SSR標(biāo)記與棉花產(chǎn)量性狀雜種優(yōu)勢的相關(guān)性分析

孫亞莉，何守樸，陳瓊玲，鄭曉楠，杜雄明

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，山西太谷030800；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，河南安陽455000）

SSR標(biāo)記與棉花產(chǎn)量性狀雜種優(yōu)勢的相關(guān)性分析

孫亞莉1，何守樸2，陳瓊玲1，鄭曉楠1，杜雄明2

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)信息學(xué)院，山西太谷030800；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所，河南安陽455000）

在陸地棉雜交組合中，鈴數(shù)和鈴質(zhì)量優(yōu)勢對產(chǎn)量雜種優(yōu)勢起著重要的貢獻(xiàn)作用。利用2個衣分差異較大的材料M23（衣分高）和838（衣分低）與其他8個材料雜交，獲得兩類共16個F1群體，對材料（親本及F1）的產(chǎn)量相關(guān)性狀、雜種優(yōu)勢和SSR分子標(biāo)記聚類及相關(guān)性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，以M23作父本的F1群體籽棉產(chǎn)量均值明顯高于以838作父本的F1群體，進(jìn)一步對2個群體的中親優(yōu)勢和超親優(yōu)勢分析發(fā)現(xiàn)，籽棉產(chǎn)量的增長貢獻(xiàn)可能來源于鈴質(zhì)量表現(xiàn)出的雜種優(yōu)勢；利用SSR分子標(biāo)記技術(shù)可以很好地將F1群體和親本材料區(qū)分開來，同時通過分析材料之間相似系數(shù)和雜種優(yōu)勢之間的相關(guān)性發(fā)現(xiàn)，材料之間相似系數(shù)越大，衣分和鈴數(shù)的雜種優(yōu)勢越小，但鈴質(zhì)量的雜種優(yōu)勢越大。研究可為棉花雜種優(yōu)勢利用選擇親本提供理論基礎(chǔ)。

棉花；產(chǎn)量；雜種優(yōu)勢；SSR標(biāo)記；相關(guān)分析

棉花作為最重要的天然纖維作物和油料作物，對國民經(jīng)濟(jì)起著非常重要的作用。自20世紀(jì)90年代，世界棉花的平均產(chǎn)量均有顯著提高，然而在產(chǎn)量上要取得更進(jìn)一步的突破則較為困難；我國的棉花品種區(qū)域試驗結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，要更大地提高棉花產(chǎn)量難度很大。目前研究表明，利用雜種優(yōu)勢是作物提高產(chǎn)量、改良品質(zhì)的有效途徑[1-3]。

20世紀(jì)90年代末，我國棉花育種工作者先后育成多個具有較強優(yōu)勢的雜交組合，并在生產(chǎn)中大面積推廣利用[4]，將我國棉花生產(chǎn)和育種推入了以利用雜種優(yōu)勢為主的新階段[5-7]。然而，棉花雜種優(yōu)勢遺傳基礎(chǔ)的理論研究，多停留在經(jīng)典數(shù)量遺傳研究階段，難以適應(yīng)快速發(fā)展的棉花育種工作的需要。分子標(biāo)記技術(shù)的發(fā)展，為雜種優(yōu)勢遺傳基礎(chǔ)的理論研究提供了強有力的手段，對改良作物的產(chǎn)量、品質(zhì)、抗病蟲性具有重要意義[8-10]。

分子標(biāo)記是繼形態(tài)標(biāo)記、細(xì)胞標(biāo)記和生化標(biāo)記之后發(fā)展起來的較為理想的遺傳標(biāo)記形式，近年來發(fā)展迅速[11]。它具有數(shù)量多、分布廣、共顯性等優(yōu)越性[12]，在遺傳圖譜構(gòu)建、品種（系）的指紋圖譜、種質(zhì)資源的遺傳多樣性及分類研究、種質(zhì)資源的創(chuàng)新與鑒定、比較基因組學(xué)、分子標(biāo)記輔助育種等方面起著非常重要的作用[13-14]，可以縮短育種年限，大大提高育種效率，加快育種進(jìn)程[15-16]。

本研究利用2個衣分差異較大的材料M23（衣分高）和838（衣分低）與其他8個材料雜交，獲得兩類共16個F1群體，通過親本與子代之間雜種優(yōu)勢、產(chǎn)量有關(guān)性狀的比較分析，并結(jié)合SSR分子標(biāo)記技術(shù)，從分子水平上分析所選材料的遺傳背景及其與雜種優(yōu)勢之間的關(guān)系，以期為棉花雜種優(yōu)勢利用及高產(chǎn)育種提供理論基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

