紫菜苔葉片和莖桿花青素含量的遺傳分析

劉 進(jìn)，梅家琴，錢 偉(西南大學(xué) 農(nóng)學(xué)與生物科技學(xué)院，重慶 北碚 400715)

隨著人們生活水平的提高，食品顏色在不斷發(fā)生變化且日趨豐富，而蔬菜營養(yǎng)價值的高低遵循著顏色由深到淺的規(guī)律，其排列順序總體表現(xiàn)為黑色、紫色、綠色、紅色、黃色、白色，在同一種類蔬菜中，深色品種比淺色品種更有營養(yǎng)，多項研究充分證明紫色蔬菜確實具有非其他顏色蔬菜所能比擬的食療作用[1]。植物類紫色食品的色素均由“花色素”類物質(zhì)所構(gòu)成，是自然界一類廣泛存在于植物中的水溶性天然色素，屬黃酮類化合物，可以隨著細(xì)胞液的酸堿度改變顏色，是植物體主要的呈色物質(zhì)[2]。花青素具有清除自由基、預(yù)防心血管疾病的功能，可減少胰腺腫脹，降低尿液中的血糖濃度[2-3]。在體內(nèi)外試驗中，花青素都顯現(xiàn)出降低癌細(xì)胞增殖能力和抑制腫瘤形成的功能，同時還可以調(diào)節(jié)認(rèn)知和運(yùn)動能力，增強(qiáng)記憶，預(yù)防與年齡相關(guān)的神經(jīng)衰退性疾病，而且在提高整體視覺和夜視能力上也有一定功效[2-3]。由此可見，紫色蔬菜對人體具有很好的保健作用。

白菜(BrassicacampestrisL.)屬十字花科蕓薹屬蔬菜，由于其具有品種豐富、生態(tài)類型多樣、分布范圍廣、營養(yǎng)豐富等特點，因而白菜類蔬菜在我國蔬菜市場上占有很重要的地位。由于白菜的品質(zhì)、色澤等受到消費(fèi)者的日益青睞，培育紫色品種成為近年來白菜品質(zhì)育種的主要研究內(nèi)容之一，而研究紫色性狀的遺傳規(guī)律對于紫色白菜的育種工作有重要的指導(dǎo)作用[4]。吳俊清等[5]以紫色與橙色大白菜構(gòu)建了F2群體，發(fā)現(xiàn)大白菜紫心性狀的有、無符合單基因顯性遺傳模式，紫心性狀是一種顯性性狀。孫日飛等[6]通過大白菜與芥菜雜交、連續(xù)回交，獲了紫紅色大白菜新種質(zhì)，確定了紫紅色是花青素類物質(zhì)所致，控制紫色性狀的基因為顯性。黃澤素等[7]對甘藍(lán)型紫紅葉油菜進(jìn)行葉色遺傳分析，確定葉色受1對顯性基因控制，紫紅色對綠色呈顯性。然而，張明科等[8]以白菜和紫菜薹為親本，通過大白菜與紫菜蔓種間雜交和連續(xù)回交，進(jìn)行常規(guī)分析和分子標(biāo)記分析后，初步研究認(rèn)為紫色性狀為數(shù)量性狀，受一對主基因控制，主效基因表現(xiàn)部分顯性，并呈現(xiàn)出劑量效應(yīng)，可能還受到微效基因和環(huán)境條件的共同影響。紫菜苔的葉片與菜薹均為有效食用部位，紫色性狀在葉片和菜苔(幼嫩莖桿)中的遺傳規(guī)律是否一致目前尚不清楚。

本研究以純合紫菜薹和菜心為親本構(gòu)建F1、B1、B2、F26個世代群體[9-11]，調(diào)查苗期葉片和蕾苔期莖桿的花青素含量，通過六世代聯(lián)合分離分析方法對葉片和莖桿花青素含量進(jìn)行遺傳分析，研究紫色性狀的遺傳規(guī)律，以期為紫菜苔的進(jìn)一步研究和利用奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及群體構(gòu)建

