阮繼偉,孫建麗,萬 紅,單芹麗,田林孟,蔣海玉,楊春梅*
(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院花卉研究所/國家觀賞園藝工程技術(shù)研究中心,云南 昆明 650205;2.玉溪云星生物科技有限公司,云南 玉溪 652604;3.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所,云南 昆明 650205;4. 云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與信息研究所,云南 昆明 650205)
【研究意義】溫度和光周期是誘導(dǎo)鳳梨草莓(Fragaria×ananassaDuch., 2n=8x=56)開花的主要環(huán)境信號(hào)[1-4]。根據(jù)開花習(xí)性的不同,鳳梨草莓可分為季節(jié)性草莓(Seasonal-flowering,SF)和四季草莓(Perpetual-flowering, PF)。季節(jié)性草莓也稱短日照草莓,其在秋季低溫短日照條件下完成花芽分化并在冬春季開花結(jié)果,而在夏季長日照條件下花芽分化停止,夏秋季不開花結(jié)果[5-7];四季草莓在(適宜生長溫度)夏季長日照條件下也可完成花芽分化并開花結(jié)果,從而擴(kuò)展果實(shí)采收期[8-10]。對(duì)關(guān)鍵性狀的遺傳解析是支撐精細(xì)化育種與定向遺傳改良的基礎(chǔ)。鳳梨草莓為異源八倍體,其基因組組成復(fù)雜, 其中來自森林草莓(Fragariavesca)的亞基因組具有亞基因組優(yōu)勢(Sub-genome Dominance),導(dǎo)致很多性狀的遺傳表現(xiàn)出二倍體的遺傳現(xiàn)象[11]。雖然四季草莓品種有不同的來源[1,5,9,12-13]。但最新的系列研究表明,不同來源的四季草莓夏季開花性狀受控于同一主效位點(diǎn)FaPFRU的調(diào)控[14-20]?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】然而,當(dāng)利用緊密連鎖的Bx083_206,Bx215_131[17,20],F(xiàn)ANhyb19.1-15-21和 FANhyb19.1-15-21[21]等分子標(biāo)記來預(yù)測植株開花表型時(shí),陰性標(biāo)記可準(zhǔn)確預(yù)測季節(jié)性植株;而陽性標(biāo)記的植株僅45 %~85 %表現(xiàn)四季性。Lewers 等[21]基于多(4)年多(67)雜交群體表型評(píng)價(jià),依據(jù)親本基因型(分子標(biāo)記)和表型(四季性或季節(jié)性)預(yù)測后代表型分離比例,并與實(shí)際分離比例比對(duì)分析后認(rèn)為至少有2個(gè)基因(分別為顯性和隱性)上位抑制FaPFRU,導(dǎo)致部分具有FaPFRU顯性分子標(biāo)記的株系表現(xiàn)季節(jié)性。其中顯性抑制基因(Dominant Suppressor Flowering,FaDSF)在播種當(dāng)年表現(xiàn)出抑制效應(yīng),越冬之后FaDSF基因的抑制效應(yīng)消失,即FaDSF基因具有響應(yīng)溫度信號(hào)調(diào)節(jié)開花的功能;FaDSF基因的抑制作用使一些雜交群體在播種當(dāng)年四季性和季節(jié)性植株分離比例符合1∶3,而越冬之后年份的分離比例符合1∶1[21]?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】利用在不同年份先后2次雜交構(gòu)建 ‘章姬’בAlbion’F1群體,母本是季節(jié)性草莓(基因型:pfrupfru),父本是四季草莓(基因型:PFRUpfru)。在播種當(dāng)年及越冬后的2個(gè)年份,調(diào)查群體表現(xiàn)四季性和季節(jié)性植株的分離比例,分析溫度響應(yīng)抑制開花基因FaDSF的分離和遺傳模型?!緮M解決的關(guān)鍵問題】探究FaDSF基因在‘章姬’בAlbion’群體中的分離情況和遺傳模型,為FaDSF基因定位和分子遺傳信息的挖掘提供分離群體和遺傳模型支持,也為研究溫度影響草莓開花的分子機(jī)理提供了一個(gè)切入點(diǎn)。
