盧華雨， 李延玲， 羅 峰， 王惠茹

(天津農學院農學與資源環(huán)學院，天津 300384

高粱，在我國又被稱為“蜀黎”，屬于禾本科高粱族高粱屬，主要分布在亞洲、非洲、美洲等干旱和半干旱地區(qū)，在我國的北方地區(qū)也大量種植。在世界范圍內來看，高粱是僅次于小麥、水稻、玉米、大麥之后第五大糧食作物，也是世界上最重要的禾本科作物之一[1]。高粱具有抗鹽堿、耐高溫、耐寒、耐貧瘠、抗旱、抗?jié)车戎T多優(yōu)良性狀[2]。高粱作為C4植物，在高溫、強光、干旱、低二氧化碳的情況下仍然具有很高的光合效率[3]。高粱在人類發(fā)展的進程中也起到過重要的作物，也被稱為“救命谷”。我國是高粱的主產國之一，高粱為我國解決國民的溫飽問題作出了突出的貢獻。我國的高粱總產量僅次于美國位于世界第二。在我國，高粱在糧食作物栽培中，很早就已經實現了“三系配套”，充分利用了高粱的雜種優(yōu)勢以及高光合效率，使高粱的單產大幅度的提高。但是我們也要注意，隨著世界人口的急劇增加以及可耕種土地的不斷減少，糧食危機很有可能再次出現[4]。目前已知高粱的最高產量是21 t/hm2，但這也僅僅是理論產量的56%，所以高粱的增產潛力是非常大的[5]。目前對于高粱的高光效遺傳育種方面的研究比較少見，主要集中在改變高粱冠層密度對于光合的影響[6]、種植密度對于高粱群體光合能力以及產量的影響[7]和高粱的株型性狀對于光合能力的影響[8]，但對于高光效基因的遺傳育種研究較少。在其他主要作物上對于高光效育種研究比較深入，如在水稻方面有利用超級稻的生長優(yōu)勢的光合特征來提高水稻的光合性能[9]、水稻高光效育種[10]以及將高光效的基因導入水稻從而提高光合效率[11]等幾個方面；在小麥方面有利用高產品種篩選出高光效品種[12]、小麥不同生育期光合效率的變化[13]以及不同供水條件對于小麥光合速率的影響[14]等諸多方面；蔬菜方面對高光效育種也有涉及如油菜[15]、甘藍[16]等。經過對前人的研究發(fā)現，高粱的株型[17]以及種植密度[18]對光合速率的影響非常大，因此想要增加高粱的生物產量可以改良高粱的株型以選育高光效品種。本研究對高粱光合性狀進行數量遺傳分析，以期從高粱的光合性狀的方向入手，通過提高高粱的光合速率、增加高粱的光合產物以增加高粱的產量，并結合分子輔助育種的手段，對控制相關性狀的基因進行定位挖掘，加快高粱育種進程，縮小育種年限，培育出高產優(yōu)質的高粱品種。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗首先于2016年8月在天津市靜海縣良種場進行，選擇諸多高粱品種種植，每個品種隨機使用CRIAS-2便攜式光合儀測量光合速率，最終選擇光合能力較弱的品系引-20(美國普渡大學引進)與光合能力較強的品種忻粱52(國內材料)作為親本，配制雜交組合獲得F1。2017年5月在天津市靜?？h播種，得到F2代植株209株，作為本次試驗群體。

1.2 性狀調查

選擇光照充足的天氣，每天09：00—11：30使用CRIAS-2便攜式光合儀測量高粱上數第2張葉的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度(Gs)、細胞間CO2濃度(Ci)。

1.3 數據分析

通過光合儀獲得基本數據后，首先使用Excel作基本處理，再使用SPSS 19.2進行相關性分析。利用南京農業(yè)大學蓋鈞鎰教授提出的單個分離世代群體的遺傳模型方法[19]進行光合數據的數據分析，可以得到F2群體11個遺傳模型以及每1個模型的AIC值。通過對11個模型的比較和篩選，選出4個AIC值最小的模型，隨后進行適合性檢驗[20]。通過檢驗篩選選出最適合的模型，然后根據一階分布參數[21]，估計出一階遺傳參數，并根據此參數計算出二階參數，從而計算出主基因的遺傳率[22]。

2 結果與分析

2.1 性狀間相關性分析

高粱的高產以及物質積累受到多種性狀的影響。其中植株的光合能力在高粱產量以及物質積累形成階段起著非常重要的作用。植株葉片的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、細胞間的二氧化碳濃度直接影響著葉片的光合能力以及光合產物的積累，影響高粱植株最終的產量和干物質含量。因此，為了了解葉片光合各個性狀之間的關系，對4個性狀進行了相關性分析。由表1可以得到，凈光合速率與蒸騰速率、氣孔導度、細胞間隙CO2濃度之間都呈現極顯著正相關，其中，相關程程度最高的是氣孔導度與細胞間隙CO2濃度，相關系數為0.970，其次是蒸騰速率與細胞間CO2濃度，相關系數為0.966，相對來看，性狀之間相關程度最小的是凈光合速率與氣孔導度，相關系數為0.834。因此，在改良葉片光合能力的過程中，綜合考慮4個性狀之間的關系，經過相關性分析可以得出結論，蒸騰速率、氣孔導度以及細胞間隙CO2提高會明顯增加高粱的凈光合速率。

