葉福民馬 策張曉波張文洋李 振閆 燁阮 芳

(遼寧省經(jīng)濟(jì)作物科學(xué)研究所,遼寧 遼陽 111000)

菊花(Chrysanthemummorifolium)在園林綠化和城市美化中相當(dāng)普遍,是世界四大切花之一[1]。 傳統(tǒng)的雜交育種方式,仍然是目前菊花最為常見的育種手段。 由于菊花本身的自交不親和性、高度雜合性和高倍性等遺傳特點(diǎn),導(dǎo)致菊花雜交育種研究,無法像大田作物那樣從培養(yǎng)純系親本入手,進(jìn)行進(jìn)一步的研究,因此人們提出了主基因多基因混合遺傳模型分離分析方法,即依據(jù)作物特定雜交后代的某性狀的全部表型觀測值,通過模型模擬推測出該性狀的基因組分的研究方法,目前已在菊花[1～8]、小麥[9]、大麥[10]、水稻[11]、燕麥[12]、一串紅[13]、連翹[14]等作物上得到廣泛應(yīng)用。

前人研究主要集中于切花菊雜交F1后代抗性與花部性狀方面,對其莖部與葉部的觀賞性狀研究較少。 本研究采用主基因+多基因分析方法,以切花菊F1雜交群體各部位共17 個(gè)觀賞性狀的表型觀測數(shù)據(jù)為研究對象,分析其數(shù)量性狀的混合遺傳模型和基因作用方式,估計(jì)主基因的遺傳效應(yīng)和遺傳方差,為深入理解菊花遺傳特性和菊花雜交親本選配育提供理論依據(jù),為今后切花菊分子標(biāo)記輔助育種與優(yōu)良性狀QTL 定位奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1. 1 試驗(yàn)材料

選取保存于遼寧省經(jīng)濟(jì)作物科學(xué)研究所的黃色多頭小花型切花秋菊品種rossi 黃(Rossi yellow)和紅色多頭小花型切花秋菊品種紅菊復(fù)色(Red chrysanthemum complex color),兩個(gè)品種經(jīng)多年無性栽培鑒定,表型性狀表現(xiàn)穩(wěn)定。 2019 年10 月,以rossi 黃為母本,紅菊復(fù)色為父本,用棉簽粘花粉涂抹在柱頭上并套袋標(biāo)記,2020 年3 月采收花頭并獲得F1代雜交種子,2020 年4 月初穴盤點(diǎn)播并上遮陽網(wǎng),每日澆水3 次直至出苗。 于5 月中下旬編號并定植在溫室內(nèi)(塑料缽定植),除定植時(shí)澆透1 遍水,以后根據(jù)土壤情況每隔3 ～5 d 澆水1 次。 待株高20 cm 以上時(shí)移栽到試驗(yàn)冷棚中,行間距為10 cm×10 cm,栽培環(huán)境和管理方式與溫室常規(guī)栽培相同。 花期不進(jìn)行抹芽抹蕾操作,以秋季開花的108 株作為性狀統(tǒng)計(jì)群體。

1. 2 試驗(yàn)方法

1. 2. 1 田間性狀調(diào)查 2020 年10 月開始調(diào)查F1群體植株的觀賞性狀,各性狀由單株重復(fù)測量3 次。 具體調(diào)查方法參考《植物新品種特異性、一致性和穩(wěn)定性測試指南:菊花》(表1)(2011)。

表1 切花菊觀賞性狀調(diào)查目錄Table 1 Catalogue of Chrysanthemum Ornamental Trait

1. 2. 2 描述性統(tǒng)計(jì)分析及相關(guān)分析 采用excel 2003 軟件與SPSS 22 軟件進(jìn)行基本描述性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,采用R 語言corrplot 包繪制各表型性狀間的相關(guān)分析圖。

1. 2. 3 菊花營養(yǎng)性狀的混合遺傳分析 以性狀調(diào)查的3次平均值為基礎(chǔ)進(jìn)行混合遺傳分析。 采用植物數(shù)量性狀混合遺傳模型的主基因+多基因分析方法中的單個(gè)F2世代的分離分析方法,運(yùn)用R 語言SEA 數(shù)量遺傳分析統(tǒng)計(jì)包。 對菊花F1單株(株系)測量數(shù)據(jù)用A,B2 類11 種遺傳模型配合表型次數(shù)分布求出各種遺傳模型的極大似然函數(shù)值(maximumlikelihoodvalue,MLV),由極大似然函數(shù)值計(jì)算出AIC(Akaike’sinformationcriterion)值。 然后通過AIC 值選擇供選的相對最佳模型,同時(shí)進(jìn)行一組適合性檢驗(yàn),包括均勻性檢驗(yàn)U12,U22,U32,Smirnov 檢驗(yàn)(nW2),Kolmogorov 檢驗(yàn)(Dn),根據(jù)AIC 值最小或相對小且統(tǒng)計(jì)量達(dá)到顯著性水平(P＜0.05)個(gè)數(shù)較少的模型作為終選的最優(yōu)遺傳模型。 根據(jù)最優(yōu)模型采用最小二乘法估計(jì)出主基因的效應(yīng)值、方差、主基因遺傳率等遺傳參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2. 1 多頭切花秋菊觀賞性狀在F1 代的表型分布

