雪茄外包皮煙葉片重要性狀的遺傳分析

宋健 劉國祥 程立銳 佟英 張興偉 戴培剛

摘要：為研究雪茄外包皮煙葉重要性狀的遺傳規(guī)律，應(yīng)用“主基因+多基因”混合遺傳模型的4個(gè)世代聯(lián)合分離分析方法，對(duì)雪茄煙品種Beinhartl000-1x鶴峰把把煙組合3個(gè)不同生育時(shí)期的葉面褶皺程度、葉片厚薄和主側(cè)脈夾角3個(gè)葉片重要性狀進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，控制3個(gè)性狀的遺傳模型和基因互作效應(yīng)在各個(gè)時(shí)期存在著差異。葉面褶皺度的遺傳率在團(tuán)棵期和現(xiàn)蕾期分別為42.70%、57.71%，葉片厚薄在現(xiàn)蕾期和中心花開放期的遺傳率分別為64.44%、50.62%，主側(cè)脈夾角在現(xiàn)蕾期主基因遺傳率達(dá)90.93%，在中心花開放期多基因遺傳率為42.55%。可以看出，同一性狀在不同生育時(shí)期的遺傳效應(yīng)存在差異，會(huì)因環(huán)境影響而表現(xiàn)出不同，所以雪茄煙品種培育過程中應(yīng)注意基因效應(yīng)與外界環(huán)境的相互作用。

關(guān)鍵詞：雪茄外包皮煙：葉面褶皺度：葉片厚?。褐鱾?cè)脈夾角：主基因+多基因：遺傳分析

雪茄是一類特殊的煙草制品，是全部由煙葉構(gòu)成的圓或方柱形煙支，最里面的是芯葉，包卷在芯葉外的是內(nèi)包皮葉，卷覆在最外面的是外包皮葉。雪茄外包皮煙葉要求葉片薄、完整度好、組織細(xì)致、質(zhì)地光滑、彈性好、拉力強(qiáng)、燃燒均勻且完全，而對(duì)香氣、吃味無特殊要求：主側(cè)脈夾角以45°為宜。雪茄外包皮煙葉片的許多重要性狀屬數(shù)量性狀?！爸骰?多基因”混合遺傳模型是植物數(shù)量性狀的通用模型，主要包括以下幾種模型：一對(duì)主基因（A）、兩對(duì)主基因（B）、多基因（C）、一對(duì)主基因+多基因（D）、兩對(duì)主基因+多基因（E）、三對(duì)主基因（F）、三對(duì)主基因+多基因（G）、四對(duì)主基因（H）、四對(duì)主基因+多基因（I）等。廣泛應(yīng)用于小麥、玉米、水稻、大豆、黃瓜等多種作物中，在煙草的株高、葉數(shù)、葉面積、鮮葉重、葉綠素含量、茄尼醇含量、青枯病抗性、黑脛病抗性、易烤性等數(shù)量性狀也開展過許多研究。

本文報(bào)道了雪茄外包皮煙葉片褶皺程度、葉片厚薄和主側(cè)脈夾角3個(gè)重要性狀在各生育期的遺傳規(guī)律和遺傳效應(yīng)，分析性狀表現(xiàn)的動(dòng)態(tài)過程和遺傳信息表達(dá)過程，以期為選育優(yōu)質(zhì)雪茄外包皮煙品種提供理論指導(dǎo)。

1材料與方法

1.1供試材料

供試材料選取雪茄煙葉片性狀差異顯著的Beinhartl000-1（P₁）和鶴峰把把煙（P₂）品種做為親本，種子來源于國家煙草種質(zhì)資源子平臺(tái)。

1.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)地點(diǎn)在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院煙草研究所即墨試驗(yàn)基地。2016年8月，Beinhart1000-1和鶴峰把把煙雜交，獲得F₁代種子：2016年10月，將F₁于溫室種植套袋自交加代，獲得F₂種子：2017年將P₁、F₁、P₂和F₂全部材料進(jìn)行田間種植。親本（P₁、P₂）種植1行區(qū)共25株，F(xiàn)₁種植2行區(qū)共50株，F(xiàn)₂種植10行區(qū)共250株。

