栽培西瓜單果重主基因+多基因遺傳分析

王學(xué)征，劉陽萍，陳克農(nóng)，趙正翔，孫蕾，高忠琦，朱子成，韓文灝，欒非時

（1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北地區(qū)園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實驗室，哈爾濱 150030；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院，哈爾濱 150030；3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生院，哈爾濱 150030）

西瓜[Citrullus lanatus(Thunb.)Mansf.]是原產(chǎn)于非洲的一年生水果型蔬菜作物，葫蘆科西瓜屬[1]，因其種植效益高、消費(fèi)群體大，在世界主要農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)廣泛種植。西瓜位于世界十大果品中第五位，我國西瓜生產(chǎn)與消費(fèi)在世界上均排名第一，西瓜單果重是滿足消費(fèi)多樣化、提高產(chǎn)量的重要性狀[2-3]。因此，西瓜單果重遺傳變異是其種質(zhì)改良基礎(chǔ)[4-5]。

西瓜單果重、果型指數(shù)、座果率等產(chǎn)量性狀是西瓜重要育種目標(biāo)。研究表明，產(chǎn)量性狀均為復(fù)雜的數(shù)量性狀，易受環(huán)境影響[6-7]。即使相同研究群體在不同環(huán)境下遺傳特性也不同，數(shù)量性狀通常由多個基因控制，且傳統(tǒng)遺傳學(xué)僅獲得基因總體信息及遺傳效應(yīng)，如果針對某一數(shù)量性狀進(jìn)行遺傳改良，需明確該性狀具體基因及遺傳信息，以便通過育種手段開展人工選擇。近年來，隨著數(shù)量遺傳學(xué)與植物育種技術(shù)相結(jié)合，特別是植物數(shù)量性狀“主基因+多基因”混合遺傳模型出現(xiàn)，可有效解決上述問題。主基因+多基因遺傳分離分析體系在園藝作物育種上應(yīng)用廣泛，如番茄單果重[8-9]、辣椒果實性狀[10]、南瓜果實性狀[11]、西葫蘆果長[12]和果實整齊度[13]、黃瓜果型[14-15]、白菜葉綠素含量[16]、冬瓜果型[17]、茄子果型[18]及甜瓜葉色[19]等方面，上述研究明確主要園藝作物部分產(chǎn)量性狀遺傳特點(diǎn)，為遺傳改良提供重要信息。但關(guān)于西瓜重要產(chǎn)量性狀主基因+多基因遺傳分析研究較少。

本研究以單果重差異較大西瓜品種Medium和西瓜品種COS為親本，構(gòu)建F2代群體，利用兩年兩點(diǎn)親本及F2代群體單果重數(shù)據(jù)，運(yùn)用主基因+多基因混合遺傳模型多世代聯(lián)合分析法，研究西瓜單果重遺傳方差和基因效應(yīng)，以期揭示單果重性狀遺傳機(jī)制，輔助常規(guī)選擇育種，為加快西瓜遺傳育種提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 田間試驗材料

親本材料：父本為西瓜品種Medium，平均單果重為6.53 kg，果實橫徑26.70 cm，果實縱徑28.41 cm，屬大果，為美國生態(tài)型；母本材料為西瓜品種COS，單果重為2.33 kg，果實橫徑18.61 cm，果實縱徑17.70 cm，屬小果，為東亞生態(tài)型。兩親本均由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)西甜瓜分子遺傳育種課題組提供，將兩個親本雜交配得到F1代，再將F1代自交得到F2代群體。

1.2 田間試驗方法

1.2.1 田間試驗設(shè)計

2019年5~8月將兩親本、F1與F2代幼苗定植于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽試驗示范基地，父本、母本及F1代分別種植30株，共分為3個小區(qū)，完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，3次重復(fù)，株行距為35 cm×50 cm，小區(qū)面積為5.25 m2，F(xiàn)2代種植230株，株行距為35 cm×50 cm，小區(qū)面積為5.25 m2。正常田間管理雙蔓整枝，每株留瓜1個。待果實成熟時調(diào)查單果重性狀。2020年5~8月，將上述材料種植于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽試驗示范基地，種植株數(shù)、小區(qū)設(shè)計及田間管理均與上一年相同。

