茶树杂交F1主要品质成分杂种优势与混合遗传分析

雷 雨 段继华 黄飞毅 康彦凯 罗 意 陈莹玉 丁 玎 李赛君

（湖南省农业科学院茶叶研究所 / 国家中小叶茶树种质资源圃（长沙） / 国家茶树改良中心湖南分中心/农业农村部茶树及茶叶加工科学观测实验站 / 湖南省茶树种质资源圃/湖南省茶树品种与种苗工程技术研究中心，湖南 长沙 410125）

茶是世界三大天然饮料之一，因其内含的功能性物质具有明显的药理保健作用，而日益受到消费者喜爱。水浸出物、茶多酚、氨基酸和咖啡碱是茶叶中的主要生化成分，也是决定茶叶品质和保健功效的物质基础［1］。

茶叶品质的形成与茶树品种密切相关。近年来，随着分子生物学技术迅猛发展，茶树育种技术与方法得到了很大提升，但杂交育种仍是茶树品种选育和创制育种新材料的主要途径。茶树因异花授粉、高度杂合、结实率低且世代周期长等特点，导致其杂交群体获得难度大，经典遗传学的研究非常滞后，相关遗传理论研究进展缓慢［2-4］。目前，关于茶树主要经济性状的遗传规律已有一些报道， 如芽叶重量、长度、叶片大小、育芽力等表型性状的经典遗传研究多出现在2000 年以前［2］；进入新世纪后，随着分子生物技术的发展，也有不少学者开始利用多种分子标记技术对茶树的部分表型性状进行了遗传定位研究［5-6］。虽然前人已对茶树的一些性状遗传进行了分析，但有关茶树主要品质性状的遗传规律仍知之甚少。

主基因+多基因混合遗传分析方法是经典的数量性状研究方法之一［7-9］，该方法用于鉴别数量性状混合遗传模型并估计相关遗传参数，已广泛应用于油菜［10］、玉米［11］、水稻［12］等各类作物的农艺、品质、抗性等性状的遗传分析［10-12］，为现代植物育种提供了重要的参考。茶树主要品质成分具有典型的数量遗传特征，但由于其遗传材料较难获得且生殖周期长，因此应用该方法开展茶树相关数量性状的研究鲜有报道。

鉴于此，本研究以保靖黄金茶1 号为父本，福鼎大白茶、安徽1 号和碧香早分别为母本，构建3 个杂交F1群体。采用数量性状混合遗传分离分析方法，研究不同遗传背景下茶树主要品质性状的遗传模型和主基因遗传效应，并进行杂种优势分析，探究其遗传规律，旨在为进一步开展茶树性状分离规律研究、主要品质成分性状的数量性状基因座（quantitative trait locus，QTL）定位分析和分子标记辅助育种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以保靖黄金茶1号为父本，福鼎大白茶、安徽1号、碧香早分别为母本进行人工杂交，共收获F1茶苗123株，其中组合Ⅰ（福鼎大白茶×保靖黄金茶1号）41株，组合Ⅱ（安徽1 号×保靖黄金茶1号）35株，组合Ⅲ（碧香早×保靖黄金茶1号）47株，所有F1与亲本无性系茶苗种植于湖南省茶研所试验茶场，按常规管理，水肥、修剪等各项管理措施一致。

1.2 生化成分检测

连续3年采摘春茶第一轮新梢一芽二叶制蒸青样，并进行微波固样［13］。分别参照《GB/T 8305-2013茶 水浸出物测定》［14］、《GB/T 8313-2008茶叶中茶多酚和儿茶素类含量的检测方法》［15］、《GB/T 8314-2013茶 游离氨基酸总量的测定》［16］、《GB/T 8312-2013 茶 咖啡碱测定》［17］进行水浸出物、茶多酚、氨基酸和咖啡碱含量检测。

1.3 杂种优势分析

采用中亲优势和中亲优势率表示杂种优势［18-20］。中亲优势（Hm）为杂交F1群体某一表型性状的平均数（Fm）与中亲值（mid-parent value，MPV）之差，中亲优势率为中亲优势（Hm）与MPV之比，MPV为两个亲本某性状的平均值。采用IBM SPASS 21.0 和Excel 2013软件对数据进行描述性统计和频次分析。

1.4 混合遗传分析

根据“假F2代”策略，采用主基因+多基因混合遗传模型对3 个杂交F1群体的4 个主要品质性状进行分析，分别计算各遗传模型的极大似然函数值和最小赤池信息量准则（Akaike’s information criterion， AIC）值，然后选择AIC 较小的遗传模型作为备选模型，并进行均 匀 性 检 验（U1²、U2²、U3²），Smirnov 检 验（nW²）和Kolmogorov 检验（Dn）等适合性检验［21-23］。根据适合性检验的结果选择统计量达显著水平个数最少的模型为最适模型，达显著水平个数相同情况下以AIC 值最小的模型为最适模型，最后估算相关遗传参数［21-23］。分析软件采用R语言软件包SEA v2.0［24］。