以純系紫菜薹育種材料M63(P1)為母本，以純系菜心育種材料M91(P2)為父本，人工配制雜種F1，F(xiàn)1代花期剝蕾自交獲得F2，F(xiàn)1代分別與雙親回交一輪，獲得BC1P1(B1)和BC1P2(B2)群體。6個群體的種植采用順序排列種植，分別為P1、P2、F1、F2、B1、B2，其中P1、P2、F1分別種植3行，F(xiàn)2、B1、B2分別種植9行，每行均種8苗。材料株距均為20 cm×30 cm，采取普通田間管理。

1.2 花青素含量測定

花青素含量的測定參考Fuleki等[12]的方法。苗期葉片花青素含量測定在植株6～8葉期進(jìn)行，每株在倒二、倒三和倒四葉上均勻取3個位置的葉肉組織各0.1 g，以植株為單位將各葉片各部位的組織混合并在液氮中研磨至細(xì)，之后取3管(0.1 g/管)進(jìn)行花青素含量測定。莖桿花青素含量測定在植株蕾苔期(開花前)進(jìn)行，每個植株分別從莖桿的頂端、中部和下部割取表皮組織0.1 g，混合研細(xì)后取3份(0.1 g/管)進(jìn)行花青素含量測定，并以“平均值+標(biāo)準(zhǔn)差”表示。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

紫菜苔各世代葉片和莖桿花青素含量頻率分布的偏度(S)和峰度(K)分別利用以下公式計算：

(1)

(2)

2 結(jié)果與分析

2.1 紫菜苔各世代花青素含量及分布

根據(jù)苗期和蕾苔期的觀察結(jié)果，P1、P2和F13個非分離世代花青素含量測定值變異度較小，表現(xiàn)較為穩(wěn)定(表1)。

表1 紫菜苔各世代材料葉片和莖桿的花青素含量Table 1 Analysis of anthocyanin contents in leaf and stem of Brassica campestris ssp.chinensis var.purpuraria

由表1可知，紫菜苔(P1)葉片及莖桿均呈現(xiàn)紫色，花青素含量居六世代之首，分別為24.27和64.22 mg/kg；菜心(P2)葉片與莖桿均為綠色，花青素含量在各世代中最低，分別為13.02和2.58 mg/kg；而F1代植株的葉片表現(xiàn)為淺紫色, 莖桿微紫色，葉片和莖桿花青素含量分別為15.73和24.20 mg/kg，均低于中親值而偏向于綠色親本。相對而言，F(xiàn)2、B1和B2群體的變異度較大，各群體的峰度和偏度值反映出其頻率分布偏離了正態(tài)分布(表1)，各群體的頻率分布也表現(xiàn)為偏峰或者多峰(圖1)，表明葉片和莖桿花青素含量受到主基因控制。對葉片和莖桿的花青素含量進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)兩者之間存在中度相關(guān)(r=0.445，n=272，P<0.05)，說明兩者之間可能存在一定的共性，也存在一定的差異。

2.2 紫菜苔葉片和莖桿花青素含量的最適遺傳模型

以葉片和莖桿中P1、P2、F1、B1、B2、F2花青素含量測定值為基礎(chǔ)，通過軟件計算各模型的最大似然值和AIC值，結(jié)果如表2所示。由表2可以看出，通過比較各模型的AIC值，可以確定苗期葉片候選模型為2MG-ADI、MX2-ADI-ADI和MX2-ADI-AD模型，蕾苔期莖桿候選模型為PG-ADI、MX2-ADI-ADI和MX1-AD-ADI模型，并進(jìn)行適合性檢驗，對于葉片花青素含量，上述3個候選模型的顯著差異參數(shù)個數(shù)分別為7，9，8個(表3)，選擇顯著差異參數(shù)個數(shù)最少2MG-ADI模型為葉片花青素含量最適遺傳模型；莖桿花青素含量的3個候選模型顯著差異參數(shù)個數(shù)分別為10，9，9個(表4)，通過計算候選模型間卡方，確定模型MX2-ADI-ADI為莖桿花青素含量最適遺傳模型。

圖1 紫菜苔B1、B2、F2材料葉片和莖稈花青素含量的頻率分布 Fig.1 Frequency distribution of anthocyanin contents in leaf and stem of B1，B2 and F2 populations of Brassica campestris ssp.chinensis var.purpuraria

表3 紫菜苔各世代葉片花青素含量候選遺傳模型的適合性檢驗Table 3 Test of goodness-of-fit in the selected genetic models for leaf anthocyanin contents in different generations of Brassica campestris ssp.chinensis var.purpuraria

注：*表示顯著差異。

Note: * means significant difference.