分別在團(tuán)棵期（移栽后30 d左右）、現(xiàn)蕾期（移栽后50d左右）、中心花開放期（移栽后60d左右）3個(gè)時(shí)期，利用表面粗糙度儀、葉片厚度測(cè)量儀YH-1、高精度量角器，對(duì)P₁、F₁、P₂和F₂群體的全部單株進(jìn)行葉面褶皺程度、葉片厚薄和主側(cè)脈夾角性狀的調(diào)查：主側(cè)脈夾角的調(diào)查部位：中部最大葉的葉尖第二條主支脈交接處、中部主支脈交接處、葉基第二主支脈交接處。

1.3數(shù)據(jù)分析

采用植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型多世代聯(lián)合分析方法，對(duì)P₁、F₁、P₂和F₂群體3個(gè)生育期的葉面褶皺程度、葉片厚薄和主側(cè)脈夾角進(jìn)行遺傳效應(yīng)分析。通過極大似然法和IECM算法估計(jì)各世代、各成分的分布參數(shù)，然后通過AIC值選擇最佳模型，同時(shí)進(jìn)行一組適合性檢驗(yàn)，包括均勻性U₂、U₂和U₂檢驗(yàn)，Smimov檢驗(yàn)（nw2）和Kolmogorov檢驗(yàn)（D_n），根據(jù)檢驗(yàn)結(jié)果選擇最優(yōu)遺傳模型。采用最小二乘法從最優(yōu)遺傳模型的各成分分布參數(shù)估計(jì)各基因效應(yīng)參數(shù)，分析組合的遺傳效應(yīng)。

2結(jié)果

2.1性狀遺傳方差分析及世代平均數(shù)分析

在3個(gè)不同的生育時(shí)期，對(duì)兩個(gè)親本間的葉面褶皺程度、葉片厚薄和主側(cè)脈夾角性狀進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明，除了葉片厚薄在團(tuán)棵期的處理間無顯著性差異外，其他性狀各生育期的處理間差異達(dá)極顯著性水平（表1），說明親本間在重要葉面性狀方面存在真實(shí)顯著的遺傳差異，可用來作為研究雪茄外包皮煙葉重要性狀遺傳規(guī)律的材料進(jìn)行分析。

從表1可以看出，團(tuán)棵期時(shí)葉面褶皺程度，F(xiàn)₁明顯低于低值親本P₁，說明葉面褶皺程度在這一時(shí)期表現(xiàn)出明顯的負(fù)超顯性效應(yīng)：而在現(xiàn)蕾期和中心花開放期表現(xiàn)趨向一致，F(xiàn)₁與低值親本間無顯著性差異，表現(xiàn)一定的負(fù)顯性效應(yīng)?，F(xiàn)蕾期F₁的葉片厚薄與高值親本相同，表現(xiàn)出正顯性效應(yīng)：而在中心花開放期，卻表現(xiàn)為F₁與低值親本相同，表現(xiàn)出負(fù)顯性效應(yīng)。此外，主側(cè)脈夾角在團(tuán)棵期表現(xiàn)出一定的正顯性效應(yīng)，在現(xiàn)蕾期F₁處于親本之間，與兩者無顯著性差異，中心花開放期則表現(xiàn)出一定的正顯性效應(yīng)。

2.2雪茄外包皮煙葉片重要性狀的遺傳模型分析

采用植物數(shù)量性狀主基因+多基因遺傳模型對(duì)4個(gè)世代3個(gè)不同時(shí)期的3個(gè)葉片性狀遺傳進(jìn)行分析，通過IECM算法得到5類24個(gè)遺傳模型的極大似然函數(shù)值和AIC值。根據(jù)AIC準(zhǔn)則，選擇AIC值較小、數(shù)值接近的模型作為備選模型，對(duì)備選模型分別作進(jìn)一步適合性（U₂、U₂、U₂、uw2和D_n）檢驗(yàn)，選擇統(tǒng)計(jì)量達(dá)到顯著水平最少的模型為最優(yōu)模型。

