飼用高粱 4個(gè)主要株型性狀的遺傳分析

盧華雨，白曉倩，于澎湃，羅 峰

(天津農(nóng)學(xué)院 農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院，天津 300384)

高粱屬于禾本科高粱族高粱屬植物，在我國(guó)俗稱(chēng)為蜀黎，其主要種植在南北美洲、亞洲以及非洲等干旱和半干旱地區(qū)，在我國(guó)多地均有種植[1]。目前，高粱是世界上第五大糧食作物[2]，具有抗逆性強(qiáng)、耐高溫、耐寒、耐貧瘠的能力[3]。高粱作為C4植物，即使在不利情況下仍然具有很高的光合效率[4]。飼用高粱作為高粱重要的分枝品種，具有生長(zhǎng)快、再生力強(qiáng)、生物產(chǎn)量高、營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、適應(yīng)性強(qiáng)、適口性好的特點(diǎn)[5]，是我國(guó)北方半干旱地區(qū)牲畜的優(yōu)質(zhì)飼草。隨著人們對(duì)動(dòng)物蛋白需求的增加，導(dǎo)致畜牧業(yè)對(duì)飼草的需求量也連年上升，因此對(duì)飼用高粱的株型改良對(duì)提高其生物產(chǎn)量具有重要的意義。通過(guò)改良株型調(diào)節(jié)飼草高粱植株的空間分布和群體結(jié)構(gòu)，可提高飼草高粱的受光面積，從而獲得較高的生物產(chǎn)量[6]。

飼用高粱生產(chǎn)過(guò)程中主要存在葉片數(shù)較少、旗葉葉面積較小、植株直立性較差容易倒伏等問(wèn)題，導(dǎo)致光合利用率低、莖葉損失以及大規(guī)模機(jī)械化收獲難度增加[7]。國(guó)內(nèi)高粱品種遺傳基礎(chǔ)狹窄、資源貧乏等[8]，一般飼用高粱品種果穗部較長(zhǎng)，導(dǎo)致開(kāi)花時(shí)間變長(zhǎng)，籽粒成熟度和生物量存在顯著差異。目前，傳統(tǒng)的常規(guī)育種方式很難再?gòu)纳锂a(chǎn)量上突破，株型結(jié)構(gòu)作為植株形態(tài)及其生理和生態(tài)功能方面的綜合體現(xiàn)，是影響生物產(chǎn)量的重要因素[9]。因此，從株型方面入手改善植株的形態(tài)特征，使用分子輔助育種，對(duì)生物產(chǎn)量有關(guān)性狀的基因進(jìn)行深入挖掘，加快育種速度，縮小育種年限，培育出高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)飼草高粱品種。筆者以飼草高粱的主要株型性狀為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)葉片數(shù)、莖粗、旗葉葉鞘長(zhǎng)、旗葉葉面積進(jìn)行主基因-多基因遺傳分析，研究群體株型性狀的遺傳規(guī)律，為選擇能夠穩(wěn)定遺傳的優(yōu)良性狀提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2017年6月在天津市寧河區(qū)天津?qū)嶒?yàn)林場(chǎng)進(jìn)行，選擇葉片數(shù)較多、莖粗較細(xì)、旗葉葉鞘較長(zhǎng)、旗葉葉面積較小的恢復(fù)系材料飼用高粱引-251(從美國(guó)普渡大學(xué)引進(jìn))和葉片數(shù)少、莖粗較粗、旗葉葉鞘較短、旗葉葉面積較大的高粱恢復(fù)系材料粒用高粱忻梁52(本地材料)為親本，配制雜交組合，2018年5月在天津?qū)嶒?yàn)林場(chǎng)播種，得到F2后代340株。

1.2 性狀調(diào)查

參照《作物學(xué)實(shí)驗(yàn)》和《作物育種學(xué)各論》中的方法和標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)F2群體中每株單株進(jìn)行田間性狀調(diào)查統(tǒng)計(jì)，旗葉葉鞘長(zhǎng)為穗基部到旗葉葉鞘的距離，葉片數(shù)為整株植株的所有葉片數(shù)量，旗葉葉面積為高粱旗葉的葉片面積，莖粗為高粱第3節(jié)與第4節(jié)中間位置直徑的平均數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)田間調(diào)查的原始數(shù)據(jù)用EXCEL軟件進(jìn)行整理，再使用SPSS 19.2軟件進(jìn)行相關(guān)性分析。參照文獻(xiàn)[10-12]進(jìn)行合適性檢驗(yàn)，參照文獻(xiàn)[13]的方法計(jì)算主基因遺傳率。

