甜菜育種中遺傳漂變現(xiàn)象的分析與探討

胡華兵，賀碧微，閆甜甜

（新疆石河子農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院甜菜研究所，石河子832011）

在一個(gè)小群體內(nèi)，從基因庫抽樣形成下一代個(gè)體的配子時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，這種誤差會(huì)引起群體內(nèi)基因頻率、基因型頻率的偶然變化，叫作隨機(jī)遺傳漂變（random genetic drift），簡稱遺傳漂變（genetic drift）[1]。

在甜菜不育系和保持系提純、利用自交系創(chuàng)新選育不育系和保持系育種實(shí)踐中，由于需要不斷自交、回交，分離選育出多對(duì)不育系和保持系，這些保持系作為姊妹系，雖然存在血緣關(guān)系，但由于發(fā)生遺傳漂變，各材料之間產(chǎn)質(zhì)量、抗病性、葉片、葉叢等經(jīng)濟(jì)學(xué)性狀、生物學(xué)性狀發(fā)生嚴(yán)重分化，生成各種類型新群體。同樣，在甜菜良種繁育中，抽樣群體過小或其他栽培措施、隔離條件等原因亦能導(dǎo)致遺傳漂變，致群體基因頻率、基因型頻率發(fā)生改變，種性也發(fā)生改變。

本文將從理論、育種實(shí)踐二方面分析甜菜發(fā)生遺傳漂變的影響，提出相應(yīng)對(duì)策，探討甜菜育種、良種繁育實(shí)踐操作方法。

1 遺傳漂變理論分析

從理論上講，某一群體內(nèi)各個(gè)個(gè)體經(jīng)過隨機(jī)交配，其后代組成的群體基因頻率、基因型頻率會(huì)達(dá)到一種平衡。但是由于某些原因使這種平衡會(huì)遭到破壞，比如群體內(nèi)混雜其他個(gè)體、人為干預(yù)選擇、環(huán)境脅迫、取樣時(shí)樣本量過小、基因突變等。樣本量過小，樣本所含有的基因頻率、基因型頻率與原有群體有誤差，小群體內(nèi)基因分離與重組不能達(dá)到完全的自由分離與重組，致使后代基因頻率、基因型頻率發(fā)生改變，即發(fā)生遺傳漂變。樣本量越小，遺傳漂變發(fā)生越嚴(yán)重。

基因自然變異概率極低，短時(shí)間內(nèi)對(duì)后代群體基因影響有限。小群體自交導(dǎo)致基因頻率、基因型頻率改變的主要原因是遺傳漂變。遺傳漂變會(huì)導(dǎo)致后代群體某些性狀發(fā)生改變。徐孟良等人[2]研究表明，不同世代溫敏核不育水稻96-5-2S育性對(duì)低溫的反應(yīng)不同，該材料在加代繁殖過程中，臨界溫度有緩慢升高的趨勢(shì)，第1～4代臨界溫度保持相對(duì)穩(wěn)定，第5～6代時(shí)臨界溫度顯著升高。之所以發(fā)生這種現(xiàn)象，可能是有較多等位基因控制臨界溫度的緣故，并且一些等位基因頻率較小，在加代繁殖中所抽樣本量有限，各基因自由分離與重組不夠充分，后代發(fā)生遺傳漂變。所以，抽取一定樣本繁殖代數(shù)越多，遺傳漂變作用發(fā)生越明顯，致使后代性狀發(fā)生顯著變化。

蓋鈞鎰[3]研究自花授粉作物大豆結(jié)果表明，隨著群體繁殖次數(shù)增加，標(biāo)記基因型變異和稀少標(biāo)記基因型丟失風(fēng)險(xiǎn)增加，特別是在標(biāo)記基因型頻率小于0.05時(shí)；研究異花授粉作物玉米結(jié)果表明，隨著群體繁殖次數(shù)增加，標(biāo)記基因型變異和稀少標(biāo)記基因型丟失風(fēng)險(xiǎn)增加。同時(shí)，為了保持稀少基因頻率、基因型頻率，控制試驗(yàn)規(guī)模和費(fèi)用，通過分析計(jì)算，給出了這二種作物的繁殖樣本容量。

