆异交率研究
至今为止,中国仍是亚洲乃至世界最大的蚕豆生产国。中国的蚕豆生产面积和产量居世界首位,占亚洲总量的90%以上。在世界范围内,中国的蚕豆生产具有不可替代性,但对蚕豆异交率的研究则远落后于其他国家。
一般认为,中国的蚕豆天然异交率在30%左右[1],测定的蚕豆异交率范围为0.70%~56.14%。Hu[40]和Shen[41]分别于1943和1944年测定蚕豆的异交率分别为33%和24%。龚畿道等[42]连续5年在上海不同气候条件下,测得蚕豆自然异交率平均为36.56%,变化范围为25.75%~56.14%,年度间因气候条件不同导致异交率有明显差异。赵群等[43]开展春蚕豆的异交率测定工作,在自然条件下测得其异交率为18.3%~47.0%。马镜娣等[44]以花色、种脐颜色和种皮颜色为指示标记测定蚕豆异交率,结果表明,以花色和种脐颜色为指示标记测定异交率结果较为可靠。叶茵[1]于1996-1997年度,通过2年的自然异交率研究,测得浙江省蚕豆品种的异交率范围为0.7%~16.3%,江苏省为23.3%~28.6%,四川省为20%~42%,甘肃省为5.7%~21.5%。杨武云等[45]以4份云南省育成的蚕豆品系为试验材料,测得有3份材料的异交率均低于5%,可作为低异交率品种选育的亲本材料。于海天等[10]于2019年报道了云南省特有的翼瓣突变型蚕豆材料（短翼瓣）的低异交率特性,其异交率低于5%,且可稳定保持低异交率的特性。
总体上,世界范围内蚕豆异交率均具有一定的变化性。欧洲的蚕豆异交率变化幅度最大,为2%~84%;非洲的研究报道虽较少,但其不同研究间的异交率值也存在较大差异。中国的异交率较低且分布相对集中,为20%~50%,最低值为0.7%。测定异交率的表型标记性状中,种皮和种脐颜色在各国和各时期开展的蚕豆异交率研究中被广泛使用。马镜娣等[44]认为以花色和种脐颜色为标记测定的结果更可靠。同等位酶标记测定法相比,通过表型标记测定的异交率偏低,因未包含群体内不同个体间的异交比率,故准确性稍差。
2 蚕豆异交媒介研究进展
2.1 有效传粉媒介的研究
蚕豆异交率的高低受多种生物和非生物因素的影响,传粉媒介是影响蚕豆异交率大小的重要因素之一,蜂类则是国内外公认的蚕豆有效传粉媒介。
Pierre等[46]于1999年对法国及西班牙的蚕豆异交昆虫媒介进行研究,结果表明,2个国家的昆虫媒介的多样性均比较匮乏,同时存在较大差异。在法国,虫媒主要包括熊蜂（Bombus terrestris L.）和数量少且呈零星分布的蜜蜂（Apis mellifera L.）,气候条件是影响蜜蜂数量的主要原因;在西班牙,以长须蜂（Eucera numida Lep.）为主,其活动频率和种群密度均较高[46]。Robertson等[47]研究表明,蚕豆传粉媒介主要有蜜蜂和3类独居蜂（Anthophora canescens Br.,Synhalonia sp. aff. hungarica和Eucera cincta Fr. Brassica）。Suso等[48]研究发现,西班牙和法国的蚕豆异交率分别为65%和33%,西班牙的虫媒群体数量和取食活动分别较法国高26和32倍,这一结果可较好地解释西班牙蚕豆异交率远较法国高的原因。法国的虫媒较少,其取食行为与蚕豆异交率呈显著正相关,西班牙的虫媒数量较为充足,蚕豆异交率主要取决于品种自身的特性。Carré等[49]研究自花授粉蚕豆材料D-27和普通材料D-23在不同条件下（封闭环境+蜜蜂、封闭环境+熊蜂、自然授粉）的异交率,结果表明,蜜蜂和熊蜂均可介导异交发生;D-27和D-23的异交率分别为7%和16%,其另一项研究[50]则表明,2种熊蜂介导的蚕豆异交率大小并不存在显著差异。
