甜玉米品質(zhì)性狀的主基因＋多基因遺傳分析

蔣 鋒，閆 艷，麥嘉埼，梁日朗，周捷成，李坪遙，劉鵬飛

（1仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院，廣州 510225；2廣州市特色作物種質(zhì)資源研究與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510225）

0 引言

甜玉米具有營養(yǎng)價(jià)值高、風(fēng)味獨(dú)特，低脂肪高纖維和富含人體所必須的多種營養(yǎng)成分等綜合優(yōu)點(diǎn)[1]。果糖是甜玉米食用品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)的重要指標(biāo)，其含量直接決定了甜玉米的甜度，進(jìn)而影響了品質(zhì)的優(yōu)劣[2]。膳食纖維是除了傳統(tǒng)的六類元素（蛋白質(zhì)、脂肪、礦物質(zhì)、水、碳水化合物和維生素）之外的第七類營養(yǎng)元素[3]。營養(yǎng)調(diào)查資料表明，膳食纖維能有效減少和預(yù)防冠心病、糖尿病等疾病的發(fā)生[4]。維生素C是人體必需的微量物質(zhì)，在人體生命活動方面起著重要的作用，可以增強(qiáng)人體免疫力，預(yù)防人體動脈硬化，并且參與人體膠原蛋白的合成[5]，還可以預(yù)防癌癥等重大疾病[6]。隨著人們生活質(zhì)量的改善，開始注重日常飲食的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)，甜玉米越來越受到消費(fèi)者的青睞，同時(shí)對其品質(zhì)的要求也越來越高[7]。

蓋鈞鎰[8]提出的植物數(shù)量性狀主基因＋多基因混合遺傳模型分析方法可以鑒別主基因，檢測出多基因效應(yīng)、基因間的互作以及基因與環(huán)境間的互作，并給出目標(biāo)性狀的最佳遺傳模型及遺傳參數(shù)[9]。這一分析方法已經(jīng)在多個(gè)玉米品質(zhì)性狀的遺傳規(guī)律分析上得到應(yīng)用。劉鵬飛等[10]對甜玉米果皮厚度進(jìn)行分析，得出果皮厚度符合1對加性主基因+加性-顯性多基因混合遺傳。宋軼群等[11]、栗亞靜等[12]研究表明玉米淀粉含量是由2對加性-顯性-上位性＋加性-顯性多基因控制，畢成龍[13]、李穎[14]、包和平等[15]研究表明玉米淀粉含量由1對加性主基因＋加性-顯性多基因控制。李穎[14]對高油玉米蛋白含量遺傳模型進(jìn)行分析，得出蛋白含量符合2對主基因加性-顯性-上位性＋加性-顯性多基因混合遺傳模型。包和平等[16]對爆裂玉米蛋白質(zhì)含量進(jìn)行遺傳模型分析，得出蛋白含量符合1對主基因＋加性-顯性多基因混合遺傳模型；進(jìn)茜寧等[17]研究表明玉米含油量符合1對加性主基因＋加性-顯性多基因混合遺傳模型，李穎[14]和高樹仁等[18]研究表明玉米含油量符合1對加性主基因-顯性主基因＋加性-顯性-上位性多基因混合遺傳模型。

目前，關(guān)于甜玉米品質(zhì)性狀的遺傳研究，主要集中于淀粉含量、蛋白含量、含油量等，對于甜玉米果糖含量、膳食纖維含量、維生素C含量的遺傳模型分析鮮有報(bào)道。本試驗(yàn)用主基因＋多基因混合遺傳模型分析方法對甜玉米果糖含量、膳食纖維含量、維生素C含量進(jìn)行遺傳模型分析，得出最適遺傳模型，分析相關(guān)遺傳參數(shù)，以期提高甜玉米分子育種效率，減少育種選擇的盲目性。試驗(yàn)結(jié)果有望為甜玉米品質(zhì)分子育種工作及甜玉米品質(zhì)的遺傳改良和選擇提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)親本材料為果糖含量、膳食纖維含量和維生素C含量有顯著差異的甜玉米自交系T77（高值親本）和T15（低值親本）。其中T77（高值親本）果糖含量為(1.89±0.04)%、膳食纖維含量為(4.18±0.13)%、維生素C含量為(45.76±0.37)mg/100g，T15（低值親本）果糖含量為(0.63±0.03)%、膳食纖維含量為(2.62±0.11)%、維生素C含量為(27.91±0.23)mg/100g。這2個(gè)自交系分別由臺灣甜玉米品種‘華珍’和泰國甜玉米品種‘先甜5號’為基礎(chǔ)材料，經(jīng)8代自交、鑒定選育而成。