2 結(jié)果與分析

2.1 性狀表型與相關(guān)性

2.1.1性狀表型 從表1可知，忻粱52X與引-251組合F2代的旗葉葉鞘長(zhǎng)、葉片數(shù)、旗葉葉面積、莖粗均值分別為27.48 cm、9.37片、135.35 cm2和13.04 mm。從圖1看出，F(xiàn)2代的旗葉葉鞘長(zhǎng)、葉片數(shù)、旗葉葉面積、莖粗均表現(xiàn)出明顯的單峰現(xiàn)象，符合數(shù)量遺傳的分布特征。

表1 引-251與忻梁52組合后代F2群體的植株性狀Table 1 Plant-type traits of F2 population from Y-251×XL52 combination

圖1 F2群體株型性狀的頻次分布Fig.1 Frequency distribution of plant-type traits of F2 population

2.1.2相關(guān)性 從表2看出，除莖粗以外，旗葉葉鞘長(zhǎng)、葉片數(shù)、旗葉葉面積3個(gè)性狀間均呈極顯著正相關(guān)，其中，葉片數(shù)與旗葉葉面積的相關(guān)性最高，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.969；葉片數(shù)與旗葉葉鞘長(zhǎng)間其次，相關(guān)系數(shù)為0.964；旗葉葉鞘長(zhǎng)與旗葉葉面積間最小，相關(guān)系數(shù)為0.941。因此，為了獲得更好的株型以及更高的生物產(chǎn)量，應(yīng)適當(dāng)減少莖粗，增加葉片數(shù)和旗葉葉面積提高植株的受光面積，從而提高光合作用，以獲得更多的地上生物產(chǎn)量。

2.2 株型性狀的遺傳模型篩選

根據(jù)遺傳模型選擇的準(zhǔn)則，即AIC值最小原則，每個(gè)性狀都選擇AIC值較小的4個(gè)遺傳模型作為備選模型。旗葉葉鞘長(zhǎng)、葉片數(shù)、旗葉葉面積、莖粗的備選模型具體見(jiàn)表3。

2.3 株型性狀的遺傳模型檢測(cè)

利用均勻性檢驗(yàn)、Smirnov檢驗(yàn)和Kolmogorov檢驗(yàn)對(duì)備選模型進(jìn)行適合性檢驗(yàn)(表4)，選擇統(tǒng)計(jì)量中顯著水平個(gè)數(shù)最少的模型作為最優(yōu)模型。旗葉葉鞘長(zhǎng)Model B_1模型與Model B_4的U12、U22、U32(均勻性檢驗(yàn))、nW2(Smirnov檢驗(yàn))和Dn(Kolmogorov檢驗(yàn))均沒(méi)有達(dá)到顯著水平(P>0.05)，但由于Model B_1模型的AIC值最小。因此，Model B_1可作為該群體的最適遺傳模型，說(shuō)明旗葉葉鞘長(zhǎng)遺傳受2對(duì)主基因控制，表現(xiàn)為主基因加性-顯性-上位性效應(yīng)。

葉片數(shù)4個(gè)備選模型的U12、U22、U32、nW2和Dn均沒(méi)有達(dá)到顯著水平(P>0.05)，但由于Model B_1的AIC值最小。因此，Model B_1可作為該群體的最適遺傳模型，說(shuō)明葉片數(shù)遺傳受2對(duì)主基因控制，并且表現(xiàn)為主基因加性-顯性-上位性效應(yīng)。

旗葉葉面積4個(gè)備選模型中，只有Model B_2除U32未達(dá)到顯著水平外(P>0.05)，其余4個(gè)值都達(dá)到顯著水平(P<0.05)，并且Model B_2模型的AIC值更小。因此，選擇Model B_2作為該群體的最適遺傳模型，說(shuō)明旗葉葉面積遺傳受2對(duì)主基因控制，即加性-顯性的混合遺傳模型。

表2 引-251與忻梁52組合后代F2株型性狀的相關(guān)系數(shù)Table 2 Correlations between four plant-type traits of F2 population from Y-251×XL52 combination

注：**表示在0.01水平(兩側(cè))顯著相關(guān)。
Note: ** indicates significance of difference atP<0.01 level.

