月季F1代群體表型性狀變異分析

周利君 于 超 常 笑 萬會花 羅 樂 潘會堂 張啟翔

(花卉種質(zhì)資源創(chuàng)新與分子育種北京市重點實驗室，國家花卉工程技術(shù)研究中心，城鄉(xiāng)生態(tài)環(huán)境北京實驗室，北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，北京 100083)

月季(Rosaspp.)是薔薇科(Rosaceae)薔薇屬(RosaL.)的一個重要類群[1]。通過薔薇屬內(nèi)種間反復(fù)雜交和長期選育，形成了色彩絢麗的現(xiàn)代月季雜交品種群[2]，被譽為“花中皇后”。同時，作為我國十大傳統(tǒng)名花之一，月季栽培歷史悠久、來源廣泛、種類豐富、適應(yīng)性強、栽培養(yǎng)護簡單、生產(chǎn)繁殖相對容易，園林應(yīng)用形式多樣且商品用途眾多[3]?；谄涓哂^賞價值和可觀的經(jīng)濟價值，月季一直是全世界的生產(chǎn)商和研究者所關(guān)注的對象[4]。中國是薔薇屬植物的分布中心，擁有栽培歷史悠久的古老月季品種資源，是進行月季品種改良的重要遺傳資源[5]，將其和遺傳背景復(fù)雜的現(xiàn)代月季優(yōu)良品種雜交，有利于利用雜種優(yōu)勢進行種質(zhì)創(chuàng)新，培育具有自主知識產(chǎn)權(quán)的月季新品種[6～7]。

植物大多數(shù)觀賞性狀都是由微效多基因控制的數(shù)量性狀，在一個自然群體或者同一雜交后代群體的不同個體中往往表現(xiàn)出連續(xù)的數(shù)量差異，易受環(huán)境影響，不易明確分組歸類[8]，需要應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)方法對整個群體進行的系統(tǒng)測定和分析[9]。由于薔薇屬觀賞植物遺傳組成上高度雜合和復(fù)雜、染色體倍性水平差異較大、種子高度木質(zhì)化及后熟造成萌發(fā)困難，通過常規(guī)育種手段對其觀賞性和抗性相關(guān)的數(shù)量性狀研究較為困難[10]。以構(gòu)建高密度遺傳圖譜為基礎(chǔ)進行數(shù)量性狀位點QTLs(Quantitative Trait Locus)定位成為數(shù)量性狀遺傳研究的常用方法，目標性狀相關(guān)遺傳信息及等位基因的跟蹤和選擇可以通過構(gòu)建圖譜得以實現(xiàn)[11]。

目前，薔薇屬植物的花瓣數(shù)量、花期、花香、花色、花徑、生長勢、皮刺、株形和抗白粉病等多個農(nóng)藝性狀進行了QTLs定位，但是目前直接對二維性狀花冠面積以及細部性狀花瓣長寬等研究報道較少。另一方面，植株葉片的形態(tài)特征，如葉長、葉寬不僅影響植株的觀賞效果，還與植株光合產(chǎn)物積累相關(guān)，也與花朵的表現(xiàn)形態(tài)也有一定關(guān)聯(lián)性[12]；本研究利用統(tǒng)計學(xué)方法對月季雜交群體的表型性狀進行測定分析，了解和掌握該群體花部7個具體性狀以及葉片2個表型性狀的遺傳變異規(guī)律及相關(guān)性，以期為月季表型性狀的QTLs定位提供理論基礎(chǔ)和參考數(shù)據(jù)，對于薔薇屬植物優(yōu)良基因的挖掘及輔助選擇育種具有實際意義[13]。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

2011年4～6月，以1株四倍體古老月季品種‘云蒸霞蔚’(Rosa‘Yunzheng Xiawei’)為母本，收集另1株四倍體現(xiàn)代月季品種‘太陽城’(R.‘Sun City’)的花粉進行雜交，采收成熟果實于2012年3月進行播種，獲得333株F1代實生苗群體。該群體露地種植于北京市昌平區(qū)國家花卉工程技術(shù)研究中心苗圃，年平均日照時數(shù)2 684 h，年平均氣溫11.8℃，年平均降水量550.3 mm，個體栽植點的溫度、光照、水分、土壤等環(huán)境因子基本相同，生長健壯、表現(xiàn)穩(wěn)定。隨機選擇184株雜交F1代群體和雜交親本作為研究對象(表1)。

