萱草屬植物F1 代花部性狀遺傳分析及QTL 定位

張玲玲，李森，劉娟，公菲菲，高陽，侯非凡，亢秀萍，王艷芳，邢國明*

（1.山西農(nóng)業(yè)大學 園藝學院，山西 太谷 030801；2.山西省設施蔬菜提質(zhì)增效協(xié)同創(chuàng)新中心，山西 太谷 030801；3.大同黃花產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究院，山西 大同 037004）

萱草屬植物種質(zhì)資源豐富，在我國有著2000多年的栽培歷史，是國際公認的三大宿根花卉之一。APG IV 分類系統(tǒng)將其劃分為單子葉植物綱（Monocotyledoneae）阿?；疲ˋsphodelaceae）萱草亞科（Hemerocallidoideae）［1］。因其花型花色豐富多彩，花期綠期長，已成為重要的園林綠化材料［2］。萱草屬植物包括夜間開放的黃花菜類群和白天開放的萱草類群［3］，在長期栽培過程中，自然雜交和人工雜交普遍存在，經(jīng)過100 多年的育種研究，品種已達8 萬以上［4］。不同品種在花被片長寬、花朵開放和閉合時間、花色和花型等表型性狀方面存在著極大的差異［5］。目前雜交育種是萱草的主要育種方式之一［6］，種間雜交是創(chuàng)造新種質(zhì)和選育新品種的重要育種技術和方法，可創(chuàng)造豐富的種質(zhì)資源，雜交后代的雜種優(yōu)勢一般比較強［7］。

當今，隨著測序技術的發(fā)展和新型標記的開發(fā)，國內(nèi)外研究學者已在菊花［8-9］、百合［10］、月季［11］、康乃馨［12］等多種觀賞植物中陸續(xù)展開數(shù)量性狀基因定位研究?；ㄆ鞴偈禽娌輰僦参镉^賞性狀中最直觀的外在表現(xiàn)，也是其育種的主要目標之一?；ǘ渲睆健?nèi)外花瓣長度和寬度是萱草屬植物的主要觀賞性狀。

本研究以黃花菜地方品種‘大同黃花’為母本（P1），萱草品種‘搖籃曲’為父本（P2）構(gòu)建雜交F1群體（71 株）為材料，對其5 個花部性狀：花朵直徑、外瓣長度、外瓣寬度、內(nèi)瓣長度和內(nèi)瓣寬度進行統(tǒng)計分析，探討表型性狀遺傳規(guī)律及變異特點，并利用SNP 標記對5 個花部性狀進行QTL 定位研究，旨在為萱草屬植物花部性狀的分子標記輔助育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以黃花菜地方品種‘大同黃花’為母本（P1），萱草品種‘搖籃曲’為父本（P2）構(gòu)建雜交后代，采用常規(guī)田間管理。試驗材料種植、雜交、取樣均在萱草屬植物種質(zhì)資源圃（山西農(nóng)業(yè)大學）中進行。

圖1 雜交親本（A）和雜交F1 代花器官（B）Fig.1 Floral organs of Hybrid parents（A）and hybrid F1 generation（B）

1.2 性狀測定方法

于2019 年7-8 月觀測親本與雜交F1 群體的花朵直徑（Flower diameter，F(xiàn)D）、外瓣長度（Sepal length，SL）、外瓣寬度（Sepal width，SW）、內(nèi)瓣長度（Petal length，PL）和內(nèi)瓣寬度（Petal width，PW）5 個花部性狀，每個性狀重復觀測3 次，統(tǒng)計3 次重復的平均值。各性狀測量標準如表1。

表1 雜交F1 花部性狀測定標準Table1 Determination standard of flower characters of Hy?brid F1

1.3 主要花部性狀雜種優(yōu)勢分析

‘大同黃花’和‘搖籃曲’雜交構(gòu)建的F1 代雜種優(yōu)勢通過中親優(yōu)勢和中親優(yōu)勢率、超親優(yōu)勢和超親優(yōu)勢率的大小來表示。

雜交后代各性狀的中親優(yōu)勢（Hm）以雜交后代5 個花部性狀各自的平均值（Fm）與中親值（MPV）之差來表示。中親優(yōu)勢率通過公式RHm（%）=［Hm/MPV］×100 計算。超親優(yōu)勢（H）則通過雜交后代各性狀的平均值（Fm）與高親值（HP）之差表示。超親優(yōu)勢率RH（%）=［H/HP］×100［13］。

使用Excel 2010 對5 個花部性狀表型數(shù)據(jù)進行初步統(tǒng)計分析，用IBMSPSS Statistics 23 統(tǒng)計軟件進行Pearson 相關分析。