1.2 田間試驗(yàn)

2019年3—6月在仲愷農(nóng)業(yè)工程學(xué)院廣州市番禺區(qū)鐘村教學(xué)科研基地，使用T15（低值親本）和T77（高值親本）分別作為父母本進(jìn)行雜交。到2019年9—12月，對兩親本雜交產(chǎn)生的F1單株進(jìn)行套袋嚴(yán)格自交，得到F2種子。2020年3—6月，種植2個(gè)親本各20株及來自同一F1果穗的216個(gè)F2單株，選取200株發(fā)育良好的F2植株進(jìn)行表型測定及遺傳模型分析。

1.3 數(shù)據(jù)測定

授粉后22天，取各單株果穗進(jìn)行品質(zhì)檢測。

果糖含量采用李志英等[19]的紫外分光光度法測定。膳食纖維的提取與含量測定參考孫艷[20]的方法。維生素C含量參考曾憲錄等[21]按GB5009.86—2016采用2,6-二氯靛酚滴定法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010進(jìn)行整理,并對T77×T15組合的F2群體的果糖含量、膳食纖維含量和維生素C含量值進(jìn)行頻數(shù)分布統(tǒng)計(jì)。參照蓋鈞鎰[8]、王建康等[22]、章元明等[23]的分析方法，利用南京農(nóng)業(yè)大學(xué)提供的主基因+多基因遺傳分析軟件，計(jì)算11種模型的極大似然函數(shù)值和AIC值確定各個(gè)模型的符合程度。通過AIC值篩選備選模型，再進(jìn)行適合性檢驗(yàn)，確定最佳遺傳模型，然后應(yīng)用最小二乘法估算遺傳參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 F2群體品質(zhì)性狀的統(tǒng)計(jì)分析

對200個(gè)F2單株果穗的果糖含量、膳食纖維含量及維生素C含量進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析平均值、標(biāo)準(zhǔn)差、變幅大小及變異系數(shù)（表1），并作頻數(shù)分布圖（圖1、2、3）。從F2分布參數(shù)和頻數(shù)分布圖來看，果糖含量性狀的偏度為-0.12，未顯著偏離正態(tài)分布，膳食纖維含量和維生素C含量的偏度分別為1.15和-1.10，其絕對值大于1，顯著偏離正態(tài)分布。

表1 200個(gè)F2世代描述統(tǒng)計(jì)分析

圖1 甜玉米T77×T15組合F2代果糖含量的頻數(shù)分布

圖2 甜玉米T77×T15組合F2代膳食纖維含量的頻數(shù)分布

圖3 甜玉米T77×T15組合F2代維生素C含量的頻數(shù)分布

2.2 甜玉米品質(zhì)性狀備選遺傳模型分析

應(yīng)用主基因＋多基因遺傳分析軟件計(jì)算出11種遺傳模型的AIC值和極大似然值（表2）。初步篩選出AIC值較小的模型作為備選模型，進(jìn)一步進(jìn)行適合性檢驗(yàn)，確定最佳的遺傳模型。果糖含量A-1的AIC值最小，且B-2和B-3的AIC值與之相近，可作為備選模型；膳食纖維含量B-1的AIC值最小，且A-1和A-4的AIC值與之相近，可作為備選模型；維生素C含量B-1的AIC值最小，且A-1、A-3和B-5的AIC值與之相近，可作為備選模型。

表2 11種遺傳模型的極大似然值和AIC值

2.3 備選模型的適合性檢驗(yàn)

根據(jù)U12、U22、U32（均勻性檢驗(yàn)）、nW2（Smirnov檢驗(yàn)）、Dn（Kolmogorov檢驗(yàn)），對果糖含量、膳食纖維含量、維生素C含量3個(gè)品質(zhì)性狀的備選模型進(jìn)行適合性檢驗(yàn)（表3），結(jié)合AIC值大小選出3個(gè)品質(zhì)性狀的最適遺傳模型。

表3 備選遺傳模型的適合性檢驗(yàn)

果糖含量 3 個(gè)備選模型的U12、U22、U32、nW2和Dn值均未達(dá)到顯著水平，模型A-1的AIC值最小，因此選A-1為果糖含量的最適遺傳模型。說明果糖含量的遺傳模型是1對主基因控制的加性-顯性混合遺傳模型。