2.2 有效传粉行为的研究
目前,对植物传粉昆虫的研究表明,蜂类、蝴蝶和蚁类等都是传粉昆虫[53],蜂类是唯一公认的蚕豆异花授粉昆虫。熊蜂、蜜蜂和独居蜂可作为蚕豆异花授粉的媒介,不同蜂类在异花授粉过程中的重要性主要取决于其觅食行为特点,于小花正面采蜜的行为有利于花粉的传播。当群体数量较少时,蜂类的取食频率是决定异交率的主要因素。
3 蚕豆异交率影响因素研究进展
3.1 地理因素
3.2 种植田块大小和位置
3.3 种植季节和种植密度
3.4 品种的种植距离
3.5 花序、小花及胚珠位置
3.6 开花习性及小花结构
Suso等[57]的研究表明,蚕豆花期第1~3周的开花结数和小花数量、花期长短、旗瓣宽度、龙骨瓣长度和花粉管长度等性状均与异交率呈显著或极显著相关,即开花特性和花结构在决定异交率方面起到重要作用。
3.7 品种基因型
影响蚕豆异交率的因素较多,多为自然条件下的不可控因素,且各因素的影响机理尚未有明确定论。在一定范围内,随着种植面积的增加,异交率逐渐降低,品种距离与异交率呈反比;植株中、下部花序的异交率高于上部花序;不同基因型的异交率存在差异;小花结构、开花期第1~3周的开花数均对异交率有显著影响;地理因素、田块不同位置、不同熟性品种和种植密度对异交率的影响没有明确的结论;其他因素对异交率无影响。为确保各影响因素在调控异交率方面的有效性,应深入各因素影响机理的研究工作。
4 蚕豆异交率的应用研究
作为常异花授粉作物,蚕豆的异交率受各种生物及非生物因素影响,具有较大的变化范围。常异花授粉为蚕豆产业发展和育种研究提供了机遇,同时也带来了挑战[61]。异交的发生既为种质资源保存利用、品种选育扩繁及基础研究带来了阻碍,也为确保种质资源遗传背景多样性及实现杂交育种提供了条件,生产上亦可通过提高结荚率、增加荚粒数、荚长和籽粒重来增加产量[21,62-64]。在降低异交率方面,传统的隔离方法可降低群体间串粉,但其遗传完整性较开放无隔离的群体低[65],且多数方法存在操作复杂、种植成本高和难以大面积推广等问题[10]。迄今为止,通过提高异交率实现系统选育、杂种优势利用的研究尚无突破性进展。如何发掘蚕豆异交率特异种质,并充分协调各影响因素,进而将低异交率和高异交率种质应用于不同领域,一直是世界各国研究的主要内容之一。
4.1 高异交率蚕豆种质及相关影响因素应用研究
Metz等[15]于1993年报道了蚕豆杂交育种的可行性研究,1989-1990年,对108个基因型的蚕豆进行异交率研究,结果表明,异交率最高达55%。然而这些异交率均未达到蚕豆杂交品种生产的可行性要求,同时以2个高异交率材料为亲本进行杂交,通过测定F4代的异交率,发现异交率受多基因控制,变异较大,且呈连续分布,一些材料的异交率显著高于亲本,然而,重新鉴定则未发现明显差异,表明成功选育到较高异交率种质的可能性比较有限。Link等[21]在德国开展了3年的试验,评价研究了48份欧洲小粒蚕豆品系异交率的遗传多样性,结果表明,不同基因型的异交率范围为38.4%~72.5%,平均为53.7%;在欧洲的17个试验点开展环境多样性评价,环境多样性下的异交率范围为42.7%~73.6%,平均为53.9%。对地点和基因型进行筛选可作为提高异交率、开发杂种优势的育种策略。Suso等[28,57,66]则通过对花器特点（旗瓣的长-宽、龙骨瓣的长-宽、柱头和子房的长度、柱头-子房间夹角、子房内的胚珠数量、花蜜量和浓度等）、开花习性（见花期、末花期和花周期长短）和开花特点（花期前4周,每周开花的花序及小花数）的研究,为增加蚕豆的杂合性提供了新的可能性,其结果表明,花柱长度与异交率呈负相关;多花序且每花序小花数量少、柱头-子房间映角呈90°的材料具有较高的异交率,异交率同花序大小（小花数）的相关性最高;因此,可通过对这些性状的定向筛选,为实现杂交育种提供可能。