2 结果与分析

2.1 主要品质成分含量的表型分布

由表1 可以看出，组合Ⅱ的水浸出物、茶多酚和咖啡碱含量均值最高，组合Ⅰ氨基酸含量均值最高。三个杂交群体水浸出物含量变异范围2.86%～3.87%，茶多酚含量变异范围为7.37%～8.14%，氨基酸含量变异范围为7.63%～9.88%，咖啡碱变异范围为6.24%～8.83%，除水浸出物遗传变异较小外，其余各成分遗传变异均较为广泛。

表1 3个杂交组合F1主要品质成分表型特征值Table 1 The phenotypic characteristics of main quality components in F1 population of three crosses

由表1的偏度和峰度以及图1的次数分布图可知，3 个杂交F1群体大部分子代性状处于双亲之间，且表现连续性分布，表明各杂交组合主要品质成分性状为多基因控制的数量性状，可进行混合遗传分析。

图1 杂交F1群体主要品质成分表型性状的次数分布Fig.1 Frequency distribution of main quality components phenotypic traits in F1 population

2.2 主要品质成分的杂种优势表现

经t 检验，3 个杂交组合的水浸出物、茶多酚、氨基酸和咖啡碱中亲优势均未达到显著水平（P＞0.05），中亲优势率为-14.82%～9.22%。3个杂交F1群体的水浸出物和茶多酚表现为正向中亲优势，氨基酸表现为负向中亲优势且具有一定程度的偏母性遗传，咖啡碱在组合Ⅰ中表现为正向中亲优势，而在组合Ⅱ和组合Ⅲ中表现为负向中亲优势（表2）。

表2 F1群体主要品质成分表型性状的杂种优势Table 2 Heterosis of main quality components phenotypic reaits in F1 population

3 个杂交F1群体的各主要品质性状均存在超出亲本性状的个体，说明杂交后代中普遍存在超亲分离现象。组合Ⅱ和组合Ⅲ的水浸出物和咖啡碱性状均值超出了亲本所在范围，其水浸出物均值高于亲本范围，而咖啡碱均值低于亲本范围，具有超亲优势；其余性状的均值介于双亲之间，未形成超亲优势。

2.3 主要品质成分遗传效应分析

根据“假F2代”策略，对茶树3个杂交F1群体的4个表型性状进行混合遗传模型分析，结果见表3。据表中各性状不同遗传模型下的AIC 值，选择其最小或相对较小的几个模型为备选模型，并分别进行适合性检验。以组合Ⅲ的茶多酚性状为例，11个模型中以2MGCD 模型的AIC 值最小（198.57），1MG-A 模型AIC 值（198.76）次之，故选择以上两个模型为备选模型。

表3 F1群体主要品质成分在不同遗传模型下的AIC值Table 3 AIC values of various genetic models of main quality components in F1 population

表4 入选模型的适合性检验Table 4 Test for goodness-of-fit of selected genetic modles

2.4 主要品质成分遗传参数估计

组合Ⅰ中水浸出物、茶多酚、氨基酸和咖啡碱为两对加性-显性主基因控制，2 对主基因加性效应均为正向效应，第1、第2对主效基因的加性效应分别为1.616和0.361、1.871和1.598、0.367和0.244、0.222和0.103，第1对主效基因的加性效应大于第2对。水浸出物、氨基酸和咖啡碱第1、第2 对主基因显性效应分别为0.141和-1.541、-0.302 和0.044、-0.326 和0.060，表现为部分负向显性；茶多酚2对主基因显性效应为1.287和-0.057，表现为部分正向显性，其加性效应均大于显性效应。水浸出物、茶多酚、氨基酸和咖啡碱主基因遗传率分别为96.183%、88.240%、2.629%、59.029%。

组合Ⅱ中水浸出物、茶多酚、氨基酸为等加性的两对主基因控制，即两对主基因的加性效应相等，且显性效应均为0，其加性效应分别为1.097、1.753、0.168，主基因遗传率为97.178%、1.083%、3.035%；咖啡碱两对主基因为正向加性效应，且以第1对主基因为主，主基因遗传率为90.338%。

组合Ⅲ中水浸出物、氨基酸和咖啡碱符合2对主基因-加性-显性模型，2 对主基因均表现为正向加性效应，水浸出物和氨基酸表现为负向显性效应，咖啡碱表现为正向显性效应，加性效应大于显性效应；茶多酚为等加性的2对主基因控制，加性效应为1.389，显性效应为0。水浸出物、茶多酚、氨基酸和咖啡碱主基因遗传率分别为97.805%、95.382%、99.246%和99.872%（表5）。