膳食纖維含量3個(gè)備選模型的U12、U22、U32、nW2和Dn值均未達(dá)到顯著水平，模型B-1的AIC值最小，因此選B-1為膳食纖維含量的最適遺傳模型。說明膳食纖維含量的遺傳模型是2對主基因控制的加性-顯性-上位性混合遺傳模型。

維生素C含量4個(gè)備選模型的U12、U22、U32、nW2和Dn值均未達(dá)到顯著水平，模型B-1的AIC值最小，因此選B-1為維生素C含量的最適遺傳模型。說明維生素C含量的遺傳模型是2對主基因控制的加性-顯性-上位性混合遺傳模型。

2.4 甜玉米品質(zhì)性狀最適模型的成分分布

甜玉米果糖含量最佳遺傳模型為A-1，遺傳表現(xiàn)為加性-顯性遺傳，F(xiàn)2群體受1對主基因控制，3個(gè)主基因型成分按1:2:1分布（表4）；甜玉米膳食纖維含量最佳遺傳模型為B-1，遺傳表現(xiàn)為加性-顯性-上位性遺傳，F(xiàn)2群體受2對主基因控制，9個(gè)主基因型成分按1:2:1:2:4:2:1:2:1分布（表5）；甜玉米維生素C含量最佳遺傳模型為B-1，遺傳表現(xiàn)為加性-顯性-上位性遺傳，F(xiàn)2群體受2對主基因控制，9個(gè)主基因型成分按1:2:1:2:4:2:1:2:1分布（表5）。

表4 最適模型下果糖含量的成分分布的均值、權(quán)重和標(biāo)準(zhǔn)差

表5 最適模型下膳食纖維含量和維生素C含量的成分分布的均值、權(quán)重和標(biāo)準(zhǔn)差

2.5 甜玉米品質(zhì)性狀遺傳模型的參數(shù)估計(jì)

根據(jù)已確定的3個(gè)品質(zhì)性狀的最適遺傳模型，應(yīng)用最小二乘法[24]，對F2群體3個(gè)品質(zhì)性狀進(jìn)行遺傳參數(shù)估計(jì)（表6）。

表6 甜玉米品質(zhì)性狀遺傳參數(shù)估計(jì)值

甜玉米果糖含量的遺傳模型符合A-1，F(xiàn)2分離群體受1對主基因控制，控制甜玉米果糖含量的1對主基因的加性效應(yīng)值為0.385，顯性效應(yīng)值為0.029，說明控制甜玉米果糖含量的主基因以加性效應(yīng)為主，主基因遺傳率為76.4%。

甜玉米膳食纖維含量的遺傳模型符合B-1，F(xiàn)2分離群體受2對主基因控制，控制甜玉米膳食纖維含量的2對主基因的加性效應(yīng)值分別為0.226和0.222，2對主基因的顯性效應(yīng)值均為負(fù)值，分別為-0.224和-0.007，表明低膳食纖維含量相對于高膳食纖維含量表現(xiàn)為顯性。2對主基因加性效應(yīng)之和顯著大于顯性效應(yīng)之和(|da+db|＞|ha+hb|)，甜玉米膳食纖維含量的遺傳以2對主基因的加性效應(yīng)為主。第1對主基因的顯性度|ha/da|=0.9912，表明第1對主基因表現(xiàn)為部分顯性；第2對主基因的顯性度|hb/db|=0.0315，表明第2對主基因表現(xiàn)為加性效應(yīng)。2對主基因之間存在多種互作，其中加性互作效應(yīng)值i為0.222，顯性互作效應(yīng)值l為0.007，加性和顯性互作效應(yīng)值jab和jba分別-0.007和-0.221，表明基因間的互作會對膳食纖維含量產(chǎn)生影響。從二階遺傳參數(shù)來看，2對主基因遺傳方差為0.062，主基因遺傳率為63.6%。

甜玉米維生素C含量的遺傳模型符合B-1，F(xiàn)2分離群體受2對主基因控制，控制甜玉米維生素C含量的2對主基因的加性效應(yīng)值分別為2.749和2.746，2對主基因的顯性效應(yīng)值分別為2.748和0.06，加性效應(yīng)之和顯著大于顯性效應(yīng)之和（|da+db|＞|ha+hb|），表明甜玉米維生素C含量的遺傳以2對主基因的加性效應(yīng)為主。第1對主基因的顯性度|ha/da|=0.999，表明第1對主基因表現(xiàn)為部分顯性；第2對主基因的顯性度|hb/db|=0.022，表明第2對主基因表現(xiàn)為加性效應(yīng)。2對主基因之間存在多種互作，其中加性互作效應(yīng)值i為-2.746，顯性互作效應(yīng)值l為-0.06，加性和顯性互作效應(yīng)值jab和jba分別-0.006和-2.745，表明基因間的互作會對維生素C含量產(chǎn)生影響。從二階遺傳參數(shù)來看，2對主基因遺傳方差為9.315，主基因遺傳率為64.7%。

