胡麻RIL群體苗期抗旱性狀的主基因+多基因遺傳分析

王 斌，王利民，張建平,，謝亞萍，牛早霞，趙 利

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

胡麻(LinumusitatissimumL.)是北方地區(qū)重要的油料作物，胡麻油含有對(duì)人體有益的α-亞麻酸、胡麻籽富含木酚素和膳食纖維含量等多種營(yíng)養(yǎng)保健成分。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們?cè)絹?lái)越注重食物中營(yíng)養(yǎng)元素和功能性膳食纖維，胡麻籽獨(dú)特的營(yíng)養(yǎng)保健作用，受到人們?cè)絹?lái)越多的重視。胡麻主要分布在我國(guó)西北和華北地區(qū)干旱貧瘠的地區(qū)，該地區(qū)年降水量一般400～500 mm，北部只有200～300 mm，屬于干旱半干旱農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)，干旱是造成胡麻產(chǎn)量低而不穩(wěn)的最主要因素[1]。胡麻生產(chǎn)面臨著種植效益低，農(nóng)民種植積極性下降，全國(guó)胡麻種植面積持續(xù)下滑等諸多問(wèn)題。改良胡麻品種，提高胡麻抗旱性和產(chǎn)量是胡麻產(chǎn)業(yè)持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展的急需解決的問(wèn)題。

目前，胡麻抗旱性研究主要針對(duì)成株期和萌發(fā)期，苗期抗旱性研究比較少。祁旭升等對(duì)胡麻種質(zhì)資源成株期抗旱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)并進(jìn)行抗旱指標(biāo)的篩選[2,3]。羅俊杰等對(duì)胡麻主要育成品種成株期抗旱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)[4,5]。石倉(cāng)吉通過(guò)水、旱地對(duì)15個(gè)品種的11個(gè)性狀進(jìn)行了抗旱性鑒定[6]。何麗等研究了干旱對(duì)胡麻現(xiàn)蕾期光合特性及產(chǎn)量的影響[7]。吳文榮，李娜，張延軍，姚玉波，王宗勝等對(duì)胡麻萌發(fā)期抗旱性進(jìn)行了評(píng)價(jià)[8-12]。趙利等對(duì)胡麻苗期抗旱性的生理指標(biāo)進(jìn)行了研究[13]，而對(duì)胡麻苗期抗旱性相關(guān)農(nóng)藝性狀的研究比較少。

作物抗旱性屬于復(fù)雜的數(shù)量性狀，受環(huán)境影響比較大。有關(guān)胡麻抗旱機(jī)理和抗旱遺傳研究國(guó)內(nèi)外報(bào)道比較少，研究基礎(chǔ)比較薄弱。蓋鈞鎰、章元明等提出的主基因+多基因混合遺傳模型在統(tǒng)計(jì)分析植物數(shù)量性狀的應(yīng)用比較廣泛[14,15]。Hu等用此方法對(duì)東鄉(xiāng)野生稻BILs群體苗期抗旱性的農(nóng)藝性狀進(jìn)行了遺傳分析[16]。在胡麻上，利用該方法對(duì)胡麻農(nóng)藝、產(chǎn)量和品質(zhì)性狀，胡麻溫敏雄性不育產(chǎn)量相關(guān)性狀，脂肪酸含量和粗脂肪等數(shù)量性狀進(jìn)行了研究[17-21]。在胡麻上還沒(méi)有利用主基因+多基因模型分析抗旱性狀的報(bào)道。本研究以抗旱品種定亞 17 號(hào)為母本，抗旱敏感品種天亞 3號(hào)為父本，采用一粒傳法構(gòu)建RIL群體，利用數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型分析方法，研究胡麻苗期抗旱相關(guān)性狀的遺傳機(jī)制，明確胡麻苗期相關(guān)性狀抗旱的遺傳因素和環(huán)境變異，為胡麻抗旱育種提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以抗旱品種定亞 17 號(hào)為母本(P1)、抗旱敏感品種天亞 3號(hào)為父本(P2)，于2012年12月份在云南元謀雜交，采用一粒傳法在蘭州和元謀兩地連續(xù)自交7代構(gòu)建了F7代139個(gè)株系的RIL群體。試驗(yàn)用RIL群體和兩個(gè)親本群體進(jìn)行遺傳分析。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院智能溫室進(jìn)行抗旱性鑒定。試驗(yàn)設(shè)置干旱脅迫和對(duì)照(正常灌水)2個(gè)處理，出苗后進(jìn)行干旱脅迫，正常灌水CK(田間最大持水量的80%)，干旱脅迫(田間最大持水量的50%)。每個(gè)處理3次重復(fù)，小區(qū)按2 m行長(zhǎng)、20 cm行距、3行區(qū)種植，每行播種300粒。土壤水分?jǐn)?shù)據(jù)采用EM50(Decagon Device. USA)數(shù)據(jù)采集器(采集時(shí)間間隔為1h)進(jìn)行采集，埋在不同處理0～30 cm深的土壤中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤中的水分動(dòng)態(tài)，根據(jù)水分的實(shí)際情況確定灌水量。田間最大持水量用環(huán)刀法測(cè)定。