2.2.1葉面褶皺程度的遺傳模型

葉面褶皺度在團(tuán)棵期的備選模型為B1、CO、DO、E0和E1（表2），適合性檢驗(yàn)結(jié)果表明，備選模型中均有3個(gè)統(tǒng)計(jì)量達(dá)到顯著水平，選擇AIC值最小的DO為最優(yōu)模型。在現(xiàn)蕾期備選模型選擇為E1、E2和E6，適合性檢驗(yàn)表明，E1和E6達(dá)到顯著水平的有4個(gè)統(tǒng)計(jì)量，而E2只有3個(gè)統(tǒng)計(jì)量達(dá)到顯著水平，故選擇E2為葉面褶皺程度在現(xiàn)蕾期的最優(yōu)模型。在中心花開放期，選擇CO、DO、E4和E6為備選模型，對(duì)備選模型進(jìn)行適合性檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)E4和E6中均有7個(gè)統(tǒng)計(jì)量達(dá)顯著水平，而CO和DO中只有6個(gè)，則選擇AIC值最小的CO為此時(shí)期的最優(yōu)遺傳模型。

2.2.2葉片厚薄的遺傳模型

葉片厚薄在現(xiàn)蕾期的備選模型E₀和E₁中（表2），均有1個(gè)統(tǒng)計(jì)量達(dá)到顯著水平，則選擇AIC值較小的E1作為最優(yōu)模型。中心花開放期中選擇CO、DO和E1為備選模型，在適合性檢驗(yàn)中，備選模型均無統(tǒng)計(jì)量達(dá)到顯著水平，故選擇AIC值最小的DO為葉片厚薄在中心花開放期的最優(yōu)遺傳模型。

2.2.3

主側(cè)脈夾角的遺傳模型

主側(cè)脈夾角在團(tuán)棵期的備選模型為CO、DO和E1（表2），在適合性檢驗(yàn)中，模型CO和DO無統(tǒng)計(jì)量達(dá)到顯著水平，因此，選擇AIC值最小的CO為該時(shí)期的最優(yōu)遺傳模型。現(xiàn)蕾期的備選模型為E0和E1，適合性檢驗(yàn)表明，備選模型均有3個(gè)統(tǒng)計(jì)量達(dá)到顯著水平，因此選擇AIC值更小的E0為主側(cè)脈夾角在現(xiàn)蕾期的最優(yōu)模型。在中心花開放期，選擇CO、DO、E1和E6為備選模型，只有CO、DO和E1模型均無統(tǒng)計(jì)量達(dá)到顯著水平，綜合選擇AIC值最小的CO作為最優(yōu)遺傳模型。

2.3雪茄外包皮煙葉片重要性狀的遺傳效應(yīng)分析和遺傳參數(shù)估計(jì)

2.3.1葉面褶皺度遺傳參數(shù)估計(jì)及遺傳效應(yīng)分析由表3可知，在團(tuán)棵期，葉面褶皺度最優(yōu)遺傳模型為1對(duì)主基因+多基因DO模型，加性效應(yīng)和顯性效應(yīng)相等，均為-0.068，該生育時(shí)期的主基因遺傳率較高，達(dá)到42.70%。到了現(xiàn)蕾期受2對(duì)主基因+多基因混合遺傳控制，主基因的加性效應(yīng)和顯性效應(yīng)分別為-0.084、-0.028，多基因的加性效應(yīng)和顯性效應(yīng)分別為0.033、0.055，表現(xiàn)為超顯性效應(yīng)，F(xiàn)2主基因遺傳率達(dá)到了57.71%。而在中心花開放期則由多基因遺傳控制，遺傳率為0.00%。

2.3.2葉片厚薄遺傳參數(shù)估計(jì)及遺傳效應(yīng)分析由表4可知，在現(xiàn)蕾期，葉片厚薄遺傳受到2對(duì)主基因+多基因的控制，主基因及多基因的加性效應(yīng)都大于顯性效應(yīng)，主基因間存在正向加性效應(yīng)，并且主基因之間表現(xiàn)出一定的互作效應(yīng)，主基因和多基因的遺傳率分別為58.09%、6.35%。在中心花開放期葉片厚薄遺傳由1對(duì)主基因+多基因遺傳控制，主基因的加性效應(yīng)大于顯性效應(yīng)，主基因的遺傳率高達(dá)50.62%，多基因遺傳效應(yīng)極其微弱。

