馬鈴薯高世代無性系鐵含量的穩(wěn)定性及廣義遺傳力估算

李輝，張偉，白雅梅，宋志軍，呂文河

（1.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030；2.呼倫貝爾市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古扎蘭屯162650；3.訥河市鑫豐種業(yè)有限責(zé)任公司，黑龍江訥河161341；4.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，黑龍江哈爾濱150030；5.鐵嶺市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)服務(wù)中心，遼寧鐵嶺112600）

微量營養(yǎng)元素對人的身體健康是非常重要的，缺乏微量元素會嚴(yán)重危害人類的身體健康，特別對婦女、兒童和嬰兒影響更大[1-3]。2011年，世界衛(wèi)生組織報道，在發(fā)展中國家有近一半的孕婦和嬰幼兒都患有貧血癥[4]。人體中存在多種微量元素，其中含量最多的是鐵。有調(diào)查研究表明，缺鐵是中國人口患有貧血癥最常見的病因，缺鐵性貧血已成為公共衛(wèi)生問題[5,6]。鐵是合成血紅蛋白的主要組成部分之一，是組成紅細(xì)胞的關(guān)鍵因子，其是血液中氧氣輸送的重要載體，人體中多種酶的活性也與鐵元素密切相關(guān)，缺鐵會間接影響人體內(nèi)多個器官的正常運(yùn)作[7]。因此，鐵是人體內(nèi)必不可少的元素，同時也是維持人體內(nèi)營養(yǎng)均衡和保持人體完美容顏的重要元素[8]。

糧食作物的生物強(qiáng)化是克服微量元素缺乏的新興研究領(lǐng)域。從21世紀(jì)初開始，選育高微量元素品種的育種家越來越多，且培育出高微量元素的作物新品種是最為經(jīng)濟(jì)有效的一種手段，從而提高了作物可食用部分的微量元素含量[9]。馬鈴薯在生物強(qiáng)化方面具有一定的優(yōu)越性，因為馬鈴薯每單位面積和時間能產(chǎn)生更多的營養(yǎng)物質(zhì)，能在滿足人類微量元素營養(yǎng)需求方面做出重要貢獻(xiàn)[10]，且馬鈴薯塊莖含有豐富的維生素C，可以促進(jìn)鐵元素的吸收，提高鐵元素的利用率。有研究表明，馬鈴薯中鐵的生物利用率為63%～79%，顯著高于小麥、菜豆和珍珠粟中鐵元素的利用率[11]。對馬鈴薯塊莖鐵元素含量和鐵元素生物有效性研究較多[12,13]，但是通過生物強(qiáng)化手段來提高馬鈴薯塊莖鐵元素含量的研究卻較少。若要對馬鈴薯塊莖內(nèi)鐵含量進(jìn)行遺傳生物強(qiáng)化，了解現(xiàn)有高世代無性系鐵含量的變化范圍、在多個環(huán)境中表現(xiàn)的穩(wěn)定性及對其廣義遺傳力的估算是非常重要的。本試驗的目的是分析東北農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)有馬鈴薯高世代材料鐵含量的變化范圍，明確鐵含量是否存在G×E的互作，評價鐵含量在多個環(huán)境中表現(xiàn)的穩(wěn)定性，以及估算鐵含量的廣義遺傳力，以期為篩選出鐵含量高且表現(xiàn)穩(wěn)定的新品種提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗共測試了19份材料，各試驗材料名稱及父母本信息見表1。這19份材料是利用國外種質(zhì)資源選育的高世代無性系，至少親本之一是荷蘭或美國品種，或利用國外資源選育的無性系。早期主要對雜交后代的熟期和塊莖性狀進(jìn)行綜合評價，后期主要對抗病性和產(chǎn)量進(jìn)行鑒定，沒有對無性系的鐵含量進(jìn)行測定。試驗對照為‘克新13號’和‘夏坡蒂’。

