芥菜型油菜千粒质量QTL上位性互作和环境互作分析

王安琪，姚艳梅

（青海大学 农林科学院∕青藏高原种质资源研究与利用实验室，青海省春油菜工程技术研究中心∕春油菜遗传改良重点实验室∕农业农村部春油菜科学观测实验站，青海 西宁 810016）

【研究意义】油菜在全球的种植面积较大，也是国内植物食用油的主要来源，占国内植物油四成以上[1]。芥菜型油菜的籽粒相对于甘蓝型油菜偏小，对产量影响较大[2-4]。但芥菜型油菜与另外两种油菜相比，具有抗干旱、耐高温、耐土壤贫瘠、抗裂荚、含油量较高、多果枝、耐病虫害及抗倒伏等诸多优点，这是甘蓝型、白菜型油菜不可替代的[5]。目前国内的食用油缺口较大，且缺口趋势不断扩大，所以提高油菜产量就显得尤为重要。千粒质量是构成油菜产量的重要因素之一，且目前单株角果数和每角粒数的研究已经达到瓶颈，芥菜型油菜千粒质量遗传表达模式研究较少，所以千粒质量性状的研究可以作为提高芥菜型油菜产量的突破口[6]。籽粒的大小决定了籽粒质量，播种时，籽粒会为其在进行光合作用之前提供营养，如果种子千粒质量太小，在干旱或其他逆境条件下会导致种子不能顺利发芽，从而严重影响种子的发芽率和出苗率[7]。千粒质量性状是由多个不同的基因共同控制、多种效应相互作用，形成的一个极其复杂的调控网络[8]，因而，研究清楚芥菜型油菜千粒质量的遗传效应是改良芥菜型油菜千粒质量性状的前提。【前人研究进展】Grant 等[9]利用6×6 进双列杂交的实验方法对油菜千粒质量相关性状进行配合力分析，实验结果为油菜千粒质量由加性效应基因和非加性效应基因共同调控。之后，研究证实千粒质量性状主要由加性效应基因调控[10]。李石开等[11]采用4×4 不完全双列杂交的实验方法，以芥菜型油菜8 个自交系为实验材料，对千粒质量基因效应进行分析，分析表明，千粒质量性状的遗传主要由加性基因调控，遗传力估值为47.89%。叶亚琼[12]以120 个株系的重组自交系群体为材料，对千粒质量性状QTL 进行分析，得出结论，加性效应对千粒质量表型变异的贡献率较高，为25.63%；加性与加性互作效应的贡献率较低，为15.01%。由此看出，千粒质量性状主要由加性效应基因控制。朱恒星等[13]利用190 个单株的甘蓝型油菜F2遗传作图群体，共得到千粒质量性状相关的QTL 3 个，分别在C01 和A09 染色体，其中A09 上有两个QTL，C01 上有一个QTL 均为控制粒重的主效QTL。赵卫国等[14]以348 份油菜双单倍体株系为群体，2009—2013 年连续5 年种植，得到千粒质量QTL 46 个，位于A07、C01 等10 条染色体上。李静[15]利用160 个甘蓝型油菜F2株系为作图群体，共检测出控制千粒质量的3 个QTL 位点分别位于N3、N6 及N19 连锁群。汪义龙[16]利用DH 群体为作图群体，2次重复取样，定位的主效QTL相同，千粒质量主效QTL 位于N9和N12上。

【本研究切入点】芥菜型油菜千粒质量性状研究较少，且芥菜型油菜具有耐旱、耐瘠薄土壤的特点，但是其籽粒较小。本研究揭示新的千粒质量QTL，探索千粒质量QTL的遗传效应，从而为改良芥菜型油菜品种的千粒质量及其产量提供理论支撑，进而为干旱地区油菜推广奠定基础。【拟解决的关键问题】本研究以千粒质量存在显著差异的芥菜型油菜品系X396 和X568 为亲本构建的重组自交系（RIL）群体为材料，在5 个环境条件下，对芥菜型油菜千粒质量性状进行QTL 效应及遗传互作分析，揭示芥菜型油菜千粒质量的遗传效应，获得千粒质量QTL 效应，而且通过分子标记辅助育种，可以选择加性效应强的材料作为亲本，进行聚合育种，进而改良芥菜型油菜千粒质量性状，进一步提高芥菜型油菜的产量，为芥菜型油菜育种工作奠定一定的基础。