4月20號(hào)播種，6月初取樣。每小區(qū)取樣10 株，挖出根后用水沖洗干凈，帶回實(shí)驗(yàn)室，用直尺測(cè)定主根長(zhǎng)和株高；用萬(wàn)分之一天平測(cè)定根莖葉鮮重。然后于105℃烘干箱內(nèi)殺青1h，再在80℃恒溫下烘6～8h至恒重，測(cè)定其干重。共考察根長(zhǎng)(Root length，RL)、株高(Plant height，PH)、葉鮮重(Fresh leaf weight，F(xiàn)LW)、葉干重(Leaf dry weight，LDW)、根鮮重(Fresh root weight，F(xiàn)RW)、根干重(Root dry weight，RDW)、莖鮮重(Fresh shoot weight，F(xiàn)SW)、莖干重(Fresh shoot weight，F(xiàn)SW)8個(gè)性狀，計(jì)算抗旱系數(shù)。

DC=Xi/CKi

式中，Xi、CKi分別表示干旱、對(duì)照處理?xiàng)l件下性狀測(cè)定值。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用蓋鈞鎰、章元明[14,15]等提出的數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳分離分析方法，對(duì)兩個(gè)親本群體和RIL群體的8個(gè)苗期性狀的抗旱系數(shù)進(jìn)行遺傳模型分析，運(yùn)行SEA-G3DH分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。首先，計(jì)算不同性狀遺傳模型的極大似然函數(shù)值(Max-likelihood-values，MLV)和AIC(Akaike's information criterion)值。根據(jù)AIC 篩選方法，首先選定AIC 值最小的3個(gè)模型作為備選模型，通過(guò)對(duì)備選模型進(jìn)行適合性檢驗(yàn)，有5 個(gè)統(tǒng)計(jì)量：U12、U22、U23(均勻性檢驗(yàn))、nW2(Smirnov 檢驗(yàn))和Dn(Kolmogorov 檢驗(yàn))，然后選擇的最優(yōu)模型為AIC值比較小且統(tǒng)計(jì)量達(dá)到顯著水平個(gè)數(shù)最少的模型。在此基礎(chǔ)上，采用最小二乘法估計(jì)遺傳模型的一階、二階遺傳參數(shù)，包括主基因加性、顯性、上位性效應(yīng)，多基因的加性和顯性效應(yīng)，主基因和多基因方差及遺傳率等[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同群體相關(guān)性狀抗旱系數(shù)的分布

