胡麻亞麻酸含量的遺傳分析

王利民，黨 照，趙 瑋，李聞娟，謝亞萍，齊燕妮，張建平

(甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物研究所，蘭州 730070)

胡麻(LinumusitatissimumL.)是中國西北和華北高寒干旱地區(qū)重要的油料作物之一。胡麻種植歷史悠久，自西漢時期就引入中國種植[1]。近年來，全國胡麻年種植面積26.7～33.3萬hm2，年產(chǎn)胡麻籽約40萬t。胡麻的用途主要以食用油為主，纖維用為輔。胡麻籽含油量40%左右，此外還含有豐富的蛋白質(zhì)、膳食纖維、木酚素等營養(yǎng)元素和功能成分[2]。胡麻油主要由5種脂肪酸組成(亞麻酸、亞油酸、油酸、棕櫚酸和硬脂酸)，其中а-亞麻酸(ALA)含量高達(dá)50%以上。ALA屬于ω-3多不飽和脂肪酸，是人體必需脂肪酸，具有目前國際醫(yī)學(xué)界和營養(yǎng)界公認(rèn)的重要生理功能，如預(yù)防和治療心腦血管疾病，降血壓、調(diào)節(jié)血糖、血脂，抗腫瘤、預(yù)防癌癥，提高自身免疫力等功能[3]。

由于亞麻酸重要的生理和營養(yǎng)功能，提高亞麻酸含量是目前胡麻品質(zhì)改良的主要目標(biāo)之一。育種實(shí)踐表明，胡麻品質(zhì)改良較之產(chǎn)量、抗性等育種目標(biāo)相對困難。脂肪酸含量屬于植物數(shù)量性狀，其遺傳受少數(shù)主基因控制外，還受大量微效多基因控制，同時受基因與環(huán)境的互作、基因表達(dá)水平修飾等的影響，遺傳機(jī)制較為復(fù)雜[4]。蓋鈞鎰[5]提出的主基因+多基因混合遺傳理論認(rèn)為植物數(shù)量性狀由主基因和多基因共同遺傳控制，主基因一般可以檢測，多基因則難以鑒別。基于該理論的主基因+多基因混合遺傳分離分析方法可以利用不同的遺傳群體材料分析數(shù)量性狀主基因的存在及其遺傳效應(yīng)[6]。該方法已廣泛應(yīng)用于作物農(nóng)藝、品質(zhì)、抗性等重要數(shù)量性狀的遺傳研究[7-9]。相關(guān)研究表明，作物產(chǎn)量、品質(zhì)等數(shù)量性狀的遺傳受1對或多對主基因和微效多基因共同遺傳控制。在胡麻脂肪酸含量的遺傳研究方面，張瓊等[10]采用RIL群體初步分析了胡麻脂肪酸含量的遺傳效應(yīng)；趙利等[11]分析了不同環(huán)境下胡麻脂肪酸含量的遺傳方式。兩者均以RIL群體為研究對象，研究結(jié)果也不盡相同。

作物主基因+多基因遺傳模型分析中不同分離世代鑒定主基因的效率存在差異，利用個別分離世代的遺傳信息鑒定主基因和多基因存在一定的局限性，而多世代聯(lián)合分析方法可以克服個別分離世代的不足，從而更全面地鑒定其遺傳效應(yīng)[12]。因此，本試驗(yàn)從構(gòu)建6個世代遺傳群體材料入手，旨在通過多世代的聯(lián)合分析方法深入解析胡麻亞麻酸含量的遺傳規(guī)律，為亞麻酸含量的遺傳改良提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 材 料

以“低亞麻酸×張亞2號”為雜交親本，分別由內(nèi)蒙古農(nóng)牧業(yè)科學(xué)院和張掖市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供。2016年夏季在甘肅蘭州人工配置雜交組合，收獲F1種子；同年冬季在云南元謀種植F1及親本材料，通過雜交、自交和回交獲得F1、F2、B1:1和B2:1世代種子；2017年夏季在蘭州種植P1、P2、F1、F2、B1:1、B2:1群體材料，通過雜交、自交獲得F1、F2:3、B1:2、B2:2世代種子，從而構(gòu)建了P1、F1、P2、B1:2、B2:2、F2:36個世代群體材料用于模型分析。

