茶樹(shù)雜交F1主要品質(zhì)成分雜種優(yōu)勢(shì)與混合遺傳分析

雷 雨 段繼華 黃飛毅 康彥凱 羅 意 陳瑩玉 丁 玎 李賽君

（湖南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院茶葉研究所 / 國(guó)家中小葉茶樹(shù)種質(zhì)資源圃（長(zhǎng)沙） / 國(guó)家茶樹(shù)改良中心湖南分中心/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部茶樹(shù)及茶葉加工科學(xué)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)站 / 湖南省茶樹(shù)種質(zhì)資源圃/湖南省茶樹(shù)品種與種苗工程技術(shù)研究中心，湖南 長(zhǎng)沙 410125）

茶是世界三大天然飲料之一，因其內(nèi)含的功能性物質(zhì)具有明顯的藥理保健作用，而日益受到消費(fèi)者喜愛(ài)。水浸出物、茶多酚、氨基酸和咖啡堿是茶葉中的主要生化成分，也是決定茶葉品質(zhì)和保健功效的物質(zhì)基礎(chǔ)［1］。

茶葉品質(zhì)的形成與茶樹(shù)品種密切相關(guān)。近年來(lái)，隨著分子生物學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，茶樹(shù)育種技術(shù)與方法得到了很大提升，但雜交育種仍是茶樹(shù)品種選育和創(chuàng)制育種新材料的主要途徑。茶樹(shù)因異花授粉、高度雜合、結(jié)實(shí)率低且世代周期長(zhǎng)等特點(diǎn)，導(dǎo)致其雜交群體獲得難度大，經(jīng)典遺傳學(xué)的研究非常滯后，相關(guān)遺傳理論研究進(jìn)展緩慢［2-4］。目前，關(guān)于茶樹(shù)主要經(jīng)濟(jì)性狀的遺傳規(guī)律已有一些報(bào)道， 如芽葉重量、長(zhǎng)度、葉片大小、育芽力等表型性狀的經(jīng)典遺傳研究多出現(xiàn)在2000 年以前［2］；進(jìn)入新世紀(jì)后，隨著分子生物技術(shù)的發(fā)展，也有不少學(xué)者開(kāi)始利用多種分子標(biāo)記技術(shù)對(duì)茶樹(shù)的部分表型性狀進(jìn)行了遺傳定位研究［5-6］。雖然前人已對(duì)茶樹(shù)的一些性狀遺傳進(jìn)行了分析，但有關(guān)茶樹(shù)主要品質(zhì)性狀的遺傳規(guī)律仍知之甚少。

主基因+多基因混合遺傳分析方法是經(jīng)典的數(shù)量性狀研究方法之一［7-9］，該方法用于鑒別數(shù)量性狀混合遺傳模型并估計(jì)相關(guān)遺傳參數(shù)，已廣泛應(yīng)用于油菜［10］、玉米［11］、水稻［12］等各類作物的農(nóng)藝、品質(zhì)、抗性等性狀的遺傳分析［10-12］，為現(xiàn)代植物育種提供了重要的參考。茶樹(shù)主要品質(zhì)成分具有典型的數(shù)量遺傳特征，但由于其遺傳材料較難獲得且生殖周期長(zhǎng)，因此應(yīng)用該方法開(kāi)展茶樹(shù)相關(guān)數(shù)量性狀的研究鮮有報(bào)道。

鑒于此，本研究以保靖黃金茶1 號(hào)為父本，福鼎大白茶、安徽1 號(hào)和碧香早分別為母本，構(gòu)建3 個(gè)雜交F1群體。采用數(shù)量性狀混合遺傳分離分析方法，研究不同遺傳背景下茶樹(shù)主要品質(zhì)性狀的遺傳模型和主基因遺傳效應(yīng)，并進(jìn)行雜種優(yōu)勢(shì)分析，探究其遺傳規(guī)律，旨在為進(jìn)一步開(kāi)展茶樹(shù)性狀分離規(guī)律研究、主要品質(zhì)成分性狀的數(shù)量性狀基因座（quantitative trait locus，QTL）定位分析和分子標(biāo)記輔助育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以保靖黃金茶1號(hào)為父本，福鼎大白茶、安徽1號(hào)、碧香早分別為母本進(jìn)行人工雜交，共收獲F1茶苗123株，其中組合Ⅰ（福鼎大白茶×保靖黃金茶1號(hào)）41株，組合Ⅱ（安徽1 號(hào)×保靖黃金茶1號(hào)）35株，組合Ⅲ（碧香早×保靖黃金茶1號(hào)）47株，所有F1與親本無(wú)性系茶苗種植于湖南省茶研所試驗(yàn)茶場(chǎng)，按常規(guī)管理，水肥、修剪等各項(xiàng)管理措施一致。

