梨雜交后代部分農(nóng)藝性狀遺傳規(guī)律及相關(guān)基因的研究

劉 娟，郭凱麗，丁保朋，牟曉慶，賈浩田，李六林，楊 盛

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，山西 太谷 030801;2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)果樹研究所/果樹種質(zhì)創(chuàng)制與利用山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030031)

果樹實(shí)生樹具有開花潛能之前一段時(shí)間稱為童期[1]，花芽的分化標(biāo)志著童期的結(jié)束和生殖生長時(shí)期的開始。梨樹為多年生木本植物，大多數(shù)梨品種自交不親和，表現(xiàn)為異花授粉，所以現(xiàn)有品種都是高度雜合體，又因梨樹童期較長，使得梨性狀遺傳規(guī)律的研究相對滯后[2]。梨雜交實(shí)生后代的童期和童程受到多方面因素影響，這也給梨樹的育種工作帶來了一定的困難[3、4]。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者在梨樹選育方面有了不少新的進(jìn)展，研究了梨重要農(nóng)藝性狀相關(guān)遺傳規(guī)律，繪制遺傳連鎖圖譜，定位相關(guān)基因[5-9]。本文從梨雜交后代的果柄長、單果重、果形指數(shù)、果色、果實(shí)硬度、石細(xì)胞含量、可溶性固形物含量和果心大小等果實(shí)農(nóng)藝性狀方面的研究進(jìn)展作一綜述，以期為梨樹雜交育種工作提供理論參考。

1 梨雜交后代果實(shí)農(nóng)藝性狀遺傳特點(diǎn)

1.1 果柄遺傳特點(diǎn)

果柄是水分和碳水化合物運(yùn)輸?shù)焦麑?shí)的必經(jīng)之路,果柄長度和粗度能夠影響營養(yǎng)物質(zhì)的運(yùn)輸效率，從而影響果實(shí)的品質(zhì)[10、11]。董秀娟等[12]研究發(fā)現(xiàn)果柄寬度與果實(shí)的單果質(zhì)量、果實(shí)縱橫徑、可溶性固形物含量等眾多外觀品質(zhì)性狀均顯著相關(guān)。果柄寬度在一定程度上影響果實(shí)的大小，可以作為早期判斷果實(shí)品質(zhì)的性狀。

李俊才等[13]研究調(diào)查了11組梨雜交后代的果柄長度，其中有6組雜交后代的果柄長度高于親中值。董秀娟等[12]以‘鄂梨2號’‘華梨2號’及其雜交F1代為試材，結(jié)果表明果柄長度的超高親度比超低親度值大，都為負(fù)數(shù)，該性狀為趨中偏高遺傳，存在基因間的加性效應(yīng)。崔艷波等[14]以‘京白梨’與‘鴨梨’及其正反交后代為材料，研究結(jié)果表明正反交后代果柄長平均值都小于親中值。白牡丹等[15]以‘玉露香梨’與‘黃冠’梨及其雜交后代群體為試材，結(jié)果表明雜交后代果柄長度平均值小于親中值，表現(xiàn)為偏小遺傳。這說明果柄長度的遺傳與父母本有關(guān)，受多個(gè)基因調(diào)控，調(diào)控機(jī)制較復(fù)雜。

1.2 單果重遺傳特點(diǎn)

梨的果實(shí)重量是影響果實(shí)品質(zhì)的重要因素之一，它是由多基因控制的數(shù)量性狀，后代分離廣泛[16]。王宇霖等[17]通過對49個(gè)雜交組合的調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，梨雜交后代的果實(shí)重量一般比親中值小27%，但有些組合超親比較明顯，達(dá)到19.2%。李先明等[18]的研究也表明，大部分雜種后代的平均單果質(zhì)量都小于親中值，表現(xiàn)為偏小遺傳。王宏偉等[3]的研究表明果實(shí)較大的組合，其雜交后代出現(xiàn)大果的比例較高，出現(xiàn)超高親的比例也高。親本果實(shí)大小對雜種后代的果實(shí)大小有著較大的影響,但也存在一定的非加性效應(yīng)。育種中在選擇大果型品種為親本的同時(shí)進(jìn)行種間雜交可能也是獲得大果類型的一個(gè)有效的途徑。

1.3 果形遺傳特點(diǎn)