季節(jié)性草莓品種‘章姬’和四季草莓品種‘Albion’定植于高架基質(zhì)栽培槽內(nèi),按Ruan等[22]的方式管理植株。以‘章姬’作為母本,‘Albion’為父本分別于2013年10月和2017年10月雜交。母本花朵露白期(未開放)人工去雄,標(biāo)記;父本花朵露白期取花蕾至室內(nèi)干燥密閉環(huán)境保存獲取花粉;人工隔離授粉,授粉后50 d左右雜交果實(shí)完全成熟,從成熟的果實(shí)上取雜交種子,洗凈后放烘箱(上海博訊BGZ-240)內(nèi)40 ℃烘干72 h。
分別播種2次雜交構(gòu)建的‘章姬’בAlbion’種子,成苗后定植于高架基質(zhì)栽培槽內(nèi)養(yǎng)護(hù),調(diào)查播種當(dāng)年,次年及第3年F1群體各單株開花性狀,根據(jù)植株開花性狀(四季性或季節(jié)性)的分離比例,分析FaDSF基因的遺傳模型。
實(shí)驗(yàn)地位于云南省玉溪市江川區(qū)九溪鎮(zhèn)的云南農(nóng)業(yè)科技園內(nèi)(北緯24°18′,海拔1760 m)。2014年3月8日和2018年2月28日分別播種2013年和2017年雜交獲得的‘章姬’בAlbion’種子,2014年5月8日和2018年4月20日分別將播種后成苗植株定植于高架基質(zhì)栽培槽內(nèi),各單株分別標(biāo)號(hào);2個(gè)雜交群體按先后順序分別命名為群體1(2013年雜交)和群體2(2017年雜交)。播種和養(yǎng)護(hù)參照Ruan等[22]的方法,群體1定植后植株一直養(yǎng)護(hù)到2016年數(shù)據(jù)調(diào)查結(jié)束;群體2定植后植株一直養(yǎng)護(hù)到2019年數(shù)據(jù)調(diào)查結(jié)束,2019年9-10月營養(yǎng)繁殖各單株子苗,并于11月重新定植用于2020年的數(shù)據(jù)收集。
1.3.1 開花性狀調(diào)查 群體1:2015年(播種次年)和2016年(播種后第3年)7月1日至8月31日,參照Ruan等[22]的方法,調(diào)查群體內(nèi)各單株萌發(fā)花序數(shù);2015年有478株,2016年有455株。由于2014年播種晚,肥水管理不佳導(dǎo)致植株生長慢,2014年7月和8月群體內(nèi)無任何植株萌發(fā)花序,調(diào)查群體內(nèi)各單株(483株)第1花序萌發(fā)時(shí)間來確定植株的開花表型。
群體2:2018年(播種當(dāng)年),2019年(播種后次年)和2020年(播種后第3年)7月1日至8月31日,調(diào)查群體內(nèi)存活各單株萌發(fā)的花序數(shù)。2018年292株存活,2019年有292株存活,2020年有274株存活。
1.3.2 開花性狀分離比例及遺傳模型分析 參照Ruan等[22]的方法,每年7月1日至8月31日,萌發(fā)2個(gè)花序的植株認(rèn)定為具有四季開花習(xí)性,期間沒有萌發(fā)花序或僅萌發(fā)1個(gè)花序的植株認(rèn)定為具有季節(jié)開花習(xí)性。群體1植株2014年的開花表型根據(jù)第1花序萌發(fā)時(shí)間來確定。根據(jù)2雜交群體多年開花性狀(四季性和季節(jié)性)分離比例,綜合分析FaDSF基因遺傳模型。
