一個花生EMS突變體的鑒定及其生長習性的遺傳分析

任 艷石延茂杜 龍李雙鈴吳麗軍尹 亮遲曉元曲明靜羅懷勇姜慧芳*袁 美*

(1.山東省花生研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部花生生物學與遺傳育種重點實驗室,山東 青島 266100;2.中國農(nóng)業(yè)科學院油料作物研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部油料作物生物學與遺傳育種重點實驗室,湖北 武漢 430062)

花生是我國重要的油料作物和經(jīng)濟作物,花生總產(chǎn)占世界總產(chǎn)的40%,居世界第一位。在我國主要油料作物中,花生單位面積產(chǎn)油量最高,發(fā)展花生產(chǎn)業(yè)對保障我國食用油脂安全具有舉足輕重的作用[1]。隨著我國種植規(guī)模的不斷擴大和勞動力人口的減少,生產(chǎn)上迫切需要適宜機械化的花生品種。這對花生株型改良提出了新的需求。

根據(jù)側(cè)枝與主莖間的夾角大小,花生生長習性可分為直立型、半匍匐型(又稱半直立型或半蔓生型或縱生型,)和匍匐型(又稱蔓生型)3種[2-3]。從我國花生種植歷史上看,花生品種的更換經(jīng)歷了從解放初期的蔓生型品種、半蔓生品種,到現(xiàn)在生產(chǎn)上主推的直立型品種?；谖覈ㄉa(chǎn)機械化程度較低、農(nóng)戶種植規(guī)模小的現(xiàn)狀,李新國等認為適宜密植的直立型是花生的理想株型[4]。但是,直立型花生中上部果針離地較遠,難以及時入土不能形成產(chǎn)量,限制了產(chǎn)量的提高;同時,用種量大,經(jīng)濟效益低,因此彭振英等提出花生半匍匐株型比直立型具有更大的高產(chǎn)潛力,其理想株型是半匍匐型[3,5]。魯清等[6]研究了人工控制下不同株型的粵油13的單株產(chǎn)量,認為單株產(chǎn)量、最大果節(jié)數(shù)、側(cè)枝長、單株總果數(shù)、單株飽果數(shù)隨著處理直徑的增大顯著增加,側(cè)枝角度通過影響總果數(shù)而間接影響單株產(chǎn)量,提出具有“U”型特征的花生新株型品種是未來花生株型育種的方向。

生長習性作為花生株型分類的主要影響因素,其遺傳研究開始較早,但因研究者所用的材料不同或采用分類標準不同而存在偏差,其遺傳基礎仍然不很清楚。早期的研究認為花生生長習性是少數(shù)基因控制的質(zhì)量性狀,其中匍匐型對直立型為顯性,受1～4對基因控制[7-9],但研究者對來自不同生長習性親本間雜交組合的F2后代很難區(qū)分中間型或非正常型生長習性。

Ashri的研究認為,花生的生長習性受核-質(zhì)互作的控制[10-11],隨后的研究發(fā)現(xiàn),更多的細胞核和細胞質(zhì)基因可歸于相同的組,并推測細胞質(zhì)基因是影響花生生長習性的主要因子[12]。Kayam等[13]利用親緣關系非常近的匍匐與半直立栽培品種間雜交的F2、F3群體為材料,研究證實匍匐對半匍匐受一對顯性核基因控制,無細胞質(zhì)效應,并將該基因定位于B05染色體～1.1M的區(qū)段。將生長習性數(shù)量化后,Li等[14]以來自匍匐型與直立型品種間雜交的重組自交系群體為材料,定位39個與生長習性相關的QTLs,其中6個與側(cè)枝角度相關,12個共定位于B05染色體0.17M的區(qū)段;Fonceka等[15]將利用人工合成雙二倍體與栽培花生品種多次回交獲得的染色體代換系為材料,通過SSR標記技術定位了14個與生長習性相關的QTLs,其中a09,b05,a10和b10連鎖群上的效應最顯著。

山東省花生研究所開展了大量的花生EMS誘變育種研究,創(chuàng)制了大量育種中間材料,選育出花育40等品種[16-21]。本課題組前期從SunOleic 97R(匍匐型)的EMS誘變后代中篩選出了一個直立型的突變體材料,命名為A38。本研究將A38與SunOleic 97R雜交構(gòu)建F2分離群體,開展了生長習性的遺傳分析,以期為闡明花生直立型的遺傳基礎和株型的定向改良奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試材料的野生型為SunOleic 97R,突變型為經(jīng)EMS誘變而來的A38,以及來自A38×SunOleic 97R雜交組合的F1和F2群體。SunOleic 97R是由美國弗羅里達大學培育的匍匐蘭娜型高油酸花生品種(油酸含量為81.8%),全生育期135～140d(美國弗羅里達州),感番茄斑萎病毒病(TSWV)[22]。

