切花菊莖稈性狀的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)與遺傳分析

吳洋洋 徐婷婷 遲天華 馬 杰 管志勇 房偉民 陳發(fā)棣 張 飛

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院,江蘇南京 210095)

菊花(Chrysanthemum morifoliumRamat.)是我國(guó)傳統(tǒng)名花和世界重要切花之一,具有很高的觀賞和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。據(jù)統(tǒng)計(jì),我國(guó)切花菊銷售量已經(jīng)連續(xù)5年超過(guò)21億枝,其中 2016年為 26.53億枝,銷售額高達(dá)15.18億元,產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭良好[1-5]。隨著切花菊在園林和觀光農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)中的廣泛應(yīng)用,對(duì)其品質(zhì)要求也逐漸增加。除了新奇特花型外,花期持久、抗逆性強(qiáng)等性狀也逐漸得到關(guān)注,而這些性狀與健壯的莖稈密切相關(guān)。長(zhǎng)勢(shì)旺盛、莖稈直順是切花菊的重要品質(zhì)性狀之一,健壯的莖稈不僅可以增強(qiáng)花枝的吸水性以延長(zhǎng)花期,而且耐運(yùn)輸,在一定程度上可提高抗逆性。因此,明確切花菊莖稈相關(guān)性狀的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)和遺傳機(jī)制對(duì)提高其育種效率至關(guān)重要。

目前,關(guān)于切花菊品種株高、莖粗等莖稈性狀在特定光溫、水分和氮素等栽培環(huán)境條件的生長(zhǎng)模型已有相關(guān)報(bào)道[6-8]。在菊花莖稈相關(guān)性狀的遺傳機(jī)制方面,張飛等[9]通過(guò)切花菊和盆栽小菊雜交后代的配合力分析,發(fā)現(xiàn)菊花的株高主要由非加性效應(yīng)控制；張飛等[10]研究發(fā)現(xiàn)盆栽小菊和匍匐型地被菊雜交后代株高的雜種優(yōu)勢(shì)為正向顯著、節(jié)間長(zhǎng)度的雜種優(yōu)勢(shì)負(fù)向顯著,通過(guò)主基因+多基因混合遺傳模型分析發(fā)現(xiàn)節(jié)間長(zhǎng)度主要由一對(duì)負(fù)向完全顯性主基因控制,而未檢測(cè)到株高的主基因效應(yīng)；張飛等[11]通過(guò)單因素方差分析檢測(cè)到菊花株高和節(jié)間長(zhǎng)度相關(guān)的分子標(biāo)記位點(diǎn)。近年來(lái),關(guān)于菊花株高、莖粗、節(jié)間長(zhǎng)度等莖稈相關(guān)性狀的關(guān)聯(lián)分析和QTL定位研究也有相關(guān)報(bào)道[12-14]。然而,菊花莖稈性狀在不同雜交組合后代的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)和遺傳情況尚不完全清楚。因此,本研究擬通過(guò)調(diào)查切花菊不同雜交組合后代莖稈相關(guān)性狀,比較分析在不同遺傳背景條件切花菊莖稈性狀的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)和雜種優(yōu)勢(shì),并通過(guò)單個(gè)分離世代的主基因+多基因混合遺傳模型剖析其主基因遺傳效應(yīng),以期進(jìn)一步豐富菊花雜交育種理論,為提高切花菊雜交育種效率提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試的蒙娜麗莎白、寒小白和Qx097 3個(gè)切花菊親本品種均來(lái)自南京農(nóng)業(yè)大學(xué)中國(guó)菊花種質(zhì)資源保存中心,其中蒙娜麗莎白和Qx097為長(zhǎng)勢(shì)旺盛品種,寒小白長(zhǎng)勢(shì)較弱(表1)。2015年秋,以寒小白(HB)和Qx097為母本,以蒙娜麗莎白(MB)為父本,通過(guò)人工輔助授粉分別獲得寒小白×蒙娜麗莎白(MH)和Qx097×蒙娜麗莎白(MQ)兩個(gè)雜交組合群體,2016年春進(jìn)行穴盤播種。

表1 3個(gè)切花菊親本品種的株高、莖粗和節(jié)間數(shù)Table 1 Plant height,stem diameter and internode number of the three parental cut-chrysanthemums