果形會在一定程度上影響果實(shí)的品質(zhì)及商品價(jià)值，果形指數(shù)是評價(jià)果形的一項(xiàng)重要指標(biāo)，常見幾種果樹的果形都大致表現(xiàn)為多基因控制的數(shù)量性狀遺傳[19]。雜交親本雜合程度越高，雜種多型性越明顯。楊宗駿[20]研究表明雜交后代果形指數(shù)普遍低于親中值，有趨中回歸的遺傳特點(diǎn)。吳翠云[21]通過對‘庫爾勒香梨’為親本之一的10個(gè)雜交組合的雜種后代進(jìn)行調(diào)查，也發(fā)現(xiàn)果實(shí)形狀遺傳表現(xiàn)趨中變異，后代果形有變圓的趨勢，果形指數(shù)平均值一般低于親中值的11.64%，變異系數(shù)分布在2.52%～10.03%之間。崔艷波[5]研究發(fā)現(xiàn)‘京白梨’‘鴨梨’正反交后代果形指數(shù)平均值都小于親中值。說明親本果形對雜種后代有一定的遺傳影響。

1.4 果皮顏色遺傳特點(diǎn)

梨果皮中葉綠素、類胡蘿卜素、花青苷和黃酮醇等含量的不同造成了果皮色澤的差異，主要有綠色、黃綠色、黃色、褐色和紅色[22]。在雜交后代中果皮黃綠色對褐色為顯性遺傳[23]。宋健坤等[24]研究表明在雜交后代中果皮黃色的最多，占群體總數(shù)的41.1%，其次是黃綠色果皮，占群體總數(shù)的35.5%。Booi等[25]發(fā)現(xiàn)西洋梨品種‘BonRouge’和‘Packham’s Triumph’近親雜交子代中，紅皮單株和綠皮單株分離比為1∶1，符合孟德爾遺傳規(guī)律。

1.5 果實(shí)硬度遺傳特點(diǎn)

果實(shí)的硬度與果實(shí)的咀嚼性、口感、貯藏期密切相關(guān)，是影響著果實(shí)品質(zhì)的因素之一[26]。李思維[27]以‘新高’ב紅香酥’及其雜交后代為試材，結(jié)果表明雜交后代的果實(shí)硬度呈連續(xù)的正態(tài)分布，小于親中值355.34 g/mm2。張?jiān)僛28]以‘翠冠’ב紅茄梨’及其雜交后代為試材，研究發(fā)現(xiàn)雜交后代平均硬度小于親中值314.95 g/mm2，遺傳傳遞力為96.96%,果實(shí)有變軟趨勢。而在白牡丹[15]、趙亞楠[29]、崔艷波等[14]的研究中雜交后代果實(shí)硬度有增大的趨勢，這可能與父母本的果實(shí)硬度、石細(xì)胞含量有關(guān)。

1.6 果實(shí)石細(xì)胞遺傳特點(diǎn)

梨果實(shí)不同部位石細(xì)胞團(tuán)大小和密度有所不同，近果心處石細(xì)胞團(tuán)直徑最大，果肉中部石細(xì)胞團(tuán)直徑最小。石細(xì)胞團(tuán)密度以近果皮處最大，果肉中部最小[30]。李思維[27]以‘新高’ב紅香酥’雜交組合的248株后代為材料，調(diào)查發(fā)現(xiàn)不同梨每百克果肉石細(xì)胞含量的變化范圍為0.005～2.15 g，不符合正態(tài)分布，平均值是0.287 g，變異系數(shù)為130.31%。崔艷波[5]調(diào)查研究了‘京白梨’和‘鴨梨’正反交后代果實(shí)，發(fā)現(xiàn)果實(shí)石細(xì)胞均值都大于親中值，呈明顯增多的趨勢。

1.7 果實(shí)可溶性固形物遺傳特點(diǎn)

