一个花生EMS突变体的鉴定及其生长习性的遗传分析

任 艳石延茂杜 龙李双铃吴丽军尹 亮迟晓元曲明静罗怀勇姜慧芳*袁 美*

(1.山东省花生研究所/农业农村部花生生物学与遗传育种重点实验室,山东 青岛 266100;2.中国农业科学院油料作物研究所/农业农村部油料作物生物学与遗传育种重点实验室,湖北 武汉 430062)

花生是我国重要的油料作物和经济作物,花生总产占世界总产的40%,居世界第一位。在我国主要油料作物中,花生单位面积产油量最高,发展花生产业对保障我国食用油脂安全具有举足轻重的作用[1]。随着我国种植规模的不断扩大和劳动力人口的减少,生产上迫切需要适宜机械化的花生品种。这对花生株型改良提出了新的需求。

根据侧枝与主茎间的夹角大小,花生生长习性可分为直立型、半匍匐型(又称半直立型或半蔓生型或纵生型,)和匍匐型(又称蔓生型)3种[2-3]。从我国花生种植历史上看,花生品种的更换经历了从解放初期的蔓生型品种、半蔓生品种,到现在生产上主推的直立型品种。基于我国花生生产机械化程度较低、农户种植规模小的现状,李新国等认为适宜密植的直立型是花生的理想株型[4]。但是,直立型花生中上部果针离地较远,难以及时入土不能形成产量,限制了产量的提高;同时,用种量大,经济效益低,因此彭振英等提出花生半匍匐株型比直立型具有更大的高产潜力,其理想株型是半匍匐型[3,5]。鲁清等[6]研究了人工控制下不同株型的粤油13的单株产量,认为单株产量、最大果节数、侧枝长、单株总果数、单株饱果数随着处理直径的增大显著增加,侧枝角度通过影响总果数而间接影响单株产量,提出具有“U”型特征的花生新株型品种是未来花生株型育种的方向。

生长习性作为花生株型分类的主要影响因素,其遗传研究开始较早,但因研究者所用的材料不同或采用分类标准不同而存在偏差,其遗传基础仍然不很清楚。早期的研究认为花生生长习性是少数基因控制的质量性状,其中匍匐型对直立型为显性,受1～4对基因控制[7-9],但研究者对来自不同生长习性亲本间杂交组合的F2后代很难区分中间型或非正常型生长习性。

Ashri的研究认为,花生的生长习性受核-质互作的控制[10-11],随后的研究发现,更多的细胞核和细胞质基因可归于相同的组,并推测细胞质基因是影响花生生长习性的主要因子[12]。Kayam等[13]利用亲缘关系非常近的匍匐与半直立栽培品种间杂交的F2、F3群体为材料,研究证实匍匐对半匍匐受一对显性核基因控制,无细胞质效应,并将该基因定位于B05染色体～1.1M的区段。将生长习性数量化后,Li等[14]以来自匍匐型与直立型品种间杂交的重组自交系群体为材料,定位39个与生长习性相关的QTLs,其中6个与侧枝角度相关,12个共定位于B05染色体0.17M的区段;Fonceka等[15]将利用人工合成双二倍体与栽培花生品种多次回交获得的染色体代换系为材料,通过SSR标记技术定位了14个与生长习性相关的QTLs,其中a09,b05,a10和b10连锁群上的效应最显著。

山东省花生研究所开展了大量的花生EMS诱变育种研究,创制了大量育种中间材料,选育出花育40等品种[16-21]。本课题组前期从SunOleic 97R(匍匐型)的EMS诱变后代中筛选出了一个直立型的突变体材料,命名为A38。本研究将A38与SunOleic 97R杂交构建F2分离群体,开展了生长习性的遗传分析,以期为阐明花生直立型的遗传基础和株型的定向改良奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材 料

供试材料的野生型为SunOleic 97R,突变型为经EMS诱变而来的A38,以及来自A38×SunOleic 97R杂交组合的F1和F2群体。SunOleic 97R是由美国弗罗里达大学培育的匍匐兰娜型高油酸花生品种(油酸含量为81.8%),全生育期135～140d(美国弗罗里达州),感番茄斑萎病毒病(TSWV)[22]。

