王學(xué)征,劉陽(yáng)萍,陳克農(nóng),趙正翔,孫蕾,高忠琦,朱子成,韓文灝,欒非時(shí)
(1.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北地區(qū)園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱 150030;2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院,哈爾濱 150030;3.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)研究生院,哈爾濱 150030)
西瓜[Citrullus lanatus(Thunb.)Mansf.]是原產(chǎn)于非洲的一年生水果型蔬菜作物,葫蘆科西瓜屬[1],因其種植效益高、消費(fèi)群體大,在世界主要農(nóng)業(yè)產(chǎn)區(qū)廣泛種植。西瓜位于世界十大果品中第五位,我國(guó)西瓜生產(chǎn)與消費(fèi)在世界上均排名第一,西瓜單果重是滿足消費(fèi)多樣化、提高產(chǎn)量的重要性狀[2-3]。因此,西瓜單果重遺傳變異是其種質(zhì)改良基礎(chǔ)[4-5]。
西瓜單果重、果型指數(shù)、座果率等產(chǎn)量性狀是西瓜重要育種目標(biāo)。研究表明,產(chǎn)量性狀均為復(fù)雜的數(shù)量性狀,易受環(huán)境影響[6-7]。即使相同研究群體在不同環(huán)境下遺傳特性也不同,數(shù)量性狀通常由多個(gè)基因控制,且傳統(tǒng)遺傳學(xué)僅獲得基因總體信息及遺傳效應(yīng),如果針對(duì)某一數(shù)量性狀進(jìn)行遺傳改良,需明確該性狀具體基因及遺傳信息,以便通過(guò)育種手段開展人工選擇。近年來(lái),隨著數(shù)量遺傳學(xué)與植物育種技術(shù)相結(jié)合,特別是植物數(shù)量性狀“主基因+多基因”混合遺傳模型出現(xiàn),可有效解決上述問題。主基因+多基因遺傳分離分析體系在園藝作物育種上應(yīng)用廣泛,如番茄單果重[8-9]、辣椒果實(shí)性狀[10]、南瓜果實(shí)性狀[11]、西葫蘆果長(zhǎng)[12]和果實(shí)整齊度[13]、黃瓜果型[14-15]、白菜葉綠素含量[16]、冬瓜果型[17]、茄子果型[18]及甜瓜葉色[19]等方面,上述研究明確主要園藝作物部分產(chǎn)量性狀遺傳特點(diǎn),為遺傳改良提供重要信息。但關(guān)于西瓜重要產(chǎn)量性狀主基因+多基因遺傳分析研究較少。
本研究以單果重差異較大西瓜品種Medium和西瓜品種COS為親本,構(gòu)建F2代群體,利用兩年兩點(diǎn)親本及F2代群體單果重?cái)?shù)據(jù),運(yùn)用主基因+多基因混合遺傳模型多世代聯(lián)合分析法,研究西瓜單果重遺傳方差和基因效應(yīng),以期揭示單果重性狀遺傳機(jī)制,輔助常規(guī)選擇育種,為加快西瓜遺傳育種提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。
親本材料:父本為西瓜品種Medium,平均單果重為6.53 kg,果實(shí)橫徑26.70 cm,果實(shí)縱徑28.41 cm,屬大果,為美國(guó)生態(tài)型;母本材料為西瓜品種COS,單果重為2.33 kg,果實(shí)橫徑18.61 cm,果實(shí)縱徑17.70 cm,屬小果,為東亞生態(tài)型。兩親本均由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)西甜瓜分子遺傳育種課題組提供,將兩個(gè)親本雜交配得到F1代,再將F1代自交得到F2代群體。
1.2.1 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)