可溶性固形物是水溶性化合物的總稱，包括糖、酸、維生素和礦物質(zhì)，基本上反映了果實(shí)中營養(yǎng)成分的多少[31]。梨可溶性固形物遺傳表現(xiàn)為雜種后代分離廣泛，呈連續(xù)性分布，超親中值比例較高的趨勢[32]。賈立邦等[33]通過對17個(gè)雜交組合的955株結(jié)果實(shí)生苗調(diào)查發(fā)現(xiàn)，所有組合的雜種后代其可溶性固形物都超過雙親，其中有14個(gè)組合都超過雙親，最高達(dá)125.2%。郭黃萍等[34]以‘庫爾勒香梨’為親本之一進(jìn)行雜交，共調(diào)查了6個(gè)組合351株結(jié)果實(shí)生苗，各組合可溶性固形物含量的遺傳傳遞力均較強(qiáng)，平均為97.49%，與親中值相近。丁立華[35]調(diào)查研究了以蘋果梨為母本的10個(gè)雜交組合291個(gè)雜種后代，發(fā)現(xiàn)所有組合的雜種后代可溶性固形物平均值都超過親中值，并有80%的組合超過了高親的可溶性固形物含量。這些結(jié)果都表明梨果實(shí)可溶性固形物含量的遺傳主要由基因間的加性效應(yīng)控制，非加性效應(yīng)的影響較小。

1.8 果心大小遺傳特點(diǎn)

梨果實(shí)果心大小關(guān)系到梨可食部分的多少，也是影響梨果實(shí)商品的性狀之一。果心大小是以梨果心橫直徑與果實(shí)的橫直徑的比值，小于1/3是小果心，大于1/2是大果心，1/3～1/2是中果心。親本果心大小影響著雜交后代果心大小，后代變異較大。李先明等[18]以梨12個(gè)組合299株結(jié)果雜交后代為試材，研究了梨果實(shí)品質(zhì)，結(jié)果表明果心大小平均組合傳遞力為101.65%，與親中值相近，總體呈偏大的趨勢，平均變異系數(shù)為15.62%。在選擇親本時(shí)沒有出現(xiàn)大果心，雜交后代大果心的可能性較低。在育種實(shí)踐中，如果育種目標(biāo)為小果心的品種，在選擇親本時(shí)小果心品種是最佳選擇。

2 調(diào)控梨雜交后代果實(shí)農(nóng)藝性狀相關(guān)基因

2.1 調(diào)控果柄相關(guān)基因

目前對于調(diào)控果柄長度的基因研究較少，Wu等[36]采用RAD-seq技術(shù)，利用SNP結(jié)合SSR構(gòu)建了梨的高密度連鎖圖譜，定位到3個(gè)果柄長度QTL位點(diǎn)，分別位于LG2、LG14、LG17。王文魁[37]采用ISSR、SRAP與SSR 3種標(biāo)記方法，定位到6個(gè)果柄長度QTL位點(diǎn)，分別位于LG1、LG4、LG6、LG13。趙亞楠[29]采用重測序技術(shù)開發(fā)SNP標(biāo)記，結(jié)合SSR標(biāo)記，構(gòu)建了一張梨高密度遺傳連鎖圖譜，定位到1個(gè)果柄長度QTL位點(diǎn)，位于LG1，注釋到54個(gè)基因。

2.2 調(diào)控單果重相關(guān)基因

調(diào)控梨雜交后代單果重相關(guān)基因主要集中在LG7、LG11連鎖群上。Zhang等[38]利用‘八月紅’×歐洲梨‘Clapp’s Favorite’以及中國梨‘早酥’ב碭山酥梨’雜交后代繪制遺傳連鎖圖譜，定位到4個(gè)果重QTL位點(diǎn)，分別位于LG2、LG7、LG8、LG10。韓明麗等[39]利用‘八月紅’和‘碭山酥梨’雜交得到的 F1代實(shí)生苗為試材，定位到6個(gè)果重QTL位點(diǎn)，分別在3個(gè)連鎖群(LG7、LG11、LG16)上都檢測到1個(gè)控制單果質(zhì)量的主效QTL。王文魁[37]和趙亞楠[29]也分別定位到了5個(gè)單果重的QTL位點(diǎn)，重合的連鎖群只有LG11，前者定位的其中3個(gè)QTLs出現(xiàn)共分離或緊密連鎖現(xiàn)象。

2.3 調(diào)控果形相關(guān)基因

調(diào)控梨雜交后代果形QTL位點(diǎn)大多定位于LG2、LG7連鎖群上。Zhang等[38]定位到5個(gè)果形QTL位點(diǎn)，分別位于LG1、LG2、LG7、LG8。趙亞楠等[29]定位到了1個(gè)果形QTL位點(diǎn)，位于LG9。韓明麗等[39]分別定位到一個(gè)控制果實(shí)橫徑和一個(gè)縱徑的主效QTL位點(diǎn)，分別位于LG2、LG7。王龍等[40]利用‘崇化大梨’ב新世紀(jì)梨’雜交得到的94株F1代實(shí)生苗為研究群體，定位到了3個(gè)果形QTL位點(diǎn),分別位于LG16、LG17連鎖群上。

