蔡詩(shī)怡,虞慧芳,王建升,祝 彪,沈鈺森,顧宏輝,盛小光,*

(1.浙江農(nóng)林大學(xué) 園藝科學(xué)學(xué)院,浙江 杭州 311300; 2.浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院 蔬菜研究所,浙江 杭州 310021)

花椰菜(Brassica.oleraceavar.botrytis,2n=2x=18)是蕓薹屬甘藍(lán)種的重要蔬菜作物,以花序分生組織異常增殖形成的特異花球?yàn)楫a(chǎn)品器官,其柔嫩多汁、味道鮮美、粗纖維少、營(yíng)養(yǎng)豐富,深受廣大消費(fèi)者的喜愛(ài)[1]。我國(guó)是世界上花椰菜種植面積最大的國(guó)家,種植區(qū)域幾乎覆蓋全國(guó)各地,播種面積已達(dá)約50萬(wàn)hm2,種植產(chǎn)值超過(guò)200億元,對(duì)促進(jìn)農(nóng)業(yè)增效和農(nóng)民增收起到重要的作用[2]。

花椰菜產(chǎn)業(yè)是一個(gè)勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè),從播種、移栽、農(nóng)事管理到花球采收,都需要消耗大量的人力和物力。隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械化研發(fā)力度的加強(qiáng),蔬菜種植過(guò)程的機(jī)械化水平在逐步提高。目前,花椰菜的播種、移栽及部分農(nóng)事操作正在逐步實(shí)現(xiàn)機(jī)械化,但是成熟花球采收仍然幾乎全部依靠人工,不僅人力、物力投入大,且生產(chǎn)效率極低?；ㄒ顺墒旎ㄇ驒C(jī)械化采收難以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵限制因素之一是其“坐球高度”(第一片真葉到花球底部的主莖長(zhǎng)度)短。目前市場(chǎng)主栽的早中熟品種的坐球高度約為7～13 cm,由于花球底部至地面的距離太短,導(dǎo)致機(jī)械化采收異常困難[3]。因此,依據(jù)花球采收設(shè)備的實(shí)際需求,采用分子設(shè)計(jì)育種,定向、快速選育出適宜“坐球高度”的花椰菜品種,以提升花椰菜花球的機(jī)械化采收水平,對(duì)推動(dòng)花椰菜產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步發(fā)展具有重大意義。

對(duì)于沒(méi)有主球的其他作物來(lái)說(shuō),“坐球高度”在一定程度上與株高表型相似。在小麥[4]﹑水稻[5]﹑玉米[6]、高粱[7]等大田作物中,對(duì)株高性狀的遺傳規(guī)律,控制基因遺傳定位、克隆及其功能機(jī)制分析等方面開(kāi)展了大量研究,并且挖掘到了一批經(jīng)典的株高控制基因:“Dn”“USn”和“Rhtn”[8]。在十字花科作物中,相關(guān)研究主要集中在油菜作物上,劉超[9]和趙波[10]分別克隆了矮稈基因ds-1和ds-3,其中ds-3參與編碼赤霉素(GA)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)抑制因子 DELLA 蛋白,闡明了油菜株高形成的部分調(diào)控機(jī)制。對(duì)這些基因進(jìn)行合理的控制與應(yīng)用對(duì)實(shí)現(xiàn)油菜作物的穩(wěn)產(chǎn)和豐產(chǎn)具有重要意義?；ㄒ俗魑锏男缕贩N選育工作推進(jìn)得較快,浙江省乃至全國(guó)的科研機(jī)構(gòu)聯(lián)合種業(yè)公司,育成了一大批優(yōu)秀的花椰菜品種,但其相關(guān)的分子生物學(xué)研究起步較晚,研究的廣度和深度還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠[11]。近年來(lái),花椰菜全基因組測(cè)序和染色體級(jí)別組裝工作的完成,加速了花椰菜重要農(nóng)藝性狀控制基因的挖掘和利用等研究[12],但是“坐球高度”性狀的遺傳規(guī)律分析及QTLs定位研究,未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

本研究以主莖較高的芥藍(lán)和主莖短的花椰菜為親本構(gòu)建的六世代群體(P1、P2、F1、F2、B1、B2)為研究材料,以主莖長(zhǎng)度(第一片真葉到花球/蕾底部的主莖長(zhǎng)度)和葉痕間距(主莖中間部分第一和第三個(gè)葉痕間的距離)兩個(gè)指標(biāo)來(lái)錨定“坐球高度”性狀,在植株現(xiàn)球/蕾期對(duì)這兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定和統(tǒng)計(jì)分析。利用主基因+多基因遺傳模型的分析方法檢測(cè)花椰菜“坐球高度”性狀的遺傳規(guī)律[13],為進(jìn)一步遺傳定位和挖掘克隆到控制此性狀的主效基因提供研究基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

