芥菜型油菜千粒質(zhì)量QTL上位性互作和環(huán)境互作分析

王安琪，姚艷梅

（青海大學(xué) 農(nóng)林科學(xué)院∕青藏高原種質(zhì)資源研究與利用實驗室，青海省春油菜工程技術(shù)研究中心∕春油菜遺傳改良重點實驗室∕農(nóng)業(yè)農(nóng)村部春油菜科學(xué)觀測實驗站，青海 西寧 810016）

【研究意義】油菜在全球的種植面積較大，也是國內(nèi)植物食用油的主要來源，占國內(nèi)植物油四成以上[1]。芥菜型油菜的籽粒相對于甘藍(lán)型油菜偏小，對產(chǎn)量影響較大[2-4]。但芥菜型油菜與另外兩種油菜相比，具有抗干旱、耐高溫、耐土壤貧瘠、抗裂莢、含油量較高、多果枝、耐病蟲害及抗倒伏等諸多優(yōu)點，這是甘藍(lán)型、白菜型油菜不可替代的[5]。目前國內(nèi)的食用油缺口較大，且缺口趨勢不斷擴大，所以提高油菜產(chǎn)量就顯得尤為重要。千粒質(zhì)量是構(gòu)成油菜產(chǎn)量的重要因素之一，且目前單株角果數(shù)和每角粒數(shù)的研究已經(jīng)達(dá)到瓶頸，芥菜型油菜千粒質(zhì)量遺傳表達(dá)模式研究較少，所以千粒質(zhì)量性狀的研究可以作為提高芥菜型油菜產(chǎn)量的突破口[6]。籽粒的大小決定了籽粒質(zhì)量，播種時，籽粒會為其在進(jìn)行光合作用之前提供營養(yǎng)，如果種子千粒質(zhì)量太小，在干旱或其他逆境條件下會導(dǎo)致種子不能順利發(fā)芽，從而嚴(yán)重影響種子的發(fā)芽率和出苗率[7]。千粒質(zhì)量性狀是由多個不同的基因共同控制、多種效應(yīng)相互作用，形成的一個極其復(fù)雜的調(diào)控網(wǎng)絡(luò)[8]，因而，研究清楚芥菜型油菜千粒質(zhì)量的遺傳效應(yīng)是改良芥菜型油菜千粒質(zhì)量性狀的前提?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】Grant 等[9]利用6×6 進(jìn)雙列雜交的實驗方法對油菜千粒質(zhì)量相關(guān)性狀進(jìn)行配合力分析，實驗結(jié)果為油菜千粒質(zhì)量由加性效應(yīng)基因和非加性效應(yīng)基因共同調(diào)控。之后，研究證實千粒質(zhì)量性狀主要由加性效應(yīng)基因調(diào)控[10]。李石開等[11]采用4×4 不完全雙列雜交的實驗方法，以芥菜型油菜8 個自交系為實驗材料，對千粒質(zhì)量基因效應(yīng)進(jìn)行分析，分析表明，千粒質(zhì)量性狀的遺傳主要由加性基因調(diào)控，遺傳力估值為47.89%。葉亞瓊[12]以120 個株系的重組自交系群體為材料，對千粒質(zhì)量性狀QTL 進(jìn)行分析，得出結(jié)論，加性效應(yīng)對千粒質(zhì)量表型變異的貢獻(xiàn)率較高，為25.63%；加性與加性互作效應(yīng)的貢獻(xiàn)率較低，為15.01%。由此看出，千粒質(zhì)量性狀主要由加性效應(yīng)基因控制。朱恒星等[13]利用190 個單株的甘藍(lán)型油菜F2遺傳作圖群體，共得到千粒質(zhì)量性狀相關(guān)的QTL 3 個，分別在C01 和A09 染色體，其中A09 上有兩個QTL，C01 上有一個QTL 均為控制粒重的主效QTL。趙衛(wèi)國等[14]以348 份油菜雙單倍體株系為群體，2009—2013 年連續(xù)5 年種植，得到千粒質(zhì)量QTL 46 個，位于A07、C01 等10 條染色體上。李靜[15]利用160 個甘藍(lán)型油菜F2株系為作圖群體，共檢測出控制千粒質(zhì)量的3 個QTL 位點分別位于N3、N6 及N19 連鎖群。汪義龍[16]利用DH 群體為作圖群體，2次重復(fù)取樣，定位的主效QTL相同，千粒質(zhì)量主效QTL 位于N9和N12上。