表4 紫菜苔各世代莖桿花青素含量候選遺傳模型的適合性檢驗Table 4 Test of goodness-of-fit in the selected genetic models of stem anthocyanin contents in different generations Brassica campestris ssp.chinensis var.purpuraria

2.3 紫菜苔葉片和莖桿花青素含量最適遺傳模型參數(shù)的估算

根據(jù)上述結(jié)果，2MG-ADI模型為葉片花青素最適遺傳模型,即2對加性-顯性-上位性主基因模型，其一階和二階遺傳參數(shù)估算值見表5和表6。

表5 紫菜苔葉片和莖桿花青素含量一階遺傳參數(shù)的估計值Table 5 First order genetic parameters estimated for leaf and stem anthocyanin contents in Brassica campestris ssp.chinensis var.purpuraria

從一階遺傳參數(shù)(表5)來看，控制葉片紫色性狀兩對主基因的加性效應(yīng)值da和db差距較大，分別為1.050 9和-0.518 3，第1對基因加性效應(yīng)(da)作用大于第2對基因(db)，對葉片呈紫色性狀起主要的作用。2對主基因的顯性效應(yīng)值ha和hb均為負(fù)值，分別為-0.495 3和-0.095 6，表明低花青素含量(綠色)相對于高花青素含量(紫色)表現(xiàn)為顯性。第1對主基因的顯性度|ha/da|=0.470 0<0.8，表明第1對主基因表現(xiàn)為部分顯性；第2對主基因的顯性度|hb/db|=0.180 0<0.2，表明第2對主基因表現(xiàn)為加性效應(yīng)。2對主基因存在多種互作，其中加性互作效應(yīng)值i為-0.405 7，顯性互作效應(yīng)值l為-0.203 5，加性和顯性互作效應(yīng)值jab和jba分別為-0.214 9和0.340 6，表明基因間的互作會對葉片的紫色性狀產(chǎn)生影響。

從二階遺傳參數(shù)來看，控制葉片花青素含量的主基因在不同世代的遺傳率不同，其中在F2和B1世代中較高，分別為81.81%和80.51%；在B2中最低，為31.22%(表6)。

表6 紫菜苔葉片和莖桿花青素含量二階遺傳參數(shù)的估計值Table 6 Second order genetic parameters estimated for leaf and stem anthocyanin contents in Brassica campestris ssp.chinensis var.purpuraria

莖桿花青素含量最適遺傳模型為MX2-ADI-ADI模型，即2對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因模型。根據(jù)表5的一階遺傳參數(shù)估算值可知，控制莖桿花青素含量的2對主基因加性效應(yīng)值da、db相等，均為0.621 0，2對主基因的顯性效應(yīng)值ha和hb分別為-0.731 8和-0.034 0，表明低花青素含量(綠色)相對于高花青素含量(紫色)表現(xiàn)為顯性(與葉片中情況相同)；2對主基因的顯性度|ha/da|分別為1.180 0和0.050 0，表明第1對主基因表現(xiàn)為超顯性，第2對主基因主要表現(xiàn)為加性效應(yīng)。2對主基因的加性互作效應(yīng)i為0.572 9， 顯性互作效應(yīng)l為0.084 5，兩對主基因加性和顯性效應(yīng)之間的互作jab和jba分別為0.012 3和-0.685 6，說明2對主基因之間存在著明顯的互作效應(yīng)。根據(jù)對二階遺傳參數(shù)的估算，B1、B2、F2世代中主基因的遺傳率分別為57.48%，0，80.08%，多基因的遺傳率分別為38.93%，0.03%，0(表6)，可見B2群體中，環(huán)境因素引起的變異最大，環(huán)境因素對B1和F2的影響相對較小，且B1和F2群體中主基因遺傳率均高于多基因遺傳率，表明在這2個群體尤其是F2中進(jìn)行主基因的選擇可能有較高的選擇效率。

