兩種生態(tài)型大麻雜交F2代主要農(nóng)藝性狀遺傳變異分析

張 坤，陳 璇，杜光輝，郭鴻彥，郭 蓉，呂 品，郭孟璧，許艷萍，張慶瀅，楊 明

(1.云南大學(xué)農(nóng)學(xué)院/資源植物研究院，昆明 650201；2.云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院經(jīng)濟作物研究所，昆明 650205)

【研究意義】大麻(CannabissativaL.)為大麻科大麻屬一年生草本植物，多雌雄異株[1]。大麻植物學(xué)分類還存在一定爭議，有學(xué)者認為大麻至少存在indica和sativa兩個亞種或變種(或生態(tài)型)[2-4]，二者形態(tài)差異較大，前者普遍株型矮小，節(jié)間較短，分枝緊湊，后者則株型高大，節(jié)間較長，分枝稀疏。作為一種傳統(tǒng)的經(jīng)濟作物，大麻各種用途都與農(nóng)藝性狀有密切關(guān)系，但長期以來由于中國工業(yè)大麻品種(指花、葉四氫大麻酚含量<0.3%，無毒品利用價值的大麻品種)選育親本多來自國內(nèi)種質(zhì)資源，親本來源范圍小，且大多數(shù)屬于sativa生態(tài)型，使得工業(yè)大麻品種同質(zhì)化較嚴重，遺傳基礎(chǔ)趨同[5]。此外，由于大麻為短日照植物，易受光照、溫度、土壤等環(huán)境因素影響[6-7]，導(dǎo)致品種適應(yīng)范圍有限。因此，育種工作者想通過擴大親本來源，選育出能滿足不同用途和栽培環(huán)境的品種?！厩叭搜芯窟M展】株高、莖粗等表型性狀與大麻的生物產(chǎn)量和收獲指數(shù)有密切聯(lián)系[8]，培育具有優(yōu)良農(nóng)藝性狀的新品種是提高大麻產(chǎn)量及品質(zhì)的有效方法之一。長期的生產(chǎn)實踐表明，纖維用大麻植株以節(jié)數(shù)少、分枝少、株高和莖粗適中及葉少為優(yōu)[9]；而以籽用為主時，良好的株型結(jié)構(gòu)能提高光合利用率[10]，進而提高麻籽產(chǎn)量，在一定范圍內(nèi)，籽粒產(chǎn)量與株高、莖粗、分枝數(shù)等農(nóng)藝性狀存在正相關(guān)性[11]；以藥用為主時，因藥用成分(大麻素，Cannabinoid)主要存在于雌株花葉中[12-13]，花葉產(chǎn)量又與分枝數(shù)、株高等農(nóng)藝性狀有密切關(guān)系。湯志成等[14]通過對16份大麻種質(zhì)資源(其中12份為野生種質(zhì)資源，4份為栽培品種)表型性狀進行遺傳多樣性分析，結(jié)果表明中國野生大麻種質(zhì)資源表型變異大，遺傳多樣性豐富。呂詠梅等[15]對大麻不同時期7個農(nóng)藝性狀進行了廣義遺傳力分析，結(jié)果表明大麻工藝成熟期株高、莖粗、鮮重等農(nóng)藝性狀廣義遺傳力較快速生長期要大。Petit等[16]利用123份大麻種質(zhì)材料開展了與纖維品質(zhì)有關(guān)的28個農(nóng)藝性狀的遺傳變異研究，結(jié)果表明株高、莖粗和花期等農(nóng)藝性狀在不同生態(tài)環(huán)境下差異顯著。【本研究切入點】農(nóng)藝性狀對大麻栽培生產(chǎn)和目標(biāo)產(chǎn)物的獲得有極大影響。目前對大麻不同亞種雜交后代農(nóng)藝性狀進行遺傳變異及相關(guān)性研究鮮有報道，尚沒有對大麻分離群體在不同生態(tài)環(huán)境下開展農(nóng)藝性狀遺傳的研究。盡管獲得優(yōu)良農(nóng)藝性狀的方法很多，但雜交育種方法仍是最常見且最有效的方法之一。陳璇等[5]認為在工業(yè)大麻品種選育過程中，應(yīng)擴大品種的遺傳背景，盡可能選擇地理分布較遠，目標(biāo)性狀差異較大的親本，避免品種同質(zhì)化現(xiàn)象?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究選用兩個農(nóng)藝性狀差異較大且分屬于不同生態(tài)型的大麻材料作為親本，通過化學(xué)誘導(dǎo)構(gòu)建F2代全雌性株系群體，將F2代株系群體種植于3個不同生態(tài)環(huán)境下，對每個生態(tài)環(huán)境下植株的株高、莖粗、葉長寬比(葉形)等10個農(nóng)藝性狀進行測定，并對各農(nóng)藝性狀進行變異分析、相關(guān)性分析及遺傳力分析，探究大麻F2代株系群體在不同生態(tài)環(huán)境種植下各農(nóng)藝性狀間的關(guān)系及遺傳特點，以期為大麻不同用途品種選育及相關(guān)性狀的QTL定位提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

