F型小麥雄性不育系育性的遺傳分析

秦夢(mèng)穎，苑少華，馮樹英，段文靜，白建芳，王 娜，趙昌平，章文杰，張風(fēng)廷，張立平

(1.北京市農(nóng)林科學(xué)院雜交小麥工程技術(shù)研究中心/雜交小麥分子遺傳北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100097；2.北京農(nóng)學(xué)院植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，北京 102206；3.山西運(yùn)城市藍(lán)紅雜交小麥研究中心，山西運(yùn)城 044000)

利用雜種優(yōu)勢(shì)可提高作物的單產(chǎn)、抗逆性、適應(yīng)性。目前，雜種優(yōu)勢(shì)已在水稻、玉米、油菜、高粱等多種作物中廣泛應(yīng)用[1]。小麥作為重要的農(nóng)作物之一，對(duì)其雜種優(yōu)勢(shì)機(jī)制及利用的研究落后于其他農(nóng)作物。自1965年從匈牙利引入了小麥細(xì)胞質(zhì)雄性不育(CMS)T型材料，我國(guó)開始了小麥雜種優(yōu)勢(shì)利用的研究。細(xì)胞質(zhì)雄性不育及育性恢復(fù)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱“三系法”，該體系包括不育系、保持系、恢復(fù)系，其中關(guān)于T型、K型和V型不育系的研究較為廣泛。由于T型不育系的不育性及其穩(wěn)定性均較好，轉(zhuǎn)育出了一些農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量性狀、綜合抗性均優(yōu)良的T型不育系及其保持系，但該類不育系恢復(fù)源窄，且存在后代種子皺癟、發(fā)芽率低等細(xì)胞質(zhì)副效應(yīng)。K型和V型大部分不育系存在育性不穩(wěn)定、恢復(fù)源少、恢復(fù)性復(fù)雜、群體雜種優(yōu)勢(shì)不顯著等問(wèn)題[2-4]。F型小麥雄性不育系(FA)是近年來(lái)我國(guó)選育的新型普通小麥細(xì)胞質(zhì)雄性不育系，該不育系具有保持源廣、恢復(fù)源廣、育性恢復(fù)度較高、其雜交組合的雜種優(yōu)勢(shì)較明顯等優(yōu)點(diǎn)[5]，是一種具有研究?jī)r(jià)值和利用前景的新型不育系[6]。

前人對(duì)小麥F型、K型、V型、T型等細(xì)胞質(zhì)雄性不育系的育性遺傳進(jìn)行了大量研究。張自剛等[7]研究認(rèn)為，F(xiàn)型不育系與K型、T型不育系的遺傳基因組、遺傳背景相似。盧良峰等[8]利用卡方檢驗(yàn)，推斷小麥K型細(xì)胞質(zhì)雄性不育系的恢復(fù)性由3對(duì)主效恢復(fù)基因控制。劉保申等[9]分析了K型小麥雄性不育系雜交組合B2世代結(jié)實(shí)率的分布峰值，推測(cè)K型小麥雄性不育系的育性可能是由1對(duì)主效恢復(fù)基因和多個(gè)微效基因共同控制。范春燕等[10]利用數(shù)量性狀主基因+多基因遺傳模型分析方法，分析了K型雄性不育系K3314A的F2群體，發(fā)現(xiàn)結(jié)實(shí)率性狀基因控制符合2對(duì)主基因+多基因模型。董普輝等[11]以鄭麥9023為輪回親本對(duì)T504A連續(xù)回交選育出不育系T9023A，與川農(nóng)26配置雜交組合，對(duì)F2群體可育株和不育株的分離比例用卡方檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)川農(nóng)26攜帶有T型不育系的2對(duì)主效恢復(fù)基因。除此之外，其他類型的細(xì)胞質(zhì)雄性不育系的育性遺傳也有一定的研究，劉小芳等[13]采用植物數(shù)量性狀主基因+多基因遺傳模型對(duì)AL型小麥四世代進(jìn)行聯(lián)合分析，發(fā)現(xiàn)小麥AL型不育系的育性恢復(fù)基因遺傳模型為兩對(duì)加性-顯性-上位性主基因和加性-顯性多基因共同調(diào)控。