2 育種實(shí)踐

2.1 不育系和保持系提純

甜菜育種實(shí)踐中，不育系和保持系出現(xiàn)純度下降，即不育率降低，粒性紊亂，需要重新提純。常用的方法是株對(duì)株提純。在株對(duì)株提純過程中，保持系單株需要不斷自交，然后與不育株回交，這種由保持系單株自交、回交而來組成的群體極容易發(fā)生遺傳漂變現(xiàn)象。即使經(jīng)過多代多次的自交，個(gè)體基因純合度不斷提高，但仍然有一定雜合基因，也就是說基因純合是相對(duì)的，雜合才是絕對(duì)的。雜合的微量基因有控制葉片、葉形、抗病性、抗逆性、塊根產(chǎn)量、含糖率等生物學(xué)性狀和經(jīng)濟(jì)學(xué)性狀的基因，這些基因經(jīng)過不充分分離與重組，某些基因純合或丟失，導(dǎo)致一些性狀得到強(qiáng)化或削弱。例如，原不育系和保持系葉面小波浪皺褶，但新不育系和保持系群體出現(xiàn)大波浪皺褶，葉面嚴(yán)重扭曲變形，這種葉面性狀得到進(jìn)一步加強(qiáng)。新不育系和保持系作為親本材料，不僅其經(jīng)濟(jì)學(xué)性狀、生物學(xué)性狀發(fā)生改變，而且配合力尤其是一般配合力發(fā)生變化。某一不育系、保持系群體達(dá)到遺傳平衡，其基因頻率、基因型頻率保持相對(duì)穩(wěn)定，產(chǎn)質(zhì)量、配合力等各性狀也處于一種穩(wěn)定狀態(tài)，因遺傳漂變導(dǎo)致基因頻率、基因型頻率改變，產(chǎn)質(zhì)量、配合力等性狀亦將處于另外一種穩(wěn)定狀態(tài)。這也是育種實(shí)踐中經(jīng)過提純后的新不育系配合力發(fā)生變化的原因。因此不能將新的不育系、保持系群體等同于原不育系、保持系群體。

在株對(duì)株提純過程中，會(huì)出現(xiàn)多對(duì)不育系、保持系的姊妹系，由于遺傳漂變姊妹系之間各性狀出現(xiàn)明顯不一樣。例如以H9A、H9B為單株材料進(jìn)行株對(duì)株提純，多年多代之后產(chǎn)生了3對(duì)不育系、保持系姊妹系，經(jīng)2014年大田鑒定其產(chǎn)質(zhì)量發(fā)生明顯分化。各姊妹系田間產(chǎn)質(zhì)量鑒定結(jié)果見表1。

利用EXCEL進(jìn)行塊根產(chǎn)量、含糖率、產(chǎn)糖量多重比較分析。表2反映了各系小區(qū)塊根產(chǎn)量多重比較關(guān)系，可以看出，如果單純以各保持系來比較，H9-2-1B塊根產(chǎn)量與H9-2-4B差異不顯著，但和H9-1-2B差異極顯著；H9-1-2B塊根產(chǎn)量與H9-2-4B差異極顯著。表明各保持系雖有血緣關(guān)系，但由于多代自交，塊根產(chǎn)量分化明顯。

材料名表稱 根產(chǎn)量1各系產(chǎn)質(zhì)量鑒定結(jié)果H9-2-4B 83.85 14.46 12.14 A 101 323 435 H9-2-1B 74.72 13.95 10.41 A 10565 51 427 H9-1-2B 24.91 12.05 15.03 H9-1-2A 123.71 11.38 14.16 /（kg/12m） 含糖率/% 產(chǎn)糖量/（kg/12m）

H9-1-2B H9-1-2A H9-2-4A H9-2-1A H9-2-4B H9-2-1B表2各系小區(qū)根產(chǎn)量（kg ）多重比較—LSD法材料及產(chǎn)量 124.91 123.71 108.51 105.65 83.85 74.72 H9-2-1B 74.72 1.16217E-05** 1.47446E-05** 0.0004226** 0.0008554** 0.2176484 H9-2-4B 83.85 7.83583E-05** 0.000102437** 0.0042713** 0.0090959** H9-2-1A 105.65 0.01777804* 0.024380136* 0.6902131 4 81 363186 5122 H9-1-2A 123.71 0.867101904 B 49注：*表示0.05水平上顯著性，**表示0.01水平上顯著性

