葉紅霞,呂律,海睿,胡雨晴,汪炳良
(浙江大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院蔬菜研究所,杭州 310058)
甜瓜(Cucumis meloL.)是世界各地普遍栽培的一種水果型蔬菜,而中國是世界上甜瓜栽培面積最大、總產(chǎn)量最高的國家。優(yōu)質(zhì)是甜瓜生產(chǎn)者和消費(fèi)者的共同追求,也是甜瓜新品種選育的一個(gè)永恒目標(biāo)。在構(gòu)成甜瓜果實(shí)品質(zhì)的諸多因素中,糖含量是最重要的因素之一[1]。甜瓜果實(shí)中最主要的可溶性糖是葡萄糖、果糖和蔗糖[2-3],但在成熟果實(shí)中糖分含量存在明顯的變種間、品種間差異[4-6],其中厚皮甜瓜果實(shí)中的可溶性糖,特別是蔗糖含量遠(yuǎn)高于越瓜果實(shí)[7]。
無論是選育高糖型甜瓜品種還是選育低糖型甜瓜品種,其前提必須明確甜瓜果實(shí)糖分組分的遺傳規(guī)律。BURGER等于2002年報(bào)道,發(fā)現(xiàn)了一個(gè)控制甜瓜果實(shí)蔗糖積累的隱性基因[8],但后來多數(shù)學(xué)者認(rèn)為甜瓜果實(shí)糖含量屬于多基因控制的數(shù)量性狀[2,9-10],且容易受環(huán)境因素影響[11-13]。本文以低糖自交系和高糖自交系構(gòu)建的6個(gè)世代群體為材料,利用植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型分析方法,探討甜瓜果實(shí)糖組分的遺傳規(guī)律,旨在明確甜瓜果實(shí)糖組分的遺傳方式,為甜瓜優(yōu)質(zhì)育種提供科學(xué)依據(jù)。
本試驗(yàn)以低糖越瓜(Cucumis melovar.conmmonMakino)自交系‘花皮菜瓜’(P1)和高糖厚皮甜瓜(Cucumis melovar.saccharinusNaud.)自交系‘XLH’(P2)為親本,通過雜交、自交和回交獲得P1、P2、F1、F2、B1(F1×P1)和B2(F1×P2)共6個(gè)世代的種子。其中:P1果實(shí)圓柱形,果皮墨綠色、具淺綠色斑紋,果肉淡綠色、質(zhì)地松脆,瓜瓤淺橘紅色;P2果實(shí)橢圓形,果皮白色、具淡綠色斑紋,果肉橘紅色、質(zhì)地脆;F1群體果形、皮色、肉色等性狀偏向P1(圖1);F2、B1、B2群體的果形、皮色、肉色等性狀發(fā)生分離。
圖1 雙親及F1果實(shí)Fig.1 Fruits of the two parents and F1generation
將得到的6個(gè)世代的種子于2017年春季在浙江省湖州市吳興金農(nóng)生態(tài)農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司移沿山基地的塑料大棚中種植。2017年2月13日育苗,3月15日定植,畦寬(連溝)2.0 m、株距0.5 m。P1、P2、F1、F2、B1和 B2等 6 個(gè)群體分別定植 10、10、10、100、80和80株左右。田間管理同常規(guī)生產(chǎn)管理,棚架栽培,開花后人工授粉,單蔓整枝,選擇主蔓第11—13節(jié)位的側(cè)枝結(jié)果,待果實(shí)達(dá)到生理成熟時(shí)選擇生長正常、無機(jī)械傷害的果實(shí)逐株采收。果實(shí)采收當(dāng)天運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室取樣,取樣時(shí)切取果實(shí)赤道部分的果肉,厚度2 cm左右,每個(gè)果實(shí)重復(fù)取樣3次,保存于-80℃冰箱中,備用。
糖的提取參考管學(xué)玉的方法[14],糖組分含量測定參考朱勇等的方法[15]。色譜儀為Waters 2695高效液相色譜儀(配Waters 2414型示差折光檢測器),色譜條件為:流動(dòng)相V(乙腈)∶V(重蒸水)=80∶20,流速1.0 mL/min,柱溫40℃,檢測器溫度35℃,進(jìn)樣量10 μL。柱型為美國Waters公司Spherisorb-5NH2柱。以色譜級(jí)果糖、葡萄糖和蔗糖標(biāo)準(zhǔn)品等比例混合配制標(biāo)準(zhǔn)工作液,進(jìn)行液相色譜分析,以濃度為X軸,峰面積為Y軸進(jìn)行線性回歸,制作標(biāo)準(zhǔn)曲線,并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算糖組分含量。
