張冰冰，劉 霞，秦夢(mèng)凡，梁峰豪，張 燕，左凱峰， 郭 娜，馬 寧，黃 鎮(zhèn)，徐愛(ài)遐

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，陜西 楊凌 712100；2.吳忠市鹽池縣市場(chǎng)監(jiān)督管理局，寧夏 吳忠 751100)

甘藍(lán)型油菜開(kāi)花時(shí)間與其成熟早晚密切相關(guān)，同時(shí)也是影響油菜產(chǎn)量與品質(zhì)的重要因素。開(kāi)花時(shí)間既是數(shù)量性狀，又是復(fù)合性狀，受遺傳、栽培條件與環(huán)境的共同影響，導(dǎo)致開(kāi)花時(shí)間的遺傳研究相對(duì)滯后[1]。深入研究甘藍(lán)型油菜開(kāi)花時(shí)間遺傳規(guī)律，對(duì)選育甘藍(lán)型油菜早熟品種具有重要理論和實(shí)踐意義。目前，有關(guān)油菜開(kāi)花期遺傳模型的研究，一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的普遍關(guān)注。郭志剛[2]發(fā)現(xiàn)，油菜開(kāi)花主要受多基因調(diào)控，但存在主基因加顯性效應(yīng)，蔡長(zhǎng)春[3]認(rèn)為，開(kāi)花期主要由2對(duì)或2對(duì)以上主基因及多基因控制，羅玉秀等[4]認(rèn)為，開(kāi)花期受2對(duì)加性基因控制。不同研究者的研究結(jié)果不盡一致，試驗(yàn)材料不同可能是導(dǎo)致結(jié)果不一致的主要原因。甘藍(lán)型油菜72-27-1-2(P2)具有早花、早熟等優(yōu)良特性，為明確其早花性狀的遺傳，以晚開(kāi)花甘藍(lán)型油菜YG-1(P1)與其雜交構(gòu)建6世代遺傳群體(P1、P2、F1、B1、B2和F2)，應(yīng)用數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型聯(lián)合分析法對(duì)開(kāi)花時(shí)間進(jìn)行遺傳分析，研究結(jié)果可進(jìn)一步明確甘藍(lán)型油菜開(kāi)花時(shí)間的遺傳規(guī)律，指導(dǎo)早熟品種選育。

分子標(biāo)記輔助育種是利用分子標(biāo)記與決定目標(biāo)性狀基因緊密連鎖的特點(diǎn)，通過(guò)檢測(cè)分子標(biāo)記，即可檢測(cè)到目的基因的存在，具有快速、準(zhǔn)確、不受環(huán)境條件干擾的優(yōu)點(diǎn)。SSR分子標(biāo)記技術(shù)由于其操作簡(jiǎn)單方便、要求不高等優(yōu)點(diǎn)，是目前最常用的微衛(wèi)星標(biāo)記之一。近年來(lái)，已有學(xué)者在甘藍(lán)型油菜中利用分子標(biāo)記技術(shù)進(jìn)行了大量關(guān)于開(kāi)花相關(guān)基因QTL定位的研究。石鵬[5]檢測(cè)到28個(gè)開(kāi)花期 QTLs，解釋的表型貢獻(xiàn)率介于0.55%～16.33%。Raman等[6]檢測(cè)到20個(gè)控制開(kāi)花時(shí)間的 QTL位點(diǎn)，可解釋表型變異的2.4%～28.6%。傅鷹[7]檢測(cè)到19個(gè)開(kāi)花期QTLs，揭示了2.35%～47.68%的表型變異。柳海東[8]檢測(cè)到 48個(gè)QTLs，解釋表型變異的3.2%～46.5%。本研究利用SSR分子標(biāo)記技術(shù)，開(kāi)發(fā)與開(kāi)花時(shí)間相關(guān)的分子標(biāo)記，對(duì)油菜開(kāi)花時(shí)間基因的定位及標(biāo)記輔助育種具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料及性狀考查

以晚開(kāi)花甘藍(lán)型油菜YG-1(P1)與早開(kāi)花甘藍(lán)型油菜72-27-1-2(P2)及其配制的F1、B1、B2、F2為遺傳分析材料，其中YG-1平均開(kāi)花時(shí)間(播種到開(kāi)花的天數(shù)，同d表示)197 d左右，72-27-1-2平均開(kāi)花時(shí)間180 d左右。以F2群體(127個(gè)單株)為分子標(biāo)記篩選群體，上述材料均由西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院油菜遺傳及分子育種實(shí)驗(yàn)室提供。分別于2017年9月18日和9月20日種植于西北農(nóng)林科技大學(xué)三原斗口試驗(yàn)站和楊凌曹新莊試驗(yàn)田，常規(guī)栽培管理。2018年4月避開(kāi)行兩端的邊株逐株掛牌并記錄6世代各單株開(kāi)花日期。油菜開(kāi)花標(biāo)準(zhǔn)參考伍曉明等[9]以油菜主莖第一朵花開(kāi)為標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 性狀遺傳分析