表3 4個(gè)株型性狀數(shù)遺傳模型的極大似然值和AIC值Table 3 Maximum likelihood and AIC value of genetic models of four plant-type traits

注：*表示備選模型。
Note: * means the alternative models.

表4 株型各性狀遺傳模型分析檢驗(yàn)Table 4 Testing of genetic models for different plant-type traits

注：U12、U22、U32為均勻性檢驗(yàn)參數(shù)、nW2為Smirnov檢驗(yàn)參數(shù)、Dn為Kolmogorov檢驗(yàn)參數(shù)，括號(hào)內(nèi)數(shù)字為適合性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)值。
Note: U12, U22and U32are homogeneity test parameters.nW2and Dn are Smirnov and Kolmogorov test parameter respectively.The figure within parentheses is the standard value of compatibility test.

莖粗Model A_2、Model B_4、Model B_5、Model B_6模型的U12、U22、nW2均達(dá)到顯著水平(P<0.05)，其中，Model B_6的AIC值更小。因此，選擇Model B_6作為該群體的最適遺傳模型，說(shuō)明莖粗遺傳受2對(duì)主基因控制，即等顯性遺傳模型。

2.4 株型性狀遺傳參數(shù)估計(jì)

根據(jù)已經(jīng)確定的最優(yōu)模型和IECM的估算方法，對(duì)F2群體株型性狀進(jìn)行遺傳參數(shù)估計(jì)(表5)。高粱旗葉葉鞘長(zhǎng)符合Model B_1模型，F(xiàn)2群體的遺傳分離符合加性-顯性的混合遺傳模型，2對(duì)主基因(AA、BB)的加性效應(yīng)為正值，加性效應(yīng)之和為3.31。2對(duì)主基因的顯性效應(yīng)為負(fù)值，之和為-2.66，凈光合速率的加性×加性的上位性為-0.00000025。加性×顯性的上位性互作效應(yīng)為-1.74963775，顯性×顯性的上位性互作效應(yīng)為0.00000075。引-251與忻粱52雜交所得F2群體的旗葉葉鞘長(zhǎng)遺傳率為49.38%。

高粱葉片數(shù)符合Model B_1模型，F(xiàn)2群體的遺傳分離符合加性-顯性的混合遺傳模型，2對(duì)主基因(AA、BB)的加性效應(yīng)為正值，之和為1.61。2對(duì)主基因的顯性效應(yīng)為負(fù)值，之和為-1.46，凈光合速率的加性×加性的上位性為0.74774525。加性×顯性的上位性互作效應(yīng)為-0.89613225，顯性×顯性上位性互作效應(yīng)為0.73927775。引-251與忻粱52雜交所得F2群體的旗葉葉片數(shù)遺傳率為68.12%。說(shuō)明，控制高粱葉片數(shù)的相關(guān)基因狹義遺傳力很高，受環(huán)境影響小，可以穩(wěn)定遺傳。

高粱旗葉葉面積符合Model B_2遺傳模型，受到2對(duì)主基因控住，表現(xiàn)為加性-顯性混合遺傳模型，其中2對(duì)主基因的加性效應(yīng)值為正值，之和為56.542。2對(duì)主基因的顯性效應(yīng)值為負(fù)值，之和為-56.541。顯性效應(yīng)值明顯小于加性效應(yīng)值，表明控制高粱蒸騰系數(shù)的2對(duì)主基因都以加性效應(yīng)為主，根據(jù)計(jì)算蒸騰系數(shù)的主基因遺傳率為69.46%。說(shuō)明，控制高粱蒸騰系數(shù)的相關(guān)基因狹義遺傳力很高，受環(huán)境影響小，可以穩(wěn)定遺傳。