蓋鈞鎰[14-15]、章元明等[16]提出了植物數(shù)量性狀單個(gè)世代和多個(gè)世代混合遺傳模型分析方法，該方法不需要人為劃分育性區(qū)段，減少了研究的主觀隨意性，能夠較準(zhǔn)確地檢測(cè)和鑒定數(shù)量性狀主基因和多基因的存在，并可對(duì)基因效應(yīng)和方差等遺傳參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。目前，此方法對(duì)FA遺傳效應(yīng)的研究未見(jiàn)報(bào)道。本研究以FA為母本，三個(gè)常規(guī)品種為父本，配置三個(gè)雜交組合，利用其親本、F1、F2群體和F2:3群體的育性表型數(shù)據(jù)和主基因+多基因遺傳模型方法，對(duì)FA育性遺傳模式和遺傳規(guī)律進(jìn)行分析，為今后充分利用FA不育系進(jìn)行小麥雜交育種奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以山西省運(yùn)城市藍(lán)紅雜交小麥研究中心選育的不育系FA99-2 (下文簡(jiǎn)稱FA)為母本，恢復(fù)系臨汾3158(L3158)、冬81(D81)和HB-7為父本，配置了三個(gè)雜交組合，以FA/L3158、FA/D81、FA/HB-7的親本、F1、F2群體和FA/HB7的 F2：3為試驗(yàn)材料。2014年秋季將上述三個(gè)組合的親本、F1和F2代種植于北京海淀實(shí)驗(yàn)站，收取FA/HB-7的F2代種子用于次年繁衍到F2:3家系。2015年秋季，將FA/HB-7的親本、F1和238個(gè)F2:3家系種植于北京海淀實(shí)驗(yàn)站和河南南陽(yáng)實(shí)驗(yàn)站，兩地各兩次重復(fù)。以上各組材料和親本采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，大田常規(guī)管理，于開花前單穗套袋，調(diào)查自交結(jié)實(shí)率。

1.2 育性調(diào)查

以套袋自交結(jié)實(shí)率作為主要育性指標(biāo)，根據(jù)育性調(diào)查結(jié)果，采用國(guó)際法結(jié)實(shí)率和結(jié)實(shí)小穗率兩種方法計(jì)算自交結(jié)實(shí)率。

國(guó)際法結(jié)實(shí)率=(結(jié)實(shí)穗粒數(shù)/小穗總數(shù)×2)×100%(下文簡(jiǎn)稱結(jié)實(shí)率)

結(jié)實(shí)小穗率=(結(jié)實(shí)小穗數(shù)/小穗總數(shù))×100%

自交結(jié)實(shí)率每行調(diào)查5株，每株調(diào)查2穗，取平均值作單株的育性。

1.3 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用蓋鈞鎰、章元明等[8,17-18]提出的植物數(shù)量性狀“主基因十多基因混合遺傳模型”分析方法，采用P1、F1、P2、F2四世代聯(lián)合分析方法對(duì)三個(gè)雜交組合親本、F1和F2群體的育性觀測(cè)值進(jìn)行聯(lián)合分析；采用P1、F1、P2、F2：3四世代聯(lián)合分析方法對(duì)FA/HB-7雜交組合在南陽(yáng)、北京兩地的親本、F1和F2：3群體的育性觀測(cè)值進(jìn)行聯(lián)合分析，配合5類24個(gè)遺傳模型。將分離世代的分布看作多個(gè)主基因型在多基因和環(huán)境修飾下形成的多個(gè)正態(tài)分布的混合分布，通過(guò)極大似然法和IECM算法對(duì)混合分布中的有關(guān)成分分布參數(shù)作出估計(jì)，再通過(guò)AIC值及模型適合性檢驗(yàn)的判別，選擇最適遺傳模型，采用最小二乘法估計(jì)一階遺傳參數(shù)，并由群體方差和成分分布方差估計(jì)值估計(jì)主基因和多基因的遺傳效應(yīng)值和方差等遺傳參數(shù)[16,19-20]。