1.2 突变体及群体的获得

2009年7月用0.5%EMS注射花生品种SunOleic 97R的花器,按单株收获种子;2011年从种植的M2代中筛选到一个直立型突变体,命名为A38,2012-2015年种植观察,A38直立性状表现稳定。2017年以A38为母本、SunOleic 97R为父本搭配杂交组合获得F1种子,2018年种植于莱西试验站,去除假杂种后共获得5株真杂种F1,2019年种植F2分离群体。

1.3 表型考察

试验材料均种植于山东省花生研究所试验站,一垄单行(垄宽85 cm),单粒播种,株距20cm,其他按大田生产水平管理。按照花生DUS测定标准[2,23],花生生长习性分直立、半匍匐和匍匐3类,开花下针期进行考察。按照晚斑病抗性分级标准1～9级[23],收获前10d考察花生晚斑病抗性。

1.4 数据分析

柱形直方图绘制采用Excel 2007软件,卡方检验采用DPS17.5数据处理系统软件[24]。

图1 花生突变体A38与野生型SunOleic 97R及F1的植株表型Fig.1 Phenotype of peanut mutant A38, wild type SunOleic 97R and F1 progeny

2 结果与分析

2.1 花生突变体A38的表型鉴定

由图1A可知,突变体A38株型紧凑,侧枝斜向上,表现典型的直立株型,野生型SunOleic 97R为匍匐型,侧枝伸展方向与地面平行。从M2代开始,突变体A38表现稳定的直立株型。另外,与野生型SunOleic 97R相比,A38的叶色较绿,但分枝数和结果数减少。大田自然发病条件下,花生突变体A38对花生晚斑病的病级为2级,而野生型的病级为7级(图1B),说明A38表现高抗花生晚斑病。

图2 F2分离群体生长习性的次数分布Fig.2 Distribution of growth habit of F2 population

2.2 花生突变体A38生长习性的遗传分析

由图1C可知,与突变体A38相比,F1的分枝基部紧贴地面,顶端向上,更偏向于野生型,株型表现为半匍匐型,说明突变体A38的直立性状为隐性突变。在包含230个单株的F2群体中,直立型、半匍匐型和匍匐型的单株数分别为48、130、52(图2),卡方检验符合1∶2∶1的比率(X2=4.0522,p=0.1319),表明突变体A38的直立性状受单隐性核基因控制。

3 讨论与结论

EMS(甲基磺酸乙酯),属于一种烷化剂,因效率高、频率高和范围广被广泛用于农作物新种质创制和遗传改良[25-27]。EMS诱变处理花生可产生可遗传的突变性状主要涉及产量性状(荚果数量、荚果大小、单株产量)[16,18,21,28,32]、品质性状(含油量、油酸含量、蛋白质含量、糖含量)[17,20,29-30]、重要农艺性状(如株高、生育期、分枝数、种皮色)[30-31]和耐逆性[19,32],还未见生长习性发生明显突变且稳定遗传的报道。本研究中所鉴定到的突变体A38来自EMS诱变,与野生型相比,株型由匍匐型变为直立型,遗传分析表明,直立性状为隐性突变。而且,该突变体对花生晚斑病抗性增强,主茎增高,叶色变深,油酸含量降低(数据未列出)。因此,A38突变体的发现,为下一步花生生长习性及晚斑病抗性基因的克隆、基于基因编辑技术的株型育种和花生分子标记辅助的抗晚斑病品种培育提供了良好的种质资源。

花生的生长习性性状相对稳定,受环境影响较小,但其遗传规律因所研究的试验材料不同而异。在直立品种(花27/花38/新城早作母本)×匍匐型(金堂深窝作父本)的组合中,匍匐对直立为显性,受1对基因控制[7]。在匍匐型(Hanoch)×半匍匐型(Harari)的正反交组合中,匍匐型对半匍匐型为显性,受1对基因控制[13]。而在“铜山千万性×狮油15”、“鸳鸯种×徐系1号”、“鸳鸯种×徐州68-4”、“徐州蔓性乙×花28”这4个蔓生型×直立型的组合中,F2代分离出直立、蔓生、半蔓3种类型,以不完全显性的中间型“半蔓”占绝对优势[33]。

这与本研究直立突变体A38×匍匐型杂交组合中F2中出现分离类型一致。而控制A38直立型的突变位点是否与Kayam[13]或Li[14]报道的相同,还需要进一步的研究。