薏苡苗期紫葉鞘性狀的遺傳分析

陸秀娟 李祥棟 石明 潘虹 魏心元 陸平

摘要：為闡明薏苡苗期紫葉鞘性狀的遺傳方式和遺傳規(guī)律，指導(dǎo)薏苡的品種選育，利用5份紫葉鞘材料為母本，1份綠色葉鞘材料為父本，分析不同雜交世代F1、F2的葉鞘色表型性狀及其遺傳規(guī)律。結(jié)果表明，紫葉鞘相對于綠葉鞘為顯性，對于不同的F2群體，植株表現(xiàn)出紫葉鞘 ∶綠葉鞘=9 ∶7和紫葉鞘 ∶綠葉鞘=3 ∶1的分離比。因此，在不同的遺傳背景中，薏苡苗期紫色葉鞘的遺傳方式不同，表現(xiàn)為2對基因的顯性互補(bǔ)遺傳和單基因顯性遺傳2種類型。紫葉鞘可作為薏苡遺傳改良的標(biāo)記性狀。

關(guān)鍵詞：葉鞘色;花色素苷;雜交;性狀;遺傳規(guī)律;薏苡;單株提純

中圖分類號：S519.032?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號：1002-1302（2020）14-0146-04

花色素苷是類黃酮生物合成途徑中的產(chǎn)物，也是植物的重要次生代謝產(chǎn)物之一，通常在植物的花、果實(shí)、種子、莖稈、葉片、葉鞘、柱頭等部位積累，導(dǎo)致植物出現(xiàn)一系列的顏色變化。薏苡屬于禾本科植物，是重要的藥食兼用作物之一，具有抗腫瘤、降血糖、降血脂、鎮(zhèn)痛和美化肌膚等多種生理功效[1-2]。薏苡具有多種資源類型，在種質(zhì)的考察收集[3-5]以及表型[6-8]、品質(zhì)[9]、抗逆性[10-13]等的分析評價(jià)方面也時(shí)有報(bào)道，但是由于長期處于野生或半野生狀態(tài)，基本上沒有被進(jìn)行遺傳改良。盡管也有學(xué)者嘗試進(jìn)行薏苡屬不同種（變種）的雜交工作，但是有關(guān)薏苡質(zhì)量性狀和數(shù)量性狀的遺傳規(guī)律研究仍處于空白狀態(tài)[14-17]。薏苡苗期的葉鞘色具有白色、綠色和紫色之分，并以綠色和紫色最為常見，可作為區(qū)分不同品種或種質(zhì)的重要標(biāo)記性狀之一[8，18]。本研究分別以綠色和紫色葉鞘品種為親本進(jìn)行雜交并構(gòu)建F2遺傳群體，旨在闡明薏苡紫色葉鞘性狀的遺傳規(guī)律，并為薏苡的雜交育種實(shí)踐提供重要指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為6份經(jīng)多年提純的薏苡品種（系），其中興仁白殼、黔薏2號、薏珠1號、安薏1號和安國薏苡為母本（♀）材料;CL91品系為共用父本（♂）材料。上述材料均經(jīng)過筆者所在課題組多年單株提純，可保證親本的純合性。試驗(yàn)材料性狀表現(xiàn)及來源見表1。

1.2 試驗(yàn)方法

于2016年在貴州省興義市黔西南布衣族苗族自治州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗(yàn)基地進(jìn)行雜交試驗(yàn)，獲得5組F1，第2年采用F1自交獲得F2種子，第3年播種獲得F2分離群體（圖1）。通過目測鑒別各世代苗期葉鞘的顏色差異，并統(tǒng)計(jì)具有綠色和紫色葉鞘的株數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

利用Excel 2003對統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行χ2測驗(yàn)，檢驗(yàn)各性狀的理論分離比例與實(shí)際分離比例的符合度，分析紫色葉鞘性狀的遺傳規(guī)律。

采用矯正后的χ2計(jì)算符合度：χ2=∑[SX（]（|A-T|-0.5）2T[SX）]，其中A為實(shí)際觀測次數(shù)，T為理論次數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 F1代幼苗的葉鞘顏色表現(xiàn)

