苦瓜植株卷須發(fā)生的初始節(jié)位及其分叉的遺傳分析

鐘 建胡 芳董驥馳程蛟文崔竣杰胡開林*

（1華南農業(yè)大學園藝學院，廣東廣州 510642；2佛山科學技術學院食品科學與工程學院，廣東佛山

528000）

卷須是瓜類蔬菜及其他攀援類植物具有的一種線狀結構的特殊器官，通過螺旋狀生長纏繞到其他物體上，為植株提供攀援的能力（Sousa-Baena et al.，2018），從而使攀援植物能生長到更廣泛的地方，以獲得更多的生存空間，提高光合作用效率，促進傳花授粉等（Hofer et al.，2009）。

植物卷須的研究可以追溯到達爾文時代。達爾文認為，植物卷須可能來源于各種各樣的器官結構（Darwin，1875）。例如在豌豆中，卷須是由葉片進化而來的，它是葉片的形態(tài)同源物，TI基因是控制豌豆生成卷須的關鍵因素（Hofer et al.，2009）；在葡萄中，卷須一般有2～3個分叉，它作為花序的形態(tài)同源物，是潛在的生殖器官，同時它也是為葡萄植株攀爬提供支持的營養(yǎng)附屬器（張彥蘋 等，2013）；黃瓜卷須的同源器官是側枝，調控黃瓜卷須發(fā)育的關鍵基因TEN編碼黃瓜中保守的TCP轉錄因子，它只在卷須中特異表達（Wang et al.，2015）。

瓜類蔬菜卷須的初始發(fā)生是植株從幼苗期轉入抽蔓期的重要標志，研究其初始發(fā)生節(jié)位的遺傳規(guī)律對于瓜類蔬菜高效栽培管理以及熟性育種具有重要參考意義。關于葫蘆科蔬菜作物卷須是否分叉，前人認為，黃瓜（Cucumis sativus L.）、南瓜〔Cucurbita moschata（Duch. ex Lam.）Duch. ex Poiret〕、絲瓜〔Luffa cylindrica（L.）Roem.〕和紅瓜〔Coccinia grandis（L.）Voigt〕是分叉的，馬交兒〔Zehneria japonica（Thunberg）H. Y. Liu〕是不分叉的（Amonwu & Okoli，2013）?？喙希∕omordica charantia L.）屬于葫蘆科苦瓜屬攀援性草本植物，起源于非洲熱帶地區(qū)（Schaefer & Renner，2010），其卷須存在分叉和不分叉2種類型，且后者較前者更普遍發(fā)生（Amonwu & Okoli，2013；Sidhu &Pathak，2016），關于苦瓜植株卷須發(fā)生的初始節(jié)位（簡稱卷須初始節(jié)位）及其分叉的遺傳規(guī)律鮮見報道。

通過對廣泛收集的苦瓜種質資源進行觀察和篩選，選擇卷須初始節(jié)位及分叉存在顯著差異的4份苦瓜自交系為材料，通過構建遺傳分離群體，對2個性狀分別進行遺傳分析，旨在為揭示苦瓜植株卷須發(fā)生及發(fā)育的遺傳機制奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以卷須初始節(jié)位存在顯著差異的栽培苦瓜自交系佛瀝112為母本和野生苦瓜自交系THMC170為父本，通過人工隔離雜交及其后代自交相繼獲得F1和F2材料，對苦瓜卷須初始節(jié)位進行遺傳分析。以卷須分叉的栽培苦瓜自交系佛瀝734為母本和卷須不分叉的半野生苦瓜自交系AVBG1602為父本，同樣通過人工隔離雜交及其后代自交相繼獲得F1和F2材料，對苦瓜卷須分叉性進行遺傳分析。

2套4世代材料（P1、P2、F1、F2）均于2018年3月14日種植于華南農業(yè)大學躍進北試驗基地大棚內，常規(guī)栽培管理。8月10日，重復種植栽培苦瓜自交系佛瀝734和半野生苦瓜自交系AVBG1602及其F1和F2材料于華南農業(yè)大學增城教學科研基地，常規(guī)栽培管理，用于驗證苦瓜卷須分叉遺傳規(guī)律。

1.2 性狀調查

苦瓜種子萌發(fā)后，最初形成的2片真葉為對生葉，以后形成的為互生葉。以第1片互生葉作為苦瓜植株的第1節(jié)，當苦瓜植株長至抽蔓期開始形成卷須時，統(tǒng)計苦瓜卷須初始節(jié)位。