觀察記錄的原始數(shù)據(jù)采用Excel 2007進(jìn)行處理和卡平方檢測。
圖1 群體1播種當(dāng)年(2014年)第1花序萌發(fā)時(shí)間分布頻率
群體1:2014年存活的483單株第1花序萌發(fā)時(shí)間為2014年9月至2015年1月,各月萌發(fā)花序的單株數(shù)見圖1,其中2014年9月124株,10月29株,11月304株,12月21株,2015年1月5株。2014年9月和11月分別有1個(gè)峰值,根據(jù)正態(tài)分布規(guī)律,將9月萌發(fā)第1花序(124株)和10月1-15日萌發(fā)第1花序(8株)的132單株認(rèn)定為具有四季性開花性狀,其他植株(351株)認(rèn)定為具有季節(jié)性開花性狀。2015年存活的468株F1單株萌發(fā)花序數(shù)為0~20,其中萌發(fā)2個(gè)及以上花序的212株認(rèn)定為具有四季開花性狀;未萌發(fā)花序的194株,萌發(fā)1個(gè)花序的62株,共256株認(rèn)定為具有季節(jié)性開花性狀(圖2-A)。2016年存活的455株F1代單株萌發(fā)花序數(shù)為0~39,其中萌發(fā)2個(gè)及以上花序的224株認(rèn)定為具有四季開花性狀;未萌發(fā)花序的190株,萌發(fā)1個(gè)花序的41株,共231株認(rèn)定為具有季節(jié)性開花性狀(圖2-A)。
圖3 群體2播種當(dāng)年(2018年)夏季花序數(shù)分布頻率
群體2:2018年存活的292株F1代單株萌發(fā)花序數(shù)為0~18,其中萌發(fā)2個(gè)及以上花序的80株認(rèn)定為具有四季開花性狀;未萌發(fā)花序的185株,萌發(fā)1個(gè)花序的27株,共212株認(rèn)定為具有季節(jié)性開花性狀(圖3)。2019年存活的292株F1代單株萌發(fā)花序數(shù)為0~27,其中萌發(fā)2個(gè)及以上花序的144株認(rèn)定為具有四季開花性狀;未萌發(fā)花序的132株,萌發(fā)1個(gè)花序的16株,共148株認(rèn)定為具有季節(jié)性開花性狀(圖2-B)。2020年存活的274株F1代單株萌發(fā)花序數(shù)為0~15,其中萌發(fā)2個(gè)及以上花序的130株認(rèn)定為具有四季開花性狀;未萌發(fā)花序的114株,萌發(fā)1個(gè)花序的30株,共144株認(rèn)定為具有季節(jié)性開花性狀(圖2-B)。
圖2 群體1(A)和群體2(B)播種后2年夏季花序數(shù)分布頻率
表1 ‘章姬’ × ‘Albion’2次雜交F1群體中四季性和季節(jié)性植株分離情況
群體1:2014年群體表現(xiàn)四季性和季節(jié)性植株的分離比例符合1∶3(表1,χ2=1.40),而在植株越冬后的2015年和2016年分離比例符合1∶1(χ2=2.42,0.11)。在2015年表現(xiàn)四季性的222株F1代單株中,102株在播種當(dāng)年(2014年)表現(xiàn)四季性,120株表現(xiàn)季節(jié)性,分離比例符合1∶1(χ2=21.45);在2016年表現(xiàn)四季性的224株F1代單株中,106株在播種當(dāng)年(2014年)表現(xiàn)四季性,118株表現(xiàn)季節(jié)性,分離比例符合1∶1(χ2=0.64)。
群體2:2018年群體表現(xiàn)四季性和季節(jié)性植株的分離比例符合1∶3(χ2=0.89),而在植株越冬后的2019年分離比例符合1∶1(表1,χ2=0.05)。在2019年表現(xiàn)四季性的144株F1代單株中,67株在播種當(dāng)年(2018年)表現(xiàn)四季性,77株表現(xiàn)季節(jié)性,分離比例符合1∶1(χ2=0.69);在2020年表現(xiàn)四季性的130株F1代單株中,69株在播種當(dāng)年(2018年)表現(xiàn)四季性,61株表現(xiàn)季節(jié)性,分離比例符合1∶1(χ2=0.49)。