由于結(jié)實(shí)率數(shù)據(jù)是百分?jǐn)?shù)，不適合直接應(yīng)用于“主基因+多基因混合遺傳模型”遺傳分析。將群體和親本的結(jié)實(shí)率校正到0～100%，再轉(zhuǎn)換為平方根的反正弦作為育性的替代值進(jìn)行遺傳模型分析[12]。 遺傳模型利用章元明教授最新研制的SEA.R的R軟件包進(jìn)行分析，軟件包由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)章元明教授提供。

2 結(jié)果與分析

2.1 育性分析

親本、F1、F2和F2:3結(jié)實(shí)率和結(jié)實(shí)小穗率的分布情況分別見(jiàn)圖1、圖2。不育系FA結(jié)實(shí)率較低，呈完全不育或部分可育。三個(gè)組合的F2群體和FA/HB-7的F2:3群體的結(jié)實(shí)率和結(jié)實(shí)小穗率呈連續(xù)分布，其中FA/冬81的F2群體和FA/HB-7 南陽(yáng) F2:3群體的結(jié)實(shí)率符合雙峰右偏態(tài)分布，其他組合符合單峰右偏態(tài)分布，峰值在父本結(jié)實(shí)率均值附近(圖1)。FA/HB-7組合在2016年南陽(yáng)點(diǎn)的F1和F2：3群體的結(jié)實(shí)率和結(jié)實(shí)小穗率低于北京，而FA/HB-7組合F2群體的結(jié)實(shí)率在2016年南陽(yáng)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差較大，群體分布更加離散。三個(gè)組合的F2群體和FA/HB-7的F2:3群體的結(jié)實(shí)小穗率分布曲線不符合正態(tài)分布，5個(gè)群體的分布曲線形態(tài)接近(圖2)。推測(cè)FA育性為數(shù)量性狀，三個(gè)組合的育性受主基因+微效多基因共同控制，可以進(jìn)行下一步遺傳模型分析。

圖1 F2群體和F2:3群體的結(jié)實(shí)率分布

從表1和表2可以看出，親本群體的結(jié)實(shí)率和結(jié)實(shí)小穗率變異幅度較小，標(biāo)準(zhǔn)差較小，同質(zhì)性較好。三個(gè)組合的雙親間差異均為極顯著(P<0.01，數(shù)據(jù)未顯示)。因此，組配的三個(gè)雜交組合的育性研究是可靠的，適合進(jìn)行遺傳分析。三個(gè)組合的雜交F1平均結(jié)實(shí)率分別為111.60%、112.84%和114.93%，結(jié)實(shí)小穗率分別為79.81%、87.66%和88.46%，說(shuō)明這三個(gè)父本對(duì)FA均有較強(qiáng)的恢復(fù)性。結(jié)實(shí)率和結(jié)實(shí)小穗率偏向父本且較整齊一致，表明父本的恢復(fù)基因?qū)A的育性呈顯性遺傳。各組合都有超越雙親的單株出現(xiàn)，說(shuō)明控制育性的基因在小麥雙親中都有分布。