表1 試驗材料主要信息

1.2 試驗方法

該群體2個集中花期(2016年9月、2017年5月)內(nèi)，測定2株親本及184株子代的花部和葉片性狀(表2)。

1.2.1 花部性狀的測量方法

每個單株上選3朵開放程度到圖1所示第五個階段的花朵，分別進行如下性狀的測量：

(1)花朵直徑：測量如圖2所示，過輻射對稱中心測量花朵直徑，每朵花測量3次。

(2)花冠面積：采用圖片采集法[14]。測量時，將直尺與花俯視角度的圖像位于同一平面(與地表平行)拍照，后期利用Adobe Photoshop 2015進行處理。根據(jù)直尺上的標記確定參照面積RA(Reference substance Area)=1 cm2，記錄參照面積所占用的像素RP(Reference substance Pixel)，使用磁性套索工具，選擇待測花冠面積，記錄待測面積所占用的像素，記為FP(Flower Pixel)，依據(jù)待測面積/參照面積=待測面積像素/參照面積像素的比例關(guān)系，即FA=RA×FP÷RP，計算待測花冠面積FA(Flower Area)=FP÷RP(單位：cm2)。

表2 性狀選取與測定標準

圖1 測量取材示意圖Fig.1 A method diagram of the measurement

圖2 花朵直徑測量示意圖Fig.2 A schematic diagram for measuring corolla diameters

圖3 花瓣長、寬測量示意圖Fig.3 A schematic diagram for measuring the length and width of petals

(3)花瓣數(shù)量和瓣化情況：對花瓣數(shù)量進行直接統(tǒng)計，重瓣性高的子代待花瓣完全打開后進行計數(shù)，雄蕊瓣化特別明顯的計入其中。參照國家林業(yè)局于2010年發(fā)布的《薔薇屬植物新品種特異性、一致性、穩(wěn)定性測試指南》，采用統(tǒng)計與篩選的方法將花瓣數(shù)量的平均值按照單瓣花(<10)、半重瓣花(10～20)、重瓣花(20～50)及千重瓣(>50)4類進行統(tǒng)計，分別賦值為0、1、2和3；未瓣化和瓣化賦值為0和1。

(4)花瓣長和花瓣寬：分別選取3朵花各1枚花瓣(重瓣花選取從外至內(nèi)第2～3輪的平展花瓣，單瓣花直接用該輪花瓣)進行如圖3的測量，花瓣中軸線為花瓣長，與中軸垂直的花瓣最寬處為花瓣寬。

(5)萼片附屬物：觀測萼片的形態(tài)，統(tǒng)計并記錄是否存在明顯的附屬物(將無附屬物、有毛、小刺、明顯刺分別賦值0、1、2和3)。

1.2.2 葉片性狀的測量方法

參照國家林業(yè)局于2010年發(fā)布的《薔薇屬植物新品種特異性、一致性、穩(wěn)定性測試指南》，使用游標卡尺對每個單株盛花期時花枝下第3側(cè)枝頂葉進行測量，重復(fù)測量3枚葉片，葉長以葉基到葉尖的距離為準，葉寬以葉片最寬處為準。

1.3 數(shù)據(jù)分析

將測量和計算所得數(shù)據(jù)通過Excel 2013、SPSS 24.0等軟件進行統(tǒng)計分析。通過平均值、標準差的計算得出變異系數(shù)(CV=標準差/平均值)，用以衡量表型性狀在群體內(nèi)的變異水平。通過描述性統(tǒng)計、遺傳分析以及相關(guān)性分析等得出該F1群體9個表型性狀的變異特征。

2 結(jié)果與分析

2.1 月季表型性狀的變異分析

利用SPSS 24.0對花朵直徑、花冠面積、花瓣數(shù)量、花瓣長、花瓣寬、花瓣長寬比、葉片長、葉片寬以及葉片長寬比9個性狀進行描述性統(tǒng)計分析(表3)。結(jié)果顯示，整個群體的變異系數(shù)在7.33%～68.08%，證明群體內(nèi)表型差異幅度大。花瓣數(shù)量標準差為19.29，變異系數(shù)達到68.08%，證明群體間在這個性狀上的差異顯著。花冠面積變異系數(shù)達到31.58%，證明群體里花冠大小差異明顯；花瓣長、花瓣寬、葉長和葉寬的變異系數(shù)明顯大于花瓣長寬比和葉片長寬比，證明該群體花瓣和葉片在大小上有所差異，但花瓣形態(tài)和葉型較為穩(wěn)定。

