甘藍(lán)型油菜萌發(fā)期低溫耐性相關(guān)性狀的配合力、遺傳效應(yīng)及雜種優(yōu)勢分析

張毅，黃賀，程勇，丁曉雨，曾柳，羅丹，肖本木，廖欽珍，陳堅(jiān)，呂艷*，鄒錫玲*

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部油料作物生物學(xué)與遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430062；2.都昌縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，江西 九江，332600；3.陽新縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，湖北 黃石，435200）

油菜是我國重要的油料作物，是國民食用植物油的重要來源，其菜籽油占國產(chǎn)菜籽油總量的55%以上[1]。長江流域是中國油菜的主產(chǎn)區(qū)，其種植面積占全國油菜種植總面積80%以上[2,3]。在我國長江流域二熟制和三熟制區(qū)，因茬口矛盾、氣候影響導(dǎo)致油菜播種期推遲到10 月下旬以后。氣象資料表明，進(jìn)入10 月下旬后，長江流域氣溫下降到15℃以下，甚至最低溫度達(dá)到3.5°C，且異常低溫頻發(fā)[4]。油菜種子萌發(fā)最適溫度為25°C，研究表明9°C 低溫會嚴(yán)重降低油菜發(fā)芽率，發(fā)芽時間推遲3～7d[5,6]。此外，隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、農(nóng)村勞動力的轉(zhuǎn)移以及農(nóng)業(yè)機(jī)械化的發(fā)展，免耕直播技術(shù)逐漸成為油菜種植的主要方式[7]。低溫脅迫已成為制約長江流域晚茬直播油菜推廣的瓶頸，因此開展油菜萌發(fā)期低溫耐性的遺傳改良研究，選育低溫耐性優(yōu)異的甘藍(lán)型油菜品種，對保障長江流域油菜生產(chǎn)具有重要的意義。

植物低溫耐性的遺傳機(jī)制非常復(fù)雜，是由多基因控制的數(shù)量性狀[8]。馬延華等研究表明，玉米發(fā)芽期相對發(fā)芽率的遺傳為2對加性-上位性主基因+多基因模型，主基因遺傳率為91.57%，多基因遺傳率為7.86%[9]。王州飛等研究表明，低溫脅迫下水稻種子的萌發(fā)性狀是由多基因控制的數(shù)量遺傳性狀，且不同的萌發(fā)性狀受不同遺傳模式控制，其中吸脹速率、根長、芽長、活力指數(shù)由2對主基因+多基因模型控制，發(fā)芽率由2 對或3 對主基因模型控制，發(fā)芽指數(shù)由2對主基因控制，以主基因遺傳為主，主基因遺傳率為26.4%～95.3%[10]。甘藍(lán)型油菜是一種自然的異源四倍體植物，由A 和C 基因組二倍體祖先種雜交產(chǎn)生[11,12]。趙娜等研究表明，油菜低溫耐性為多基因控制的數(shù)量性狀，表現(xiàn)為性狀連續(xù)變異且受環(huán)境的影響較大[13]。隨著雜種優(yōu)勢在作物上的廣泛利用，雜交油菜育種已成為選育具有強(qiáng)抗寒性油菜品種的重要途徑[14～17]。雜種優(yōu)勢利用的關(guān)鍵在于優(yōu)異雜交組合的選配，雜交組合的選配主要以配合力作為重要依據(jù)。在育種過程中選擇親本材料時，配合力的高低非常重要。配合力包括一般配合力（GCA）和特殊配合力（SCA），其中一般配合力受加性基因效應(yīng)控制，能夠在親本和后代之間遺傳[18～20]。特殊配合力受非加性基因效應(yīng)的控制，不可以固定遺傳[21]。劉林波等選擇6 個抗寒能力不同的白菜型冬油菜品種（系），按Griffing I 配制雜交組合，對低溫脅迫下生理生化相關(guān)指標(biāo)和越冬率等性狀的一般配合力、特殊配合力的遺傳規(guī)律進(jìn)行分析，研究表明，各性狀的一般配合力和特殊配合力方差均達(dá)到極顯著水平[22]。

