57NG208 與南澗果蔗正反交后代的遺傳變異分析

朱建榮，邊芯，郎榮斌，俞華仙，馮蔚，桃聯(lián)安， 董立華，安汝東，經(jīng)艷芬*

(1.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所瑞麗育種站，云南 瑞麗678600；2.云南甘蔗遺傳育種重點實驗室，云南 開遠661600)

現(xiàn)代甘蔗品種作為高度雜合異源多倍體作物，至少含3 ～5個種的血緣[1]，基本上是POJ 和Co 系列品種的近親雜交后代[2]，品種間遺傳基礎(chǔ)相近。中國自育甘蔗品種的細胞質(zhì)源非常有限，僅來自斑扎馬新黑譚(Bandjarmasin Hitan)、黑車?yán)锉?Black Cheribon)、拔地拉(Badila)、克林斯他琳娜(Crystalina)和卡路打不廷(Kaludai Boothan)，且以前2個種為主[3]。用于拓寬甘蔗遺傳基礎(chǔ)的野生種有斑茅[4]、滇蔗茅[5–7]、蔗茅[8]、細莖野生種[9]、大莖野生種[10]等。大莖野生種的長勢旺盛，莖硬抗風(fēng)，抗蟲，宿根性好，低糖，高纖維。國內(nèi)外甘蔗育種機構(gòu)利用大莖野生種育成的優(yōu)良品種(系)有美國夏威夷H37–1933，中國臺灣PT43–52、F146、F152、ROC22、昆士蘭32MQ，美國運河點育種場CP36–138，中國廣州粵糖79–177[11]等。關(guān)于細胞質(zhì)對作物性狀[12]、抗病[13–17]、抗蟲[18]、抗倒性[19]及抗旱性[20]等方面的研究已有報道。細胞質(zhì)遺傳與細胞核遺傳不同，主要表現(xiàn)為母系遺傳，其抗性不分離，遺傳連續(xù)性和穩(wěn)定性比較高[21]，因此，將甘蔗野生種作為細胞質(zhì)來源可以增強甘蔗的抗性和適應(yīng)性。

關(guān)于大莖野生種創(chuàng)新種質(zhì)主要性狀遺傳變異的研究較少。本研究中利用大莖野生種57NG208和中國種南澗果蔗進行雜交，獲得正交、反交F1后代群體，通過SSR 分子標(biāo)記對后代進行真實性鑒定，選取132個真實性后代進行聚類分析，并對其重要農(nóng)藝性狀的遺傳變異進行研究，探討2個原種分別做母本對后代的影響及其后代相關(guān)性狀的遺傳變異情況，以期為中國種、大莖野生種的細胞質(zhì)利用提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

以云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院甘蔗研究所瑞麗育種站保育的大莖野生種57NG208(以下簡稱P1)和中國種南澗果蔗(以下簡稱P2)為親本進行雜交(P1×P2為正交，P2×P1為反交)。于2012年雜交季節(jié)獲得2個群體的后代材料，于2012年3月10日進行雜交花穗種子播種，4月20日假植，2012年5月29日定植于大田。大田隨機區(qū)組排列。每個組合隨機選取9株，3次重復(fù)。每重復(fù)種植1 行，行長6.5 m，行距1.1 m，其管理與大田一致，2013年1月26日調(diào)查農(nóng)藝性狀。

1.2 葉片基因組DNA 的提取與SSR 分析

以+1 葉片為樣本，葉片基因組DNA 提取參照文獻[22]中的方法。SSR 引物選用文獻[23]中多態(tài)性好 的 MSSCIR21 、 MSSCIR26 、 MSSCIR36 和SMC336BS 等共4 對引物。反應(yīng)體系、PCR 擴增條件的確定參照文獻[24]中的方法。擴增產(chǎn)物經(jīng)95℃變性后，在5%的變性聚丙烯酰胺凝膠上進行電泳分離，凝膠染色采用文獻[25]中的快速銀染法。

1.3 數(shù)據(jù)分析

分子數(shù)據(jù)采用人工讀帶的方式，每對SSR 引物檢測1個位點，在相同遷移位置上，有帶記為1，無帶記為0，每條帶相當(dāng)1個等位基因，建立0–1 矩陣。采用軟件NTSYSpc 2.1 計算出Jaccard 遺傳相似性系數(shù)(GS)[26]，并根據(jù)相似性系數(shù)進行UPGMA 聚類分析，構(gòu)建聚類圖。相關(guān)計算公式如下：

變異系數(shù)(CV)=標(biāo)準(zhǔn)差/后代平均值；

遺傳傳遞力(Ta)=后代平均值/親中值；

優(yōu)勢率(H)=(后代平均值－親中值)/親中值[27]。

2 結(jié)果與分析

2.1 群體的相似性系數(shù)