在5個(gè)雜交組合的F1植株中，4個(gè)紫色（♀）×綠色（♂）的雜交組合興仁白殼（♀）×CL91（♂）、黔薏2號（♀）×CL91（♂）、薏珠1號（♀）×CL91（♂）和安薏1號（♀）×CL91（♂）的F1植株均表現(xiàn)為紫色葉鞘，而1個(gè)綠色（♀）×綠色（♂）葉鞘的雜交組合安國薏苡（♀）×CL91（♂）的F1植株全部為綠色葉鞘（表2、圖2），說明薏苡的紫色葉鞘相對于綠色葉鞘為顯性。

2.2 不同雜交組合F2代葉鞘顏色的分離

F2植株調(diào)查結(jié)果（表3）顯示，在4個(gè)紫色（♀）×綠色（♂）的雜交組合中，葉鞘顏色在F2植株中出現(xiàn)了性狀分離，而在綠色（♀）×綠色葉鞘的雜交組合安國薏苡（♀）×CL91（♂）中，F(xiàn)2植株全部表現(xiàn)為綠色葉鞘，并未表現(xiàn)出性狀分離，證明綠色葉鞘是隱性基因控制的遺傳性狀。χ2檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，興仁白殼（♀）×CL91（♂）和黔薏2 號（♀）×CL91（♂）雜交組合的紫色和綠色葉鞘植株分離比為9（紫色）：7（綠色），而薏珠1號（♀）×CL91（♂）和安薏1號（♀）×CL91（♂）的紫色和綠色葉鞘植株符合 3 ∶1 的分離比。說明親本興仁白殼和黔薏2號的紫色葉鞘是由2對互補(bǔ)基因控制的顯性遺傳性狀，而薏珠1號和安薏1號的紫色葉鞘則由單基因控制，屬于單基因顯性遺傳。根據(jù)上述結(jié)果可知，薏苡苗期的紫色葉鞘性狀在不同遺傳背景中遺傳方式不同，表現(xiàn)為2對基因控制的顯性互補(bǔ)遺傳和單基因顯性遺傳2種類型。

3 討論

3.1 花色素苷積累及其性狀遺傳

植物花色素苷合成途徑屬于類黃酮代謝的分支途徑，其代謝路徑已經(jīng)相當(dāng)清楚?；ㄉ剀蘸铣陕窂街械年P(guān)鍵酶主要有查爾酮合成酶（CHS）、查爾酮異構(gòu)酶（CHI）、黃烷酮-3-羥化酶（F3H）、二氫黃酮醇-4-還原酶（DFR）、花青素合成酶（ANS）等[19-20]，受多種轉(zhuǎn)錄因子和光照等環(huán)境因子調(diào)控[21]。已有研究表明，內(nèi)蒙古紫皮小麥、山農(nóng)066559小麥的紫粒性狀均由2對獨(dú)立的顯性互補(bǔ)基因控制[22-23]，但是紫色葉鞘性狀由1對顯性基因控制[22];水稻紫色葉片、葉鞘、稃尖、柱頭的遺傳方式也表現(xiàn)出受多對基因（2～4對）互作控制或受顯性單基因控制[24]。李慧敏等通過旱稻和高粱的屬間雜交發(fā)現(xiàn)，紫芒性狀由2對隱性互作的上位基因控制，而紫色柱頭性狀則由2對互補(bǔ)基因控制[25]。在大白菜中，紫心性狀則由1對顯性基因控制[26]。本研究也表明，薏苡苗期葉鞘色分別受2對顯性互作基因和1對顯性基因控制，其遺傳方式比較簡單，與上述小麥、水稻等作物的紫色性狀遺傳規(guī)律基本一致。