2019年5~8月將兩親本、F1與F2代幼苗定植于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽(yáng)試驗(yàn)示范基地,父本、母本及F1代分別種植30株,共分為3個(gè)小區(qū),完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),3次重復(fù),株行距為35 cm×50 cm,小區(qū)面積為5.25 m2,F(xiàn)2代種植230株,株行距為35 cm×50 cm,小區(qū)面積為5.25 m2。正常田間管理雙蔓整枝,每株留瓜1個(gè)。待果實(shí)成熟時(shí)調(diào)查單果重性狀。2020年5~8月,將上述材料種植于東北農(nóng)業(yè)大學(xué)向陽(yáng)試驗(yàn)示范基地,種植株數(shù)、小區(qū)設(shè)計(jì)及田間管理均與上一年相同。
1.2.2 性狀調(diào)查
于成熟期采收西瓜果實(shí),選擇父母本及F1代發(fā)育正常、具有本品種特征果實(shí)4個(gè),稱重后計(jì)算平均單果重。采收F2群體單株,使用電子秤測(cè)量父本、母本、F1及F2群體所有西瓜單果重。
使用微軟Microsoft?Excel 2016錄入與整理所獲得田間數(shù)據(jù),計(jì)算平均數(shù);使用SPSS 24.0作描述性統(tǒng)計(jì)分析;使用SEA軟件作遺傳分析,采用6個(gè)世代主基因+多基因混合遺傳分離分析法,通過(guò)極大似然法和迭代ECM算法估計(jì)各世代、各相關(guān)成分分布參數(shù),然后通過(guò)赤池信息量準(zhǔn)則(Akaike's information criterion,AIC)即AIC最小值原則從備選模型中選擇相對(duì)最適模型,同時(shí)作適合性檢驗(yàn),選擇最優(yōu)模型,估計(jì)主基因及多基因相關(guān)遺傳參數(shù),計(jì)算遺傳率。
兩親本單果重性狀t測(cè)驗(yàn)結(jié)果如表1所示,母本COS單果重均值為2.33 kg,父本Medium單果重均值為6.53 kg,t值為16.837(P=0.0001),母本COS平均單果重極顯著低于父本Medium平均單果重。
表1 親本Medium、COS單果重性狀差異顯著性分析Table 1 Analysis on the difference of single fruit weight between parents Medium and COS
調(diào)查F2代分離群體,于2019年及2020年各得到205個(gè)單果重有效數(shù)據(jù)。圖1為兩年單果重頻次分布圖。將所得數(shù)據(jù)選用SPSS Statistics 24.0進(jìn)行分析,結(jié)果表明,F(xiàn)2代群體單果重兩年數(shù)據(jù)均分布于1.5~9.0 kg,其中2019年均值為4.31 kg,2020年均值為4.08 kg,群體中單果重并未全部介于親本之間,西瓜單果重性狀為數(shù)量性狀。
圖1 2019年及2020年F2單果重頻次分布Fig.1 Single fruit weight frequency distribution of F2 in 2019 and 2020
在SEA軟件 中 導(dǎo)入2019年 與2020年P(guān)1、P2、F1和F2群體單果重?cái)?shù)值,在默認(rèn)參數(shù)狀態(tài)下分析,得到所有遺傳模型極大似然值和AIC值(見表2和3)。根據(jù)遺傳模型選取的AIC值最小原則,選取兩年數(shù)據(jù)中AIC值最小的一組和接近的兩組作為備選模型。確定3個(gè)備選模型,分別是A-1(1MGAD)(主基因-加性+顯性)、A-1(1MG-A)(主基因-加性)、B-6(2MG-EAD)(主基因-等加性+顯性效應(yīng)),其中A-1(1MG-AD)模型AIC值最小,分別為706.1023和468.8904。
表2 2019年遺傳模型極大對(duì)數(shù)似然函數(shù)值和AIC值Table 2 Akaike information criterion(AIC)and maximum likelihood values(MLV)of genetic models in 2019
表3 2020年遺傳模型極大對(duì)數(shù)似然函數(shù)值和AIC值Table 3 Akaike information criterion(AIC)and maximum likelihood values(MLV)of genetic models in 2020