1.4 QTL 作圖

基于課題組前期構(gòu)建的種間高密度遺傳圖譜［14-15］，運用Map QTL 6.0 軟件對雜交F1 代的主要花部性狀數(shù)據(jù)進行QTL 定位分析。首先利用置換檢驗做1000 次重復，估算F1 群體中LOD 閾值大小。然后利用區(qū)間作圖法（Interval Maping）對5 個花部性狀進行QTL 分析，掃描步長為1 cM。區(qū)間作圖法分析檢測得到5 個花部性狀相關QTL位點后，將這些位點中最高LOD 值所在位置的標記或與其緊密連鎖的標記作為協(xié)同因子，再對檢測到的QTL 進行MQM（多座位QTL 模型）檢測，以LOD 值最高的位點作為QTL 所在的位置。

各性狀QTL 命名的方式是：q，性狀英文縮寫名稱（首字母大寫），所在連鎖群，QTL 在該連鎖群上的順序。例如qSL1.1 是指第1 連鎖群上外瓣長度的第1 個QTL［16］。

2 結(jié)果與分析

2.1 萱草屬植物雜交F1 群體主要花部性狀遺傳變異分析

2.1.1 雜交雙親及其雜交后代群體主要花部性狀表型分析

本試驗中父母本5 個花部性狀的描述性數(shù)據(jù)如表2 所示。其中，母本‘大同黃花’花朵直徑達11.50 cm，外瓣長寬分別為9.65 cm，1.25 cm，內(nèi)瓣長寬為9.63 cm，1.93 cm；父本‘搖籃曲’花朵直徑為10.17 cm，外瓣長寬和內(nèi)瓣長寬為：8.20 cm，3.74 cm，7.12 cm 和4.87 cm。

表2 雜交雙親主要花部性狀統(tǒng)計Table2 Statistics of main flower traits of the parents cm

對雜交F1 代花朵直徑、外瓣長度、外瓣寬度、內(nèi)瓣長度和內(nèi)瓣寬度進行描述性統(tǒng)計分析，結(jié)果見表3。雜交F1 群體中5 個花部性狀的變異系數(shù)為7.01%～12.50%，其中外瓣長度的變異系數(shù)最小，分離不明顯。外瓣寬度和內(nèi)瓣寬度的變異系數(shù)為12.39%和12.50%，表明這2 個性狀在F1 個體間的變異較大。供試的71 份材料花朵直徑最大值為11.46 cm，最小值為8.31 cm，外瓣長寬變異范圍為6.90～9.63 cm，1.50～2.76 cm，內(nèi)瓣長寬變異范圍為6.85～9.84 cm，2.08～3.96 cm。

從表3 列出的偏度和峰度及雜交F1 群體各花部性狀的頻率分布圖表明（圖2），花部性狀大部分都介于父母本之間，均表現(xiàn)出較好的連續(xù)性正態(tài)分布趨勢，由此推測5 個花部性狀均屬于多基因控制的數(shù)量性狀。

圖2 雜交F1 代主要花部性狀的頻率分布Fig.2 Frequency distribution of main flower traits in Hybrid F1

表3 ‘大同黃花’與‘搖籃曲’雜交F1 群體主要花部性狀特征值Table3 Main flower traits values in the Hybrid F1 of′Datong Huanghua′and ′Yaolanqu′

2.1.2 雜交F1 群體表型性狀的遺傳變異分析

對雜交F1 群體的5 個花部性狀進行統(tǒng)計分析。結(jié)果如表4 所示，F(xiàn)1 中花朵直徑的平均值相當于中親值的89.67%，絕大多數(shù)F1 代花朵直徑小于雙親中的低親個體，表明花朵直徑有變小的趨勢，介于雙親之間的個體數(shù)占23.94%，沒有超過高親的個體。外瓣長度的平均值占中親值的91.27%，有53.52% 個體的外瓣長度小于低親，46.48%介于雙親之間，沒有出現(xiàn)高于高親的個體。表明F1 代的花朵直徑和外瓣長度有一定的退化趨勢。外瓣寬度和內(nèi)瓣寬度平均值占中親值的百分比分別為79.20%和85.88%，均沒有低于低親和高于高親的個體。5 個花部性狀中的內(nèi)瓣長度平均值相當于中親值的96.42%，其中雜交F1中有4.23%小于低親個體，介于雙親之間的個體占92.96%，在內(nèi)瓣長度這一性狀中有2.81%的F1 代為超親個體。

