蘇百童,閻世江
(1.許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院 河南許昌 461000; 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院 太原 030031)
番茄(Lycopersicon esculentumMill.)起源于美洲,傳入我國(guó)之后,種植面積日益擴(kuò)大,尤其在我國(guó)北方設(shè)施栽培中面積居第一位,但在設(shè)施栽培的過(guò)程中如遇低溫逆境,對(duì)其生長(zhǎng)發(fā)育、品質(zhì)形成有較大的影響[1]。因此,培育耐低溫性較強(qiáng)的番茄專用品種成為學(xué)者的研究熱點(diǎn)。為加快選育過(guò)程,首先應(yīng)明確番茄耐低溫性的遺傳規(guī)律。國(guó)內(nèi)外研究者已有報(bào)道,Vos 等[2-3]研究在低溫下番茄種子的發(fā)芽能力、花粉萌發(fā)能力的遺傳,認(rèn)為環(huán)境影響較大;Scott 等[4]研究在低溫下番茄坐果能力的遺傳規(guī)律;Femandez 等[5]研究在低溫下番茄果實(shí)發(fā)育速度的遺傳規(guī)律,結(jié)果顯示控制坐果能力、果實(shí)發(fā)育速度的性狀屬于數(shù)量性狀,其遺傳規(guī)律符合加性-顯性模型。林多等[6]給予番茄幼苗19 ℃/10 ℃的低溫處理,研究幼苗生長(zhǎng)的遺傳規(guī)律,研究認(rèn)為生長(zhǎng)速度符合加性-顯性模型,該性狀的遺傳屬于不完全顯性,加性效應(yīng)較強(qiáng),狹義遺傳力達(dá)93.98%。上述學(xué)者在研究時(shí)采用的均是經(jīng)典的Hayman 方法,可以從總體上估算加性效應(yīng)、顯性效應(yīng),無(wú)法估算單一基因的遺傳,有一定的局限性。近年來(lái),蓋鈞鎰等[7]經(jīng)過(guò)深入的研究總結(jié)出一套全新的數(shù)量性狀遺傳分析方法,即主基因+多基因聯(lián)合遺傳模型分析法。禹山林等[8]對(duì)花生種子含油量,韓柱強(qiáng)等[9]對(duì)花生油酸、亞油酸含量,馬雪霞等[10]對(duì)亞洲棉纖維品質(zhì)和產(chǎn)量性狀,閆世江等[11-12]對(duì)黃瓜在低溫下的生長(zhǎng)速度、MDA 含量的遺傳研究中均采用這一方法,取得了良好的效果。在對(duì)番茄的耐低溫性相關(guān)研究中耐低溫性分級(jí)能直觀描述耐低溫性強(qiáng)弱[13-14],而運(yùn)用主基因-多基因聯(lián)合遺傳分析方法研究番茄耐低溫性的報(bào)道較少見(jiàn)。為此,許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院蔬菜育種課題組通過(guò)前期的大量研究,對(duì)收集到的大量種質(zhì)資源進(jìn)行鑒定,從中篩選出耐低溫性不同的2 份番茄材料,均是經(jīng)8 代以上自交的材料,然后構(gòu)建P1、P2、BC1等群體,采用蓋鈞鎰等[7]的方法研究番茄耐低溫性的遺傳規(guī)律及遺傳參數(shù),以期為培育番茄專用品種奠定基礎(chǔ)。
番茄親本選擇XC-1(代號(hào)P1)、XC-2(代號(hào)P2),由許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院提供,其中XC-1 屬于大果型,表皮紅色,耐低溫性較強(qiáng),屬無(wú)限生長(zhǎng)型,是由瑞星大寶經(jīng)8 代以上選育而成的自交系;XC-2 屬于小果型,表皮紅色,耐低溫性較弱,屬無(wú)限生長(zhǎng)型,是由葡萄番茄經(jīng)8 代以上選育而成的自交系。
2021 年3 月1 日將P1、P2在許昌職業(yè)技術(shù)學(xué)院科研基地塑料大棚內(nèi)進(jìn)行播種,采用穴盤(pán)育苗法,35 d 后定植于大棚,于花期配制F1并留種,2021 年7 月5 日,將P1、P2、F1的種子在科研基地塑料大棚內(nèi)播種,采用相同的育苗方法,35 d 后定植于大棚,同年于花期配制BC1(F1×P1)、BC2(F1×P2)、F2,并留種。