花椰菜內葉蓋球性狀的主基因+多基因遺傳分析

李光慶,姚雪琴?,劉春晴,謝祝捷??,黃成超

(1上海市農業(yè)科學院園藝研究所,上海市設施園藝技術重點實驗室,上海201403;2上海崇明花菜研發(fā)中心,上海202164)

花椰菜(Brassica oleraceaLinnaeus var.botrytisLinnaeus),十字花科蕓薹屬甘藍種的一個變種,原產于地中海沿岸,19世紀傳入中國,栽培面積不斷擴大。目前我國已經成為世界上花椰菜種植面積最大,同時也是種植和消費增速最快的國家之一[1]。長江流域是國內較早實現(xiàn)花椰菜不同成熟期品種資源配套和周年供應的地區(qū),尤其是露地越冬栽培面積很大,實現(xiàn)了南菜北運,是我國重要的越冬花椰菜育種和生產基地之一[2]。然而花椰菜的花球既是生殖器官又是養(yǎng)分儲藏器官,在花球生長發(fā)育階段,生育適溫比較狹窄,耐極端溫度能力較低[3-4],內葉護球好(自覆性好)的花椰菜品種將有助于減輕低溫凍害對花球的傷害。因此,通過研究,明確花椰菜內葉蓋球性狀的基因遺傳規(guī)律,可以為高產、優(yōu)質的花椰菜育種和抗逆性狀的優(yōu)化提供科學的理論指導。

研究發(fā)現(xiàn),作物的許多重要性狀(如品質、抗性等),具有數(shù)量性狀遺傳的特點,可能同時受少數(shù)主基因、多基因和大量微效基因的控制[5-8]。近年來通過建立6世代群體,采用主基因+多基因混合遺傳模型對數(shù)量性狀進行遺傳分析,已在許多蔬菜作物上得到廣泛應用,如不結球白菜的抽薹開花性狀[9]、青花菜的莢葉性狀[10-11]、抗根腫病性狀[12]和萊菔硫烷含量性狀[13]、黃瓜的果皮蠟粉量性狀[14]、結球甘藍的耐裂球性狀[15-16]、羽衣甘藍的裂葉等性狀[17],都取得了很好的研究進展。

盡管前人曾對花椰菜抗寒性狀開展過很多研究,但主要集中在生理方面[3,18-20],目前尚未見有關花椰菜內葉蓋球性狀遺傳研究的相關報道。本研究通過建立P1、P2、F1、BC1、BC2和F26個世代群體,采用主基因+多基因混合遺傳模型方法[5]探討花椰菜的內葉蓋球性狀的遺傳規(guī)律,并分析主基因、多基因不同的遺傳效應,估計各不同分離世代的遺傳變異,并得到其最優(yōu)遺傳模型,進而由各成分分布參數(shù)估算主基因和多基因的遺傳方差、遺傳力,為進一步提高花椰菜耐寒性及品質改良奠定重要的理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

親本材料分別為10HB12(P1)和10HB107(P2),均由上海市農業(yè)科學院園藝所提供,10HB12(P1)自覆性弱,內葉基本不蓋球,為多代自交穩(wěn)定的純系;10HB107(P2)是從歐洲雜種后代中選育出來的自覆性強、內葉抱球極好、穩(wěn)定的高世代自交系。

2010年秋,在上海市農業(yè)科學院華漕引種中心種植P1和P2兩個親本材料,2011年春配制雜交組合P1×P2并獲得F1代種子。2012年春進行套袋自交和回交,得到F2、BC1和BC2的種子。2012年夏,最終獲得試驗所需 6 個世代(P1、P2、F1、BC1、BC2和 F2)的種子。