目前低溫耐性相關(guān)性狀配合力在油菜中的研究還比較少，且主要集中在油菜苗期低溫耐性方面，缺乏油菜萌發(fā)期低溫耐性相關(guān)性狀配合力的研究。因此，本研究以10個低溫耐性不同的甘藍(lán)型油菜品種為親本，按照NCⅡ不完全雙列雜交配制5×5組合，對甘藍(lán)型油菜低溫脅迫下萌發(fā)期各相關(guān)性狀的配合力，遺傳中各方差分量以及遺傳效應(yīng)進(jìn)行分析，為選育低溫耐性優(yōu)異的油菜品種提供種質(zhì)資源，為利用雜種優(yōu)勢改良甘藍(lán)型油菜低溫耐性提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料

10 個甘藍(lán)型油菜品系來自于中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所和江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院（表1），按照文獻(xiàn)[26]的結(jié)果將10 個材料分為耐低溫（P6～P10）和敏感（P1～P5）兩組。以敏感組（P1～P5）為母本，耐低溫材料（P6～P10）為父本，2018年9月27日將材料種植于中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所試驗(yàn)農(nóng)場（武漢市武昌區(qū)），2019年3月于盛花期采用NCⅡ不完全雙列雜交配制雜交組合，2019 年5 月7 日收獲雜種F1及自交后代，種子收獲后，于4℃保存。

表1 試驗(yàn)親本材料的來源Table1 Genetic origin of parents material used in this experiment

1.2 材料培養(yǎng)及試驗(yàn)設(shè)計

每個親本和雜交組合精選150粒種子，用1%的次氯酸鈉溶液浸泡5 min 后，蒸餾水清洗3 次，置于預(yù)先配制好0.8%（8 g/L）的瓊脂皿中，均勻鋪放油菜種子，每個發(fā)芽皿（130 mm × 130 mm）25 粒，共3次重復(fù)。具體試驗(yàn)方法參考黃賀[5,23]等人的研究。

1.3 測定指標(biāo)與方法

以芽長＞2 mm 為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，每天定時統(tǒng)計發(fā)芽數(shù)。對照組第3 d 統(tǒng)計發(fā)芽勢，第5 d 統(tǒng)計發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、平均發(fā)芽速度；試驗(yàn)組第8 d 統(tǒng)計發(fā)芽勢，第12 d 測定發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、平均發(fā)芽速度，計算公式參照黃賀等人的研究[5,23]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

運(yùn)用Excel 2016 對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，用DPS7.5軟件進(jìn)行配合力和遺傳參數(shù)的分析。

（1）配合力和遺傳參數(shù)的計算公式參照高之仁等人的研究[24,25]。公式如下：

其中：i（i=1,2,3,4,5）代表母本，j（j=1,2,3,4,5）代表父本，F(xiàn)1為各雜交組合的平均值，Pf和Pm分別為各雜交組合母本與父本相應(yīng)性狀的平均值，Pmax為雙親中各相應(yīng)性狀平均值的最大值。

（3）相對值（R）=低溫（9℃）下的測定值/對照（22℃）測定值。

2 結(jié)果與分析

2.1 低溫脅迫對油菜萌發(fā)期主要性狀的影響

將親本與雜交組合分別在22℃和9℃條件下進(jìn)行萌發(fā)，對各萌發(fā)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計分析，結(jié)果表明（表2），在22℃條件下，不同雜交組合F1的發(fā)芽率均達(dá)到96%以上，說明種子質(zhì)量合格，且各雜交組合間的發(fā)芽指標(biāo)差異不顯著。在低溫（9℃）脅迫下，發(fā)芽率和發(fā)芽勢主要分布在50%～100%之間，發(fā)芽指數(shù)主要分布在2.7～8.1，平均發(fā)芽時間主要分布在3.1～6.6 d 之間，最長延遲到12 d。表明低溫（9℃）脅迫嚴(yán)重影響油菜種子萌發(fā)且不同雜交組合間低溫耐性差異顯著。P5×P6、P5×P8、P5×P10 等組合在低溫（9℃）脅迫下的發(fā)芽率和發(fā)芽勢均達(dá)到100%，發(fā)芽指數(shù)均在8.0 左右，平均發(fā)芽時間在3 d 左右，表明低溫耐性表現(xiàn)優(yōu)異。不同親本在9℃下的各萌發(fā)性狀差異顯著，其中P2、P7、P10等親本在9℃下各萌發(fā)性狀表現(xiàn)優(yōu)異，P3、P6 等品種材料對低溫表現(xiàn)較敏感。通過對低溫（9℃）脅迫下雜交組合間的主要萌發(fā)性狀進(jìn)行方差分析，結(jié)果表明各性狀的相對值在25個雜交組合間均達(dá)到極顯著水平，因此可進(jìn)一步進(jìn)行配合力的方差分析。