H9-2-4B H9-2-1B H9-2-1A H9-2-4A H9-1-2B H9-1-2A各系塊根含糖率（%表3）多重比較—LSD法材料及產(chǎn)量 14.46 13.95 13.51 13.23 12.05 11.38 H9-1-2A 11.38 0.0004408** 0.0017712** 0.0061935** 0.0139022* 0.3202548 H9-1-2B 12.05 0.0027541** 0.011917* 0.0419917* 0.0905623 H9-2-4A 13.23 0.0799101 0.2847189 0.6709504 H9-2-1A 13.51 0.1653031 0.5067796 B 9 4474 H9-2-4B 14.46注：*表示0.05水平上顯著性，**表示0.01水平上顯著性

材料及產(chǎn)量 15.03 14.35 14.27 14.16 12.14 10.41 H9-2-1B 10.41 0.0035961** 0.0096456** 0.0107627* 0.0126634* 0.2001122 H9-1-2B H9-2-4A H9-2-1A H9-1-2A H9-2-4B H9-2-1B表4各系小區(qū)產(chǎn)糖量（kg ）多重比較—LSD法H9-2-4B 12.14 0.0438669* 0.1114469 0.1229769 0.1420217 H9-1-2A 14.16 0.5093903 0.8859665 0.9317019 21 27 645052 9342 H9-2-4A 14.35 0.6034001 12B 50注：*表示0.05水平上顯著性，**表示0.01水平上顯著性

表3表示了各系塊根含糖率多重比較關(guān)系，可以看出，H9-2-4B含糖率與H9-2-1B差異不顯著，但與H9-1-2B差異極顯著；H9-2-1B含糖率與H9-1-2B呈顯著性關(guān)系。表明各保持系由于自交多次，含糖率之間差異明顯。

表4表示了各系小區(qū)產(chǎn)糖量多重比較關(guān)系，可以看出H9-2-4B產(chǎn)糖量與H9-2-1B差異不顯著，與H9-1-2B差異顯著；H9-2-1B產(chǎn)糖量與H9-1-2B差異極顯著。表明各保持系由于多代自交，遺傳漂變導(dǎo)致產(chǎn)糖量之間發(fā)生顯著區(qū)別。

2.2 利用自交系創(chuàng)新選育不育系和保持系

利用自交系創(chuàng)新選育不育系和保持系是甜菜育種中常用的方法，在自主選育不育系和保持系中發(fā)揮了重要作用。以自交系N3019為原始群體，株對(duì)株創(chuàng)新選育出多對(duì)不育系和保持系，各保持系存在姊妹關(guān)系，經(jīng)2014年大田鑒定各材料相互之間表型性狀差異較大，有些性狀得到強(qiáng)化或削弱，與原始群體比較也有較大差異（詳見表5）。不僅材料抗病性發(fā)生了分化，葉片、葉叢、葉色等田間生物學(xué)性狀也發(fā)生了明顯的分化。

表6反映了創(chuàng)新后不育系、保持系與原自交系產(chǎn)質(zhì)量比較情況。可以看出，經(jīng)過多年多代強(qiáng)制自交，塊根產(chǎn)量、產(chǎn)糖量減產(chǎn)幅度大，如果單純以各保持系來分析比較，N3019-5-6-1B、N3019-12-12-2B塊根產(chǎn)量較對(duì)照減產(chǎn)差異達(dá)到極顯著水平，N3019-12-8-1B減產(chǎn)不顯著；N3019-5-6-1B、N3019-12-8-1B含糖率較對(duì)照降低達(dá)到極顯著水平，但N3019-12-12-2B較對(duì)照反而提高0.19度，但差異不顯著；3份新保持系產(chǎn)糖量均較對(duì)照減產(chǎn)，都呈極顯著關(guān)系。

表5各系與原始群體田間性狀表現(xiàn)比較N3019（ck） 1.0 葉片中等大小，葉叢高度中等，葉面皺褶少材料名稱 白粉病級(jí)（4級(jí)制） 地上部表型性狀N3019-5-6-1B 2.5 葉片大，葉叢高度中等N3019-5-6-1A 2.5 葉片大，葉叢高度中等12-12-2B 10 色深片小，葉片皺褶多N3019-A . 葉，葉N3019-12-8-1B 2.0 葉片中等偏小，葉緣黃花A