1.2 田間試驗

分別于2012年和2013年的7月底,將6個世代群體種子同期播種在上海市農業(yè)科學院莊行綜合試驗站,9月1日移栽。株行距為50 cm×50 cm。試驗地為肥力中等的黏壤土,有機肥和復合肥混施作基肥,促苗期和現(xiàn)球前期各追肥1次(500 kg∕hm2尿素),其他措施按常規(guī)栽培管理。其中,P1、P2和F1每個群體種植60棵,F2群體共種植320棵,BC1群體和BC2群體各種植130棵。成球期收獲各群體,并按單株成熟期考察記錄數(shù)據(jù)。內葉蓋球度采用坐標紙法進行測量,即在單株花球成熟后,適時采收,采收花球時要保留內葉完整,利用保鮮膜覆蓋花球,對未被內葉遮蓋部分用記號筆對保鮮膜涂黑處理,揭下保鮮膜置于坐標紙上,計算面積S1;然后再把該花球的內葉全部摘掉,對整個花球覆蓋保鮮膜,同樣的方法計算整個花球面積S。內葉蓋球度=(S-S1)/S。計算全部6個世代的花球內葉蓋球度,用于遺傳分析。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用“主基因+多基因”混合遺傳多世代聯(lián)合分析方法[5-6],對花椰菜的內葉蓋球性狀進行聯(lián)合分析,利用獲得的表型數(shù)據(jù)求出5類24種遺傳模型的極大似然函數(shù)值和AIC值,以迭代ECM算法將分布參數(shù)和遺傳參數(shù)的估計有機結合,選擇AIC值最小的模型與AIC值最小模型差異不大的幾個模型作為備選最優(yōu)模型,同時還進行一組樣本分布與模型所代表的理論分布間的適合性檢驗,包括均勻性和檢驗,Kolmo-Smimov檢驗(nW2)和Kolmo-Gorov檢驗(Dn),根據(jù)檢驗結果選擇6世代30個統(tǒng)計結果中達到顯著水平最少的模型為最優(yōu)遺傳模型[5-6]。采用最小二乘法從分布參數(shù)估計各基因效應值,進而估算各種遺傳參數(shù)[5-6]。

原始數(shù)據(jù)和內葉蓋球度的次數(shù)分布圖采用Excel 2003軟件進行處理;采用南京農業(yè)大學章元明教授提供的SEA-G6軟件(曹錫文等)進行遺傳模型的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析,利用SPSS 15.0軟件進行方差分析。

2 結果與分析

2.1 表型數(shù)據(jù)方差分析

比較雙親P1、P2和F1代群體的內葉蓋球度表明(表1),P1的內葉基本不蓋球,其內葉蓋球度為0.065;而P2的內葉蓋球很好,其內葉蓋球度為0.917,P1和P2的內葉蓋球度差異顯著(P＜0.05)。F1代的內葉蓋球度為0.902,介于雙親之間,更接近于P2,與P1差異達到顯著水平(P＜0.05)。比較3個分離世代群體(BC1、BC2及F2)和3個不分離世代群體(P1、P2及F1)的極差和變異系數(shù)(表2),結果表明,該性狀的3個分離后代群體的變異范圍和離散幅度更大,符合遺傳多態(tài)性分布的要求,因此可進一步開展遺傳分析研究。

表1 兩親本和F1的內葉蓋球度性狀比較Table 1 Comparison of degrees for inner leaves to cover curd in both parents and F1

表2 各世代內葉蓋球度性狀的極差和變異系數(shù)Table 2 Ranges and variation coefficients of degrees for inner leaves to cover curd in generations

2.2 內葉蓋球度的次數(shù)分布

將3個世代群體(BC1、BC2及F2)內葉蓋球度進行數(shù)據(jù)整理,統(tǒng)計并繪制頻次分布圖。圖1和圖2表明,該分離世代群體的內葉蓋球性狀遺傳變異廣,個體間的變異表現(xiàn)為連續(xù)性的頻次分布,數(shù)量性狀的遺傳變異特點明顯。F2代分離群體具有明顯的2個波峰,說明內葉蓋球度這一數(shù)量性狀受到明顯的主基因+多基因遺傳效應影響。

圖1 2012年雜交組合的BC1、BC2及F2 3個世代分離群體次數(shù)分布Fig.1 Frequency distribution of degrees for inner leaves to cover curd in BC1,BC2and F2cross combination populations in 2012

圖2 2013年雜交組合的BC1、BC2及F2 3個世代分離群體次數(shù)分布Fig.2 Frequency distribution of degrees for inner leaves to cover curd in BC1,BC2and F2cross combination populations in 2013

2.3 備選遺傳模型的選擇

經過統(tǒng)計分析,可獲得花椰菜內葉蓋球性狀的共5類(A、B、C、D、E)合計24種遺傳模型的極大似然函數(shù)值和AIC值[5]。根據(jù)AIC最小的遴選最優(yōu)模型辦法[5-6],選取具有最小AIC值和相對最小的幾個遺傳模型作為備選模型。綜合兩年的結果,內葉蓋球性狀的AIC值主要以B類模型和E類模型為較小,其中備選模型為B-1、E-0和E-1(表3)。