表2 F1在低溫（9°C）與對照（22°C）條件下萌發(fā)期主要性狀分析Table 2 Analysis of germination-related traits of B.napus under conditions of 9°C and 22°C

2.2 低溫脅迫下萌發(fā)期主要性狀的配合力方差分析

不同雜交組合間主要萌發(fā)性狀的方差分析結(jié)果表明，母本對相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)、相對平均發(fā)芽時間GCA 的影響大于父本，母本和父本對相對發(fā)芽勢GCA 的影響均達(dá)到顯著水平，SCA 對相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)、相對平均發(fā)芽時間的影響均達(dá)到極顯著水平，因此可進(jìn)一步對各雜交組合在低溫脅迫下各相對指標(biāo)的配合力效應(yīng)值進(jìn)行估算。

2.3 低溫脅迫下親本萌發(fā)期主要性狀一般配合力分析

低溫脅迫下親本萌發(fā)期主要性狀的GCA 分析結(jié)果表明（圖1），不同親本間主要萌發(fā)指標(biāo)的GCA差異顯著，表明不同親本萌發(fā)期主要萌發(fā)性狀的遺傳效應(yīng)差異顯著。P4（中雙10 號）各發(fā)芽性狀的GCA 相對效應(yīng)值分別為-23.4、-24.05、-17.98、11.65，與P4相比，P2、P5、P7、P10這4個親本相對發(fā)芽率的GCA相對效應(yīng)值提高30以上、相對發(fā)芽勢的GCA相對效應(yīng)值提高36左右、相對發(fā)芽指數(shù)的GCA相對效應(yīng)值提高21以上，而相對發(fā)芽時間的GCA相對效應(yīng)值分別降低9.73、24.16、22.78、24.31（圖1）。表明上述4 個親本是低溫耐性優(yōu)良的自交系，可以作為配制雜交組合的候選親本。

圖1 低溫脅迫下親本萌發(fā)期主要性狀GCA的相對效應(yīng)值Fig.1 Relative effect of GCA in B.napus L.under low temperature stress condition

2.4 低溫脅迫下萌發(fā)期主要性狀特殊配合力分析

對各雜交組合SCA 的效應(yīng)值進(jìn)行分析結(jié)果表明（表3），不同雜交組合間各萌發(fā)性狀SCA 的效應(yīng)值存在顯著差異。P2、P5、P7、P10 這4 個親本各發(fā)芽性狀GCA 的效應(yīng)值在親本中表現(xiàn)優(yōu)異，由其組配的雜交組合各性狀SCA 的效應(yīng)值在25 個雜交組合中表現(xiàn)也比較優(yōu)異，表明GCA 表現(xiàn)優(yōu)異的親本是配制低溫耐性優(yōu)良雜交組合的基礎(chǔ)。P4（中雙10 號）各性狀GCA 的效應(yīng)值表現(xiàn)較差，但是P4×P7、P4×P10 在低溫條件下各萌發(fā)性狀表現(xiàn)優(yōu)異，表明通過雜種優(yōu)勢可以改良油菜的低溫耐性。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，同一親本所配置的不同雜交油菜組合其相對萌發(fā)性狀的特殊配合力效應(yīng)存在較大差異，如P1所配的P1×P10 具有較高發(fā)芽率特殊配合力，而P1×P9則具有較低發(fā)芽率特殊配合力。最后本研究還發(fā)現(xiàn)，組合P5×P10 的相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽指數(shù)這三個發(fā)芽性狀的SCA 相對效應(yīng)值均較高，分別為15.07、14.88、42.73，相對平均發(fā)芽時間的SCA 相對效應(yīng)值為-23.60，因此該組合是萌發(fā)期耐低溫能力較強(qiáng)的組合，可用來指導(dǎo)油菜雜種優(yōu)勢的利用與雜交優(yōu)良組合的選配。

表3 甘藍(lán)型油菜品種萌發(fā)期主要性狀的SCA相對效應(yīng)值Table 3 Relative effect values of SCA of seed germination-related traits under low temperature stress condition in B.napus.