利用Microsoft Excel 2007繪制開(kāi)花時(shí)間次數(shù)分布圖，SPSS 19.0進(jìn)行基本統(tǒng)計(jì)量、正態(tài)性檢驗(yàn)及親本顯著性分析。利用SEA 1.0軟件進(jìn)行開(kāi)花時(shí)間遺傳分析(軟件由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科技學(xué)院章元明教授提供網(wǎng)址：https://cran.r-project.org/web/packages/SEA/index.html)。依據(jù)AIC值最小和適合性檢驗(yàn)(均勻性、Smirnov和Kolmogorov檢驗(yàn))確定最優(yōu)遺傳模型；最小二乘法進(jìn)行最優(yōu)遺傳模型遺傳參數(shù)估算。

1.3 DNA提取及SSR分子標(biāo)記

在幼苗四-五葉期，取雙親及F2群體單株幼嫩葉片0.5 g，采用改良的CTAB法[10]提取DNA，利用Lab Tech紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)測(cè)定DNA濃度，最終將樣品DNA濃度稀釋至50 ng/μL使用。

SSR分子標(biāo)記引物來(lái)源于http://ukcrop.net/perl/ace/search/BrassicaDB與http://www.brassica.info/ssr/SSRinfo.htm，均由上海生工試劑公司合成。SSR反應(yīng)體系：總體積10 μL，包括：DNA模板3.0 μL、引物1.5 μL、10×Buffer 1.0 μL、25 mmol/L MgCl20.8 μL、10 mmol/L dNTPs 0.2 μL、Taq酶0.1 μL、ddH2O 3.4 μL。PCR反應(yīng)程序設(shè)定為：94 ℃預(yù)變性5 min；94 ℃ 變性30 s，Tm退火30 s，72 ℃延伸75 s，35個(gè)循環(huán)；72 ℃再延伸5 min,4 ℃保存。擴(kuò)增產(chǎn)物利用6%聚丙烯酰胺凝膠電泳，銀染程序參考陸光遠(yuǎn)等[11]的方法。

帶型記錄依據(jù)群體在親本間具有的差異性條帶，清晰的帶記為“1”，未出現(xiàn)條帶記為“0”，符號(hào)“-”表示整體帶型缺失或模糊難以判讀。選取群體極端早開(kāi)花20株與極端晚開(kāi)花20株，參照張發(fā)[12]的方法，利用SPASS 19.0對(duì)開(kāi)花時(shí)間與分子標(biāo)記進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 各世代開(kāi)花時(shí)間數(shù)據(jù)分析

楊凌和三原兩地各世代開(kāi)花時(shí)間見(jiàn)表1。結(jié)果表明，親本間開(kāi)花時(shí)間具有明顯差異，YG-1(P1)的開(kāi)花時(shí)間明顯晚于72-27-1-29(P2)，同一環(huán)境下雙親間開(kāi)花時(shí)間存在極顯著差異，不同環(huán)境下同一親本間無(wú)顯著性差異；兩地F1開(kāi)花時(shí)間平均值均介于雙親之間，且略偏向于早花親本P2，兩地B1、B2和F2世代開(kāi)花時(shí)間的平均值也介于雙親之間；B2群體均有超早親分離，楊凌B1、F2群體發(fā)現(xiàn)超晚親分離；由表2知：兩環(huán)境中楊凌點(diǎn)B2、F2群體及三原B1群體的K-S正態(tài)檢驗(yàn)P值大于0.05，符合正態(tài)分布，而其他分離世代P值均小于0.05，但偏度或峰度基本都介于-1與1，呈偏離正態(tài)分布，各分離世代中開(kāi)花時(shí)間性狀均表現(xiàn)單峰分布(圖1，2)，表明甘藍(lán)型油菜開(kāi)花時(shí)間遺傳可能存在主基因作用并有多基因修飾效應(yīng)。

表1 各世代開(kāi)花時(shí)間統(tǒng)計(jì)及親本差異顯著性檢驗(yàn)Tab.1 Performance of flowering time in six generations and significance test of difference between the parents

注：YL.楊凌；SY.三原；表2-4、圖1-2同。標(biāo)以不同字母的數(shù)值在0.01水平下差異顯著，相同字母的數(shù)值在0.01水平下無(wú)顯著性差異。

Note:YL.Yangling;SY.Sanyuan;The same as Tab.2-4,Fig.1-2.Values followed by different letters are significantly different at the 0.01 probability level, values followed by same letters are not significantly different at the 0.01 probability level.

