荻與五節(jié)芒種間雜交F1群體主要農(nóng)藝性狀的遺傳及相關(guān)性分析

艾 辛， 蔣建雄， 肖 亮， 陳智勇， 覃靜萍， 易自力*

(1. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院， 湖南 長沙410128；2. 江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院 生物質(zhì)能源研究所， 江蘇 鎮(zhèn)江 212013；3. 湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院， 湖南 長沙410128)

芒屬(Miscanthus)植物作為最有發(fā)展前景的C4草本能源植物備受國際關(guān)注[1-2]，近幾年來，國內(nèi)外從資源植物學(xué)、生態(tài)與農(nóng)學(xué)、細(xì)胞和分子水平，遺傳改良以及能源利用等方面做了大量的研究工作[3-5]，為芒屬植物的能源化利用奠定了基礎(chǔ)。芒屬植物的利用前提是要有在邊際性土地生產(chǎn)的成本低廉的原料[6]，但現(xiàn)有的芒屬植物資源各有優(yōu)缺點(diǎn)，不適合直接作為品種進(jìn)行大面積栽培，需要將芒屬植物4個(gè)主要種的優(yōu)良性狀聚合培育高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗逆的新品種。目前栽培較多的是來源于日本的天然三倍體雜交種‘奇崗’[7-8]，但由于三倍體的不育性，無法以此為基礎(chǔ)進(jìn)行雜交育種工作。芒屬植物的雜交育種工作因花期不遇的困難，進(jìn)展緩慢，更缺乏對芒屬植物植株及產(chǎn)量相關(guān)性狀的研究，嚴(yán)重制約了對芒屬植物資源的利用。

植物的遺傳改良就是要將分散在不同個(gè)體間控制優(yōu)良性狀的優(yōu)良基因聚合在一起，獲得具有更多優(yōu)良性質(zhì)的新品種。植物的性狀分為質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀，一些極為重要的經(jīng)濟(jì)性狀(如作物植株高度、莖稈粗細(xì)、產(chǎn)量、生育期、籽粒重等)都是數(shù)量性狀，在植物全部性狀中占有很大的比重[9]。數(shù)量性狀在一個(gè)群體內(nèi)的各個(gè)體間表現(xiàn)為連續(xù)變異的性狀，較易受環(huán)境影響，同一數(shù)量性狀的遺傳受為數(shù)甚多的基因支配，遺傳較為復(fù)雜。蓋鈞鎰等[10-11]認(rèn)為，控制數(shù)量性狀的多個(gè)基因在效應(yīng)上可以是不等的，效應(yīng)大的表現(xiàn)為主基因，效應(yīng)微小的表現(xiàn)為多基因，即這類性狀的遺傳為主基因+多基因混合遺傳模型。利用這一分析方法，對多種作物的生育期[12]、株高和葉片數(shù)[13]、生長特性[14]和逆境適應(yīng)性狀[15]等的遺傳本質(zhì)得到了進(jìn)一步明確。