根據(jù)2個(gè)群體多年表型評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)在播種當(dāng)年有1個(gè)基因,其上位抑制夏季開花性狀;即在‘章姬’בAlbion’雜交群體中存在Lewers 等[21]報(bào)道的響應(yīng)溫度信號(hào)抑制開花的FaDSF基因。
夏季(7和8月)是否萌發(fā)花序是判斷植株是否具有四季性的通用標(biāo)準(zhǔn)[23-24]。由于云南地處低緯高原夏季氣候溫和,季節(jié)性草莓品種‘章姬’及其自交群體植株有10 %在7和8月萌發(fā)1個(gè)花序[22],故在本實(shí)驗(yàn)中,參照之前的經(jīng)驗(yàn)[22]將萌發(fā)2個(gè)及以上花序的植株判定為具有四季性,不萌發(fā)或僅萌發(fā)1個(gè)花序的植株判定為具有季節(jié)性。
由于群體1在2014年播種晚,苗期及定植后肥水管理不佳導(dǎo)致植株生長慢,2014年7月和8月群體內(nèi)無任何植株萌發(fā)花蕾,我們根據(jù)各單株第1花序萌發(fā)時(shí)間來確定植株的開花表型,萌發(fā)時(shí)間顯示出2個(gè)峰值(圖1),將第1個(gè)峰值周圍的植株(10月15日前萌發(fā)花序)的植株認(rèn)定為具有四季性,第2個(gè)峰值周圍的植株(10月15日后萌發(fā)花序)認(rèn)定為具有季節(jié)性。
雖然四季草莓品種有不同的來源[1,5,9,12-13]。但最新的系列研究表明,不同來源的四季草莓夏季開花性狀受控于同一主效位點(diǎn)FaPFRU的調(diào)控[14-20]。在前面的研究中[22],通過季節(jié)性草莓‘章姬’和四季性草莓‘阿爾比’2個(gè)自交群體和1個(gè)雜交群體多年表型評(píng)價(jià)和遺傳模型分析認(rèn)為,四季草莓‘阿爾比’的基因型是PFRUpfru,而季節(jié)性草莓‘章姬’的基因型是pfrupfru, 他們的雜交后代中有一半的基因型是PFRUpfru,另一半是pfrupfru。這可以解釋雜交群體中四季性和季節(jié)性植株分離比例符合1∶1。
在播種當(dāng)年分別2次雜交構(gòu)建‘章姬’בAlbion’F1群體,四季性植株和季節(jié)性植株的分離比例符合1∶3,這證明有另外一個(gè)基因在播種當(dāng)年抑制植株表現(xiàn)四季性,這和Lewers 等[21]的研究結(jié)論是一致的。將這上位抑制植株開花的基因標(biāo)記為FaDSF,以便下面的闡述。
由于FaDSF在播種當(dāng)年具有上位抑制FaPFRU基因的作用,具有PFRUpfru基因型的F1代植株,理論上有一半的植株具有DSFdsf基因型,另一半具有dsfdsf基因新型。也就是僅理論上占雜交群體1/4的植株(基因型為PFRUpfrudsfdsf)在播種當(dāng)年表現(xiàn)四季性;而雜交群體另外3/4的植株(基因型為PFRUpfruDSFdsf)在播種當(dāng)年表現(xiàn)季節(jié)性。
參照和比對(duì)草莓屬已有的開花調(diào)控途徑,將有助于鑒定FaDSF基因并明確其分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)。已有的研究成果對(duì)森林草莓和鳳梨草莓開花的光周期調(diào)控分子途徑“CO-FT-SOC1-TFL1”進(jìn)行了深入闡述。在夏季長日照條件下,CO在葉片上調(diào)表達(dá)(栽培草莓暫無報(bào)道),進(jìn)而激活FT在葉片上調(diào)表達(dá),再進(jìn)而激活SOC1在莖尖上調(diào)表達(dá),再進(jìn)而激活TFL1在莖尖上調(diào)表達(dá),TFL1是花芽分化的抑制基因(抑制花芽分化基因API和花蕾發(fā)育基因FT3表達(dá)),其上調(diào)表達(dá)導(dǎo)致草莓植株花芽不分化[4,25-29]。