3 討 論

研究蔬菜顏色性狀的遺傳規(guī)律，對紫色蔬菜的育種有重要的理論指導(dǎo)作用，對提高蔬菜的經(jīng)濟(jì)價值和營養(yǎng)價值都有重要的意義。目前對白菜葉色遺傳方面已有一些研究，然而研究結(jié)果卻不盡相同。部分研究通過對單一或少量分離群體的分析，認(rèn)為白菜紫色性狀由1對基因控制，其位置有待進(jìn)一步確定。比如張德雙等[16-17]通過大白菜與紫色小白菜變種間雜交，初步研究認(rèn)為葉片紫色對綠色受1對遺傳基因控制，紫色對綠色為顯性。劉瑾等[18]對紫色小白菜的紫色基因進(jìn)行定位研究，將其定位到了白菜A03連鎖群上。而張明科等[8,19]根據(jù)分離世代紫色/綠色植株的比例推測紫菜薹紫色性狀受1對基因控制，并利用多種分子標(biāo)記連鎖分析，推測紫菜薹的紫色性狀主基因位于A01染色體。另有研究也發(fā)現(xiàn)，白菜紫色性狀可能受到2對獨立遺傳的基因控制，比如朱紅芳等[20]以紫色不結(jié)球白菜和綠色不結(jié)球白菜為親本，構(gòu)建雜交組合的6個世代群體，并用多世代聯(lián)合的數(shù)量性狀分離分析方法研究葉片花青素含量的遺傳規(guī)律，發(fā)現(xiàn)不接球白菜的葉片紫色性狀受2對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因所控制。類似的結(jié)果在甘藍(lán)中也有報道，如張成合等[21]以紫甘藍(lán)與普通甘藍(lán)雜交后代為材料，研究甘藍(lán)葉片紫色的遺傳規(guī)律，發(fā)現(xiàn)甘藍(lán)葉色受2對獨立遺傳的基因控制，紫色對綠色為顯性，決定葉片紫色的基因具有累加效應(yīng)。

本試驗采用植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型分析方法，通過對P1、P2、F1、F2、B1和B2共6個世代群體進(jìn)行聯(lián)合分析，發(fā)現(xiàn)葉片花青素受2對加性-顯性-上位性主基因控制，2對主基因具有累加效應(yīng)，但a基因?qū)ψ仙誀畹呢暙I(xiàn)遠(yuǎn)大于b基因(da=1.050 9，db=-0.518 3)，這或許是一些研究發(fā)現(xiàn)白菜紫色僅受1對主基因控制的原因之一，另一種可能就是各種紫色白菜的基因型之間存在差異。本研究還進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，紫菜苔的葉片和莖桿花青素含量之間僅為中度相關(guān)，其遺傳規(guī)律也存在一定差異，莖桿花青素除了受到2對加性-顯性-上位性主基因的控制，同時還受到加性-顯性-上位性多基因的影響。

根據(jù)對各遺傳模型二階遺傳參數(shù)的估算結(jié)果，控制紫菜苔葉片花青素含量的2對主基因在F2和B1世代具有較高的遺傳率(分別為81.81%和80.51%)；而控制莖桿花青素含量的2對主基因僅在F2世代表現(xiàn)出較高的遺傳率(80.08%)，在B1世代中其遺傳率僅為57.48%，多基因遺傳率為38.93%。該結(jié)果表明，在育種實踐中，葉片紫色性狀的選育可考慮在F2及其自交后代、B1及與紫色親本的回交后代中進(jìn)行，而莖桿紫色性狀的選擇最好在F2及其自交后代中開展，如果同時考慮紫色葉片和紫色莖桿的培育，則應(yīng)該以F2及其自交后代為選擇群體，從中選擇理想植株。

4 結(jié) 論

紫菜苔葉片和莖桿花青素含量呈中度相關(guān)，兩者最適遺傳模型相似但又存在一定的差異，主要體現(xiàn)在二者都受2對主基因的控制，但莖桿花青素還受到多基因的影響。白菜紫色、綠色2種性狀在F2中的遺傳力較高，理論上表明F2及其自交后代中容易獲得紫色優(yōu)良植株，本研究結(jié)果可為白菜類蔬菜紫色性狀的育種工作提供理論指導(dǎo)。

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