【本研究切入點】芥菜型油菜千粒質(zhì)量性狀研究較少，且芥菜型油菜具有耐旱、耐瘠薄土壤的特點，但是其籽粒較小。本研究揭示新的千粒質(zhì)量QTL，探索千粒質(zhì)量QTL的遺傳效應(yīng)，從而為改良芥菜型油菜品種的千粒質(zhì)量及其產(chǎn)量提供理論支撐，進(jìn)而為干旱地區(qū)油菜推廣奠定基礎(chǔ)。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究以千粒質(zhì)量存在顯著差異的芥菜型油菜品系X396 和X568 為親本構(gòu)建的重組自交系（RIL）群體為材料，在5 個環(huán)境條件下，對芥菜型油菜千粒質(zhì)量性狀進(jìn)行QTL 效應(yīng)及遺傳互作分析，揭示芥菜型油菜千粒質(zhì)量的遺傳效應(yīng)，獲得千粒質(zhì)量QTL 效應(yīng)，而且通過分子標(biāo)記輔助育種，可以選擇加性效應(yīng)強的材料作為親本，進(jìn)行聚合育種，進(jìn)而改良芥菜型油菜千粒質(zhì)量性狀，進(jìn)一步提高芥菜型油菜的產(chǎn)量，為芥菜型油菜育種工作奠定一定的基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料

以大粒芥菜型油菜品系X568 為母本，小粒芥菜型油菜品系X396 為父本進(jìn)行雜交，所構(gòu)建的由221株系組成的重組自交系群體為材料。其中，大粒芥菜型油菜品系X568 及小粒芥菜型油菜品系X396 均已自交8代以上，且千粒質(zhì)量性狀可以穩(wěn)定遺傳。

圖1 雙親籽粒大小Fig.1 Grain size of both parents

1.2 方法

1.2.1 田間種植 將大粒芥菜型油菜品系X568、小粒芥菜型油菜品系X396、F1及RIL 群體，分別在2019年互助（2019HZ）、2020年互助（2020HZ）、2019年孫家寨（2019SJZ）、2020年西寧（2020XN）和2021年西寧(2021XN)等5 個環(huán)境條件下種植。行距為30 cm，株距15 cm，每行間苗后保留12 株左右單株，周圍種植3行保護(hù)行，消除邊際效應(yīng)[17]。

1.2.2 千粒質(zhì)量稱量方法 利用千粒板取1 000 粒種子，稱其質(zhì)量，3 次重復(fù)，取平均值。對所有環(huán)境的千粒質(zhì)量進(jìn)行測定，并對千粒質(zhì)量表型數(shù)據(jù)進(jìn)行遺傳分析。

1.2.3 千粒質(zhì)量性狀表現(xiàn)及其QTL 分析 利用SPSS19.0軟件對千粒質(zhì)量性狀表現(xiàn)進(jìn)行差異顯著性檢驗及相關(guān)性分析。利用QTLNetwork 2.0軟件中的MCIM，結(jié)合前期通過對RIL群體進(jìn)行簡化基因組測序獲得的基因型及5 個環(huán)境條件下的千粒質(zhì)量表型數(shù)據(jù)進(jìn)行QTL 效應(yīng)及其與環(huán)境互作分析，選取臨界閾值P=0.05，檢測5個環(huán)境下的千粒質(zhì)量性狀QTL加性效應(yīng)、加性×加性上位互作效應(yīng)及環(huán)境互作效應(yīng)[18-19]。

2 結(jié)果與分析

2.1 芥菜型油菜千粒質(zhì)量性狀的描述

利用SPPS19.0 軟件對雙親、F1和RIL 群體在5 個環(huán)境下的千粒質(zhì)量性狀表現(xiàn)進(jìn)行分析，結(jié)果表明千粒質(zhì)量性狀在2 個親本間的表現(xiàn)均達(dá)到極顯著差異；其F1千粒質(zhì)量表現(xiàn)超過雙親的平均值，表明千粒質(zhì)量性狀的大粒重為部分顯性（表1）。RIL 群體的偏度和峰度值均接近0，表明千粒質(zhì)量性狀值符合正態(tài)分布（表2）。另外，5 個環(huán)境的RIL 群體千粒質(zhì)量性狀的變異系數(shù)較大，且其極大值和極小值差異顯著（表2），表明千粒質(zhì)量性狀在RIL 群體的不同材料間差異較大，因而可以對芥菜型油菜千粒質(zhì)量性狀進(jìn)行QTL定位。