1.2 方 法

田間試驗(yàn)設(shè)在云南省元謀縣南繁村。2017年冬季同期種植P1、F1、P2、B1:2、B2:2和F2:36個世代群體材料。其中，P1、F1、P2各種植30行，B1:2、B2:2和F2:3各種植300行。每行播種100粒，行長1 m，行距20 cm，四周設(shè)保護(hù)行，栽培管理與當(dāng)?shù)厣a(chǎn)一致。成熟后，P1、F1、P2世代按單株收獲和脫粒，B1:2、B2:2和F2:3世代按株行收獲、單行脫粒，種子精選去雜，采用近紅外分析法測定亞麻酸含量。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同世代亞麻酸含量的表型分布

不同世代亞麻酸含量的統(tǒng)計值見表1。可以看出，P1和P2亞麻酸含量均值分別為59.80%和42.19%，雙親之間亞麻酸含量存在顯著差異。F1亞麻酸含量均值為46.28%，介于雙親之間。B1:2和B2:2世代亞麻酸含量均值分別為55.60%和43.60%，B1:2世代亞麻酸含量顯著高于B2:2世代。F2:3世代亞麻酸含量均值為46.29%，與F1代基本相同。從變異系數(shù)看，P1、P2、F1、B1:2世代亞麻酸含量的變異度較小，變異系數(shù)為 1.94%～6.99%；B2:2和F2:3世代亞麻酸含量的變異度較大，變異系數(shù)分別為9.81%和9.53%。此外，從亞麻酸含量的極值看，B1:2世代亞麻酸含量最大值達(dá)64.27%，具有超高親優(yōu)勢；B2:2和F2:3世代亞麻酸含量的最小值分別為34.13%和 36.18%，具有超低親優(yōu)勢。從B1:2、B2:2和F2:3世代亞麻酸含量的次數(shù)分布看(圖1～3)，3個世代亞麻酸含量的頻率分布均符合數(shù)量性狀的分布特征，表現(xiàn)為多峰或偏態(tài)分布，亞麻酸含量的遺傳可能存在主基因遺傳效應(yīng)。

2.2 最優(yōu)遺傳模型選擇

通過R軟件包SEA遺傳模型分析，從而獲得24種遺傳模型的極大似然函數(shù)值(MLV)和AIC 值(表2)。不同模型MLV值為 -2 079.83～-1 872.09，AIC值為3 768.18～4 165.66。AIC值最小的模型為D-0(MX1-AD-ADI)，同時C-0(PG-ADI)和E-0(MX2-ADI-ADI)這2個模型的AIC值也較小，根據(jù)AIC 值較小的原則，初步選擇這3個模型作為備選模型。適合性檢驗(yàn)結(jié)果見表3。可以看出，D-0(MX1-AD-ADI)模型30個統(tǒng)計量中有2個達(dá)到顯著水平；C-0(PG-ADI)和E-0(MX2-ADI-ADI)模型也分別有2個統(tǒng)計量達(dá)到顯著水平。3個模型統(tǒng)計量顯著水平數(shù)量相同的情況下，優(yōu)先選擇AIC 值較小的D-0(MX1-AD-ADI)模型作為本試驗(yàn)的最佳遺傳模型，即胡麻亞麻酸含量的遺傳符合1對加性-顯性主基因+加性-顯性-上位性多基因混合遺傳模型。

表1 不同世代亞麻酸含量的統(tǒng)計值Table 1 Statistical value of linolenic acid content in six generations

圖1 B1:2世代亞麻酸含量的次數(shù)分布Fig.1 Frequency distribution of linolenic acid content in B1:2 generation

圖2 B2:2世代亞麻酸含量的次數(shù)分布Fig.2 Frequency distribution of linolenic acid content in B2:2 generation

圖3 F2:3世代亞麻酸含量的次數(shù)分布Fig.3 Frequency distribution of linolenic acid content in F2:3 generation

2.3 遺傳參數(shù)估算

表2 不同遺傳模型的極大似然函數(shù)值(MLV)和AIC 值Table 2 Max-likelihood-values and AIC values of twenty-four genetic models

表3 備選模型的適合性檢驗(yàn)Table 3 Test for goodness-of-fit of selected genetic models

表4 遺傳參數(shù)估計值Table 4 Estimates of genetic parameters for linolenic acid content

