陸地棉果枝夾角性狀的主基因+多基因混合遺傳模型分析

馬麒 李吉蓮 徐守振 陳紅 劉文豪 寧新柱 林海

（新疆農墾科學院棉花研究所 農業(yè)農村部西北內陸區(qū)棉花生物學與遺傳育種重點實驗室 新疆兵團棉花改良與高產栽培重點實驗室，石河子 832000）

棉花（Gossypium spp.）不僅是紡織工業(yè)重要的天然纖維來源，而且是關系國計民生的重要戰(zhàn)略物資，在我國國民經濟中的作用舉足輕重［1］。新疆是我國最大的棉花生產基地，也是植棉機械化程度最高的地區(qū)。隨著新疆“矮、密、早、膜”栽培模式和機采棉的大面積推廣，合理株型結構在棉花生產中的作用日益凸顯。

陸地棉（Gossypium hirsutum）是世界上種植面積最大的四倍體栽培種。在陸地棉株型相關性狀中，果枝夾角不僅決定著棉花的花器官和棉鈴的空間分布，而且還決定著植株整體框架結構的緊湊程度，是適宜機采棉花的株型結構中最關鍵的因子之一。一般來講，相對較小的果枝夾角會使得棉花株型結構較為緊湊，能有效提高冠層透光性，塑造出相對合理的株型，更適宜合理密植、輕簡化栽培及機械采摘，達到增產增效的目的。因此，果枝夾角小已經成為當前棉花的重要育種目標性狀之一。長期以來，陸地棉作為一種重要的纖維作物，人們十分關注其纖維產量相關性狀，如單鈴重、衣分、單株結鈴數(shù)等［2-3］，以及品質相關性狀指標，如纖維上半部平均長度、斷裂比強度、馬克隆值等［4-5］，很少有人對其果枝夾角性狀進行深入測定、解析和研究。陸地棉果枝夾角性狀是典型的數(shù)量性狀，受基因型和環(huán)境共同控制和影響［6-8］，明確果枝夾角的遺傳特性對提高棉花株型育種效率具有重要意義。

研究表明，植物數(shù)量性狀的通用性模型為主基因+多基因混合遺傳模型，單純主基因或多基因模型均為其特例［9］。李成奇等［10］也認為植物數(shù)量性狀的遺傳特征不僅是一種多基因遺傳模式，還存在主基因+多基因混合遺傳模式。蓋鈞鎰等［11］認為該模型不僅可以檢測和鑒定數(shù)量性狀主基因和多基因的存在，還能估測其遺傳參數(shù)，可作為作物數(shù)量性狀遺傳解析的重要方法之一。近年來，該遺傳分析方法已在水稻［12-13］、小麥［14-15］、花生［16-18］、玉米［19-20］、油菜［21-22］、甜瓜［23］、蓖麻［24］、胡麻［25］等多種作物中得到廣泛應用。在棉花上主要應用于棉花的早熟性［26］、生育期［27-28］、產量［29-30］、品質［29］、黃萎?。?1］、衣分［32］、鈴重［33-34］、抗逆性［35］以及葉柄分化率［36］等性狀的遺傳分析，而在果枝夾角性狀遺傳解析方面的研究相對較少。張培通等［37］利用陸地棉泗棉3號和CARMEN構建 RIL群體，利用P1、P2和RIL群體三世代聯(lián)合分析法對棉花株型性狀進行了主基因+多基因遺傳分析，結果表明，果枝夾角性狀符合主基因+多基因混合遺傳模型，并且存在主基因，但其主基因遺傳率較低；而李成奇等［10］對陸地棉品種百棉 1號主要株型性狀進行主基因+多基因混合遺傳分析發(fā)現(xiàn)，果枝夾角遺傳表現(xiàn)為多基因遺傳或以多基因遺傳為主，不存在主基因。