1 材料与方法

1.1 材料

以大粒芥菜型油菜品系X568 为母本，小粒芥菜型油菜品系X396 为父本进行杂交，所构建的由221株系组成的重组自交系群体为材料。其中，大粒芥菜型油菜品系X568 及小粒芥菜型油菜品系X396 均已自交8代以上，且千粒质量性状可以稳定遗传。

图1 双亲籽粒大小Fig.1 Grain size of both parents

1.2 方法

1.2.1 田间种植 将大粒芥菜型油菜品系X568、小粒芥菜型油菜品系X396、F1及RIL 群体，分别在2019年互助（2019HZ）、2020年互助（2020HZ）、2019年孙家寨（2019SJZ）、2020年西宁（2020XN）和2021年西宁(2021XN)等5 个环境条件下种植。行距为30 cm，株距15 cm，每行间苗后保留12 株左右单株，周围种植3行保护行，消除边际效应[17]。

1.2.2 千粒质量称量方法 利用千粒板取1 000 粒种子，称其质量，3 次重复，取平均值。对所有环境的千粒质量进行测定，并对千粒质量表型数据进行遗传分析。

1.2.3 千粒质量性状表现及其QTL 分析 利用SPSS19.0软件对千粒质量性状表现进行差异显著性检验及相关性分析。利用QTLNetwork 2.0软件中的MCIM，结合前期通过对RIL群体进行简化基因组测序获得的基因型及5 个环境条件下的千粒质量表型数据进行QTL 效应及其与环境互作分析，选取临界阈值P=0.05，检测5个环境下的千粒质量性状QTL加性效应、加性×加性上位互作效应及环境互作效应[18-19]。

2 结果与分析

2.1 芥菜型油菜千粒质量性状的描述

利用SPPS19.0 软件对双亲、F1和RIL 群体在5 个环境下的千粒质量性状表现进行分析，结果表明千粒质量性状在2 个亲本间的表现均达到极显著差异；其F1千粒质量表现超过双亲的平均值，表明千粒质量性状的大粒重为部分显性（表1）。RIL 群体的偏度和峰度值均接近0，表明千粒质量性状值符合正态分布（表2）。另外，5 个环境的RIL 群体千粒质量性状的变异系数较大，且其极大值和极小值差异显著（表2），表明千粒质量性状在RIL 群体的不同材料间差异较大，因而可以对芥菜型油菜千粒质量性状进行QTL定位。

表1 双亲和F1在5个环境下的千粒质量性状表现Tab.1 Characteristics of biparental and F1 in thousand grains weight raits in five environments

表2 RIL群体千粒质量性状的描述统计分析Tab.2 Descriptive statistical analysis of the thousand grains weight trait in RIL population

表3 不同环境千粒质量性状间的相关系数Tab.3 Correlation coefficients between thousand grains weight traits in different environments

利用RIL 群体对芥菜型油菜千粒质量性状进行了遗传率分析，结果千粒质量的广义遗传率为54.82%，狭义遗传率为11.50%，表明芥菜型油菜的千粒质量性状受环境影响较大。另外，对千粒质量性状在5个不同环境的表现间进行相关分析，结果5个不同环境中的千粒质量性状表现两两环境间均达到极显著水平（表2），表明芥菜型油菜的千粒质量性状虽然受环境影响较大，但也具有不受环境影响且稳定的加性效应。

2.2 千粒质量QTL效应及其与环境互作分析

利用5个环境条件下的千粒质量表现型，结合前期通过简化基因组测序获得的RIL群体基因型对芥菜型油菜的千粒质量性状进行了QTL 效应及其与环境互作分析[20]，结果共获得4 个千粒质量QTLqTGW2-83、qTGW5-43、qTGW6-44和qTGW12-8，分别位于芥菜型油菜A02、A05、A06和B02染色体上（表4，图2）；其峰值分别为40.6、29.9、34.2和7.3，置信区间分别为39.8～41.1、29.2～32.3、32.0～34.3和6.3～8.9，加性效应分别0.077 9、0.032 9、-0.071 9 和0.148 1。其中qTGW6-44的加性效应小于0，即其增加千粒质量性状的基因来源于父本X396，qTGW2-83、qTGW5-43、qTGW12-8的加性效应均大于0，即它们增加千粒质量性状的基因来源于母本X568。其中qTGW12-8的加性效应0.148 1，远大于其他3 个QTL 的加性效应，表明qTGW12-8对千粒质量性状的贡献率最大，可对其进行精细定位，确定具体位置。