利用Excel 2016對(duì)P1、P2和F1葡萄糖、果糖、蔗糖含量及總糖(葡萄糖+果糖+蔗糖)含量[16]進(jìn)行差異顯著性分析,并對(duì)F2、B1和B2分離世代果實(shí)葡萄糖、果糖、蔗糖和總糖含量繪制頻次分布圖(同一糖組分在3個(gè)分離世代中均分成9組,組中值相同)。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)利用章元明教授課題組開發(fā)的Windows軟件包中的SEA-G6[17]在Lenovo PC機(jī)上運(yùn)行,采用植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型分析方法對(duì)6個(gè)世代糖含量相關(guān)性狀進(jìn)行聯(lián)合分析:先通過極大似然法(maximum likelihood method)和迭代期望條件最大化(iterated expectation and conditional maximization,IECM)算法對(duì)混合分布中的有關(guān)成分分布參數(shù)作出估計(jì),根據(jù)赤池信息量準(zhǔn)則(Akaike’s information criterion,AIC),選出 AIC值最小的模型及與最小值比較接近的模型作為備選模型,然后利用均勻性檢驗(yàn)檢驗(yàn)(nW2)和Kolmogorov檢驗(yàn)(Dn)對(duì)選出的備選模型的各世代進(jìn)行適合性檢驗(yàn),并選擇統(tǒng)計(jì)量達(dá)到顯著水平個(gè)數(shù)最少的模型作為該性狀的最優(yōu)模型,最后根據(jù)最小二乘法估計(jì)主基因和多基因效應(yīng)值、方差等遺傳參數(shù)。
由表1可知:雙親及F1葡萄糖含量無顯著差異;F1果糖和蔗糖含量介于雙親之間且偏向低親(P1),顯著低于高親(P2),但與P1差異不顯著;P2總糖含量顯著高于P1和F1,而F1總糖含量偏向低親但顯著高于低親。同時(shí),在高糖親本甜瓜果實(shí)總糖構(gòu)成中,蔗糖占比最高,達(dá)63.98%;而在低糖親本及F1中,蔗糖占比較低,分別為2.95%和18.54%。
表1 雙親及F1果實(shí)糖含量Table 1 Fruit sugar content in the two parents and F1generation mg/g
同時(shí),從圖2可以看出,甜瓜果實(shí)葡萄糖、果糖、蔗糖及總糖含量在分離世代呈現(xiàn)單偏峰分布,符合主基因+多基因表型分布特征。
對(duì)6個(gè)世代果實(shí)的果糖、葡萄糖、蔗糖、總糖含量分別進(jìn)行主基因+多基因混合遺傳模型分析,得到5類24種模型的AIC值(表2)。根據(jù)遺傳模型選取的AIC值最小原則,選取AIC值最小的模型及與最小AIC值差異不大的遺傳模型作為備選模型,其中:對(duì)于葡萄糖含量,AIC值最小的模型為E-1(MX2-ADI-AD,即2對(duì)主基因加性-顯性-上位性+多基因加性-顯性模型),模型D-0(MX1-ADADI,即1對(duì)主基因加性-顯性+多基因加性-顯性-上位性模型)的AIC值與E-1接近;對(duì)于果糖含量,AIC值最小的模型為E-0(MX2-ADI-ADI,即2對(duì)主基因加性-顯性-上位性+多基因加性-顯性-上位性模型),模型E-1的AIC值與E-0接近;對(duì)于蔗糖含量,AIC值最小的模型為E-1,模型E-5(MX2-AED-AD,即2對(duì)主基因完全顯性+多基因加性-顯性模型)的AIC值與E-1接近;對(duì)于總糖含量,AIC值最小的模型為E-1,模型D-0的AIC值與E-1接近。
圖2 甜瓜分離世代(F2、B1、B2)果實(shí)糖含量的頻次分布Fig.2 Frequency distribution for fruit sugar content in the segregation populations(F2,B1,B2)
