黃瓜種子采前發(fā)芽性狀的數(shù)量遺傳分析

曹明明 王惠哲 鄧 強(qiáng)楊瑞環(huán) 李淑菊

（天津科潤黃瓜研究所，蔬菜種質(zhì)創(chuàng)新國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300192）

種子是植物重要的生殖器官。種胚發(fā)育完成后，不經(jīng)過或經(jīng)過極為短暫的休眠期就在母體植株上萌動(dòng)發(fā)芽的現(xiàn)象被稱為采前發(fā)芽（pre-harvest sprouting，PHS）。在小麥（巨偉 等，2015）、水稻（張靜 等，2013）、玉米（余慶茹，2010）等大田作物中，采前發(fā)芽現(xiàn)象一般被稱為穗發(fā)芽，嚴(yán)重威脅作物種子的產(chǎn)量與品質(zhì)。目前，針對大田作物穗發(fā)芽性狀的研究深入而廣泛（Groos et al.，2002；Imtiaz et al.，2008；Kulwal et al.，2012；Albrecht et al.，2015；Shu et al.，2015）。 黃 瓜（Cucumis sativusL.）種子也存在采前發(fā)芽的現(xiàn)象，并且在品種間存在極大差異（曹明明 等，2016）。發(fā)生采前發(fā)芽的黃瓜種子混入商品用種后會(huì)造成種子發(fā)芽率顯著降低，出苗不齊，幼苗畸形，嚴(yán)重降低種用價(jià)值（龐金安 等，2002）。在黃瓜種子生產(chǎn)中，一般通過提前采收的方法避免采前發(fā)芽，但是提前采收的黃瓜種子飽滿度不足，并且部分種子可能發(fā)育不全，降低了種子產(chǎn)量和發(fā)芽率。

黃瓜種子采前發(fā)芽會(huì)同時(shí)受到環(huán)境條件和內(nèi)部因素的影響，但起決定性作用的是內(nèi)因，即遺傳基因（龐金安 等，2002）。因此，從遺傳角度出發(fā)，分析遺傳規(guī)律，揭示采前發(fā)芽性狀的遺傳與發(fā)生的機(jī)制，有望找到避免黃瓜種子采前發(fā)芽的方法。本試驗(yàn)以極具代表性的黃瓜自交系Q12和P60為親本，通過6世代家系群體構(gòu)建，利用植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型分析方法，獲得黃瓜種子采前發(fā)芽性狀的遺傳規(guī)律，為黃瓜抗種子采前發(fā)芽育種材料改良和品種選育提供了理論依據(jù)，對加快黃瓜抗種子采前發(fā)芽新品種選育，促進(jìn)我國黃瓜產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以黃瓜自交系Q12（P1）和P60（P2）為親本構(gòu)建6世代家系群體，其中Q12不發(fā)生種子采前發(fā)芽，P60極易發(fā)生種子采前發(fā)芽，性狀表現(xiàn)穩(wěn)定（圖1）。試驗(yàn)材料由天津科潤黃瓜研究所育種一室提供。

圖1 親本Q12、P60及其F1種子發(fā)生采前發(fā)芽情況

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 材料種植與性狀調(diào)查 試驗(yàn)材料種植于天津科潤黃瓜研究所武清試驗(yàn)場塑料大棚中，雙行高畦播種，滴灌灌溉，田間常規(guī)管理。

2015年春季播種親本P1、P2，自交并雜交配制 F1（P1×P2）。2015 年 秋 季 播 種 P1、P2、F1，F(xiàn)1分別與雙親 P1、P2雜交獲得 B1〔（P1×P2）×P1〕、B2〔（P1×P2）×P2〕。雙親自交留種，F(xiàn)1自交獲得F2。2015年11月收獲各群體種子。