1.2 試驗方法

試驗時間為2017和2018年，試驗地點為哈爾濱市向陽鄉(xiāng)和齊齊哈爾克山縣。施肥與田間管理，克山采用高肥、有灌溉條件，預(yù)防早疫病和晚疫??；哈爾濱采用低肥、無灌溉條件，不預(yù)防早疫病和晚疫病。

1.3 土壤肥力狀況

兩個地點的土質(zhì)均為黑鈣土，哈爾濱和克山0～20cm土層中土壤肥力水平兩年的平均值，哈爾濱：pH 5.91，有機(jī)質(zhì)含量29.78 g/kg，全氮含量1.52 g/kg，全磷含量1.55 g/kg，堿解氮含量168.56μg/g，速效磷含量15.89μg/g，速效鉀含量161.05μg/g，速效鐵含量10.66 mg/g；克山：pH 5.20，有機(jī)質(zhì)含量32.91 g/kg，全氮含量1.92 g/kg，全磷含量1.88 g/kg，堿解氮含量156.35μg/g，速效磷含量37.93μg/g，速效鉀含量327.10μg/g，速效鐵含量12.90 mg/g。

1.4 樣品分析

馬鈴薯品種（系）塊莖鐵含量和土壤中鐵元素含量的測定采用日立Z-2000原子吸收分光光度計進(jìn)行測定，具體操作步驟詳見參考文獻(xiàn)[14]。

1.5 統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010錄入整理，方差分析和AMMI模型分析采用DPS（V14.10）[15]進(jìn)行統(tǒng)計分析，廣義遺傳力的估算公式及廣義遺傳力的置信區(qū)間的計算公式見參考文獻(xiàn)[16]。

表1 供試馬鈴薯無性系Table 1 Potato breeding lines tested

2 結(jié)果與分析

2.1 主效及互作效應(yīng)對馬鈴薯塊莖鐵含量影響

在表2可知，馬鈴薯塊莖鐵含量品種（系）、環(huán)境和G×E交互作用均達(dá)到了極顯著水平。從線性回歸分析中可以看出，馬鈴薯塊莖鐵含量聯(lián)合、基因和環(huán)境三者回歸平方和的總和占總交互作用的45.65%，而殘差占54.35%，且達(dá)到極顯著水平，說明線性回歸模型不能很好的解釋本試驗鐵含量G×E交互作用。

用AMMI模型可以看出，IPCA1和IPCA2軸分別解釋了馬鈴薯鐵含量交互作用的60.20%和39.76%，且均達(dá)到極顯著水平，兩個IPCA軸共解釋了馬鈴薯鐵含量交互作用的99.96%，殘差僅占馬鈴薯鐵含量交互作用的0.04%。與線性回歸分析相比較，AMMI模型分析能更有效地解釋本試驗馬鈴薯鐵含量G×E交互作用。

2.2 馬鈴薯塊莖鐵含量及其穩(wěn)定性

由表3可知，21份品種（系）鐵含量變化范圍為61.217～101.810μg/g DW，均值為85.220μg/g DW。在19份被測無性系中，有11個無性系（V15、V9、V8、V12、V6、V14、V4、V3、V20、V16和V19）的鐵含量高于‘克新13號’，其中7個無性系（V15、V9、V8、V12、V6、V14和V4）的鐵含量顯著高于‘克新13號’；有12個無性系（V15、V9、V8、V12、V6、V14、V4、V3、V20、V16、V19和V13）的鐵含量高于‘夏坡蒂’，其中8個無性系（V15、V9、V8、V12、V6、V14、V4和V3）的鐵含量顯著高于‘夏坡蒂’。

分別以鐵含量為橫軸，IPCA1為縱軸匯制成圖1。以橫坐標(biāo)為界，品種與環(huán)境的圖標(biāo)位于坐標(biāo)軸的同一側(cè)，可認(rèn)為品種在該環(huán)境存在正交互作用，反之則存在負(fù)交互作用。品種的IPCA1絕對值越大，越容易受環(huán)境影響，反之越不容易受環(huán)境影響。本試驗中V16和V1兩個品種容易受環(huán)境影響；而V14不易受環(huán)境影響，可以很好的適應(yīng)不同的試驗環(huán)境。