由于芒屬植物高度自交不親和[16]，所以無法獲得高世代自交系，異質(zhì)化程度很高，在F1代就會有高度分離，接近純合親本雜交種F2代的分離水平，可以將芒屬植物的雜交F1代群體作為假F2代群體[17-18]進(jìn)行遺傳分析，這一方法已在草坪草[19]和菊花[20]中得到了成功的運(yùn)用。芒屬植物中的荻(M.sacchariflorus)具有耐寒抗凍、耐干旱鹽堿和發(fā)達(dá)的地下根狀莖、纖維品質(zhì)好和自然衰老等優(yōu)良特性[21-22]，但生物產(chǎn)量低；五節(jié)芒(M.floridulus)具有耐瘠薄、生長快、生物產(chǎn)量高等優(yōu)點(diǎn)[23]，但不能自然衰老和耐旱抗凍，如果能將荻和五節(jié)芒2個(gè)種間的優(yōu)良性狀聚合在一起，就能選育出逆境耐受性好、生物質(zhì)產(chǎn)量高的新品種。本試驗(yàn)通過荻和五節(jié)芒2個(gè)種間雜交種F1群體的植株和產(chǎn)量相關(guān)農(nóng)藝性狀的表現(xiàn)和雜種優(yōu)勢分析，借用蓋鈞鎰[10-11]關(guān)于單個(gè)分離世代的數(shù)量性狀分離分析的方法，探討芒屬植物種間雜交后代農(nóng)藝性狀的遺傳規(guī)律，明確相關(guān)性狀的遺傳模型和基因作用方式，估計(jì)主基因的遺傳效應(yīng)，為荻和五節(jié)芒雜交親本選配、擴(kuò)大荻和五節(jié)芒遺傳基礎(chǔ)和選擇合適的育種方法提供理論依據(jù)，同時(shí)為今后開展芒屬植物分子育種的深入研究奠定理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為荻(Micanthus.sacchariflorus)B0134和五節(jié)芒(M.floridulus)A0430，荻B0134采集于陜西周至縣(N 34.08°，E 106.75°)，五節(jié)芒A0430采集于湖南洞口縣(N 27.07°，E 110.53°)，經(jīng)過3年的觀察，性狀表現(xiàn)穩(wěn)定，現(xiàn)保存于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)芒屬植物種質(zhì)資源圃。在長沙地區(qū)，荻B0134的花期為6月中下旬，五節(jié)芒A0430的花期在7月上中旬，花期不遇，無法正常進(jìn)行雜交。2010年春季將荻B0134和五節(jié)芒A0430移栽至口徑45 cm的塑料盆中，通過光照和處理進(jìn)行花期調(diào)控，2010年10月選擇花期相遇的荻和五節(jié)芒的花序用硫酸紙袋進(jìn)行套袋雜交，從荻B0134中獲得的種子(荻B0134×五節(jié)芒A0430)為正交F1雜交種子，從五節(jié)芒A0430花序上收獲的種子(五節(jié)芒A0430×荻B0134)為反交F1雜交種子。次年3月初將正反交雜交種分別播種在育苗盤中，6月上旬將正反交雜交種和父母本荻B0134和五節(jié)芒A0430的無性分蘗株，按照1.80 m×1.80 m的行株距移栽至湖南瀏陽石佳村湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)芒屬植物實(shí)驗(yàn)基地。移栽后澆足定蔸水，成活后不再施肥和澆水。根據(jù)雜交種的田間性狀表現(xiàn)和室內(nèi)分子標(biāo)記分析，確定真假雜種[24]。

1.2 田間性狀調(diào)查

2012年和2013年對父母本無性分蘗株、148份正交F1實(shí)生苗進(jìn)行持續(xù)觀察，測定親本和正交F1群體中單株的莖節(jié)數(shù)(Non:Numbers of stem nodes)、葉片長(Lol:Length of leaf)、葉寬(Wol:Width of leaf)、主莖長(Lms:Length of main stem)、花莖長(Lfs:Length of flower stalk)、花序長(Loi:Length of inflorescence)、株高(Ph:Plant height)、基部莖徑(Sd:Stem diameter)、分蘗數(shù)(Not:Number of tiller)、單莖均重(Wst:Average dry weight of single tiller)、最大莖重(Wbt:Dry weight of the biggest single tiller)、單株重(Wop:Dry weight of plan)等12個(gè)農(nóng)藝性狀，除分蘗數(shù)和單株重外，其他植株性狀重復(fù)3次，并計(jì)算2年性狀調(diào)查的平均值。性狀測定的標(biāo)準(zhǔn)和方法參考文獻(xiàn)[25]。葉片的長、寬在植株生長的旺盛期測定，其他性狀的測定在每年的12月下旬。

1.3 雜種優(yōu)勢分析及顯著性檢測

雜種優(yōu)勢分別以中親優(yōu)勢、中親優(yōu)勢率和超高親優(yōu)勢、超高親優(yōu)勢率表示[26]。中親值(mid-parents value,MPV)為雙親平均值[MPV=(P1+P2)/2]，高親值(high-parents value,HPV)為雙親中性狀值最高的值。中親優(yōu)勢(Hm)=F1-MPV，中親優(yōu)勢率(RHm)=(F1-MPV)/MPV×100%。高親優(yōu)勢(Hh)=Fm-HPV，高親優(yōu)勢率(RHh)=(Fm-HPV)/HPV×100%。