表3 F1表型性狀統(tǒng)計

對F1代群體表型性狀進行頻數(shù)分布分析(圖4)，9個表型性狀都呈現(xiàn)較為突出的單峰分布，接近正態(tài)分布，符合數(shù)量性狀的特點，其中花朵直徑、花瓣長、花瓣寬以及葉長和葉寬的偏度絕對值較接近0，證明這幾個表型性狀分布較為均勻；花冠面積、花瓣長寬比、葉長、葉寬以及葉片長寬比的峰度絕對值較小，證明這幾個性狀與正態(tài)曲線擬合性更好；花瓣數(shù)量的偏度以及峰度絕對值大于1，呈現(xiàn)出明顯正偏性和極端性。

2.2 月季表型性狀遺傳分析

對F1群體9個表型性狀與親本進行比較分析(表4)，F(xiàn)1代群體中花瓣數(shù)量和葉片長寬比的均值明顯小于中親值，其余7個性狀的均值與中親值的比值接近100%。從總體上看，雜交后代分離廣泛，各個性狀均出現(xiàn)小于低親和大于高親的超親個體。其中花冠面積在雙親之間的子代比例達到92.93%；花朵直徑、花瓣數(shù)量、花瓣長、花瓣寬、葉長、葉寬六個性狀在雙親之間的子代約占整體80.00%，花朵直徑小于低親的個體約為大于高親的2倍，葉寬大于高親的個體遠多于小于低親的個體；花瓣長寬比介于雙親之間的個體只占整體10.33%，大于高親的個體達到65.76%，呈現(xiàn)花瓣形狀更狹長的趨勢；葉片長寬比介于雙親的個體也較少，73.91%個體小于低親，呈現(xiàn)雜交后代葉片形狀更圓的趨勢。

2.3 月季表型性狀頻率分析

2.3.1 雄蕊瓣化

母本‘云蒸霞蔚’和父本‘太陽城’均存在不同程度的雄蕊瓣化，在184株F1代群體中，71%子代發(fā)生雄蕊瓣化，29%子代未發(fā)生雄蕊瓣化，即瓣化：未瓣化約為3:1(圖5)。由此可見，瓣化在雜交后代中的發(fā)生較為普遍，但仍存在約1/4的單株不同于親本，未發(fā)生雄蕊的瓣化，表明在瓣化性狀上，雜交后代存在較為明顯的差異性。其中重瓣花約占整個群體1/2；半重瓣花約達到1/4；千重瓣花和單瓣花比例較少，各占整個群體的1/8，即四個階段的比例為單瓣花∶半重瓣花∶重瓣花∶千重瓣花=4∶2∶1∶1(圖6)。

圖4 F1代群體表型性狀頻數(shù)分布圖Fig.4 Histogram of frequency distribution about the phenotypic traits of F1 population

表型性狀Phenotypic trait親本ParentsF1代群體與親本比較Comparison among F1 population and parents(%)♀♂中親值PMid-parents均值/中親值X/P小于低親Less than the low parent雙親之間Between the parents大于高親Greater than the high parent花朵直徑Corolla diameter(mm)75.6752.7664.2197.2919.5770.1110.33花冠面積Flower area(cm2)14.494.619.55100.631.6392.935.43花瓣數(shù)量Petal numbers(number)11.0053.0032.0088.5313.0476.6310.33花瓣長Petal length(mm)41.1225.6233.37102.033.8087.508.70花瓣寬Petal width(mm)41.1025.9733.5498.766.5284.788.70花瓣長寬比Length-width ratio of petal1.000.990.99103.6723.9110.3365.76葉長Leaf length(mm)60.5332.4646.50101.4110.8778.8010.33葉寬Leaf width(mm)33.7614.5624.16119.741.6375.5422.83葉片長寬比Length-width ratio of leaf1.792.232.0182.5473.9124.461.63