表4和5分別為對(duì)兩年西瓜單果重遺傳模型適合性檢驗(yàn)結(jié)果,同時(shí),包括一組(U12、U22、U32、nW2和Dn)適合性檢驗(yàn),選取統(tǒng)計(jì)量達(dá)到顯著水平個(gè)數(shù)較少模型為最優(yōu)模型。結(jié)果顯示,3個(gè)模型統(tǒng)計(jì)量均未達(dá)到差異顯著,根據(jù)AIC最小值原則,選擇A-1(1MG-AD)作為西瓜單果重最優(yōu)遺傳模型。
表4 2019年西瓜單果重遺傳模型適合性檢驗(yàn)Table 4 Suitability test of watermelon single fruit weight genetic model in 2019
運(yùn)用SEA軟件計(jì)算西瓜單果重最優(yōu)模型A-1(1MG-AD)一階和二階遺傳參數(shù),結(jié)果如表6所示。西瓜單果重主基因加性效應(yīng)da為-1.511,加性效應(yīng)為負(fù)向;單果重主基因顯性效應(yīng)為0.3802。西瓜單果重在F2群體中主基因遺傳率為64.4953%。
表6 西瓜單果重最佳模型一階和二階遺傳參數(shù)Table 6 First-order genetic parameter and second-order genetic parameter of watermelon single fruit weight module A-1(1MG-AD)
表5 2020年西瓜單果重遺傳模型適合性檢驗(yàn)Table 5 Suitability test of watermelon single fruit weight genetic model in 2020
續(xù)表
單果重是衡量園藝作物果實(shí)大小重要指標(biāo),同時(shí)是產(chǎn)量組成重要因子,單果重性狀屬于數(shù)量性狀,易受外界環(huán)境影響[20-21],目前主要應(yīng)用“主基因多基因遺傳模型分離與分析方法”鑒定主基因、多基因效應(yīng)及基因與環(huán)境相互作用[22-24]。園藝作物單果重性狀遺傳多數(shù)符合加性-顯性遺傳模型。徐錦華等研究表明,網(wǎng)紋甜瓜單果重遺傳主效應(yīng)為加性效應(yīng),且與非加性效應(yīng)共同作用[25]。樂素菊等[8]、李毅豐等[9]分別對(duì)番茄單果重進(jìn)行遺傳分析,結(jié)果表明,單果重性狀遺傳符合加性-顯性-上位性主基因+加性-多基因(MX2-ADI-ADI)模型,以基因加性效應(yīng)為主。陳鳳真對(duì)西葫蘆產(chǎn)量性狀進(jìn)行遺傳分析,結(jié)果表明,西葫蘆單果質(zhì)量遺傳為加性-顯性-上位性兩對(duì)主基因(B-1)遺傳模型[26];對(duì)單果質(zhì)量起主要作用的是顯性效應(yīng)與顯性×顯性互作效應(yīng)。蘇小俊等采用植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型分析普通絲瓜單果重遺傳特性,認(rèn)為普通絲瓜單果重遺傳受E-0遺傳模型控制,主基因遺傳率較高,環(huán)境方差比率較小[27]。
本研究選用單果重差異較大西瓜品種Medium和COS,利用其配置得到F1代,通過(guò)F1代自交得到F2代群體,通過(guò)測(cè)定親本、F1及F2代群體兩年單果重?cái)?shù)據(jù),分析單果重遺傳規(guī)律,表明西瓜單果重符合A-1(1MG-AD)模型,即由主基因+加性-顯性控制。單果重F2主基因遺傳率為64.4953%,顯性效應(yīng)為0.3802,加性效應(yīng)為負(fù)向,與上述研究結(jié)果一致。
明確西瓜單果重性狀遺傳特性,對(duì)單果重性狀改良育種具有重要意義。結(jié)合前人研究[28-30],分析本研究結(jié)果可知,西瓜單果重主基因遺傳率為64.4953%,說(shuō)明在選育過(guò)程中,環(huán)境因素影響比例較高,適宜在分離晚代進(jìn)行選擇,同時(shí)應(yīng)注意保持田間栽培條件及管理水平一致,盡量減少環(huán)境影響。影響西瓜單果重因素較多,如植株生長(zhǎng)勢(shì)(株高、莖粗等)、葉片數(shù)、葉片大小、果實(shí)縱橫徑及坐瓜節(jié)位等[31-33]。本研究?jī)H分析單果重性狀遺傳模型,下一步應(yīng)綜合上述性狀遺傳特性及性狀間相關(guān)性開展研究,為西瓜單果重性狀精準(zhǔn)改良提供參考。