3.2 標(biāo)記性狀在育種實(shí)踐中的應(yīng)用

由于長期以來薏苡很少進(jìn)行定向遺傳改良，因而現(xiàn)今在生產(chǎn)中應(yīng)用的品種基本上都是對自然資源系統(tǒng)選擇而育成的品種。一方面，因?yàn)檗曹臃痔Y和分枝的生物學(xué)特性，不同部位籽粒成熟度不一致，整枝、去雄程序繁瑣;另一方面，由于關(guān)于薏苡的性狀遺傳規(guī)律研究空白，缺乏有效區(qū)分F1植株中是否存在自交個(gè)體的標(biāo)記。本研究在雜交組合的配制過程中，采用人工標(biāo)記總苞的方法，以保證薏苡單個(gè)柱頭的定向授粉和本研究群體的有效性。通過本研究對紫葉鞘遺傳規(guī)律的揭示可知，紫葉鞘可以作為F1植株除雜的有效標(biāo)記性狀，指導(dǎo)薏苡的遺傳改良工作。此外，分子標(biāo)記輔助育種作為現(xiàn)代育種的重要手段，能夠極大提高選擇效率，加快育種進(jìn)程[27]。目前有關(guān)水稻的葉鞘、柱頭、稃尖和芒的紫色性狀[28]及小麥籽粒性狀[29-30]的基因定位研究也時(shí)有報(bào)道。此外，花色素苷除了在葉鞘中合成外，在薏苡的莖稈、柱頭、苞狀鞘、幼果、成熟總苞等多個(gè)部位均有累積。本研究中F2遺傳群體的構(gòu)建，為進(jìn)一步闡明作物紫色標(biāo)記性狀的遺傳規(guī)律及其基因定位打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

通過構(gòu)建不同的F2遺傳群體，初步闡明了薏苡苗期紫葉鞘的遺傳規(guī)律，在不同的遺傳背景材料中，薏苡葉鞘色分別由2對顯性互補(bǔ)基因和1對顯性單基因控制，紫葉鞘可作為薏苡標(biāo)記性狀指導(dǎo)薏苡的定向遺傳改良。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃鎖義，李 容，潘 勇，等. 薏苡研究的新進(jìn)展[J]. 食品研究與開發(fā)，2012，33（11）：223-227.

[2]楊 爽，王李梅，王姝麒，等. 薏苡化學(xué)成分及其活性綜述[J]. 中藥材，2011，34（8）：1306-1312.

[3]李英材，覃祖賢. 廣西薏苡資源形狀分析與分類[J]. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，1995，8（4）：109-113.

[4]陸 平，左志明. 廣西薏苡資源的分類研究[J]. 廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)，1996（2）：81-84.

[5]梁云濤，陳成斌，梁世春，等. 中日韓三國薏苡種質(zhì)資源遺傳多樣性研究[J]. 廣西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，37（4）：341-344.

[6]王 碩，張世鮑，何金寶，等. 薏苡資源性狀的主成分和聚類分析[J]. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2013，28（2）：157-162.

[7]李春花，王艷青，盧文潔，等. 云南薏苡種質(zhì)資源農(nóng)藝性狀的主成分和聚類分析[J]. 植物遺傳資源學(xué)報(bào)，2015，16（2）：277-281，287.

[8]李祥棟，潘 虹，陸秀娟，等. 薏苡屬種質(zhì)資源的主要表型性狀多樣性研究[J]. 植物遺傳資源學(xué)報(bào)，2019，20（1）：229-238.

[9]李祥棟，潘 虹，陸秀娟，等. 薏苡種質(zhì)的主要營養(yǎng)組分特征及綜合評價(jià)[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，51（5）：835-842.

[10]汪 燦，周棱波，張國兵，等. 薏苡種質(zhì)資源萌發(fā)期抗旱性鑒定及抗旱指標(biāo)篩選[J]. 植物遺傳資源學(xué)報(bào)，2017，18（5）：846-859.

[11]汪 燦，周棱波，張國兵，等. 薏苡種質(zhì)資源苗期抗旱性鑒定及抗旱指標(biāo)篩選[J]. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，50（15）：2872-2887.

[12]汪 燦，周棱波，張國兵，等. 薏苡種質(zhì)資源成株期抗旱性鑒定及抗旱指標(biāo)篩選[J]. 作物學(xué)報(bào)，2017，43（9）：1381-1394.

[13]羅 凱，黎 青，楊成龍，等. 薏苡黑穗病田間發(fā)病形態(tài)觀察及抗性鑒定[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2019，47（20）：126-128.

[14]喬亞科，李桂蘭，高書國，等. 薏苡類型間雜交F2代的性狀分離[J]. 河北農(nóng)業(yè)技術(shù)師范學(xué)院學(xué)報(bào)，1993，7（4）：48-51.