表2 甜瓜果實(shí)糖含量相關(guān)性狀遺傳模型的赤池信息量準(zhǔn)則(AIC)值Table 2 Akaike’s information criterion(AIC)value of various genetic models for fruit sugar content correlated traits in melon
對(duì)于甜瓜各糖組分含量中AIC值最低的2個(gè)備選模型進(jìn)行適合性檢驗(yàn),以選擇最優(yōu)模型。對(duì)于葡萄糖含量,模型D-0和模型E-1的所有統(tǒng)計(jì)量均未達(dá)到顯著性水平(表3),但E-1模型的AIC值最?。ū?),因此,在甜瓜果實(shí)中葡萄糖含量的最適遺傳模型為E-1,即2對(duì)主基因加性-顯性-上位性+多基因加性-顯性模型;對(duì)于果糖含量,模型E-1有2個(gè)統(tǒng)計(jì)量達(dá)到顯著水平,模型E-0所有統(tǒng)計(jì)量均未達(dá)到顯著水平(表4),且其AIC值最?。ū?),因此,模型E-0(2對(duì)主基因加性-顯性-上位性+多基因加性-顯性-上位性模型)為甜瓜果實(shí)果糖含量的最優(yōu)遺傳模型;對(duì)于蔗糖含量,模型E-1的所有統(tǒng)計(jì)量均未達(dá)顯著水平,而模型E-5有4個(gè)統(tǒng)計(jì)量達(dá)顯著水平(表5),且E-1的AIC值最小,因此,甜瓜果實(shí)蔗糖含量的最適遺傳模型是E-1,即2對(duì)主基因加性-顯性-上位性+多基因加性-顯性模型;對(duì)于總糖含量,模型E-1和D-0的所有統(tǒng)計(jì)量均未達(dá)顯著水平(表6),但模型E-1的AIC值最小,因此,甜瓜果實(shí)總糖含量的最適遺傳模型為E-1。
根據(jù)最小二乘法原理對(duì)甜瓜果實(shí)果糖、葡萄糖、蔗糖、總糖選擇的最優(yōu)模型進(jìn)行一階和二階遺傳參數(shù)估計(jì),結(jié)果如表7和表8所示。
從表7可以看出,控制葡萄糖含量的2對(duì)主基因加性效應(yīng)均為正向且效應(yīng)值相等(0.542);2對(duì)主基因顯性效應(yīng)值分別為-4.669和-5.620,均大于正向的加性效應(yīng),且第2對(duì)主基因的顯性效應(yīng)大于第1對(duì)主基因的顯性效應(yīng),說明主基因以第2對(duì)的負(fù)向顯性效應(yīng)為主;多基因以正向顯性效應(yīng)為主(2.889)。在主要互作效應(yīng)中,顯性×加性互作為負(fù)向,加性×加性、加性×顯性和顯性×顯性互作均為正向,其中顯性×顯性互作的作用最明顯(7.940)。由表8可知,在B1、B2、F2中控制葡萄糖含量的主基因遺傳率分別為0.773、0.852和0.862,而多基因遺傳率幾乎為0,表明主基因?qū)刂破咸烟呛窟z傳的作用較大。
表3 甜瓜果實(shí)葡萄糖含量備選模型適合性檢驗(yàn)Table 3 Fitness test of alternative inheritance models for fruit glucose content in melon
表4 甜瓜果實(shí)果糖含量備選模型適合性檢驗(yàn)Table 4 Fitness test of alternative inheritance models for fruit fructose content in melon
由表7可知,控制甜瓜果實(shí)中果糖含量的2對(duì)主基因的加性效應(yīng)和顯性效應(yīng)均為負(fù)向增效,2對(duì)主基因的加性效應(yīng)值和顯性效應(yīng)值分別相等,且加性效應(yīng)值(-4.083)比顯性效應(yīng)值(-3.532)稍大,說明主基因以負(fù)向增效的加性效應(yīng)為主。在上位效應(yīng)作用中,主基因的互作效應(yīng)均為正向,顯性×顯性互作效應(yīng)的值最大(7.725),加性×顯性互作效應(yīng)的值最?。?.751)。由表8可知,在B1、B2、F2中控制果糖含量的主基因遺傳率均高于多基因遺傳率,分別為0.569、0.543和0.857,表明主基因在F2中對(duì)控制果糖含量的遺傳作用較大。
