6 个烟草重要产量相关性状的遗传分析

童治军，方敦煌，陈学军，曾建敏，焦芳婵，肖炳光

云南省烟草农业科学研究院 / 烟草行业烟草生物技术育种重点实验室 / 国家烟草基因工程研究中心，云南昆明 650021

烟草（Nicotiana tabacum L.）是以收获叶片器官为目的的特殊经济作物，在我国国民经济中占有重要的地位[1]。作为我国烟草行业的基础，培育具有较高产量且优质的烟草品种就成为育种研究的重要目标[1-2]。研究表明，烟草产量与其自身的株高、叶数、节距、茎围、叶长和叶宽等性状显著相关[3-8]，且上述性状属于受多基因控制和环境影响的数量性状，遗传较为复杂[9-10]。故此，对烟草产量相关性状的遗传规律进行深入研究，就成为烟草产量育种的前提和基础。

近年来，数量性状主基因+多基因遗传分离分析体系[11-14]在许多植物育种研究上得到了广泛的应用，并获得了能够指导作物育种实践的有意义遗传信息[15-22]。针对烟草产量相关性状（农艺性状）的遗传特性研究虽有报道，但主要集中在杂交第二代（F2）或回交一代（BC1）等暂时性分离群体[23-27]，而利用重组自交系（RIL）或加倍单倍体（DH）等永久性分离群体材料进行产量相关性状（农艺性状）的遗传研究却鲜有报道。此外，在多年多点多环境条件下对烟草产量相关性状的主基因+多基因遗传分析尚未见报道。鉴于此，本文以两个烤烟品种Y3 和K326 为亲本构建含有271 个重组自交系（RILs）为研究材料，采用主基因+多基因混合遗传模型方法研究2 年2 点4 个环境条件下4 个世代群体（P1、P2、F7和F8）材料中产量相关性状，以期揭示烟草产量相关性状的遗传机制、评估单个主基因的遗传效应及其遗传率，为烟草产量相关性状的遗传、QTL 定位及高产优质新品种选育奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以Y3 为母本（P1）与K326 为父本（P2）配制杂交组合，其中，Y3 由津巴布韦引进的烤烟种质资源，主要特性为农艺性状优良、丰产性好、品质优良；K326 是由美国引进的具有优良品质和较大种植面积的烤烟品种。2012 年在云南省烟草农业科学研究院试验基地的温室种植亲本，杂交得到F1（P1×P2）籽粒。同年，种植F1，从F2世代开始采用单粒传方法，于2018 年和2019 年分别构建了含有271 份F7和F8重组自交系（RILs）。

1.2 田间试验

RIL 群体分别于2018 年和2019 年种植于云南省玉溪市研和试验基地（E1：2018YH 和E3：2019YH）和云南省昆明市石林试验点（E2：2018SL和E4：2019SL），采用完全随机区组设计，设置3个重复，每个株系种植一个小区，每个小区20 株，株行距为0.55 m×1.2 m，并按当地优质烟生产技术措施进行栽培管理。农艺性状调查按照烟草行业标准YC/T 369-2-10 进行，其中包括株高（自然株高）、叶片数（自然叶片数）、节距、茎围、腰叶长和腰叶宽共计6 个产量相关性状。每个小区随机调查15 个单株，且每个性状均取入选的15 个单株平均值。

1.3 表型数据统计分析

利用Excel2019 软件，对271 份烟草RIL 群体及双亲材料在2 年2 点4 个环境条件下表型数据的平均值、标准差、偏度、峰度和相关系数等指标进行统计分析。

利用章元明等最新开发的主基因+多基因混合遗传分析R 软件包SEA（httPs://cran.r-Project.org/web/Packages/SEA/index.html） 分 析P1、P2和RIL 群 体（F7和F8）的数量性状表型值，获得7 类38 个遗传模型[13-14]的极大似然函数值（maximum likelihood method, MLV）和赤池信息准则（Akaike’s information criterion, AIC），选出AIC 值最小或接近最小的几个模型作为备选遗传模型；然后利用均匀性检验（U12、和）、Smirnov 检验（nW2）和Kolmogorov 检验（Dn）对备选遗传模型的各世代群体进行适合性检验，根据上述检验结果选择统计量达到显著性水平个数最少的模型为该性状的最优遗传模型；最后，通过SEA 软件包计算出最优遗传模型的遗传效应等一阶遗传参数、遗传方差和遗传率等二阶遗传参数，其中、和分别是群体表型方差、主基因和多基因遗传方差；和分别是主基因和多基因遗传率。