1.4 雜交種植株性狀的混合遺傳分析

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用DPS14.2統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行基本描述性數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析及樣本均值t檢驗(yàn)、偏相關(guān)性分析方法對農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 荻與五節(jié)芒雜交種主要農(nóng)藝性狀在親本及雜交后代的分布

荻與五節(jié)芒的差異較大，他們的雜交種F1(荻B0134×五節(jié)芒A0430)148個(gè)群體植株和產(chǎn)量相關(guān)性狀的差異較大，其描述性統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。植物學(xué)性狀包括葉片、莖桿、花序性狀，各性狀的表型值有較大的差異，各性狀的范圍為9.76%～42.87%，其中以葉片各性狀的變異系數(shù)最大。各性狀變異系數(shù)由大到小的順序依次為：單株重>分蘗數(shù)>最大莖重>單莖均重>花莖長>莖節(jié)數(shù)>葉片寬>花序長>葉片長>主莖長>基部莖徑>株高，總的來說，株高和基部莖徑的相關(guān)性狀變異較小。雜交種群體產(chǎn)量相關(guān)性狀的變異系數(shù)普遍較高，說明產(chǎn)量相關(guān)性狀在群體中有較大的分離，其中變異系數(shù)最大的為單株重，變異系數(shù)為42.87%，其次是分蘗數(shù)，變異系數(shù)為35.96%，說明了荻與五節(jié)芒種間雜交后代在產(chǎn)量性狀上具有較大的選擇價(jià)值，具有較高的選擇效率。

將12個(gè)主要農(nóng)藝性狀的調(diào)查結(jié)果進(jìn)行頻次分布的分析，繪制次數(shù)分布圖(圖1)。由圖可知，所有性狀的分布是連續(xù)的，符合正態(tài)分布，以及不同程度的的偏態(tài)分布，符合主基因+多基因的遺傳特征。

表1 荻與五節(jié)芒雜交F1群體主要數(shù)量性狀表型特征值Table 1 Phenotypic statistical values of 12 agronomical traits in F1 population between M.sacchariflorus and M.floridulus

2.2 荻與五節(jié)芒雜交種主要數(shù)量性狀的雜種優(yōu)勢表現(xiàn)

荻B0134與五節(jié)芒A0430雜交種的各性狀雜種優(yōu)勢的度量值如表2所示。莖節(jié)數(shù)、主莖長、株高、分蘗數(shù)、單株重表現(xiàn)為超中優(yōu)勢，超中親雜種優(yōu)勢率最高的為分蘗數(shù)(580.35%)，其次為單株重(160.99%)、主莖長(64.62%)、莖節(jié)數(shù)(36.49%)和株高(30.65%)，而基部莖徑、單莖均重、最大莖重、葉片長、葉片寬為負(fù)中親優(yōu)勢。雜交種在莖節(jié)數(shù)、主莖長、分蘗數(shù)、單株重表現(xiàn)為正向超高親優(yōu)勢，以分蘗數(shù)的超高親優(yōu)勢率最為顯著，達(dá)到了304.63%，單株重也表現(xiàn)較高的超高親優(yōu)勢率(33.40%)。雜交種F1群體中超中親優(yōu)勢植株比例大于50%的性狀有莖節(jié)數(shù)(100%)、主莖長(97.97%)、株高(80.41%)、分蘗數(shù)(100%)和單株重(93.24%)，超高親優(yōu)勢植株比例大于50%的性狀有莖節(jié)數(shù)(61.49%)、主莖長(77.03%)、分蘗數(shù)(100%)和單株重(72.97%)，說明荻與五節(jié)芒雜交種F1群體的重要農(nóng)藝性狀普遍存在雜種優(yōu)勢，可利用種間雜交種產(chǎn)量相關(guān)性狀的雜種優(yōu)勢進(jìn)行芒屬植物遺傳改良。

