花椰菜内叶盖球性状的主基因+多基因遗传分析

李光庆,姚雪琴∗,刘春晴,谢祝捷∗∗,黄成超

(1上海市农业科学院园艺研究所,上海市设施园艺技术重点实验室,上海201403;2上海崇明花菜研发中心,上海202164)

花椰菜(Brassica oleraceaLinnaeus var.botrytisLinnaeus),十字花科芸薹属甘蓝种的一个变种,原产于地中海沿岸,19世纪传入中国,栽培面积不断扩大。目前我国已经成为世界上花椰菜种植面积最大,同时也是种植和消费增速最快的国家之一[1]。长江流域是国内较早实现花椰菜不同成熟期品种资源配套和周年供应的地区,尤其是露地越冬栽培面积很大,实现了南菜北运,是我国重要的越冬花椰菜育种和生产基地之一[2]。然而花椰菜的花球既是生殖器官又是养分储藏器官,在花球生长发育阶段,生育适温比较狭窄,耐极端温度能力较低[3-4],内叶护球好(自覆性好)的花椰菜品种将有助于减轻低温冻害对花球的伤害。因此,通过研究,明确花椰菜内叶盖球性状的基因遗传规律,可以为高产、优质的花椰菜育种和抗逆性状的优化提供科学的理论指导。

研究发现,作物的许多重要性状(如品质、抗性等),具有数量性状遗传的特点,可能同时受少数主基因、多基因和大量微效基因的控制[5-8]。近年来通过建立6世代群体,采用主基因+多基因混合遗传模型对数量性状进行遗传分析,已在许多蔬菜作物上得到广泛应用,如不结球白菜的抽薹开花性状[9]、青花菜的荚叶性状[10-11]、抗根肿病性状[12]和莱菔硫烷含量性状[13]、黄瓜的果皮蜡粉量性状[14]、结球甘蓝的耐裂球性状[15-16]、羽衣甘蓝的裂叶等性状[17],都取得了很好的研究进展。

尽管前人曾对花椰菜抗寒性状开展过很多研究,但主要集中在生理方面[3,18-20],目前尚未见有关花椰菜内叶盖球性状遗传研究的相关报道。本研究通过建立P1、P2、F1、BC1、BC2和F26个世代群体,采用主基因+多基因混合遗传模型方法[5]探讨花椰菜的内叶盖球性状的遗传规律,并分析主基因、多基因不同的遗传效应,估计各不同分离世代的遗传变异,并得到其最优遗传模型,进而由各成分分布参数估算主基因和多基因的遗传方差、遗传力,为进一步提高花椰菜耐寒性及品质改良奠定重要的理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

亲本材料分别为10HB12(P1)和10HB107(P2),均由上海市农业科学院园艺所提供,10HB12(P1)自覆性弱,内叶基本不盖球,为多代自交稳定的纯系;10HB107(P2)是从欧洲杂种后代中选育出来的自覆性强、内叶抱球极好、稳定的高世代自交系。

2010年秋,在上海市农业科学院华漕引种中心种植P1和P2两个亲本材料,2011年春配制杂交组合P1×P2并获得F1代种子。2012年春进行套袋自交和回交,得到F2、BC1和BC2的种子。2012年夏,最终获得试验所需 6 个世代(P1、P2、F1、BC1、BC2和 F2)的种子。

1.2 田间试验

分别于2012年和2013年的7月底,将6个世代群体种子同期播种在上海市农业科学院庄行综合试验站,9月1日移栽。株行距为50 cm×50 cm。试验地为肥力中等的黏壤土,有机肥和复合肥混施作基肥,促苗期和现球前期各追肥1次(500 kg∕hm2尿素),其他措施按常规栽培管理。其中,P1、P2和F1每个群体种植60棵,F2群体共种植320棵,BC1群体和BC2群体各种植130棵。成球期收获各群体,并按单株成熟期考察记录数据。内叶盖球度采用坐标纸法进行测量,即在单株花球成熟后,适时采收,采收花球时要保留内叶完整,利用保鲜膜覆盖花球,对未被内叶遮盖部分用记号笔对保鲜膜涂黑处理,揭下保鲜膜置于坐标纸上,计算面积S1;然后再把该花球的内叶全部摘掉,对整个花球覆盖保鲜膜,同样的方法计算整个花球面积S。内叶盖球度=(S-S1)/S。计算全部6个世代的花球内叶盖球度,用于遗传分析。

1.3 数据分析

采用“主基因+多基因”混合遗传多世代联合分析方法[5-6],对花椰菜的内叶盖球性状进行联合分析,利用获得的表型数据求出5类24种遗传模型的极大似然函数值和AIC值,以迭代ECM算法将分布参数和遗传参数的估计有机结合,选择AIC值最小的模型与AIC值最小模型差异不大的几个模型作为备选最优模型,同时还进行一组样本分布与模型所代表的理论分布间的适合性检验,包括均匀性和检验,Kolmo-Smimov检验(nW2)和Kolmo-Gorov检验(Dn),根据检验结果选择6世代30个统计结果中达到显著水平最少的模型为最优遗传模型[5-6]。采用最小二乘法从分布参数估计各基因效应值,进而估算各种遗传参数[5-6]。