表2 B1、B2和F2開(kāi)花時(shí)間的統(tǒng)計(jì)分布和正態(tài)性檢驗(yàn)Tab.2 Statistic analysis and normal distribution test for flowering time in B1,B2 and F2 generations

2.2 開(kāi)花時(shí)間主基因+多基因遺傳分析

2.2.1 遺傳模型分析 利用主基因+多基因混合遺傳模型的多世代聯(lián)合分析方法，以SEA 1.0軟件對(duì)兩地6世代開(kāi)花時(shí)間進(jìn)行遺傳分析，獲得5類(lèi)24種模型。依據(jù)AIC數(shù)值最小選取準(zhǔn)則，選取最小AIC值及與之比較接近的一組共2個(gè)模型作為開(kāi)花時(shí)間性狀的備選模型(表3)。通過(guò)適合性檢驗(yàn)(0.05水平)進(jìn)一步確定比較適合的遺傳模型，結(jié)果表明：共30個(gè)統(tǒng)計(jì)量中，楊凌點(diǎn)C-0和E-0模型均有5個(gè)統(tǒng)計(jì)量有顯著性差異(P<0.05)，但E-0模型AIC值較小，依據(jù)AIC值最小和顯著差異個(gè)數(shù)最少的選取準(zhǔn)則，確定楊凌開(kāi)花時(shí)間性狀最適遺傳模型為E-0(2對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因模型)。三原點(diǎn)E-1模型有4個(gè)達(dá)到顯著差異而E-3模型有8個(gè)達(dá)到顯著差異，所以確定三原開(kāi)花時(shí)間性狀最適遺傳模型為E-1(2對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因模型)。

圖1 楊凌點(diǎn)B1、B2和F2群體開(kāi)花時(shí)間次數(shù)分布Fig.1 Frequency distribution of flowering time traits in B1,B2 and F2 populations of Yangling

圖2 三原點(diǎn)B1、B2和F2群體開(kāi)花時(shí)間次數(shù)分布Fig.2 Frequency distribution of flowering time traits in B1,B2 and F2 populations of Sanyuan

表3 備選模型相關(guān)參數(shù)Tab.3 Estimates on candidate models

注：MG、PG和MX分別表示主基因、多基因及主基因+多基因模型；A、D和I分別代表加性、顯性和上位性效應(yīng)。

Note:MG,PG and MX represent major gene, polygene and mixed major gene and polygene model;A,D and I represent additive,dominant and epistatic.

2.2.2 最適遺傳模型遺傳參數(shù)估算 按最小二乘法計(jì)算出成分分布參數(shù)，由成分分布參數(shù)估計(jì)遺傳參數(shù)(表4)。由表4知，同一環(huán)境下2對(duì)主基因加性效應(yīng)值(|da|=|db|)相等，說(shuō)明雙親中控制開(kāi)花的2對(duì)主基因加性效應(yīng)相同，但地區(qū)間差異較大，分別為0.68和1.64。兩地2對(duì)主基因顯性效應(yīng)值均表現(xiàn)|hb|>|ha|，即第2個(gè)主基因的顯性效應(yīng)大于第一個(gè)主基因的顯性效應(yīng)，顯性與加性的比值(|ha/da|和|hb/db|)多大于1，說(shuō)明控制開(kāi)花的2對(duì)主基因以顯性效應(yīng)為主，結(jié)合表1雙親雜交F1開(kāi)花時(shí)間偏向于早花親本，說(shuō)明早花性狀對(duì)晚花性狀為部分顯性。同時(shí)從表4還可以看出，控制開(kāi)花時(shí)間的2對(duì)基因存在一定程度的基因互作效應(yīng)(i、jab、jba和l)。

表4 E-0與E-1模型最適模型遺傳參數(shù)估計(jì)Tab.4 Estimates of genetic parameters under the E-0 and E-1 models