圖1 荻與五節(jié)芒雜交種F1群體主要農(nóng)藝性狀的分布頻次Fig.1 Distribution frequency of 12 agronomical traits in F1 population between M. sacchariflorus and M. floridulus

表2 荻與五節(jié)芒雜交種F1群體主要農(nóng)藝性狀的雜種優(yōu)勢Table 2 Heterosis of agronomical traits in F1 population between M. sacchariflorus and M. floridulus

2.3 12個(gè)主要農(nóng)藝性狀的相關(guān)性分析

應(yīng)用DPS Statistics 14.7軟件的Pearson方法對植株與產(chǎn)量相關(guān)的12個(gè)主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行相關(guān)性分析(表3)，結(jié)果表明，株高和基部莖徑是芒屬植物的重要性狀，這2個(gè)性狀都與單莖均重和最大莖重達(dá)到極顯著的相關(guān)，但都與單株產(chǎn)量沒有相關(guān)性，株高與基部莖徑顯著相關(guān)；葉片大小與莖稈長短性狀、分蘗數(shù)和產(chǎn)量存在顯著或極顯著的相關(guān)性，說明通過葉片大小的間接選擇可以篩選高產(chǎn)單株；單株產(chǎn)量與葉片長寬、分蘗數(shù)、單莖均重、最大莖重有顯著或極顯著的相關(guān)性，尤其與分蘗數(shù)達(dá)到了極顯著相關(guān)(r=0.826)，與莖相關(guān)性狀中只與主莖長達(dá)到了顯著相關(guān)，說明單株分蘗數(shù)對單株產(chǎn)量具有特別重要的作用，這一結(jié)果對開展芒屬植物高生物質(zhì)產(chǎn)量的遺傳改良有極重要的指導(dǎo)價(jià)值。

表3 荻與五節(jié)芒雜交F1群體主要農(nóng)藝性狀的表型相關(guān)分析Table 3 Correlation analyses among 12 agronomical traits in F1 population between M. sacchariflorus and M. floridulus

2.4 荻與五節(jié)芒雜交種F1群體主要農(nóng)藝性狀主效+多基因混合模型分析

2.4.1荻與五節(jié)芒雜交種F1群體主要農(nóng)藝性狀最適遺傳模型的適合性分析 利用植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型單個(gè)分離世代的分離分析方法，對荻B0134×五節(jié)芒A0430雜交種F1群體植株12個(gè)性狀2年表型數(shù)據(jù)均值進(jìn)行混合遺傳模型分析，獲得了無主基因、1對主基因(A)和2對主基因(B)共計(jì)11種模型與表型資料的配伍情況，得到極大似然值和AIC值(表4)。根據(jù)AIC最小準(zhǔn)則，AIC值最小者為最優(yōu)模型，與最小AIC值比較接近的遺傳模型作為備選模型。

表4 荻與五節(jié)芒雜交F1群體不同遺傳模型下的AIC值Table 4 Akaike's information criterion (AIC) under different genetic model for different traits of F1 population between M. sacchariflorus and M. floridulus