1.2 生化成分檢測(cè)

連續(xù)3年采摘春茶第一輪新梢一芽二葉制蒸青樣，并進(jìn)行微波固樣［13］。分別參照《GB/T 8305-2013茶 水浸出物測(cè)定》［14］、《GB/T 8313-2008茶葉中茶多酚和兒茶素類含量的檢測(cè)方法》［15］、《GB/T 8314-2013茶 游離氨基酸總量的測(cè)定》［16］、《GB/T 8312-2013 茶 咖啡堿測(cè)定》［17］進(jìn)行水浸出物、茶多酚、氨基酸和咖啡堿含量檢測(cè)。

1.3 雜種優(yōu)勢(shì)分析

采用中親優(yōu)勢(shì)和中親優(yōu)勢(shì)率表示雜種優(yōu)勢(shì)［18-20］。中親優(yōu)勢(shì)（Hm）為雜交F1群體某一表型性狀的平均數(shù)（Fm）與中親值（mid-parent value，MPV）之差，中親優(yōu)勢(shì)率為中親優(yōu)勢(shì)（Hm）與MPV之比，MPV為兩個(gè)親本某性狀的平均值。采用IBM SPASS 21.0 和Excel 2013軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)和頻次分析。

1.4 混合遺傳分析

根據(jù)“假F2代”策略，采用主基因+多基因混合遺傳模型對(duì)3 個(gè)雜交F1群體的4 個(gè)主要品質(zhì)性狀進(jìn)行分析，分別計(jì)算各遺傳模型的極大似然函數(shù)值和最小赤池信息量準(zhǔn)則（Akaike’s information criterion， AIC）值，然后選擇AIC 較小的遺傳模型作為備選模型，并進(jìn)行均 勻 性 檢 驗(yàn)（U12、U22、U32），Smirnov 檢 驗(yàn)（nW2）和Kolmogorov 檢驗(yàn)（Dn）等適合性檢驗(yàn)［21-23］。根據(jù)適合性檢驗(yàn)的結(jié)果選擇統(tǒng)計(jì)量達(dá)顯著水平個(gè)數(shù)最少的模型為最適模型，達(dá)顯著水平個(gè)數(shù)相同情況下以AIC 值最小的模型為最適模型，最后估算相關(guān)遺傳參數(shù)［21-23］。分析軟件采用R語(yǔ)言軟件包SEA v2.0［24］。

2 結(jié)果與分析

2.1 主要品質(zhì)成分含量的表型分布

由表1 可以看出，組合Ⅱ的水浸出物、茶多酚和咖啡堿含量均值最高，組合Ⅰ氨基酸含量均值最高。三個(gè)雜交群體水浸出物含量變異范圍2.86%～3.87%，茶多酚含量變異范圍為7.37%～8.14%，氨基酸含量變異范圍為7.63%～9.88%，咖啡堿變異范圍為6.24%～8.83%，除水浸出物遺傳變異較小外，其余各成分遺傳變異均較為廣泛。

表1 3個(gè)雜交組合F1主要品質(zhì)成分表型特征值Table 1 The phenotypic characteristics of main quality components in F1 population of three crosses

由表1的偏度和峰度以及圖1的次數(shù)分布圖可知，3 個(gè)雜交F1群體大部分子代性狀處于雙親之間，且表現(xiàn)連續(xù)性分布，表明各雜交組合主要品質(zhì)成分性狀為多基因控制的數(shù)量性狀，可進(jìn)行混合遺傳分析。

圖1 雜交F1群體主要品質(zhì)成分表型性狀的次數(shù)分布Fig.1 Frequency distribution of main quality components phenotypic traits in F1 population

2.2 主要品質(zhì)成分的雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)

經(jīng)t 檢驗(yàn)，3 個(gè)雜交組合的水浸出物、茶多酚、氨基酸和咖啡堿中親優(yōu)勢(shì)均未達(dá)到顯著水平（P＞0.05），中親優(yōu)勢(shì)率為-14.82%～9.22%。3個(gè)雜交F1群體的水浸出物和茶多酚表現(xiàn)為正向中親優(yōu)勢(shì)，氨基酸表現(xiàn)為負(fù)向中親優(yōu)勢(shì)且具有一定程度的偏母性遺傳，咖啡堿在組合Ⅰ中表現(xiàn)為正向中親優(yōu)勢(shì)，而在組合Ⅱ和組合Ⅲ中表現(xiàn)為負(fù)向中親優(yōu)勢(shì)（表2）。