表4 雜交F1 各性狀遺傳變異分析Table4 Genetic variation analysis of traits in Hybrid F1

2.1.3 雜交F1 群體雜種優(yōu)勢分析

雜交F1 群體中5 個花部性狀的雜種優(yōu)勢如表5 所示，均表現(xiàn)為負向中親優(yōu)勢值，中親優(yōu)勢率為?20.80%~?3.58%，其中以花朵直徑的負向中親優(yōu)勢最強，為?20.80%；以內(nèi)瓣長度的負向中親優(yōu)勢最弱，為?3.58%。說明5 個花部性狀的雜種優(yōu)勢在F1 代表現(xiàn)為下降趨勢性。T 檢驗表明，F(xiàn)1 群體中5 個表型性狀中親優(yōu)勢值均達到極顯著水平（P<0.01）。其次根據(jù)圖2 和表3 可發(fā)現(xiàn)，雜交F1 群體中除內(nèi)外瓣寬度外，均存在正向或負向超出父母本的個體，表明超親分離現(xiàn)象在雜交F1 代中普遍存在。而F1 群體各性狀的平均值均介于父本和母本之間，且通過計算其超親優(yōu)勢均為負值，說明在F1 群體中5 個花部性狀的超親分離普遍現(xiàn)象未演化成超親優(yōu)勢。

表5 ‘大同黃花’與‘搖籃曲’雜交F1 群體主要花部性狀的雜種優(yōu)勢表現(xiàn)Table5 Heterosis of main flower characters in F1 Progeny of′Datong Huanghua′and ′Yaolanqu′

2.1.4 雜交F1 群體主要花部性狀的相關性分析

對雜交F1 群體的5 個花部性狀進行皮爾遜相關分析（表6）后發(fā)現(xiàn)，5 個表型性狀產(chǎn)生的10 對相關性中6 對相關性達到極顯著相關（P<0.01），且6 對性狀的相關性呈現(xiàn)極顯著正相關。其中，花朵直徑與外瓣長度、花朵直徑與內(nèi)瓣長度、外瓣長度與內(nèi)瓣長度的相關系數(shù)均大于0.5，分別為0.623、0.642 和0.936，表明這3 對性狀間相關性緊密。而內(nèi)瓣寬度與其他性狀之間不相關。

表6 雜交F1 群體5 個花部性狀皮爾遜相關性分析Table6 Pearson correlation of 5 flower traits in F1 progeny

2.2 雜交F1 群體主要花部性狀QTL 定位

基于萱草屬種間雜交高密度遺傳圖譜對F1 群體5 個花部性狀進行QTL 定位分析，估計每個QTL 對表型的貢獻率（表7）。結(jié)果表明，共檢測到16 個控制5 個花部性狀的QTLs，分布在第2、3、4、5、8、9、10、11 號 連 鎖 群 上，LOD 的 峰 值 介 于2.06～4.17 之間，單個QTL 的貢獻率為12.5%～23.7%?？刂苹ǘ渲睆降腝TL 位點共3 個，分別位于2、4、5 號連鎖群上，貢獻率分別為14.0%、16.2% 和13.6%。 其 中 位 于4 號 連 鎖 群 上15 955 563～18 093 408 間的qFD4.1 貢獻率最高，區(qū)間長度為1.613 cM。與外瓣長度相關的QTL位點共3 個，分別位于4、8、11 號連鎖群上，貢獻率分別為19.3%、12.9%和23.7%。其中位于11 號連鎖群上59 674 131～60 681 150 間的qSL11.1 貢獻率最高，區(qū)間長度為1.290 cM。在2、5、9 號連鎖群上分布有3 個與外瓣寬度相關的QTL 位點，貢獻率分別為17.3%、13.8%和16.1%。其中位于2 號 連 鎖 群 上291 392 439～292 229 183 間 的qSW2.1 貢獻率最高，區(qū)間長度為0.645 cM。我們檢測到3 個與內(nèi)瓣長度相關的QTL 位點，分別位于8、10、11 號連鎖群上，貢獻率分別為17.1%、23.3% 和21.1%。 其中位于10 號連鎖群上46 864 791～47 992 915 間 的qPL10.1 貢 獻 率 最高，區(qū)間長度為0.967 cM。與內(nèi)瓣寬度相關的QTL 位點共3 個，分別位于3、4、10 號連鎖群上，貢獻率分別為12.9%、14.3%和12.5%。其中位于4 號 連 鎖 群 上283 686 883～285 329 645 間 的qPW4.1 貢獻率最高，區(qū)間長度為2.581 cM。