材料名稱 kg/12m 比cK/±% 平均 比cK/± kg/12m 比cK/±% N3019（cK） 114.28 0 13.72 0 15.67 0表6根產(chǎn)量各系與原始群體產(chǎn)質(zhì)量比較含糖率/%產(chǎn)糖量N3019-5-6-1B 84.98 -25.63** 11.94 -1.78** 10.15 -35.23** N3019-5-6-1A 105.31 -7.84** 12.70 -1.02** 13.37 -14.65** N3019-12-12-2B 72.29 -36.75** 13.91 0.19** 10.05 -35.84** N3019-12-12-2A 90.38 -20.91** 14.03 0.31** 12.67 -19.16** N3019-12-8-1B 100.68 -11.90** 11.14 -2.58** 11.20 -28.52** N3019-12-8-1A 104.51 -8.55** 11.76 -1.96** 12.27 -21.66**注：*表示0.05水平上顯著性，**表示0.01水平上顯著性

3 結(jié)論與探討

小群體樣本授粉繁殖中，由于基因自由分離重組不充分，導(dǎo)致后代群體基因頻率和基因型頻率發(fā)生改變。如果以單株材料進(jìn)行繁殖，將會(huì)得到基因更加純合的個(gè)體，同時(shí)部分基因丟失，遺傳漂變發(fā)生更加嚴(yán)重，后代群體各性狀發(fā)生明顯的分化，一些性狀表現(xiàn)或加強(qiáng)或削弱。

以單株材料提純不育系和保持系，其后代各姊妹系之間塊根產(chǎn)量、含糖率、產(chǎn)糖量均發(fā)生明顯的分化，相互之間甚至呈極顯著關(guān)系。

以自交系創(chuàng)新選育不育系和保持系，其后代成系材料與原始群體產(chǎn)質(zhì)量、抗病性、葉叢、葉片等經(jīng)濟(jì)學(xué)性狀和生物學(xué)性狀亦有明顯區(qū)別，塊根產(chǎn)量、產(chǎn)糖量均減產(chǎn)，含糖率出現(xiàn)高低分化，與原始群體多呈極顯著關(guān)系。

理論上，像異花授粉作物甜菜，如果群體數(shù)量足夠大，在沒有突變、選擇、混雜和脅迫的前提下，通過完全隨機(jī)交配，其原有的基因頻率、基因型頻率可以保持不變[4]。但在實(shí)際育種實(shí)踐中，種子更新繁育群體不可能足夠大；并且在實(shí)際種子繁育中，風(fēng)向、隔離措施、田間種植環(huán)境等都會(huì)嚴(yán)重影響花粉隨機(jī)傳粉，這樣就會(huì)發(fā)生遺傳漂變，導(dǎo)致后代的基因頻率、基因型頻率發(fā)生改變。遺傳漂變是種性改變的重要原因之一。

可以采取以下措施控制、減緩遺傳漂變的發(fā)生。

（1）加大繁育群體數(shù)量，數(shù)量越大越好。對(duì)于甜菜最低繁育樣本容量，目前還沒有相關(guān)深入研究。樣本群體數(shù)量越大，可繁育代數(shù)相對(duì)越多。（2）材料一旦成系，盡量大群體繁殖足夠多的種子，減少繁育代數(shù)。（3）在群體繁殖時(shí)，做好田間管理措施，減少因干旱、濕澇、鹽堿、雜草、病蟲害等帶來的脅迫，避免非人為定向選擇壓產(chǎn)生遺傳漂變。（4）甜菜作為異花授粉作物，主要傳粉媒介是風(fēng)，因此在繁育中應(yīng)該重視隔離條件、種植方向與規(guī)模和風(fēng)向的關(guān)系，盡量使群體自由傳粉。（5）在甜菜親本繁育中，盡量采用保純繁殖法、循環(huán)選擇繁殖法和株系循環(huán)繁殖法[5]。

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[2]徐孟良，康公平，梁滿中，等.不同世代溫敏核不育水稻96-5-2S育性對(duì)低溫的反應(yīng)[J].作物學(xué)報(bào)，2006，32（1）：20-24

[3]蓋鈞鎰.植物種質(zhì)群體遺傳結(jié)構(gòu)改變的測(cè)度[J].植物遺傳資源學(xué)報(bào)，2005，6（1）：l-8

[4]柴建方.種質(zhì)庫異花授粉作物種子的更新繁殖[J].作物品種資源，1996（2）：38-40

[5]張?zhí)煺?作物育種學(xué)總論[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2003：326-327