表2 F1群體主要品質(zhì)成分表型性狀的雜種優(yōu)勢(shì)Table 2 Heterosis of main quality components phenotypic reaits in F1 population

3 個(gè)雜交F1群體的各主要品質(zhì)性狀均存在超出親本性狀的個(gè)體，說(shuō)明雜交后代中普遍存在超親分離現(xiàn)象。組合Ⅱ和組合Ⅲ的水浸出物和咖啡堿性狀均值超出了親本所在范圍，其水浸出物均值高于親本范圍，而咖啡堿均值低于親本范圍，具有超親優(yōu)勢(shì)；其余性狀的均值介于雙親之間，未形成超親優(yōu)勢(shì)。

2.3 主要品質(zhì)成分遺傳效應(yīng)分析

根據(jù)“假F2代”策略，對(duì)茶樹(shù)3個(gè)雜交F1群體的4個(gè)表型性狀進(jìn)行混合遺傳模型分析，結(jié)果見(jiàn)表3。據(jù)表中各性狀不同遺傳模型下的AIC 值，選擇其最小或相對(duì)較小的幾個(gè)模型為備選模型，并分別進(jìn)行適合性檢驗(yàn)。以組合Ⅲ的茶多酚性狀為例，11個(gè)模型中以2MGCD 模型的AIC 值最?。?98.57），1MG-A 模型AIC 值（198.76）次之，故選擇以上兩個(gè)模型為備選模型。

表3 F1群體主要品質(zhì)成分在不同遺傳模型下的AIC值Table 3 AIC values of various genetic models of main quality components in F1 population

表4 入選模型的適合性檢驗(yàn)Table 4 Test for goodness-of-fit of selected genetic modles

2.4 主要品質(zhì)成分遺傳參數(shù)估計(jì)

組合Ⅰ中水浸出物、茶多酚、氨基酸和咖啡堿為兩對(duì)加性-顯性主基因控制，2 對(duì)主基因加性效應(yīng)均為正向效應(yīng)，第1、第2對(duì)主效基因的加性效應(yīng)分別為1.616和0.361、1.871和1.598、0.367和0.244、0.222和0.103，第1對(duì)主效基因的加性效應(yīng)大于第2對(duì)。水浸出物、氨基酸和咖啡堿第1、第2 對(duì)主基因顯性效應(yīng)分別為0.141和-1.541、-0.302 和0.044、-0.326 和0.060，表現(xiàn)為部分負(fù)向顯性；茶多酚2對(duì)主基因顯性效應(yīng)為1.287和-0.057，表現(xiàn)為部分正向顯性，其加性效應(yīng)均大于顯性效應(yīng)。水浸出物、茶多酚、氨基酸和咖啡堿主基因遺傳率分別為96.183%、88.240%、2.629%、59.029%。

組合Ⅱ中水浸出物、茶多酚、氨基酸為等加性的兩對(duì)主基因控制，即兩對(duì)主基因的加性效應(yīng)相等，且顯性效應(yīng)均為0，其加性效應(yīng)分別為1.097、1.753、0.168，主基因遺傳率為97.178%、1.083%、3.035%；咖啡堿兩對(duì)主基因?yàn)檎蚣有孕?yīng)，且以第1對(duì)主基因?yàn)橹鳎骰蜻z傳率為90.338%。

組合Ⅲ中水浸出物、氨基酸和咖啡堿符合2對(duì)主基因-加性-顯性模型，2 對(duì)主基因均表現(xiàn)為正向加性效應(yīng)，水浸出物和氨基酸表現(xiàn)為負(fù)向顯性效應(yīng)，咖啡堿表現(xiàn)為正向顯性效應(yīng)，加性效應(yīng)大于顯性效應(yīng)；茶多酚為等加性的2對(duì)主基因控制，加性效應(yīng)為1.389，顯性效應(yīng)為0。水浸出物、茶多酚、氨基酸和咖啡堿主基因遺傳率分別為97.805%、95.382%、99.246%和99.872%（表5）。

表5 不同表型性狀在各最適模型下的遺傳參數(shù)估計(jì)值Table 5 Estimated values of genetic parameters of different phenotypic traits at its optimal genetic model

