四種小豆粒色的遺傳分析

趙 璞，楚立威, 3，楊 凱，李奕松，趙 波，萬 平*

(1.北京農(nóng)學院 植物科學技術(shù)學院/農(nóng)業(yè)應(yīng)用新技術(shù)北京市重點實驗室；2.北京農(nóng)學院 生物與資源環(huán)境學院/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部華北都市農(nóng)業(yè)重點實驗室，北京 102206；3.林木遺傳育種 國家重點實驗室/中國林業(yè)科學研究院林業(yè)研究所，北京 100091)

小豆(Vignaangularis)是豆科(Leguminosae)豇豆屬(Vigna)一年生草本作物。小豆起源于中國，其馴化歷史可以追溯到12000年前[1]，目前廣泛種植于世界30多個國家，主要分布于亞洲[2-3]。

小豆粒色豐富，野生小豆基本上都是灰底黑斑粒色，栽培小豆大多數(shù)是紅色，但地方品種有灰底黑花、淡褐、褐色、黑色、紅底黑花、白色、米黃、綠色等多種粒色。粒色是重要品質(zhì)性狀和形態(tài)學標記，豆類豐富的粒色由不同花青素引起，與類黃酮代謝途徑密切相關(guān)[4]，類黃酮不僅是生物活性物質(zhì)，也與抗逆和抗病相關(guān)[5]。然而，小豆粒色的遺傳研究較少，最早研究認為小豆中有紅(R)、綠(G)、褐(F)和抑制紅色位點(H)的4個遺傳位點[6]，Kaga等(2008)對“栽培小豆×野生小豆”雜交組合后代分析表明非紅色對紅色為顯性，黑斑的出現(xiàn)對不出現(xiàn)為顯性，均由單基因控制[7]。Isemura等(2007)認為褐粒色對紅粒色為顯性，黑斑對非黑斑為顯性，均由單基因控制[8]。金文林等通過紅×紅底黑斑正反交遺傳分析表明紅底黑斑對紅色為顯性，受1對等位基因控制[9]。李明等分析了“黑粒色×紅粒色”雜交組合后代，認為黑粒色對紅粒色受2對基因控制，黑粒色對淡褐(米黃)粒色為顯性，淡褐(米黃)粒色對紅粒色為顯性，黑粒色對紅粒色具顯性上位性作用，[10]。成河智明等配置了小豆白，紅與灰白三種粒色間的雜交組合，認為是由兩對基因控制的[11]。Horiuchi等(2015)研究表明象牙黃(白)粒色對紅粒色為隱性，IVY被定位到第8連鎖群；并對橄欖色、淡橄欖色與紅色的組合進行了Lab值評估和QTL定位，OLB1被定位到第1連鎖群，認為橄欖色對紅色為顯性，受2對基因控制；淡橄欖色對紅色由單隱性基因POB控制，被定位到第10連鎖群[12]。李媛等(2017)將小豆紅粒色基因和黑粒色基因分別定位在1號與3號染色體末端[13]。

本研究以紅、白、灰底黑斑、淡褐粒色小豆為親本，配制雜交組合，進行遺傳分析，確定相關(guān)粒色遺傳模式，為粒色基因定位和克隆提供基礎(chǔ)群體材料，以期進一步解析小豆粒色遺傳調(diào)控網(wǎng)路和代謝途徑，為小豆遺傳改良和品質(zhì)育種提供支持。

1 材料與方法

1.1 植物材料

供試雜交群體及其親本由北京農(nóng)學院小豆研究團隊提供，共有“紅×淡褐”、“淡褐×白”、“紅×灰底黑斑”3個雜交組合后代，其中親本FM6165為京農(nóng)6號(JN6)的EMS誘變突變體、JN6和NL3(Norin3)是育成品種， CWA173為來源中國的野生小豆(Vignaangularisvar.nipponensis)，CCA026和GM538是地方品種(表1)。

表1 小豆不同粒色雜交組合

F1代單粒點播，親本對照各一行種植于兩側(cè)，分單株收獲；F2代行播，行長3 m，行距0.4 m，栽培種親本每行35粒，野生型親本每行20粒，親本對照各1行種植于對應(yīng)F2群體兩側(cè)，單株收獲。