2.4 調(diào)控果皮顏色相關(guān)基因

目前遺傳圖譜定位梨果皮顏色的研究應(yīng)用較為成功，如Wu等[36]利用兩年的基于物種間的雜交群體 ‘Bayuehong’בDangshansuli’，對梨果皮顏色等QTL性狀進(jìn)行了定位，鑒定了與果皮顏色最顯著關(guān)聯(lián)的SNP位于LG5(P<0.000 1)。隨后Yao等[41]對Wu等定位的果皮顏色基因PyMYB114進(jìn)行了克隆與功能驗(yàn)證，確認(rèn)該基因控制梨果實(shí)著色。崔海榮[42]以砂梨品種‘西子綠’ב喜水’的雜交后代為試材，采用分子標(biāo)記和BSA法尋找與果皮色澤性狀基因相連鎖的分子標(biāo)記，研究發(fā)現(xiàn)CH05g02位點(diǎn)與砂梨果實(shí)褐色性狀相連鎖，并定位于分子遺傳圖譜的LG5連鎖群上。宋偉等[43]對‘黃金梨’ב碭山酥梨’雜交F1代群體分析發(fā)現(xiàn)，梨果實(shí)褐皮的性狀受到2對等位基因的控制，并通過BSA法定位到一個(gè)控制果實(shí)褐皮基因R1。Jiang等[44]采用SLAF-seq對‘早生新水’和‘秋水’兩個(gè)梨品種及其92個(gè)后代進(jìn)行了SNP序列測定，定位到兩個(gè)QTL與果皮顏色相關(guān)，發(fā)現(xiàn)基因PpC3H23可以提高果皮褐變率。

梨屬植物資源中以紅色果皮的梨最為鮮艷奪目，Donidi等[45]通過對7個(gè)群體的調(diào)查發(fā)現(xiàn)，梨果實(shí)果皮的紅色性狀是由單基因控制的,并把這個(gè)基因命名為Red，將其最終定位在‘Max Red Bartlett’遺傳連鎖圖譜的第4連鎖群上。李謝雨[46]鑒定并探究了兩個(gè)MYB類轉(zhuǎn)錄因子PbREVEILLE1b、PbREVEILLE6和其下游調(diào)控因子PbbHLH2在梨花青苷晝夜節(jié)律性積累中的調(diào)控作用。目前控制紅皮梨花青苷代謝的基因已經(jīng)相繼被克隆，包括PAL、CHS、CHI、DFR、UFGT等[47、48]。

2.5 調(diào)控果實(shí)硬度相關(guān)基因

目前國內(nèi)外對于調(diào)控梨果實(shí)硬度基因研究較少。張瑞萍[49]利用‘八月紅’ב碭山酥梨’的97株F1代群體，用SSR、SRAP和AFLP3種分子標(biāo)記方法，分別構(gòu)建了一張共包含240個(gè)多態(tài)性標(biāo)記位點(diǎn)的‘八月紅’梨的遺傳連鎖圖譜和一張包含216多態(tài)性標(biāo)記位點(diǎn)的‘碭山酥梨’遺傳連鎖圖譜，檢測到果實(shí)硬度的QTL位點(diǎn)共6個(gè)，分別位于LG2、LG3、LG8、LG12、LG13。趙亞楠[29]利用重測序和SSR方法，構(gòu)建了一張包含17個(gè)連鎖群，共3116個(gè)Bin位點(diǎn)的梨高密度遺傳連鎖圖譜。在 LG08、LG12 和 LG16 3個(gè)連鎖群上共定位到3個(gè)QTL，LOD 值均大于3.0。Saeed等[50]以亞洲梨‘Pyrus pyrifolia Nakai and P.bretschneideri Rehd’×歐洲梨‘P. communis’F1群體為材料，在LG3頂部發(fā)現(xiàn)與果實(shí)硬度相關(guān)的QTL。