根據(jù)SSR 分子標(biāo)記鑒定結(jié)果，從每個組合隨機篩選真雜種66個，利用Jaccard 相似性系數(shù)分析2個群體后代之間的親緣關(guān)系，結(jié)果表明，正交組合66個后代間的相似性系數(shù)為0.227～0.955，平均為0.618；反交組合66個后代間的相似性系數(shù)為0.206～0.941，平均為0.593?？梢?，正交、反交F1群體間的相似性系數(shù)無論是其范圍還是平均值均存在一定的差異。

根據(jù)Jaccard 遺傳相似性系數(shù)對正交組合后代及其親本作UPGMA 聚類圖(圖1)。由圖1 可見，在相似性系數(shù)為0.578 處，P1和P2明顯被分開；在相似性系數(shù)0.655 處，P1所在的組又分為5個小組，包括只有5個后代的A1 和有7個后代的A2 和A5，及后代最多的A4 和后代較多的A3(A4 和A3 分別含有19 和17個后代)；P2所在的組分為B1 和B2共2個小組，分別包含有7個和6個后代。結(jié)果表明，66個后代中有54個跟母本聚類在一起，表現(xiàn)出母性效應(yīng)，即細胞質(zhì)效應(yīng)明顯。

圖1 根據(jù)遺傳相似性系數(shù)構(gòu)建的正交組合UPGMA 聚類圖 Fig. 1 UPGMA dendrogram of orthogonal combination according to theirgenetic coefficient

由圖2 可見，在相似性系數(shù)0.497 處，雙親及66個后代被分為2組，P2為獨立一組，其余聚在一類；在相似性系數(shù)0.599 處，親本P1所在的組可分為6 小組，其中包含有28個后代的B3(B3 含有的后代最多)；在相似系數(shù)0.941 處，編號為2、4、15、37 后代的表現(xiàn)非常相似，彼此聚類在一起。B1 和B4組均含有后代14個；B5、B2 和B6 含有的后代數(shù)分別為6、3、2個。

圖2 根據(jù)遺傳相似性系數(shù)構(gòu)建的反交組合UPGMA 聚類圖 Fig.2 UPGMA dendrogram of reciprocal combination according to theirgenetic coefficient

2.2 正反交后代株高的遺傳變異

甘蔗有性世代的生長期一般是5—6月開始，12月至豎年1月結(jié)束，生長時間為半年，因此，有性世代的株高只能反映其生長趨勢。株高與倒伏具有一定的正相關(guān)性，在其他條件一定的情況下，植株越高，甘蔗倒伏的可能性越大。本試驗結(jié)果表明，株高為受多基因控制的數(shù)量性狀遺傳(表1，圖3、圖4)。2個群體后代的遺傳傳遞力分別為82.45%和81.30%，平均株高都低于親中值(233 cm)，也低于低親植(198 cm)。正交組合后代低于低親的比率達62.12%，介于雙親間的比率為37.88%，反交組合后代相應(yīng)值分別為67.67%和32.33%，2組合沒有出現(xiàn)超高親后代，平均優(yōu)勢率為－18.13%，這是利用大莖野生種改良甘蔗品種抗倒伏性狀的遺傳基礎(chǔ)。

表1 正反交后代株高、莖徑、叢有效莖數(shù)、錘度和單莖重及其變異系數(shù) Table 1 Hereditary variation of plant height, stem diameter, millable stalks per pool , brix and single stem weight on the reciprocal crossesgeneration

圖3 57NG208×南澗果蔗后代株高的頻率分布 Fig.3 Frequency distribution of height on progenies of 57NG208 × fruit sugarcane of Nanjian

圖4 南澗果蔗×57NG208 后代株高的頻率分布 Fig.4 Frequency distribution of height on progenies of fruit sugarcane of Nanjian× 57NG208

2.3 正反交后代農(nóng)藝性狀均為數(shù)量遺傳

試驗結(jié)果表明，正、反交組合后代株高為受多基因控制的數(shù)量性狀遺傳(圖3 和圖4)。正、反交組合株高分離極值分別為126～233 cm 和140～234 cm，正、反交后代株高變異系數(shù)分別為9.79%和10.07%，說明株高的離散程度不大。莖徑、叢有效莖、單莖重和錘度的分布頻率與株高分布頻率相似，均為正態(tài)分布，表現(xiàn)為數(shù)量性狀遺傳(莖徑、叢有效莖、單莖重和錘度的頻率分布圖略)。

2.4 正反交后代莖徑的遺傳變異

正、反交后代群體莖徑的平均值(1.82 cm)均小于親中值(2.35 cm)，變異系數(shù)不大，分別為14.12%和15.49%，遺傳傳遞力分別為80.30%和74.21%。正交組合后代介于雙親間的比率(48.48%)與低于低親的比率(51.52%)相近，而反交組合的相應(yīng)值分別為33.33%和66.67%，兩者的比值接近1∶2。2組合的超高親值均為0；正交、反交組合后代分離極值分別為1.33～2.43 cm 和1.00～2.42 cm，極值差分別為1.10 和1.42，組合間莖徑相差不大。

