基于混合模型分析烟叶含梗率的遗传特性

阙远慧， 喻奇伟， 熊 晶， 梁 婷， 贾傛吏，舒彦淇， 莫泽君， 段丽丽， 刘仁祥

(1.贵州大学烟草学院/贵州省烟草品质研究重点实验室， 贵阳 550025；2.贵州省烟草公司毕节市公司， 贵州 毕节 551700)

烟叶含梗率是指烟梗占烟叶重量的百分率[1-2]。烟梗在烟叶中主要起支撑和物质运输作用，烟梗主要成分是纤维素、木质素等，加工成卷烟燃烧后产生大量灼热粗糙的烟气和刺呛的气味，严重影响卷烟感官质量[3-4]。同时，烟梗的组织结构致密，在卷烟加工中难以利用，往往作为废弃物燃烧或丢弃，对环境造成污染，也严重影响卷烟的加工质量、成本和效益[5-6]，因此，降低烟叶含梗率成为烟叶生产中的研究热点[7-12]。烟叶含梗率受多种因素的影响，尹启生等[13]研究表明，我国中部烟叶含梗率呈现南高北低现象；钱进等[14]研究表明，烟叶含梗率随海拔高度的增加而增加；金哲等[15]研究表明，常规耕作起垄+垄下深松+聚丙烯酰胺处理的烟叶含梗率低；高旭等[16]研究结果显，含梗率随铵态氮比例增加而增大；任婷婷等[17]研究认为，施用复合肥的烟叶含梗率高于配施有机肥的处理。作物性状的表现是基因和环境共同作用的结果，本课题组前期研究发现，烟叶含梗率有很高的遗传率，并表现出明显的杂种优势[18]，然而有关烟叶含梗率遗传规律未见报道。为此，本研究选用低含梗率品种NC 82和高含梗率品种韭菜坪2号为亲本，构建P1、P2、F1、F2、BC1和BC2六个世代遗传分析群体，采用植物数量性状“主基因+多基因”混合遗传模型对烟叶含梗率性状进行遗传分析，以期确定烟叶含梗率的遗传模型，揭其遗传机制，为采用分子标记辅助选择来选育低含梗率品种提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以低含梗率烤烟品种NC 82为母本，高含梗率烤烟品种韭菜坪2号为父本，于2019—2020年在贵州大学烟草科研基地构建了正反交F1、F2、BC1(F1×NC 82)和BC2(F1×韭菜坪2号)。材料由贵州大学烟草品质重点研究实验室提供。

1.2 田间试验设计

田间种植NC 82、韭菜坪2号、正反交F1、F2、BC1和BC2等遗传研究材料。NC 82、韭菜坪2号、正反交F1的田间试验采用随机区组试验设计，3次重复，4行区，每行15株；F2、BC1和BC2采用不设重复的小区种植，F2种植1 640株，BC1和BC2各种90株。试验地四周设置保护行，每行首株和末株不参与数据测定，施肥及田间管理均按当地优质烤烟栽培技术实施。

1.3 含梗率的测定

中部烟叶成熟时，P1、P2和正反交F1按小区分别选择代表性烟株5株，取中部9～11叶； F2、BC1和BC2按单株取样，取中部9～11叶。所有叶片采用105 ℃杀青30 min、75 ℃烘干后，按照屈剑波等[2]的方法测定烟叶含梗率。

1.4 数据分析

利用Microsoft Excel 2010软件整理含梗率数据；利用DPS 5.0软件分别对亲本和正反交杂种F1的平均含梗率进行差异显著性分析以判断含梗率的遗传类型；利用Origin 2017软件绘制杂种F2含梗率分离群体频次分布图，并检验正态分布情况和描述性统计分析；用R语言运行植物数量性状主基因+多基因遗传分析SEA软件，选用SEA遗传分析软件的六个世代G6F2(P1、P2、F1、F2、BC1、BC2)联合分析模型，对烟叶含梗率进行遗传模型选择、检验及遗传效应分析。