為進一步探明陸地棉果枝夾角的遺傳特性和規(guī)律，本研究首先以不同來源的陸地棉種質資源組成的自然群體為研究對象，研究果枝夾角在不同生態(tài)環(huán)境下的表型值，從中篩選出果枝夾角極端差異材料，作為親本構建四世代聯(lián)合群體（P1、P2、F1、F2），采用植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型方法，對4個世代群體的果枝夾角表型性狀開展多世代聯(lián)合遺傳分析，探討多世代陸地棉果枝夾角性狀的遺傳規(guī)律，并估測主基因遺傳效應與遺傳率，從而為陸地棉果枝夾角性狀的分子遺傳解析和棉花株型育種提供理論依據(jù)和參考信息。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗材料主要是由418份陸地棉種質資源組成的自然群體，以及從中篩選出來的果枝夾角極端差異的兩個親本材料中2549和新陸早18號。418份陸地棉種質包括前蘇聯(lián)材料27份，美國材料57份，我國北方特早熟棉區(qū)材料14份，西北內陸棉區(qū)材料28份，長江流域棉區(qū)材料107份，黃河流域棉區(qū)材料167份。親本材料P1（中2549）為果枝夾角較大的材料作父本，P2（新陸早18號）為果枝夾角較小的材料作母本（圖1），中2549來自于黃河流域棉區(qū)，新陸早18號為新疆自育陸地棉品種。2020年4月分別在新疆農墾科學院棉花研究所石河子試驗地種植，以中2549為父本，新陸早18號為母本配制雜交組合，得到F1種子，同年10 月在海南種植F1群體，自交獲得F2種子。2021 年4 月分別在新疆農墾科學院棉花研究所石河子試驗地和鐵門關試驗地種植P1、P2、F1和F2群體，并進行果枝夾角表型性狀鑒定。

圖1 果枝夾角極端差異親本單株材料Fig.1 Parents with extremely different FBA

1.2 方法

1.2.1 田間種植方式 田間材料的種植方式均采用新疆普遍推廣的66 cm+10 cm的機采棉株行距配置模式，平均行距為38 cm，石河子種植模式為一膜6行，一穴一株，株距9.5 cm，膜寬為2.05 m；鐵門關和阿拉爾的種植模式為一膜4行，一穴一株，株距9.5 cm，膜寬為1.25 m。敦煌種植模式為一膜3行，行距40 cm，株距15 cm，膜寬1.2 m。田間管理均按照當?shù)貥藴蚀筇铩?/p>

1.2.2 性狀調查 果枝夾角性狀的鑒定是在吐絮期進行的。自然群體測定時每份材料選取連續(xù)相鄰的10株為調查對象；對親本P1、P2，以及F1和F2群體的果枝夾角性狀進行調查測定時，P1、P2各調查80 個單株，F(xiàn)1調查30個單株，F(xiàn)2調查200 個單株。具體測定方法是：利用捷立（GeeLii）數(shù)顯角度測量儀對棉株中部果枝（基部起第4、5、6臺）夾角進行調查鑒定，并取其平均值。

1.2.3 遺傳模型分析 采用蓋鈞鎰等［38］發(fā)明的主基因+多基因混合遺傳模型分析方法，對P1、P2、F1和F2共4 世代聯(lián)合分析果枝夾角性狀的遺傳規(guī)律和基因互作方式。通過比較由1 對主基因（1MG）、2 對主基因（2MG）、多基因（PG）、1對主基因+多基因（MX1）、2對主基因 + 多基因（MX2）組成的共24 個遺傳模型的AIC 值（Akaike′s information criterion），進行遺傳模型的適合性檢驗（均勻性檢驗、Smirnov 檢驗和Kolmogorow 檢驗，獲得5 個基本統(tǒng)計量U12、U22、U23、nW2和 Dn）來選擇最優(yōu)模型。根據(jù)模型分析結果，利用最小二乘法估計入選模型的主基因和多基因效應值、方差及相關遺傳參數(shù)。該分析過程主要通過混合遺傳分析 R 軟件包SEA 程序［39］。

