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Fertility Spontaneously Restoring of Inflorescence and Chromosome Doubling by C hemical Treatment in Maize Haploid

玉米单倍体雌雄育性的自然恢复以及染色体的化学加倍



全 文 :第 26 卷 第 6 期 作 物 学 报 V o l. 26, N o. 6
2000 年 11 月 A CTA A GRONOM ICA S IN ICA N ov. , 2000
玉米单倍体雌雄育性的自然恢复以及染色体的化学加倍X
刘志增XX 宋同明
(中国农业大学植物科技学院, 北京, 100094)
提 要 本试验利用孤雌生殖诱导系所创造的单倍体为材料, 对单倍体雌雄育性的自动恢复现象以及
染色体的化学加倍方法进行了初步研究。结果表明, 平均有 93. 2% 的单倍体雌穗是自然可育的, 每穗
结实粒数平均为 25 粒。相比之下, 雄穗的自然育性大大偏低, 但从不同基因型中诱导出来的单倍体的
雄穗自然育性存在巨大差异, 其中散粉株率最低的为 5% , 最高的达 40%。单倍体雄穗育性的自然恢
复与生长前期环境温度 (或昼夜温差) 的变化具有负 (或正) 相关的趋势。在单倍体染色体的加倍处理
中, 以幼苗期注射秋水仙素的加倍效果最佳, 散粉株率达到达 23% , 较对照提高了 3. 6 倍。
关键词 玉米; 单倍体; 雌雄育性; 温度; 染色体加倍
Fertil ity Spon taneously Restor ing of Inf lorescence and Chrom osom e
D oubl ing by Chem ica l Trea tm en t in M a ize Haplo id
L IU Zh i2&eng SON G Tong2M ing
(Colleg e of P lan t S cience and T echnology , Ch ina A g ricu ltu ra l U niversity , B eij ing , 100094)
Abstract T he fert ility spon taneou sly resto ring (FSR ) of inflo rescence and ch rom o som e
doub ling m ethods of chem ica l t rea tm en t w ere stud ied p relim inarily w ith the hap lo id m ateria ls
induced by parthenogenesis hap lo id inducer. T he resu lts ind ica ted tha t 93. 2% of hap lo id
ears w ere na tu ra lly fert ile and there w ere 25 seeds set t ing per ear in average. O n the
con tra ry, the FSR of hap lo id tassel w as grea t ly reduced, bu t there w ere trem endou s
d ifferences am ong tassel FSR of hap lo id induced from differen t sou rce m ateria ls. T he low est
percen tage of hap lo id p lan t tha t shed po llen s w as 5% , w h ile the h ighest w as 40%. A
negat ive (o r po sit ive) co rrela t ion tendency w as show n betw een FSR of hap lo id tassel and
tem pera tu re (o r tem pera tu re d ifference betw een day and n igh t) change du ring early grow th
period of hap lo id p lan t. In ch rom o som e doub ling trea tm en t of hap lo id, the best effect w as
ach ieved by in ject ing seed lings w ith co lch icine. U sing th is m ethod to trea t hap lo ids, the
percen tage of po llen shedding p lan ts cou ld reach 23% , 3. 6 t im es h igher than tha t of
un trea ted CK.