2 结果与分析

2.1 含梗率遗传类型分析

由表1可知，两亲本P1和P2烟株含梗率分别为17.97%和 23.97%，差异极显著，差异幅度达到33.39%，说明选用NC 82、韭菜坪2号作为烟叶含梗率遗传分析的亲本较为适宜。正反交F1的烟叶含梗率相差0.72个百分点，差异不显著，说明烟叶含梗率是受细胞核基因控制的性状。

表1 亲本、F1含梗率平均值统计Table 1 Statistics of average stem ratio of parents and F1

2.2 F2分离群体的含梗率分离规律分析

对F2单株烟叶含梗率进行分组检验，结果(图1)显，F2分离群体的含梗率分离次数分布呈连续型分布，变幅为7%～ 41%，平均数为19.86%。其中，低于低亲含梗率的烟株共 692株，占总群体 42.19%；高于高亲含梗率的烟株共377 株，占总群体 22.99%，说明F2分离群体的含梗率离散性较大，具有非常丰富的遗传变异。

对F2分离群体的烟叶含梗率进行数据特征分析，含梗率的平均值(19.86%)>中位数(19.95%)>众数(13.21%)，峰度值(0.07)>0，偏度值(0.55)>0。结合F2分离群体的次数分布正态检验结果(图1)可看出，F2分离呈单峰曲线，表明F2代分离群体的烟叶含梗率呈右偏正态连续性分布，推测烟叶含梗率是数量性状，可能是由主基因和多基因控制，宜采用主基因和多基因混合遗传模型做进一步分析。

图1 F2分离群体含梗率的次数分布Fig.1 Frequency distribution of stem ratio in F2 segregation population

2.3 烟叶含梗率主基因和多基因混合遗传分析

2.3.1遗传模型的选择

采用植物数量性状主基因+多基因混合遗传模型分析方法对烟草六个世代的含梗率进行分析，获得 5 类24 种遗传模型及其MLV和AIC值(见表2)，其中A表1 对主基因、B表2 对主基因、C表多基因、D表1 对主基因+多基因、E表 2 对主基因+多基因。根据遗传模型AIC最小准则，从中选择出 5个AIC值最小的模型作为备选模型，分别为 E-0、E-1、B-1、B-2和D-4，其AIC值分别为11 366.68、11 405.74、11 407.25、11 435.27和11 436.33。

表2 烟叶含梗率遗传模型及其MLV值和AIC值Table 2 Genetic model of stem ratio and its MLV and AIC values

2.3.2最优遗传模型的筛选

对烟叶含梗率的5个备选模型进行均匀性和适合性检验，分别获得U12、U22、U32、nW2、Dn等统计量及其P值(表3)，以统计量达到显著水平的个数最少且AIC值最小的原则作为最优模型的选择标准。备选模型达到显著差异的个数分别为： E-0有4个达到显著差异，E-1 有5个达到显著差异，B-1有 9 个达到显著差异，B-2有 11个达到显著差异，D-4模型有6个达到显著水平；且E-0的AIC值最小。因此，烟叶含梗率性状的最优模型为E-0 (MX 2-ADI-ADI)，即烟叶含梗率的遗传符合2对加性-显性主基因+加性-显性多基因相等的遗传模型。

表3 E-0、E-1、B-1、B-2、D-4适合性检验Table 3 E-0、E-1、B-1、B-2、D-4 suitability test

2.3.3烟叶含梗率最优遗传模型的成分分布及其权重分析

根据最优模型，BC1群体的含梗率存在4个成分分布，分布比例为1∶1∶1∶1，BC2群体的含梗率也存在4个成分分布，分布比例为1∶1∶1∶1，F2群体的含梗率存在9个成分分布，分布比例为1∶2∶1∶2∶4∶2∶1∶2∶1(表 4)，观察值与理论值基本相符，进一步说明烟叶含梗率的遗传符合受 2 对主效基因的控制。

