節(jié)瓜種子大小的主基因+多基因遺傳分析

高 銀，彭家柱，汪國(guó)平，喬燕春

（1.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝學(xué)院，廣東 廣州 510642；2.廣州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 510308）

【研究意義】種子大小與質(zhì)量是重要的農(nóng)藝性狀，種子大小對(duì)出苗和幼苗生長(zhǎng)均有一定的影響，同時(shí)決定了作物的產(chǎn)量［1］。一般來(lái)說(shuō)，較大的種子生長(zhǎng)出來(lái)的種苗比小種子生長(zhǎng)出來(lái)的種苗更大［2-3］。在相同的生長(zhǎng)環(huán)境中，大種和小種都能保證出苗率不受影響或影響較小，但對(duì)種苗后期的發(fā)育影響較大，尤其是在不利的環(huán)境中，大種子的優(yōu)勢(shì)更為明顯，其相較于小種子來(lái)說(shuō)生長(zhǎng)更旺盛、產(chǎn)量更高，而小種子則能有效地分散和定植［4］。因此，探究種子性狀對(duì)作物改良種質(zhì)、提高產(chǎn)量以及解決生物能源問(wèn)題具有重要作用。【前人研究進(jìn)展】目前已在很多作物上開(kāi)展了種子大小的遺傳研究，王敏等［5］對(duì)黃瓜6 個(gè)世代進(jìn)行遺傳分析，得到黃瓜種子寬度和長(zhǎng)度的遺傳均符合加性-顯性-上位性多基因遺傳模型，且以多基因加性效應(yīng)為主；張可鑫等［6］得到甜瓜種子長(zhǎng)度、寬度和百粒質(zhì)量的遺傳分別符合2 對(duì)加性-顯性-上位性主基因遺傳模型以及1 對(duì)加性-顯性主基因遺傳模型；王毅等［7］通過(guò)對(duì)冬瓜4 個(gè)世代遺傳分析，得出冬瓜種子長(zhǎng)度的遺傳符合2 對(duì)完全顯性主基因+加性-顯性主基因遺傳模型（E5），種子寬度的遺傳符合2 對(duì)加性-顯性主基因+加性-顯性多基因模型（E2）；劉文睿等［8］通過(guò)對(duì)冬瓜6 個(gè)世代種子千粒質(zhì)量進(jìn)行遺傳分析，得出冬瓜千粒質(zhì)量的遺傳符合1 對(duì)加性主基因+加性-顯性多基因遺傳模型；周延峰等［9］研究發(fā)現(xiàn)，西瓜種子長(zhǎng)度的遺傳符合 D-3 模型（1 對(duì)完全顯性主基因+加性-顯性多基因遺傳模型），種子寬度和百粒質(zhì)量的遺傳則均符合D-2 模型（1對(duì)加性主基因+加性-顯性多基因模型）；趙天波等［10］發(fā)現(xiàn)西葫蘆種子長(zhǎng)度和寬度的遺傳分別符合 B-1 模型（2 對(duì)加性-顯性-上位性主基因遺傳模型）和 E-1 模型（2 對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因混合遺傳模型）；鄒一超等［11］研究發(fā)現(xiàn)，苦瓜種子長(zhǎng)度的遺傳符合加性 -顯性-上位性多基因遺傳模型（C-0 模型），種子寬度的遺傳符合 D-0 模型。節(jié)瓜〔Benincasa hispida(Thunb.) Cogn.var.chiehquaHow〕又名毛瓜，是葫蘆科冬瓜屬的一個(gè)變種，為藤蔓生草本植物，是廣東省主要蔬菜作物，其產(chǎn)品除供應(yīng)本地市場(chǎng)外還銷往港澳地區(qū)，種植效益顯著?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】相對(duì)于擬南芥、水稻等植物種子大小的研究，瓜類種子大小的研究仍處于初級(jí)階段，節(jié)瓜作為我國(guó)華南地域性作物，關(guān)于種子大小的遺傳研究還未見(jiàn)報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】本研究以種子大小差異顯著的節(jié)瓜高世代自交系為親本，構(gòu)建P1、P2、F1和F24 個(gè)世代群體，并采用主基因+多基因混合模型對(duì)種子的長(zhǎng)度、寬度和30 粒種子質(zhì)量進(jìn)行遺傳分析，揭示種子大小的遺傳規(guī)律，以期為節(jié)瓜種子大小的基因定位、選育新品種并獲得更大經(jīng)濟(jì)效益提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試節(jié)瓜多世代穩(wěn)定自交系材料均由廣州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院提供。以大粒種子節(jié)瓜自交系J16 為母本（P1）、小粒種子節(jié)瓜自交系18FJ5 為父本（P2），通過(guò)雜交獲得 F1（圖1），再將 F1自交獲得 F2群體。J16（P1）種子長(zhǎng)度、寬度以及30 粒種子質(zhì)量分別為11.44（±0.27）mm、5.97（±0.14）mm、1.34（±0.1）g；18FJ5（P2）種子長(zhǎng)度、寬度以及30 粒種子質(zhì)量分別為6.5（±0.24）mm、3.43（±0.15）mm、0.62（±0.07）g。