森林草莓中FvTFL1基因第一外顯子2個(gè)堿基的缺失導(dǎo)致FvTFL1基因不能轉(zhuǎn)錄從而使突變株夏季開花,表現(xiàn)四季性。栽培草莓中FaFT1同源基因FaPFRU基因的導(dǎo)入導(dǎo)致下游FaSOC1和FaTFL1下調(diào)表達(dá),植株夏季開花,表現(xiàn)四季性。
然而,溫度調(diào)控草莓開花的分子調(diào)控網(wǎng)絡(luò)研究的很少。已有的研究推測溫度通過“CO-FT-SOC1-TFL1”以外的其他調(diào)控途徑,間接或直接調(diào)控TFL1基因并達(dá)到調(diào)控鳳梨草莓和森林草莓開花的效應(yīng)[3-4, 26],但調(diào)控的路徑和機(jī)理尚不清楚。Urrutia等[30]在導(dǎo)入布哈拉草莓(F.bucharica)部分基因的四季性森林草莓近等基因系(NIL)6號(hào)染色體上發(fā)現(xiàn)1基因有類似FaDSF的功能,即在播種當(dāng)年抑制四季性,并推測其可能是FvTFL1。Koskela等[31]的研究證實(shí)FvTFL1啟動(dòng)子區(qū)域1堿基的缺失導(dǎo)致蛋白結(jié)合位點(diǎn)變化,使森林草莓特異株系(arctic woodland strawberry accession)需要較長時(shí)間的低溫積累下調(diào)FvTFL1表達(dá)量后,植株才能感受外界開花信號(hào)分化花芽。
參照擬南芥,F(xiàn)LC,SVP和H2A.Z基因是感受溫度信號(hào)調(diào)控開花基因[32-34]。其中SVP和H2A.Z蛋白感受溫度信號(hào)在開花相關(guān)基因FT啟動(dòng)子區(qū)域富集,通過調(diào)控開花基因FT表達(dá)量調(diào)控開花。由于草莓屬中未發(fā)現(xiàn)FLC同源基因[35],考慮溫度信號(hào)是否是通過FaSVP和FaH2A.Z基因介導(dǎo)間接調(diào)控FaTFL1基因達(dá)到調(diào)控鳳梨草莓開花的效應(yīng)。
如果著眼更寬的溫度范圍,只要低于光敏下限溫度(≈15 ℃),無論季節(jié)性和四季性草莓都能分化花芽;而高于光敏上限溫度(≈26 ℃),無論季節(jié)性和四季性草莓都不能分化花芽;在2個(gè)溫度范圍內(nèi),光周期調(diào)控才起作用[2,4,29,36-37]。森林草莓也有相同的溫度調(diào)控現(xiàn)象[3,29]。
基于以上分析,在下一步的研究中至少有以下問題需要回答:響應(yīng)溫度信號(hào)的FaDSF基因是FaTFL1基因嗎?抑或是調(diào)控FaTFL1基因的FaSVP或FaH2A.Z等基因?鳳梨草莓不論日照長短,低于光敏下限溫度促進(jìn)開花而高于光敏上限溫度抑制開花,F(xiàn)aDSF基因是否參與了這一現(xiàn)象的調(diào)控?回答這些問題需要針對(duì)FaDSF基因開展分子層面的研究,本研究證明在‘章姬’בAlbion’雜交群體中存在FaDSF基因分離群體,并闡述了其遺傳模型,這為開展FaDSF基因定位和分子生物學(xué)研究提供了遺傳群體和遺傳模型支撐。
在‘章姬’בAlbion’雜交群體中存在溫度相應(yīng)抑制開花的FaDSF基因分離群體,其顯性并上位抑制FaPFRU基因。這為開展FaDSF基因定位和分子生物學(xué)研究提供了遺傳群體和遺傳模型支撐,也為研究溫度影響草莓開花的分子機(jī)理提供了一個(gè)切入點(diǎn)。
西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)2020年12期