2.3 開(kāi)花時(shí)間分子標(biāo)記

2.3.1 分子標(biāo)記篩選 利用507對(duì)SSR引物對(duì)雙親YG-1和72-27-1-2進(jìn)行多態(tài)性篩選，結(jié)果105對(duì)引物在雙親間存在多態(tài)性，占引物總數(shù)的20.7%，部分引物的篩選結(jié)果見(jiàn)圖3。利用在親本間存在差異的引物進(jìn)行F2群體(127個(gè)單株)的多態(tài)性篩選，在50對(duì)引物中重復(fù)檢測(cè)出多態(tài)性，多態(tài)率為47.6%，獲得帶型清晰的標(biāo)記位點(diǎn)54個(gè)。圖4顯示了SSR引物BnGMS148在前60個(gè)F2單株中的擴(kuò)增結(jié)果。

圖3 部分SSR引物在親本間擴(kuò)增的結(jié)果Fig.3 The amplification results of SSR primers between two parents

圖4 引物BnGMS148在前60個(gè)F2單株中的擴(kuò)增結(jié)果Fig.4 The amplification results of the primer BnGMS148 in F2 population with first 60 lines

2.3.2 開(kāi)花時(shí)間與分子標(biāo)記的相關(guān)性分析 對(duì)挑選的F2極端類(lèi)型單株(極端早20株、極端晚20株)的開(kāi)花時(shí)間與54個(gè)標(biāo)記位點(diǎn)進(jìn)行相關(guān)性分析，并將各標(biāo)記引物序列在甘藍(lán)型油菜數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行Blast比對(duì)，相關(guān)分析結(jié)果及引物所在染色體位置見(jiàn)表5，在54個(gè)SSR標(biāo)記位點(diǎn)中，有7個(gè)SSR標(biāo)記位點(diǎn)與開(kāi)花時(shí)間呈顯著(P<0.05)或極顯著(P<0.01)相關(guān)，分別為cnu_m157a、BrgMS351、BnGMS148、BnGMS256-1、BnGMS256-2、BnGMS327及BnGMS370-2，其中，BnGMS256-2、BnGMS327、BnGMS370-23個(gè)位點(diǎn)與開(kāi)花時(shí)間呈極顯著(P<0.01)相關(guān)。通過(guò)序列比對(duì)，BrgMS351和BnGMS148位于A7上，cnu_m157a、BnGMS256-1、BnGMS256-2、BnGMS327和BnGMS370-2位于A9上。說(shuō)明本研究中控制開(kāi)花相關(guān)的位點(diǎn)可能位于A7和A9染色體上，且其開(kāi)花時(shí)間可能是由2個(gè)QTLs共同控制，與上述數(shù)量模型遺傳分析開(kāi)花時(shí)間由2對(duì)主基因控制結(jié)果一致。

表5 F2群體開(kāi)花時(shí)間與SSR 分子標(biāo)記相關(guān)性Tab.5 The correlation between flower time of F2population and SSR molecular markers

3 結(jié)論與討論

前人對(duì)植物數(shù)量性狀的遺傳研究,主要采用雙親本雜種或雙列雜交的世代雜種優(yōu)勢(shì)，運(yùn)用遺傳方差、均值、配合力等分析其性狀的整體基因效應(yīng)，但這些方法其結(jié)果僅能分析一組基因的綜合效應(yīng)，并不能分析其單個(gè)基因的效應(yīng)[13]。蓋鈞鎰[14]將混合分布理論與數(shù)量遺傳相結(jié)合，建立了主基因+多基因混合遺傳模型，并提出了一套鑒定主基因與多基因存在且量化其效應(yīng)值的方法，克服傳統(tǒng)經(jīng)典數(shù)量遺傳方法的缺點(diǎn)。近年已應(yīng)用到各類(lèi)作物的不同性狀上, 如甘藍(lán)型油菜莖稈強(qiáng)度[15]、株高[16]、分枝角度[17]、角果長(zhǎng)度[18]、氮素營(yíng)養(yǎng)效率[19]、黃瓜節(jié)間長(zhǎng)[20]、胡麻粗脂肪[21]、高粱株型[22]、小菊分枝[23]等都獲得了很好的研究進(jìn)展。