表5 甜瓜果實(shí)蔗糖含量備選模型適合性檢驗(yàn)Table 5 Fitness test of alternative inheritance models for fruit sucrose content in melon
表6 甜瓜果實(shí)總糖含量備選模型適合性檢驗(yàn)Table 6 Fitness test of alternative inheritance models for fruit total sugar content in melon
從表7可以看出,控制蔗糖含量的2對(duì)主基因的顯性效應(yīng)一正一負(fù),負(fù)向的顯性效應(yīng)(-3.478)稍大于正向的顯性效應(yīng)(3.214),2對(duì)主基因的加性效應(yīng)值相等(-6.024)且均大于顯性效應(yīng),說明主基因以負(fù)向的加性效應(yīng)為主。多基因也以負(fù)向的加性效應(yīng)(-12.383)為主。在主要互作效應(yīng)中,加性×加性和顯性×加性互作為正向,加性×顯性和顯性×顯性互作為負(fù)向,其中顯性×加性互作(10.488)的作用最強(qiáng)。在B1、B2、F23個(gè)世代中,控制蔗糖含量的主基因遺傳率分別為0.652、0.786、0.927(表8),表明主基因在F2中對(duì)控制蔗糖含量的遺傳作用較大。
從表7還可以看出,控制總糖含量的2對(duì)主基因的加性效應(yīng)值均為-4.150,2對(duì)主基因的顯性效
應(yīng)值均大于加性效應(yīng)值,第2對(duì)主基因顯性效應(yīng)值(-5.691)稍大于第1對(duì)主基因顯性效應(yīng)值(-5.009),說明主基因以第2對(duì)主基因的負(fù)向顯性效應(yīng)為主。而多基因加性效應(yīng)值(-19.614)大于顯性效應(yīng)值(-16.523),說明多基因以負(fù)向加性效應(yīng)為主。此外,4個(gè)主要互作效應(yīng)均為正向作用,其中顯性×顯性互作(19.130)作用最大,加性×加性互作(10.343)作用也較大。由表8可知,在B1、B2、F23個(gè)世代中控制總糖含量的主基因遺傳率分別為0.630、0.647和0.850,說明主基因在F2中對(duì)控制總糖含量的遺傳作用較大。
表7 甜瓜果實(shí)糖含量的一階遺傳參數(shù)估值Table 7 Estimates of first order genetic parameters for fruit sugar content in melon
表8 甜瓜果實(shí)糖含量的二階遺傳參數(shù)估值Table 8 Estimates of second order genetic parameters for fruit sugar content in melon
植物多數(shù)經(jīng)濟(jì)性狀屬于由多基因控制的數(shù)量性狀。利用數(shù)量性狀遺傳研究的傳統(tǒng)方法[18-20]可以獲得加性方差、顯性方差、表型方差及環(huán)境方差等參數(shù),進(jìn)而估算性狀的遺傳力。由于控制數(shù)量性狀的基因有主效基因和微效基因,因此,將控制數(shù)量性狀的多基因看作整體進(jìn)行分析的傳統(tǒng)方法,獲得的信息量有限,分析結(jié)果對(duì)指導(dǎo)育種實(shí)踐存在一定的局限性。蓋鈞鎰等在借鑒前人研究的基礎(chǔ)上,利用混合模型建立了數(shù)量性狀主基因+多基因多世代聯(lián)合分析法[21],并開發(fā)了Windows版本軟件包SEA[17],以方便研究者使用。這種主基因+多基因多世代聯(lián)合分析法已成為人們對(duì)數(shù)量性狀進(jìn)行遺傳研究的主要方法,并在甜瓜[22-24]、西瓜[25]、花椰菜[26]、甘藍(lán)型油菜[27]、大麥[28]、花生[29]等作物中得到普遍應(yīng)用。