1.2 田間試驗(yàn)與性狀調(diào)查

2016年7月23日,在各雜交組合中任選110個(gè)F1株系,連同親本材料一起扦插,待生根后于2016年8月10日定植于大田,定植后按正常栽培生產(chǎn)管理。在定植后 15、30、45、60、75 d 分別調(diào)查株高、節(jié)間數(shù)和自頂芽向下第2片新葉下節(jié)間的莖粗3個(gè)莖稈性狀,莖粗的測(cè)定為固定位點(diǎn),自定植后15 d第一次測(cè)定后,作上標(biāo)記,定期測(cè)其莖粗,每個(gè)株系(基因型)重復(fù)3次。

1.3 數(shù)據(jù)分析

基于株高、莖粗和節(jié)間數(shù)等莖稈性狀的調(diào)查數(shù)據(jù),計(jì)算各性狀的變異系數(shù)、雜種優(yōu)勢(shì)率、累積生長(zhǎng)率和相對(duì)生長(zhǎng)率,繪制株高、莖粗和節(jié)間數(shù)累積生長(zhǎng)曲線和相對(duì)生長(zhǎng)曲線。各指標(biāo)的計(jì)算方法如下:

式中,F1為雜交子代性狀的平均值；MPV(middle parent value)為雙親性狀的平均值,即中親值。

株高(G′H)、莖粗(G′D)和節(jié)間數(shù)(G′N)的相對(duì)生長(zhǎng)率分別定義為:

式中,H表示株高；D表示莖粗；N表示節(jié)間數(shù)；t表示測(cè)定時(shí)間；數(shù)字1、2表示相鄰的前、后測(cè)定時(shí)期。采用Microsoft Office Excel 2013和SPSS v20軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

此外,根據(jù)數(shù)量性狀的主基因+多基因混合遺傳模型中的單個(gè)世代(F2)分離分析方法[15],利用Windows軟件包SEA[16]分析最后一次測(cè)定的莖稈性狀的主基因遺傳效應(yīng)。用極大似然和期望最大化算法估計(jì)分布參數(shù),AIC(Akaike’s information criterion)值較小且適合性檢驗(yàn)最優(yōu)的模型為適宜遺傳模型。根據(jù)最優(yōu)模型采用最小二乘法估計(jì)出主基因的效應(yīng)值、方差和遺傳率等遺傳參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 切花菊莖稈性狀的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)

通過(guò)累積生長(zhǎng)曲線可知,切花菊株高和莖粗在定植后30 d內(nèi)生長(zhǎng)均較緩慢,株高在定植后30～60 d生長(zhǎng)較快,定植后60～75 d生長(zhǎng)又變緩；而莖粗在定植后30～45 d生長(zhǎng)較快,定植后45 d生長(zhǎng)逐漸變緩,因此,株高和莖粗整體符合S型生長(zhǎng)曲線；在節(jié)間數(shù)方面,除了定植后60～75 d增加較緩?fù)?其他各階段生長(zhǎng)較均勻。由相對(duì)生長(zhǎng)率曲線可知,切花菊株高在定植后15～30 d和30～45 d的相對(duì)生長(zhǎng)速率較大,之后下降較快；莖粗在定植后30～45 d的相對(duì)生長(zhǎng)速率最大,其他時(shí)間段均較緩；節(jié)間數(shù)在定植后15～30 d的相對(duì)生長(zhǎng)速率最大,之后呈梯度下降(圖1)?？傮w而言,切花菊親本及2個(gè)組合間莖稈性狀的累計(jì)生長(zhǎng)率和相對(duì)生長(zhǎng)率變化趨勢(shì)一致。

2.2 切花菊雜交后代莖稈性狀的遺傳變異

由表2可知,MQ組合株高、莖粗和節(jié)間數(shù)等莖稈性狀的平均值在各時(shí)期均高于MH組合(定植后15 d時(shí)莖粗除外),其中兩個(gè)組合在株高和莖粗上均表現(xiàn)出顯著差異,而節(jié)間數(shù)在定植后45 d差異不顯著。從變異系數(shù)看,MH組合株高的變異系數(shù)在每個(gè)時(shí)期都高于MQ組合；而莖粗的變異系數(shù)在定植后15 d時(shí)MH組合高于MQ組合,但在定植后30 d時(shí)MQ組合高于MH組合；在定植后15～30 d時(shí)MQ組合節(jié)間數(shù)的變異系數(shù)略高于MH組合,而定植45 d后MH組合節(jié)間數(shù)的變異系數(shù)略高于MQ組合。

圖1 切花菊雜交組合后代莖稈性狀的累計(jì)生長(zhǎng)和相對(duì)生長(zhǎng)曲線Fig.1 Cumulative growth and relative growth rate curves of stem traits of MH and MQ crosses