4.2 低异交率蚕豆种质及相关影响因素应用研究
蚕豆低异交率的研究主要集中在品种及性状的筛选,其主要应用在种质资源保纯、品种选育及良种繁育过程中减少遗传混杂。杨武云等[45]通过田间异交率测定试验,筛选到3份来自云南的异交率低于5%的蚕豆品系,分别为8462、91-825和89-147。于海天等[10]从云南省地方蚕豆种质资源中,发掘自然变异的短翼瓣蚕豆种质81-37,经过多年研究表明,其短翼瓣特性不利于蜂类的正面采蜜行为,异交率低并可稳定保持,以此材料为亲本,育成了短翼瓣蚕豆品系和品种10余份。杨生华[51]开展的关于蚕豆低异交结实性研究,得到的低异交结实性材料可用作亲本材料（最低异交率为0.6%,最高为12.6%,平均为5.7%）,但在不同试验条件下,其异交率存在差异。
4.3 雄性不育系的研究
5 总结与展望
蚕豆起源于亚洲,在我国的栽培历史已有几千年。蚕豆的传统用途较广,干籽粒可加工或粮用,干秸秆可作饲料,鲜荚可作菜用,植株亦可作绿肥或青贮饲料,是我国乃至全球最重要的食用豆类之一。21世纪以来,国家对农村产业结构调整力度增大,经济作物越来越重要,蚕豆种植面积日益增加[2]。蚕豆也是现阶段云南省农业产业结构调整的优势作物之一。鲜食蚕豆作为蚕豆的一种专用类型,在中国云南、江苏、上海、浙江及各主产区域获得了较快的发展,越来越受到重视。目前,我国对蚕豆的研究主要集中在资源收集及评价利用、优质-高产-抗病品种选育、栽培技术研究和病虫害防控等方面,而蚕豆的基因组学研究则发展缓慢。一方面,核基因组较大（约13Gb）是蚕豆基因组学研究面临的挑战[68],且异交的普遍发生易导致种质及品系的基因流失和污染,影响研究结果的准确性;另一方面,高异交率虽然为实现杂种优势利用创造了有利条件,但其不稳定性也是重要的限制因素。
综上所述,发掘具有稳定低异交率和高异交率的特殊蚕豆种质（由植株结构或基因型决定）,并深入研究各因素对蚕豆异交率的影响机理,进而充分协调各因素对特定种质的影响作用,提高异交率在不同研究领域的应用,对于蚕豆种质保纯、利用评价、品种选育和扩繁、杂种优势利用等具有重要意义。
参考文献
Vicia spp:Conserved resources,priorities for collection and future prospects//Linking Research and Marketing Opportunities for Pulses in the 21st Century
Natural outcrossing rate of faba bean under Pullman field conditions and its implication to germplasm management and enhancement
Strategies and procedures for the regeneration of Vicia faba L. germplasm:practical considerations
Die Verschiebung genotypischer Verhaltniszahlen innerhalb Populationen Laut mathematischer Berechnung und experimenteller Pruefung
Rate and inheritance of cross-fertilization in faba bean (Vicia faba L.)