2016 年春季播種 P1、P2、B1、B2、F2，其中 P1種植150株，P2種植60株，B1、B2各種植120株，F(xiàn)2種植 350 株。自交授粉獲得 P1、P2、B1：2、B2：2、F2：3種子，P1與P2雜交，獲得F1群體種子，統(tǒng)計(jì)各群體種子采前發(fā)芽率。不同群體隨機(jī)區(qū)組種植，授粉時(shí)掛牌標(biāo)記授粉時(shí)間；單株坐瓜2條，保證群體單株間黃瓜果實(shí)大小一致；選取同一日授粉的種瓜，于授粉后45 d采種并統(tǒng)計(jì)瓜內(nèi)種子采前發(fā)芽率。黃瓜種子采前發(fā)芽率=采前發(fā)芽種子數(shù)/種子總數(shù)×100%。各世代群體采前發(fā)芽率利用Excel 2010軟件進(jìn)行反正弦平方根轉(zhuǎn)換后用于數(shù)據(jù)分析。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與分析 利用植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型的多世代聯(lián)合分析方法（蓋鈞鎰 等，2003），對6個(gè)家系世代種子采前發(fā)芽率數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。通過極大對數(shù)似然值及AIC值的比較選取備選遺傳模型，并進(jìn)行適合性檢驗(yàn)，獲得最優(yōu)遺傳模型。利用最小二乘法估算一階遺傳參數(shù)，進(jìn)而估算出主基因及多基因方差、遺傳率等二階遺傳參數(shù)。數(shù)據(jù)分析采用蓋鈞鎰等（2003）的計(jì)算軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 黃瓜種子采前發(fā)芽率的次數(shù)分布

黃瓜種子采前發(fā)芽率的次數(shù)分布如表1所示，親本P1種子不發(fā)生采前發(fā)芽，親本P2平均采前發(fā)芽率為65.11%，且呈現(xiàn)偏正態(tài)單峰分布，F(xiàn)1種子平均采前發(fā)芽率低于中親值，為13.96%。F1、B1：2為偏正態(tài)單峰分布，B2：2與 F2：3為雙峰分布，呈現(xiàn)主基因+多基因遺傳特征，說明黃瓜種子采前發(fā)芽性狀屬于數(shù)量性狀，需要進(jìn)一步進(jìn)行數(shù)量遺傳分析。

2.2 遺傳模型的選擇與適合性檢驗(yàn)

比較1對主基因（A）、2對主基因（B）、多基因（C）、1對主基因+多基因（D）、2對主基因+多基因（E）共計(jì)5大類24種遺傳模型的極大對數(shù)似然值和AIC值（表2），D-1、D-3和D-4遺傳模型的AIC值相對較小，分別為4 990.380、4 989.533和4 995.189，依據(jù)AIC值較小的原則可選作備選模型。通過備選模型的適合性檢驗(yàn)，選擇統(tǒng)計(jì)量達(dá)到差異顯著水平的個(gè)數(shù)最少的模型作為最佳遺傳模型。從表3可以看出，備選模型D-1、D-3、D-4達(dá)到顯著性差異的個(gè)數(shù)分別為7、11、12個(gè)。雖然D-1模型的AIC值略高于D-3，但是D-1模型的統(tǒng)計(jì)量顯著性差異個(gè)數(shù)最少。D-4模型的AIC值和顯著性差異個(gè)數(shù)在3個(gè)模型中最大。因此D-1模型，即1對加性-顯性主基因+加性-顯性多基因混合遺傳為黃瓜種子采前發(fā)芽性狀遺傳的最適模型。

表1 6世代家系黃瓜種子采前發(fā)芽率的次數(shù)分布

表2 黃瓜種子采前發(fā)芽性狀遺傳模型的極大對數(shù)似然值和AIC值

表3 黃瓜種子采前發(fā)芽性狀備選遺傳模型適合性檢驗(yàn)

2.3 黃瓜種子采前發(fā)芽性狀的遺傳參數(shù)估計(jì)