2018年7—10月在云南省玉溪市峨山縣化念鎮(zhèn)、昆明市嵩明縣小街鎮(zhèn)和昭通市巧家縣馬樹鎮(zhèn)3個生態(tài)環(huán)境下開展F2代群體多點種植評價試驗。峨山縣化念鎮(zhèn)種植點經(jīng)緯度為東經(jīng)102°19′，北緯24°07′，海拔1120 m，年平均氣溫20 ℃，年平均降雨量828 mm，土質(zhì)為沙壤土；嵩明縣小街鎮(zhèn)種植點經(jīng)緯度為東經(jīng)103°12′，北緯25°30′，海拔1910 m，年平均氣溫14.1 ℃，年平均降雨量996 mm，土質(zhì)為紅壤土；巧家縣馬樹鎮(zhèn)種植點經(jīng)緯度為東經(jīng)103°25′，北緯26°75′，海拔2420 m，年平均溫度8 ℃，年平均降雨量726.4 mm，土質(zhì)為紅壤土。

1.2 供試材料

本研究所用親本材料為中國第一個工業(yè)大麻品種‘云麻1號’(簡稱YM1)和國外引進品種‘DameBlanche’(簡稱Dame)，將2份親本材料種植于昆明市盤龍區(qū)進行表型特性觀測統(tǒng)計(表1)。利用化學(xué)誘導(dǎo)性別轉(zhuǎn)換技術(shù)(專利號：ZL201410506082.7)開展了兩份材料的自交純合，獲得可用于F2代株系群體構(gòu)建的兩份相對純合自交2代親本材料。

表1 兩份大麻親本材料的表型特性

1.3 F2代全雌性株系群體構(gòu)建

從YM1與Dame自交2代材料中各選取1株雌株作為雜交親本，其中YM1雌株經(jīng)化學(xué)誘導(dǎo)使其開雄花，授粉Dame雌株，收籽得到F1群體。選取F1群體中一個單株進行扦插繁殖得到一個克隆群體，化學(xué)誘導(dǎo)部分植株開雄花，授粉收籽即得到全雌F2群體。F2播種后，隨機選取300個單株進行編號，并將每一個單株扦插培育成株系，所有株系同時移栽至峨山縣、嵩明縣和巧家縣3個生態(tài)環(huán)境下，每個生態(tài)環(huán)境下每個株系確保3株克隆株(重復(fù))。種植株行距為1.0 m×1.6 m，統(tǒng)一施肥、除草等田間管理。

1.4 農(nóng)藝性狀測定及廣義遺傳力估算

參照大麻種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準[17]并結(jié)合本研究實際情況，于盛花末期對F2代株系群體中植株的株高、莖粗、第一分枝高、分枝數(shù)、分枝長、葉長(復(fù)葉)、葉寬(復(fù)葉)、葉長寬比(復(fù)葉)、小葉寬、鮮重共10個農(nóng)藝性狀進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計。其中，分枝長為植株中部最長兩個分枝的平均值，小葉寬為復(fù)葉最中間一片小葉的寬度。并按照以下公式對各性狀的廣義遺傳力進行估算[18]。