2.3.2 萼片附屬物

母本和父本在萼片上附著有毛，184株F1代群體中，萼片附屬物這一性狀發(fā)生了分離，其中與親本一樣附著有毛的株數(shù)為106株，占雜交群體的一半以上；其次是萼片上無附屬物，株數(shù)為35株，約占群體的1/5；另外還有15.76%萼片附著有大刺，7.61%萼片附著有小刺，4種性狀分離比為有毛∶無附屬物∶大刺∶小刺=15∶5∶4∶2(表5)。

表5F1代萼片附屬物分布分析

Table5ThedistributionofsepalsappendagesinF1population

親本萼片附屬物Sepals appendages of parentsF1代群體萼片附屬物Sepals appendages of F1 population頻率Frequency(%)♀♂平均值Mean標準差Standard deviation方差Variance0123111.190.930.8719.0257.617.6115.76

圖5 F1代瓣化情況Fig.5 The petalody of F1 population

表型性狀Phenotypic trait花瓣寬Petal width花瓣長寬比length-width ratio of petal花瓣數(shù)量Petal numbers花朵直徑Corolla diameter花冠面積Flower area葉長Leaf length葉寬Leaf width葉片長寬比Length-width ratio of leaf花瓣長Petal length0.889**0.095-0.0420.774**0.0610.147*0.182*-0.111花瓣寬Petal width-0.363**0.0270.636**0.0350.1140.112-0.039花瓣長寬比Length-width ratio of petal-0.1290.181*0.0330.0350.113-0.143花瓣數(shù)量Petal numbers-0.0140.080-0.113-0.1090.015花朵直徑Corolla diameter0.0910.1100.185*-0.166*花冠面積Flower area-0.083-0.044-0.076葉長Leaf length0.865**0.001葉寬Leaf width-0.487**

**P<0.01；*P<0.05

2.4 花部與葉部性狀相關(guān)性分析

分析花部7個性狀和葉片3個性狀之間的相關(guān)性(表6)?；ò陻?shù)量、花冠面積與其他性狀的相關(guān)性較低，花朵直徑分別與花瓣長和寬呈顯著正相關(guān)關(guān)系，證明花瓣長、花瓣寬影響花朵直徑，但未表現(xiàn)出對花瓣數(shù)量以及花冠面積的影響?；ò陮捙c花瓣長呈顯著正相關(guān)，與花瓣長寬比呈顯著負相關(guān)。葉寬與葉長呈顯著正相關(guān)，與葉片長寬比呈顯著負相關(guān)，與花瓣情況類似，證明葉片和花瓣的長寬比受其寬度影響更大；花部與葉部各個性狀相關(guān)性不顯著，只有花瓣長分別與葉長和葉寬存在弱的正相關(guān)關(guān)系以及花朵直徑與葉寬和葉片長寬比存在弱相關(guān)性。

3 討論

觀賞植物的表型性狀由其基因型和環(huán)境共同作用[15]。植物的大部分性狀都是數(shù)量性狀，掌握數(shù)量性狀的遺傳規(guī)律是育種工作的基礎(chǔ)[16]。通過雜交可以使后代性狀發(fā)生廣泛分離[9]，建立一個分離群體是開展數(shù)量性狀位點的定位分析的重要方式之一。對生長于同一環(huán)境中的雜交群體的表型性狀進行系統(tǒng)測定和分析，對于研究觀賞性狀的遺傳規(guī)律、探索該性狀表現(xiàn)型與基因型的關(guān)聯(lián)性以及開展后續(xù)目標育種具有重要意義[17]。李宗艷等[18]通過對黃牡丹12個形態(tài)指標進行觀測，發(fā)現(xiàn)花部形態(tài)變異較葉部大，且萼片的變異系數(shù)最大。本研究184株F1代群體中，各性狀變異系數(shù)在7.33%～68.08%，證明群體內(nèi)表型差異大，遺傳多樣性豐富。其中花瓣數(shù)量和花冠面積變異系數(shù)較高，但是花瓣形態(tài)變異較葉部小?；ò旰腿~片長寬比的變異程度明顯小于花瓣和葉片各自長寬，證明花瓣和葉片大小受環(huán)境影響較大，但形狀較為穩(wěn)定。對各性狀進行遺傳分析，雜交后代大部分性狀介于親本之間，但是也均出現(xiàn)小于低親和大于高親的個體，體現(xiàn)出雜交優(yōu)勢。