2 結果

2.1 陸地棉主莖不同部位果枝夾角的表型差異性分析

在前期的預試驗中，從418份陸地棉核心種質資源中各選取代表性材料30份，分別在新疆石河子、庫爾勒兩個生態(tài)試驗點測量棉花整株所有果枝的夾角大小，并開展不同節(jié)位的果枝夾角差異性分析。結果表明，陸地棉植株整株的果枝夾角大小整體表現(xiàn)出如下特征：（1）從植株基部到頂部果枝夾角呈現(xiàn)出整體下降的趨勢，第1-9臺果枝夾角大小分別為 59.22°±1.35°、57.21°±2.14°、57.18°±1.09°、56.02°±0.94°、55.94°±1.98°、55.19°±1.15°、54.47°±2.31°、52.59°±1.92°、54.05°±1.12°（圖2）；（2）下部果枝夾角（1-FBA，基部起第1-3臺果枝）、中部果枝夾角（2-FBA，基部起第4-6臺果枝）和上部果枝夾角（3-FBA，基部起第7-9臺果枝）表現(xiàn)出極顯著（P＜0.01）的差異性，但 2-FBA與整株的果枝夾角（All-FBA）之間無顯著差異性（P＞0.05）（表1）。相關性分析表明，1-FBA、2-FBA、3-FBA均與 All-FBA 呈極顯著（P＞0.01）的正相關性，Pearson 相關系數(shù)均大于0.50。此外，2-FBA 與 All-FBA 的相關性最強，Pearson 相關系數(shù)為 0.71（表2）。上述研究結果表明，陸地棉中部果枝（2-FBA）夾角與整株果枝夾角的相關性最強，且二者的果枝夾角差異性最小，所以中部果枝夾角（第4-6臺）最能夠代表陸地棉整株的果枝夾角。這一研究結果為后續(xù)試驗研究的開展奠定了重要基礎。

表2 各部位果枝夾角的相關性分析Table 2 Correlation analysis of FBA in different positions

圖2 不同果枝部位果枝夾角變化趨勢圖Fig.2 Variation trend of FBA in different fruit branch position

表1 不同部位果枝夾角的差異性比較Table 1 Comparison of FBA in different positions

2.2 陸地棉自然群體果枝夾角的表型統(tǒng)計分析

通過對自然群體在4個環(huán)境下果枝夾角性狀的鑒定與分析，結果發(fā)現(xiàn)418份陸地棉種質資源果枝夾角在4個種植環(huán)境下具有廣泛的變異，單個環(huán)境下果枝夾角的極差范圍是14.99°-24.67°；各環(huán)境表型的平均值范圍是（56.15°±4.13°）-（62.61°±2.61°）。整體來看，果枝夾角的變異度相對較小，各環(huán)境下的變異度范圍是4.17%-7.36%，并且不同環(huán)境下果枝夾角的變異度相對比較穩(wěn)定。在4個環(huán)境中，石河子的平均果枝夾角最大，為62.61°±2.61°，但變異度卻最小，為4.17%；而阿拉爾的平均果枝夾角最小，為56.15°±4.13°，但變異度最大，為7.36%。4個環(huán)境下果枝夾角的平均值為58.85°±3.30°，平均變異度為5.63%。（表3）通過柯爾莫哥洛夫-斯米諾夫（Kolmogorov-Smirnov，K-S）正態(tài)分布檢驗發(fā)現(xiàn)，在E1、E2、E3、E4、Eall環(huán)境下，Z值分別為0.557、0.734、0.913、0.646、0.744，P值分別為0.916、0.654、0.375、0.789、0.637，P 值均大于 0.05（表3）。頻率分布直方圖和P-P圖顯示，陸地棉果枝夾角在E1、E2、E3、E4、Eall環(huán)境下均呈現(xiàn)出典型的正態(tài)分布趨勢（圖3），說明陸地棉果枝夾角在4個單一環(huán)境和總環(huán)境下均表現(xiàn)出顯著的正態(tài)分布，符合一般數(shù)量性狀的遺傳特點。

圖3 果枝夾角性狀在不同種植環(huán)境下的正態(tài)分布圖Fig.3 Normal distribution of FBA trait under different planting environments

表3 陸地棉自然群體果枝夾角在4個環(huán)境下的表型統(tǒng)計分析Table 3 Phenotypic statistical analysis of FBA of G.hirsutum under four environments