兩個(gè)親本群體及RIL群體8個(gè)性狀抗旱系數(shù)平均值的統(tǒng)計(jì)值和正態(tài)性檢驗(yàn)值列于表1。從變異系數(shù)看，根鮮重、莖鮮重、根干重和莖干重的變異系數(shù)較大(42.54～48.39%)，株高和根長(zhǎng)的變異系數(shù)相對(duì)較小(18.37%和16.93%)。8個(gè)性狀抗旱系數(shù)的平均值均呈連續(xù)性分布，其分布特征函數(shù)偏度和峰度絕對(duì)值都小于1，其中株高呈左偏離正態(tài)分布，其它性狀呈右偏離正態(tài)分布；根鮮重呈平頂峰分布，其它性狀呈尖頂峰分布(圖1)。株高，根長(zhǎng)和莖干重的正態(tài)性檢驗(yàn)P0.05值均大于0.05，其它性狀的正態(tài)性檢驗(yàn)P0.05值都小于0.05。表明這些性狀分布近似呈正態(tài)分布，可能受主效基因和微效多基因效應(yīng)共同控制。

2.2 不同性狀遺傳模型選擇及適合性檢驗(yàn)

利用植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型，對(duì)RIL群體和兩個(gè)親本群體的8個(gè)性狀的抗旱系數(shù)進(jìn)行模型分析，運(yùn)行SEA-G3DH分析軟件，得到不同性狀的不同模型極大對(duì)數(shù)似然值(MLV)和AIC 值(表2)。

根據(jù)AIC 值最小原則進(jìn)行模型初選，從中選擇AIC值最小的模型，同時(shí)選擇與其接近的兩個(gè)模型作為備選模型。從表2可以看出，株高AIC值最小的模型為2MG-Duplicate(-245.609)，與其接近的模型為3MG-CEA(-270.594)和2MG-Inhibiting(-281.128)；分別對(duì)這3個(gè)模型的3個(gè)群體進(jìn)行適合性檢驗(yàn)(表4)，包括均勻性檢驗(yàn)(U12、U22、U32)，Smirnov檢驗(yàn)(nW2)和Kolmogorov 檢驗(yàn)(Dn)，從3個(gè)模型中選擇統(tǒng)計(jì)量達(dá)到顯著水平個(gè)數(shù)最少的模型為最優(yōu)模型。株高3個(gè)備選模型的3個(gè)群體共15個(gè)統(tǒng)計(jì)量中達(dá)到顯著水平的統(tǒng)計(jì)量個(gè)數(shù)分別是13、11、11，因此株高的最適遺傳模型為2MG-Inhibiting，受2 對(duì)抑制性主基因+加性多基因模型控制(表3)。同樣，根鮮重、莖鮮重、根干重、莖干重的最適遺傳模型為2MG-Inhibiting。根長(zhǎng)、葉干重的最適遺傳模型為3MG-CEA，受3對(duì)獨(dú)立主基因+加性多基因模型控制；葉鮮重的最適遺傳模型為4MG-CEA，受4對(duì)獨(dú)立主基因控制，沒(méi)有多基因效應(yīng)。胡麻苗期8個(gè)抗旱相關(guān)性狀有5個(gè)受2 對(duì)主基因+多基因遺傳控制，2個(gè)受3對(duì)主基因+多基因遺傳控制，1個(gè)受4對(duì)獨(dú)立主基因控制。有5個(gè)性狀的主基因遺傳效應(yīng)為抑制性作用，3個(gè)性狀為獨(dú)立主基因；7個(gè)性狀的多基因遺傳效應(yīng)為加性作用。

2.3 遺傳參數(shù)估計(jì)

采用最小二乘法估計(jì)8個(gè)性狀抗旱系數(shù)最適遺傳模型的一階、二階遺傳參數(shù)(表4)。株高、根鮮重、莖鮮重、根干重、莖干重、根長(zhǎng)、葉干重7個(gè)性狀受主基因+多基因遺傳控制，葉鮮重只有主基因效應(yīng)，沒(méi)有多基因效應(yīng)。株高、根鮮重、莖鮮重、根干重、莖干重的2對(duì)主基因?yàn)橐种菩?yīng)，多基因效應(yīng)為加性效應(yīng)，只有根鮮重的加性效應(yīng)值是負(fù)向，其它的都為正向；這5個(gè)性狀的主基因遺傳率分別是19.61%、41.67%、37.58%、9.59%、50.96%。根長(zhǎng)、葉干重的3對(duì)獨(dú)立主基因效應(yīng)完全相等，而且效應(yīng)值全是負(fù)向；多基因?yàn)榧有孕?yīng)；這兩個(gè)性狀的主基因遺傳率分別是41.97%和34.73%。葉鮮重的4對(duì)獨(dú)立主基因效應(yīng)完全相等，效應(yīng)值全是負(fù)向；沒(méi)有多基因效應(yīng)，這個(gè)性狀的主基因遺傳率為46.35%。