表1 雙親和F1在5個環(huán)境下的千粒質(zhì)量性狀表現(xiàn)Tab.1 Characteristics of biparental and F1 in thousand grains weight raits in five environments

表2 RIL群體千粒質(zhì)量性狀的描述統(tǒng)計分析Tab.2 Descriptive statistical analysis of the thousand grains weight trait in RIL population

表3 不同環(huán)境千粒質(zhì)量性狀間的相關(guān)系數(shù)Tab.3 Correlation coefficients between thousand grains weight traits in different environments

利用RIL 群體對芥菜型油菜千粒質(zhì)量性狀進(jìn)行了遺傳率分析，結(jié)果千粒質(zhì)量的廣義遺傳率為54.82%，狹義遺傳率為11.50%，表明芥菜型油菜的千粒質(zhì)量性狀受環(huán)境影響較大。另外，對千粒質(zhì)量性狀在5個不同環(huán)境的表現(xiàn)間進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果5個不同環(huán)境中的千粒質(zhì)量性狀表現(xiàn)兩兩環(huán)境間均達(dá)到極顯著水平（表2），表明芥菜型油菜的千粒質(zhì)量性狀雖然受環(huán)境影響較大，但也具有不受環(huán)境影響且穩(wěn)定的加性效應(yīng)。

2.2 千粒質(zhì)量QTL效應(yīng)及其與環(huán)境互作分析

利用5個環(huán)境條件下的千粒質(zhì)量表現(xiàn)型，結(jié)合前期通過簡化基因組測序獲得的RIL群體基因型對芥菜型油菜的千粒質(zhì)量性狀進(jìn)行了QTL 效應(yīng)及其與環(huán)境互作分析[20]，結(jié)果共獲得4 個千粒質(zhì)量QTLqTGW2-83、qTGW5-43、qTGW6-44和qTGW12-8，分別位于芥菜型油菜A02、A05、A06和B02染色體上（表4，圖2）；其峰值分別為40.6、29.9、34.2和7.3，置信區(qū)間分別為39.8～41.1、29.2～32.3、32.0～34.3和6.3～8.9，加性效應(yīng)分別0.077 9、0.032 9、-0.071 9 和0.148 1。其中qTGW6-44的加性效應(yīng)小于0，即其增加千粒質(zhì)量性狀的基因來源于父本X396，qTGW2-83、qTGW5-43、qTGW12-8的加性效應(yīng)均大于0，即它們增加千粒質(zhì)量性狀的基因來源于母本X568。其中qTGW12-8的加性效應(yīng)0.148 1，遠(yuǎn)大于其他3 個QTL 的加性效應(yīng)，表明qTGW12-8對千粒質(zhì)量性狀的貢獻(xiàn)率最大，可對其進(jìn)行精細(xì)定位，確定具體位置。

表4 千粒質(zhì)量的QTL信息Tab.4 QTL information thousand grains weight

圖2 千粒質(zhì)量的QTL效應(yīng)圖Fig.2 QTL effect diagram of thousand grains weight

另外，4 個千粒質(zhì)量QTLqTGW2-83、qTGW5-43、qTGW6-44和qTGW12-8的遺傳率分別為0.020 4、0.003 6、0.017 4和0.073 7，其中qTGW2-83、qTGW6-44、qTGW12-8的遺傳率分別遠(yuǎn)大于它們相應(yīng)的環(huán)境互作效應(yīng)遺傳力0.000 0、0.000 0和0.000 5，表明環(huán)境對qTGW2-83、qTGW6-44、qTGW12-8的影響很小，然而，qTGW5-43的遺傳率（0.003 6）小于其環(huán)境互作效應(yīng)遺傳（0.008 2），即qTGW5-43受環(huán)境影響較大（表5）。因而，在育種工作中，千粒質(zhì)量QTLqTGW2-83、qTGW6-44、qTGW12-8可以作為育種家的目標(biāo)QTL。

表5 QTL與環(huán)境互作效應(yīng)及遺傳力分析Tab.5 QTL×environmentinteraction and heritability analyse

2.3 芥菜型油菜千粒質(zhì)量的上位互作效應(yīng)