2.5 低溫脅迫下萌發(fā)期主要性狀的遺傳參數(shù)估算

本研究進(jìn)一步對低溫脅迫下發(fā)芽相關(guān)性狀的遺傳參數(shù)進(jìn)行分析（表4），結(jié)果表明，相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)以及相對平均發(fā)芽時間的GCA 方差分別為46.19%、35.23%、52.17%、41.83%，SCA 方差分別為53.81%、64.77%、47.83%、58.17%，差距較小，說明各相對萌發(fā)性狀受加性效應(yīng)和非加效應(yīng)的共同控制，在育種上選配雜交組合時要注意兼顧GCA 與SCA 的作用。本研究在9℃下，對4個相對萌發(fā)性狀的遺傳參數(shù)進(jìn)行估算。結(jié)果表明，4 個相對萌發(fā)性狀的廣義遺傳力均大于90%（表4），說明這些性狀具有較好的遺傳能力。相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)以及相對平均發(fā)芽時間的狹義遺傳力分別為44.27%、34.63%、50.56%、38.98%。

表4 低溫脅迫下萌發(fā)期主要性狀遺傳參數(shù)估計Table 4 Genetic parameters of germination-related traits under low temperature stress condition in B.napus

2.6 低溫脅迫下萌發(fā)期主要性狀的雜種勢分析

本研究進(jìn)一步對25 個雜交組合低溫脅迫下各萌發(fā)性狀的雜種優(yōu)勢進(jìn)行分析，結(jié)果表明（表5），相對發(fā)芽勢具有較強(qiáng)的中親優(yōu)勢和較弱的超親優(yōu)勢；相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽指數(shù)的中親優(yōu)勢和超親優(yōu)勢均較強(qiáng)；相對平均發(fā)芽時間的中親優(yōu)勢和超親優(yōu)勢均弱。不同雜交組合各性狀的中親優(yōu)勢和超親優(yōu)勢差異顯著，說明這些性狀在子代具有較大的選擇空間，本研究中，P2、P5、P7、P10 這4 個親本各發(fā)芽性狀GCA 的效應(yīng)值在親本中表現(xiàn)優(yōu)異，由其組配的雜交組合各性狀SCA 的效應(yīng)值在25 個雜交組合中表現(xiàn)也比較優(yōu)異。因此，我們進(jìn)一步對其雜種優(yōu)勢進(jìn)行分析，結(jié)果表明，由上述4個親本配制的雜交組合在低溫脅迫下萌發(fā)期主要性狀的中親優(yōu)勢和超親優(yōu)勢均較強(qiáng)。上述結(jié)果進(jìn)一步證實(shí)了通過GCA 和SCA 分析得到的低溫耐性優(yōu)異的親本的可靠性。

表5 低溫脅迫下萌發(fā)期主要性狀的雜種優(yōu)勢分析Table 5 Heterosis analysis of germination-related traits under low temperature stress condition in B.napus

3 討論

本試驗(yàn)在配制NCⅡ不完全雙列雜交時，按照閆蕾等的研究將10 個材料分成耐低溫材料（P6～P10）和敏感材料（P1～P5）兩組[26]，但是在進(jìn)行低溫萌發(fā)試驗(yàn)時，結(jié)果表明有些耐低溫材料（P6、P8）在萌發(fā)期表現(xiàn)敏感，有些敏感材料（P2、P4）在萌發(fā)期表現(xiàn)耐低溫。這可能是由于油菜在萌發(fā)期的耐低溫機(jī)制與苗期的耐低溫機(jī)制存在差異，黃賀等研究也表明油菜苗期的低溫耐性與油菜萌發(fā)期的低溫耐性不相關(guān)[4]。蔡志歡等研究表明水稻不同生育期受到的低溫脅迫可分為芽期、苗期、孕穗期、抽穗楊花期和灌漿期五個時期，且不同生育期耐低溫的機(jī)制不同[27]。楊靜等對玉米萌發(fā)期和苗期的抗氧化酶活性和基因表達(dá)水平進(jìn)行測定，發(fā)現(xiàn)低溫萌發(fā)期和苗期的生理生化機(jī)制不同以及抗氧化物基因表達(dá)水平存在差異[28]。因此后續(xù)有必要開展不同生育期低溫耐性配合力及遺傳參數(shù)分析。本研究結(jié)果表明，在22℃下不同雜交組合各萌發(fā)性狀差異不顯著，但是在9℃下，不同雜交組合各萌發(fā)性狀差異顯著，低溫耐性不同。表明是由不同組合基因型之間的差異所引起的，遺傳差異真實(shí)存在。