表1不同性狀抗旱系數(shù)的統(tǒng)計(jì)值和正態(tài)性檢驗(yàn)

Table 1 Statistic analysis and normal distribution test of different traits drought resistance coefficient

性狀Trait親本 ParentsP1P2RIL群體 RILs population均值Mean極差Range標(biāo)準(zhǔn)差SD變異系數(shù)CV/%偏度Skewness峰度KurtosisWP0.05株高 PL0.610.420.680.580.1218.37-0.15-0.300.990.47根長(zhǎng) RL0.750.860.850.730.1416.930.17-0.120.980.13根鮮重 FRW0.300.430.320.660.1548.390.850.170.930莖鮮重 FSW0.220.410.320.600.1442.540.46-0.370.970.01葉鮮重FLW0.320.440.380.540.1233.200.43-0.170.970.01根干重 RDW0.170.500.340.630.1544.920.48-0.590.960莖干重 SDW0.300.450.370.670.1643.610.06-0.720.990.15葉干重 LDW0.370.540.500.820.2039.850.29-0.730.980.01

圖1 不同性狀抗旱系數(shù)次數(shù)分布圖Fig.1 Frequency distribution of different traits drought resistance coefficient

性狀Trait模型ModelMLVAIC性狀Trait模型ModelMLVAIC株高2MG-Duplicate125.8043-245.609葉鮮重2MG-Complementary149.8452-293.69PL3MG-CEA138.2968-270.594FLW4MG-CEA150.6439-295.2882MG-Inhibiting143.5638-281.1282MG-EA154.3779-302.756根長(zhǎng)3MG-CEA151.2112-296.422根干重2MG-Inhibiting82.3791-158.758RL4MG-CEA151.4511-296.902RDW2MG-Complementary141.0559-276.1122MG-Duplicate154.4795-302.9592MG-Duplicate148.6461-291.292根鮮重2MG-Inhibiting142.9818-279.964莖干重2MG-Inhibiting107.9913-209.983FRW2MG-Complementary145.6641-285.328SDW4MG-CEA115.1758-224.3524MG-A149.8224-289.6453MG-CEA116.8511-227.702莖鮮重2MG-Inhibiting146.1885-286.377葉干重3MG-CEA79.2027-152.406FSW4MG-CEA179.1726-352.345LDW4MG-CEA82.1814-158.3633MG-CEA184.2264-362.4532MG-Duplicate82.7113-159.423

表3不同性狀抗旱系數(shù)遺傳模型的適合性檢驗(yàn)

Table 3 Test for fitness of genetic models on different traits drought resistance coefficient