原始数据和内叶盖球度的次数分布图采用Excel 2003软件进行处理;采用南京农业大学章元明教授提供的SEA-G6软件(曹锡文等)进行遗传模型的数据统计分析,利用SPSS 15.0软件进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 表型数据方差分析

比较双亲P1、P2和F1代群体的内叶盖球度表明(表1),P1的内叶基本不盖球,其内叶盖球度为0.065;而P2的内叶盖球很好,其内叶盖球度为0.917,P1和P2的内叶盖球度差异显著(P＜0.05)。F1代的内叶盖球度为0.902,介于双亲之间,更接近于P2,与P1差异达到显著水平(P＜0.05)。比较3个分离世代群体(BC1、BC2及F2)和3个不分离世代群体(P1、P2及F1)的极差和变异系数(表2),结果表明,该性状的3个分离后代群体的变异范围和离散幅度更大,符合遗传多态性分布的要求,因此可进一步开展遗传分析研究。

表1 两亲本和F1的内叶盖球度性状比较Table 1 Comparison of degrees for inner leaves to cover curd in both parents and F1

表2 各世代内叶盖球度性状的极差和变异系数Table 2 Ranges and variation coefficients of degrees for inner leaves to cover curd in generations

2.2 内叶盖球度的次数分布

将3个世代群体(BC1、BC2及F2)内叶盖球度进行数据整理,统计并绘制频次分布图。图1和图2表明,该分离世代群体的内叶盖球性状遗传变异广,个体间的变异表现为连续性的频次分布,数量性状的遗传变异特点明显。F2代分离群体具有明显的2个波峰,说明内叶盖球度这一数量性状受到明显的主基因+多基因遗传效应影响。

图1 2012年杂交组合的BC1、BC2及F2 3个世代分离群体次数分布Fig.1 Frequency distribution of degrees for inner leaves to cover curd in BC1,BC2and F2cross combination populations in 2012

图2 2013年杂交组合的BC1、BC2及F2 3个世代分离群体次数分布Fig.2 Frequency distribution of degrees for inner leaves to cover curd in BC1,BC2and F2cross combination populations in 2013

2.3 备选遗传模型的选择

经过统计分析,可获得花椰菜内叶盖球性状的共5类(A、B、C、D、E)合计24种遗传模型的极大似然函数值和AIC值[5]。根据AIC最小的遴选最优模型办法[5-6],选取具有最小AIC值和相对最小的几个遗传模型作为备选模型。综合两年的结果,内叶盖球性状的AIC值主要以B类模型和E类模型为较小,其中备选模型为B-1、E-0和E-1(表3)。

表3 2012年、2013年杂交组合后代各遗传模型的AIC值Table 3 AIC values of genetic models of cross combination offsprings in 2012 and 2013

对B-1、E-0和E-1这3个备选模型的适合性检验结果表明(表4),2012年内叶盖球度的E-0模型检验统计量达到显著水平(P＜0.05)为11个,B-1和E-1模型分别为13个和12个;2013年内叶盖球度的3个备选模型达到显著水平的均为12个,综合两年份3个模型的AIC值和适合性检验结果表明,根据AIC值和达到差异显著水平参数最少的原则,内叶盖球度的最适遗传模型为E-0(2对加性-显性-上位性主基因+加性-显性-上位性多基因)。

2.4 最优遗传模型遗传参数估算

根据上述研究结果,花椰菜内叶盖球性状的最优遗传模型为E-0模型,由E-0模型的各成分分布参数估算一阶、二阶遗传参数(表5)。由表5中的一阶遗传参数的加性效应可知,2012年和2013年,第1对主基因的加性效应值与第2对主基因的加性效应值均为负向效应,且效应值相等,分别为-0.1621和-0.1776;由表5中的一阶遗传参数的显性效应可知,2012年和2013年,第1对主基因的显性效应值均为正向效应,分别为0.0458和0.1890,第2对主基因的显性效应值均为负向效应,分别为-0.0399和-0.0526。2012年,第1对主基因的势能比(显性度)为-0.2825,显性效应明显小于加性效应,2013年,第1对主基因的势能比(显性度)为-1.0641,显性效应略大于加性效应,比2012年中第1对主基因的显性效应更明显,且为正向效应。在上位性效应中,显性×显性互作(l)效应在2年中均表现为相对较大的负向效应,分别为-0.4192和-0.3382。从第1对主基因的显性度(ha∕da)2年的结果来看,2012年第1对主基因的显性效应明显小于加性效应,表现为部分显性;而2013年第1对主基因的显性效应略大于加性效应,则表现为共显性[5]。从第2对主基因的显性度(ha∕da)2年的结果来看,显性度分别为0.2461和0.2962,说明第2对主基因为部分显性。

表4 内叶盖球性状的各世代备选模型的适合性检验Table 4 Goodness-of-fit test of generations’alternative models of curd-covering inner leaf trait

表5 花椰菜内叶盖球度E-0模型遗传参数估计Table 5 Estimation of E-0 model’s genetic parameters of degrees for inner leaves to cover curd