苦瓜植株（包括卷須分叉和卷須不分叉2種類型）最初形成的卷須絕大多數(shù)是不分叉的。但是，對于卷須分叉類型的植株而言，當植株生長至20～30片葉時就會形成分叉的卷須，而對于卷須不分叉類型的植株而言，則仍然產生不分叉的卷須。為了準確統(tǒng)計苦瓜植株卷須分叉的有無，本試驗調查了每株植株40節(jié)以內主莖的卷須分叉情況，以40節(jié)內卷須存在分叉的記為卷須分叉，均不分叉的記為卷須不分叉。

1.3 群體正態(tài)分布檢驗

使用Excel和SPSS軟件對佛瀝112和THMC170及其F1、F24個世代的卷須初始節(jié)位進行統(tǒng)計和分析。運用Shapiro-Wilk（W檢驗）對分離世代F2進行正態(tài)分布檢驗，當P＞0.05時，表示符合正態(tài)分布。再根據(jù)偏度（Skewness）和峰度（Kurtosis）值判斷正態(tài)分布的具體情況或類型，當Sk=0，Ku=0時，表示分布呈正態(tài)，即眾數(shù)等于算術平均數(shù)；當Sk＞0時，表示分布呈正偏態(tài)，即眾數(shù)位于算術平均數(shù)的左側；當Sk＜0時，表示分布呈負偏態(tài)，即眾數(shù)位于算術平均數(shù)的右側。

1.4 遺傳分析

采用植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型（蓋鈞鎰 等，2003），對4個世代的苦瓜卷須初始節(jié)位進行聯(lián)合分析，通過極大似然法和IECM（iterated expectation and conditional maximization）算法對混合分布中的有關成分分布參數(shù)做出估計，然后利用AIC（Akaike’s information criterion）準則和一組適合性測驗，選擇最優(yōu)遺傳模型，并估計主基因和多基因遺傳率、方差等遺傳參數(shù)。在適合性測驗的5個統(tǒng)計量（U12、U22、U32、nW2和Dn）中，U12、U22和U32為均勻性檢驗，nW2為Smirnov檢驗，Dn為Kolmogorov檢驗；前三者是對分布的某一數(shù)字特征進行檢驗，即檢驗分布的平均數(shù)、二階原點矩和二階中心矩；后兩者是對分布整體進行檢驗。分析軟件由南京農業(yè)大學國家大豆改良中心提供。

卷須分叉的遺傳分析采用卡方檢驗。

2 結果與分析

2.1 苦瓜親本及F1卷須初始節(jié)位統(tǒng)計

統(tǒng)計分析結果表明（表1），佛瀝112（P1）的卷須初始節(jié)位為（3.64±0.50）節(jié)，THMC170（P2）的卷須初始節(jié)位為（4.62±0.65）節(jié)，兩者之間存在顯著差異（P＜0.05），并且F1卷須初始節(jié)位為（3.39±0.70）節(jié)，略低于佛瀝112（P1），但是差異不顯著（P＞0.05），而F1與THMC170（P2）差異顯著（P＜0.05）。說明苦瓜植株卷須發(fā)生的初始節(jié)位低對初始節(jié)位高符合完全顯性遺傳。

表1 佛瀝112（P1）、THMC170（P2）及其F1的卷須初始節(jié)位統(tǒng)計

2.2 苦瓜F2群體卷須初始節(jié)位的分布特征

對佛瀝112（P1）和THMC170（P2）的F2群體（n=119）卷須初始節(jié)位進行統(tǒng)計。結果表明（圖1），卷須初始節(jié)位在F2群體中呈現(xiàn)連續(xù)分布，符合數(shù)量性狀遺傳特征。W檢驗結果表明，卷須初始節(jié)位在F2群體中呈正偏態(tài)分布，即偏向于低值親本。

2.3 苦瓜卷須初始節(jié)位的遺傳模型

對佛瀝112（P1）和THMC170（P2）及其F1、F24個世代的卷須初始節(jié)位進行主基因+多基因混合遺傳模型分析，獲得1對主基因（A）、2對主基因（B）、多基因（C）、1對主基因+多基因（D）和2對主基因+多基因（E）5類24種遺傳模型的極大似然函數(shù)值和AIC值（表2）。

根據(jù)最小AIC值原則，初步判定E-3、E-4、E-5和E-6模型較為適合，進一步對此4個初選模型進行一組適合性檢驗。結果表明（表3），在4個世代的20個統(tǒng)計量中，所選4個模型的統(tǒng)計量顯著個數(shù)均為1個。經似然比檢驗，E-6模型與E-3模型（χ2=0.01，P＞0.05）、E-6模型與E-4模型（χ2=0.01，P＞0.05）、E-6模型與E-5模型（χ2=0，P＞0.05）之間沒有顯著差異。由于E-6模型的AIC值最小，因此認為苦瓜的卷須初始節(jié)位遺傳符合E-6模型，即符合2對等顯性主基因+加性-顯性多基因混合遺傳模型。