利用早熟(生育期約52 d)、緊實(shí)型花椰菜ZAASC4101作為母本(F7代自交系)與芥藍(lán)ZAASJ1401為父本(F6代自交系,生育期約45 d)構(gòu)建六世代群體:P1(ZAASJ1401)、P2(ZAASC4101)、F1、F2、B1(F1×ZAASJ1401)、B2(F1×ZAASC4101),試驗(yàn)材料由浙江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所花椰菜和青花菜育種研究室提供。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

試驗(yàn)在本單位海寧楊渡科研基地開(kāi)展。六世代群體 P1、P2、F1、F2、B1、B2測(cè)量株數(shù)分別為 50、50、50、219、70、185,一共624株。2021年7月10日將六個(gè)世代的材料分別播種進(jìn)行穴盤(pán)育苗,2021年8月7日雙行定植于露地大田中。株距約 50 cm,行距約 60 cm。進(jìn)行常規(guī)的田間管理。

在植株現(xiàn)球/蕾期,使用卷尺測(cè)量?jī)蓚€(gè)指標(biāo),第一是主莖高度:花球底部到第一片真葉的主莖長(zhǎng)度,第二是葉痕間距:主莖中部第一個(gè)和第三個(gè)葉痕間的距離(圖1)。

圖1 主莖高度和葉痕間距性狀的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)Fig.1 Measurement criterias for the traits of main stem height and leaf scar spacing

1.3 遺傳分析

利用數(shù)量性狀遺傳分析 R 軟件包 SEA v2.0進(jìn)行“坐球高度”性狀的遺傳多世代聯(lián)合分析以及主莖高度和葉痕間距的頻率分布直方圖分析[14];采用IECM算法和極大似然法對(duì)主莖高度和葉痕間距的遺傳參數(shù)進(jìn)行估算,根據(jù)極大對(duì)數(shù)似然值(maximum likelihood value, MLV)和最小信息量準(zhǔn)則(Akaike’s information criterion, AIC)選出最適的幾個(gè)備選模型,然后從中篩選出最佳模型;最后利用最小二乘法計(jì)算出該模型的主基因和多基因效應(yīng)值和遺傳參數(shù)等數(shù)據(jù)[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 表型數(shù)據(jù)分析

母本花椰菜(ZAASC4101,P2)和父本芥藍(lán)(ZAASJ1401,P1)主莖平均高度分別為8.12 cm和28.68 cm,兩者相差20.56 cm。F1主莖平均高度為20.98 cm,處于雙親之間并且大于雙親主莖高度的平均值(圖2)。P1、P2和F1這3個(gè)群體內(nèi)的植株基因型一致,群體內(nèi)植株主莖高度數(shù)值的分布相對(duì)集中,標(biāo)準(zhǔn)差(standard deviation, SD)數(shù)值較低并且均小于1.0 cm;P2群體變異系數(shù)(coefficient of variation,CV)稍大,為10.15%,P1和F1群體分別為2.94%和3.79%。F2、B1和B2群體植株的主莖平均高度分別為22.95 cm、27.89 cm和20.21 cm。由于這3個(gè)群體均為遺傳分離群體,植株主莖高度數(shù)值分布的離散度相對(duì)較高,其中B1群體的SD和CV值最小,分別為2.18 cm和7.83%,F2群體最大,分別為5.48 cm 和23.88%?？傮w來(lái)說(shuō),B1群體總體偏向于主莖高的父本ZAASJ1401。B2和F2群體的變異系數(shù)遠(yuǎn)高于親本,而B(niǎo)1群體的變異系數(shù)介于兩個(gè)親本之間,說(shuō)明B1群體的變異性較低,但是B2和F2群體具有較高的遺傳變異(表1)。

表1 花椰菜六世代群體的主莖高度和葉痕間距性狀的遺傳分析Table 1 Genetic analysis of main stem height and leaf scar spacing traits in the six-generation populations of cauliflower

a,ZAASJ1401父本;b,ZAASC4101母本;c,F1植株;d～k,F2植株。a, ZAASJ1401 male parent; b, ZAASC4101 female parent; c, F1 plant, d-k: F2 plants.圖2 六世代群體中的雙親、F1和F2植株Fig.2 Parents, F1 and F2 plants in the six-generation populations