圖2 F2群體和F2:3群體的結(jié)實(shí)小穗率分布

表1 親本及后代結(jié)實(shí)率Table 1 Seed setting rate in all generations%

2.2 遺傳模型選擇

對(duì)SEA.R軟件包中的兩種分析群體G4F2(包括P1、P2、F1和F2群體)和G4F3(包括P1、P2、F1和F2:3群體)，利用植物數(shù)量性狀主基因+多基因分離分析方法，對(duì)供試群體進(jìn)行多世代聯(lián)合表型遺傳分析，獲得了5類24個(gè)遺傳模型的極大似然比和AIC值。根據(jù)熵最大原理，初步選取AIC值相對(duì)較小的5個(gè)模型作為育性遺傳的備選模型。通過(guò)適合性檢驗(yàn)，選擇20個(gè)統(tǒng)計(jì)量中達(dá)到顯著水平個(gè)數(shù)最少的模型作為最適遺傳模型。三個(gè)雜交組合的F2群體及FA/HB-7在海淀和南陽(yáng)的F2：3群體的結(jié)實(shí)率和結(jié)實(shí)小穗率最適模型均為MX2-ADI-AD(2對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因混合遺傳模型)。

表2 親本及后代結(jié)實(shí)小穗率Table 2 Spikelet seed setting rate in all generation %

2.3 遺傳參數(shù)的估計(jì)

根據(jù)IECM算法分別估計(jì)所有供試組合最適遺傳模型的分布參數(shù)，計(jì)算得到模型的極大似然估計(jì)值及其與一階遺傳參數(shù)的關(guān)系，由最小二乘法計(jì)算得到三個(gè)組合的F2群體結(jié)實(shí)率的一階參數(shù)m的估計(jì)值分別為0.66、0.79、0.67，三個(gè)群體結(jié)實(shí)小穗率的一階參數(shù)m的估計(jì)值分別為1.10、1.13、1.04，估算出一階和二階的遺傳參數(shù)(表3)。由表3、表4可以看出，F(xiàn)A結(jié)實(shí)率的育性遺傳在主基因遺傳模式上，F(xiàn)A/臨汾3158和FA/冬81和FA/HB-7的F2群體在MX2-ADI-AD模型時(shí)，均表現(xiàn)正向顯性效應(yīng)和負(fù)向加性效應(yīng)，兩對(duì)主基因的加性效應(yīng)值和顯性效應(yīng)值相差不大，主基因效應(yīng)偏向正向顯性效應(yīng)，說(shuō)明顯性基因?qū)蟠云疠^大作用；兩對(duì)主基因中，第一對(duì)主基因的顯性效應(yīng)較第二對(duì)主基因大。結(jié)實(shí)小穗率的兩對(duì)主基因加性效應(yīng)值相等。根據(jù)主基因顯性效應(yīng)與加性效應(yīng)的比值，三個(gè)組合中只有FA/冬81的F2群體結(jié)實(shí)率第1對(duì)主基因|ha/da|>1,以顯性效應(yīng)為主，另兩個(gè)組合的結(jié)實(shí)率和三個(gè)組合的結(jié)實(shí)小穗率主基因均以加性效應(yīng)為主，可配置強(qiáng)優(yōu)勢(shì)雜交組合。三個(gè)群體MX2-ADI-AD模型的兩對(duì)主基因間均存在互作效應(yīng)，三個(gè)F2群體均存在負(fù)向加性 ×加性互作(i)、正向加性×顯性互作(jab)、正向顯性×加性互作(jba)和負(fù)向顯性×顯性互作(l)，效應(yīng)值大小不同。多基因遺傳上， FA/臨汾3158的F2群體結(jié)實(shí)率為正向加性效應(yīng)和正向顯性效應(yīng)，F(xiàn)A/冬81的F2群體結(jié)實(shí)率為負(fù)向加性效應(yīng)和負(fù)向顯性效應(yīng)，F(xiàn)A/HB-7的F2群體的結(jié)實(shí)率和結(jié)實(shí)小穗率存在多基因負(fù)向加性效應(yīng)和正向顯性效應(yīng)，F(xiàn)A/臨汾3158和FA/冬81兩個(gè)組合F2群體的結(jié)實(shí)小穗率為正向加性效應(yīng)和負(fù)向顯性效應(yīng)。