表3 2012年、2013年雜交組合后代各遺傳模型的AIC值Table 3 AIC values of genetic models of cross combination offsprings in 2012 and 2013

對B-1、E-0和E-1這3個備選模型的適合性檢驗結果表明(表4),2012年內葉蓋球度的E-0模型檢驗統(tǒng)計量達到顯著水平(P＜0.05)為11個,B-1和E-1模型分別為13個和12個;2013年內葉蓋球度的3個備選模型達到顯著水平的均為12個,綜合兩年份3個模型的AIC值和適合性檢驗結果表明,根據(jù)AIC值和達到差異顯著水平參數(shù)最少的原則,內葉蓋球度的最適遺傳模型為E-0(2對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因)。

2.4 最優(yōu)遺傳模型遺傳參數(shù)估算

根據(jù)上述研究結果,花椰菜內葉蓋球性狀的最優(yōu)遺傳模型為E-0模型,由E-0模型的各成分分布參數(shù)估算一階、二階遺傳參數(shù)(表5)。由表5中的一階遺傳參數(shù)的加性效應可知,2012年和2013年,第1對主基因的加性效應值與第2對主基因的加性效應值均為負向效應,且效應值相等,分別為-0.1621和-0.1776;由表5中的一階遺傳參數(shù)的顯性效應可知,2012年和2013年,第1對主基因的顯性效應值均為正向效應,分別為0.0458和0.1890,第2對主基因的顯性效應值均為負向效應,分別為-0.0399和-0.0526。2012年,第1對主基因的勢能比(顯性度)為-0.2825,顯性效應明顯小于加性效應,2013年,第1對主基因的勢能比(顯性度)為-1.0641,顯性效應略大于加性效應,比2012年中第1對主基因的顯性效應更明顯,且為正向效應。在上位性效應中,顯性×顯性互作(l)效應在2年中均表現(xiàn)為相對較大的負向效應,分別為-0.4192和-0.3382。從第1對主基因的顯性度(ha∕da)2年的結果來看,2012年第1對主基因的顯性效應明顯小于加性效應,表現(xiàn)為部分顯性;而2013年第1對主基因的顯性效應略大于加性效應,則表現(xiàn)為共顯性[5]。從第2對主基因的顯性度(ha∕da)2年的結果來看,顯性度分別為0.2461和0.2962,說明第2對主基因為部分顯性。

表4 內葉蓋球性狀的各世代備選模型的適合性檢驗Table 4 Goodness-of-fit test of generations’alternative models of curd-covering inner leaf trait

表5 花椰菜內葉蓋球度E-0模型遺傳參數(shù)估計Table 5 Estimation of E-0 model’s genetic parameters of degrees for inner leaves to cover curd

由表5中的二階遺傳參數(shù)可知,2012年,BC1、BC2及F2分離世代群體的主基因遺傳率分別為55.96%、74.84%和81.09%,多基因遺傳率分別為29.03%、9.27%和7.91%,主基因遺傳率明顯大于多基因遺傳率,結果表明內葉蓋球度主要受到2對主基因影響。在BC1、BC2及F2這3個分離世代群體中,廣義遺傳力分別為84.99%、84.11%和89%,環(huán)境方差與表型方差的比值分別為0.1501、0.1589和0.1100,表明花椰菜內葉蓋球度的遺傳受環(huán)境影響相對較小。2013年,分離世代群體BC1、BC2及F2均具有相對較高的主基因遺傳率,分別為69.95%、70.96%和84.27%;多基因遺傳率則相對較低,分別為9.48%、9.95%和0.01%,主基因遺傳率明顯大于多基因遺傳率,結果表明內葉蓋球度主要受到2對主基因影響。在BC1、BC2及F2這3個分離世代群體中,其廣義遺傳力分別為79.43%、80.91%和84.28%,2013年環(huán)境方差與表型方差的比值均比2012年要大,分別為0.2057(＞0.1501)、0.1909(＞0.1589)和0.1572(＞0.1100),表明花椰菜內葉蓋球度的遺傳受2013年的環(huán)境影響相對較大。