[15]喬亞科，李桂蘭，高書國，等. 兩種類型薏苡及其F1性狀表現(xiàn)[J]. 中草藥，1995（2）：88-91.

[16]宋秀英，趙曉明，李明山，等. 薏苡屬種間雜種形態(tài)的觀察和比較[J]. 山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1993，13（3）：199-202，294.

[17]李貴全，趙曉明，宋秀英. 薏苡×川谷遠(yuǎn)緣雜交的研究[J]. 作物學(xué)報(bào)，1997，23（1）：119.

[18]石 明，李祥棟，秦禮康. 薏苡種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)[M]. 北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2017.

[19]張 龍，李衛(wèi)華，姜淑梅，等. 花色素苷生物合成與分子調(diào)控研究進(jìn)展[J]. 園藝學(xué)報(bào)，2008，35（6）：909-916.

[20]王 蕾，韋靈林，徐 虹. 矮牽?；ㄉ剀蘸铣赏緩街械年P(guān)鍵酶及其轉(zhuǎn)錄調(diào)控[J]. 細(xì)胞生物學(xué)雜志，2009，31（5）：641-650.

[21]李小蘭，張明生，任明見，等. 紫粒小麥花青素合成分子調(diào)控機(jī)制研究進(jìn)展[J]. 植物生理學(xué)報(bào)，2017，53（4）：521-530.

[22]邵中子，鄧景揚(yáng). 內(nèi)蒙古紫皮小麥紫皮性狀的遺傳分析[J]. 遺傳學(xué)報(bào)，1987，14（3）：179-187，243.

[23]李楠楠，張衛(wèi)東，高慶榮，等. 小麥山農(nóng)066559紫色性狀的遺傳分析[J]. 麥類作物學(xué)報(bào)，2013，33（1）：18-22.

[24]曾黎瓊，段玉云，孫一丁，等. 水稻紫色性狀的遺傳分析和基因定位[J]. 西南農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，2010，23（1）：256-260.

[25]李慧敏，李道亨，趙鳳梧，等. 旱稻、高粱屬間雜交紫色性狀遺傳分析[J]. 華北農(nóng)學(xué)報(bào)，2006，21（增刊2）：84-86.

[26]吳俊清，趙 靜，秦美玲，等. 大白菜紫心性狀遺傳規(guī)律分析及其基因初步定位[J]. 園藝學(xué)報(bào)，2016，43（6）：1079-1088.

[27]王亞琦，孫子淇，鄭 崢，等. 作物分子標(biāo)記輔助選擇育種的現(xiàn)狀與展望[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2018，46（5）：6-12.

[28]李 靜，孫 妍，齊 蘭，等. 基于染色體置換系的野生稻抽穗期及紫色性狀QTL的鑒定[J]. 植物遺傳資源學(xué)報(bào)，2018，19（3）：568-577.

[29]Dobrovolskaya O，Arbuzova V S，Lohwasser U，et al. Microsatellite mapping of complementary genes for purple grain colour in bread wheat （Triticum aestivum L.）[J]. Euphytica，2006，150（3）：355-364.

[30]Li X P，Lan S Q，Zhang Y L，et al. Identification of molecular markers linked to the genes for purple grain color in wheat （Triticum aestivum）[J]. Genetic Resources and Crop Evolution，2010，57（7）：1007-1012.

收稿日期：2019-07-24

基金項(xiàng)目：貴州省科技計(jì)劃（編號：黔科合重大專項(xiàng)字[2014]6023;黔科合支撐[2016]2608號）;貴州省高層次創(chuàng)新型人才培養(yǎng)項(xiàng)目（編號：黔科合人才[2015]4016號）。

作者簡介：陸秀娟（1989—），女，布依族，貴州冊亨人，農(nóng)藝師，主要從事作物遺傳及栽培技術(shù)及研究。E-mail：lowaterve_643@126.cm。

通信作者：李祥棟，碩士，高級農(nóng)藝師，主要從事植物生理與分子調(diào)控研究。E-mail：lixiangdongsiji@163.com;石 明，碩士，研究員，主要從事作物遺傳育種方向的研究。E-mail：shiming1616@126.com。