2.5 正反交后代錘度的遺傳變異

正交、反交組合的平均錘度(18.3%)均高于親中值(15.2%)，正交組合的平均錘度甚至高于高親值。正交、反交組合的遺傳傳遞力都超過了100%，分別為130.09%和110.50%，優(yōu)勢率分別為30.09%和10.50%，這說明錘度的遺傳主要是受基因間的加性效應(yīng)控制，受非加性效應(yīng)的影響較小。正交、反交組合的變異系數(shù)不大，分別為7.2%和10.76%，說明錘度性狀的離散度小，在分離群體中表現(xiàn)出相對的穩(wěn)定性，受環(huán)境的影響較小。

正交后代錘度的超高親比率(86.36%)較高，介于雙親間的比率為13.64%，而反交組合相應(yīng)的值分別為24.24%和75.76%，2組合低于低親的比率均為零，說明正交組合宜將高錘度遺傳給后代。正交組合錘度的分離極值為16.3%～23.0%，反交組合的為13.3%～21.5%，極值差分別為6.7 和8.2，正交組合中出現(xiàn)高錘度(達23%)的單株有2 株。

2.6 正反交后代叢有效莖數(shù)的遺傳變異

正交、反交后代在叢有效莖數(shù)上有超高的遺傳傳遞力，分別為140.69%和144.16%，優(yōu)勢率分別為40.69%和44.16%，說明叢有效莖數(shù)受基因加性效應(yīng)影響明顯。正交、反交組合的變異系數(shù)較大，均大于50%，分別為51.41%和51.85%，這說明2個群體后代的分離度比較大，選擇后代叢有效莖數(shù)突出個體的機會也較大。2個組合后代的表現(xiàn)介于雙親間的較多，均超過了1/2，正交組合的略高；正交組合的超高親比率為34.84%，反交組合的超高親比率為37.88%，高于正交組合；正、反交組合低于低親的比率分別為4.55%和6.06%。

2.7 正反交后代單莖重的遺傳變異

由表1 中可見，正交、反交群體的平均單莖重為0.427 kg，均小于親中值0.657 kg，但高于低親值0.329 kg；正交、反交群體的遺傳傳遞力分別為69.43%和60.60%，均超過60%；變異系數(shù)分別為33.08%和38.63%，反交群體的變異系數(shù)比正交群體的大。正交群體的分離極值為0.185～0.915 cm，反交群體的為0.145～0.905 cm，極值差分別為0.730和0.760。單莖重超雙親的均為零，主要是介于雙親間的較多，正交介于雙親間的比率(81.82%)與低于低親比率(18.18%)的比值接近4∶1，而反交群體兩者的比值接近2∶1(65.15%∶34.85%)，說明正交組合傾向于偏重遺傳，反交組合傾向于偏輕遺傳。

3 結(jié)論與討論

以57NG208 與南澗果蔗正反交群體中的132個真實性后代為研究材料，正交、反交F1群體間相似性系數(shù)無論是范圍還是平均值均存在一定差異。2個群體的UPGMA 聚類圖顯示，2個親本均被分在不同組，正交組合中，與母本57NG208 聚在一起的后代有54個；反交組合中，母本南澗果蔗單獨聚為一類，66個后代均與父本57NG208 聚在一起。無論是遺傳距離，還是與母本聚在一起的后代數(shù)量，均存在明顯差異，同時遺傳相似系數(shù)和田間農(nóng)藝性狀亦表現(xiàn)出明顯不同，這說明不同母本作為細胞質(zhì)源對后代的確存在一定的影響。

本試驗中農(nóng)藝性狀株高、莖徑、錘度、叢有效莖數(shù)和單莖重均呈連續(xù)分布，屬于數(shù)量性狀遺傳，易受環(huán)境影響。正交組合有2 株單株表現(xiàn)高糖，反交組合一個后代有16 條叢有效莖。2個組合變異系數(shù)排在前3 的依次是叢有效莖數(shù)、單莖重和莖徑，株高和錘度的變異系數(shù)最低，正交組合株高和錘度的變異系數(shù)均低于10%，而反交組合這2個性狀的變異系數(shù)略高于10%。這與前人研究結(jié)果一致[28–29]。除了叢有效莖數(shù)外，正交組合單莖重、莖徑、株高和錘度的平均值均高于反交組合的平均值。

目前生產(chǎn)上所用甘蔗的親緣關(guān)系相近，遺傳基礎(chǔ)狹窄。本試驗中創(chuàng)制新的細胞質(zhì)源均是在真實性鑒定基礎(chǔ)上進行分析研究的，農(nóng)藝性狀調(diào)查僅是新植表現(xiàn)，調(diào)查過程中并未發(fā)現(xiàn)倒伏現(xiàn)象，而且后期觀察葉片的持綠程度明顯好于同期其他甘蔗材料。宿根的相關(guān)性狀有待繼續(xù)跟蹤調(diào)查。

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