多頭切花秋菊17 個(gè)觀賞性狀在F1代的描述性數(shù)據(jù)分析見表2。 結(jié)果表明:17 個(gè)觀賞性狀在菊花F1群體中分離比較廣泛,變異系數(shù)最大的性狀為梗長(62. 99%),變異系數(shù)最小的性狀葉厚(18. 22%)。 變異系數(shù)均大于15%,進(jìn)一步證明了菊花的高度雜合性,為遺傳分析提供了較好的遺傳差異基礎(chǔ)。

表2 F1 觀賞性狀表型統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of phenotypic traits in F1 population

花徑、瓣長、梗粗、莖粗、葉寬的偏度或峰度絕對值大于1,呈現(xiàn)出明顯的正偏性和極端性;除這5 個(gè)性狀外的其他12 個(gè)性狀的偏度和峰度絕對值均小于1,與正態(tài)曲線擬合較好。

2. 2 多頭切花秋菊雜交F1 群體觀賞性狀最適遺傳模型分析

利用植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型單個(gè)分離世代的分離分析方法,對本研究中菊花F1世代的觀賞性狀表型數(shù)據(jù)均值進(jìn)行混合遺傳模型分析。

首先計(jì)算11 種遺傳模型與表型資料的配合結(jié)果,得到AIC 值(表3)。 然后根據(jù)遺傳模型選取的原則,即AIC值最小準(zhǔn)則,選取AIC 值最小的3 組遺傳模型作為備選最適模型。 以花徑為例,比較各模型下的計(jì)算結(jié)果,AIC值較小的模型有0MG、1MG-AD、2MG-ADI 這3 種模型,其值分別為285.84、283. 62、285. 18,可以作為備選最適模型。

表3 F1 群體觀賞性狀分離分析AIC 值Table 3 Segregation analysis of AIC value of ornamental characters in F1 population

綜合各性狀相關(guān)性(圖1)可得出:菊花F1代雜交后代中,顯著性相關(guān)的觀賞性狀間均呈現(xiàn)正向關(guān)聯(lián)性。 其中與花徑和瓣長相關(guān)的觀賞性狀最多(11 個(gè)),與筒花和葉厚相關(guān)的表型性狀最少(2 個(gè))。 對F1群體的表型性狀進(jìn)行頻率分布分析(見圖1),結(jié)果表明,除瓣寬(雙峰分布)以外的16 個(gè)性狀都呈現(xiàn)單峰分布,接近正態(tài)分布,符合數(shù)量性狀的特點(diǎn)。

圖1 F1 表型性狀相關(guān)分析和頻率分布Figure 1 Correlation analysis and frequency distribution of F1 phenotypic traits

利用U12,U22,U32,nW2和Dn 對各觀賞性狀挑出的3個(gè)備選模型進(jìn)行適合性檢驗(yàn)(表4),選擇統(tǒng)計(jì)量達(dá)到顯著個(gè)數(shù)最少的模型作為最優(yōu)模型,例如花徑的3 個(gè)模型的統(tǒng)計(jì)量均未達(dá)到顯著水平(P＜0.05)。 但是1MG-AD 模型的AIC 值最小,即1MG-AD 模型的適合性高于其他模型,表明1MG-AD 模型能夠?qū)栈ɑ◤降倪z傳作出充分解釋,可以作為菊花花徑的最優(yōu)模型。 說明在本研究中,菊花花徑由一對主基因控制,主基因表現(xiàn)為加性—顯性,筒莖無主基因控制,可能表現(xiàn)為受環(huán)境因素影響較大的多基因控制。

表4 入選模型的適合性檢驗(yàn)Table 4 Test for goodness-of-fit of selected genetic model

注:顯著性下劃線表示p 值小于0.05,模型下劃線表示AIC 值最小的模型。

2. 3 遺傳參數(shù)估計(jì)

根據(jù)各性狀遺傳模型參數(shù)的極大似然估計(jì)值,估計(jì)最佳最適遺傳模型的遺傳參數(shù)(表5)。 結(jié)果表明:花徑、梗長、株高、葉柄長度由一對主基因控制;舌花、瓣長、瓣寬和葉厚由2 對主基因控制。 瓣寬和株高的主基因遺傳率h2mg(%)達(dá)到98. 48%和72. 91%,為本次試驗(yàn)的最大值,進(jìn)而表明環(huán)境因素對其表型變異的影響程度較小。