表4 千粒质量的QTL信息Tab.4 QTL information thousand grains weight

图2 千粒质量的QTL效应图Fig.2 QTL effect diagram of thousand grains weight

另外，4 个千粒质量QTLqTGW2-83、qTGW5-43、qTGW6-44和qTGW12-8的遗传率分别为0.020 4、0.003 6、0.017 4和0.073 7，其中qTGW2-83、qTGW6-44、qTGW12-8的遗传率分别远大于它们相应的环境互作效应遗传力0.000 0、0.000 0和0.000 5，表明环境对qTGW2-83、qTGW6-44、qTGW12-8的影响很小，然而，qTGW5-43的遗传率（0.003 6）小于其环境互作效应遗传（0.008 2），即qTGW5-43受环境影响较大（表5）。因而，在育种工作中，千粒质量QTLqTGW2-83、qTGW6-44、qTGW12-8可以作为育种家的目标QTL。

表5 QTL与环境互作效应及遗传力分析Tab.5 QTL×environmentinteraction and heritability analyse

2.3 芥菜型油菜千粒质量的上位互作效应

对芥菜型油菜千粒质量性状进行上位性分析，结果共检测出3对影响千粒质量的加性×加性上位性QTL，qTGW 3-103xqTGW 8-43，qTGW 8-65xqTGW11-46和qTGW 9-125xqTGW 10-8，上位效应分别为-0.079 4～0.116 4（图3，表6）。其中，qTGW 3-103xqTGW 8-43和qTGW 9-125xqTGW 10-8的上位性互作效应分别为0.116 4 和0.060 7，效应值均大于0，因而亲本型的上位性效应高于重组型，qTGW 8-65xqTGW11-46上位性互作效应为-0.079 4，效应值小于0，即重组型的上位性效应大于亲本型。其中3对上位性效应QTL中qTGW 3-103xqTGW 8-43的上位性效应值最大（0.1164），需要重点考虑。

表6 千粒质量加性×加性上位互作效应QTLTab.6 Epistatic effects QTL of additive × additive for Thousand grains weight

图3 QTL及加性效应QTL在染色体上的分布Fig.3 Location of QTL and additive effect QTL on chromosomes

另外，qTGW 3-103xqTGW 8-43和qTGW 8-65xqTGW11-46两对互作QTL 的q^2（aa）分别为0.045 5 和0.021 2，而q^2（aae）均为0，且qTGW 3-103xqTGW 8-43和qTGW 8-65xqTGW11-46的上位性互作QTL 与环境互作效应值均小于0.001，数值较小，表明这两对互作QTL受环境影响较小；qTGW 9-125xqTGW 10-8互作QTL 的q^2（aa）和q^2（aae）分别为0.012 3和0.015 0，相差不是很大，且qTGW 9-125xqTGW 10-8的上位性QTL 与环境互作效应值均大于0.001，即这对上位性互作QTL 受一定环境影响（表6，表7）。环境互作效应与QTL遗传力的分析结果一致。

表7 千粒质量的上位性QTL与环境互作效应及遗传力分析Tab.7 Interaction effects of thousand grains weight epistatic QTL and environment and heritability analysis

3 讨论

3.1 芥菜型油菜千粒质量性状的遗传率分析

本研究结果表明，芥菜型油菜千粒质量性状的广义遗传率为54.82%，狭义遗传率为11.50%，因而芥菜型油菜千粒质量受环境影响较大。这与前人研究结果基本一致。李施蒙等[21]采用完全双列杂交设计的方法对千粒质量遗传力进行估算，广义遗传力28.12%，狭义遗传力为10.84%。张国建等[22]采用4×35不完全双列杂交的方法，研究得出广义遗传力49.99%，狭义遗传力27.67%。罗玉秀等[23]以青海大黄与黄籽沙逊为材料，进行多代杂交，测其后代千粒质量，研究得出千粒质量的广义遗传力为34.83%，狭义遗传力为8.43%。李浩杰等[24]采用不完全双列杂交的方法，配制13×6杂交组合78个，对千粒质量遗传力进行估算，广义遗传力为41.08%，狭义遗传力为30.15%[24]。

