徐婷婷 馬 杰 遲天華 葉 丹 管志勇 房偉民 陳發(fā)棣 張 飛

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，江蘇南京 210095)

低溫是影響植物地理分布和生長(zhǎng)發(fā)育的重要環(huán)境限制因子之一。對(duì)觀賞植物而言，低溫不僅會(huì)影響其生長(zhǎng)發(fā)育，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引發(fā)凍害，影響花型、花色等觀賞性狀表達(dá)，降低觀賞品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益[1]。菊花(Chrysanthemum morifolium)為菊科菊屬多年生宿根花卉，是我國(guó)十大傳統(tǒng)名花和世界四大切花之一，觀賞和經(jīng)濟(jì)價(jià)值較高，在花卉生產(chǎn)中占有重要的地位。冬季長(zhǎng)期低溫使菊花品種開花延遲[2]，影響成花品質(zhì)，特別是在切花菊周年生產(chǎn)中，冬季加溫增加生產(chǎn)成本、污染環(huán)境。因此，迫切需要挖掘利用抗寒基因資源、培育抗寒新品種以解決切花菊冬季高效生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)本增效。

目前，關(guān)于菊花抗寒性的研究主要集中在評(píng)價(jià)體系[3-4]、生理機(jī)制[5-7]、優(yōu)異基因挖掘[8-11]和種質(zhì)創(chuàng)新[12-15]等方面，而對(duì)菊花抗寒性分子標(biāo)記的相關(guān)研究尚鮮見報(bào)道。為明確切花菊抗寒性的遺傳變異，挖掘優(yōu)異抗寒基因資源，本研究利用電導(dǎo)率結(jié)合Logistic方程評(píng)價(jià)了83個(gè)切花菊品種苗期葉片的低溫半致死溫度(semi-lethal temperature，LT50)，并結(jié)合前期報(bào)道的分子標(biāo)記數(shù)據(jù)[16]通過關(guān)聯(lián)分析挖掘與抗寒性相關(guān)的優(yōu)異等位變異位點(diǎn)，并篩選抗性品種資源，以期為菊花抗寒性的遺傳改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為83個(gè)切花菊品種(表1)，均由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)中國(guó)菊花種質(zhì)資源保存中心提供。于2017年8月初采取插穗進(jìn)行扦插，8月下旬定植于南京農(nóng)業(yè)大學(xué)花卉基地湖熟現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范園，進(jìn)行常規(guī)管理。

1.2 低溫處理與相對(duì)電導(dǎo)率的測(cè)定

參照郭海林等[17]的方法并略加改進(jìn)，于苗期采集83個(gè)切花菊品種的葉片，每個(gè)品種15片，采集葉片的位置和大小基本相同，去離子水漂洗3次，再用去離子水浸潤(rùn)的紗布包裹葉片后置于試管內(nèi)，4℃冷藏過夜[18]。次日利用9610型低溫循環(huán)儀(Polyscience公司，美國(guó))進(jìn)行低溫處理。低溫循環(huán)溫度梯度分別設(shè)置為 3、0、-3、-6 和-9℃，處理時(shí)間均為 1 h，勻速降溫30 min，每個(gè)低溫處理結(jié)束后，取出試管于4℃冰箱內(nèi)解凍，低溫處理結(jié)束后將每個(gè)低溫處理的葉片分裝于試管，加入25 mL去離子水浸泡15 h，利用DDS-307型電導(dǎo)率測(cè)定儀(上海雷磁儀器有限公司)測(cè)定葉片煮沸前電導(dǎo)率，沸水浴15 min后冷卻至室溫并測(cè)定電導(dǎo)率，按照公式計(jì)算各處理的相對(duì)電導(dǎo)率(relative electric conductivity，REC):

每處理3次重復(fù)，取平均值。

1.3 低溫半致死溫度

利用相對(duì)電導(dǎo)率擬合Logistic回歸方程計(jì)算低溫半致死溫度LT50(℃)?；貧w方程為:

式中，Y:細(xì)胞傷害率；x:低溫處理溫度；K:細(xì)胞傷害率的飽和容量；a、b:均為方程參數(shù)。將方程進(jìn)行線性化處理以此確定a，b值，ln[(K-y)/y]=ln(a-bx)，令y=ln[(K-y)/y]，則轉(zhuǎn)化為細(xì)胞傷害率(y)與處理溫度(x)的直線方程。參照許瑛等[4]的方法，通過線性化處理和直線回歸的方法求出 a、b值及擬合度(R2)，半致死溫度 LT50=In[(1/a)]/b。采用 SPSS v20軟件進(jìn)行LT50的描述性統(tǒng)計(jì)分析和聚類分析。

1.4 切花菊耐寒性與分子標(biāo)記關(guān)聯(lián)分析

基于Li等[16]報(bào)道的707個(gè) SRAP、SSR、SCoT等分子標(biāo)記數(shù)據(jù)，利用STRCTURE v2.3.3軟件評(píng)價(jià)83個(gè)切花品種進(jìn)行群體結(jié)構(gòu)(K=2)及各品種的Q值；利用SPAGeDi v1.4軟件進(jìn)行親緣關(guān)系分析，得到親緣關(guān)系系數(shù)Kinship矩陣(86.9%品種間親緣關(guān)系系數(shù)小于0.1)。在此基礎(chǔ)上，利用TASSLE v5.0軟件中的混合線性模型(mixed linear model，MLM)進(jìn)行抗寒性(LT50)與分子標(biāo)記的關(guān)聯(lián)分析，同時(shí)將群體結(jié)構(gòu)分析中得到的各品種的Q值和親緣關(guān)系分析中得到的Kinship矩陣作為協(xié)變量計(jì)入模型中，若P＜0.01則認(rèn)為標(biāo)記位點(diǎn)與目標(biāo)性狀有顯著關(guān)聯(lián)?；陉P(guān)聯(lián)分析得到的顯著位點(diǎn)，計(jì)算出每個(gè)位點(diǎn)等位基因缺失和等位基因存在的LT50均值，用等位基因存在的LT50均值減去等位基因缺失的LT50均值，從而得到每個(gè)位點(diǎn)的表型效應(yīng)值[19-20]。LT50越小，抗寒性越強(qiáng)，并據(jù)此判斷表型效應(yīng)值為負(fù)值的位點(diǎn)為有利等位變異位點(diǎn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 Logistic回歸模型的建立及LT50的確定

根據(jù)供試材料在不同低溫處理下的相對(duì)電導(dǎo)率得到Logistic曲線、Logistic方程及其擬合度和半致死溫度。電解質(zhì)漏滲率測(cè)定結(jié)果以切花菊品種Qx151為例(圖1)，5 個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度分別為 3、0、-3、-6 和-9℃，REC隨著溫度的下降而逐漸上升，其中3～-3℃時(shí)，隨著溫度的降低電解質(zhì)滲出率較快；-3～-6℃時(shí)電解質(zhì)滲出率上升比較緩慢；-6～-9℃時(shí)電解質(zhì)滲出率基本趨于穩(wěn)定，隨著溫度的降低，相對(duì)電導(dǎo)率的變化呈明顯的S型曲線，拐點(diǎn)溫度即為半致死溫度。由表1可知，所有供試材料模擬Logistic方程的擬合度均達(dá)到顯著水平，LT50的變化范圍為-10.99(Qx-097)～1.86℃(Qx-007)。

圖1 不同低溫處理后切花菊Qx151離體葉片電導(dǎo)率擬合Logistic方程曲線Fig.1 Logistic equation based on REC from detached leaves of QX151 after different low temperature treatments

表1 83個(gè)切花菊的相對(duì)電導(dǎo)率回歸方程及低溫半致死溫度(LT50)Table1 REC logistic equation and LT50of the 83 cut chrysanthemum cultivars

表1(續(xù))

表1(續(xù))

2.2 菊花苗期耐寒性的表型數(shù)據(jù)