表5 切花菊F1 代觀賞性狀在各最優(yōu)模型下遺傳參數(shù)的估計(jì)值Table 5 Estimation of genetic parameters of ornamental characters in F1 generation

除了無主基因控制(模型為0MG,此時(shí)所有遺傳參數(shù)無法估計(jì))的性狀外,表5 中第一、二對主基因的加性效應(yīng)均表現(xiàn)為正向增效;除葉厚以外的第一對主基因的顯性效應(yīng)均為負(fù)向效應(yīng),主基因遺傳率最大的性狀為瓣寬(98.48%),最小的性狀為花徑(38.11%)。

以瓣長為例進(jìn)行分析,在瓣長性狀中,da 大于db,但是絕對值相差不大,表明主基因的加性效應(yīng)中,第一對主基因起較大的加性效應(yīng),ha 和hb 均為負(fù)值,表示起減效作用 ,|ha|大于|hb|,表明第一對主基因的顯性效應(yīng)較大。 顯性度(ha/da 及hb/db)均小于1,說明控制性狀的2對主基因以加性效應(yīng)為主。

3 結(jié)論與討論

3. 1 多頭切花秋菊雜交F1 群體觀賞性狀的遺傳多樣性

表型性狀的多樣性是育種工作的基礎(chǔ),了解和掌握雜交群體表型性狀的多樣性水平和變異程度,對于新品種培育具有重要意義[12]。 本研究選擇顏色差異較大的rossi 黃與紅菊復(fù)色進(jìn)行雜交,擴(kuò)展了其雜交后代的遺傳基礎(chǔ),各觀賞性狀的變異系數(shù)為18.22%～74. 65%。 根據(jù)李娟娟等對遺傳判定的標(biāo)準(zhǔn)[13],本研究中各項(xiàng)性狀遺傳變異度均大于15%,達(dá)到中等水平以上,性狀分離廣泛,具有較大的遺傳改良潛力。

3. 2 多頭切花秋菊雜交F1 群體表型性狀的相關(guān)性與實(shí)際應(yīng)用

通過對表型性狀之間的相關(guān)性研究,可在育種中合理利用不同性狀間的關(guān)系,來預(yù)測相關(guān)的性狀表現(xiàn),有效提高育種效率,加快育種進(jìn)程[14]。 本次試驗(yàn)表明:多頭切花秋菊雜交F1群體各個(gè)數(shù)量性狀之間,部分性狀存在顯著相關(guān)性,且全部是正向相關(guān)。 但從觀賞角度而言,某些性狀在一定的范圍內(nèi)才會受到人們的認(rèn)可,例如出口切花菊標(biāo)準(zhǔn)的花梗長度在1.6 ～2.0 cm 左右,過高的長度會導(dǎo)致菊花品質(zhì)下降,出口價(jià)格降低。 因此,在進(jìn)行優(yōu)良品種選育時(shí),可優(yōu)先選育花部性狀,并通過環(huán)境因素、激素、化肥調(diào)控等多方面來進(jìn)行莖葉性狀的調(diào)節(jié)。

3. 3 多頭切花秋菊雜交F1 群體觀賞性狀的遺傳效應(yīng)分析

本次試驗(yàn)表明:舌狀花瓣數(shù)、瓣寬、梗長、株高、葉厚的主基因遺傳力分別為 67. 16%、98. 48%、62. 32%、72.91%和74.85%,均大于 50%,屬于高度遺傳力,受環(huán)境影響較小,在早期世代即可進(jìn)行選擇[15]。 而剩余的觀賞型數(shù)量性狀則需多世代培育來進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)。

本次試驗(yàn)的多頭切花秋菊雜交F1群體的花徑、舌花、瓣長、瓣寬、梗長、株高、葉柄、葉厚這八個(gè)數(shù)量性狀具有明顯的主基因效應(yīng)。 而其他性狀仍然是由多基因控制的,這與歷年研究并非完全一致。 例如:本研究得出切花菊雜交的F1群體舌狀花瓣數(shù)由兩對加性—顯性—上位性主基因控制,且主基因遺傳率大于50%,兩對主基因的加性效應(yīng)均為正向,這與付瀚森等研究結(jié)果一致[16]。 本研究結(jié)果表明切花菊雜交的F1群體株高表現(xiàn)為1 對主基因控制,而奧妮等研究得出,切花菊品種‘Q1-81’和‘蒙白’正交的F1代株高顯示為無主基因控制,而反交結(jié)果顯示菊花的F1代株高表現(xiàn)為加性—顯性—上位性的兩對主基因控制[1]。 筆者推測,所選雜交親本的不同、母體遺傳效應(yīng)、實(shí)際田間管理不同等因素均可能會對植株的表觀性狀造成一定影響,今后會從多方面對切花菊雜交的觀賞性狀遺傳進(jìn)行研究。