表7 雜交后代群體5 個花部性狀QTL 分析Table7 QTL mapping of 5 flower traits in F1 progeny

3 討論

雜交是將優(yōu)良性狀或基因轉(zhuǎn)移到后代的重要技術手段，是選育有價值的新品種的有效方法之一［17］。雜交后代的遺傳與變異規(guī)律可通過遺傳標記來進一步明確。花部性狀作為主要觀賞性狀是對觀賞植物品質(zhì)進行選擇的重要參考依據(jù)。高超利等［18］將萱草品種‘金娃娃’與‘紅寶’雜交發(fā)現(xiàn)，雜交后代變異系數(shù)最小的是單株花葶數(shù)，最大的是花序著花數(shù)，而花期變異不大。趙珺等［6］將野生萱草品種‘北黃花菜’與大花萱草品種‘回復’和‘玫瑰回旋’進行雜交，雜交后代中20%花直徑顯著高于高親，花被管長的超低親現(xiàn)象達到了95%，而花序高的超低親現(xiàn)象達到87.5%，大花萱草品種‘回復’和野生萱草品種‘北黃花菜’雜交后代的花梗長變異系數(shù)最大，變異系數(shù)最小的是‘北黃花菜’ב回復’的花被管長。任毅等［19］構(gòu)建的43 個雜交組合中，變異系數(shù)最大的有苞片長、苞片寬及每葶蕾數(shù)。與花徑呈極顯著相關的性狀有株高、花被花萼長、花被寬、苞片長、花被花萼色及花被管長，除苞片長外均為正相關。本研究采用黃花菜地方品種‘大同黃花’和萱草品種‘搖籃曲’進行雜交，結(jié)果表明，外瓣長度的變異系數(shù)最小，分離現(xiàn)象不明顯，外瓣寬度和內(nèi)瓣寬度的變異系數(shù)分別為12.39%和12.50%，表明這2 個性狀在雜交F1 個體間的變異較大。雜交F1 群體花朵直徑最大值為11.46 cm?；ú啃誀畲蟛糠侄冀橛诟改副局g，呈現(xiàn)出較好的連續(xù)性正態(tài)分布趨勢，推測5個花部性狀均屬于多基因控制的數(shù)量性狀。雜交后代5 個花部性狀的中親優(yōu)勢值均達到極顯著水平（P<0.01）。中親優(yōu)勢值和中親優(yōu)勢率均為負值，表明這5 個花部性狀存在具有顯性遺傳效應的雜種優(yōu)勢，也表明萱草屬植物具有高度雜合性，這在菊花［20］、柿［21］、蘋果［22］和朱頂紅［23］等植物中也有發(fā)現(xiàn)。除內(nèi)瓣長度有2.81%為超親個體外，其余性狀皆未出現(xiàn)超親個體，外瓣寬度和內(nèi)瓣寬度均介于雙親之間，而花朵直徑和外瓣長度相比雜交親本表現(xiàn)出了一定的退化趨勢。在相關性分析中，內(nèi)瓣寬度與其余。個性狀之間不相關，而花朵直徑與外瓣長度、花朵直徑與內(nèi)瓣長度相關性緊密，說明主要是內(nèi)外瓣長度決定了花朵直徑的大?。?4］。雜交后代的雜種優(yōu)勢源于雜交父母本間基因的異質(zhì)性［23］。本試驗中雜交后代群體存在廣泛的分離和雜種優(yōu)勢衰退的現(xiàn)象，這些現(xiàn)象可能會導致雜種優(yōu)勢的利用受到限制［25］，但卻在雜交后代的單株優(yōu)良性狀選擇方面帶來了更加廣闊的空間。

隨著分子標記技術的發(fā)展，數(shù)量性狀基因定位已經(jīng)成為植物遺傳育種研究中的有力手段，并在 觀 賞 植 物 中 廣 泛 應 用［10，11，26］。本 試 驗 基 于 課 題組前期構(gòu)建的種間雜交高密度遺傳圖譜，結(jié)合雜交后代5 個花部性狀在2019 年的表型數(shù)據(jù)進行QTL 定位分析，共檢測到15 個相關QTLs，分布在除1、6 和7 號連鎖群的8 個連鎖群上。各個QTL的LOD 值介于2.06～4.17 之間，可解釋12.5%～23.7%的表型變異。將為今后的基因克隆和分子標記輔助育種技術在萱草屬植物中的應用奠定重要基礎。

4 結(jié)論

本研究對‘大同黃花’和‘搖籃曲’為親本的雜交F1 代主要花部性狀的遺傳規(guī)律進行了分析。雜交F1 代中，外瓣寬度變異系數(shù)最大。5 個花部性狀的中親優(yōu)勢值均達到極顯著水平（P<0.01）?；ǘ渲睆胶屯獍觊L度表現(xiàn)出了一定的退化趨勢?；ǘ渲睆脚c外瓣長度、花朵直徑與內(nèi)瓣長度、外瓣長度與內(nèi)瓣長度相關性緊密，而內(nèi)瓣寬度與其他各項指標之間不相關。本研究共檢測到與萱草屬植物雜交后代5 個花部性狀相關的15 個QTLs，分布在8 個連鎖群上。各個QTL 的LOD 值介于2.06～4.17 之間，可解釋12.5%～23.7%的表型變異。對萱草屬植物種質(zhì)創(chuàng)新利用與品種改良具有重要意義，為今后萱草屬植物花部性狀相關基因發(fā)掘及候選基因篩選鑒定奠定了基礎。