表2 馬鈴薯塊莖鐵含量的線性模型分析和AMMI模型分析Table 2 Linear model analysis and AMMI model analysis of iron content in potato tuber

本試驗兩個IPCA軸可共同解釋鐵含量G×E交互作用的99.96%，因此，兩個IPCA軸比一個IPCA軸能更好的解釋本試驗馬鈴薯鐵含量G×E交互作用。分別以IPCA1和IPCA2為橫縱坐標(biāo)制圖2，品種（系）的穩(wěn)定性可以通過比較品種（系）的圖標(biāo)離坐標(biāo)原點的遠(yuǎn)近得出，離坐標(biāo)原點越近穩(wěn)定性越好，反之穩(wěn)定性越差。V14離坐標(biāo)原點最近，說明V14的穩(wěn)定性最好；V16離坐標(biāo)原點最遠(yuǎn)，說明V16穩(wěn)定性最差，圖2反映無性系的穩(wěn)定性與表3中Dg值結(jié)果一致。

根據(jù)AMMI2雙標(biāo)圖上品種垂直投影的長短，可以得出該品種在這一環(huán)境中交互作用的大小，如果投影是在連線上或穿過環(huán)境的外延線上，品種在該環(huán)境交互作用為正。品種在連線上的投影離原點越遠(yuǎn)，正交互作用就越大，如投影落在穿過原點的外延線上，品種在該環(huán)境交互作用為負(fù)，離原點越遠(yuǎn)，負(fù)交互作用就越大。由圖2可知，V16在E1環(huán)境中有較大的正交互作用，而V1在E2和E3環(huán)境中有較大的正交互作用；V16在E2和E3環(huán)境中有較大的負(fù)交互作用，而V1在E4環(huán)境中有較大的負(fù)交互作用。

以鐵含量和Dg值平均值為坐標(biāo)原點，鐵含量為橫軸，Dg值為縱軸作圖3。當(dāng)品種（系）的圖標(biāo)位于第四象限時，代表該品種（系）的鐵含量高且表現(xiàn)穩(wěn)定，當(dāng)品種（系）的圖標(biāo)位于第二象限時，代表該品種（系）的鐵含量低且表現(xiàn)不穩(wěn)定，其他屬于中間型。由圖3可知，V15、V8、V9、V12、V14和V20的圖標(biāo)位于第四象限，說明這6個無性系的鐵含量較高且穩(wěn)定性表現(xiàn)較好；V6、V3、V4和V16的圖標(biāo)位于第一象限，說明這4個無性系鐵含量高但穩(wěn)定性表現(xiàn)較差。

2.3 馬鈴薯塊莖鐵含量的廣義遺傳力

廣義遺傳力是指所有遺傳變異占總表型變異的百分?jǐn)?shù)，其不能預(yù)測對有性繁殖后代進(jìn)行選擇時的遺傳進(jìn)展，但能預(yù)測在一個分離群體中進(jìn)行個體選擇的遺傳響應(yīng)。由表4可知，以品種（系）鐵含量的均值為單位，鐵的95%置信區(qū)間為0.24～0.82，廣義遺傳力估值為0.61。

表3 馬鈴薯塊莖鐵含量（μg/g DW）及Dg值Table 3 Iron content(μg/g DW)and Dg value of potato tuber

圖1 鐵含量的AMMI1雙標(biāo)圖Figure 1 AMMI1 biplot of iron content

圖2 鐵含量AMMI2雙標(biāo)圖Figure 2 AMMI2 biplot of iron content

圖3 鐵含量與Dg的關(guān)系Figure 3 Relationship between iron content and Dg

表4 馬鈴薯塊莖鐵含量廣義遺傳力（P=0.95）Table 4 Broad-sense heritability of iron content in potato tuber