對芥菜型油菜千粒質(zhì)量性狀進(jìn)行上位性分析，結(jié)果共檢測出3對影響千粒質(zhì)量的加性×加性上位性QTL，qTGW 3-103xqTGW 8-43，qTGW 8-65xqTGW11-46和qTGW 9-125xqTGW 10-8，上位效應(yīng)分別為-0.079 4～0.116 4（圖3，表6）。其中，qTGW 3-103xqTGW 8-43和qTGW 9-125xqTGW 10-8的上位性互作效應(yīng)分別為0.116 4 和0.060 7，效應(yīng)值均大于0，因而親本型的上位性效應(yīng)高于重組型，qTGW 8-65xqTGW11-46上位性互作效應(yīng)為-0.079 4，效應(yīng)值小于0，即重組型的上位性效應(yīng)大于親本型。其中3對上位性效應(yīng)QTL中qTGW 3-103xqTGW 8-43的上位性效應(yīng)值最大（0.1164），需要重點考慮。

表6 千粒質(zhì)量加性×加性上位互作效應(yīng)QTLTab.6 Epistatic effects QTL of additive × additive for Thousand grains weight

圖3 QTL及加性效應(yīng)QTL在染色體上的分布Fig.3 Location of QTL and additive effect QTL on chromosomes

另外，qTGW 3-103xqTGW 8-43和qTGW 8-65xqTGW11-46兩對互作QTL 的q^2（aa）分別為0.045 5 和0.021 2，而q^2（aae）均為0，且qTGW 3-103xqTGW 8-43和qTGW 8-65xqTGW11-46的上位性互作QTL 與環(huán)境互作效應(yīng)值均小于0.001，數(shù)值較小，表明這兩對互作QTL受環(huán)境影響較??；qTGW 9-125xqTGW 10-8互作QTL 的q^2（aa）和q^2（aae）分別為0.012 3和0.015 0，相差不是很大，且qTGW 9-125xqTGW 10-8的上位性QTL 與環(huán)境互作效應(yīng)值均大于0.001，即這對上位性互作QTL 受一定環(huán)境影響（表6，表7）。環(huán)境互作效應(yīng)與QTL遺傳力的分析結(jié)果一致。

表7 千粒質(zhì)量的上位性QTL與環(huán)境互作效應(yīng)及遺傳力分析Tab.7 Interaction effects of thousand grains weight epistatic QTL and environment and heritability analysis

3 討論

3.1 芥菜型油菜千粒質(zhì)量性狀的遺傳率分析

本研究結(jié)果表明，芥菜型油菜千粒質(zhì)量性狀的廣義遺傳率為54.82%，狹義遺傳率為11.50%，因而芥菜型油菜千粒質(zhì)量受環(huán)境影響較大。這與前人研究結(jié)果基本一致。李施蒙等[21]采用完全雙列雜交設(shè)計的方法對千粒質(zhì)量遺傳力進(jìn)行估算，廣義遺傳力28.12%，狹義遺傳力為10.84%。張國建等[22]采用4×35不完全雙列雜交的方法，研究得出廣義遺傳力49.99%，狹義遺傳力27.67%。羅玉秀等[23]以青海大黃與黃籽沙遜為材料，進(jìn)行多代雜交，測其后代千粒質(zhì)量，研究得出千粒質(zhì)量的廣義遺傳力為34.83%，狹義遺傳力為8.43%。李浩杰等[24]采用不完全雙列雜交的方法，配制13×6雜交組合78個，對千粒質(zhì)量遺傳力進(jìn)行估算，廣義遺傳力為41.08%，狹義遺傳力為30.15%[24]。