賀丹等[19]對尾葉紫薇(Lagerstroemiacaudata)與紫薇(L.indica) F1代群體主要表型性狀的研究表明葉長、葉寬與葉面積呈極顯著正相關(guān)，認為性狀的相互關(guān)聯(lián)是由控制該性狀的QTLs相互關(guān)聯(lián)造成或者由某個QTL的一因多效所引起。周俐宏等[20]對現(xiàn)代月季表型性狀進行相關(guān)性分析并和SSR標記進行關(guān)聯(lián)分析，成功的找到了與現(xiàn)代月季6 個表型性狀相關(guān)聯(lián)的SSR標記。其中葉長、葉寬、花徑兩兩間呈極顯著相關(guān)。由于月季花部表型直接影響觀賞效果，本研究除了葉長、葉寬外，選取花部5個代表性狀進行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)花朵直徑分別與花瓣長和寬顯著正相關(guān)，與葉寬存在弱的正相關(guān)關(guān)系?；ò旰腿~片各自的長、寬和長寬比三個性狀之間的相關(guān)性相似，證明長寬比受其寬度影響更大。性狀間相關(guān)性的研究可以輔助提前選擇[21]，有利于縮短育種時間，加快育種進程。但是，本研究發(fā)現(xiàn)，花朵直徑和花冠面積未表現(xiàn)出相關(guān)性。另外，花朵直徑在群體中的變異系數(shù)為18.34%，花冠面積在群體中的變異系數(shù)高達31.58%，同樣是描述花冠俯視面大小的兩個指標，變異系數(shù)相差很大，證明花朵直徑所包含的花部的信息少于花冠面積，所以呈現(xiàn)花朵直徑的變異系數(shù)低于花冠面積的結(jié)果。由此推測本研究中所測的葉長和葉寬所代表的葉部信息有限，葉面積等其他葉部性狀的測量可以使葉部信息更完善[22]。目前，由于一維指標測量起來更加容易，研究者對月季花冠大小傾向于選擇一維的花朵直徑、花瓣長、花瓣寬等性狀作為指標；相關(guān)研究表明，回歸方程法可以滿足葉面積連續(xù)測定的需要，數(shù)據(jù)精度較高[23]。同樣的方式也可以應(yīng)用到其他植物花冠面積、葉面積的測量當中[24]，建立花瓣長、花瓣寬、花朵直徑、花瓣數(shù)量等單因子或多因子的花冠面積回歸方程以及葉長、葉寬的葉面積回歸方程，可以更準確代表花部信息，便于探索各性狀遺傳和相關(guān)顯著性等關(guān)系。

自然界有豐富多彩的重瓣觀賞植物，其起源大致包括積累起源、苞片起源、雌雄蕊起源、臺閣起源、重復(fù)起源和花序起源6種方式[25]。本研究的F1群體表現(xiàn)出了明顯的雄蕊瓣化現(xiàn)象，驗證了月季重瓣性來源于雄蕊瓣化。Serrato[26]對萬壽菊(Tageteserecta)瓣性研究也表明，單瓣花的后代是單瓣或復(fù)瓣；重瓣花的后代中單瓣、復(fù)瓣和重瓣均有分布。黃秀強[27]等用單瓣美洲黃蓮(Nelumbonucifera)與單瓣蓮雜交，其種間雜種仍為單瓣，與重瓣蓮品種雜交，其種間雜種為半重瓣或重瓣，據(jù)此認為蓮屬花型并非簡單的孟德爾遺傳，而是由多基因控制。于超[1]檢測到了月季雜交群體7個與花瓣數(shù)量相關(guān)聯(lián)的QTLs，證明花瓣數(shù)量這一性狀為數(shù)量性狀，并可能存在主效基因控制。上述情況也在本研究中得到驗證，該群體在花瓣數(shù)量這一性狀上分離程度高，呈正態(tài)分布，證明月季的重瓣性表現(xiàn)為由多基因控制的數(shù)量性狀，通過多代雜交選育，后代往往可能出現(xiàn)超過親代花瓣數(shù)量的品種，此發(fā)現(xiàn)對于指導(dǎo)月季重瓣花育種和探索花發(fā)育的遺傳調(diào)控因子具有參考價值。