芝麻開花時間的主基因+多基因遺傳分析

張體德，杜振偉，梅鴻獻，劉艷陽，崔承齊，胡程達，馬青榮，鄭永戰(zhàn)

(1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 芝麻研究中心，河南 鄭州 450002； 2.河南省氣象科學(xué)研究所，河南 鄭州 450003)

芝麻是我國重要的特色優(yōu)質(zhì)油料作物，常年種植面積約53.3萬hm2，年產(chǎn)量60萬～80萬t。芝麻種子含油量約55%，油酸、亞油酸等不飽和脂肪酸含量高達85%，是優(yōu)質(zhì)食用油的重要來源。此外，芝麻還富含特殊的天然抗氧化物質(zhì)——木酚素(Lignans)，在人類營養(yǎng)保健、醫(yī)療及抗衰老等方面受到廣泛關(guān)注[1]。隨著人民生活水平的提高，國內(nèi)芝麻產(chǎn)量難以滿足日益增長的市場需求，2018年我國進口芝麻已突破90萬t。發(fā)展芝麻生產(chǎn)對我國油料安全、種植業(yè)供給側(cè)改革和農(nóng)民增收均具有重要意義。同大多數(shù)作物一樣，我國芝麻育種中也存在反復(fù)利用少數(shù)優(yōu)異骨干親本，導(dǎo)致育成品種遺傳基礎(chǔ)極度狹窄的問題[2-3]，嚴重影響了遺傳改良進度，使芝麻品種選育進入長時間的平臺期。外來種質(zhì)被認為是拓寬作物品種遺傳基礎(chǔ)的重要基因資源，引進和利用外來種質(zhì)可以持續(xù)有效地改良當?shù)仄贩N的農(nóng)藝性狀，提高品種對現(xiàn)有生物或非生物逆境脅迫以及對未來環(huán)境變化的適應(yīng)能力[4]。近年來，在國家“948(引進國際先進農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)計劃)”和國家“現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)”等項目的資助下，河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院芝麻研究中心收集了一批來自非洲、美洲、南亞等地區(qū)的芝麻種質(zhì)資源。這些資源具有廣泛的地理來源，在產(chǎn)量、品質(zhì)、抗逆等性狀上存在豐富的遺傳多樣性，是我國芝麻育種中不可多得的外來種質(zhì)[5-6]。但這些來自熱帶和亞熱帶的種質(zhì)具有很強的光周期敏感性，在溫帶長日照環(huán)境下營養(yǎng)生長旺盛、開花晚，一些極端敏感的材料根本不能開花，成為有效利用外來種質(zhì)的限制因素。在擬南芥和水稻中，對開花(抽穗)相關(guān)基因及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的研究已經(jīng)比較清楚[7-8]。與模式植物和主要農(nóng)作物相比，關(guān)于芝麻開花時間的研究十分薄弱。RHIND[9]首次報道，短日照使芝麻提前開花、長日照延緩芝麻開花，并認定芝麻為典型的短日照作物。而后，國內(nèi)外學(xué)者研究了日照長度、溫度等對芝麻開花時間及農(nóng)藝性狀的影響，肯定了不同芝麻種質(zhì)資源在光周期敏感程度上存在差異[10-13]。但迄今為止，仍未見利用遺傳群體對芝麻光周期敏感性進行系統(tǒng)遺傳研究的報道。蓋鈞鎰等[14]提出了一套主基因+多基因混合遺傳多世代聯(lián)合分析方法，在對多世代群體數(shù)據(jù)進行聯(lián)合分析的基礎(chǔ)上，可以針對不同數(shù)量性狀選擇最適合的檢測模型，實現(xiàn)對控制目標性狀的主基因與多基因的數(shù)量情況的檢測，并估算多種遺傳效應(yīng)。該方法自提出后，已經(jīng)在多種作物中用于數(shù)量性狀的遺傳分析研究[15-26]。鑒于此，以黃河流域優(yōu)良芝麻品種豫芝11號為母本，以優(yōu)異外來種質(zhì)M368為父本，構(gòu)建多世代分離群體，通過主基因+多基因混合遺傳模型分析，研究芝麻開花時間的遺傳基礎(chǔ)，為充分合理利用外來芝麻種質(zhì)資源提供理論支持。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

以豫芝11號(P1)和外來優(yōu)異種質(zhì)資源M368(P2)為親本，配制包括P1、P2、F1、B1、B2、F2的6個世代群體，用于開花時間的主基因+多基因混合遺傳多世代聯(lián)合分析。其中，豫芝11號是河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院芝麻研究中心培育的優(yōu)良芝麻品種，自通過審定以來在黃淮流域大面積推廣種植，也是目前進行全基因組denovo測序的芝麻品種[27]；M368引自墨西哥，籽粒純白，千粒質(zhì)量4.2 g，由于光周期敏感性，在河南省自然條件下開花較晚，不能正常成熟。

1.2 開花時間調(diào)查

2018年5月13日，在河南省商丘市睢陽區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所(N34°17′，E115°36′)種植豫芝11號×M368組合的P1、P2、F1、B1、B2和F26個世代群體；為方便田間調(diào)查，適當減小密度，行距60 cm，株距20 cm，其他管理同大田。調(diào)查各世代群體單株開出第1朵花的日期，將從播種到開花的天數(shù)作為開花時間，進行主基因+多基因混合遺傳多世代聯(lián)合分析。