2.3 各世代群體果枝夾角性狀的表型頻次分布

由表4可知，各世代 P1、P2、F1、F3群體的果枝夾角的平均值分別為 64.05°、49.57°、56.86°、52.15°，極差分別為 11.79°、38.78°、34.01°、54.40°（表4）。對各世代群體的果枝夾角表型數(shù)據(jù)進行正態(tài)分布分析，結果發(fā)現(xiàn)除P2群體外，其它各世代群體的果枝夾角數(shù)據(jù)均呈現(xiàn)出連續(xù)的正態(tài)分布（圖4）。通過K-S正態(tài)分布檢驗發(fā)現(xiàn)，各世代群體P1、P2、F1、F3的K-S Z值分別為0.85、2.23、0.58、1.04，其對應的漸近顯著性P值分別為0.46、0.00、0.88、0.23（表5）。可以看出，只有P2的漸近顯著性P值小于0.05，其它各個世代群體均大于0.05。上述結果表明，果枝夾角性狀屬典型的數(shù)量性狀，符合數(shù)量性狀遺傳的一般特點。

表5 各世代群體果枝夾角性狀表型數(shù)據(jù)的K-S正態(tài)分布檢驗Table 5 Kolmogorov-Smirnov test of phenotypic data of FBA in different generations

圖4 各世代群體果枝夾角的正態(tài)分布圖Fig.4 Normal distribution of FBA for each generation population

表4 各世代群體果枝夾角性狀的表型數(shù)據(jù)分布Table 4 Phenotypic data distribution of FBA in each generation population

2.4 果枝夾角的主基因+多基因遺傳模型分析

2.4.1 果枝夾角的最適遺傳模型的選擇 采用植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型的多世代聯(lián)合分析方法，對中2549 和新陸早18號組合的4 個世代群體的果枝夾角進行遺傳分析，獲得24 種遺傳模型的極大似然函數(shù)值，并根據(jù)極大似然值計算出遺傳模型的AIC值（表6）。通過比較24個遺傳模型的AIC值，從中選擇出AIC值最小或接近的遺傳模型作為候選遺傳模型。比較發(fā)現(xiàn)，1MG-EAD（1對等加性-顯性主基因）、1MG-NCD（1對負向完全顯性主基因）、2MG-EA（2對等加性主基因）、2MGEAD（2對等加性-顯性主基因）模型的AIC值相對較小，分別為2 626.710、2 626.977、2 624.698、2 624.816，可作為果枝夾角的候選遺傳模型。

表6 24個不同遺傳模型的極大似然值（MLV）及AIC值Table 6 Max-likelihood-value（MLV）and Akaike’s information criterion（AIC）of 24 different genetic models

進一步分別對每個候選遺傳模型進行適合性檢驗，包括均勻性檢驗（U12、U22、U32）、Simironow 檢驗（nW2）和Klmogorov檢驗（Dn）。并選擇適合性檢驗統(tǒng)計量達到顯著水平個數(shù)最少且AIC最小的模型作為最適模型。由表7可知，4個候選遺傳模型的適合性檢驗統(tǒng)計量達到顯著性水平的個數(shù)相等，所以選擇AIC值最小的模型2MG-EA作為果枝夾角的最適遺傳模型，即2對等加性主基因模型，表明陸地棉果枝夾角存在主基因遺傳。

表7 果枝夾角候選遺傳模型的適合性檢驗Table 7 Fitness test for candidate genetic models for FBA

2.4.2 最優(yōu)遺傳模型的遺傳參數(shù)估計 根據(jù)果枝夾角遺傳模型的極大似然估計值，估計最適遺傳模型的遺傳參數(shù)。在確定出最佳遺傳模型的條件下，采用最小二乘法，通過成分分布參數(shù)估計主基因的遺傳參數(shù)（表8）。從表8中可知，控制果枝夾角的兩對等加性主基因的加性效應值為3.65，主基因遺傳率為90.22%。這說明陸地棉果枝夾角性狀主要受主基因控制，且主基因遺傳率較高。

表8 果枝夾角最優(yōu)遺傳模型的遺傳參數(shù)估計Table 8 Estimation of genetic parameters of FBA under its optimal genetic model