2.3.3主側(cè)脈夾角的遺傳參數(shù)估計(jì)及遺傳效應(yīng)分析主側(cè)脈夾角在團(tuán)棵期受到多基因控制，該時(shí)期遺傳效應(yīng)和遺傳率為0.00%（表5）。在現(xiàn)蕾期，主側(cè)脈夾角符合2對(duì)主基因+多基因E0模型，以加性效應(yīng)和顯性效應(yīng)為主，2對(duì)主基因的加性效應(yīng)分別為44.352、39.994，顯性效應(yīng)分別為-34.1 88、-34.041，并且主基因間表現(xiàn)出較強(qiáng)的互作效應(yīng)，主基因的遺傳率高達(dá)90.93%。主側(cè)脈夾角在中心花開放期也是受多基因控制，多基因遺傳率較高，為42.55%。

3討論

性狀的表現(xiàn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，從分化發(fā)育到完全建成的整個(gè)過程中，基因按一定的時(shí)空秩序有選擇地差異性表達(dá)的，不僅有遺傳與環(huán)境的互作，也還需要一個(gè)遺傳信息的表達(dá)過程。陳小翠等將烤煙4個(gè)世代群體植株進(jìn)行不同生長時(shí)期CMV病害鑒定，發(fā)現(xiàn)CMV的抗性遺傳在不同時(shí)間和環(huán)境具有一定的差異。姚志敏等對(duì)2個(gè)組合不同生育時(shí)期的烤煙產(chǎn)量性狀進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)在性狀建成中發(fā)揮調(diào)控作用的基因數(shù)目與基因效應(yīng)存在發(fā)育階段性差異。有關(guān)雪茄外包衣的研究主要集中在栽培措施及后期的調(diào)制方面。葉面褶皺程度、葉片厚薄和主側(cè)脈夾角屬于數(shù)量性狀，性狀的表現(xiàn)與外界的環(huán)境條件密切相關(guān)，在不同的時(shí)期基因的表達(dá)也會(huì)出現(xiàn)差異，因此研究基因的順序性表達(dá)以及遺傳方式對(duì)發(fā)育遺傳的揭示具有重要的意義。

本研究分別在團(tuán)棵期、現(xiàn)蕾期和中心花開放期調(diào)查了Beinhart1000-1（P₁）和鶴峰把把煙（P₂）及其F₁代和F₂代材料的葉片褶皺程度、葉片厚薄和主側(cè)脈夾角。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，葉面褶皺程度在不同時(shí)期受1對(duì)、2對(duì)及多基因控制，這與佟道儒在該性狀上提出的觀點(diǎn)（NC95中皺葉突變型受顯性單基因控制，葉面平整和褶皺決定于兩對(duì)基因或受更多對(duì)基因的支配）是一致的，并且在團(tuán)棵期和現(xiàn)蕾期的主基因遺傳率較高，因此該時(shí)期改良要以主基因?yàn)橹鳎簩?duì)于葉面厚度，在現(xiàn)蕾期和中心花開放期的基因遺傳率較高，加性效應(yīng)顯著，可以通過這段時(shí)期的選擇培育更薄葉片的純系品種：主支脈夾角在現(xiàn)蕾期和中心花開放期存在較高的遺傳率，在這兩個(gè)時(shí)期進(jìn)行選擇獲得較高的育種效率。同時(shí)，我們也發(fā)現(xiàn)在不同的發(fā)育時(shí)期這3個(gè)性狀在遺傳模型、基因效應(yīng)、基因互作以及遺傳率隨著雪茄煙的發(fā)育都在不斷地發(fā)生改變。在選育優(yōu)良的雪茄外包皮煙時(shí)應(yīng)充分考慮不同生育時(shí)期環(huán)境對(duì)基因表達(dá)的影響，葉面褶皺程度在中心花開放期時(shí)遺傳率普遍很低，而葉片厚薄和主側(cè)脈夾角在團(tuán)棵期基因的表達(dá)受環(huán)境的影響更為明顯。

總之，研究雪茄煙外包皮的葉片重要性狀在發(fā)育過程中數(shù)量基因的動(dòng)態(tài)表達(dá)過程，可以為以后數(shù)量性狀建成過程QTL定位和進(jìn)行分子標(biāo)記輔助選擇提供理論依據(jù)，也可以指導(dǎo)在特定的時(shí)期進(jìn)行相應(yīng)的田間栽培措施等環(huán)境的調(diào)節(jié)，有利于指導(dǎo)雪茄品種的培育。