2.4 優(yōu)質(zhì)株系篩選

通過對B1:2、B2:2和F2:3世代群體材料亞麻酸及粗脂肪含量的測定分析，從中篩選出亞麻酸含量大于60%的株系材料15份，最高含量 (64.27%)相比國內(nèi)大面積推廣種植的高亞麻酸品種‘張亞2號’高出2.01個百分點(diǎn)。同時，還篩選出粗脂肪含量大于43%的株系材料7份，其中1份材料(B2:2-138)粗脂肪含量高達(dá)48.18%，顯著高于現(xiàn)有的胡麻品種資源及育種材料。這些優(yōu)質(zhì)株系材料的發(fā)現(xiàn)，為后續(xù)胡麻品質(zhì)育種奠定了良好的基礎(chǔ)。

3 結(jié)論與討論

а-亞麻酸(ALA)是胡麻脂肪酸組成的主要成分。王利民等[13]通過256份國內(nèi)外胡麻品種資源的品質(zhì)分析結(jié)果表明，胡麻亞麻酸含量為 34.6%～61.2%，其他主要油料作物，如大豆油亞麻酸含量為2.75%～5.94%[14]，菜籽油亞麻酸含量為4.41%～12.75%[15]，花生油亞麻酸含量≤0.1%[16]?？梢?，胡麻亞麻酸含量顯著高于其他主要油料作物。提高亞麻酸含量是胡麻育種的主攻方向之一，但目前國內(nèi)品質(zhì)育種水平與加拿大等國還有一定差距，育成品種的亞麻酸含量還沒有重大的突破。由于亞麻酸含量的遺傳機(jī)制較為復(fù)雜，這使得亞麻酸的遺傳改良相對困難。

油料作物脂肪酸的遺傳調(diào)控國內(nèi)外研究較為深入，應(yīng)用數(shù)量性狀主基因+多基因遺傳模型的研究相對較少。鄭永戰(zhàn)等[17]利用4個世代群體材料研究結(jié)果表明，大豆亞麻酸含量受2對等加性主基因+多基因遺傳控制，主基因和多基因遺傳率分別為41.98%和24.17%，2對主基因具有較大的遺傳貢獻(xiàn)。張潔夫等[18]通過6個世代群體材料研究表明，油菜亞麻酸含量由2對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因所遺傳控制，但主基因遺傳率并不高(≤5%)，多基因具有相對較大的遺傳貢獻(xiàn)率(34.2%～ 75.7%)。本試驗(yàn)通過6個世代群體聯(lián)合分析結(jié)果表明，胡麻亞麻酸含量的遺傳受1對加性-顯性主基因+加性-顯性-上位性多基因控制，分離世代的主基因加性效應(yīng)要大于其顯性效應(yīng)。B1:2、B2:2和F2:3世代主基因遺傳率分別為 33.59%、46.95%和 53.92%，多基因遺傳率分別為25.60%、19.35%和14.43%，主基因具有較大的遺傳貢獻(xiàn)率。相比大豆和油菜的研究結(jié)果，本試驗(yàn)僅鑒定出1對加性-顯性-上位性主基因，主基因的遺傳率相對較高。此前，張瓊等[10]研究表明胡麻亞麻酸含量為2對重疊作用主基因遺傳，趙利等[11]研究表明不同生態(tài)環(huán)境下胡麻亞麻酸含量分別符合1對主基因+多基因遺傳模型、4對主基因遺傳模型和無主基因遺傳模型。這與本試驗(yàn)的結(jié)果也存在差異?？梢?，亞麻酸含量的遺傳受不同作物、不同群體和不同環(huán)境的影響，其分析結(jié)果也有所不同。

通過本試驗(yàn)篩選出高亞麻酸材料15份，高含油材料7份。值得注意的是，其中亞麻酸最高含量達(dá)64.27%，粗脂肪含量最高達(dá)48.18%。這些優(yōu)異材料的發(fā)現(xiàn)，為胡麻品質(zhì)改良提供了重要的基礎(chǔ)材料。由于亞麻酸和粗脂肪等品質(zhì)性狀易受環(huán)境的影響，這些材料的應(yīng)用價值還有待于進(jìn)一步鑒定和評價。