高粱莖粗遺傳符合Model B_6模型，即等顯性遺傳模型，主基因遺傳率為86.89%；加性效應(yīng)值之和為6.912，顯性效應(yīng)值之和為-0.094。在穗長(zhǎng)性狀遺傳中，主基因主要表現(xiàn)為加性效應(yīng)，容易在后代穩(wěn)定遺傳，因此相關(guān)基因累加的育種手段都可能得到較好的改良效果。

表5 飼用高粱株型最適遺傳模型的遺傳參數(shù)估計(jì)Table 5 Genetic parameter estimation of the optimum genetic model for plant-type of forage sorghum

注:m為群體均方，da為第1對(duì)主基因的加性效應(yīng)值，db為第2對(duì)主基因的加性效應(yīng)值，ha為第1對(duì)主基因的顯性效應(yīng)值，hb為第2對(duì)主基因的顯性效應(yīng)值，i為加性×加性的上位性，jab為加性×顯性的上位性互作效應(yīng)，l為顯性×顯性的上位性互作效應(yīng)，jba為顯性×加性的上位性互作效應(yīng)。σ2mg為主基因方差，σ2p為表型方差，h2pg為主基因遺傳率。
Note: m, Mean square of population.da, the additive value of the first pair of major genes.db, the additive value of the second pair of major genes.ha,the dominant value the first pair of major genes.hb,the dominant value the second pair of major genes.i，the epistasis of additive×additive.jab,the epistatic interaction effect of additive×dominance.l,the epistatic interaction effect of dominance×dominance.jba,the epistatic interaction effect of dominance× additive.σ2mg,σ2p and h2pg are major gene variance, phenotypic variance and major gene heritability respectively.

3 結(jié)論與討論

株型性狀是影響飼用高粱總生物產(chǎn)量的重要因素，因此改良飼用高粱主要株型性狀對(duì)提升生物產(chǎn)量具有重要的意義，其他主要作物，如油菜[14]、小麥[15-16]、水稻[17]在主要株型性狀方面的研究也取得了明顯成效。對(duì)飼用高粱的株型進(jìn)行改良可以有效提高其生物產(chǎn)量，以及適合大規(guī)模機(jī)械生產(chǎn)的要求。

利用忻粱52與美引-251為親本所得F2后代340株為材料，對(duì)群體中旗葉葉鞘長(zhǎng)、葉片數(shù)、旗葉葉面積和莖粗4個(gè)性狀進(jìn)行主-多基因分析表明，4個(gè)主要株型性狀符合主+多基因混合遺傳模型，并且存在控制株型性狀的主效基因。其中，飼用高粱旗葉葉鞘長(zhǎng)遺傳受2對(duì)主基因控制，符合Model B-1模型，為加性-顯性-上位性的混合遺傳模型，主基因遺傳率為49.38%；葉片數(shù)遺傳受2對(duì)主基因控制，符合Model B-1模型，即為加性-顯性-上位性的混合遺傳模型，主基因遺傳率為68.12%；旗葉葉面積遺傳受2對(duì)主基因控制，符合Model B-2模型，即為加性-顯性混合遺傳模型，主基因遺傳率為69.46%；莖粗性狀遺傳受2對(duì)主基因控制，符合Model B-6模型，即為等顯性遺傳模型，主基因遺傳率為86.89%。與玉米莖粗性狀遺傳符合1對(duì)完全顯性主基因+加性-顯性多因(Model D-2模型)的研究結(jié)果[18-19]不一致，可能是由于本次試驗(yàn)采用F2世代，世代數(shù)較少導(dǎo)致。

對(duì)飼用高粱主要株型性狀進(jìn)行改良，不僅能夠提高飼用高粱的最終生物產(chǎn)量，還能提高秸稈干物質(zhì)含量，以推動(dòng)飼用高粱莖稈與葉片利用的發(fā)展。研究結(jié)果可以幫助育種工作者在高粱選育過(guò)程中選擇主要株型性狀，了解控制株型性狀的基因效應(yīng)以及其顯隱性關(guān)系，進(jìn)一步對(duì)控制株型性狀相關(guān)基因的挖掘和篩選，減少育種工作量，有效提高成功率。