3.2 环境对千粒质量性状的影响

本研究获得的4 个千粒质量QTLqTGW2-83、qTGW5-43、qTGW6-44和qTGW12-8的加性效应中，只有qTGW5-43与环境互作，即qTGW5-43受一定环境影响，而且千粒质量QTLqTGW5-43的加性效应较小，进一步证明芥菜型油菜的千粒质量性状虽然受环境影响较大，但也具有不受环境影响且稳定的加性效应QTL。本研究检测出的3 对千粒质量上位性QTLqTGW 3-103xqTGW 8-43，qTGW 8-65xqTGW11-46和qTGW 9-125xqTGW 10-8中，只有qTGW 9-125xqTGW 10-8 的上位性QTL 与环境互作效应值均大于0.001，即这对上位性QTL 与环境互作，而且qTGW 9-125xqTGW 10-8的上位性QTL 的上位效应值不大，因而芥菜型油菜千粒质量性状受环境影比较大，并不是因为千粒质量性状QTL位点与环境互作，而是因为千粒质量性状加性QTL 的贡献率比较低所致。这与本研究中芥菜型油菜千粒质量的广义遗传率为54.82%，狭义遗传率只有11.5%的结果是一致的。前人研究中，穆平等[25]利用116个株系的DH群体对水稻产量QTL进行定位，结果表明，仅有1个加性QTL和3对上位性QTL与环境互作，说明大多数产量QTL可以稳定遗传，绝大部分QTL 不与环境互作。曹立勇等[26]以中156和谷梅2号为亲本构成的重组自交系群体为材料，完全随机区组设计，对水稻产量性状进行分析，结果表明水稻千粒质量性状的加性效应和上位性效应都不与环境互作，与本研究基本一致。

3.3 环境对环境互作值的影响

本研究中，RIL 群体在5个环境的千粒质量表现为（1.86～4.29 g）（2019HZ）、（1.60～4.53 g）（2020HZ）、（1.51～3.73 g）（2019SJZ）、（1.56～4.78 g）（2020XN）、（1.76～6.30 g）（2021XN），因而RIL 群体的千粒质量性状在不同环境下表现并不完全一致，表明芥菜型油菜的千粒质量性状受一定环境影响，RIL 群体在5 个环境的千粒质量表现变化趋势与环境互作效应值在5个环境中的变化趋势是一致的，即千粒质量表现与环境互作效应值在5 个环境条件下（2019HZ-2020HZ-2019SJZ-2020XN-2021XN 等）均表现为先增加后减小再增加的趋势，即不同环境的环境互作效应值也不同。这与赵延明[27]提出的数量性状在不同环境中的表现不一致，虽然某数量性状在某一环境条件下会增加或降低，但在另一环境条件下可能会降低或提高的观点是一致的。

4 结论

本研究对芥菜型油菜千粒质量性状进行了遗传效应及上位性分析，结果表明，芥菜型油菜千粒质量性状的广义遗传力为54.82%，狭义遗传力为11.50%；共获得4 个千粒质量加性QTLqTGW2-83、qTGW5-43、qTGW6-44和qTGW12-8，其加性效应为-0.071 9～0.148 1，其中共检测出3 个不受环境影响的加性效应QTL，分别分布在A02、A06和B02等染色体上，其一直以来都是育种家的目标QTL，并且可以通过分子标记辅助育种等技术手段进行芥菜型油菜品种的改良；共获得3 对千粒质量上位性QTLqTGW 3-103xqTGW 8-43，qTGW 8-65xqTGW11-46和qTGW 9-125xqTGW 10-8，其上位效应为-0.079 4～0.116 4，其中3 对上位性QTL 中有2 对QTL 是基本不受环境影响。综合分析，千粒质量性状受环境影响比较大，但是千粒质量QTL 受环境影响较小。加性效应和上位性效应共同影响着芥菜型油菜千粒质量性状，在之后的育种工作中，既要考虑加性效应，又要注重上位性效应，才能使千粒质量性状稳定遗传。