1.2.2 性狀調(diào)查

于成熟期采收西瓜果實，選擇父母本及F1代發(fā)育正常、具有本品種特征果實4個，稱重后計算平均單果重。采收F2群體單株，使用電子秤測量父本、母本、F1及F2群體所有西瓜單果重。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

使用微軟Microsoft?Excel 2016錄入與整理所獲得田間數(shù)據(jù)，計算平均數(shù)；使用SPSS 24.0作描述性統(tǒng)計分析；使用SEA軟件作遺傳分析，采用6個世代主基因+多基因混合遺傳分離分析法，通過極大似然法和迭代ECM算法估計各世代、各相關(guān)成分分布參數(shù)，然后通過赤池信息量準(zhǔn)則（Akaike's information criterion，AIC）即AIC最小值原則從備選模型中選擇相對最適模型，同時作適合性檢驗，選擇最優(yōu)模型，估計主基因及多基因相關(guān)遺傳參數(shù)，計算遺傳率。

2 結(jié)果與分析

2.1 西瓜親本單果重性狀差異顯著性分析

兩親本單果重性狀t測驗結(jié)果如表1所示，母本COS單果重均值為2.33 kg，父本Medium單果重均值為6.53 kg，t值為16.837（P=0.0001），母本COS平均單果重極顯著低于父本Medium平均單果重。

表1 親本Medium、COS單果重性狀差異顯著性分析Table 1 Analysis on the difference of single fruit weight between parents Medium and COS

2.2 西瓜F2群體單果重性狀頻數(shù)分布

調(diào)查F2代分離群體，于2019年及2020年各得到205個單果重有效數(shù)據(jù)。圖1為兩年單果重頻次分布圖。將所得數(shù)據(jù)選用SPSS Statistics 24.0進(jìn)行分析，結(jié)果表明，F(xiàn)2代群體單果重兩年數(shù)據(jù)均分布于1.5~9.0 kg，其中2019年均值為4.31 kg，2020年均值為4.08 kg，群體中單果重并未全部介于親本之間，西瓜單果重性狀為數(shù)量性狀。

圖1 2019年及2020年F2單果重頻次分布Fig.1 Single fruit weight frequency distribution of F2 in 2019 and 2020

2.3 西瓜4個世代群體單果重性狀主基因+多基因遺傳模型選擇

在SEA軟件 中 導(dǎo)入2019年 與2020年P(guān)1、P2、F1和F2群體單果重數(shù)值，在默認(rèn)參數(shù)狀態(tài)下分析，得到所有遺傳模型極大似然值和AIC值（見表2和3）。根據(jù)遺傳模型選取的AIC值最小原則，選取兩年數(shù)據(jù)中AIC值最小的一組和接近的兩組作為備選模型。確定3個備選模型，分別是A-1（1MGAD）（主基因-加性+顯性）、A-1（1MG-A）（主基因-加性）、B-6（2MG-EAD）（主基因-等加性+顯性效應(yīng)），其中A-1（1MG-AD）模型AIC值最小，分別為706.1023和468.8904。

表2 2019年遺傳模型極大對數(shù)似然函數(shù)值和AIC值Table 2 Akaike information criterion(AIC)and maximum likelihood values(MLV)of genetic models in 2019

表3 2020年遺傳模型極大對數(shù)似然函數(shù)值和AIC值Table 3 Akaike information criterion(AIC)and maximum likelihood values(MLV)of genetic models in 2020

2.4 西瓜4個世代群體單果重性狀主基因+多基因遺傳模型適合性檢驗

表4和5分別為對兩年西瓜單果重遺傳模型適合性檢驗結(jié)果，同時，包括一組（U12、U22、U32、nW2和Dn）適合性檢驗，選取統(tǒng)計量達(dá)到顯著水平個數(shù)較少模型為最優(yōu)模型。結(jié)果顯示，3個模型統(tǒng)計量均未達(dá)到差異顯著，根據(jù)AIC最小值原則，選擇A-1（1MG-AD）作為西瓜單果重最優(yōu)遺傳模型。