Genetic factors controlling outcrossing in faba bean (Vicia faba):effects of pollen donor and receptor genotypes and estimates of inter-receptor crossfertilization
Beobachtungen bei der Kreuzungszüchtung mit der Pferdebohne
Beitrage zur Züchtung einjähriger Hülsenfrüchte. Z
Untersuchungen über die Befruchtungsverhältnisse von Vicia faba mit Hilfe einer früh erkennbaren Mutante
Genotypic and environmental variation for degree of cross-fertilization in faba bean
Plant breeding studies in leguminous forage crops I. Natural cross-breeding in winter beans
Plant-breeding studies in leguminous forage crops:II. Further observations on natural cross-breeding in winter beans
Self-and cross-fertility in field beans (Vicia faba L.)
Studies on the breeding system of the field bean(Vicia faba L.)
Factors affecting the proportions of cross-bred and selfed seed obtained from field bean (Vicia faba L.) crops
Outcrossing rate in natural field varieties of Vicia faba
Relationship between outcrossing and floral characteristics in faba bean:implications for the design of synthetic varieties
Germplasm management of Vicia faba L.:Comparative study of the mating system of local and common cultivars growing under different agro-ecological conditions
Recherches sur la feverole
//
Rapport d’activité pour l’année Gembloux,Station de récherches de l’Etat pour l’amélioration des plantes de grande culture.
Studies on pollination and fertilization in the field bean (Vicia faba L.)
Soucasny stav heterozniho slechteni bobu (Vicia faba L. var. equina)
Pollination seed setting,cross-fertilisation and in breeding in Vicia faba L
Analysis of cross-pollination in Vicia faba L
Contribution to the biology of flowering of beans
Observations sur hybridation naturelle chez les(Vicia faba L.)
Flower drop and fruit set in field beans,Vicia faba L
Studies on pollination,fertilization and pod-setting in the field bean (Vicia faba L.) and their bearing on breeding the crop
A study of natural crossing in Vicia faba
Diversity and efficiency of the pollinating entomofauna (Hymenoptera:Apidae) of faba bean (Vicia faba L.) in two locations in France and Spain
Studies on bee activity and outcrossing in increase plots of Vicia faba L
Variation in outcrossing levels in faba bean cultivars:role of ecological factors
Estimate of outcrossing rate between 2 lines of field beans (Vicia faba) in various conditions with isozymic markers
//
The genetic control of seven isozymic loci in Vicia faba L. Identification of lines and estimates of outcrossing rates between plants pollinated by bumble bees
Les insectes pollinisateurs de la féverole d'hiver (Vicia faba equina L.) et la pollinisation des plantes mâle-stérile en production de semence hybride
传粉昆虫的研究进展//云南省植物保护学会. 云南省植保学会2018年度学术年会-绿色植保支撑高原特色农业论文集
Variation in outcrossing rate and genetic structure on six cultivars of Vicia faba L. as affected by geographic location and year
Données sur l’amélioration de la féverole de printemps Vicia faba L
//
Heterosis in a partially allogamous species
Understanding floral display and design traits to assess the feasibility of new breeding strategies in partially allogamous crops//Genetic Variation for Plant Breeding.
Beiträge zu einer genotypischen analyse der ackerbohne,vicia faba L
Natural crossing in broad beans
Inbreeding and Autofertility in Vicia faba L
Advances in heterosis and hybrid breeding in faba bean (Vicia faba L.)
The importance of bee-pollination in four genotypes of faba bean (Vicia faba L.)
Honeybees in faba bean pollination. Agnote DAI-128
Pollination of the broad bean (Vicia faba L. var. major) (Fabaceae) by wild bees and honey bees (Hymenoptera:Apoidea) and its impact on the seed production in the Tizi-Ouzou area (Algeria)
New strategies for increasing heterozygosity in crops:Vicia faba mating system as a study case
Detection and characterization of two new CMS systems in faba bean (Vicia faba L.)
SNP discovery and high-density genetic mapping in faba bean (Vicia faba L.) permits identification of QTLs for ascochyta blight resistance
