袁 謙,趙永濤,張中州,甄士聰,望俊森,張立超,張文斐

(1.漯河市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,河南漯河 462300; 2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所,北京 100081)

小麥籽粒大小是千粒重的決定因素之一,直接影響小麥產(chǎn)量[1];同時小麥籽粒的形態(tài)與品質(zhì)有較強(qiáng)的相關(guān)性[2],是小麥育種的重要目標(biāo)性狀。在小麥育種過程中,對籽粒形態(tài)的評價主要通過目測法和人工測量法,但采用目測法評價誤差較大,不易量化;采用游標(biāo)卡尺人工測量的方法效率低,不能批量處理,耗時費力。隨著成像技術(shù)和圖像分析處理技術(shù)的發(fā)展,借助圖像分析處理軟件批量且準(zhǔn)確地測量籽粒形態(tài)成為可能[3-5]。目前,基于OpenCV、Matlab GUI等開發(fā)的圖像采集分析系統(tǒng)[6-7]以及Image J軟件[8]等已成功應(yīng)用于多種作物的表型研究,但操作復(fù)雜、對程序算法也要有一定的基礎(chǔ),難以在育種科研人員中廣泛推廣;谷物籽粒分析儀[9]能夠方便快捷地采集多個表型信息,但價格昂貴,對于基層育種單位負(fù)擔(dān)較重。Tanabata等[10]開發(fā)的SmartGrain軟件具有操作簡單、成本低廉等優(yōu)點,同時可實現(xiàn)高通量分析處理,是較理想的表型分析工具,目前已在小麥、水稻等作物籽粒研究中得到應(yīng)用[11-12]。

小麥籽粒形態(tài)包括籽粒的長、寬、厚、長寬比、周長、面積以及圓度等因素,是重要的農(nóng)藝性狀[13],解析其遺傳機(jī)制對小麥高產(chǎn)育種具有重要意義。主基因+多基因混合遺傳分析方法可以鑒別主效基因和微效基因,同時明確基因的效應(yīng)及基因間的效應(yīng)[14],是一種廣泛應(yīng)用的數(shù)量性狀遺傳分析方法,已經(jīng)用于小麥抗病性[15-17]、品質(zhì)[18]、產(chǎn)量性狀[19-21]及其他重要農(nóng)藝性狀[22-23]的遺傳分析研究中。漯麥76是漯河市農(nóng)業(yè)科學(xué)院利用人工合成小麥材料選育的小麥新品種,豐產(chǎn)性突出,具有大粒、大穗、多穗等優(yōu)異特性,在河南省小麥統(tǒng)一試驗中表現(xiàn)優(yōu)異,品種比較試驗、區(qū)域試驗和生產(chǎn)試驗均為產(chǎn)量第一,三年完成試驗程序,并于2022年通過河南省初審。本研究以漯麥76為研究材料構(gòu)建6世代聯(lián)合群體,通過SmartGrain軟件進(jìn)行圖像分析獲得籽粒性狀數(shù)據(jù),利用主基因+多基因混合遺傳分析方法明確大粒性狀的遺傳效應(yīng),以期為進(jìn)一步利用小麥創(chuàng)新種質(zhì)提供 指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

漯麥76和L529是由漯河市農(nóng)業(yè)科學(xué)院分別利用人工合成小麥和偃麥草創(chuàng)制的小麥新種質(zhì)。漯麥76具有千粒重高、籽粒商品性好、成穗率高等優(yōu)異特性;L529具有赤霉病抗性好、多穗等優(yōu)異特性,但籽粒性狀一般。2019年以L529(P1)為母本、漯麥76(P2)為父本雜交獲得F1群體;2020年F1自交獲得F2群體,F1分別利用P1和P2回交獲得B1和B2群體。

1.2 試驗方法

2020年秋,在漯河市農(nóng)業(yè)科學(xué)院試驗田種植4個世代6個聯(lián)合群體(P1、P2、F1、F2、B1和B2)。行長2.5 m,行距0.25 m,每行點播30粒種子,P1、P2和F1各種植3行,F2、B1和B2各種植24行,整個生育期常規(guī)田間管理。于小麥蠟熟期收獲主莖穗,人工脫粒,保證凈度,晾干后備用。分別獲得P1、P2和F1群體材料31、32和40份,F2、B1和B2群體材料168、255和174份。