本研究所使用植物材料均來自國家棉花種質(zhì)資源中期庫。2個父本材料，分別為M23和838；8個母本材料，分別為（98101/澳991）B、國欣棉3號、9901選、冀169、冀4025、冀958、晉棉38和鑫秋1號。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2009年雜交，2010年將所有親本和F1種植于中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院棉花研究所試驗地（河南安陽）。采用隨機區(qū)組設(shè)計，每個材料種2行，3個重復(fù)。試驗地肥力較好且均勻一致，田間管理方法同大田常規(guī)方法。

1.3 田間性狀觀察

本試驗對所有材料產(chǎn)量相關(guān)的重要性狀（果枝數(shù)、鈴數(shù)、籽棉產(chǎn)量、鈴質(zhì)量、衣分等）進(jìn)行調(diào)查。各性狀數(shù)據(jù)采集時期和描述方法參照《棉花種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[17]。

1.4 SSR分子標(biāo)記分析

1.4.1 提取DNA 采用改良的CTAB法提取棉花材料基因組DNA。

1.4.2 模板DNA純度和濃度檢測 用BECKMAN DU800紫外分光光度計檢測DNA純度與濃度。

1.4.3 PCR擴增 其擴增程序列于表1，對其產(chǎn)物用8%非變性聚丙烯酰胺電泳進(jìn)行檢測，篩選得到多態(tài)性引物124對。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

1.5.1 中親優(yōu)勢 對試驗材料的各個數(shù)量性狀進(jìn)行中親優(yōu)勢的計算。中親優(yōu)勢是指雜種的某一數(shù)量性狀平均值（F1）與雙親相應(yīng)性狀平均值（MP）的差數(shù)除以雙親相應(yīng)性狀的平均值（MP）。

表1 SSR的PCR擴增程序

1.5.2 超親優(yōu)勢 對試驗材料的各個數(shù)量性狀進(jìn)行超親優(yōu)勢的計算。超親優(yōu)勢是指雜種某一數(shù)量性的平均值（F1）與高值親本（HP）相應(yīng)性狀平均值差數(shù)除以高值親本相應(yīng)性狀的平均值。

1.5.3 數(shù)據(jù)記錄 SSR分子標(biāo)記通過人工統(tǒng)計穩(wěn)定且易于辨認(rèn)的差異性條帶數(shù)，有帶時賦值為“1”，無帶時賦值為“0”，錄入計算機生成分子標(biāo)記的“1，0”矩陣。

1.5.4 聚類分析 分子標(biāo)記數(shù)據(jù)采用Jaccard模型進(jìn)行相似系數(shù)運算，并且采用未加權(quán)類平均法（unweighted pair group method arithmetic averages，UPGMA）對遺傳相似系數(shù)矩陣進(jìn)行聚類分析，生成聚類圖。

1.5.5 相關(guān)分析 用SAS8.0統(tǒng)計分析軟件對中親優(yōu)勢、超親優(yōu)勢和SSR分子標(biāo)記相似系數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 所選材料產(chǎn)量相關(guān)的主要農(nóng)藝性狀及其變異

根據(jù)調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)對所有材料進(jìn)行了農(nóng)藝性狀調(diào)查，因為種植了3個重復(fù)，因此除籽棉產(chǎn)量數(shù)據(jù)外，其他數(shù)據(jù)均用平均值表示。從表2可以看出，除衣分和鈴數(shù)外，M23的其他性狀均低于838。

對所選材料的鈴質(zhì)量、衣分、果枝數(shù)、鈴數(shù)等產(chǎn)量相關(guān)性狀進(jìn)行了調(diào)查，并將所有數(shù)據(jù)分為親本、F1（838）（以材料838作父本的F1群體）和F1（M23）（以材料M23作父本的F1群體）3個群體進(jìn)行統(tǒng)計分析，各性狀平均值和變異系數(shù)如表3所示。

從表3可以看出，經(jīng)過與M23雜交以后，F(xiàn)1（M23）群體籽棉產(chǎn)量均值提高幅度較大，而且變異系數(shù)相對較小，說明與M23雜交后，所有材料在產(chǎn)量上均表現(xiàn)較明顯的雜種優(yōu)勢。而與產(chǎn)量相關(guān)的性狀除鈴數(shù)外，F(xiàn)1（M23）群體較親本均有較小幅度的提高，且變異系數(shù)不大。