性狀Trait模型Model世代GenerationU12(p)U22(p)U32(p)nW22(p)Dn(p)株高2MG-InhibitingP174.71(0.00)44.98(0.00)44.21(0.00)8.36(0.01)0.79(0.00)PLP25.99(0.01)1.35(0.24)23.28(0.00)1.71(0.00)0.21(0.054)RILs9.67(0.00)6.39(0.01)3.74(0.053)1.30(0.00)0.02(1.00)根長(zhǎng)3MG-CEAP10.80(0.37)5.77(0.02)37.72(0.00)1.60(0.00)0.37(0.00)RLP214.62(0.00)21.44(0.00)13.78(0.00)2.82(0.00)0.50(0.00)RILs0.89(0.34)2.08(0.15)4.48(0.03)0.20(0.26)0.01(1.00)根鮮重2MG-InhibitingP117.07(0.00)23.06(0.00)10.28(0.00)2.93(0.00)0.52(0.00)FRWP223.11(0.00)16.98(0.00)4.56(0.03)3.45(0.00)0.14(0.41)RILs2.22(0.14)1.06(0.30)2.76(0.10)0.61(0.02)0.01(1.00)莖鮮重2MG-InhibitingP123.32(0.00)27.08(0.00)4.46(0.03)3.49(0.00)0.51(0.00)FSWP256.29(0.00)66.09(0.00)11.97(0.00)6.65(0.01)0.06(1.00)RILs1.88(0.17)0.93(0.33)2.10(0.15)0.30(0.15)0.01(1.00)葉鮮重4MG-CEAP10.79(0.37)0.36(0.55)33.96(0.00)1.32(0.00)0.28(0.00)FLWP22.42(0.12)8.73(0.00)33.53(0.00)1.67(0.00)0.40(0.00)RILs1.75(0.19)1.25(0.26)0.41(0.52)0.37(0.09)0.01(1.00)根干重2MG-InhibitingP150.73(0.00)40.06(0.00)5.15(0.02)6.56(0.01)0.74(0.00)RDWP262.03(0.00)75.65(0.00)18.38(0.00)7.52(0.01)0.07(0.98)RILs1.40(0.24)1.54(0.22)0.15(0.70)0.29(0.15)0.00(1.00)莖干重2MG-InhibitingP18.00(0.00)15.69(0.00)23.93(0.00)2.24(0.00)0.48(0.00)SDWP244.28(0.00)45.35(0.00)1.35(0.24)5.90(0.00)0.11(0.74)RILs1.75(0.19)0.81(0.37)2.31(0.13)0.22(0.24)0.00(1.000)葉干重3MG-CEAP110.89(0.00)19.08(0.00)22.02(0.00)2.89(0.00)0.53(0.00)LDWP232.15(0.00)32.98(0.00)1.02(0.31)4.90(0.00)0.65(0.00)RILs6.64(0.01)10.63(0.00)9.40(0.00)0.80(0.01)0.01(1.00)

表4不同性狀抗旱系數(shù)遺傳模式的遺傳參數(shù)估計(jì)值

Table 4 Estimates of genetic parameters from different traits drought resistance coefficient

性狀Trait一階參數(shù)1st order genetic parametermdadbdcddi二階參數(shù)2nd order genetic parameterσ2pσ2pgσ2mgσ2eh2pgh2mg株高 PL0.670.10.02000.0119.610根長(zhǎng) RL0.83-0.02-0.02-0.020.020.0100.0141.970根鮮重 FRW0.28-0.080.020.0100.0141.670莖鮮重 FSW0.370.080.020.0100.0137.580葉鮮重 FLW0.38-0.02-0.02-0.02-0.020.020.0100.0146.350根干重 RDW0.390.070.03000.029.590莖干重 SDW0.460.120.030.0200.0250.960葉干重 LDW0.45-0.03-0.03-0.030.040.0100.0334.730