2022 年3 月將上述6 個(gè)世代番茄材料播種于科研基地塑料大棚內(nèi),P1、P2、F1各播種200 粒,BC1、BC2、F2等分離世代各播種1000 粒,35 d 后放入人工氣候箱內(nèi)模擬低溫環(huán)境,對(duì)幼苗進(jìn)行低溫處理,日間溫度14 ℃,光照處理9 h(早8:00 至晚5:00),光照度為30μmol·m-2·s-1,夜間7 ℃(晚5:00 至早8:00),不進(jìn)行光照,相對(duì)濕度為75%,共處理15 d。處理前與處理后照片詳見(jiàn)圖1~2。然后調(diào)查幼苗耐低溫性。耐低溫性采用分級(jí)數(shù)表示。0 級(jí):植株瀕臨死亡;1 級(jí):全部葉片萎蔫,心葉嚴(yán)重失水;2 級(jí):全部葉片出現(xiàn)脫水斑,心葉略失水;3 級(jí):2 片葉葉緣黃化,1 片葉無(wú)受害癥狀;4 級(jí):2 片葉葉緣失水,1 片葉無(wú)明顯癥狀;5 級(jí):無(wú)明顯癥狀。不同耐低溫性分級(jí)詳見(jiàn)圖3。調(diào)查樣本數(shù):P1、P2、F1各調(diào)查40 株,BC1、BC2各調(diào)查120 株,F(xiàn)2調(diào)查150 株。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),3 次重復(fù)。
圖2 處理后Fig.2 After treatment
圖3 耐低溫性分級(jí)(0~5 級(jí))Fig.3 Low temperature resistance level(0~5)
數(shù)據(jù)由Excel 2016 進(jìn)行整理,分析采用蓋鈞鎰等[7]的方法,并估算遺傳參數(shù)。
由表1、表2 可知,2 個(gè)親本具有不同的耐低溫性,在P1中表現(xiàn)為4 級(jí)的有37 株,表現(xiàn)為3 級(jí)、5 級(jí)的分別有1 株、2 株;在P2中表現(xiàn)為2 級(jí)的有38 株,表現(xiàn)為1 級(jí)的有1 株,3 級(jí)的有1 株;F1略偏向于P1,表現(xiàn)為3 級(jí) 的有38 株;BC1略偏向于P1,BC2略偏向于P2。從總體上看,BC1、BC2、F2等世代耐低溫性的表現(xiàn)分離呈正態(tài)分布。
表1 6 世代耐低溫指數(shù)次數(shù)分布Table 1 Frequency distribution in 6 family generations of chilling tolerance index
表2 耐低溫指數(shù)方差分析Table 2 Variance analysis of chilling tolerance index
分別算出MLV 值(極大似然函數(shù)值)和AIC 值(赤池信息量準(zhǔn)則值)見(jiàn)表3,按照蓋鈞鎰等[7]的理論,應(yīng)選擇AIC 值較小的作為備選模型,再進(jìn)行詳細(xì)比選。筆者在研究中發(fā)現(xiàn),AIC 值較小的模型有E-3 模 型、B-2 模型、B-4 模型,AIC 值分別為359.861、369.544、388.036,因此確定為備選模型。
表3 各遺傳模型的MLV 值和AIC 值Table 3 The MLV values and AIC values in various genetic models
由表4 可知,E-3 模型的統(tǒng)計(jì)量中有7 個(gè)數(shù)據(jù)差異達(dá)到顯著或極顯著水平,分別為5.723、8.178、21.557、58.954、14.729、40.979、21.811。B-2 模型中有80.351、54.399 等9 個(gè)數(shù)據(jù)差異達(dá)到顯著或極顯著水平。B-4 模型中達(dá)到顯著或極顯著水平的統(tǒng)計(jì)量為11 個(gè)。經(jīng)比較發(fā)現(xiàn),E-3 模型中達(dá)到差異顯著水平的統(tǒng)計(jì)量較少,因此確定研究性狀的遺傳符合E-3 模型。
表4 耐低溫性備選模型適合性檢驗(yàn)Table 4 Test for goodness of fit to standby model of chilling tolerance
在E-3 模型下,該模型的極大似然估計(jì)值見(jiàn)表5,采用μ1、μ2等參數(shù)可以進(jìn)一步估算一階參數(shù)、二階參數(shù)。
表5 耐低溫性遺傳模型參數(shù)的極大似然估計(jì)值Table 5 Maximum likelihood estimates of genetic models of chilling tolerance