2.4.2荻與五節(jié)芒雜交種F1群體主要農(nóng)藝性狀遺傳參數(shù)估計(jì) 表6是根據(jù)各主要農(nóng)藝性狀遺傳模型參數(shù)的極大似然估計(jì)值，估計(jì)最適遺傳模型的遺傳參數(shù)。由表6可知，控制莖節(jié)數(shù)性狀的遺傳模型為1MG-A，1對主基因控制的加性效益值為2.61。控制葉片性狀葉片長、葉片寬和花序長性狀的都是2MG-EEAD遺傳模型，3個(gè)性狀的2對主基因加性效應(yīng)均為正值(5.46，0.23，2.71)，2對主基因加性效應(yīng)和顯性效應(yīng)基本相等，且為上位性效應(yīng)?？刂浦旮吆妥畲笄o重的1對主基因表現(xiàn)為加性和顯性效應(yīng)，株高以加性效應(yīng)為主(34.43)，而最大莖重的加性效應(yīng)(3.57)與顯性效應(yīng)幾乎相等，但顯性效應(yīng)為負(fù)值(-3.56)。單莖均重的2對主基因的加性效應(yīng)大小接近(2.35，2.23)，2對基因的顯性效應(yīng)均為負(fù)值(-3.27，-2.07)，2對主基因的加-加效應(yīng)、加-顯效應(yīng)、顯-加效應(yīng)和顯-顯效應(yīng)分別為2.09，-2.12，-1.00和3.25，說明主基因之間的上位性互作效應(yīng)并不太大。莖節(jié)數(shù)、葉片寬、株高的基因型方差大于表型方差，主基因遺傳率較高分別為76.24%，60.74%，75.49%，均為較高遺傳力性狀。其他性狀都檢測不到主基因，尤其是雜種優(yōu)勢非常顯著的單株重和分蘗數(shù)，其原因有待進(jìn)一步探討。

表5 荻與五節(jié)芒雜交F1群體農(nóng)藝性狀入選模型的適合性檢驗(yàn)Table 5 Fitness tests of selected genetic model of 12 agronomical traits of F1 population between M. sacchariflorus and M. floridulus

表6 農(nóng)藝性狀在入選模型下的遺傳參數(shù)估計(jì)Table 6 Genetic parameter estimate of agronomical traits under the selected model

3 討論

荻與五節(jié)芒的種間雜交優(yōu)勢顯著，F(xiàn)1群體植株的多數(shù)性狀傾向中親優(yōu)勢，但分蘗數(shù)、單株重出現(xiàn)顯著的超親優(yōu)勢，群體內(nèi)株間差異明顯，遺傳多樣性豐富，可供選擇的范圍廣泛，這與假儉草和菊花雜交后代的研究結(jié)果相似[19-20]。荻與五節(jié)芒雜種F1群體主要農(nóng)藝性狀的變異系數(shù)在9.81%～91.73%之間，株高和基部莖徑的變異系數(shù)相對較小，其他性狀的變異系數(shù)都在13%以上，尤以分蘗數(shù)、單莖均重、最大莖重等與產(chǎn)量關(guān)系密切的相關(guān)性狀變異系數(shù)大，說明這些性狀比較容易通過系統(tǒng)選育或雜交育種進(jìn)行遺傳改良選育新品種。更重要的是荻與五節(jié)芒雜交種F1群體在主要農(nóng)藝性狀上具有較大的雜種優(yōu)勢，尤其是主莖長、分蘗數(shù)、單株重的中親優(yōu)勢率和高親優(yōu)勢率均達(dá)到了極顯著水平，與前人在雜合性比較高的植物中雜種優(yōu)勢的研究結(jié)果一致[26,28]。本研究發(fā)現(xiàn)雜交后代植株中出現(xiàn)雜種優(yōu)勢的比例極高，尤其是在莖節(jié)數(shù)、主莖長、分蘗數(shù)和單株重性狀上超過60%的雜交后代植株有超親優(yōu)勢，尤其是所有的雜交后代植株在分蘗數(shù)性狀上全部超過了高親，這在植物雜交育種和雜種優(yōu)勢利用上是少見的現(xiàn)象。荻具有很強(qiáng)的地下根狀莖擴(kuò)張能力[21-22]，五節(jié)芒具有較強(qiáng)的萌芽能力和對貧瘠土壤的耐受力[23]，性狀差異大，性狀互補(bǔ)，親緣關(guān)系遠(yuǎn)，遺傳差異大，各種基因效應(yīng)都存在，顯性效應(yīng)和互補(bǔ)效應(yīng)對雜種優(yōu)勢可能具有較大的貢獻(xiàn)[29]，具體原因還有待進(jìn)一步的研究。