表5 不同表型性状在各最适模型下的遗传参数估计值Table 5 Estimated values of genetic parameters of different phenotypic traits at its optimal genetic model

3 讨论

表型性状是基因型与环境共同作用的结果，其多样性是育种工作的基础，了解和掌握杂交F1群体的表型性状的多样性和变异程度，对于茶树新品种培育具有重要意义［25-26］。本研究分析了以保靖黄金茶1 号为父本的3 个不同杂交F1群体主要生化成分表型性状的遗传变异情况。结果显示，各性状遗传变异系数范围为2.86%～9.88%，除水浸出物遗传变异较小外，其余各成分遗传变异较为广泛，说明水浸出物与氨基酸、茶多酚和咖啡碱相比，遗传改良潜力相对较小。范凯等［27］研究了黄山种自然杂交后代，47 个单株叶长、叶宽、一芽三叶长和一芽三叶百芽重4 个表型性状的遗传变异系数为12.5%～33.2%；张金霞等［28］报道了黄山种自然杂交后代204 个单株的儿茶素组分遗传变异系数范围为22.4%～57.7%，均高于本研究中3 个杂交群体主要品质性状的遗传变异系数。一方面说明自然杂交群体比人工杂交群体遗传变异丰富，因人工杂交群体是两个无性系品种间的杂交后代，而自然杂交群体是同一母本、不同父本的杂交后代，其遗传基因来源更广泛、遗传背景更复杂，性状遗传变异也相对较大；另一方面也提示茶树杂交育种组合选配时，特异群体种资源作杂交亲本，可使F1遗传基础更广泛，选种效果更佳。

杂种优势利用是作物杂交育种的有效手段之一，但相比水稻、油菜等作物，茶树杂种优势利用进展缓慢，相关遗传研究基础较为薄弱。因此，加强茶树目标性状的杂种优势及其形成机理研究对指导茶树育种非常重要。本研究中3 个杂交组合F1的水浸出物和茶多酚表现正向中亲优势，咖啡碱表现了不同正向和负向中亲优势，而氨基酸表现为负向中亲优势且存在偏母性遗传，这种差异可能是母本遗传背景不同导致的。杂种优势主要来源于双亲间的异质性，选择遗传差异大的亲本进行杂交才能产生较强的杂种优势［24］。因此，在选育高氨基酸茶树品种时，建议选择氨基酸含量差异更大的品种作为亲本，且高氨基酸亲本为母本。

主基因+多基因混合遗传模型是植物数量性状遗传研究中的重要内容，可为后续遗传改良奠定重要基础［29-31］。本研究首次利用主基因+多基因混合模型对茶树主要品质性状的遗传规律进行初步研究，结果表明4 个主要品质成分在3 个杂交F1群体中共符合3 种模型，但均符合两对主基因+多基因遗传控制。同一性状在不同群体中的主基因效应表现不同，这可能与不同遗传群体中杂交亲本遗传背景差异有关；同时3 个组合中母本为福鼎大白茶和碧香早的杂交F1群体主基因效应较为一致，但均与安徽1 号为母本的杂交F1群体差异明显，而碧香早是从福鼎大白茶×云南大叶茶的杂交后代中选育而来［32］，与福鼎大白茶遗传背景更相近，故推测其为这两个杂交F1群体主基因效应较为一致的原因。从主基因遗传率看，水浸出物和咖啡碱在三个杂交F1群体的主基因遗传率较高，均大于50%，属于高度遗传力，受环境影响相对较小；茶多酚和氨基酸在三个群体中主基因遗传率为1.083%～99.246%。尽管某些组合在某一性状的遗传模型一致，但其遗传效应值和遗传率各不相同，表明遗传背景差异及等位基因或非等位基因的不同遗传效应对茶树主要品质性状的影响。

本研究初步分析了茶树主要品质成分的遗传规律及主基因间互作效应，有助于进一步阐明其遗传模式，主基因的检测将为QTL 定位分析和分子标记辅助育种提供理论依据，从而加快茶树育种进程。但由于茶树基因高度杂合、童期长，杂交群体较难获得，导致本研究F1群体数量偏少。因此，在今后的工作中将进一步扩大这几个组合的群体数量，对以保靖黄金茶为父本的杂交后代开展更深入的研究，以便更准确、全面地了解茶树主要性状遗传规律。

4 结论

本研究明确了3 个不同茶树杂交组合中水浸出物、茶多酚、氨基酸和咖啡碱4个主要品质成分的杂种优势和遗传模型，发现水浸出物遗传改良潜力较小，水浸出物和茶多酚表现正向中亲优势，咖啡碱表现了不同的正向和负向中亲优势，而氨基酸表现为负向中亲优势且存在偏母性遗传；4个主要品质成分在3个组合中共有3 种模型，均检测到2 对主基因，且以加性效应为主，水浸出物和咖啡碱主基因遗传率较高。