廣義遺傳力估算公式為：

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用Excel 2016軟件對試驗數(shù)據(jù)進行描述統(tǒng)計和圖表繪制，使用SPSS 26.0軟件進行方差分析、相關(guān)性分析和均方計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙親和F2代農(nóng)藝性狀比較

F2代株系群體在3個生態(tài)環(huán)境種植下，除葉長在嵩明和巧家地區(qū)沒有表現(xiàn)出顯著差異(P>0.05)外，其它農(nóng)藝性狀在3個生態(tài)環(huán)境下均表現(xiàn)出顯著差異。其中，株高、第一分枝高、分枝數(shù)、分枝長和葉長寬比5個農(nóng)藝性狀平均值在嵩明地區(qū)種植的F2代株系群體中最大；莖粗、葉長、葉寬和小葉寬4個農(nóng)藝性狀平均值則在巧家地區(qū)種植的F2代株系群體中最大；而在峨山地區(qū)種植的F2代株系群體中，所有農(nóng)藝性狀平均值均為最小(表2)。

表2 大麻親本及其F2代農(nóng)藝性狀數(shù)據(jù)比較

在3個生態(tài)環(huán)境種植下的F2代株系群體中，各性狀最大值均大于高值親本，最小值均小于低值親本(表3)，表現(xiàn)出廣泛的性狀分離，豐富的性狀分離使群體中大部分性狀平均值最終居于雙親之間。而在峨山地區(qū)種植的F2代群體中，葉長寬比平均值則小于低值親本；在巧家地區(qū)種植的F2代群體中，分枝數(shù)平均值大于高值親本；3個生態(tài)環(huán)境下，小葉寬趨向或低于低值親本。

表3 F2代株系群體10個農(nóng)藝性狀遺傳變異比較

續(xù)表3 Continued table 3

2.2 F2代農(nóng)藝性狀變異分析

通過對3個生態(tài)環(huán)境下F2代株系群體中10個農(nóng)藝性狀進行變異分析，結(jié)果表明：10個農(nóng)藝性狀變異程度差異較大，變異系數(shù)均大于10%，變異幅度為13.12%～74.64%(表3)，10個農(nóng)藝性狀平均變異系數(shù)(3個生態(tài)環(huán)境下變異系數(shù)之和/3)由大到小依次為：第一分枝高>鮮重>分枝長>分枝數(shù)>株高>莖粗>葉寬>小葉寬>葉長寬比>葉長。10個農(nóng)藝性狀中，平均變異系數(shù)最小的為葉長，但其變異系數(shù)也達到了17.79%，表明這10個農(nóng)藝性狀通過雜交選擇改良潛力較大。

某些性狀的變異程度在不同生態(tài)環(huán)境下表現(xiàn)出較大差異。峨山地區(qū)除鮮重數(shù)據(jù)缺失外，其余農(nóng)藝性狀變異系數(shù)均大于另外2個地區(qū)。第一分枝高、分枝數(shù)、分枝長3個與分枝有關(guān)的農(nóng)藝性狀在不同地區(qū)變異系數(shù)差異較大，分枝數(shù)在峨山和巧家2個生態(tài)環(huán)境下變異系數(shù)相差近50%，第一分枝高也相差近39%，而其它7個農(nóng)藝性狀在不同生態(tài)環(huán)境下變異系數(shù)差異則相對較小。以上結(jié)果表明，對大麻不同農(nóng)藝性狀進行選擇時要考慮其在特定環(huán)境中的變異程度，并根據(jù)不同的生態(tài)環(huán)境選育適應(yīng)的品種。