2 结果与分析

2.1 产量相关性状的表型数据分析

由表1 可知：在4 个环境条件下，6 个烟草产量相关性状的表型值在双亲（Y3 和K326）间均呈现出极显著差异，其中，株高分别是244.59 cm 和149.03 cm、叶数分别是36.82 片和26.22 片、茎围分别是10.45 cm 和7.16 cm、节距分别为8.20 cm 和4.86 cm、腰叶长分别为74.78 cm 和58.40 cm、腰叶宽分别是37.75 cm 和28.07 cm。烟草RIL 群体的平均值依次是株高178.06 cm，介于双亲之间，高于低值亲本K326；叶数27.99 片，介于双亲中间，略高于低值亲本K326；茎围8.84 cm，介于双亲之间，高于低值亲本K326；节距4.66 cm，基本与低值亲本K326相当；腰叶长62.67 cm，介于双亲之间，高于低值亲本K326；腰叶宽27.71 cm，介于双亲之间，略高于低值亲本K326。变异系数（CV%）揭示了烟草RIL群体的各性状之间存在较大分离（0.43%～728.92%），4 个环境条件下各性状平均变化极值范围：株高为109.85～270.62、 叶 数 为19.25～41.44、 茎 围 为5.55～11.89、节距为2.80～6.73、腰叶长为40.57～81.16和腰叶宽为15.49～41.77，表型变异幅度大，适合遗传分析。株高的变异系数最大，为728.92%，表明株高在RIL 群体中的形态变异上最丰富；节距的变异系数最小，为0.43%，茎围次之（1.30%），表明节距和茎围在RIL 群体中形态变异极小，即，该两个性状在RIL 群体中的表型一致性较高。此外，在4 个环境条件下，烟草RIL 群体产量相关性状的偏斜度系数在-0.718（E1，腰叶长）～1.033（E3，叶数）之间，峰度系数在-0.697（E4，茎围）～2.011（E1，茎围）之间；其中，除E3 环境下的叶数、E1 环境下的茎围和腰叶长3 个性状外，其余性状在4 个环境下的偏斜度和峰度绝对值均介于0～1 间，表明该RIL 群体的产量相关性状呈连续性的正态或近似正态分布，符合数量性状的遗传特性。

在4 个环境下，对烟草RIL 群体产量相关性状的相关性分析表明，6 个产量相关性状中大多数是相互关联的，且部分性状间存在极显著的相关性。由表2和表3 可知：株高分别与叶数、节距间均呈极显著的正相关，其中，株高与节距间的相关性系数最高，为0.862（E4），表明烟草植株的叶片数和节距随着其高度的增加而呈递增趋势。同样，腰叶长与腰叶宽之

间也呈正向的极显著相关性，表明该RIL 群体内各株系的叶片形态（叶长与叶宽的比）是高度整齐一致的。而叶数与节距间却呈现极显著的负相关，表明在株高一定的前提下，叶数随节距的增加而减少。此外，由上述性状间呈现出显著或极显著相关性可知，此6 个性状能够较好的解释烟草产量性状并可以作为判断烟草产量的间接指标。

表1 烟草重组自交系群体6 个产量相关性状的表型统计Tab. 1 Phenotype statistic values for the six yield-related traits in tobacco RIL populations

表2 产量相关性状间的皮尔森相关性Tab. 2 Pearson correlation co-efficient of the six yield-related traits

表3 产量相关性状间的皮尔森相关性Tab. 3 Pearson correlation co-efficient of the six yield-related traits