估算一階參數(shù)、二階參數(shù)見(jiàn)表6。由表6 可知,中親值為2.664,2 對(duì)基因的加性效應(yīng)分別為0.893、-1.103,說(shuō)明親本的耐低溫性對(duì)后代的影響較大。在育種實(shí)踐中,要選擇耐低溫性均較強(qiáng)的雙親,以提高后代的耐低溫性。多基因加性效應(yīng)為1.176,由于主基因起加性作用,因此,2 對(duì)基因的顯性效應(yīng)均為0。但多基因顯性效應(yīng)為0.130,有一定的作用。
表6 耐低溫性的遺傳參數(shù)估計(jì)值Table 6 The estimate of genetic parameter of chilling tolerance
分離世代中主基因遺傳率以F2為最高,達(dá)68.463%,其次為BC1、BC2;多基因遺傳率以BC2為最高。環(huán)境方差占表型方差的比率分別達(dá)36.036%、34.957%、28.543%。說(shuō)明環(huán)境對(duì)后代的選擇影響較小。
綜上所述,番茄幼苗耐低溫性的遺傳受2 對(duì)加性主基因+加性-顯性多基因控制,主基因遺傳率在BC1、BC2、F2世 代 分 別 達(dá)57.357% 、54.441% 、68.463% ,多基因的遺傳率分別達(dá)6.607% 、10.602%、2.994%,基因型占表型方差的比率為63.964%、65.043%、71.457%,環(huán)境方差占表型方差的比率分別占36.036%、34.957%、28.543%。由于基因型占比較高,針對(duì)耐低溫性的選育可在早代進(jìn)行。
對(duì)于蔬菜耐低溫性的遺傳研究已有報(bào)道。閆世江等[15]研究黃瓜苗期耐低溫性及相關(guān)形態(tài)學(xué)性狀的遺傳,發(fā)現(xiàn)黃瓜耐低溫性分級(jí)的遺傳符合加性-顯性模型。耐低溫性廣義遺傳力高,達(dá)92.133%,適合于早代選擇。該研究采用Hayman的方法,使用的是親本與F1的數(shù)據(jù),用時(shí)較短,受限于方法本身的限制,僅能估算基因的整體作用,未能估算各個(gè)基因的作用。閆世江等[16]進(jìn)一步采用蓋鈞鎰等[7]的方法研究黃瓜耐低溫性的遺傳,結(jié)果表明,耐低溫分級(jí)的遺傳符合E-3 模型,估算了各個(gè)基因的作用,2 對(duì)基因的加性效應(yīng)分別為1.034、-1.277,總的效應(yīng)為1.361,總的顯性效應(yīng)為正向0.151。F2主基因+多基因遺傳率為82.759%,3個(gè)分離世代的主基因遺傳率均比多基因遺傳率高。環(huán)境方差占表型方差的比例在17.241%~25.974%之間。有關(guān)番茄耐低溫性分級(jí)的遺傳較少見(jiàn)報(bào)道,前人研究[2-6]番茄耐低溫性遺傳時(shí)采用的研究對(duì)象多為番茄低溫下的發(fā)芽能力、花粉萌發(fā)能力、坐果能力、果實(shí)發(fā)育速度等,上述性狀與番茄耐低溫性密切相關(guān),但均為間接性狀,筆者采用的耐低溫性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)與上述間接性狀相比更加直觀。
筆者運(yùn)用主基因-多基因聯(lián)合遺傳分析方法,結(jié)論認(rèn)為番茄耐低溫性的遺傳符合E-3 模型,即2對(duì)加性主基因+加性-顯性多基因模型。結(jié)論與閆世江等[16]的相似,但估算出的遺傳參數(shù)不同,其原因可能是蔬菜種類及品種、親本遺傳來(lái)源、低溫處理的方法、分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)不同。今后為明確番茄耐低溫性的遺傳機(jī)制應(yīng)選用不同的材料進(jìn)行深入的研究,并規(guī)范處理方法及耐低溫性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),降低其影響程度。
筆者研究了耐低溫性,借鑒查丁石等[17]的方法制定分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),并進(jìn)行一定的改進(jìn),該方法操作簡(jiǎn)單,結(jié)果直觀,以后可以在此基礎(chǔ)上進(jìn)行QTL 定位研究,為培育設(shè)施專用品種奠定基礎(chǔ)。番茄耐低溫性的遺傳受2 對(duì)加性主基因+加性-顯性多基因控制。今后為培育耐低溫性較強(qiáng)的品種,親本應(yīng)選擇耐低溫性較強(qiáng)的材料,并在早代選擇。