2.3 F2代農(nóng)藝性狀相關(guān)性分析

對在3個生態(tài)環(huán)境種植下的F2代群體中10個農(nóng)藝性狀進行相關(guān)性分析。由表4～6可知，3個生態(tài)環(huán)境下，株高、莖粗、第一分枝高、分枝數(shù)、分枝長、葉長6個農(nóng)藝性狀間均呈顯著或極顯著正相關(guān)。其中，株高與第一分枝高的相關(guān)系數(shù)最大，在3個生態(tài)環(huán)境下相關(guān)系數(shù)均在0.900以上；莖粗除在嵩明點與小葉寬、在巧家點與葉長寬比和小葉寬相關(guān)不顯著外，與其他農(nóng)藝性狀均呈極顯著正相關(guān)；第一分枝高除在峨山點與小葉寬、在巧家點與葉寬、葉長寬比、小葉寬相關(guān)不顯著以及在嵩明點與小葉寬呈顯著負相關(guān)外，與其他農(nóng)藝性狀均呈顯著或極顯著正相關(guān)；分枝數(shù)除在峨山點與小葉寬、在巧家點與葉寬、葉長寬比相關(guān)不顯著以及在嵩明點和巧家點與小葉寬呈極顯著負相關(guān)外，與其他農(nóng)藝性狀均呈顯著或極顯著正相關(guān)。鮮重在有數(shù)據(jù)的嵩明點和巧家點與株高、莖粗、第一分枝高、分枝數(shù)、分枝長、葉長6個農(nóng)藝性狀間均呈極顯著正相關(guān)。而葉長寬比、小葉寬在3個生態(tài)環(huán)境下與某些農(nóng)藝性狀呈負相關(guān)。

表4 峨山地區(qū)F2代群體中9個農(nóng)藝性狀相關(guān)性分析

表5 嵩明地區(qū)F2代群體中10個農(nóng)藝性狀相關(guān)性分析

表6 巧家地區(qū)F2代群體中10個農(nóng)藝性狀相關(guān)性分析

主要農(nóng)藝性狀間相關(guān)性分析表明，不同生態(tài)環(huán)境下大麻主要農(nóng)藝性狀相關(guān)性存在差異，如分枝數(shù)與葉長在3個生態(tài)環(huán)境下都表現(xiàn)出正相關(guān)性，但顯著性存在差異。在巧家地區(qū)種植的F2代群體中2個性狀相關(guān)性達到顯著水平，相關(guān)系數(shù)為0.164，而在峨山和嵩明地區(qū)種植的F2代群體中2個性狀相關(guān)性則達到了極顯著水平，相關(guān)系數(shù)分別為0.687和0.446。

2.4 F2代農(nóng)藝性狀遺傳力分析

對10個農(nóng)藝性狀進行頻率分布統(tǒng)計，結(jié)果表明10個農(nóng)藝性狀頻率分布均表現(xiàn)出單峰分布，偏度和峰度絕對值在大部分生態(tài)環(huán)境下小于1(表3)，且具有連續(xù)性較好的正態(tài)分布趨勢(圖1)，表明10個農(nóng)藝性狀屬多基因控制的數(shù)量性狀，但也有部分農(nóng)藝性狀在不同的生態(tài)環(huán)境下表現(xiàn)出正偏性，如第一分枝高在峨山地區(qū)種植下，其偏度絕對值大于1，表現(xiàn)出明顯正偏性，而在另外兩個生態(tài)環(huán)境下偏度和峰度絕對值均小于1，表明不同的生態(tài)環(huán)境會對部分農(nóng)藝性狀產(chǎn)生較大影響。

圖1 3種生態(tài)環(huán)境下4個農(nóng)藝性狀頻率分布Fig.1 Frequency distribution of 4 agronomic traits in 3 ecological environments

將10個農(nóng)藝性狀進行表型方差分析，結(jié)果表明，10個農(nóng)藝性狀同時受到基因型、環(huán)境、基因型與環(huán)境互作(G×E)的極顯著影響(P<0.01)。估算出10個農(nóng)藝性狀廣義遺傳力(表7)，10個農(nóng)藝性狀廣義遺傳力由大到小依次為分枝長>株高>第一分枝高>葉長>分枝數(shù)>莖粗>葉寬>小葉寬>鮮重>葉長寬比，其中前5個農(nóng)藝性狀廣義遺傳力均超過65%，表明這5個農(nóng)藝性狀主要受遺傳影響，具有較高的遺傳效應(yīng)，廣義遺傳力最高的是分枝長和株高，分別為82.575%和81.811%。而廣義遺傳力最小的農(nóng)藝性狀是葉長寬比，僅為29.508%，表明該性狀遺傳效應(yīng)較小，主要受環(huán)境影響，由親本難以預(yù)測子代的表型。