基因遺傳效應(yīng)分析結(jié)果表明，F(xiàn)A/臨汾3158的F2結(jié)實(shí)率和結(jié)實(shí)小穗率的主基因遺傳率最高，分別為71.77%和66.63%，三個(gè)F2群體結(jié)實(shí)率主基因遺傳率為50.58%～71.77%，多基因遺傳率為0～45.58%，環(huán)境方差占總方差的3.84%～44.12%；三個(gè)F2群體結(jié)實(shí)小穗率的主基因遺傳率為52.35%～66.63%，多基因遺傳率為0～17.77%，環(huán)境方差占總方差的25.70%～47.65%。HB-7組合的F2：3家系2個(gè)育性統(tǒng)計(jì)值在北京和南陽(yáng)兩地的MX2-ADI-AD模型下(表4)表現(xiàn)均為負(fù)向加性效應(yīng)和正向顯性效應(yīng)，顯性效應(yīng)值較大，且2個(gè)主基因的加性、顯性效應(yīng)值近似相等。在北京的結(jié)實(shí)率和結(jié)實(shí)小穗率的主基因遺傳率分別為7.50%和5.45%，在南陽(yáng)的分別為90.89%和77.83%，多基因遺傳率均為0.00%，可見(jiàn)，F(xiàn)A南陽(yáng)育性的主基因遺傳率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于北京的主基因遺傳率。

表3 各F2群體結(jié)實(shí)率和結(jié)實(shí)小穗率在最適合模型MX2-ADI-AD下的遺傳參數(shù)Table 3 Genetic parameters for seed setting rate and spikelet seed setting rate of the F2 populations with the optimal model MX2-ADI-AD

3 討 論

前人就小麥雄性不育系育性的“主基因+多基因”遺傳模式進(jìn)行了大量研究，主要集中在K型CMS不育系和BS型光溫敏不育系等相關(guān)研究，對(duì)FA育性遺傳模式研究尚未見(jiàn)報(bào)道。齊智等[21]通過(guò)對(duì)K型雄性不育系小麥KTP116A/R392組合的四世代聯(lián)合分析發(fā)現(xiàn)，育性受2對(duì)加性-顯性主基因+加性-顯性多基因共同控制，在F2群體中，主基因的遺傳率為62.44%，多基因遺傳率為0.00%，環(huán)境方差占表現(xiàn)型方差的37.56%，說(shuō)明該類型小麥雄性不育性以主基因遺傳為主，同時(shí)受多基因和環(huán)境的影響。范春燕等[10]發(fā)現(xiàn)，K型雄性不育系小麥K3314A/160組合的 F2世代結(jié)實(shí)率符合2對(duì)加性-顯性-上位性主基因+多基因模型，主基因遺傳率為 95.6%，還存在多基因修飾，但多基因遺傳效應(yīng)較小?？刂芀3314不育性的基因主要為主基因遺傳，但2 對(duì)主基因的遺傳效應(yīng)不等。錢煥煥等[22]對(duì)K型小麥溫敏不育系A(chǔ)116/WM5-5組合進(jìn)行育性分析，A116的雄性育性受2對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因共同控制，且2對(duì)主基因控制育性的作用相當(dāng)，B1、B2、F2群體的主基因遺傳率分別為64.91%，96.86%和87.32%，在B2群體中主基因的遺傳率最高，B1群體多基因遺傳率最高。張立平等[12]應(yīng)用混合遺傳模型分析小麥光溫敏雄性不育系BS210的兩個(gè)雜交組合，其育性均為“2對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因混合”遺傳模式，兩個(gè)組合的遺傳力為41.67%～53.33%，不同組合的主基因與多基因的遺傳率差異明顯，環(huán)境對(duì)育性的影響較大。徐達(dá)文等[23]對(duì)小麥光溫敏不育系BS366兩個(gè)組合的育性進(jìn)行遺傳分析，發(fā)現(xiàn)其育性也為“2對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因混合”遺傳模式，主基因遺傳率比較高，為 63.66%～85.23%，環(huán)境因素影響相對(duì)較小。相同不育系做母本，不同恢復(fù)系做父本，具有相同的遺傳模型，其主效基因的效應(yīng)可能大致相同或類似[12,23]。比較F型不育系育性遺傳模式和前人對(duì)K型小麥不育系和光溫敏小麥不育系研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，均為2對(duì)主基因+多基因的遺傳模式，但是其互作效應(yīng)和主基因遺傳率、多基因遺傳率有很大區(qū)別，可能是由于研究群體不同所導(dǎo)致。