利用最小二乘法估算出D-1模型下黃瓜種子采前發(fā)芽性狀的一階遺傳參數(shù)和二階遺傳參數(shù)。如表4所示，遺傳主基因加性效應(yīng)d為負(fù)值，顯性效應(yīng)h為正值，說明黃瓜種子采前發(fā)芽性狀會(huì)同時(shí)受到主基因加性負(fù)效應(yīng)和顯性正效應(yīng)的控制。遺傳多基因加性效應(yīng)〔d〕和顯性效應(yīng)〔h〕均為負(fù)值，表明采前發(fā)芽性狀會(huì)同時(shí)受到多基因加性負(fù)效應(yīng)和顯性負(fù)效應(yīng)的控制。主基因的顯性正效應(yīng)對種子發(fā)生采前發(fā)芽性狀有促進(jìn)作用，同時(shí)，主基因和多基因的加性負(fù)效應(yīng)及多基因的顯性負(fù)效應(yīng)均有抑制黃瓜種子采前發(fā)芽的作用。

在B1：2和F2：3家系世代中，主基因的遺傳率分別為76.38%、87.54%，多基因的遺傳率分別為3.12%、3.36%，主基因遺傳率明顯高于多基因遺傳率，說明主基因?qū)S瓜種子采前發(fā)芽性狀起主要的控制作用。但B2：2家系世代的主基因與多基因的遺傳率較接近。3個(gè)家系群的主基因+多基因的遺傳率較高，表明黃瓜種子采前發(fā)芽性狀主要受遺傳基因的控制。

表4 D-1遺傳模型下黃瓜種子采前發(fā)芽性狀的遺傳參數(shù)估計(jì)

3 結(jié)論與討論

種子休眠性與采前發(fā)芽性狀存在極大相關(guān)性（Shu et al.，2015），筆者從多年的黃瓜育種經(jīng)驗(yàn)總結(jié)發(fā)現(xiàn)：種子休眠性強(qiáng)的黃瓜品種一般不會(huì)發(fā)生采前發(fā)芽，休眠性弱的黃瓜品種容易發(fā)生采前發(fā)芽。但是，黃瓜種子休眠性與采前發(fā)芽性狀的遺傳存在一定差異，唐慧珣和司龍亭（2013）通過測定采收干燥后的黃瓜種子發(fā)芽率，分析黃瓜種子休眠性遺傳規(guī)律，發(fā)現(xiàn)黃瓜種子休眠性遺傳符合1對加性-顯性主基因+加性-顯性-上位性多基因模型（D-0）。本試驗(yàn)結(jié)果顯示，黃瓜種子采前發(fā)芽性狀遺傳符合D-1模型，即1對加性-顯性主基因+加性-顯性多基因混合遺傳。

為保證黃瓜種子在瓜腔內(nèi)充分發(fā)芽，本試驗(yàn)控制黃瓜采種時(shí)間為授粉后45 d，種子能夠發(fā)育成熟，采前發(fā)芽種子在瓜腔內(nèi)均勻分布，盡量避免了環(huán)境因素的影響。在同一條種瓜內(nèi)，同時(shí)存在采前發(fā)芽和不發(fā)芽的種子，黃瓜種子采前發(fā)芽性狀表現(xiàn)出受種胚基因型控制。在F2群體中，單株自交獲得F3種子并統(tǒng)計(jì)采前發(fā)芽率，采前發(fā)芽率的差異能夠表現(xiàn)出 F2群體的遺傳分離。在 B1：2、B2：2、F2：3群體中，黃瓜種子采前發(fā)芽性狀的主基因+多基因遺傳率分別為79.49%、86.77%、90.90%，表明采前發(fā)芽性狀主要受遺傳基因的控制，這與龐金安等（2002）的報(bào)道相一致。植物數(shù)量性狀的分離分析方法是依據(jù)數(shù)量性狀的特點(diǎn)建立的一種基本假設(shè)，主基因+多基因混合模型分析與利用分子檢測的QTL存在必然的對應(yīng)關(guān)系（殷劍美 等，2003）。因此本試驗(yàn)對后續(xù)進(jìn)行黃瓜種子采前發(fā)芽性狀的QTL定位提供了技術(shù)指導(dǎo)。