1.2 突變體及群體的獲得

2009年7月用0.5%EMS注射花生品種SunOleic 97R的花器,按單株收獲種子;2011年從種植的M2代中篩選到一個直立型突變體,命名為A38,2012-2015年種植觀察,A38直立性狀表現(xiàn)穩(wěn)定。2017年以A38為母本、SunOleic 97R為父本搭配雜交組合獲得F1種子,2018年種植于萊西試驗站,去除假雜種后共獲得5株真雜種F1,2019年種植F2分離群體。

1.3 表型考察

試驗材料均種植于山東省花生研究所試驗站,一壟單行(壟寬85 cm),單粒播種,株距20cm,其他按大田生產(chǎn)水平管理。按照花生DUS測定標準[2,23],花生生長習性分直立、半匍匐和匍匐3類,開花下針期進行考察。按照晚斑病抗性分級標準1～9級[23],收獲前10d考察花生晚斑病抗性。

1.4 數(shù)據(jù)分析

柱形直方圖繪制采用Excel 2007軟件,卡方檢驗采用DPS17.5數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件[24]。

圖1 花生突變體A38與野生型SunOleic 97R及F1的植株表型Fig.1 Phenotype of peanut mutant A38, wild type SunOleic 97R and F1 progeny

2 結(jié)果與分析

2.1 花生突變體A38的表型鑒定

由圖1A可知,突變體A38株型緊湊,側(cè)枝斜向上,表現(xiàn)典型的直立株型,野生型SunOleic 97R為匍匐型,側(cè)枝伸展方向與地面平行。從M2代開始,突變體A38表現(xiàn)穩(wěn)定的直立株型。另外,與野生型SunOleic 97R相比,A38的葉色較綠,但分枝數(shù)和結(jié)果數(shù)減少。大田自然發(fā)病條件下,花生突變體A38對花生晚斑病的病級為2級,而野生型的病級為7級(圖1B),說明A38表現(xiàn)高抗花生晚斑病。

圖2 F2分離群體生長習性的次數(shù)分布Fig.2 Distribution of growth habit of F2 population

2.2 花生突變體A38生長習性的遺傳分析

由圖1C可知,與突變體A38相比,F1的分枝基部緊貼地面,頂端向上,更偏向于野生型,株型表現(xiàn)為半匍匐型,說明突變體A38的直立性狀為隱性突變。在包含230個單株的F2群體中,直立型、半匍匐型和匍匐型的單株數(shù)分別為48、130、52(圖2),卡方檢驗符合1∶2∶1的比率(X2=4.0522,p=0.1319),表明突變體A38的直立性狀受單隱性核基因控制。

3 討論與結(jié)論

EMS(甲基磺酸乙酯),屬于一種烷化劑,因效率高、頻率高和范圍廣被廣泛用于農(nóng)作物新種質(zhì)創(chuàng)制和遺傳改良[25-27]。EMS誘變處理花生可產(chǎn)生可遺傳的突變性狀主要涉及產(chǎn)量性狀(莢果數(shù)量、莢果大小、單株產(chǎn)量)[16,18,21,28,32]、品質(zhì)性狀(含油量、油酸含量、蛋白質(zhì)含量、糖含量)[17,20,29-30]、重要農(nóng)藝性狀(如株高、生育期、分枝數(shù)、種皮色)[30-31]和耐逆性[19,32],還未見生長習性發(fā)生明顯突變且穩(wěn)定遺傳的報道。本研究中所鑒定到的突變體A38來自EMS誘變,與野生型相比,株型由匍匐型變?yōu)橹绷⑿?遺傳分析表明,直立性狀為隱性突變。而且,該突變體對花生晚斑病抗性增強,主莖增高,葉色變深,油酸含量降低(數(shù)據(jù)未列出)。因此,A38突變體的發(fā)現(xiàn),為下一步花生生長習性及晚斑病抗性基因的克隆、基于基因編輯技術的株型育種和花生分子標記輔助的抗晚斑病品種培育提供了良好的種質(zhì)資源。

花生的生長習性性狀相對穩(wěn)定,受環(huán)境影響較小,但其遺傳規(guī)律因所研究的試驗材料不同而異。在直立品種(花27/花38/新城早作母本)×匍匐型(金堂深窩作父本)的組合中,匍匐對直立為顯性,受1對基因控制[7]。在匍匐型(Hanoch)×半匍匐型(Harari)的正反交組合中,匍匐型對半匍匐型為顯性,受1對基因控制[13]。而在“銅山千萬性×獅油15”、“鴛鴦種×徐系1號”、“鴛鴦種×徐州68-4”、“徐州蔓性乙×花28”這4個蔓生型×直立型的組合中,F2代分離出直立、蔓生、半蔓3種類型,以不完全顯性的中間型“半蔓”占絕對優(yōu)勢[33]。

這與本研究直立突變體A38×匍匐型雜交組合中F2中出現(xiàn)分離類型一致。而控制A38直立型的突變位點是否與Kayam[13]或Li[14]報道的相同,還需要進一步的研究。