用SmartGrain軟件測量獲得小麥籽粒表型數(shù)據(jù)[24]。將種子均勻分散平鋪于掃描儀面板,背景設(shè)置為黑色,掃描圖片的分辨率設(shè)置為200 dpi,保存格式為TIFF,將所有圖片保存于同一文件夾,圖片不需要經(jīng)過任何處理,直接用SmartGrain軟件處理獲得籽粒面積、粒長、粒寬、長寬比、周長和圓度以及穗粒數(shù)等表型數(shù)據(jù)。每份試驗材料種子用電子天平稱量獲得單穗重,并結(jié)合穗粒數(shù)計算千粒重(1 000×單穗重/穗粒數(shù))。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用R軟件對6個群體的7個籽粒性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計分析,并采用Shapiro-Wilk檢驗方法計算W值和P值,進(jìn)行正態(tài)性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 描述性統(tǒng)計分析結(jié)果

對P1、P2和F1群體的7個籽粒性狀進(jìn)行差異分析,由表1可知,親本L529(P1)和漯麥76(P2)間籽粒的千粒重、面積、周長、粒長、粒寬5個性狀差異均達(dá)到極顯著水平,但長寬比和圓度差異不顯著,說明兩個親本籽粒形狀相似,但大小差異較大。L529和漯麥76的千粒重分別為37.44和52.44 g,籽粒面積分別為19.69和55.51 mm2,籽粒周長分別為18.31和19.58 mm,粒長分別為6.97和 7.45 mm,粒寬分別為3.75和 4.01 mm,F1的這5個籽粒性狀均介于兩個親本之間,未表現(xiàn)出超親分離現(xiàn)象,但均更接近大粒親本漯麥76。

表1 不分離世代群體籽粒性狀的描述性統(tǒng)計

對分離世代群體(F2、B1和B2)的千粒重、籽粒面積、籽粒周長、粒長、粒寬5個籽粒性狀進(jìn)行分析,由表2可知,分離世代群體中千粒重最大值與最小值差值介于43.91～54.19 g之間,變異系數(shù)介于15.04%～20.45%之間;籽粒面積最大值與最小值差值介于16.16～20.47 mm2之間,變異系數(shù)介于16.50%～17.53%之間;籽粒周長最大值與最小值差值介于8.27～9.70 mm之間,變異系數(shù)介于8.44%～9.14%之間;粒長最大值與最小值差值介于3.18～3.56 mm之間,變異系數(shù)介于8.59%～8.88%之間;粒寬最大值與最小值差值介于1.48～2.20 mm之間,變異系數(shù)介于 8.03%～9.90%之間。說明分離世代群體籽粒性狀表型變異豐富,明顯高于P2、P2和F1群體,且有超親現(xiàn)象。分離世代偏度和峰度絕對值均小于1,初步判斷服從正態(tài)分布。Shapiro-Wilk檢驗結(jié)果表明,P值均小于W值,所以分離世代數(shù)據(jù)均符合正態(tài)分布,適合進(jìn)行遺傳分析。

表2 分離世代群體籽粒性狀的描述性統(tǒng)計

2.2 最優(yōu)遺傳模型的確定

對6個群體籽粒的千粒重、面積、周長、粒長和粒寬分別進(jìn)行主基因+多基因混合遺傳模型分析,得到1對主基因、2對主基因、多基因、1對主基因+多基因、2對主基因+多基因共5類24種遺傳模型。根據(jù)最優(yōu)模型的選取原則,選取AIC值最小或接近最小的3個模型作為備選模型(表3)。其中,千粒重的MX2-ADI-AD、2MG-ADI和MX2-ADI-ADI模型AIC值較小,分別為 4 837.53、4 842.01和4 844.49;籽粒面積的PG-ADI、MX1-AD-ADI和2MG-ADI模型AIC值較小,分別為3 636.19、3 640.19和3 644.31;籽粒周長的2MG-ADI、MX2-ADI-ADI和MX2-ADI-AD模型AIC值較小,分別為2 603.88、2 607.84和2 608.70;粒長的PG-ADI、2MG-ADI和MX2-ADI-ADI模型AIC值較小,分別為1 234.28、 1 234.35和1 235.55;粒寬的2MG-ADI、MX2-ADI-AD和PG-ADI模型AIC值較小,分別為429.47、429.60和432.76。