我國是世界上黃瓜栽培面積最大的國家，優(yōu)質(zhì)的黃瓜種子是我國黃瓜生產(chǎn)栽培的重要保證。天津科潤黃瓜研究所從事黃瓜育種工作30余年，多個(gè)黃瓜品種存在采前發(fā)芽問題，如津優(yōu)48號(hào)、津優(yōu)12號(hào)、津優(yōu)335號(hào)等，在種子繁育過程中，常常因?yàn)椴汕鞍l(fā)芽問題，種子質(zhì)量不合格，嚴(yán)重限制了黃瓜品種的銷售與推廣。揭示黃瓜種子采前發(fā)芽性狀的遺傳規(guī)律，能為黃瓜育種材料篩選及雜交組合選配提供理論依據(jù)。同時(shí)本試驗(yàn)結(jié)果為揭示采前發(fā)芽性狀的遺傳與發(fā)生機(jī)制奠定了基礎(chǔ)，對加快黃瓜抗種子采前發(fā)芽新品種選育，促進(jìn)我國黃瓜產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。

曹明明，管煒，王惠哲，鄧強(qiáng)，李淑菊，楊瑞環(huán)．2016．黃瓜種子采前發(fā)芽的研究進(jìn)展．天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，22（2）：127-130．

蓋鈞鎰，章元明，王建康．2003．植物數(shù)量性狀遺傳體系．北京：科學(xué)出版社．

巨偉，郭玉平，樊梅，田汝美，呂娟，栗紅梅，張友秋．2015．小麥抗穗發(fā)芽研究進(jìn)展．種子世界，（1）：22-24．

龐金安，李懷智，馬德華．2002．蔬菜作物種子采前發(fā)芽研究進(jìn)展．天津農(nóng)業(yè)科學(xué)，8（3）：42-46．

唐慧珣，司龍亭．2013．黃瓜種子休眠性的數(shù)量遺傳分析．園藝學(xué)報(bào)，40（3）：549-554．

殷劍美，武耀廷，朱協(xié)飛，張?zhí)煺妫?003．陸地棉產(chǎn)量與品質(zhì)性狀的主基因與多基因遺傳分析．棉花學(xué)報(bào)，15（2）：67-72．

余慶茹．2010．利用基因芯片技術(shù)研究玉米穗發(fā)芽基因差異表達(dá)〔碩士論文〕．成都：四川農(nóng)業(yè)大學(xué)．

張靜，林澤川，曹立勇，沈希宏．2013．水稻種子穗發(fā)芽與休眠性遺傳研究進(jìn)展．核農(nóng)學(xué)報(bào)，（8）：1136-1142．

Albrecht T，Oberforster M，Kempf H，Ramgraber L，Schacht J，Kazman E，Zechner E，Neumayer A，Hartl L，Mohler V．2015．Genome-wide association mapping of preharvest sprouting resistance in a diversity panel of European winter wheats．Journal of Applied Genetics，56（3）：1-9．

Groos C，Gay G，Perretant M R，Gervais L，Bernard M，Dedryver F，Charmet G．2002．Study of the relationship between preharvest sprouting and grain color by quantitative trait loci analysis in a whitexred grain bread-wheat cross．Theoretical Applied Genetics，104（1）：39-47．

Imtiaz M，Ogbonnaya F C，Oman J，van Ginkel M．2008．Characterization of quantitative trait loci controlling genetic variation for preharvest sprouting in synthetic backcross-derived wheat lines．Genetics，178：1725-1736．

Kulwal P，Ishikawa G，Benscher D，F(xiàn)eng Z，Yu L X，Jadhav A，Mehetre S，Sorrells M E．2012．Association mapping for preharvest sprouting resistance in white winter wheat．Theoretical &Applied Genetics，125（4）：793-805．

Shu K，Meng Y J，Shuai H W，Liu W G，Du J B，Liu J，Yang W Y．2015．Dormancy and germination：how does the crop seed decide?Plant Biology，17（6）：1104-1112．