圖1 節(jié)瓜親本及F1 代種子大小比較Fig.1 Comparison of seed size between Chieh-qua parents and F1 generation

1.2 性狀測(cè)定

2021 年7 月，同時(shí)將4 個(gè)世代的種子進(jìn)行浸泡、催芽以及育苗，并定植于廣州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院南沙試驗(yàn)基地。行距為0.8 m，株距為0.3 m，人工授粉前及授粉后對(duì)雌花和雄花進(jìn)行隔離，避免其他物種干擾，且每株只留2 個(gè)瓜，待節(jié)瓜表面布滿白粉或毛絨褪掉時(shí)進(jìn)行采摘取種。取母本20 株、父本20 株、F1代30 株、F2代 236 株，每株采收的種子混合在一起并取10 粒顆粒飽滿的種子，利用游標(biāo)卡尺分別對(duì)種子長(zhǎng)度和寬度進(jìn)行測(cè)量，隨后再稱量30 粒飽滿種子總質(zhì)量（萬(wàn)分之一天平），用于種子大小和質(zhì)量的遺傳分析。

1.3 數(shù)據(jù)分析

利用Excel、SPSS 軟件對(duì)節(jié)瓜種子大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。利用遺傳模型分析軟件包對(duì)種子長(zhǎng)度、寬度以及質(zhì)量進(jìn)行遺傳模型分析，得出極大似然函數(shù)值（Max-likelihood-values，MLV）和AIC 值（Akaike’s information criterion）。根據(jù)AIC 準(zhǔn)則，選擇3 個(gè)AIC 值最小的模型作為候選模型并進(jìn)行適合性檢驗(yàn)。最后，通過(guò)軟件包計(jì)算出最優(yōu)遺傳模型的一、二階遺傳參數(shù)，并對(duì)主基因、多基因等遺傳效應(yīng)值進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 節(jié)瓜4 個(gè)世代群體種子大小表型分析

對(duì)節(jié)瓜3 個(gè)世代種子長(zhǎng)度、寬度以及30 粒種子質(zhì)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果（表1）表明，F(xiàn)1代種子長(zhǎng)度、寬度以及質(zhì)量整體偏向于大粒親本P1。在F2代群體中，種子長(zhǎng)度、寬度以及質(zhì)量3個(gè)性狀出現(xiàn)分離，并均呈雙峰分布（圖2），表明三者均符合數(shù)量性狀特征。

表1 節(jié)瓜3 個(gè)世代種子長(zhǎng)度、寬度和30 粒種子質(zhì)量均值Table1 Mean value of seed length,width and mass of 30 seeds in three generations of Chieh-qua

圖2 節(jié)瓜種子長(zhǎng)度、寬度和30 粒種子質(zhì)量在 F2 群體中的頻率分布Fig.2 Frequency distribution of seed length,width and mass of 30 seeds in F2 population of Chieh-qua

2.2 節(jié)瓜種子大小遺傳模型分析

由表2 可知，節(jié)瓜種子長(zhǎng)度的3 個(gè)最小 AIC值分別為850.3420、853.7899 和856.4725，其對(duì)應(yīng)的遺傳模型分別是 MX2-ADI-AD、MX1-AD-ADI 和MX2-ADI-ADI，以這 3 組模型作為候選模型；種子寬度的3 個(gè)最小AIC 值分別為394.2935、395.1636 和396.9915，對(duì)應(yīng)的3 個(gè)候選模型為MX1-AD-ADI、MX2-ADI-AD 和MX2-A-AD；30 粒種子質(zhì)量的最小AIC 值分別為89.4152、95.8995 和90.9508，對(duì)應(yīng)候選模型為 MX1-AD-ADI、MX2-ADI-ADI 和 MX2-ADI-AD。

表2 節(jié)瓜種子大小遺傳模型極大似然函數(shù)值和AIC 值Table 2 Maximum likelihood values (MLV) and akaike information criterion (AIC) of genetic models of Chieh-qua seed size