3 討論

植物數(shù)量性狀遺傳體系“主基因＋多基因遺傳模型”，這一分析方法已在花生[25]、小黑麥[26]、玉米[27]等多種作物的數(shù)量性狀遺傳規(guī)律分析上得到應(yīng)用。本試驗(yàn)運(yùn)用主基因＋多基因分析的方法，以果糖含量、膳食纖維含量和維生素C含量差異較大的甜玉米自交系配制雜交組合T77（高值親本）×T15（低值親本），對果糖含量、膳食纖維含量和維生素C含量進(jìn)行遺傳模型分析。結(jié)果表明：甜玉米果糖含量最佳遺傳模型為A-1模型，為加性-顯性遺傳模型，受1對主基因控制遺傳，主基因遺傳率為76.4%。蔣鋒等[28]以8個(gè)超甜玉米自交系為親本，利用Hayman法分析了超甜玉米果糖含量的雜種優(yōu)勢及遺傳模型。結(jié)果表明，果糖性狀的遺傳受加性基因和非加性基因的共同控制，狹義遺傳力為10.92%，廣義遺傳力為94.15%。單明珠等[29]研究表明甜玉米含糖量的遺傳符合加性-顯性模型。

本研究中甜玉米膳食纖維含量和維生素C含量的最佳遺傳模型均一致，符合B-1模型，為加性-顯性-上位性遺傳模型，受2對主基因控制遺傳，主基因遺傳率分別為63.6%和64.7%。胡新洲等[30]以8個(gè)超甜玉米自交系為親本，按照Griffing完全雙列雜交方法分析表明，可溶性膳食纖維和不溶性膳食纖維的遺傳受加性基因和非加性基因的共同控制。蔣鋒等[31]對甜玉米膳食纖維含量進(jìn)行QTL定位，在第4，第9染色體上檢測與膳食纖維相關(guān)的QTL，共4個(gè)。分別可解釋11.17%、9.13%、16.40%、18.42%的表型貢獻(xiàn)率，共解釋55.12%的表型貢獻(xiàn)率。李冉冉等[32]研究了不同授粉方式下玉米纖維含量的遺傳規(guī)律，結(jié)果表明，在開放授粉條件下纖維含量的遺傳力為87.27%，自交授粉條件下，纖維含量的遺傳力為80.68%。

綜上所述，本試驗(yàn)的結(jié)果與前人的結(jié)論相似或一致，下一步還需要利用不同材料組合，進(jìn)行多世代、多年份、多地區(qū)的種植試驗(yàn)，對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充和驗(yàn)證。本試驗(yàn)的結(jié)果表明，甜玉米果糖含量、膳食纖維含量及維生素C含量的遺傳率較高，在育種實(shí)踐中，對這3個(gè)性狀的遺傳改良和選擇可在早期世代進(jìn)行，可采用聚合回交或輪回選擇的方法來積累微效基因以提高育種效率。同時(shí)，本試驗(yàn)結(jié)果得到的為目標(biāo)性狀的遺傳模型，不能確定控制性狀的基因的位置，后續(xù)研究需要借助分子標(biāo)記技術(shù)對相關(guān)基因進(jìn)行定位和挖掘，結(jié)合遺傳模型，為甜玉米品質(zhì)的遺傳改良和選擇提供一定的理論依據(jù)。

4 結(jié)論

應(yīng)用主基因＋多基因混合遺傳模型分析方法，對品質(zhì)性狀差異較大的甜玉米雜交組合T77（高值親本）×T15（低值親本）的F2代品質(zhì)性狀進(jìn)行遺傳分析。結(jié)果表明，甜玉米果糖含量的最佳遺傳模型為A-1，為1對加性-顯性主基因遺傳模型，主基因遺傳率為76.4%，膳食纖維含量和維生素C含量的最佳遺傳模型為B-1，為2對加性-顯性-上位性多基因混合遺傳模型，主基因遺傳率分別為63.6%和64.7%。