由表2可知，切花菊的 LT50介于-10.99～1.86℃之間，平均值為-4.31℃，變異系數(shù)為79.81%，離散程度較大，說明切花菊品種的耐寒性差異較大。LT50在供試材料中的偏度和峰度分別為-0.68和0.91，絕對(duì)值均小于1，表明切花菊苗期耐寒性屬于多基因控制的數(shù)量性狀。

表2 83個(gè)菊花品種苗期耐寒性(低溫半致死溫度)的描述性數(shù)據(jù)Table2 Descriptive statistics for cold tolerance(LT50)of 83 cut chrysanthemum cultivars at seedling stage

2.3 LT50的聚類分析

依據(jù)LT50對(duì)83個(gè)切花菊品種進(jìn)行聚類分析，由表3可知，83個(gè)切花菊品種的抗寒能力分為四類:第一類抗寒型，LT50低于-7.38℃，包括 Ox-011、Ox-114、Ox-054等18個(gè)品種，占供試材料的21.67%；第二類中抗寒型，LT50為-6.51～ -4.45℃，包括 Qx-006、Qx-034、QD-005等19個(gè)品種，占供試材料的22.89%；第三類低抗寒型，LT50為-4.27～-2.17℃，包括 Ox-030、南農(nóng)紫唇、Ox-146等27個(gè)品種，占供試材料的32.53%；第四類不抗寒型，LT50為-1.78～1.86℃，包括 QD007、南農(nóng)紅霞、南農(nóng)玉珠等 19個(gè)品種，占供試材料的22.89%。

表3 83個(gè)切花菊品種的LT50聚類分析結(jié)果及抗寒能力Table3 Clustering result of LT50and cold resistance for 83 cut chrysanthemum cultivars

2.4 抗寒性相關(guān)的分子標(biāo)記

基于MLM方法的關(guān)聯(lián)分析共計(jì)檢測(cè)到11個(gè)標(biāo)記位點(diǎn)與品種的耐寒性顯著關(guān)聯(lián)(P＜0.01)，單個(gè)關(guān)聯(lián)位點(diǎn)的表型效應(yīng)值為-3.51～0.83，表型變異解釋率為11.37%～18.83%(表4)。 其中，E2M16-1、E2M16-4和E2M16-8的效應(yīng)值為正，為抗寒性不利位點(diǎn)；其余8個(gè)關(guān)聯(lián)位點(diǎn)的效應(yīng)值為負(fù)，為抗寒性有利位點(diǎn)。由8個(gè)增效位點(diǎn)的箱線圖(圖2)可知，僅位點(diǎn)E7M12-13在P＜0.01水平顯著。結(jié)合LT50表型數(shù)據(jù)，攜帶該位點(diǎn)且抗寒性較好的品種有南農(nóng)金檸檬、Qx097、QD028、Qx049、Qx153 和 Qx008。

3 討論

抗寒性是菊花重要育種目標(biāo)性狀之一，抗寒基因資源的挖掘和利用是開展抗寒育種的重要前提。Dexfer等[21]首次釆用電導(dǎo)法進(jìn)行植物抗寒性評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)植物組織受寒害程度越高電導(dǎo)率越大。由于不同物種之間電解質(zhì)豐度不同，相對(duì)電導(dǎo)率比電導(dǎo)率更能準(zhǔn)確的表達(dá)組織受傷害的程度[22-23]。細(xì)胞電解質(zhì)滲出率為50%時(shí)的溫度則為該材料的低溫半致死溫度，將相對(duì)電導(dǎo)率結(jié)合Logistic方程回歸分析計(jì)算LT50已成為評(píng)價(jià)植物抗寒性的常用方法[24-28]。Kim等[3]通過測(cè)定LT50和腳芽生長(zhǎng)量鑒定了菊花的抗寒性；許瑛等[4]通過菊花腳芽葉片相對(duì)電導(dǎo)率結(jié)合LT50評(píng)價(jià)了菊花在秋冬季不同降溫時(shí)期的抗寒性；王翠麗等[29]發(fā)現(xiàn)菊花葉片亞麻酸/(亞油酸和油酸)比值可作為評(píng)價(jià)秋菊抗寒性的有效指標(biāo)，且認(rèn)為不飽和脂肪酸含量結(jié)合LT50可快速鑒定抗寒菊花品種。上述研究表明，LT50是菊花抗寒性鑒定評(píng)價(jià)的重要參考依據(jù)之一。本研究通過LT50評(píng)價(jià)了83個(gè)切花菊品種的抗寒性，發(fā)現(xiàn)LT50離散程度較大(變異系數(shù)為79.81%)，并篩選到部分抗寒品種資源，為后續(xù)抗寒育種利用提供了重要親本材料。