2.3 節(jié)瓜種子大小候選遺傳模型的適合性檢驗(yàn)

通過(guò)對(duì)節(jié)瓜以上3 個(gè)性狀的候選遺傳模型進(jìn)行適合性檢驗(yàn)，選擇 AIC 值最小或相對(duì)較小且統(tǒng)計(jì)為差異不顯著的模型作為最優(yōu)模型（表3）。種子長(zhǎng)度的3 個(gè)候選遺傳模型均在3 個(gè)世代中達(dá)到顯著，根據(jù)AIC 準(zhǔn)則，同樣條件下MX2-ADIAD 模型的AIC 值最小。因此，節(jié)瓜種子長(zhǎng)度的最優(yōu)遺傳模型為MX2-ADI-AD，即2 對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因遺傳模型。在種子寬度3 個(gè)候選遺傳模型中，MX2-ADI-AD模型的AIC 值最小，且在各世代中均沒(méi)有達(dá)到顯著，因此節(jié)瓜種子寬度最優(yōu)遺傳模型為MX2-ADI-AD，即2 對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因遺傳模型。30 粒種子質(zhì)量的候選遺傳模型在各世代中均未達(dá)到顯著，AIC 值最小的MX1-AD-ADI 模型則為最優(yōu)遺傳模型，即1對(duì)加性-顯性主基因+加性-顯性-上位性多基因遺傳模型。

表3 節(jié)瓜種子大小候選遺傳模型的適合性檢驗(yàn)Table 3 Test of candidate model suitability of Chieh-qua seed size

2.4 節(jié)瓜種子大小最適遺傳模型的遺傳參數(shù)估計(jì)

2.4.1 種子長(zhǎng)度 由表4 可知，在一階遺傳參數(shù)中，第1 對(duì)主基因的加性效應(yīng)值（da）為2.0211，第2 對(duì)主基因的加性效應(yīng)值（db）為0.3035，2對(duì)主基因的加性效應(yīng)值絕對(duì)值之和（da+db）為2.3246。2 對(duì)主基因的顯性效應(yīng)值（ha和hb）分別為1.0577 和-0.3169，顯性效應(yīng)值絕對(duì)值之和（ha+hb）為1.3746，表明主基因的加性效應(yīng)在控制節(jié)瓜該性狀中起主導(dǎo)作用。且第1 對(duì)主基因的加性效應(yīng)大于第2 對(duì)主基因的加性效應(yīng)（da＞db），說(shuō)明主基因以第1 對(duì)的正向加性效應(yīng)為主；0.1469 和1.6188 分別為多基因的加性效應(yīng)值[d]和顯性效應(yīng)值[h]，顯性度大于1，說(shuō)明起主導(dǎo)作用的是多基因的顯性效應(yīng)[h]。在主要互作效應(yīng)中，加性×加性（i）、顯性×顯性（l）互作為正向，加性×顯性（jab）和顯性×加性（jba）互作均為負(fù)向。在二階遺傳參數(shù)中可以看出，控制節(jié)瓜種子長(zhǎng)度的主基因遺傳率（）為87.07%，而多基因遺傳率（）為0，表明主基因?qū)?jié)瓜種子長(zhǎng)度遺傳的作用較大。

表4 節(jié)瓜種子大小最適遺傳模型的遺傳參數(shù)估計(jì)Table 4 Genetic parameter estimates of optimal genetic models of Chieh-qua seed size

2.4.2 種子寬度 由節(jié)瓜種子寬度的一階遺傳參數(shù)可知，在控制該性狀中起主導(dǎo)作用的是主基因的加性效應(yīng)，且主基因以第1 對(duì)的正向加性效應(yīng)為主；加性效應(yīng)值[d]和顯性效應(yīng)值[h]分別為-0.7634 和1.5147，說(shuō)明多基因的顯性效應(yīng)[h]起主導(dǎo)作用；節(jié)瓜種子寬度的主要互作效應(yīng)情況與種子長(zhǎng)度的遺傳效應(yīng)一致。在二級(jí)遺傳參數(shù)中可以得到，控制節(jié)瓜種子寬度的主基因遺傳率（）為90.79%，多基因遺傳率（）為0，說(shuō)明主基因?qū)?jié)瓜種子寬度遺傳的作用較大。

2.4.3 種子質(zhì)量 在30 粒種子質(zhì)量中，控制種子長(zhǎng)度的主基因遺傳率（h2mg）為79.96%，多基因遺傳率（h2Pg）為8.73%，同樣說(shuō)明了主基因在此性狀中作用較大。