表7 10個農(nóng)藝性狀方差組成及廣義遺傳力估算

3 討 論

3.1 F2代群體中豐富的遺傳變異可為大麻品種選育提供材料來源

中國大麻種質(zhì)資源豐富，種植歷史可追溯至5千年以上[19]，并在長期的種植過程中形成了具有地方特色的種質(zhì)資源，這些種質(zhì)資源大多集中在籽用、纖維用和籽纖兼用等方面，且主要屬于sativa生態(tài)型，普遍存在植株高大、分枝稀疏、葉片大等特征，顯著區(qū)別于原產(chǎn)印度等南亞地區(qū)的indica生態(tài)型。隨著工業(yè)大麻多用途和機械化的開發(fā)應(yīng)用，尤其是藥用工業(yè)大麻的興起，矮稈、早熟、多分枝、富含大麻素等農(nóng)藝性狀備受關(guān)注。雜交群體農(nóng)藝性狀的多樣性水平和變異程度對于培育作物新品種具有重要意義[20]。因此，本研究選取兩份來自不同生態(tài)型且遺傳背景差異較大的大麻材料作為親本，并成功構(gòu)建F2代分離群體，對F2代分離群體中10個主要農(nóng)藝性狀進行評價，結(jié)果表明10個農(nóng)藝性狀分離廣泛，變異系數(shù)均大于10%，其中第一分枝高和鮮重變異系數(shù)較大，與湯志成等[14]通過對16份大麻種質(zhì)資源進行表型變異分析，得出第一分枝高和地上生物量變異程度較大的結(jié)果一致。在本研究中，F(xiàn)2代分離群體的性狀變異相比自然變異更加豐富，表明利用大麻不同生態(tài)型材料進行雜交，可以在分離后代中獲得豐富的表型變異單株，這為不同用途的大麻品種選育提供了寶貴的材料來源。

3.2 不同生態(tài)環(huán)境對大麻植株農(nóng)藝性狀的影響

盡管大麻分枝長、株高等性狀遺傳力較高，主要受遺傳控制，但不同的生態(tài)環(huán)境仍然對各農(nóng)藝性狀產(chǎn)生較大影響，如峨山地區(qū)種植的F2代株系群體中表現(xiàn)出株型矮小、分枝數(shù)少、分枝較短等特點，而在嵩明和巧家地區(qū)種植的F2代株系群體則株型相對高大、第一分枝明顯增高、分枝數(shù)顯著增多。部分農(nóng)藝性狀對環(huán)境敏感可理解為是對環(huán)境的適應(yīng)，但在實際栽培中要特別注意對環(huán)境比較敏感的農(nóng)藝性狀，這部分農(nóng)藝性狀往往決定著品種的適應(yīng)范圍。如適合在北方種植的大麻引種至南方則會提前開花，生物量降低[21]。而南方大麻移栽至北方則往往表現(xiàn)為遲熟，株型高大，生物量增加[22]。

不同生態(tài)環(huán)境對F2代株系群體中部分農(nóng)藝性狀產(chǎn)生顯著影響的原因可能在于土壤、海拔和氣候等環(huán)境因素不同而導(dǎo)致，尤其是光照對大麻生長發(fā)育的影響，因大麻是短日照植物，對光周期特別敏感[23]，而大麻生物量主要由營養(yǎng)生長期積累，當(dāng)光照時長低于開花所需臨界時長大麻植株會進入生殖生長[24]，導(dǎo)致生物量積累速度放緩，株型變得矮小。本研究中，雖然同一生態(tài)環(huán)境下F2代分離群體開花時間相對一致，但在不同緯度的3個環(huán)境下開花時間還是產(chǎn)生了差異，開花時間順序呈現(xiàn)出峨山略早于嵩明，嵩明略早于巧家，導(dǎo)致除葉長外各農(nóng)藝性狀在3個生態(tài)環(huán)境下均產(chǎn)生顯著差異。因此，在大麻育種和栽培過程中，應(yīng)特別注意環(huán)境對大麻農(nóng)藝性狀和生物產(chǎn)量的影響，并為不同用途和栽培環(huán)境選育合理的株型品種。同時也可通過改良栽培措施，促進某些性狀的發(fā)育，從而達到增產(chǎn)的目的。