表1 F2群體光合性狀相關性分析

注：“**”表示在0.01水平上(兩側)極顯著相關。

2.2 光合相關性狀表型分析

忻粱52×引-20組合F2代群體光合性狀特征值、各個性狀的測定值(表2)以及各光合性狀頻次分布圖(圖1)表明，F2代凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、細胞間CO2濃度均表現出了明顯的單峰現象，符合數量遺傳的分布特征。

表2 忻粱52與引-20后代F2群體的光合性狀統(tǒng)計分析

2.3 光合性狀遺傳模型的選擇

利用主基因+多基因混合遺傳模型的F2單世代分析方法，對4個光合性狀進行遺傳分析(表3)。首先根據遺傳模型選擇的基本準則，即AIC值最小原則，每個性狀都要選擇AIC值最小的4個遺傳模型(表3中用*標注)作為遺傳分析備選模型。

2.4 光合性狀遺傳模型檢驗

利用U12、U22、U32(均勻性檢驗)、nW2(Smirnov檢驗)和Dn(Kolmogorov檢驗)對4個備選模型的F2世代進行適合性檢驗(表4)，在4個模型中選擇出統(tǒng)計量達到顯著水平最小的1組模型作為最適模型。在凈光合速率4個備選模型中，模型B-2均勻性檢驗U12、U22、U32均未達到顯著水平(P>0.05)，其他統(tǒng)計量達到顯著水平，并且模型B-2的AIC值最小。因此選擇模型B-2作為該群體凈光合速率最優(yōu)的遺傳模型，由此可以說明，凈光合速率的遺傳是受到2對主基因控制，并且主基因表現出加性-顯性的混合遺傳模型。

在蒸騰速率的4個備選模型中，模型B-2的U12、U22、U32(均勻性檢驗)、nW2(Smirnov檢驗)和Dn(Kolmogorov檢驗)均沒有達到顯著水平(P>0.05)，并且模型B-2的AIC值最小。因此選擇模型B-2作為該群體蒸騰速率最優(yōu)的遺傳模型，由此可以說明，蒸騰速率的遺傳是受到2對主基因控制，并且主基因表現出加性-顯性的混合遺傳模型。

表3 凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和細胞間隙CO2濃度遺傳模型的極大似然值和AIC值

在氣孔導度的4個備選模型中，模型B-1的U12、U22、U32(均勻性檢驗)、nW2(Smirnov檢驗)和Dn(Kolmogorov檢驗)均沒有達到顯著水平(P>0.05)，并且模型B-1的AIC值最小。因此選擇模型B-1作為該群體氣孔導度最優(yōu)的遺傳模型，由此可以說明，蒸騰速率的遺傳是受到2對主基因控制，并且主基因表現出加性-顯性-上位性的混合遺傳模型。

在細胞間CO2濃度的4個備選模型中，模型B-1的U12、U22、U32(均勻性檢驗沒有達到顯著水平，P>0.05)，nW2

表4 光合各性狀遺傳模型分析檢驗

注：U12、U22、U32、nW2、Dn為適合性檢驗參數，由主基因+多基因軟件計算得出。括號內數字為適合性檢驗標準值。

(Smirnov檢驗)和Dn(Kolmogorov檢驗)達到顯著水平(P<0.05)，并且模型B-1的并且模型B-1的AIC值最小。因此選擇模型B-1作為該群體氣孔導度最優(yōu)的遺傳模型，由此可以說明，細胞間CO2濃度的遺傳是受到2對主基因控制，并且主基因表現出加性-顯性-上位性的混合遺傳模型。

2.5 光合性狀的遺傳參數估計

根據之前確定了的遺傳最優(yōu)模型和IECM的估算方法，對F2群體的光合性狀進行遺傳參數估計(表5)。高粱的凈光合速率遺傳符合B-2遺傳模型，F2群體的遺傳分離符合加性-顯性的混合遺傳模型，2對主基因(AABB)的，加性效應都表現出正值，2對主基因的加性效應之和為11.75。2對主基因的顯性效應都為正值，2對主基因的顯性效應之和為1.748，凈光合速率的加性×加性的上位性為0.000 000 5。加性×顯性的上位性互作效應值為-4.653，顯性×顯性上位性互作效應值為-4.653。引-20與忻粱52雜交所得到的F2群體的凈光合速率的遺傳率為55.58%。說明控制高粱凈光合速率的相關基因狹義遺傳力較高，受環(huán)境影響較小，可以遺傳。高粱的蒸騰系數符合B-2遺傳模型，受到2對主基因控住，表現為加性-顯性混合遺傳模型，其中2對主基因的加性效應值皆為正值，加性效應值之和為3.307，2對主基因的顯性效應值值為負值，顯性效應值之和為-4.660。顯性效應值明顯的小于加性效應值，說明控制高粱蒸騰系數的2對主基因都以加性效應為主，根據計算蒸騰系數的主基因遺傳率為85.04%。說明控制高粱蒸騰系數的相關基因狹義遺傳力很高，受環(huán)境影響小，可以穩(wěn)定的遺傳。