Key words M aize; H ap lo id; Inflo rescen t fert iliza t ion; T em pera tu re; Ch rom o som e doub ling
我们通过对玉米孤雌生殖诱导材料 Stock6 的改良, 育成了多标记, 高频孤雌生殖诱导系
——农大高诱 1 号[ 1 ]。利用高诱 1 号做父本进行杂交, 能够诱导相应的母本材料产生大约
5%~ 6% 的单倍体籽粒。这些单倍体籽粒的胚是单倍性 (1n) 的, 但胚乳发育正常 (3n)。通过
特定的遗传标记性状可以容易地把单倍体与二倍体加以区分。玉米单倍体籽粒播种后能够正
X
XX 现在河北农业大学农学院工作
收稿日期: 1999205206, 接受日期: 2000201203
国家自然科学基金资助项目 (39570439)

常发芽出苗, 极少出现黄花苗, 白化苗等畸形苗, 能够完成整个生长发育周期, 但是大部分
单倍体植株因育性问题而不能自交结实。Chalyk 对 1634 株单倍体的观测发现, 仅有 3% 能够
自交结实, 他利用其他玉米花粉给 234 个单倍体的雌穗授粉, 结果有 97% 的果穗结实, 平均
每穗结实 26 粒[ 2 ]。因此, 单倍体能否自交结实主要取决于雄穗是否产生可育花粉。然而绝大
部分单倍体的雄花是高度不育的, 只是在少数情况下, 单倍体的雄穗才会自动发生全部或局
部二倍化, 从而能够产生正常花粉。据估计, 大约有 10% 的玉米单倍体植株能够产生可育花
粉而自交结实[ 3 ] , 但是不同单倍体基因型间雄花育性自动恢复的程度存在很大差异[ 4 ]。另外,
经过多次诱导产生的单倍体, 其育性恢复率大大高于一般单倍体[ 4~ 6 ]。
通过实验手段, 可以人为地改变分裂细胞染色体的倍性。最常见的方法是利用化学试剂
秋水仙素来破坏有丝分裂细胞的纺锤丝, 使两个子细胞的染色体在有丝分裂后期不能被拉向
两极, 从而实现染色体加倍。秋水仙素的加倍效果与多种因素有关。在一定范围内, 试剂浓
度与加倍效果成正相关, 但浓度过高会造成药害; 处理时间与加倍有很大关系, 处理时间太
长会加重药害, 还会产生多倍体。反之, 处理时间过短, 则起不到加倍作用; 提高温度可以促
进细胞分裂, 有利于染色体加倍, 但同时也会加深组织药害。采用变温处理, 即在低温条件
下 (11~ 17℃) 进行秋水仙素处理, 然后恢复到常温下 (25℃) 生长, 可有效减轻药害, 刺激细
胞分裂, 增加细胞同步化程度, 减少混倍体, 提高加倍效率[ 7 ]; 利用二甲基亚砜 (DM SO )以及
细胞分裂素与秋水仙素配合, 能有效地提高加倍频率[ 8 ]。
利用不同浓度的秋水仙素对单倍体进行浸种[ 9 ] , 浸根[ 10, 11 ]和茎尖生长点注射[ 12 ]等处理
均有一定效果。但是对根系处理需要育苗、处理、移栽等繁琐的工作环节, 而且移栽后幼苗
的成活率会受到影响, 处理所需要的药剂量比较大, 成本较高。利用秋水仙素浸泡单倍体种
子是一种非常简单的加倍处理方法, 但是加倍成功率较低。主要原因是, 经过处理后, 单倍
体种子的根首先被加倍而膨大, 而膨大后的根则生长缓慢或停止伸长, 从而造成幼苗夭亡。
而茎尖生长点注射法可以直接在田间生长的单倍体上进行, 不必进行育苗和移栽, 用药量非
常少, 适合于大量材料的处理。本试验利用玉米孤雌生殖诱导系所创造的单倍体为材料, 对
单倍体雌雄育性的自动恢复现象进行了观察, 并对单倍体染色体的化学加倍方法进行了初步
研究, 目的在于探索提高单倍体加倍频率的有效途径。
1 材料与方法
本试验所采用的单倍体是利用带有籽粒和植株双显性遗传标记的玉米孤雌生殖诱导系杂
交诱导产生的。单倍体的诱导和鉴定方法参见刘志增和宋同明[ 13 ]。诱导单倍体的母本材料包
括H 4 ö Syn695、411 ö Syn695、P20 ö 吉 853、5003、吉 853、4F1、846 和BHOC14 等杂交种、自
交系和群体。
将所诱导的单倍体籽粒依次种植在以下 5 种不同的生长环境中 (表 1) , 其中试验 1~ 3:
未进行任何处理, 仅对单倍体雌雄穗的自然育性进行观察; 试验 4: 利用 3 个浓度秋水仙素