表3 籽粒性狀備選模型的極大似然函數(shù)值和AIC值及其適合性檢驗

2.3 遺傳參數(shù)估計

利用R軟件包SEA v2.0根據(jù)最小二乘法原理對千粒重、籽粒面積、籽粒周長、粒長、粒寬5個籽粒性狀的最優(yōu)模型進(jìn)行一階遺傳參數(shù)和二階遺傳參數(shù)估計(表4)。千粒重的最佳遺傳模型為2對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因混合遺傳模型(MX2-ADI-ADI)。由一階遺傳參數(shù)可知,控制千粒重的2對主基因為負(fù)向的加性效應(yīng),效應(yīng)值均為-5.19;顯性效應(yīng)為正向效應(yīng),效應(yīng)值分別為1.28和1.27,2對主基因熱能比值(ha/da、hb/db)絕對值均小于1,說明2對主基因均以加性效應(yīng)為主。2對主基因的加性×加性上位性效應(yīng)和顯性×顯性上位性效應(yīng)均為負(fù)值,且絕對值遠(yuǎn)大于加性×顯性上位性效應(yīng)和顯性×加性上位性效應(yīng),進(jìn)一步說明2對主基因的遺傳效應(yīng)以負(fù)向加性效應(yīng)為主,說明小粒親本對后代千粒重的負(fù)向影響較大,配制組合易采用“高粒重×高粒重”組合配制方案。由二階遺傳參數(shù)可知,3個分離世代(F2、B1和B2)千粒重的主基因+多基因遺傳率分別為83.80%、59.44%和77.61%,說明千粒重主要受遺傳因素控制;主基因遺傳率分別為 66.88%、39.58%和59.38%,均遠(yuǎn)大于多基因遺傳率,說明在千粒重的遺傳貢獻(xiàn)中以主基因為主。

表4 籽粒各性狀最佳遺傳模型的遺傳參數(shù)

籽粒面積的最佳遺傳模型為加性-顯性-上位性多基因遺傳模型(PG-ADI)。由二階遺傳參數(shù)可知,3個分離世代(F2、B1和B2)籽粒面積的多基因遺傳率分別為44.81%、24.37%和35.95%,說明籽粒面積受環(huán)境因素影響較大,遺傳因素起到一定作用,在F2和B2分離世代中遺傳因素影響稍大。因此,宜采用多環(huán)境鑒定的方法進(jìn)行選擇。

籽粒周長的最佳遺傳模型為2對加性-顯性-上位性主基因遺傳模型(2MG-ADI)。由一階遺傳參數(shù)可知,控制籽粒周長的2對主基因為負(fù)向的加性效應(yīng),效應(yīng)值均為-0.35,顯性效應(yīng)也均為負(fù)向效應(yīng),效應(yīng)值分別為-2.15和-2.68,2對主基因的勢能比值(ha/da、hb/db)絕對值分別為 6.14和7.66,遠(yuǎn)大于1,說明2對主基因以負(fù)向的顯性效應(yīng)為主;上位性效應(yīng)以顯性×顯性上位性效應(yīng)為主,效應(yīng)值為4.25,大于其他上位性效應(yīng),且大于其他上位性效應(yīng)絕對值之和,該上位性效應(yīng)為正向效應(yīng),說明2對主基因可能為隱性基因,穩(wěn)定純合后會獲得較好的正向效應(yīng),宜在高代進(jìn)行選擇。由二階遺傳參數(shù)可知,3個分離世代(F2、B1和B2)籽粒周長的主基因遺傳率分別為52.91%、42.91%和53.16%,說明遺傳效應(yīng)占主要作用,但受環(huán)境因素影響較大,在育種時應(yīng)注重構(gòu)建F2和B2分離世代進(jìn)行選擇。

粒長的最佳遺傳模型為加性-顯性-上位性多基因遺傳模型(PG-ADI)。由二階遺傳參數(shù)可知,3個分離世代(F2、B1和B2)粒長的多基因遺傳率分別為40.63%、37.08%和33.43%,說明粒長受環(huán)境因素影響也較大,但遺傳因素也起到一定作用,在F2和B1分離世代中遺傳因素影響稍大。因此,宜采用多環(huán)境鑒定的方法進(jìn)行選擇。

粒寬的最佳遺傳模型為2對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因混合遺傳模型(MX2-ADI-AD)。由一階遺傳參數(shù)可知,控制粒寬的2對主基因為正向加性效應(yīng),效應(yīng)值均為0.09,顯性效應(yīng)均為負(fù)向,效應(yīng)值分別為 -0.41和-0.33,顯性×顯性上位性效應(yīng)為正向,為 0.71,大于其他遺傳效應(yīng),說明2對主基因的遺傳效應(yīng)以負(fù)向顯性效應(yīng)為主,在高代基因純合后進(jìn)行選擇可取得較好的效果。由二階遺傳參數(shù)可知,3個分離世代(F2、B1和B2)粒寬的主基因遺傳率分別為60.24%、38.26%和53.14%,均遠(yuǎn)大于多基因遺傳率(0.01%、0.01%和 8.10%),說明粒寬受主基因效應(yīng)控制,同時也受環(huán)境因素影響,在F2和B2分離世代中具有較高的主基因遺傳率,育種中應(yīng)優(yōu)先選擇F2和B2分離世代。