甜瓜果實(shí)糖含量是一個(gè)重要的品質(zhì)性狀,葡萄糖、果糖、蔗糖是甜瓜果實(shí)中主要可溶性糖組分。迄今為止,有關(guān)甜瓜果實(shí)糖含量的研究報(bào)道不多。林碧英等采用雙列雜交方法研究發(fā)現(xiàn),甜瓜可溶性固形物含量的基因加性效應(yīng)和顯性效應(yīng)均達(dá)到顯著水平,且加性效應(yīng)占相對(duì)優(yōu)勢[30];但該試驗(yàn)估測的是基因的綜合效應(yīng),且可溶性固形物含量包含了可溶于水的糖、酸、維生素、礦物質(zhì)等,是一個(gè)綜合性狀,并不能完全代表甜瓜果實(shí)的糖含量,其研究結(jié)果對(duì)甜瓜糖含量育種的指導(dǎo)存在局限性。張紅等對(duì)以甜味自交系與酸味自交系為材料構(gòu)建的P1、P2、F1、F2等4世代群體研究發(fā)現(xiàn),甜瓜果實(shí)糖(葡萄糖+果糖+蔗糖)含量受2對(duì)相等加性主基因+加性-顯性多基因控制,并以主基因?yàn)橹?,其遺傳力達(dá)到88.8%[16];由于該試驗(yàn)所用群體只有1個(gè)分離世代(F2),且僅對(duì)總糖進(jìn)行遺傳分析,研究結(jié)果存在一定的局限性。張寧等以低糖的野生薄皮甜瓜和高糖的厚皮甜瓜為親本,對(duì)構(gòu)建的6個(gè)世代群體利用比色法測定了果糖、葡萄糖、蔗糖、總糖含量,發(fā)現(xiàn)果糖、葡萄糖、總糖含量均受2對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因控制,主基因在F2中的遺傳率分別達(dá)到90.32%、82.42%和94.66%,蔗糖含量受1對(duì)加性主基因+加性-顯性多基因控制,主基因在F2中的遺傳率為83.76%[31]。本試驗(yàn)以屬于薄皮甜瓜類型的低糖型(特別是低蔗糖含量)越瓜自交系與屬于厚皮甜瓜類型的高糖型(特別是高蔗糖含量)自交系為材料,對(duì)通過雜交、自交、回交構(gòu)建的6世代材料采用高效液相色譜法測定各種糖組分含量,利用主基因+多基因混合模型進(jìn)行果實(shí)葡萄糖、果糖、蔗糖、總糖含量的遺傳分析,發(fā)現(xiàn)果糖含量受2對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因控制,這與張寧等的報(bào)道[31]基本一致;葡萄糖、蔗糖和總糖含量受2對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因控制,這與前人研究結(jié)果[16,31]不同,其原因可能與試驗(yàn)所涉及的甜瓜自交系遺傳背景、聯(lián)合分析的世代群體和糖分測定方法等不同有關(guān)。在F2中,果糖、葡萄糖、蔗糖和總糖的主基因遺傳率分別達(dá)到85.7%、86.2%、92.7%和85.0%,表明在F2中主基因遺傳力較高,對(duì)果實(shí)糖分的遺傳起主導(dǎo)作用,而多基因的貢獻(xiàn)較小,這與張寧等的研究結(jié)果[31]也基本一致。
研究甜瓜不同糖組分含量的遺傳規(guī)律是甜瓜品質(zhì)育種的必要前提。本研究結(jié)果表明:果糖含量受2對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因控制;葡萄糖、蔗糖和總糖含量則受2對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因控制,與前人報(bào)道[16,31]有所不同;控制甜瓜果實(shí)糖組分含量的遺傳效應(yīng)可以區(qū)分為主基因效應(yīng)與多基因效應(yīng),在F2中主基因起主導(dǎo)作用,多基因的貢獻(xiàn)較小,其中果糖、葡萄糖、蔗糖和總糖的主基因遺傳率分別達(dá)到85.7%、86.2%、92.7%和85.0%,而環(huán)境對(duì)甜瓜果實(shí)糖組分的影響相對(duì)較小。因此,在甜瓜育種中,對(duì)果實(shí)糖組分含量的選擇宜在早世代進(jìn)行。
浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(農(nóng)業(yè)與生命科學(xué)版)2019年4期