(0. 01%、0. 05% 和 0. 1% ) 对拔节后的单倍体植株茎尖生长点偏下方的茎节组织进行注射处
理, 注射剂量为 0. 1 mL ö 株; 试验 5: 采用两种秋水仙素浓度 (0. 1% 和 0. 5% ) 配以 2% 的
DM SO , 于 6 叶期注射单倍体苗的茎基生长点偏下方部位的茎节组织, 注射剂量为 2LL ö 株。
另外试验 4~ 5 中还有部分单倍体未经秋水仙素处理, 用于观察自然育性。
单倍体雌雄育性的观察标准: (1)雄穗育性。于抽雄后对雄穗进行观察, 凡能产生可散粉花
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表 1 单倍体的育性观察和加倍处理试验
Table 1  Tests for fertil ity observation and chromosome doubl ing treatmen ts of haplo ids
试验
T ests
地点ö 年份
Site ö year
播期
Sow ing date
单倍体的来源
Source m aterials of hap lo ids
试验处理
T reatm ents
1 三亚 Sanya ö 97 5 ö 11 H 4 ö Syn695 自然育性观察
2 北京Beijing ö 98A 25 ö 4 H 4 ö Syn695 自然育性观察
3 北京Beijing ö 98B 26 ö 5 H 4 ö Syn695 自然育性观察
4 北京Beijing ö 98C 15 ö 6 H 4 ö Syn695 自然育性观察, 秋水仙素茎尖注射
5 三亚 Sanya ö 98 7 ö 11 H 4 ö Syn695 etc eigh t m atrrials 自然育性观察, 秋水仙素茎尖注射
药的植株均记为雄性可育株, 否则记为雄性不育株。雄穗的育性程度以散粉植株占观察植株
的百分率 (简称散粉株率) 表示; (2) 雌穗育性。凡单倍体植株的雌穗接受花粉后能够结实的
记为雌性可育株, 不结实的记为雌性不育株。雌穗的育性程度以结实植株占总授粉植株的百
分率 (简称结实株率)表示。
2 结果与分析
2. 1 单倍体雌穗育性的自然恢复
根据我们对大量单倍体植株的观察, 几乎所有单倍体植株的雌穗均能正常吐丝。由表 2
可见, 单倍体的雌穗经过授粉后的结实株率平均达到 93% , 在 4 种不同生长环境下, 单倍体
雌穗的结实株率变动在88%~ 100% 之间, 因此单倍体的雌穗绝大多数都是可育的。单倍体
表 2  单倍体雌穗的自然育性
Table 2  The natural fertil ity in female inf lorescence of haplo ids
地点ö 年份
Site ö year
授粉雌穗数
Po llinated
ears
结实株数
Seed2sett ing
p lan ts
结实株率
Percen tage of seed2
sett ing p lan ts (% )
平均结实数ö 穗
M ean seedsö ear
三亚 Sanya ö 97 17 15 88. 23 23 (2~ 73)
北京 Beijing ö 98A 30 28 93. 33 27 (1~ 135)
北京Beijing ö 98B 22 22 100
北京 Beijing ö 98C 46 42 91. 3
平均 A verage 93. 21 25
  注: 表中单倍体是从H 4 ö Syn695 中诱导产生的。
  N o te: T he hap lo ids in the tab le w ere induced from H 4 ö Syn695.
的果穗很小, 但是每
穗的结实粒数差异
很大, 最多的达到
135 粒, 几乎整个果
穗均结满粒, 而最少
的仅结几粒, 平均结
实粒数为 25 粒ö 穗。
经鉴定这些结实籽
粒所长出的植株都
是正常的二倍体。这
表明, 单倍体的雌穗产生了正常可育的雌配子体, 而且就每一雌穗而言, 总有一些小花是可
育的, 但是不同单倍体个体间雌花序育性的恢复程度却存在很大差异。可见, 单倍体雌穗的