由表5中的二阶遗传参数可知,2012年,BC1、BC2及F2分离世代群体的主基因遗传率分别为55.96%、74.84%和81.09%,多基因遗传率分别为29.03%、9.27%和7.91%,主基因遗传率明显大于多基因遗传率,结果表明内叶盖球度主要受到2对主基因影响。在BC1、BC2及F2这3个分离世代群体中,广义遗传力分别为84.99%、84.11%和89%,环境方差与表型方差的比值分别为0.1501、0.1589和0.1100,表明花椰菜内叶盖球度的遗传受环境影响相对较小。2013年,分离世代群体BC1、BC2及F2均具有相对较高的主基因遗传率,分别为69.95%、70.96%和84.27%;多基因遗传率则相对较低,分别为9.48%、9.95%和0.01%,主基因遗传率明显大于多基因遗传率,结果表明内叶盖球度主要受到2对主基因影响。在BC1、BC2及F2这3个分离世代群体中,其广义遗传力分别为79.43%、80.91%和84.28%,2013年环境方差与表型方差的比值均比2012年要大,分别为0.2057(＞0.1501)、0.1909(＞0.1589)和0.1572(＞0.1100),表明花椰菜内叶盖球度的遗传受2013年的环境影响相对较大。

3 讨论

内叶盖球度是关系花椰菜花球成品率的重要性状,对于提高花椰菜的商品品质具有重要作用,选育内叶盖球(自覆性强)的花椰菜是花椰菜育种中的一个重要目标。有关花椰菜内叶盖球性状的评价,至今没有统一的标准。前人在抗逆性状的鉴定指标研究中一般选用分级的方法[10,15,17]。本研究中采用坐标纸法将盖球部分表面积占整个花球表面积百分比对花椰菜内叶盖球度进行了定量化测定,能够更加直观地表现花椰菜内叶盖球性状的特征特性。通过两年的重复性试验对该方法进行检验,其试验结果有较好的一致性,从而验证了该方法的准确度和可操作性。

本研究表明,内叶盖球性状在2个亲本中差异均达到显著水平,F1代均接近于P2,与10HB12差异达到显著水平,内叶盖球相较于内叶不盖球为显性遗传,从3个世代分离群体的频次分布来看,性状表现均为连续分布,因此可以采用张钧镒等的植物数量性状主基因+多基因混合遗传模型进行遗传研究[5-6],将主基因遗传效应、多基因遗传效应、环境效应等遗传效应进行比较分析,以便于更深入地探索花椰菜内叶盖球性状的遗传规律。

本研究利用主基因+多基因遗传模型对内叶盖球性状进行遗传分析,从本试验两年的研究结果来看,花椰菜内叶盖球性状表现为数量性状,符合“两对加性-显性-上位性主基因+加性-显性-上位性多基因”遗传模型(E-0),广义遗传力均较高,其中主基因遗传占比更高,控制内叶盖球性状的主基因的加性和显性互作效应较大,即以上位性遗传为主,加性效应次之,受到环境影响相对较小。两年的研究结果表明,该性状的各一阶、二阶遗传参数的变化规律是基本一致的,这验证了该研究结果的可靠性。但是两年的分析结果在细微之处也有差异,从第1对主基因的显性度(ha∕da)结果来看,2012年第1对主基因的显性效应明显小于加性效应,表现为部分显性;而2013年第1对主基因的显性度的绝对值略大于1,表现为较弱的超显性。从BC1、BC2及F2这3个分离世代群体的广义遗传力结果来看,2012年均大于2013年,而环境方差占表型方差的比值结果则正相反,表明花椰菜内叶盖球度的遗传受2013年的环境影响相对更大。

从表5的结果来看,在花椰菜内叶盖球性状的遗传效应中,2对主基因的加性、显性和上位性效应均具有相对较大绝对值,主基因遗传率也相对最大,而多基因遗传率相对较小,这表明内叶盖球性状的遗传表现以主基因效应为主,多基因效应和环境效应较小。此外,在BC1、BC2和F2的分离世代群体中,主基因遗传率均远大于多基因遗传率,也进一步说明主基因在花椰菜杂交后代的内叶盖球性状的遗传贡献作用更大。从两年的结果来看,非加性效应的绝对值远大于加性效应的绝对值,这与作者之前的研究中[4]内叶盖球度的狭义遗传率较低,说明非加性基因效应影响更大的结论相符,因此想通过各位点上基因对表现型作用的累加效应,来实现杂交种的超亲优势较为困难,在早期世代不宜作太严格的选择,可利用高世代系统选育的方式进行选择。从本研究两年的试验结果,尤其是2012年的结果来看,在BC1、BC2和F2代的分离世代群体内,BC1的主基因遗传率明显小于F2和BC2群体,而多基因遗传率则明显高于F2和BC2群体,这种类似现象在甘蓝耐裂球性状的研究中[15-16]也有发现,这可能与研究亲本的遗传背景复杂,以及与内叶盖球性状相关基因的部分显性和超显性效应有关,尚有待进一步研究。

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