對(duì)于葉痕間距性狀,本研究測(cè)定了P1、P2和F2群體植株的數(shù)值。雙親的葉痕間距平均值分別為5.47 cm和2.56 cm,兩者相差2.91 cm。F2群體植株的葉痕平均間距為4.00 cm,SD和CV值分別是0.98 cm和24.50%?？傮w來(lái)說(shuō),這三個(gè)群體植株葉痕間距數(shù)值的分布趨勢(shì)和上述主莖高度一致。F2群體植株這兩個(gè)性狀的相關(guān)性分析也顯示,主莖高度與葉痕間距呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.652,表明主莖高度越高,葉痕間距越長(zhǎng)。

F2群體植株的主莖高度和葉痕間距的表型變異最為豐富,變異系數(shù)分別為23.88%和24.50%。從F2群體性狀的表型頻率分布圖中可以看出(圖3),主莖高度和葉痕間距性狀均呈連續(xù)性近似正態(tài)分布的特征,說(shuō)明它們是典型的數(shù)量性狀,在受到主效基因控制的同時(shí)也受到其他微效位點(diǎn)的影響。

圖3 F2群體主莖高度及葉痕間距的頻率分布(柱形)、擬混合分布(紅線(xiàn))與成分分布(黑線(xiàn))Fig.3 Frequency (column), mixed (red line), and component (black line) distributions for main stem height and leaf scar spacing traits in F2 population

2.2 遺傳模型

對(duì)六世代群體植株的主莖高度性狀進(jìn)行主基因+多基因混合遺傳分析,共獲得5類(lèi)24種遺傳模型,從中選擇AIC值最小的3個(gè)模型作為備選模型,包括兩對(duì)加性-顯性主基因+加性-顯性-上位性多基因遺傳模型(MX1-AD-ADI, AIC=3 045.244)、兩對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因遺傳模型(MX2-ADI-ADI, AIC=3 048.592)和兩對(duì)連鎖主基因+加性-顯性-上位多基因遺傳模型(PG-ADI, AIC=3 051.222)。由于這3個(gè)模型的AIC值比較接近,所以均作為備選模型(表2)。

表2 六世代群體主莖高度和F2群體葉痕間距的MLV和AIC值Table 2 The estimation of MLV and AIC value of the main stem height of the six-generation populations and the leaf scar spacing of the F2 population of cauliflower

對(duì)F2群體植株的葉痕間距性狀進(jìn)行遺傳分析,共獲得3類(lèi)11種遺傳模型。其中兩對(duì)主基因下的加性模型(2MG-A)的AIC值最小,為-1 288.164,并且與其他模型的AIC值相比差異顯著,因此2MG-A被認(rèn)為是最適模型。

綜合主莖高度的六世代遺傳分析和葉痕間距F2群體的遺傳分析結(jié)果,花椰菜“坐球高度”性狀的最適遺傳模型是:MX2-ADI-ADI。

2.3 遺傳參數(shù)的估計(jì)

根據(jù)已確定的最適宜遺傳模型,計(jì)算出參數(shù)的極大似然估計(jì)值,應(yīng)用最小二乘法進(jìn)行一階和二階的遺傳參數(shù)估計(jì)(表3)。

表3 F2群體最適模型遺傳參數(shù)估計(jì)值Table 3 Estimated value of optimal model genetic parameters for F2 population

花椰菜“坐球高度”性狀的遺傳模型符合MX2-ADI-ADI。一階參數(shù)的結(jié)果表明,該性狀受兩對(duì)主基因控制,其加性效應(yīng)值da=1.727 6,顯MG,主基因模型;MX,主基因+多基因混合模型;PG,多基因模型;A,加性效應(yīng);D,顯性效應(yīng);I,上位效應(yīng);E,相等。

性效應(yīng)ha=-0.399 7,為負(fù)向顯性,并且da的絕對(duì)值大于ha的絕對(duì)值,說(shuō)明控制花椰菜主莖高度的主基因以加性效應(yīng)為主。二階參數(shù)的估算結(jié)果表明,F2世代的主基因遺傳率(h2mg)為 13.49%,多基因遺傳率(h2pg)為84.35%。說(shuō)明花椰菜“坐球高度”性狀在F2群體中以多基因遺傳為主,并同時(shí)受主基因+多基因的共同影響。