在主要農(nóng)藝性狀的相關(guān)性方面，分蘗數(shù)與最大莖重呈顯著正相關(guān)性，與葉片寬和單株重呈極顯著正相關(guān)性，其他性狀沒有相關(guān)性，這與鴨茅(Dactylisglomerata)品種(系)表型分析研究結(jié)果基本一致[30]，可以獨(dú)立的進(jìn)行選擇?；壳o徑與株高呈顯著正相關(guān)，與單莖均重和最大單莖均重呈極顯著正相關(guān)，而與其他性狀無相關(guān)性，尤其是與分蘗數(shù)和單株產(chǎn)量無相關(guān)性，也同樣可以獨(dú)立選擇。在整個(gè)農(nóng)藝性狀相關(guān)性分析中，只有莖節(jié)數(shù)與花莖長、花序長呈極顯著的負(fù)相關(guān)，其他有相關(guān)性的性狀中，都是正相關(guān)，說明對某一性狀的選擇都對其他性狀有促進(jìn)作用，尤其是單株重與其他性狀沒有出現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系，這對選擇高生物質(zhì)產(chǎn)量的優(yōu)良單株具有較大的指導(dǎo)作用。

本研究利用蓋鈞鎰等[10]提出的主基因+多基因混合遺傳模型對荻和五節(jié)芒種間雜交種F1群體的12個(gè)主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行了遺傳分析，只有莖節(jié)數(shù)、葉片長、葉片寬、株高、分蘗數(shù)和單莖均重6個(gè)性狀能檢測到主基因的存在，主莖長、花莖長、花序長、基部莖徑、最大莖重、單株重共6個(gè)性狀為無主基因模型。由于缺乏芒屬植物性狀遺傳的數(shù)據(jù)，本試驗(yàn)的結(jié)果是否能合理的解釋芒屬植物性狀遺傳情況，以及荻和五節(jié)芒種間雜交群體是否存在遠(yuǎn)緣雜交中經(jīng)常會發(fā)生的異常遺傳的現(xiàn)象，也是一個(gè)需要繼續(xù)深入探討的問題，尤其需要建立多個(gè)遺傳群體，包括種間和種內(nèi)的雜交群體。對于在本研究中沒有主基因存在的性狀，因親本的雜合性和模型的限制，是否存在多基因以及多基因的效應(yīng)無法做出判斷，這種情況在植物的遺傳研究中也充分的得到體現(xiàn)[13,15,31-32]，其遺傳機(jī)制的分析需要通過同質(zhì)群體提供誤差方差以鑒別其有無遺傳變異存在。對于有主基因存在且主基因遺傳率較高的性狀，可以在早期世代進(jìn)行選擇，育種時(shí)可以選用含有主基因的親本，或者通過QTL基因定位的方法找到同這些基因緊密連鎖的分子標(biāo)記，采用分子標(biāo)記輔助選擇的方法來提高育種效果[29]。對于無主基因或在不同群體中主基因有無不確定的性狀，建議采用輪回選擇或回交育種的方法強(qiáng)化這些性狀的表現(xiàn)。

在芒屬植物的育種工作中，基部莖徑性狀不需要過多考慮[25]，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注單株分蘗數(shù)性狀及主莖長和最大莖重等性狀，尤其是分蘗數(shù)在芒屬植物種間雜交種生物質(zhì)產(chǎn)量中的作用。由于芒屬植物高度自交不親和[16]，傳統(tǒng)的雜交育種和雜種優(yōu)勢育種方法存在較大的局限。根據(jù)本研究荻和五節(jié)芒種間雜交種后代12個(gè)主要農(nóng)藝學(xué)性狀分離和雜種優(yōu)勢的表現(xiàn)，尤其是在生物質(zhì)產(chǎn)量相關(guān)性狀上的超高親優(yōu)勢，容易從F1群體中篩選出生物質(zhì)產(chǎn)量高且綜合性狀優(yōu)良的單株，通過無性繁殖的方法選育無性系品種。還可以選擇優(yōu)良單株建立輪回選擇群體，選育群體品種，不僅能選育出高生物質(zhì)產(chǎn)量的優(yōu)良品種，也解決了無性系品種種苗繁殖的困難，這應(yīng)該是今后芒屬植物遺傳改良的主要方向。