表4 FA/HB-7的F2:3群體結(jié)實(shí)率和結(jié)實(shí)小穗率在最適合模型MX2-ADI-AD下的遺傳參數(shù)估計(jì)Table 4 The estimates of genetic parameters for seed setting rate and spikelet seed setting rate of F2：3 population of FA/HB-7 with the optimal model MX2-ADI-AD

FA在2016年北京的結(jié)實(shí)率(50.33%)較2016年南陽(yáng)(0.51%)和2015年北京(14.70%)的結(jié)實(shí)率偏高。這可能是由于不同生態(tài)區(qū)和不同年份導(dǎo)致，故FA還有待選育高度不育且育性表現(xiàn)穩(wěn)定的株系，用于進(jìn)一步研究和實(shí)際應(yīng)用。本研究采用植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型分析法，利用FA的結(jié)實(shí)率和結(jié)實(shí)小穗數(shù)兩種育性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，采用三個(gè)組合共五個(gè)世代的聯(lián)合分析，樣本信息量較大，與單一組合、較少世代的分析結(jié)果相比精確度較高，避免了人為主觀劃分群體，消除了誤差干擾，較客觀、系統(tǒng)地揭示了FA育性遺傳模式。目前，多種植物的多種性狀利用此分析方法進(jìn)行了遺傳分析，并與BSA檢測(cè)、分子標(biāo)記等方法對(duì)主基因存在的驗(yàn)證一致[23]。本研究表明，F(xiàn)A育性受2對(duì)加性-顯性-上位性主基因和加性-顯性多對(duì)微效基因控制，基因互作明顯，F(xiàn)A的三個(gè)群體的一階和二階參數(shù)大致相同，雖然不同遺傳背景下的育性值及變化趨勢(shì)存在差異，但育性整體分布、遺傳模型及其遺傳參數(shù)大致相同，推測(cè)有著相同的遺傳模式，只是由于材料的遺傳背景不同造成遺傳參數(shù)值有差異。三個(gè)F2群體結(jié)實(shí)率主基因遺傳率為50.58%～71.77%，多基因遺傳率為0～45.58%，環(huán)境方差占總方差的3.84%～44.12%；三個(gè)F2群體結(jié)實(shí)小穗率的主基因遺傳率為52.35%～66.63%，多基因遺傳率為0～17.77%，環(huán)境方差占總方差的25.70%～47.65%。其育性以主基因遺傳為主，環(huán)境因素有一定影響，多基因遺傳率較小。FA/HB-7的F2：3群體育性在北京、南陽(yáng)兩地的主基因遺傳率相差較大，其中，南陽(yáng)育性的遺傳率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于北京育性的遺傳率，驗(yàn)證了FA育性可能具有一定的環(huán)境誘導(dǎo)效應(yīng)。總體上，F(xiàn)A育性的遺傳模式與T型、K型、V型及光溫敏不育系類似，但是主基因、多基因的遺傳效應(yīng)存在一定差異。

謝辭：本文的數(shù)據(jù)處理及分析得到了華中農(nóng)業(yè)大學(xué)章元明教授和張亞雯博士的指導(dǎo),謹(jǐn)致謝忱。