育性不是其自交结实的限制因素。
2. 2 单倍体雄穗育性的自然恢复
2. 2. 1 单倍体基因型对雄穗育性恢复的影响  在一般情况下, 单倍体植株都能正常抽雄,
但是大部分雄穗都是不育的。在少数可育的雄穗中, 有时仅仅是几个花药或小穗能够散粉,
有时是几个分枝恢复育性 , 有时则大部分分枝甚至整个雄穗都能散粉。从表3来看 , 从
H 4 ö Syn695、411 ö Syn695 和吉 853 中诱导产生的单倍体的散粉株率最低, 仅为 5% , 而从高
油玉米群体BHOC14 以及普通自交系 846 中诱导的单倍体的散粉株率分别高达 40% 和
30% , 从 5003、4F1 和 P20 ö 吉 853 中诱导出的单倍体的散粉株率也比较高。显然在自然状态下,
不同基因型来源单倍体的雄穗育性存在很大差异。Shatskaya等指出[ 4 ] , 不同基因型单倍体雄穗
9496 期       刘志增等: 玉米单倍体雌雄育性的自然恢复以及染色体的化学加倍         

表 3  不同来源单倍体雄穗的自然育性
Table 3  The natural fertil ity in male inf lorescence
of haplo ids induced from differen t sources
单倍体的来源
Source m aterials
of hap lo id
单倍体株数
H ap lo id
p lan ts
散粉株数
Po llen shedding
p lan ts
散粉株率
Percen tage of po llen
shedding p lan ts (% )
H 4 ö Syn695 60 3 5. 0
411 ö Syn695 18 1 5. 56
P20 ö J i853 13 2 15. 38
BHOC14 20 8 40
J i853 19 1 5. 26
4F1 16 2 12. 5
846 13 4 30. 77
5003 11 2 18. 18
平均 A verage 16. 58
的可育程度是遗传性状。对于可育
程度比较高的单倍体基因型, 仅依
靠育性的自然恢复就可以比较容
易地实现自交结实。而对那些雄穗
自然育性较低的单倍体基因型, 则
必须进行加倍处理。本试验中 8 种
不同来源单倍体的散粉株率平均
为 16. 58% , 与 Chase [ 3 ]所报道的
相近。由此可见, 单倍体雄穗的育
性远远低于雌穗的育性, 因而是单
倍体自交结实的限制因素。由于这
一缘故, 以单倍体的雄穗育性来衡
量单倍体的育性是合理的[ 10 ]。
2. 2. 2 生长环境对单倍体雄穗育性恢复的影响  对于同是从H 4 ö Syn695 中诱导产生的单
倍体, 在不同的生长环境下其散粉株率也存在一定的差异。在表 4 中, 以北京 4 月 25 日春播
表 4  不同生长环境下单倍体雄花育性的自然恢复
Table 4  Fertil ity spon taneously restor ing of haplo id male
inf lorescence under var ious growth env ironmen ts
地点ö 年份
Site ö year
播期
Sow ing
date
单倍体株数
H ap lo id
p lan ts
散粉株数
Po llen shedding
p lan ts
散粉株率
Percen tage of po llen
shedding p lan ts (% )
三亚 Sanya ö 97 5 ö 11 46 2 4. 35
北京Beijing ö 98A 25 ö 4 89 10 11. 24
北京Beijing ö 98B 26 ö 5 74 6 8. 11
北京Beijing ö 98C 15 ö 6 82 4 4. 88
三亚 Sanya ö 98 7 ö 11 60 3 5. 0
平均A verage 6. 72
  注: 表中单倍体是从H 4 ö Syn695 中诱导产生的。
  N o te: T he hap lo ids in the tab le w ere induced from H 4 ö Syn695.