表2 MH和MQ組合莖稈性狀的平均值與變異系數(shù)Table 2 Means and coefficients of variation for stem traits of MH and MQ crosses

2.3 切花菊雜交組合莖稈性狀的雜種優(yōu)勢(shì)

由圖2可知,MH與MQ組合之間各莖稈性狀的中親優(yōu)勢(shì)率差異較大。在MH組合中,莖稈性狀在定植后75 d時(shí)的中親優(yōu)勢(shì)率最高,其他各時(shí)期較低或?yàn)樨?fù)值；除了定植后30 d時(shí)的莖粗和定植后15 d時(shí)的節(jié)間數(shù)為負(fù)值外,其他各時(shí)期的莖粗和節(jié)間數(shù)的中親優(yōu)勢(shì)率均為正值,且呈現(xiàn)逐漸增加的趨勢(shì)。在MQ組合中,除了定植后15 d時(shí)莖粗的中親優(yōu)勢(shì)率表現(xiàn)為正值外,其他各時(shí)期莖稈性狀的中親優(yōu)勢(shì)率均表現(xiàn)為負(fù)值,而且最低可達(dá)-12%。綜上,莖稈性狀的雜種優(yōu)勢(shì)在不同切花菊雜交組合間以及同一組合的不同生長(zhǎng)時(shí)期差異均較大。

圖2 MH和MQ組合后代莖相關(guān)性狀在不同生長(zhǎng)時(shí)期的中親優(yōu)勢(shì)率Fig.2 Mid-parent heterosis of stem traits of the MH and MQ crosses at different growth stages

2.4 切花菊莖稈性狀的主基因效應(yīng)

依據(jù)AIC值最小的模型為最適遺傳模型的原則,發(fā)現(xiàn)MH組合株高和MQ組合莖粗的最佳備選模型為B-3模型,其他各性狀的最佳備選模型為A-0模型(表 3)。 利用、、、nW2和Dn對(duì)這些備選模型進(jìn)行適合性檢驗(yàn)(表4),發(fā)現(xiàn)各統(tǒng)計(jì)量差異不顯著,說(shuō)明各備選模型均可作為最適模型。因此,MH組合的株高及MQ組合的莖粗主要表現(xiàn)為加性效應(yīng)的2對(duì)主基因控制,而在這2個(gè)組合的其他各莖稈性狀上未檢測(cè)到主基因效應(yīng)。由表5可知,MH組合控制株高遺傳的2對(duì)主基因均具有正向增效,加性效應(yīng)值分別為4.23和14.65,第二對(duì)主基因的加性效應(yīng)大于第一對(duì)主基因,主基因遺傳率為97.12%。MQ組合控制莖粗遺傳的2對(duì)主基因也均具有正向增效,加性效應(yīng)值分別為0.60、0.48,第一對(duì)主基因的加性效應(yīng)大于第二對(duì)主基因,主基因遺傳率為9.33%。

3 討論

莖稈性狀與作物產(chǎn)量和抗逆性密切相關(guān)[17-19]。對(duì)于菊花而言,莖稈性狀是菊花重要的品質(zhì)性狀之一,與切花品質(zhì)和抗逆性密切相關(guān)。目前,關(guān)于菊花的遺傳研究主要集中在花部性狀和部分抗逆性[14,20-22],而關(guān)于菊花莖稈性狀生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)和遺傳機(jī)制的文獻(xiàn)報(bào)道較少[13-14,23]。本研究比較分析了切花菊不同雜交組合F1莖稈性狀的生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)、雜種優(yōu)勢(shì)和主基因效應(yīng),研究結(jié)果將有助于理解菊花莖稈性狀的生長(zhǎng)發(fā)育和遺傳機(jī)制,對(duì)今后菊花高效栽培和育種研究具有重要指導(dǎo)意義。本研究結(jié)果表明,MH和MQ 2個(gè)雜交組合母本的莖稈性狀差異較大,但親本及其F1群體莖稈性狀的累積生長(zhǎng)曲線和相對(duì)生長(zhǎng)曲線基本一致,且株高和莖粗的累積生長(zhǎng)曲線基本符合S型生長(zhǎng)曲線,這與王旭等[24]研究結(jié)果一致。此外,親本和不同雜交組合后代的株高、莖粗和節(jié)間數(shù)等莖稈性狀在定植后45 d以內(nèi)的生長(zhǎng)速率均較快,此時(shí)應(yīng)為切花菊莖稈生長(zhǎng)的關(guān)鍵時(shí)期。