3 討論

內葉蓋球度是關系花椰菜花球成品率的重要性狀,對于提高花椰菜的商品品質具有重要作用,選育內葉蓋球(自覆性強)的花椰菜是花椰菜育種中的一個重要目標。有關花椰菜內葉蓋球性狀的評價,至今沒有統(tǒng)一的標準。前人在抗逆性狀的鑒定指標研究中一般選用分級的方法[10,15,17]。本研究中采用坐標紙法將蓋球部分表面積占整個花球表面積百分比對花椰菜內葉蓋球度進行了定量化測定,能夠更加直觀地表現(xiàn)花椰菜內葉蓋球性狀的特征特性。通過兩年的重復性試驗對該方法進行檢驗,其試驗結果有較好的一致性,從而驗證了該方法的準確度和可操作性。

本研究表明,內葉蓋球性狀在2個親本中差異均達到顯著水平,F1代均接近于P2,與10HB12差異達到顯著水平,內葉蓋球相較于內葉不蓋球為顯性遺傳,從3個世代分離群體的頻次分布來看,性狀表現(xiàn)均為連續(xù)分布,因此可以采用張鈞鎰等的植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型進行遺傳研究[5-6],將主基因遺傳效應、多基因遺傳效應、環(huán)境效應等遺傳效應進行比較分析,以便于更深入地探索花椰菜內葉蓋球性狀的遺傳規(guī)律。

本研究利用主基因+多基因遺傳模型對內葉蓋球性狀進行遺傳分析,從本試驗兩年的研究結果來看,花椰菜內葉蓋球性狀表現(xiàn)為數(shù)量性狀,符合“兩對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因”遺傳模型(E-0),廣義遺傳力均較高,其中主基因遺傳占比更高,控制內葉蓋球性狀的主基因的加性和顯性互作效應較大,即以上位性遺傳為主,加性效應次之,受到環(huán)境影響相對較小。兩年的研究結果表明,該性狀的各一階、二階遺傳參數(shù)的變化規(guī)律是基本一致的,這驗證了該研究結果的可靠性。但是兩年的分析結果在細微之處也有差異,從第1對主基因的顯性度(ha∕da)結果來看,2012年第1對主基因的顯性效應明顯小于加性效應,表現(xiàn)為部分顯性;而2013年第1對主基因的顯性度的絕對值略大于1,表現(xiàn)為較弱的超顯性。從BC1、BC2及F2這3個分離世代群體的廣義遺傳力結果來看,2012年均大于2013年,而環(huán)境方差占表型方差的比值結果則正相反,表明花椰菜內葉蓋球度的遺傳受2013年的環(huán)境影響相對更大。

從表5的結果來看,在花椰菜內葉蓋球性狀的遺傳效應中,2對主基因的加性、顯性和上位性效應均具有相對較大絕對值,主基因遺傳率也相對最大,而多基因遺傳率相對較小,這表明內葉蓋球性狀的遺傳表現(xiàn)以主基因效應為主,多基因效應和環(huán)境效應較小。此外,在BC1、BC2和F2的分離世代群體中,主基因遺傳率均遠大于多基因遺傳率,也進一步說明主基因在花椰菜雜交后代的內葉蓋球性狀的遺傳貢獻作用更大。從兩年的結果來看,非加性效應的絕對值遠大于加性效應的絕對值,這與作者之前的研究中[4]內葉蓋球度的狹義遺傳率較低,說明非加性基因效應影響更大的結論相符,因此想通過各位點上基因對表現(xiàn)型作用的累加效應,來實現(xiàn)雜交種的超親優(yōu)勢較為困難,在早期世代不宜作太嚴格的選擇,可利用高世代系統(tǒng)選育的方式進行選擇。從本研究兩年的試驗結果,尤其是2012年的結果來看,在BC1、BC2和F2代的分離世代群體內,BC1的主基因遺傳率明顯小于F2和BC2群體,而多基因遺傳率則明顯高于F2和BC2群體,這種類似現(xiàn)象在甘藍耐裂球性狀的研究中[15-16]也有發(fā)現(xiàn),這可能與研究親本的遺傳背景復雜,以及與內葉蓋球性狀相關基因的部分顯性和超顯性效應有關,尚有待進一步研究。

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