3 討論

在農作物上，分枝角度是決定作物株型的重要農藝性狀之一。分枝角大的植株會占用過多空間，降低作物的種植密度，在生長階段的后期增加陰影面積和倒伏情況，從而降低產量［40］。相反，相對較小的分枝角度是作物合理密植的前提和獲得較高產量的保障。譬如，在長期的品種選擇和遺傳改良過程中，隨著水稻分枝角度的減小，水稻由松散株型的野生稻改良成緊湊株型的栽培稻，其耐密性和光合效率顯著提升，從而有效實現(xiàn)產量提高［41］。對棉花來說，小果枝夾角塑造了棉花相對緊湊的株型結構，有助于提高其機械化收獲效率。例如，在相同的種植條件下，相對較小果枝夾角的棉花有利于其群體冠層的透光性，便于吐絮期各部位葉片的脫落，從而有效降低機采棉的籽棉含雜率，顯著提高機采棉的原棉品質［42-43］，從而達到提質增效的目的。綜合來看，相對較小的分枝角度在農作物生產上更有利于其合理密植、機械化采收及產量的提高。

盡管植物分枝在一定程度上也受栽培模式、化學調控和外部生長環(huán)境等因素的影響，但植物本身的遺傳特性是決定分枝角度的主要因子［44-45］。因此，闡明陸地棉果枝夾角的遺傳規(guī)律對于其株型結構育種具有重要的理論指導意義。本研究采用主基因+多基因遺傳分析方法，系統(tǒng)地對果枝夾角性狀進行了遺傳規(guī)律的解析。結果表明，果枝夾角檢測到兩對等加性的主基因，通過遺傳參數(shù)估計，主基因遺傳率為90.22%，這說明陸地棉果枝夾角性狀主要受主基因控制，且主基因遺傳率較高。進一步表明該性狀的遺傳變異主基因作用大于多基因，對其可采用簡單雜交重組或回交轉育的方法即可實現(xiàn)目標性狀主基因的轉入，同時兼顧增效多基因的聚合［10］，并且在早期世代進行果枝夾角的選擇是行之有效的方法［46］。但就關于果枝夾角性狀遺傳特性的研究，前人的研究結果不盡一致。張培通等［36］利用P1、P2和RIL群體三世代聯(lián)合分析法對棉花株型性狀進行主基因+多基因遺傳分析，研究發(fā)現(xiàn)果枝夾角性狀符合主基因+多基因混合遺傳模型，同樣認為存在主基因，其研究結果與本文一致，但與本文不一致的是認為主基因遺傳率較低。而李成奇等［10］通過對百棉 1號主要株型性狀進行主基因+多基因混合遺傳分析，發(fā)現(xiàn)果枝夾角遺傳表現(xiàn)為多基因遺傳或以多基因遺傳為主，不存在主基因。這說明本研究結果與前人的研究結果也不盡一致，這可能與研究材料、性狀鑒定方法等不同有關。

另外，本研究選取的陸地棉果枝夾角極端差異的親本材料，是從418份陸地棉種質資源構成的自然群體中篩選鑒定的，因此在果枝夾角極端差異性方面顯著性較強，研究材料的選取上更具有代表性。其次，在果枝夾角性狀的鑒定方面，本研究通過開展陸地棉主莖不同部位果枝夾角與整株果枝夾角之間的相關性、差異顯著性分析，發(fā)現(xiàn)中部果枝（第4-6臺）夾角最能夠代表陸地棉整株的果枝夾角，提出以中部果枝夾角作為陸地棉果枝夾角性狀鑒定的目標參照，減少了果枝夾角性狀調查的工作量，調查方法具有一定的創(chuàng)新性。此外，在果枝夾角性狀鑒定過程中，本研究采用的主要測量工具是數(shù)顯角度測量儀，該角度測量儀器具有電子感應、操作簡單、測量精準的優(yōu)點，為本研究的順利進行提供了工具保障，這與前人的調查方法也不盡相同。本研究結果有助于闡明陸地棉果枝夾角性狀的遺傳規(guī)律，對于陸地棉果枝夾角的分子遺傳解析及株型遺傳育種具有重要現(xiàn)實意義。

4 結論

陸地棉果枝夾角變異度相對較小，中部果枝（基部起第4-6臺）夾角最能夠代表陸地棉整株的果枝夾角水平?？刂乒A角性狀的最佳模型為2對等加性主基因模型，主基因的加性效應值為3.65，遺傳率為90.22%。這說明陸地棉果枝夾角性狀主要受主基因控制，且主基因遺傳率較高。