3 討論

花椰菜“坐球高度”是決定其花球能否機(jī)械化采收的重要標(biāo)準(zhǔn)之一,明確其遺傳規(guī)律是進(jìn)一步挖掘控制該性狀的主效基因的基礎(chǔ),對(duì)利用連鎖分子標(biāo)記進(jìn)行輔助選擇、快速選育出適宜機(jī)械化采收的花椰菜新品種具有重要意義。由于花椰菜的分子生物學(xué)研究相對(duì)滯后,已經(jīng)報(bào)道的遺傳定位的相關(guān)研究主要集中在產(chǎn)量、球色、莢葉等性狀[16-17],針對(duì)“坐球高度”性狀的遺傳規(guī)律分析和遺傳定位研究,至今無(wú)相關(guān)報(bào)道。本研究利用芥藍(lán)和花椰菜雜交構(gòu)建的六世代群體為研究材料,采用主莖高度和葉痕間距兩個(gè)性狀指標(biāo)共同來(lái)錨定花椰菜“坐球高度”性狀,并在群體植株現(xiàn)球/蕾期進(jìn)行這兩個(gè)指標(biāo)的測(cè)定,可以明顯地區(qū)分構(gòu)建群體中單株“坐球高度”的差異。

本研究中F2世代分離群體的主莖高度和葉痕間距的頻次分布表現(xiàn)為連續(xù)分布,具有明顯的數(shù)量性狀遺傳特征。因此,可以使用蓋鈞鎰[15]的植物數(shù)量性狀遺傳體系分析方法對(duì)主基因和多基因的遺傳效應(yīng)進(jìn)行研究,明晰花椰菜“坐球高度”性狀的遺傳規(guī)律。該方法在多種作物的株高類(lèi)性狀遺傳規(guī)律研究中都有成功運(yùn)用,何文昭等[18]對(duì)玉米株高和穗位高性狀進(jìn)行了不同環(huán)境下的數(shù)量遺傳分析,發(fā)現(xiàn)在三個(gè)環(huán)境下符合的遺傳模型各不相同,這與材料的遺傳背景、測(cè)試時(shí)間以及環(huán)境狀況等因素的不同有關(guān);解松峰等[19]研究表明,小麥株高性狀符合兩對(duì)累積作用的主基因+加性作用多基因混合遺傳模型;李英雙等[20]認(rèn)為,甜蕎株高符合兩對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因模型;而李軍慶等[21]的研究結(jié)果表明,油菜半矮稈株高性狀符合一對(duì)加性-顯性主基因+加性-顯性-上位性多基因模型。本研究中,結(jié)合主莖高度的六世代和葉痕間距的F2群體遺傳規(guī)律分析,結(jié)果表明,花椰菜“坐球高度”性狀的最適遺傳模型是兩對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因遺傳模型(MX2-ADI-ADI)。但是,植物數(shù)量性狀分離分析方法推測(cè)的只是概念上的基因,而基因數(shù)目的多少和各基因?qū)Α白蚋叨取毙誀畹呢暙I(xiàn)率還需要利用后續(xù)的QTLs遺傳定位結(jié)果從分子水平上進(jìn)行深入解析。

遺傳率是決定世代選擇速度的關(guān)鍵因子。本研究中“坐球高度”性狀的主基因+多基因遺傳率達(dá)到97.84%,說(shuō)明其后代主要受到遺傳因素的影響,可以開(kāi)發(fā)連鎖分子標(biāo)記在早期世代進(jìn)行定向輔助選擇。但是,本研究結(jié)果同時(shí)也顯示,該性狀的多基因遺傳率大于主基因遺傳率。因此,在后續(xù)的育種工作中,在考慮主基因影響的同時(shí)需要同時(shí)關(guān)注多基因微效位點(diǎn)帶來(lái)的影響。另外,環(huán)境也是影響花椰菜“坐球高度”性狀的重要因素之一,在栽培過(guò)程中需要注意。

4 結(jié)論

本研究綜合了主莖高度的六世代遺傳分析和葉痕間距F2群體的遺傳分析結(jié)果,表明花椰菜“坐球高度”為典型的數(shù)量遺傳性狀,由兩對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因遺傳模型控制。本研究結(jié)果為花椰菜“坐球高度”性狀的主效基因挖掘及連鎖分子標(biāo)記開(kāi)發(fā)打下良好的基礎(chǔ)。