2.2 遗传模型的选择

对4 个环境下P1、P2、F7和F8世代的株高、叶数、茎围、节距、腰叶长和腰叶宽等6 个性状分别进行主基因+多基因混合遗传模型分析，获得7 类38个遗传模型的MLV 值和AIC 值。根据AIC 值最小原则进行模型初选，选取各性状在每一环境下AIC 值最小的三组遗传模型作为候选模型（表4）。通过比较AIC 值，株高性状在4 个环境下的3 个最小AIC值为E2 环境下的2397.810、2407.379 和2409.387，其对应的模型MX2-AI-AI、PG-AI 和4MG-AI 可以作为候选最适合模型。同理，叶数的3 个候选最适合模型为E2 环境下的MX2-AI-AI、MX2-CE-A 和2MGAE；节距的候选最适合模型为E3 环境下的MX2-AIAI、PG-AI 和MX2-IE-A；茎围的候选最适合模型为E2 环境下的3MG-AI、MX3-AI-A 和PG-AI；腰叶长的候选最适合模型为E2 环境下的MX2-IE-A、PG-AI和MX2-AI-AI；腰叶宽的最适合模型为E3 环境下的MX2-IE-A、MX2-AE-A 和PG-AI。

2.3 候选模型的适合性检测

表4 烟草重组自交系（RILs）群体各遗传模型最低或接近最低AIC 值和极大似然函数MLV 值Tab. 4 Akaike information criterion (AIC) and the Maximum likelihood values (MLV) of the genetic models for tobacco RIL populations

2.4 最优模型的遗传参数估计

由4 个环境下最终入选的6 个烟草重要产量相关性状最优遗传模型估算的一阶遗传参数和二阶遗传参数（表6）可知，控制株高的第1 对主基因加性效应值（da）为11.67、第2 对主基因加性效应值（db）为9.597、第1 对主基因加性 × 第2 对主基因加性上位性互作效应值（iab）是16.888，2 对主基因的加性效应（da 和db）及上位性互作效应（iab）均为正值表明起增效作用；加性效应值（da+db）大于上位性互作效应值（iab），但二者相差不大，表明主基因中加性效应与加性 × 加性上位性互作效应均占重要地位，但以加性效应为主。从二阶遗传参数结果可知，主基因遗传率为94.304%，多基因遗传率为3.965%，主基因遗传率远大于多基因遗传率，表明株高性状主要受2 对主基因控制；而主基因+多基因共同决定了株高表型变异的98.269%，环境因素仅占表型变异的1.731%，说明株高性状主要受遗传因素控制，环境因素对株高性状的影响可以忽略不计。

控制叶数性状的2 对主基因加性效应值及2 对主基因间的加性上位性互作效应值三者相同，均为

1.855，表明主基因中的加性效应与加性上位性互作效应均起增效作用，且加性效应占主导地位。主基因遗传率与多基因遗传率分别为95.632%和0，表明叶数性状主要受主基因作用。此外，遗传因素（主基因+多基因）决定了95.632%的表型变异，剩余4.368%是由环境因素决定的。

表5 烟草重组自交系群体最佳候选模型适合性检验Tab.5 Fitness tests of selected optimal genetic models in tobacco RIL population

表6 烟草重组自交系群体6 个产量相关性状的最佳模型的一阶和二阶遗传参数Tab. 6 Estimates of 1st and 2nd order genetic parameter of six yield-related traits for tobacco RIL population

控制节距性状的2 对主基因加性效应值及2 对主基因间的加性上位性互作效应值分别为0.222、0.219和0.218，三者均为正值且效应值相近，表明上述效应均起增效作用，且以加性效应为主导。主基因遗传率与多基因遗传率分别为91.532%和5.489%，且主基因遗传率远大于多基因遗传率，表明节距性状主要受遗传因素中的主基因控制，受环境因素影响的表型变异仅占约2.979%。