圖1 苦瓜植株卷須初始節(jié)位在F2群體中的頻次分布

表2 苦瓜卷須初始節(jié)位遺傳模型的極大似然函數(shù)值和AIC值

表3 苦瓜卷須初始節(jié)位遺傳模型的適合性檢驗

2.4 苦瓜卷須初始節(jié)位的遺傳參數(shù)估計

根據(jù)苦瓜卷須初始節(jié)位遺傳模型參數(shù)的極大似然估計值，估計最適遺傳模型的遺傳參數(shù)。結果表明（表4），苦瓜卷須初始節(jié)位遺傳由主基因和多基因共同控制，其中主基因遺傳率為15.81%，多基因遺傳率為7.83%。說明環(huán)境對苦瓜卷須初始節(jié)位的影響較大。2對主基因的加性和顯性效應均相等（h1=h2=d1=d2=-0.21），h1/d1=h2/d2=1，表現(xiàn)為完全顯性；多基因的顯性效應[h]為-0.25，加性效應[d]為-0.01，[h]/[d]＞1，表現(xiàn)為正超顯性。說明苦瓜卷須初始節(jié)位低對卷須初始節(jié)位高為顯性，且存在超顯性現(xiàn)象，與F1（表1）和F2（圖1）表型統(tǒng)計結果一致。

表4 苦瓜卷須初始節(jié)位的遺傳參數(shù)估計值

2.5 苦瓜卷須分叉性狀的遺傳

經統(tǒng)計，2018年春種植的母本佛瀝734所有單株主蔓在40節(jié)以內均有卷須分叉，父本AVBG1602均為卷須不分叉單株，F(xiàn)1世代中的所有單株在40節(jié)以內都有卷須分叉（圖2）。在F2分離世代的287個單株中，有208株表現(xiàn)為卷須分叉，79株表現(xiàn)為卷須不分叉。經卡平方檢驗，χ2=0.85（P＞0.05），表明在F2分離世代中卷須分叉與卷須不分叉符合3∶1的分離規(guī)律。

對2018年秋種植的佛瀝734與AVBG1602及其F1、F2材料進行統(tǒng)計分析的結果同樣表明，母本佛瀝734與父本AVBG1602及其F1植株的卷須分叉表現(xiàn)與2018年春一致；在F2分離世代的88個單株中，有63株表現(xiàn)為卷須分叉，25株表現(xiàn)為卷須不分叉，經卡平方檢驗，χ2=0.55（P＞0.05）。同樣驗證了在F2世代中植株卷須分叉與卷須不分叉的遺傳符合3∶1的分離規(guī)律。因此，認為苦瓜植株卷須的分叉對不分叉受1對顯性基因控制，其中卷須分叉表現(xiàn)為顯性，卷須不分叉表現(xiàn)為隱性。

圖2 苦瓜植株卷須分叉與不分叉

3 結論與討論

苦瓜屬于無限生長類型的攀援性植物，其植株卷須發(fā)生的時間與抽蔓期的早晚有關，其卷須分叉的有無可能會影響植株的攀援能力。根據(jù)筆者對眾多苦瓜種質資源觀察統(tǒng)計的結果表明，苦瓜植株卷須發(fā)生的早晚存在顯著差異，不同材料之間存在卷須分叉有無的差別。因此，本試驗選擇了4份苦瓜材料為親本構建遺傳分離群體，對苦瓜植株卷須相關的2個性狀進行遺傳分析。結果表明，苦瓜植株的卷須初始節(jié)位符合2對等顯性主基因+加性-顯性多基因混合遺傳模型（E-6模型），F(xiàn)1偏向卷須初始節(jié)位低的親本，存在超親優(yōu)勢。這在苦瓜雜種優(yōu)勢中可以加以利用，即在選配親本時，選擇卷須初始節(jié)位低的親本將有可能配制獲得抽蔓期更早的一代雜種。另一方面，由于多基因效應以顯性效應為主，因此，對于苦瓜植株卷須初始節(jié)位的選擇應在高世代進行。本試驗還對苦瓜植株主蔓40節(jié)以內卷須分叉有無進行了遺傳分析，結果表明，卷須的分叉對不分叉受1對顯性基因控制。本試驗結果為進一步揭示苦瓜植株卷須發(fā)育的遺傳機制奠定了基礎。