3.2 環(huán)境對千粒質(zhì)量性狀的影響

本研究獲得的4 個千粒質(zhì)量QTLqTGW2-83、qTGW5-43、qTGW6-44和qTGW12-8的加性效應(yīng)中，只有qTGW5-43與環(huán)境互作，即qTGW5-43受一定環(huán)境影響，而且千粒質(zhì)量QTLqTGW5-43的加性效應(yīng)較小，進(jìn)一步證明芥菜型油菜的千粒質(zhì)量性狀雖然受環(huán)境影響較大，但也具有不受環(huán)境影響且穩(wěn)定的加性效應(yīng)QTL。本研究檢測出的3 對千粒質(zhì)量上位性QTLqTGW 3-103xqTGW 8-43，qTGW 8-65xqTGW11-46和qTGW 9-125xqTGW 10-8中，只有qTGW 9-125xqTGW 10-8 的上位性QTL 與環(huán)境互作效應(yīng)值均大于0.001，即這對上位性QTL 與環(huán)境互作，而且qTGW 9-125xqTGW 10-8的上位性QTL 的上位效應(yīng)值不大，因而芥菜型油菜千粒質(zhì)量性狀受環(huán)境影比較大，并不是因為千粒質(zhì)量性狀QTL位點與環(huán)境互作，而是因為千粒質(zhì)量性狀加性QTL 的貢獻(xiàn)率比較低所致。這與本研究中芥菜型油菜千粒質(zhì)量的廣義遺傳率為54.82%，狹義遺傳率只有11.5%的結(jié)果是一致的。前人研究中，穆平等[25]利用116個株系的DH群體對水稻產(chǎn)量QTL進(jìn)行定位，結(jié)果表明，僅有1個加性QTL和3對上位性QTL與環(huán)境互作，說明大多數(shù)產(chǎn)量QTL可以穩(wěn)定遺傳，絕大部分QTL 不與環(huán)境互作。曹立勇等[26]以中156和谷梅2號為親本構(gòu)成的重組自交系群體為材料，完全隨機區(qū)組設(shè)計，對水稻產(chǎn)量性狀進(jìn)行分析，結(jié)果表明水稻千粒質(zhì)量性狀的加性效應(yīng)和上位性效應(yīng)都不與環(huán)境互作，與本研究基本一致。

3.3 環(huán)境對環(huán)境互作值的影響

本研究中，RIL 群體在5個環(huán)境的千粒質(zhì)量表現(xiàn)為（1.86～4.29 g）（2019HZ）、（1.60～4.53 g）（2020HZ）、（1.51～3.73 g）（2019SJZ）、（1.56～4.78 g）（2020XN）、（1.76～6.30 g）（2021XN），因而RIL 群體的千粒質(zhì)量性狀在不同環(huán)境下表現(xiàn)并不完全一致，表明芥菜型油菜的千粒質(zhì)量性狀受一定環(huán)境影響，RIL 群體在5 個環(huán)境的千粒質(zhì)量表現(xiàn)變化趨勢與環(huán)境互作效應(yīng)值在5個環(huán)境中的變化趨勢是一致的，即千粒質(zhì)量表現(xiàn)與環(huán)境互作效應(yīng)值在5 個環(huán)境條件下（2019HZ-2020HZ-2019SJZ-2020XN-2021XN 等）均表現(xiàn)為先增加后減小再增加的趨勢，即不同環(huán)境的環(huán)境互作效應(yīng)值也不同。這與趙延明[27]提出的數(shù)量性狀在不同環(huán)境中的表現(xiàn)不一致，雖然某數(shù)量性狀在某一環(huán)境條件下會增加或降低，但在另一環(huán)境條件下可能會降低或提高的觀點是一致的。

4 結(jié)論

本研究對芥菜型油菜千粒質(zhì)量性狀進(jìn)行了遺傳效應(yīng)及上位性分析，結(jié)果表明，芥菜型油菜千粒質(zhì)量性狀的廣義遺傳力為54.82%，狹義遺傳力為11.50%；共獲得4 個千粒質(zhì)量加性QTLqTGW2-83、qTGW5-43、qTGW6-44和qTGW12-8，其加性效應(yīng)為-0.071 9～0.148 1，其中共檢測出3 個不受環(huán)境影響的加性效應(yīng)QTL，分別分布在A02、A06和B02等染色體上，其一直以來都是育種家的目標(biāo)QTL，并且可以通過分子標(biāo)記輔助育種等技術(shù)手段進(jìn)行芥菜型油菜品種的改良；共獲得3 對千粒質(zhì)量上位性QTLqTGW 3-103xqTGW 8-43，qTGW 8-65xqTGW11-46和qTGW 9-125xqTGW 10-8，其上位效應(yīng)為-0.079 4～0.116 4，其中3 對上位性QTL 中有2 對QTL 是基本不受環(huán)境影響。綜合分析，千粒質(zhì)量性狀受環(huán)境影響比較大，但是千粒質(zhì)量QTL 受環(huán)境影響較小。加性效應(yīng)和上位性效應(yīng)共同影響著芥菜型油菜千粒質(zhì)量性狀，在之后的育種工作中，既要考慮加性效應(yīng)，又要注重上位性效應(yīng)，才能使千粒質(zhì)量性狀穩(wěn)定遺傳。