1.2 表型鑒定與數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

2 結(jié)果與分析

2.1 F1∶2粒色表型與遺傳方式鑒定結(jié)果

雜交當代粒色與母本粒色一致，“CCA026×FM6165”(紅×淡褐)雜交組合的F1∶2粒色是淡褐色，表明淡褐色對紅色顯性?！癎M538×NL3”(淡褐×白)雜交組合的F1∶2表現(xiàn)淡褐色，表明淡褐色對白色為顯性。“JN6×CWA173”(紅×灰底黑斑)雜交組合F1∶2粒色是灰底黑斑，表明灰底黑斑對紅色顯性 (圖1)。

2.2 F2∶3粒色分離與卡方檢驗

對3個雜交組合的F2∶3粒色性狀進行統(tǒng)計分析和卡方檢驗(表2)。

圖1 小豆粒色雜交親本和F1

表2 雜交組合粒色分離比分析

圖2 CCA026×FM6165雜交組合F3家系粒色分離

3 討 論

本研究對4種不同粒色小豆的雜交組合進行遺傳分析，并對其基因型進行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)在小豆粒色存在較為復雜的遺傳模式。

Isemura等[8]和Kaga等[7]分析了野生小豆×栽培小豆雜交組合后代的粒色性狀遺傳，將黑斑的出現(xiàn)與否和紅粒色/非紅粒色作為兩對性狀分別討論，認為黑斑對非黑斑為顯性，褐粒色對紅粒色為顯性，分別受一對基因控制。金文林等[9]和李明等[10]分析了紅底黑斑/紅粒色性狀遺傳，認為黑斑對紅顯性，由單基因控制。本研究中灰底黑斑與紅粒色間受2對等位基因控制，表現(xiàn)為灰底黑斑∶紅底黑斑∶褐∶紅=9∶3∶3∶1，其中一對基因控制褐粒色與紅粒色之間的差異，另一對基因?qū)刂坪诎叩挠袩o。小豆中淡褐對白粒色的性狀遺傳和EMS誘變出的淡褐粒色突變體的遺傳分析仍未見報道，淡褐粒色與紅粒色間的差異應(yīng)系單一堿基突變所引起。

在淡褐×白粒色的雜交組合中分離出紅粒表型，淡褐粒色與紅粒色間受1對等位基因控制。雖然本研究未有紅×白粒色雜交組合后代遺傳分析，但淡褐×白粒色后代分析表明紅粒色對白粒色顯性，受單基因控制。這與Horiuchi等及成河智明、佐藤久泰等的結(jié)果相同[11-12，14]，他們均認為紅粒色對白(象牙色)顯性，白粒色由單隱性基因控制。

小豆粒色性狀中存在較為復雜的遺傳機制，根據(jù)本研究結(jié)果對小豆淡褐、灰底黑斑、紅和白粒色親本的基因型進行預(yù)測(表3)，認為在小豆這4種粒色中存在4對等位基因?qū)αＩ鹱饔谩?/p>

表3 親本基因型預(yù)測

小豆是閉花授粉作物，種皮中主要著色物質(zhì)為花青素等類黃酮類物質(zhì)[15-18]。本研究中，白粒色與紅粒色對其他粒色均表現(xiàn)為隱性，而白粒色對紅粒色也表現(xiàn)為隱性，表型復雜的親本，如灰底黑斑和黑粒色，與其它粒色之間表現(xiàn)為相對顯性，因此推測小豆粒色表型越簡單，其種皮中積累的花青素種類越少，而白粒色小豆種皮中可能并不積累花青素類物質(zhì)。大豆中也存在由花青素代謝通路關(guān)鍵酶功能變異導致種皮不能積累色素的現(xiàn)象，受單個位點控制[19-22]。

花青素是植物中主要的色素來源之一[23-24]，是消費者選擇相關(guān)商品的主要指標[25]，花青素在植物中具有吸收高光能，清除自由基，抵御光氧化的作用[26]，此外有研究表明，花青素可以抗氧化，抗炎癥，對某些癌癥和與年齡相關(guān)的病癥有保護作用[5,27-30]。小豆是傳統(tǒng)的藥食同源作物，對粒色性狀進行選育，可以提高小豆的營養(yǎng)品質(zhì)，同時時商品性指標。本研究對四種粒色間的雜交組合F2∶3群體的粒色進行遺傳分析，其中淡褐粒色/白粒色、淡褐粒色突變體/紅粒色的性狀遺傳分析仍未見報道；灰底黑斑粒色、淡褐粒色/紅粒色之間的遺傳機制與前人的研究相符。本研究將對后續(xù)小豆粒色基因定位克隆和遺傳調(diào)控網(wǎng)路解析提供支持，也為品質(zhì)育種提供參考。