不同親本的低溫耐性存在差異，其中P2、P7、P10 這三個親本在9℃下各萌發(fā)性狀表現(xiàn)較優(yōu)異。此外通過對各萌發(fā)性狀的配合力分析，結(jié)果也表明，上述3 個親本各萌發(fā)性狀GCA 的效應(yīng)值在親本中表現(xiàn)優(yōu)異，其配制的雜交組合各萌發(fā)性狀的SCA較優(yōu)異，這與王俊生等的研究結(jié)果一致[29]。一般配合力是親本品種基因加性效應(yīng)對雜交后代產(chǎn)生的平均表現(xiàn)，能夠穩(wěn)定遺傳，可預(yù)測雜交后代性狀的表現(xiàn)；特殊配合力是親本品種在特定組合內(nèi)由基因的顯性方差、上位性作用等對某一些性狀產(chǎn)生的不符合品種平均表現(xiàn)得一種能力，是基因和環(huán)境互作的結(jié)果，受環(huán)境影響加大，可作為雜種優(yōu)勢利用的依據(jù)[30,31]。因此，在利用雜種優(yōu)勢對低溫耐性進(jìn)行遺傳改良時，不僅要注重親本的低溫耐性，還要兼顧GCA 和SCA。最后，我們通過對由上述親本配制的雜交組合的雜種優(yōu)勢進(jìn)行分析，結(jié)果表明，由上述親本配制的組合在低溫脅迫下，各萌發(fā)性狀的中親優(yōu)勢和超親優(yōu)勢，表現(xiàn)均較優(yōu)異，雜種優(yōu)勢較強(qiáng)。后期，我們將通過多年多點(diǎn)試驗(yàn)進(jìn)一步鑒定上述親本配制雜交組合的低溫耐性。徐晨璐等的研究表明玉米的雜種優(yōu)勢高低是由組配組合的兩個親本品種間的遺傳差異所決定[32]。在本研究中，組合P5×P10各萌發(fā)性狀的SCA 較優(yōu)異，但是該組合的中親優(yōu)勢和超親優(yōu)勢較低，P5、P10、P5×P10 在低溫脅迫下各萌發(fā)性狀差異不顯著，表明該組合通過雜種優(yōu)勢提高低溫耐性的空間較小，這可能是由于P5、P10 兩個親本的遺傳差異較小造成的。因此，在利用雜種優(yōu)勢改良油菜低溫耐性時，不僅要注重GCA和SCA的大小，還要分析各組合的雜種優(yōu)勢。

就油菜的雜交育種而言，親本的遺傳分析非常重要[33]，它是油菜耐低溫性遺傳改良的依據(jù)。在本研究所選用的10 個親本中，C18 在9℃下各萌發(fā)性狀表現(xiàn)均為優(yōu)異，且一般配合力最大，同時由C18組配的雜交組合：（B018×滬油17）×C18 在9℃下各萌發(fā)性狀表現(xiàn)優(yōu)異，顯性基因表現(xiàn)突出。因此，在育種實(shí)踐上培育油菜耐低溫品種時，C18 可作為油菜低溫耐性遺傳改良中的候選親本。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，甘藍(lán)型油菜在低溫脅迫下的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)和相對平均發(fā)芽時間的GCA 和SCA 在25 個組合間差異均達(dá)到了顯著或極顯著水平。羅明亮等認(rèn)為，當(dāng)性狀的特殊配合力方差大于一般配合力方差時，表明這些性狀的雜種優(yōu)勢表現(xiàn)以顯性基因效應(yīng)為主，加性效應(yīng)相對較小[34]。本研究中，相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽指數(shù)和相對平均發(fā)芽時間等性狀的SCA 方差大于GCA方差，表明這些性狀的雜種優(yōu)勢表現(xiàn)以顯性基因效應(yīng)為主。所以在配制雜交組合時，既要考慮加性基因的效應(yīng)，又要重視基因的非加性效應(yīng)，才能獲得較好的理想效果。呂慧芳等的研究表明，廣義遺傳力和狹義遺傳力均高的性狀可在早期進(jìn)行選擇，廣義遺傳力較高，狹義遺傳力較低的性狀在育種的晚期選擇[35]。本研究對低溫脅迫下油菜萌發(fā)期相關(guān)性狀遺傳參數(shù)進(jìn)行估算，結(jié)果表明，相對發(fā)芽指數(shù)的狹義遺傳力較高，可在早代利用該性狀對耐低溫品種進(jìn)行選擇；相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率和相對平均發(fā)芽時間的狹義遺傳力較低，而廣義遺傳力相對較高，表明這3 個性狀不宜在早代選擇，應(yīng)在高世代選擇。