3 討 論

相關(guān)研究表明，胡麻數(shù)量性狀的遺傳受加性和非加性(顯性、上位性)基因效應(yīng)共同控制[17,18]。本研究結(jié)果表明，株高、根鮮重、莖鮮重、根干重、莖干重受2對(duì)抑制性主基因+加性多基因控制，根長(zhǎng)、葉干重受3對(duì)獨(dú)立主基因+加性多基因控制，葉鮮重受4對(duì)獨(dú)立主基因控制，沒(méi)有多基因效應(yīng)。從主基因的遺傳效應(yīng)大小及方向看，不同性狀存在差異比較大。從主基因遺傳效率來(lái)看， 8個(gè)性狀主基因遺傳率在9.59%～50.96%之間，株高和根干重遺傳率比較低，說(shuō)明環(huán)境對(duì)這兩個(gè)性狀影響比較大。胡標(biāo)林等對(duì)東鄉(xiāng)野生稻BILs群體苗期抗旱性遺傳分析顯示受2 對(duì)獨(dú)立主基因+多基因控制[23]，劉瑩等對(duì)大豆耐旱種質(zhì)相關(guān)根系性狀的遺傳分析顯示，耐旱相關(guān)根系性狀主要由2對(duì)主基因和加性多基因控制，與本研究結(jié)果相近[24]。閆艷等研究認(rèn)為，小麥苗期根長(zhǎng)、根鮮重、莖干重、根干重等性狀在干旱條件下受1對(duì)加性顯性主基因控制，莖鮮重受2對(duì)加性顯性主基因控制，苗高無(wú)主基因，與本研究結(jié)果不同[25]。朱猛等分析表明，干旱脅迫下玉米苗期主根長(zhǎng)和根鮮重的遺傳模型為1對(duì)加性-顯性主基因+加性-顯性-上位性多基因控制[26]。說(shuō)明不同作物抗旱性數(shù)量性狀比較復(fù)雜，不同的試驗(yàn)結(jié)果可能與試驗(yàn)材料、試驗(yàn)環(huán)境、選擇的指標(biāo)等差異有關(guān)。根的生長(zhǎng)是作物在干旱脅迫下所需觀察的重要性狀，苗期根系性狀應(yīng)該作為一項(xiàng)重要的參考指標(biāo)，但在大田進(jìn)行根性狀的調(diào)查誤差比較大[27]。周曉果等對(duì)小麥 DH 群體苗期根系性狀的研究表明，有3個(gè)加性效應(yīng)QTL和3對(duì)上位性效應(yīng)QTL控制最大根長(zhǎng)，2個(gè)加性效應(yīng)QTL和2對(duì)上位性效應(yīng)QTL控制根鮮重，2個(gè)加性效應(yīng)QTL和3對(duì)上位性效應(yīng)QTL影響根干重?？刂七@些性狀的主基因數(shù)目和本文研究結(jié)果相同，但主基因效應(yīng)不同[28]。翟榮榮等在不同水分條件下水稻苗期根系性狀的 QTL 分析顯示，在干旱脅迫條件下檢測(cè)到 14個(gè)QTL，影響根長(zhǎng)的QTL有2個(gè)，影響根鮮重的QTL有3個(gè)[29]。Tuberosa 等[30]在玉米抗旱研究中和周蓉等[31]在大豆抗旱性研究中都發(fā)現(xiàn)根植株抗旱性與產(chǎn)量性狀存在連鎖關(guān)系。水稻上研究表明根系性狀對(duì)植株抗旱性[32,33]，地上部生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成起著重要作用[34-36]，說(shuō)明根系性狀與作物抗旱性密切相關(guān)。本研究顯示，根長(zhǎng)、根鮮重、葉鮮重和莖干重的主基因遺傳率比較高，可以作為胡麻苗期抗旱的鑒定指標(biāo)。根鮮重、莖鮮重、根干重和莖干重的變異系數(shù)最大，說(shuō)明4個(gè)性狀存在較廣泛的變異，并且存在超親優(yōu)勢(shì)，選擇優(yōu)勢(shì)株系進(jìn)行新品種選育的潛力比較大。

4 小 結(jié)

胡麻RIL 群體8個(gè)性狀的抗旱系數(shù)存在廣泛變異，部分性狀表現(xiàn)超親分離現(xiàn)象，其分布近似為正態(tài)分布。通過(guò)主基因+多基因遺傳模型分析表明胡麻RIL群體苗期抗旱性的8個(gè)性狀中有7個(gè)為主基因+多基因混合遺傳模型，株高、根鮮重、莖鮮重、根干重、莖干重受2對(duì)抑制性主基因+加性多基因控制，根長(zhǎng)、葉干重受3對(duì)獨(dú)立主基因+加性多基因控制，葉鮮重受4對(duì)獨(dú)立主基因控制。從主基因的遺傳效應(yīng)大小及方向看，不同性狀存在差異比較大?？傮w來(lái)看，抑制性和獨(dú)立基因主基因，加性多基因在抗旱相關(guān)性狀的遺傳中起重要作用。從主基因遺傳效率來(lái)看，根長(zhǎng)、根鮮重、葉鮮重和莖干重可以作為胡麻苗期抗旱鑒定指標(biāo)。