表2 所選材料的相關(guān)農(nóng)藝性狀分析

表3 所選材料產(chǎn)量及其相關(guān)主要農(nóng)藝性狀變異分析

2.2 各性狀之間的相關(guān)分析

為了明確各性狀之間的相互關(guān)系，本研究以所有親本和F1為樣本，對各性狀進(jìn)行相關(guān)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鈴質(zhì)量與果枝數(shù)呈極顯著正相關(guān)；與籽棉產(chǎn)量呈正相關(guān)的有果枝數(shù)和鈴質(zhì)量；衣分與果枝數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)（表4）。由于本研究所選取的樣本包括親本和F1，因此，該結(jié)果說明，在棉花中影響籽棉產(chǎn)量的主要性狀是果枝數(shù)和鈴質(zhì)量。

表4 所有材料各性狀之間的相關(guān)分析

2.3 中親優(yōu)勢與超親優(yōu)勢

為了進(jìn)一步研究所選材料之間的雜種優(yōu)勢，本研究對調(diào)查性狀的中親優(yōu)勢和超親優(yōu)勢進(jìn)行了統(tǒng)計，結(jié)果表明，F(xiàn)1（M23）群體籽棉產(chǎn)量的中親優(yōu)勢和超親優(yōu)勢都明顯高于F1（838）群體，進(jìn)一步對其構(gòu)成性狀進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，只有鈴質(zhì)量表現(xiàn)出較明顯的中親優(yōu)勢和超親優(yōu)勢（表5），說明產(chǎn)量的優(yōu)勢可能主要來自于鈴質(zhì)量的貢獻(xiàn)。

表5 所有組合的中親優(yōu)勢和超親優(yōu)勢分析

2.4 SSR聚類分析

為了從分子水平上分析所選材料的遺傳背景及其與雜種優(yōu)勢之間的關(guān)系，本研究從800對SSR引物中篩選出124對多態(tài)性好、條帶清晰、重復(fù)性高的引物作為多態(tài)性引物，對材料之間的遺傳關(guān)系進(jìn)行分析。通過聚類分析發(fā)現(xiàn)，SSR分子標(biāo)記可以很好地將F1與親本材料區(qū)分開來，而在其內(nèi)部，M23和838都與其各自的F1聚為一類。說明SSR標(biāo)記可以準(zhǔn)確地鑒定陸地棉的F1材料及其親本（圖1）。

2.5 材料之間相似系數(shù)與雜種優(yōu)勢的相關(guān)性分析

為了進(jìn)一步研究材料之間遺傳距離是否與雜種優(yōu)勢之間存在著相關(guān)性，進(jìn)一步分析了材料之間的相似系數(shù)與各性狀之間的相關(guān)性，結(jié)果表明，SSR相似系數(shù)與鈴數(shù)的中親優(yōu)勢呈極顯著負(fù)相關(guān)，與鈴質(zhì)量的中親優(yōu)勢呈顯著正相關(guān)，與衣分的中親優(yōu)勢和超親優(yōu)勢均呈顯著負(fù)相關(guān)（表6）。說明在本研究所配置組合中，選用遺傳背景越接近的材料作為親本，其F1鈴數(shù)的中親優(yōu)勢小，衣分的中親優(yōu)勢和超親優(yōu)勢都隨之減小，只有鈴質(zhì)量的中親優(yōu)勢有所提高。

表6 材料之間SSR相似系數(shù)與各性狀中親優(yōu)勢和超親優(yōu)勢的相關(guān)性分析

3 討論

前人的研究表明，鈴數(shù)和鈴質(zhì)量優(yōu)勢對產(chǎn)量起著重要的貢獻(xiàn)作用[18]。張鳳鑫[19]統(tǒng)計31個陸地棉組合結(jié)果表明，F(xiàn)1對產(chǎn)量優(yōu)勢的貢獻(xiàn)主要來源于鈴數(shù)和鈴質(zhì)量的增加；陳祖海等[20]研究6個陸地棉族系種質(zhì)與常規(guī)棉品種的組合發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)1產(chǎn)量優(yōu)勢同樣來源于鈴數(shù)與鈴質(zhì)量的增加。本研究結(jié)果表明，所選擇的組合中，雖然父本M23籽棉產(chǎn)量低于父本838，但其雜交F1在籽棉產(chǎn)量上卻具有更大的優(yōu)勢，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，這些優(yōu)勢可能來源于鈴質(zhì)量；然而M23的鈴質(zhì)量卻低于838，衣分遠(yuǎn)高于838，說明親本衣分高低可能對F1鈴質(zhì)量有著潛在的影響，從而進(jìn)一步影響籽棉產(chǎn)量。因此，在棉花雜種優(yōu)勢利用上，如果希望提高籽棉產(chǎn)量，可以通過選擇衣分較高的材料作為親本。