3.3 性狀相關(guān)性分析和廣義遺傳力估算對農(nóng)藝性狀選擇的影響

通過分析各農(nóng)藝性狀間關(guān)系，可以根據(jù)育種目的合理協(xié)調(diào)各農(nóng)藝性狀的關(guān)系，獲得理想株型，提高育種效率。本研究相關(guān)性分析表明10個農(nóng)藝性狀間關(guān)系密切，除小葉寬、葉寬、葉長寬比3個性狀外，其余農(nóng)藝性狀間均兩兩呈顯著或極顯著正相關(guān)。其中，株高與莖粗、葉長、葉寬都存在正相關(guān)，這與房郁妍等[25]對13份大麻種質(zhì)材料農(nóng)藝性狀相關(guān)性研究結(jié)果一致。各性狀間關(guān)系密切提示在大麻育種過程中，應(yīng)綜合多個農(nóng)藝性狀進行分析，在對目標(biāo)性狀進行選擇的同時要考慮到對其關(guān)聯(lián)性狀的影響。

遺傳力是研究數(shù)量性狀遺傳差異的主要參數(shù)之一，遺傳力的大小可以為農(nóng)藝性狀世代選擇提供參考[26]，在本研究構(gòu)建的F2代株系群體中株高和莖粗的廣義遺傳力分別為81.811%和64.204%，這與Petitd等[16]在3個生態(tài)環(huán)境下對123份大麻種質(zhì)資源進行評價，得出株高和莖粗廣義遺傳力分別為0.81和0.69的結(jié)果基本一致。通過對各農(nóng)藝性狀進行廣義遺傳力估算，結(jié)果表明分枝長、株高、第一分枝高、葉長和分枝數(shù)5個性狀廣義遺傳力均超過65%，表明這5個性狀主要由遺傳因素決定，在品種選育時可以從早期世代進行選擇。而葉長寬比和鮮重廣義遺傳力則較低，表明這2個性狀易受到環(huán)境的影響，早期世代不宜對這兩個性狀進行選擇。

4 結(jié) 論

選用2份來自不同生態(tài)型且遺傳背景差異較大的大麻材料作為親本，成功構(gòu)建F2代全雌性株系群體。對3種生態(tài)環(huán)境下F2代株系群體中10個農(nóng)藝性狀進行遺傳變異及相關(guān)性分析。結(jié)果表明：8個農(nóng)藝性狀在3種生態(tài)環(huán)境種植下表現(xiàn)出顯著差異(P<0.05)；10個農(nóng)藝性狀表現(xiàn)出廣泛的性狀分離，為大麻不同用途品種選育創(chuàng)造了豐富的遺傳變異類型；株高、分枝數(shù)、分枝長等性狀頻率分布具有典型的數(shù)量遺傳特征，可通過QTL對相關(guān)基因進行定位；相關(guān)性分析表明10個農(nóng)藝性狀關(guān)系密切，提示在育種過程中突出單個性狀的同時要考慮到對其關(guān)聯(lián)性狀的影響；分枝長、株高、第一分枝高、葉長及分枝數(shù)的廣義遺傳力均超過65%，其中分枝長和株高廣義遺傳力超過80%，可為大麻育種過程中農(nóng)藝性狀世代選擇提供理論參考。以上結(jié)果可為大麻不同用途品種選育和相關(guān)性狀的QTL定位提供一定的理論基礎(chǔ)。