郭志剛[2]發(fā)現(xiàn)，油菜開(kāi)花主要受多基因調(diào)控，但存在主基因加顯性效應(yīng)，蔡長(zhǎng)春[3]利用DH群體在和政、武漢和肇慶三點(diǎn)研究認(rèn)為油菜開(kāi)花遺傳模型為G-1(3對(duì)加性-上位性主基因+多基因)和E-1(2對(duì)加性-上位性主基因+多基因)，即開(kāi)花時(shí)間受2對(duì)以上主基因控制，并受多對(duì)基因修飾效應(yīng)，三點(diǎn)主基因遺傳率分別為91.13%，63.05%和62.02%，多基因遺傳率分別為4.43%，1.58%和22.71%。羅玉秀等[4]應(yīng)用傳統(tǒng)遺傳分析方法研究DH群體認(rèn)為開(kāi)花期受2對(duì)加性基因控制，狹義遺傳率(h2G)為0.68。至此，甘藍(lán)型油菜開(kāi)花時(shí)間未見(jiàn)更多報(bào)道。隨著章元明教授對(duì)數(shù)量遺傳模型軟件的不斷優(yōu)化，對(duì)分析過(guò)程中遺傳參數(shù)的估算更加精確。本研究應(yīng)用最新分析軟件(更新于2018年5月22日)，對(duì)6世代群體開(kāi)花時(shí)間進(jìn)行遺傳分析，兩地試驗(yàn)結(jié)果表明，甘藍(lán)型油菜開(kāi)花時(shí)間適應(yīng)E-0與E-1模型，即主要受2對(duì)主基因控制，主基因遺傳率大于相應(yīng)世代多基因遺傳率，表明大田育種中開(kāi)花時(shí)間性狀適宜進(jìn)行早代選擇。本研究楊凌點(diǎn)開(kāi)花時(shí)間最適遺傳模型E-1與蔡長(zhǎng)春[3]研究結(jié)果保持一致，兩點(diǎn)開(kāi)花時(shí)間受2對(duì)主基因控制與羅玉秀等[4]2對(duì)主基因研究結(jié)果一致，只是加顯性效應(yīng)不同，究其原因可能與試驗(yàn)材料不同有關(guān)。這表明不同試驗(yàn)材料，控制油菜開(kāi)花的基因數(shù)目與效應(yīng)可能不同。

本試驗(yàn)構(gòu)建了可用于QTL與相關(guān)性分析的F2群體，并利用127個(gè)單株進(jìn)行研究，排除了遺傳背景不同和群體大小對(duì)相關(guān)性分析的影響，進(jìn)行標(biāo)記與性狀之間的相關(guān)性分析。而標(biāo)記與性狀的相關(guān)性分析是以多態(tài)性標(biāo)記位點(diǎn)與目標(biāo)數(shù)量性狀的表型進(jìn)行分析，若相關(guān)性顯著或極顯著則說(shuō)明標(biāo)記與性狀存在相關(guān)性。所以，若一個(gè)群體的性狀差異明顯，就可以通過(guò)標(biāo)記與性狀的相關(guān)性找出性狀與1個(gè)或多個(gè)標(biāo)記的遺傳相關(guān)性，若存在顯著相關(guān)，就可以認(rèn)為存在1個(gè)數(shù)量性狀位點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)表型到基因型的轉(zhuǎn)變[24]。本試驗(yàn)中共關(guān)聯(lián)到7個(gè)SSR標(biāo)記位點(diǎn)與開(kāi)花時(shí)間具有顯著或極顯著相關(guān)。標(biāo)記引物序列在甘藍(lán)型油菜數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)，分別位于A7和A9上，這表明本研究材料控制開(kāi)花相關(guān)位點(diǎn)可能位于A7和A9染色體，也說(shuō)明開(kāi)花時(shí)間可能是由2個(gè)QTL共同控制。Butruille等[25]利用冬油菜與春油菜雜交和回交群體，在A2、A3、A7、A8、A9、C2和C5染色體上定位到開(kāi)花期QTL，Lou等[26]利用IBM211與R500雜交創(chuàng)制的RILs群體，在A2、A3、A7、A9和A10定位到6個(gè)QTLs，柳海東[8]利用DH系在5個(gè)環(huán)境中共檢測(cè)到48個(gè)QTLs與開(kāi)花時(shí)間有關(guān)，分別位于染色體A2、A3、A5、A6、A7、A10、C2、C8上，本試驗(yàn)所得的與開(kāi)花時(shí)間相關(guān)的遺傳標(biāo)記分別位于A7和A9上，與前人研究結(jié)果比較找到的標(biāo)記較少，其原因可能主要是所用的SSR標(biāo)記數(shù)量較少，進(jìn)一步深入研究還需擴(kuò)大群體,采用更多的標(biāo)記引物，獲得更多距離目標(biāo)基因更近的分子標(biāo)記或主效QTL。