表4 在P＜0.01水平下與抗寒性顯著相關(guān)的標(biāo)記Table4 Markers significantly associated with cold tolerance at P＜0.01 level

關(guān)聯(lián)分析是開展數(shù)量性狀遺傳研究的重要手段之一[30-32]，已成功用于挖掘植物抗寒優(yōu)異基因資源或等位變異。Huang等[33]利用關(guān)聯(lián)分析在玉米發(fā)芽期和苗期檢測(cè)到40個(gè)SNP與10個(gè)抗寒性狀相關(guān)；Visioni等[34]通過關(guān)聯(lián)分析挖掘到2個(gè)大麥抗寒相關(guān)SNP與已知QTL位點(diǎn)重疊。近年來，關(guān)聯(lián)分析在菊花耐澇性[20]、抗蚜性[35]和其他園藝性狀[18，36]優(yōu)異等位變異挖掘中均有相關(guān)報(bào)道。本研究基于前期報(bào)道的707個(gè)分子標(biāo)記[18]，利用MLM法挖掘到8個(gè)抗寒相關(guān)有利位點(diǎn)，其中有1個(gè)分子標(biāo)記位點(diǎn)(E7M12-13)的表型效應(yīng)值達(dá)到顯著水平(P＜0.01)。結(jié)合LT50表型數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)攜帶E7M12-13位點(diǎn)且抗寒性較好的品種有南農(nóng)金檸檬、Qx097、QD028、Qx049、Qx153 和 Qx008，均可作為重要的親本材料加以利用。此外，通過與 Li等[16]研究比較，發(fā)現(xiàn)本研究中有3個(gè)抗寒性相關(guān)標(biāo)記位點(diǎn)(E2M16-2、E2M16-1和 E11M23-14)分別與花期、花頸長(zhǎng)度和葉緣鋸齒相關(guān)。鑒于抗寒性與這些園藝性狀是不同類型的性狀，推測(cè)可能是由于連鎖引起的。這為今后通過間接篩選耐寒品種提供了初步證據(jù)，同時(shí)也為改良菊花耐寒性和其他園藝性狀提供了理論依據(jù)。本研究利用了707個(gè)SRAP、SCoT等多態(tài)性分子標(biāo)記位點(diǎn)，但檢測(cè)到的抗寒性相關(guān)等位變異位點(diǎn)主要集中在 E2M16、E7M12和 E11M23等 3對(duì)SRAP引物組合擴(kuò)增出的多態(tài)性位點(diǎn)中，說明這些顯性標(biāo)記位點(diǎn)在抗寒性關(guān)聯(lián)分析中有其局限性。因此，在今后研究中應(yīng)進(jìn)一步利用基于高通量測(cè)序的SNP等分子標(biāo)記開展相關(guān)研究，為高效挖掘菊花耐寒優(yōu)異等位變異及其相關(guān)的候選基因奠定重要基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

本研究明確了83個(gè)切花菊品種的低溫半致死溫度(LT50)介于-10.99～1.86℃之間，變異系數(shù)達(dá)79.81%，通過聚類分析將其分為抗寒、中抗寒、低抗寒和不抗寒4種類型；檢測(cè)到8個(gè)抗寒有利位點(diǎn)，其中E7M12-13的表型效應(yīng)值達(dá)到顯著水平(P＜0.01)，并篩選到攜帶該有利位點(diǎn)的6個(gè)抗寒品種。本研究結(jié)果為切花菊抗寒性的遺傳改良和分子標(biāo)記輔助選擇育種提供了理論依據(jù)。