3 討論

馬鈴薯在生物強(qiáng)化方面具有一定的優(yōu)越性，因其產(chǎn)量高，并在某些地區(qū)，特別是某些貧窮落后地區(qū)，可作為主糧。另外，馬鈴薯塊莖含有其他主要糧食作物所沒有的維生素C，可促進(jìn)鐵元素的吸收。本試驗21份材料鐵含量變化為61.217～101.810μg/g DW。Dalamu等[17]對印第安13個品種（系）的鐵含量進(jìn)行評價，變化為19.28～63.94μg/g DW。Burgos等[18]對6個栽培馬鈴薯的類群，共37份材料通過兩個地點進(jìn)行了鐵含量的評價，變化為16.00～33.05μg/g DW。Brown等[19]在3個試驗，共36份材料對鐵含量進(jìn)行評價，變化為16.10～62.60μg/g DW。Haynes等[20]以‘大西洋’為試驗對照，評價了17份四倍體和二倍體的雜種后代的鐵含量，變化為41.50～53.00μg/g DW。廖虹等[21]共評價了84份馬鈴薯品種（系）的鐵含量，變化為25.43～276.63μg/g DW。綜上得出，馬鈴薯鐵含量的變化范圍大小不一，這可能與試驗材料的多少和試驗材料的遺傳背景有關(guān)。

Brown等[19]發(fā)現(xiàn)，在Western Regional Russet和Western Regional/Specialty/Red Skin兩個試驗中鐵含量存在G×E互作。另外，其他研究者亦發(fā)現(xiàn)鐵含量存在G×E互作[20-23]，本試驗研究結(jié)果與他們的一致。但Brown等[19]在Tri-State試驗中沒有發(fā)現(xiàn)G×E互作，這可能與研究者所用的材料和試驗地中的礦質(zhì)元素含量的不同有關(guān)。這些研究結(jié)果表明，在對馬鈴薯塊莖中鐵含量和穩(wěn)定性進(jìn)行評價時，要進(jìn)行多年多點的評價，篩選出馬鈴薯塊莖中鐵含量高且表現(xiàn)穩(wěn)定的馬鈴薯新品種。本試驗馬鈴薯塊莖中鐵含量的穩(wěn)定性分析采用AMMI模型，兩個IPCA軸共解釋G×E交互作用的99.96%。本試驗19份無性系中選出鐵含量相對較高且表現(xiàn)穩(wěn)定的無性系6份，分別為‘N11-50-37’、‘N10-24-2’、‘H04-3-18’、‘H04-7-23’、‘N11-51-3’和‘N12-39-19’。

本試驗估算馬鈴薯鐵含量的廣義遺傳力0.61，這與Brown等[19]在WesternRegionalRusset和Western Regional/Specialty/Red Skin兩個試驗中估算馬鈴薯鐵含量廣義遺傳力0.64和0.76大小相近，比Haynes等[20]估計的馬鈴薯鐵含量廣義遺傳力為0.49略大一點，但都與零差異顯著。Brown等[19]在Tri-State試驗中，所估計的廣義遺傳力為0.00，與零差異不顯著。根據(jù)以上結(jié)果可以得出，不同試驗中馬鈴薯鐵含量廣義遺傳力估值相差較大，這可能與研究者所用的材料和試驗地中礦質(zhì)元素含量的不同有關(guān)。

馬鈴薯塊莖鐵含量變化范圍較大且差異顯著。馬鈴薯塊莖鐵含量G×E互作顯著，但仍然可以選出鐵含量高且表現(xiàn)穩(wěn)定的無性系。馬鈴薯鐵含量的廣義遺傳力估值為0.61，與零差異顯著。根據(jù)前人研究結(jié)果與本試驗研究結(jié)果認(rèn)為，采用雜交育種的方法篩選出鐵含量高且穩(wěn)定的馬鈴薯新品種是可行的。