表3 MH和MQ組合莖稈性狀分離分析AIC值Table 3 Akaike information criterion(AIC)values of various genetic models for stem traits of MH and MQ crosses

表4 MH和MQ組合莖稈性狀入選模型的適合性檢驗(yàn)Table 4 Test for goodness-of-fit of selected genetic model for the stem traits of MH and MQ crosses

表5 MH和MQ組合莖稈性狀在各最優(yōu)模型下遺傳參數(shù)的估計(jì)值Table 5 Estimation of genetic parameters for the stem traits of MH and MQ crosses at the optimal models

一般認(rèn)為,遺傳差異較大的親本之間雜交產(chǎn)生豐富變異的幾率也較大[9]。本研究中,除了莖粗?jǐn)?shù),親本莖稈性狀差異較大的MH組合株高和定植45 d后節(jié)間數(shù)的變異系數(shù)均高于親本性狀差異較小的MQ組合,但是MQ組合莖稈性狀的平均值在各時(shí)期均高于MH組(定植后15 d時(shí)莖粗除外),特別是在株高和莖粗上各階段均表現(xiàn)出顯著差異。表明莖稈性狀存在母性遺傳效應(yīng),且莖稈均值差異較大的親本品種之間雜交,其后代的變異系數(shù)也較大,為強(qiáng)優(yōu)株系的選育創(chuàng)制了條件。

研究表明,菊花各性狀在不同雜交組合中的雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)程度不同[25]。本試驗(yàn)結(jié)果表明,不同雜交組合,甚至是同一組合不同時(shí)期莖稈性狀的雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)程度差異較大。其中,親本差異較大的MH組合莖稈性狀在各時(shí)期多表現(xiàn)為正向的中親優(yōu)勢(shì)率,這與張飛等[10]在盆栽小菊和匍匐型地被菊雜交后代株高上的報(bào)道相似；而親本莖稈性狀差異較小的MQ組合莖稈性狀在各時(shí)期的中親優(yōu)勢(shì)率多是負(fù)值。因此,在菊花實(shí)際育種中,應(yīng)選擇莖稈性狀差異較大的親本開(kāi)展雜交,充分發(fā)揮雜種優(yōu)勢(shì)的作用。

主基因+多基因混合遺傳模型是植物數(shù)量性狀遺傳研究的重要方法,現(xiàn)已廣泛用于遺傳分析[17,26-28]。該方法在菊花中也有一些報(bào)道[20-22,29-31],但多集中在1個(gè)雜交組合中,鮮見(jiàn)不同雜交組合背景下的遺傳研究。前人研究表明,植物數(shù)量性狀的主基因遺傳模型在不同遺傳背景條件下存在較大差異[32-33]。最近研究表明,甜蕎的株高和莖稈性狀在正反交組合中最適遺傳模型均為2對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因模型,但在主基因和多基因的遺傳效應(yīng)值上存在差異[34]。本研究比較了切花菊莖稈性狀在不同遺傳背景條件下的主基因效應(yīng),僅在MH組合株高和MQ組合莖粗性狀上分別檢測(cè)到2對(duì)加性主基因效應(yīng)(主基因遺傳率分別為97.12%和9.33%),在其他莖稈性狀上均未檢測(cè)到主基因效應(yīng)。株高的加性主基因效應(yīng)與早期關(guān)于菊花株高非加性效應(yīng)的報(bào)道存在差異[9],進(jìn)一步說(shuō)明菊花株高等莖稈性狀在不同雜交組合或遺傳背景中的遺傳機(jī)制差異較大。因此,菊花莖稈性狀的遺傳機(jī)制仍需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

本研究明確了切花菊各莖稈性狀的相對(duì)生長(zhǎng)速率在定植后45 d前均較快,且其生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)與親本性狀差異程度無(wú)緊密關(guān)系,這為切花菊在栽培調(diào)控提供了參考依據(jù)。切花菊莖稈性狀存在母性遺傳效應(yīng),且莖稈均值差異較大的親本品種之間雜交,其后代的變異系數(shù)也較大,為強(qiáng)優(yōu)株系的選育創(chuàng)制了條件?；旌线z傳分析發(fā)現(xiàn),切花菊莖稈性狀的遺傳表現(xiàn)在不同遺傳背景中差異較大,但在MH組合的株高和MQ組合的莖粗上檢測(cè)到2對(duì)加性主基因效應(yīng),為后續(xù)莖稈性狀的QTL定位研究提供了參考。