3 討 論

隨著小麥基因組學(xué)[26]和快速加代技術(shù)[27]的發(fā)展,小麥育種效率逐步提高,而傳統(tǒng)常規(guī)育種方法所采用的目測法效率低、工作量大、無法對表型進(jìn)行量化分析[7],這成為小麥育種發(fā)展急需解決的問題?；趫D像分析能夠快速、準(zhǔn)確、無損地獲取表型信息。肖 杰等[24]采用SmartGrain軟件法與游標(biāo)卡尺測量法對小麥籽粒形態(tài)進(jìn)行測量比較,結(jié)果顯示,SmartGrain軟件測量的粒長和粒寬的相對誤差小于3%,且兩種方法所測數(shù)據(jù)呈極顯著線性相關(guān)?；诖?王 娜等[11]采用SmartGrain軟件法解析了小麥NaN3誘變?nèi)后w籽粒性狀的遺傳變異規(guī)律;張 健等[12]采用SmartGrain軟件法采集了水稻RIL群體的籽粒表型數(shù)據(jù),并定位了水稻籽粒大小相關(guān)性狀QTL。本研究借鑒了前人的方法,采用SmartGrain軟件對小麥籽粒圖像進(jìn)行處理分析,獲得籽粒形態(tài)信息,同時應(yīng)用于小麥育種工作,為小麥育種量化分析提供了指導(dǎo)。

小麥籽粒形態(tài)和千粒重是復(fù)雜的數(shù)量性狀[13],籽粒面積、周長、粒長和粒寬是籽粒形態(tài)的重要決定因素,而大粒型小麥種質(zhì)資源是小麥高產(chǎn)育種的重要基礎(chǔ)。研究大粒型小麥新種質(zhì)籽粒性狀的遺傳規(guī)律是提高高產(chǎn)育種效率的重要前提,為合理構(gòu)建選擇群體和指導(dǎo)后代選擇提供重要依據(jù)。本研究對大粒型小麥新種質(zhì)漯麥76和普通小麥種質(zhì)L529構(gòu)建的4個世代6個群體進(jìn)行遺傳分析,結(jié)果表明,千粒重最佳模型為兩對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因遺傳模型,這與楊興圣等[21]的研究結(jié)果一致,但2對主基因的遺傳效應(yīng)有所不同,本研究中控制千粒重的2對主基因是負(fù)向等加性效應(yīng)。本研究發(fā)現(xiàn),籽粒面積和粒長的最佳模型均為加性-顯性-上位性多基因遺傳模型,籽粒面積和粒長的多基因遺傳率分別為24.37%～44.81%和33.43%～40.63%,受環(huán)境影響較大。余曼麗等[28]分別檢測到有5和12個QTL控制籽粒面積和粒長;楊興圣等[21]研究表明,粒長屬于加性-顯性-上位性多基因遺傳模型,這與本研究結(jié)果一致;而陳佳慧等[29]檢測到粒長受2個QTL控制。原因有待進(jìn)一步研究。本研究中籽粒周長的最佳模型為兩對加性-顯性-上位性主基因遺傳模型。余曼麗等[28]檢測到有10個QTL控制籽粒周長,但有2個QTL能夠在兩年環(huán)境中檢測到。本研究中粒寬的最佳模型為兩對加性-顯性-上位性主基因+加性顯性多基因遺傳模型,與楊興圣等[21]的研究結(jié)果一致。

4 結(jié) 論

通過對大粒型小麥新種質(zhì)漯麥76配制的4個世代6個聯(lián)合群體進(jìn)行遺傳分析,結(jié)果表明,千粒重的最佳模型為MX2-ADI-ADI(兩對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因遺傳模型),2對主基因的遺傳效應(yīng)以負(fù)向等加性效應(yīng)為主,以負(fù)向的顯性×顯性上位性效應(yīng)為輔,說明千粒重性狀受低粒重親本影響較大,宜采用“高粒重×高粒重”的組合配制方案;籽粒面積和粒長的最佳模型均為PG-ADI(加性-顯性-上位性多基因遺傳模型),受環(huán)境因素影響較大,宜采用多年多點的種植方案進(jìn)行選擇;籽粒周長的最佳模型為2MG-ADI(兩對加性-顯性-上位性主基因遺傳模型),2對主基因以負(fù)向的顯性效應(yīng)為主,正向的顯性×顯性上位性效應(yīng)為輔,宜在高代基因純合后進(jìn)行選擇;粒寬的最佳模型為MX2-ADI-AD(兩對加性-顯性-上位性主基因+加性顯性多基因遺傳模型),2對主基因以負(fù)向的顯性效應(yīng)為主,正向的顯性×顯性上位性效應(yīng)為輔,同時主基因遺傳率遠(yuǎn)大于多基因遺傳率,宜在高代基因純合后進(jìn)行選擇。綜上,對籽粒性狀的選擇,應(yīng)采用“高粒重×高粒重”的組合配制方案構(gòu)建F2和B2選擇群體,多環(huán)境鑒定,以低代寬高代嚴(yán)的選擇標(biāo)準(zhǔn),在高代對大粒性狀進(jìn)行選擇。