单倍体的散粉株率最高, 达到
11. 24%。随着播种时间的推
移散粉株率依次下降, 在北京
5 月 26 日晚春播的单倍体散
粉株率降至 8. 11% , 而 6 月
1 5 日夏播的散粉株率仅为
4. 88% , 大大低于春播的散
粉株率。从表中可以看出, 在
海南三亚播种的单倍体散粉
株率最低, 仅为 4%~ 5% , 这
与北京夏播的情况非常一致。
从 5 个播种时期单倍体的前期
生长环境来看, 最明显的差异是温度不同。各个播期单倍体苗期的平均温度依次为: 北京春
播< 北京晚春播< 北京夏播≈ 三亚冬播, 而同期的昼夜温差则正好相反。这一顺序与单倍体
散粉株率的变化相一致, 表明单倍体雄花育性的恢复与环境温度有关, 生长前期温度过高 (或
昼夜温差较小)对单倍体雄花育性的恢复不利, 而温度偏低 (或昼夜温差较大)有利于雄花育性
的恢复。
2. 3 单倍体化学加倍的效果
由于受雄穗育性的制约, 在自然条件下单倍体的自交结实株率是很低的, 因此需要借助
于人为措施予以提高。目前最有效的方法是利用秋水仙素使单倍体的染色体加倍, 从而恢复
其育性。本试验采用从H 4 ö Syn695 中诱导产生的单倍体为材料, 分别在拔节期和 6 叶期利用
秋水仙素对茎尖生长点进行注射处理。
2. 3. 1 拔节期秋水仙素注射处理  由于雄穗原基在拔节后才开始分化, 为了有针对性地
提高秋水仙素的加倍效果, 本试验在拔节期将0. 1mL 不同浓度的秋水仙素注射到单倍体植
059                 作  物   学  报                 26 卷

表 5  拔节期注射秋水仙素对单倍体雄花育性的影响
Table 5 The effect of shoot in jecting with colch ic ine
in elongation stage to haplo id male fertil ity
秋水仙素浓度
Co lch icine
concentration (w ö v)
处理单倍体数
T reated hap lo id
p lan ts
药害株数
D rug in jured
p lan ts
散粉株数
Po llen shedding
p lan ts
散粉株率
Percen tage of po llen
shedding p lan ts (% )
0. 01% 35 3 4 11. 43
0. 05% 35 8 1 2. 86
0. 1% 35 14 2 5. 71
平均 A verage 6. 67
CK 74 6 8. 11
  注: 表中单倍体是从H 4 ö Syn695 中诱导产生的。
  N o te: T he hap lo ids in the tab le w ere induced from H 4 ö Syn695.
株的生长点偏下方
的茎节组织部位 (表
5)。在经过注射的单
倍体中, 0. 01% 秋水
仙素处理的散粉株
率为 11. 43% , 高于
对照, 而 0. 05% 和
0. 1% 浓度处理的散
粉株率均低于对照。
随着秋水仙素浓度
的提高, 受药害的单
倍体株数增加。药害主要表现为无雄穗, 雄穗的小穗数很少以及上部叶片受损等。在 0. 1%
浓度下, 有 40% 的植株不同程度发生药害。因此, 只有低浓度注射的效果尚可。
表 6 六叶期注射秋水仙素对单倍体雄花育性的影响
Table 6 The effect of shoot in jecting with colch ic ine
in six leaf stage to haplo id tassel fertil ity
秋水仙素浓度
Co lch icine
concentration (w ö v)
处理单倍体数
T reated hap lo id
p lan ts
散粉株数
Po llen shedding
p lan ts
散粉株率
Percen tage of po llen
shedding p lan ts (% )
0. 5% 81 15 18. 52
0. 1% 78 18 23. 08
平均A verage 20. 75
CK 60 3 5. 0
  注: 表中单倍体是从H 4 ö Syn695 中诱导产生的。
  N o te: T he hap lo ids in the tab le w ere induced from H 4 ö Syn695.
2. 3. 2 苗期秋水仙素注射处
理  六叶期的单倍体苗经
过秋水仙素注射处理后, 散粉
株率有了大幅度提高 (表 6)。
其中 0. 5% 秋水仙素处理的散
粉株率为 18. 52% , 较对照提
高了 2. 7 倍; 经 0. 1% 秋水仙
素注射的单倍体的散粉株率
达 到 23. 08% , 比 对 照 高 出
3. 6 倍。这与Chase [ 12 ]采用类
似方法所获得的加倍效果相当。显然, 这种方法对于单倍体的加倍非常有效。与浸根处理相
比, 幼苗注射不需要育苗和移栽、用药量很少、且对处理单倍体的生长影响不大, 因此具有
高效、省工、低成本等优势, 适合于对大量单倍体进行处理。