表4 2019年西瓜單果重遺傳模型適合性檢驗Table 4 Suitability test of watermelon single fruit weight genetic model in 2019

2.5 西瓜4個世代群體單果重性狀最適遺傳模型遺傳參數(shù)估計

運(yùn)用SEA軟件計算西瓜單果重最優(yōu)模型A-1（1MG-AD）一階和二階遺傳參數(shù)，結(jié)果如表6所示。西瓜單果重主基因加性效應(yīng)da為-1.511，加性效應(yīng)為負(fù)向；單果重主基因顯性效應(yīng)為0.3802。西瓜單果重在F2群體中主基因遺傳率為64.4953%。

表6 西瓜單果重最佳模型一階和二階遺傳參數(shù)Table 6 First-order genetic parameter and second-order genetic parameter of watermelon single fruit weight module A-1（1MG-AD）

表5 2020年西瓜單果重遺傳模型適合性檢驗Table 5 Suitability test of watermelon single fruit weight genetic model in 2020

續(xù)表

3 討論與結(jié)論

單果重是衡量園藝作物果實大小重要指標(biāo)，同時是產(chǎn)量組成重要因子，單果重性狀屬于數(shù)量性狀，易受外界環(huán)境影響[20-21]，目前主要應(yīng)用“主基因多基因遺傳模型分離與分析方法”鑒定主基因、多基因效應(yīng)及基因與環(huán)境相互作用[22-24]。園藝作物單果重性狀遺傳多數(shù)符合加性-顯性遺傳模型。徐錦華等研究表明，網(wǎng)紋甜瓜單果重遺傳主效應(yīng)為加性效應(yīng)，且與非加性效應(yīng)共同作用[25]。樂素菊等[8]、李毅豐等[9]分別對番茄單果重進(jìn)行遺傳分析，結(jié)果表明，單果重性狀遺傳符合加性-顯性-上位性主基因+加性-多基因（MX2-ADI-ADI）模型，以基因加性效應(yīng)為主。陳鳳真對西葫蘆產(chǎn)量性狀進(jìn)行遺傳分析，結(jié)果表明，西葫蘆單果質(zhì)量遺傳為加性-顯性-上位性兩對主基因（B-1）遺傳模型[26]；對單果質(zhì)量起主要作用的是顯性效應(yīng)與顯性×顯性互作效應(yīng)。蘇小俊等采用植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型分析普通絲瓜單果重遺傳特性，認(rèn)為普通絲瓜單果重遺傳受E-0遺傳模型控制，主基因遺傳率較高，環(huán)境方差比率較小[27]。

本研究選用單果重差異較大西瓜品種Medium和COS，利用其配置得到F1代，通過F1代自交得到F2代群體，通過測定親本、F1及F2代群體兩年單果重數(shù)據(jù)，分析單果重遺傳規(guī)律，表明西瓜單果重符合A-1（1MG-AD）模型，即由主基因+加性-顯性控制。單果重F2主基因遺傳率為64.4953%，顯性效應(yīng)為0.3802，加性效應(yīng)為負(fù)向，與上述研究結(jié)果一致。

明確西瓜單果重性狀遺傳特性，對單果重性狀改良育種具有重要意義。結(jié)合前人研究[28-30]，分析本研究結(jié)果可知，西瓜單果重主基因遺傳率為64.4953%，說明在選育過程中，環(huán)境因素影響比例較高，適宜在分離晚代進(jìn)行選擇，同時應(yīng)注意保持田間栽培條件及管理水平一致，盡量減少環(huán)境影響。影響西瓜單果重因素較多，如植株生長勢（株高、莖粗等）、葉片數(shù)、葉片大小、果實縱橫徑及坐瓜節(jié)位等[31-33]。本研究僅分析單果重性狀遺傳模型，下一步應(yīng)綜合上述性狀遺傳特性及性狀間相關(guān)性開展研究，為西瓜單果重性狀精準(zhǔn)改良提供參考。