控制茎围性状的3 对主基因加性效应分别为0.902、0.249 和0.416，主基因的加性效应值均为正值，且第一对主基因的加性效应值最大，第三对次之，说明主基因的加性效应中以第1 对主基因为主；第1对主基因加性×第2 对主基因加性上位性互作效应值（iab）、第1 对主基因加性×第3 对主基因加性上位性互作效应值（iac）、第2 对主基因加性 × 第3 对主基因加性上位性互作效应值（ibc）及第1 对主基因加性×第2 对主基因加性上位性互作效应值×第3 对主基因加性上位性互作效应值（iabc）分别为0.267、0.164、0.262 和-0.255，其中，两两主基因间的加性上位性互作效应值为正，表现正向的遗传效应，而三者间的加性上位性互作效应则为负值，表现为负向的遗传效应。总体上，控制茎围性状的3 对主基因加性效应作用明显，而互作效应累加起来时主基因表现较弱，故此仍以加性效应为主。主基因遗传率为72.051%，而决定该性状表型变异的环境因素约占27.949%，即，除遗传因素外，环境条件对茎围性状的影响较大。

控制腰叶长的2 对主基因加性上位性互作效应值为2.272，多基因加性效应值（[d]）为1.906，均表现为正向遗传效应。主基因遗传率为88.383%，多基因遗传率为7.348%，表明该RIL 群体中控制腰叶长性状以主基因为主导，多基因具有较明显的累加正效应。

控制腰叶宽的2 对主基因加性上位性互作效应值为1.896，多基因加性效应值为2.202，均表现为正向遗传效应。主基因遗传率和多基因遗传率分别为90.166%和8.807%，表明控制腰叶宽性状的2 对主基因+多基因具有明显的互补作用，且以多基因的加性效应为主，表现为加性效应的多基因混合模型。

3 讨论

研究表明，烟草产量[3-10、23-27]、品质[28-32]及部分抗病[33-37]重要性状属于易受环境影响的复杂数量性状，故此，针对此类性状进行研究时，应采用株系间表型变异较大而株系内表型变异较小或性状整齐一致且能尽量降低环境影响的永久性群体（如DH 群体和RIL 群体等）。本研究用于构建烟草重组自交系群体的两个亲本各性状间具有极显著的差异，且互补性较强，利于RIL 的构建及理想表型株系的筛选。此外，本研究所涉及的6 个烟草重要产量相关性状在RIL 群体中变异幅度较大，且呈连续性的正态或近似正态分布，符合受多基因控制数量性状的典型特征。在烟草株高性状的遗传分析研究中，王日新等[23]基于双亲、F1及F2世代构成的分离群体并利用植物数量性状主基因+多基因混合遗传模型分析法，获得烟草株高性状的遗传符合2 对加性-显性-上位性主基因+加性-显性-上位性多基因混合遗传模型（MX2-ADI-ADI），即，烟草株高性状受2 对主基因+多基因混合遗传模型控制，主基因遗传率高达88.55%，且存在较明显的主基因加性效应和显性效应。此与张兴伟等[26]基于6 个单世代（P1、P2、F1、F2、BC1P1和BC1P2）对烟草株高性状的遗传分析结果完全相吻合。与之相似，李海洋等[27]基于烟草重组自交系群体（RILs；F6）对株高性状的遗传分析结果表明，该性状也受2 对主基因+多基因控制，主基因也是起主导作用（60.61%）但作用方式为抑制作用。本研究中，株高也同样是受2 对主基因+多基因混合模型（MX2-AI-AI）控制，其中主基因起主导作用（遗传率为94.304%），同时受到主基因正向的加性效应和加性×加性上位性效应的共同影响，该结果与上述已报道的结果基本一致[23-27]。针对叶数性状，张兴伟等[25]的研究揭示，叶数遗传受2 对主基因+多基因混合遗传模型控制，主基因起重要作用同时受加性效应和显性×显性上位性效应影响，该结果与本研究获得的结果相似。针对节距、叶长、叶宽和茎围4 个性状，张兴伟等[25]的研究结果表明，前3 个性状均受加性-显性-上位性多基因（PG-ADI）控制，其多基因遗传率分别为75.08%、60.75%和62.14%；茎围性状则受1 对完全显性主基因+加性-显性多基因（MX1-ED-AD）控制，其遗传以多基因为主。上述结果与本研究的结果恰好相反，即，在本研究中，节距、腰叶长、腰叶宽均符合2 对主基因+多基因混合遗传模型控制，且主基因起主导作用；茎围性状受3 对加性-上位性主基因控制（3MG-AI）。导致上述研究结果不同的因素可能为：1）本研究使用的群体材料是高世代重组自交系（RILs；F7和F8），这与F2、BC1F1等暂时性分离世代群体不同，没有显性及其相互作用的效应，只有一些可以固定的效应值，如加性效应及加性 × 加性上位性效应值。2）与F2、BC1F1等暂时性分离世代材料相比较，RIL 可以作为永久性群体使用，并可设置多年多点试验，尤其是针对那些易受环境条件影响或微效多基因起作用的复杂数量性状，因此，可能比暂时性分离世代更能减少环境影响，进而获得较准确的参数估值。