3 讨论
玉米单倍体植株能否产生自交后代, 取决于其雌雄花序是否均已恢复育性。本试验以及
Chalyk [ 2 ]的报道均表明, 尽管不同单倍体间雄花序育性的恢复程度存在巨大差异, 但是单倍
体雌穗的可育株率仍接近于 100% , 因此单倍体雌穗的育性不是其自交结实的限制因素。
Shatskaya 等发现 613 ö 2c4 所产生的单倍体中有 22% 雄花育性自动恢复, 而M o17, T s8 和
T s16 产生单倍体的育性恢复率分别为 1. 2% , 5. 3% 和 3. 4% [ 4 ]。在本试验中雄穗散粉株率从
低的仅有 5% 到高达 40% 均有分布。因此与雌穗育性相比, 单倍体雄穗的育性大大偏低, 是
限制单倍体自交结实的关键因素, 这与国外有关报道是一致的[ 2, 4, 10 ]。另外, 不同基因型间
雄穗育性存在巨大差异。
试验还发现, 单倍体雄穗育性受环境的影响, 在苗期温度较低 (或昼夜温差较大) 的春播
条件下种植, 单倍体的散粉株率明显偏高, 而在苗期温度较高 (或昼夜温差较小) 的夏播以及
三亚冬播条件下种植, 单倍体散粉株率明显偏低。表明低温 (温差大) 环境对单倍体雄花育性
1596 期       刘志增等: 玉米单倍体雌雄育性的自然恢复以及染色体的化学加倍         

的恢复有利。这种现象的原因还有待于进一步研究。
理论上, 单倍体大孢子母细胞经过减数分裂形成可育配子的比例为 1 ö 1024, 而花粉母细
胞形成可育花粉的比例为 1 ö 512。但实际上单倍体雌花序产生的可育配子大大高于此值, 因
此无法用减数分裂时染色体的随机分离来解释。根据我们对雄花序的观察来看, 散粉植株有
的仅产生一个可育小花 (即三个正常花药) , 有的某一分枝上的小花完全可育, 也有的整个花
序都是可育的。这显然也不是由于某个花粉母细胞减数分裂时染色体的随机分离造成的。因
此可以推断, 单倍体雌雄育性的恢复与减数分裂过程无直接关系, 那些发育成正常小花 (或
花药) 以及可育胚囊的前体组织细胞的染色体在减数分裂之前已经恢复了二倍化, 因此, 单
倍体育性的自然恢复与体细胞的二倍化有关。Khok lov 检查了 17800 个单倍体的体细胞, 发
现有 0. 42% 具有 20 条染色体 (据Chalyk, 1994)。这种体细胞二倍化发生的过程和原因还不
清楚。据 Gayen 等对单倍体花粉母细胞的观察发现, 细胞间有时会发生细胞质的融合, 并且
染色质从一个细胞转移到另一个细胞[ 9 ]。这种细胞间的融合现象是否导致了体细胞的二倍化
还需要进一步验证。不过在化学加倍试剂 (如秋水仙素) 的处理下, 单倍体染色体加倍的机制
与自然状态下细胞二倍化的过程或许是不同的, 因为加倍试剂所造成的剧烈细胞反应在正常
细胞生理环境下是不会发生的。
由于大部分单倍体的散粉株率都很低, 为了获得更多的单倍体后代, 对其进行化学加倍
处理是必要的。在本试验利用秋水仙素所进行的 3 种加倍处理方式中, 以单倍体幼苗期注射
茎尖生长点部位的加倍效果最佳, 散粉株率达到 23% , 较对照提高了 3. 6 倍。Chase 用
0. 05% 的秋水仙素和 10% 甘油的水溶液 0. 5mL 注射盾片节, 发现处理比对照的结实率提高
了 3 倍多[ 12 ]。需要指出的是, 由于受单倍体试材数量上的限制, 本试验未能对更多的加倍处
理条件进行探索。可以预期, 随着加倍技术的进一步完善, 将会获得更高的单倍体加倍频率。
这样, 通过孤雌生殖诱导系诱导产生的单倍体, 再经过加倍处理, 就能够获得大量的纯系,
从而使玉米单倍体育种由理想变成现实。
参 考 文 献
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4 Shatskaya O A , E R Zabirova, V S Shcherbak. M aiz e Genet Coop N ew s L ett, 1994, 68: 51~ 52
5 Shatskaya O A , V S Shcherbak, M S Chum ak et al. M aiz e Genet Coop N ew s L ett, 1992, 66: 58
6 Zabirova E R , O A Shatskaya, V S Shcherbak. M aiz e Genet Coop N ew s L ett, 1993, 67: 67
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11 Seaney R R. P h. D. T hesis. Co rnell U niv. , Ithaca, N ew Yo rk, 1955
12 Chase S S. A g ron J , 1952, 44: 263~ 267
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259                 作  物   学  报                 26 卷