高粱的氣孔導度符合B-1遺傳模型，受到2對主基因控制，符合加性-顯性-上位性的遺傳模型，其中2對主基因的加性效應值皆為正值，并且加性效應值之和為384.953，2對主基因的顯性效應值皆為負值，并且顯性效應值之和為 -279.625，加性×加性上位性為192.176，加性×顯性的上位性互作效應為-96.203，顯性×顯性的上位性互作效應值為27.039。加性效應明顯高于顯性效應，說明控制高粱氣孔導度的主基因以加性效應為主，經過計算得到高粱氣孔導度的遺傳率為79.94%。說明控制高粱氣孔導度的相關基因狹義遺傳力很高，受環(huán)境影響小，可以穩(wěn)定的遺傳。

表5 高粱光合性狀遺傳參數估計

注：m為群體均方；da為第1對主基因的加性效應值；db為第2對主基因的加性效應值；ha為第1對主基因的顯性效應值；hb為第2對主基因的顯性效應值；i為2個主基因的加×加效應；jab為加性(a)×顯性(b)效應；jba為加性(b)×顯性(a)效應；l為2個主基因的顯×顯效應；σ2pg為多基因方程；σ2mg為主基因的方差；h2mg為主基因遺傳率。

高粱的細胞間CO2濃度的遺傳模型符合B-1模型，受到2對主基因控住，符合加性-顯性-上位性的遺傳模型，其中2對主基因的加性效應值皆為正值，并且加性效應值之和為173.746，2對主基因的顯性效應值為1正1負，顯性效應值之和為-4.59，加性×加性上位性的值為28.566，加性×顯性的上位性互作效應為-76.880，顯性×顯性的上位性互作效應值為-15.684，經過計算，高粱細胞間CO2濃度的遺傳率為95.49%(表5)。說明控制高粱細胞間CO2濃度的相關基因狹義遺傳力很高，受環(huán)境影響小，可以穩(wěn)定的遺傳。

3 結論與討論

高粱的光合性狀是影響最終產量的重要因素，因此改良光合性狀對提高高粱的產量起著非常重要的作用。高光效育種在水稻上已經取得重大進展，張建福等找到控制C4植物光合過程中固定CO2的關鍵酶丙酮酸磷酸雙激酶(PPDK)，并將編碼玉米丙酮酸磷酸雙激酶(PPDK)基因的質粒通過基因槍和農桿菌介導轉化導入秈稻IR64中，在溫室條件下水稻的光合速率以及產量明顯高于對照組[23]。唐海濤等發(fā)現玉米雜交種單穗粒質量最為相關的穗部光合性狀是穗位莖節(jié)長，其次是葉面積、葉長、光合效率和比葉重等，得出對玉米雜交種穗部產量性狀綜合影響較大的穗位光合性狀有穗位莖節(jié)長、葉長、比葉重等的重要結論[24]。其他一些學者在小麥[25]、甘藍[16]等農作物上也取得了重大研究突破。

本研究以引-20與忻粱52雜交得到的F2群體為材料，對F2群體的光合性狀(包括凈光合速率、蒸騰系數、氣孔導度、細胞間CO2濃度4個性狀)進行了主基因+多基因的遺傳分析，結果表明，4個光合性狀都符合主基因+多基因的遺傳模型，存在著控制光合性狀的主效基因。其中凈光合速率受2對主基因控制，符合B-2模型，即加性-顯性的混合遺傳模型，主基因遺傳率為55.58%；蒸騰系數的遺傳受2對主基因的控制，符合B-2模型，即加性-顯性的混合遺傳模型，主基因遺傳率為85.04%；氣孔導度受2對主基因的控制，符合B-1模型，即加性-顯性-上位性的混合遺傳模型，主基因遺傳率為79.94%；細胞間CO2濃度受2對主基因控制，符合B-1模型，即加性-顯性-上位性的混合遺傳模型，主基因遺傳率為95.49%。因此，對高粱的光合性狀的改良，不僅能提高高粱的最終產量，還能提高高粱秸稈中干物質含量[9]，能夠推動高粱莖稈利用的多元化發(fā)展，并且有利于育種工作者在高粱育種過程中對光合性狀的選擇，了解控制光合性狀的基因效應以及顯隱性關系，有助于進一步對控制光合性狀基因進行挖掘和篩選，大大減少了育種工作者的工作量，并提高了育種工作的成功率，在指導田間生產中具有重大的現實意義。