栽培烟草的各个植物学（农艺）性状均对其产量产生直接或间接的影响，这不仅是因为环境效应的影响，更重要的是构成烟草产量各性状的综合表现既存在复杂的相关性又受遗传控制。因此，在针对烟草复杂数量性状进行育种改良时，需明确性状之间的相关性，正确处理不同性状间的相关关系，以实现提高相关性状对目标性状的选择效率[5-6]。White 等[3]和Lalitha 等[4]的研究结果表明，烟草产量与叶片数、株高、叶宽有较高的正相关；牛佩兰等[5]、肖炳光等[6]及巫升鑫等[7]的研究结果也证实了烟草产量与株高、茎围、叶片数和最大叶叶长相关；朱惠琴等[8]利用永久性分离群体（DH 群体）对烤烟6 个农艺性状的研究表明，株高与节距、叶数间呈显著正相关，叶长与叶宽间也呈显著正相关；同样，李海洋等[27]利用较高世代的烟草RIL 群体对株高、叶片数、最大叶叶长、最大叶叶重和最大叶叶宽等性状间的相关性分析表明，各性状之间均呈现出显著正相关；童治军等[9-10]的研究也进一步证实了烟草产量分别与株高、叶数、节距、茎围、叶长和叶宽等农艺性状呈显著的相关性。因此，在烟草育种中，可以充分运用性状间的相关性，实现对目标性状的间接选择。本研究结果表明：烟草RIL 群体的6 个重要产量相关性状之间呈现出显著或极显著的相关性，尤其是株高与叶数、节距之间，腰叶长与腰叶宽之间在4 个环境下均呈现极显著的正相关；而叶数与节距间则在4 个环境下均呈现极显著的负相关，该结果与上述研究观点相似。所不同之处为本研究是在多环境下进行的，得出的结果更具有代表性和可靠性。此外，本研究中的节距和茎围两性状是株高的重要组成部分，可作为间接指标来选育优良株型烟草，再结合叶数、叶长及叶宽则可获得既具有高产潜力又具有优良株型的烟草新品种，这对获得以高产为目标的烟草株型育种具有重要意义。

4 结论

本研究采用主基因+多基因分析方法，在2 年2点4 个环境条件下获得适合6 个烟草重要产量相关性状的最优遗传模型。株高、叶数和节距均符合MX2-AI-AI 模型，由2 对加性-上位性主基因+加性-上位性多基因混合遗传模型控制；腰叶长和腰叶宽均符合MX2-IE-A 模型，由2 对抑制作用主基因+加性多基因混合遗传模型控制；茎围则符合3MG-AI 模型，由3 对加性-上位性主基因控制。株高、叶数、节距、茎围、腰叶长和腰叶宽等6 个性状可以作为判断烟草产量及株型的间接指标，这些性状在多个环境下的遗传均由主基因控制，其主基因遗传率分别为94.304%、95.632%、91.532%、72.051%、88.383%和90.166%。这些高遗传率主基因的存在将在优良高产烟草品系培育过程中，进一步为筛选与目标性状紧密连锁标记、QTL 定位及分子标记辅助选择提供理论依据。