表4 烟叶含梗率最优模型的成分分布及其权重Table 4 Component distribution and weight of optimal model for tobacco stem ratio

2.3.4烟叶含梗率的遗传参数估计

根据最优遗传模型估算烟叶含梗率的一阶遗传参数和二阶遗传参数(表5)，在烟叶含梗率性状的遗传参数中，2对主基因遗传率为56.847 7%，2对主基因的加性效应值da=db=4.017 7>0，表明2对主基因加性作用相等，均为正向遗传效应，2对主效基因累加选择可提高烟叶含梗率。2对主基因显性效应与加性效应的比值为0显性效应。杂交育种是改良烟叶含梗率的最佳育种方法，杂种优势利用也可用于烟叶含梗率的遗传改良。2对主基因显性效应ha=0.08>0和hb=0.092 8>0，表明高含梗率对低含梗率呈部分显性。F2、BC1和BC2群体中控制含梗率主基因遗传率和多基因的遗传率分别为56.847 7%和0、52.687 9%和0、4.347 5%和58.866 1%，表明在BC1和F2群体中含梗率以主基因遗传为主，在BC2群体中控制含梗率以多基因为主，低含梗率品种NC 82的主基因遗传增效较大。

表5 最优遗传模型参数估计Table 5 Optimal genetic model parameter estimation

3 讨 论

海拔、气候、土壤、肥料等环境因素和品种对烟叶含梗率均有影响，预着烟叶含梗率可能是由基因和环境共同调控的数量性状。性状类型不同和群体不同，遗传特点的研究方法也不尽相同[22]。质量性状的遗传特点研究较为简单，根据群体的分离比例统计即可判断性状的基因型，而数量性状往往由多对主基因控制，既有遗传效应较大的主基因控制，也存在效应较小的多基因控制，同时也有二者共同控制的性状[23]。数量性状的遗传研究较为复杂，需统计群体分离比例、正态性检验及主基因+多基因混合遗传模型分析来进行遗传模型选择和参数估计[24-25]。植物数量性状主基因+多基因遗传模型代表了数量性状遗传的一般模式，其可以检测主基因的存在，得到性状的遗传组成、各基因的遗传参数，为开发分子标记和进行分子设计育种提供理论依据。本研究结果表明，烟叶含梗率是受2对加性-显性主基因+加性-显性多基因控制(MX 2-ADI-ADI)的数量性状。

性状遗传特点是确定遗传改良方法和选择技术的依据[26]。烟叶中烟梗含量一般占30%，烟叶含梗率降低1个百分点，将为卷烟企业节省超过10亿元的原料采购成本[27-29]。本研究对烟叶含梗率最优模型的遗传参数估计的结果表明，控制烟叶含梗率性状的2对主基因遗传率为56.847 7%，2 对主基因均以加性效应为主，也表现出部分显性效应，杂交育种是改良烟叶含梗率的最佳育种方法，杂种优势利用也可用于烟叶含梗率的遗传改良[18]；2对主基因的加性效应相等，均为正向遗传效应，高含梗率对低含梗率呈部分显性，对2对主效基因进行负向或隐性选择可降低含梗率。在降低烟叶含梗率的回交改良中，选择低含梗率品种作为轮回亲本，其主基因遗传增效较大，改良的效果好。

4 结 论

烟叶含梗率是受细胞核基因控制的数量性状，符合2对加性-显性主基因+加性-显性多基因的遗传模型(MX 2-ADI-ADI)，2 对主基因的遗传率为56.847 7%，均以加性效应为主且加性作用相等，也表现出部分显性效应，高含梗率对低含梗率呈部分显性。本研究结果表明，杂交育种是改良烟叶含梗率的最佳育种方法，杂种优势利用也可用于烟叶含梗率的遗传改良，通过对2对主基因进行负向或隐性选择可降低烟叶含梗率。同时，本研究结果为烟叶含梗率的分子标记筛选提供了理论依据，为分子标记辅助选择与回交技术相结合对烟叶含梗率进行定向改良提供了材料保障和技术支撑。