雜種優(yōu)勢是自然界存在的普遍現(xiàn)象，利用雜種優(yōu)勢對作物性狀進(jìn)行改良是長久以來作物育種的主要方向之一。棉花作為常異花授粉植物，只要選擇合適的親本，雜種優(yōu)勢依然存在并可以被利用。分子標(biāo)記技術(shù)可以很好地區(qū)分材料之間的遺傳背景關(guān)系，因此，利用分子標(biāo)記技術(shù)可以輔助指導(dǎo)雜種優(yōu)勢利用中進(jìn)行親本的選擇。袁力行等[21]利用4種分子標(biāo)記技術(shù)對15個玉米骨干自交系所配置的組合進(jìn)行遺傳距離與雜種優(yōu)勢相關(guān)性研究發(fā)現(xiàn)，分子標(biāo)記遺傳距離與F1產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)；王學(xué)德等[22]研究發(fā)現(xiàn)，棉花中當(dāng)親本遺傳距離處于一定范圍內(nèi)，雜種優(yōu)勢才能達(dá)到最大；趙慶勇等[23]利用SSR標(biāo)記對水稻組合研究發(fā)現(xiàn)，分子標(biāo)記遺傳距離與雜種優(yōu)勢相關(guān)性狀均達(dá)到極顯著正相關(guān)。本研究分析了材料之間的SSR相似系數(shù)和其性狀的中親優(yōu)勢及超親優(yōu)勢之間的相關(guān)性，雖然沒有發(fā)現(xiàn)相似系數(shù)與籽棉產(chǎn)量之間的顯著相關(guān)性，但親本之間的相似系數(shù)可能影響鈴數(shù)、鈴質(zhì)量和衣分的雜種優(yōu)勢。與以往研究不同的是，本研究發(fā)現(xiàn)，鈴質(zhì)量中親優(yōu)勢與相似系數(shù)呈顯著正相關(guān)，這可能是由選擇材料不同所引起的。

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《山西農(nóng)業(yè)科學(xué)》編輯部

Correlation Analysis between SSR Marker and the Heterosis of Yield Traits in Cotton

SUN Ya-li1，HE Shou-pu2，CHEN Qiong-ling1，ZHENG Xiao-nan1，DU Xiong-ming2
（1.College of Information，Shanxi Agricultural University，Taigu 030800，China；2.Institute of Cotton，Chinese Academy of Agricultural Sciences，Anyang455000，China）

In upland cotton hybridization,the heterosis of boll number and boll weight played the most important roles in yield heterosis.In this study,2 germplasm（M23,high lint percentage;838,low lint percentage）with greatly different lint percentage were used as paternal materials to cross with 8 other germplasm,got two kinds of 16 F1groups.By analyzing the yield related traits,heterosis and genetic distance,the results showed that the yield（with seed）of F1population which used M23 as father was higher than 838,further analysis of mid-parent heterosis and over-parent heterosis indicated that the contribution to yield trait was mainly from the heterosis of boll weight.The parents and F1could be well distinguished and clustered by similarity coefficient derived from SSR markers.The result of correlation analysis between similarity coefficient and heterosis indicated that the greater of similarity coefficient between germplasm,the smaller heterosis of lint percentage and boll number was,nevertheless,the boll weight heterosis was greater.This research could support the selection of parent in cotton heterosis utilization.

cotton;yield;heterosis;SSR markers;correlation analysis

S562

A

1002-2481（2016）05-0591-05

10.3969/j.issn.1002-2481.2016.05.06

2016-02-27

國家自然科學(xué)基金項目（31571716）；國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（863計劃）項目子課題（2011AA10A102）

孫亞莉（1986-），女，山西朔州人，助教，主要從事生物化學(xué)與分子生物學(xué)研究及教學(xué)工作。杜雄明為通信作者。