2.6 調(diào)控果實(shí)石細(xì)胞相關(guān)基因

石細(xì)胞是影響梨果肉質(zhì)地的關(guān)鍵因素，其含量由木質(zhì)素形成過程中的關(guān)鍵酶決定[51、52]。木質(zhì)素第1個(gè)生物合成步驟是由肉桂酰輔酶A還原酶(CCR)催化的，Lu等[53]從梨果實(shí)中分離到一個(gè)編碼CCR的cDNA，命名為PpCCR，PpCCR屬于雙子葉植物CCRⅡ類，其中大部分CCR參與木質(zhì)素生物合成的調(diào)控。通過對擬南芥、楊樹和銀杏的研究表明，單信號醇糖基化在木質(zhì)素代謝和細(xì)胞壁木質(zhì)化中起著關(guān)鍵作用,植物中的糖基化修飾主要由糖基轉(zhuǎn)移酶(GTs)完成。Cheng等[54]從梨基因組中鑒定了139個(gè)UGT，發(fā)現(xiàn)PbUGT72AJ2的轉(zhuǎn)錄水平與梨果木質(zhì)素含量的變化趨勢一致，認(rèn)為UGT與梨果實(shí)石細(xì)胞形成有關(guān)。隨著梨石細(xì)胞的發(fā)育和纖維素絲的不斷沉積，纖維素在石細(xì)胞次生壁的增厚中起著重要作用。Li等[55]在全基因組水平上鑒定了CesA/Csl家族成員，并通過系統(tǒng)的方法分析了該家族進(jìn)化過程中的基因復(fù)制和功能分化。研究發(fā)現(xiàn)Pbr032894.2、Pbr016107.1、Pbr00518.1和Pbr034218.1的基因表達(dá)水平在果實(shí)發(fā)育過程中呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，這意味著這4個(gè)基因可能參與梨果實(shí)石細(xì)胞的發(fā)育。

2.7 調(diào)控果實(shí)可溶性固形物相關(guān)基因

目前對于調(diào)控梨果實(shí)可溶性固形物相關(guān)基因的研究相對較少。張瑞萍等[56]以‘八月紅’ב碭山酥梨’的97株F1群體為試材，利用AFLP技術(shù)構(gòu)建梨(2n = 34)的分子遺傳連鎖圖譜，在LG1連鎖群上定位可溶性固形物含量QTL 1個(gè)。王文魁[37]調(diào)查研究了以‘新世紀(jì)梨’為母本，‘崇化大梨’為父本的雜交群體，構(gòu)建了基于ISSR、SRAP及SSR分標(biāo)記的一張分子遺傳圖譜，LOD=3.0，定位到了5個(gè)可溶性固形物QTL位點(diǎn)。在韓明麗等[39]的研究中也定位到了5個(gè)可溶性固形物QTL位點(diǎn)，分別位于LG2、LG5、LG10和LG11連鎖群上。

2.8 調(diào)控果實(shí)果心大小相關(guān)基因

目前對于如何調(diào)控果心大小方面的研究還不完善。張瑞萍[49]以‘八月紅’和‘碭山酥梨’為材料構(gòu)建遺傳連鎖圖譜，繪制了18個(gè)連鎖群，檢測到12個(gè)果心大小的QTL位點(diǎn)，分別位于LG2、LG3、LG7、LG8、LG9、LG11、LG12、LG13。趙亞楠[29]利用‘蘋果梨’和‘八月紅’2個(gè)親本及150個(gè)F1群體單株為試材，對來源的不同的220對SSR引物進(jìn)行篩選，將符合作圖要求的49對SSR引物，成功的把其中42對整合到Bin圖譜中，分別定位到15個(gè)連鎖群上，定位到2個(gè)果心大小QTL位點(diǎn)，位于LG5、LG6。

3 討論

目前國內(nèi)外報(bào)道的梨果樹可利用的雜交群體規(guī)模偏少，在遺傳規(guī)律等方面的結(jié)果有存在爭議的地方，這可能是由于親本的選擇、群體生長環(huán)境不同等因素導(dǎo)致的?，F(xiàn)在在基因組研究方面較為系統(tǒng)的植物多是1 a生草本植物。對于多年生植物而言，還沒有建立一套合適的生物學(xué)研究體系，而基于果樹作物的生長特性則更有局限性。果樹作物數(shù)量性狀的QTL定位研究相對于農(nóng)作物而言起步較晩，果樹作物作圖群體構(gòu)建困難、有效標(biāo)記數(shù)不足、遺傳背景信息缺乏等劣勢阻礙著其數(shù)量性狀QTL定位的發(fā)展，導(dǎo)致了果樹數(shù)量性狀QTL定位研究的滯后性。所以，適用于梨等多年生果樹植物的基因組研究模式理論的建立，也是需要我們不斷探索的一個(gè)問題。