3 討論

種子是高等植物最主要的繁殖器官，是植物生命周期的起點(diǎn)和終點(diǎn)，種子對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要，同時(shí)也是影響產(chǎn)量的重要因素。質(zhì)量性狀可以通過(guò)孟德?tīng)栠z傳定律進(jìn)行分析，主基因+多基因混合遺傳模型分析方法解決了孟德?tīng)栠z傳定律不能揭示的數(shù)量性狀遺傳規(guī)律，是數(shù)量性狀遺傳分析的經(jīng)典方法［12］，廣泛應(yīng)用于大豆［13］、水稻［14-16］、小麥［17-18］、玉米［19-20］、茄子［21-23］、花生［24-25］、煙草［26-27］、番茄［28］、辣椒［29-30］、瓠瓜［31］、絲瓜［32］等作物性狀育種中，為遺傳改良提供了重要信息。節(jié)瓜種子大小和質(zhì)量的遺傳分析鮮有報(bào)道，本研究對(duì)不同世代的節(jié)瓜種子長(zhǎng)度、寬度及30 粒種子質(zhì)量進(jìn)行測(cè)定，得出F1代的種子表型均接近大種親本P1，在F2代群體中呈雙峰分布。主基因+多基因遺傳分析結(jié)果表明，節(jié)瓜種子長(zhǎng)度和寬度的最適遺傳模型均為MX2-ADI-AD，即2 對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因遺傳模型，主基因遺傳率分別為87.07%和90.79%、多基因遺傳率均為0，其中節(jié)瓜種子寬度遺傳模型與西葫蘆種子寬度遺傳模型一致［10］，30 粒種子質(zhì)量的最適遺傳模型為MX1-AD-ADI，即1 對(duì)加性-顯性主基因+加性-顯性-上位性多基因遺傳模型，主基因和多基因遺傳率分別為79.96%和8.73%。通過(guò)遺傳參數(shù)估計(jì)，可以發(fā)現(xiàn)主基因在這3 個(gè)性狀中作用較大，這與王敏等［5］研究結(jié)果一致。但除了主效基因，我們推測(cè)可能還存在其他微效基因?qū)ΨN子長(zhǎng)度、寬度及質(zhì)量起修飾作用。節(jié)瓜與冬瓜具有較近的親緣關(guān)系，遺傳背景非常窄［33］，但本研究與王毅等［7］“冬瓜長(zhǎng)度遺傳符合2 對(duì)完全顯性主基因+加性-顯性多基因遺傳模型（E-5），寬度遺傳符合2 對(duì)加性-顯性主基因+加性-顯性多基因模型（E-2），千粒質(zhì)量遺傳符合1 對(duì)加性主基因+加性-顯性多基因遺傳模型”的研究結(jié)果不一致。此外，節(jié)瓜種子長(zhǎng)度、寬度以及30 粒種子質(zhì)量均呈雙峰分布，表現(xiàn)為數(shù)量性狀特征，與多數(shù)種子大小遺傳研究的結(jié)果一致，但也有部分學(xué)者認(rèn)為種子大小為質(zhì)量性狀，這可能是由于材料、種植方式或測(cè)量方法不同導(dǎo)致。今后仍需對(duì)不同遺傳背景下節(jié)瓜種子大小的遺傳模型進(jìn)行分析。

4 結(jié)論

本研究以大粒種子節(jié)瓜自交系 J16（P1）和小粒種子節(jié)瓜自交系 18FJ5（P2）為親本進(jìn)行雜交，結(jié)果發(fā)現(xiàn)F1群體的種子長(zhǎng)度、寬度以及30粒質(zhì)量均接近大粒親本J16（P1），F(xiàn)2代出現(xiàn)分離，節(jié)瓜種子長(zhǎng)度、寬度以及質(zhì)量均呈雙峰分布，表現(xiàn)為數(shù)量性狀特征。對(duì)這些性狀進(jìn)行主基因+多基因遺傳分析得出各性狀最適遺傳模型及遺傳參數(shù)，發(fā)現(xiàn)主基因在種子長(zhǎng)度、寬度以及質(zhì)量3個(gè)性狀中作用較大，其遺傳率分別為87.07%、90.79%和79.96%；種子長(zhǎng)度、寬度以加性效應(yīng)為主，最佳遺傳模型均為MX2-ADI-AD（2 對(duì)加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因），30 粒種子質(zhì)量的最佳遺傳模型為MX1-AD-ADI（1對(duì)加性-顯性主基因+加性-顯性-上位性多基因）。綜上，可重視利用主基因，采用組合育種的途徑對(duì)節(jié)瓜進(jìn)行改良。