1.3 數(shù)據(jù)分析

2 結(jié)果與分析

2.1 芝麻多世代群體中開花時間的描述統(tǒng)計

豫芝11號×M368組合的6個世代群體單株開花時間的描述統(tǒng)計結(jié)果見表1和圖1。由表1和圖1可見，群體分離世代(F2、B1、B2)方差及變異系數(shù)均大于非分離世代(P1、P2和F1)，說明開花時間受非遺傳因素影響較小。豫芝11號(P1)和M368(P2)開花時間均值分別為53.88 d和62.99 d，差異達極顯著水平(P<0.01)。F1開花時間偏向高值親本P2，表明芝麻開花時間長對短為部分顯性。F2、B1、B2均表現(xiàn)為多峰連續(xù)分布，說明芝麻開花時間遺傳明顯表現(xiàn)出復(fù)雜數(shù)量性狀的遺傳特征，適于利用主基因+多基因混合遺傳多世代聯(lián)合分析方法進行遺傳規(guī)律檢測。

表1 不同世代群體單株開花時間描述統(tǒng)計Tab.1 The descriptive statistics for flowering time of plants in multiple generations

注：字母A和B表示P1和P2開花時間在α=0.01 水平下差異顯著。

Note：A and B indicate that flowering times of P1and P2are significantly different at 0.01 level.

A: P1、P2、F1; B: F2; C: B1; D: B2圖1 豫芝11號×M368組合6個世代群體單株開花時間的次數(shù)分布Fig.1 The distributing frequency of flowering time in 6 generations of Yuzhi 11×M368

2.2 候選及最優(yōu)遺傳模型的確認

利用主基因+多基因混合遺傳多世代聯(lián)合分析方法[14]對芝麻P1、P2、F1、B1、B2、F26個世代群體單株開花時間進行遺傳分析，獲得1對主基因(A-1—A-4)、2對主基因(B-1—B-6)、多基因(C-0—C-1)、1對主基因+多基因(D-0—D-4)和2對主基因+多基因(E-0—E-6)等5類共24種遺傳模型下的極大似然函數(shù)值和AIC值(表2)。根據(jù)AIC值最小原則，選取最小AIC值及與最小AIC值接近的3組模型，即B-1(2 422.76)、D-0(2 414.10)及E-3(2 409.66)，作為候選模型。

表2 24種遺傳模型下估算的極大對數(shù)似然函數(shù)和AIC值Tab.2 The log maximum likelihood and AIC estimated under 24 genetic models

表3 芝麻開花時間候選遺傳模型的適合性檢驗參數(shù)Tab.3 Parameters of goodness-of-fit tests under candidate models for flowering time in sesame

注：*表示在α=0.05水平顯著。

Note：* indicates significance at 0.05 level.

2.3 芝麻開花時間基因的遺傳行為及效應(yīng)

表4 芝麻開花時間的遺傳參數(shù)Tab.4 Genetic parameters estimated for flowering time in sesame

3 結(jié)論與討論

開花時間是植物進化和生態(tài)適應(yīng)的重要性狀，也是育種人員能否有效利用外來種質(zhì)的限制因素[28-29]。研究芝麻開花時間的遺傳基礎(chǔ)，對種質(zhì)資源評價、創(chuàng)新和利用均具有重要意義。本研究利用豫芝11號×M368組合的P1、P2、F1、B1、B2和F26個世代群體，對芝麻開花時間進行了主基因+多基因混合遺傳多世代聯(lián)合分析。結(jié)果表明，外來優(yōu)異種質(zhì)M368與豫芝11號開花時間上的差異適合2對加性-顯性-上位性主基因遺傳模型。就加性效應(yīng)看，在2個主基因位點上，來自豫芝11號(P1)的等位基因均能夠縮短開花時間；而來自M368的等位基因均對開花不利，這可能是外來種質(zhì)光周期敏感性的基礎(chǔ)。就顯性效應(yīng)來講，第1對主基因雖然具有部分負向顯性作用，但效應(yīng)值較小，雜合狀態(tài)時對雜種后代開花時間影響不大；而第2對主基因的顯性效應(yīng)(hb)和勢能比值(hb/db)分別達到了4.72和-2.04，雜合狀態(tài)下能明顯延長開花時間，對雜種優(yōu)勢利用或開花期選擇造成嚴重干擾。就互作效應(yīng)來說，2對主基因間加性×加性、顯性×顯性、加性×顯性、顯性×加性的互作效應(yīng)分別為-2.46、-3.38、-6.92、-1.44，說明主效基因間的互作效應(yīng)對開花時間具有一定的影響，且在第2對主基因在雜合(顯性)狀態(tài)下對開花時間的影響較大。在B1、B2和F2世代，2對主基因的遺傳率分別為69.39%、88.25%和73.26%，說明芝麻開花時間除受主基因控制外，在相當程度上還受本模型未檢測到的微效基因或環(huán)境等非遺傳因素的影響。由于芝麻開花時間遺傳中基因的加性、顯性、上位性同時存在，當本地種質(zhì)和外來種質(zhì)雜交后，相關(guān)基因在雜合狀態(tài)下對開花時間影響較大，故在低世代選擇效果較差，更適合在高世代實施人工選擇。需要指出的是，高等植物開花是一個復(fù)雜的過程，受多個基因及外界環(huán)境因素的共同調(diào)控[7-8,28]，本研究利用2份芝麻材料，在中緯度長日照條件下開展試驗，利用主基因+多基因混合遺傳多世代聯(lián)合分析法檢測到2對主基因加性-顯性-上位性共同控制芝麻開花時間。但是，在不同種質(zhì)資源中以及在不同日照長度下，參與芝麻開花時間調(diào)控的基因數(shù)是否相同、不同等位基因的效應(yīng)大小仍需進一步分析。