3 討論

表型性狀是基因型與環(huán)境共同作用的結(jié)果，其多樣性是育種工作的基礎(chǔ)，了解和掌握雜交F1群體的表型性狀的多樣性和變異程度，對(duì)于茶樹(shù)新品種培育具有重要意義［25-26］。本研究分析了以保靖黃金茶1 號(hào)為父本的3 個(gè)不同雜交F1群體主要生化成分表型性狀的遺傳變異情況。結(jié)果顯示，各性狀遺傳變異系數(shù)范圍為2.86%～9.88%，除水浸出物遺傳變異較小外，其余各成分遺傳變異較為廣泛，說(shuō)明水浸出物與氨基酸、茶多酚和咖啡堿相比，遺傳改良潛力相對(duì)較小。范凱等［27］研究了黃山種自然雜交后代，47 個(gè)單株葉長(zhǎng)、葉寬、一芽三葉長(zhǎng)和一芽三葉百芽重4 個(gè)表型性狀的遺傳變異系數(shù)為12.5%～33.2%；張金霞等［28］報(bào)道了黃山種自然雜交后代204 個(gè)單株的兒茶素組分遺傳變異系數(shù)范圍為22.4%～57.7%，均高于本研究中3 個(gè)雜交群體主要品質(zhì)性狀的遺傳變異系數(shù)。一方面說(shuō)明自然雜交群體比人工雜交群體遺傳變異豐富，因人工雜交群體是兩個(gè)無(wú)性系品種間的雜交后代，而自然雜交群體是同一母本、不同父本的雜交后代，其遺傳基因來(lái)源更廣泛、遺傳背景更復(fù)雜，性狀遺傳變異也相對(duì)較大；另一方面也提示茶樹(shù)雜交育種組合選配時(shí)，特異群體種資源作雜交親本，可使F1遺傳基礎(chǔ)更廣泛，選種效果更佳。

雜種優(yōu)勢(shì)利用是作物雜交育種的有效手段之一，但相比水稻、油菜等作物，茶樹(shù)雜種優(yōu)勢(shì)利用進(jìn)展緩慢，相關(guān)遺傳研究基礎(chǔ)較為薄弱。因此，加強(qiáng)茶樹(shù)目標(biāo)性狀的雜種優(yōu)勢(shì)及其形成機(jī)理研究對(duì)指導(dǎo)茶樹(shù)育種非常重要。本研究中3 個(gè)雜交組合F1的水浸出物和茶多酚表現(xiàn)正向中親優(yōu)勢(shì)，咖啡堿表現(xiàn)了不同正向和負(fù)向中親優(yōu)勢(shì)，而氨基酸表現(xiàn)為負(fù)向中親優(yōu)勢(shì)且存在偏母性遺傳，這種差異可能是母本遺傳背景不同導(dǎo)致的。雜種優(yōu)勢(shì)主要來(lái)源于雙親間的異質(zhì)性，選擇遺傳差異大的親本進(jìn)行雜交才能產(chǎn)生較強(qiáng)的雜種優(yōu)勢(shì)［24］。因此，在選育高氨基酸茶樹(shù)品種時(shí)，建議選擇氨基酸含量差異更大的品種作為親本，且高氨基酸親本為母本。

主基因+多基因混合遺傳模型是植物數(shù)量性狀遺傳研究中的重要內(nèi)容，可為后續(xù)遺傳改良奠定重要基礎(chǔ)［29-31］。本研究首次利用主基因+多基因混合模型對(duì)茶樹(shù)主要品質(zhì)性狀的遺傳規(guī)律進(jìn)行初步研究，結(jié)果表明4 個(gè)主要品質(zhì)成分在3 個(gè)雜交F1群體中共符合3 種模型，但均符合兩對(duì)主基因+多基因遺傳控制。同一性狀在不同群體中的主基因效應(yīng)表現(xiàn)不同，這可能與不同遺傳群體中雜交親本遺傳背景差異有關(guān)；同時(shí)3 個(gè)組合中母本為福鼎大白茶和碧香早的雜交F1群體主基因效應(yīng)較為一致，但均與安徽1 號(hào)為母本的雜交F1群體差異明顯，而碧香早是從福鼎大白茶×云南大葉茶的雜交后代中選育而來(lái)［32］，與福鼎大白茶遺傳背景更相近，故推測(cè)其為這兩個(gè)雜交F1群體主基因效應(yīng)較為一致的原因。從主基因遺傳率看，水浸出物和咖啡堿在三個(gè)雜交F1群體的主基因遺傳率較高，均大于50%，屬于高度遺傳力，受環(huán)境影響相對(duì)較?。徊瓒喾雍桶被嵩谌齻€(gè)群體中主基因遺傳率為1.083%～99.246%。盡管某些組合在某一性狀的遺傳模型一致，但其遺傳效應(yīng)值和遺傳率各不相同，表明遺傳背景差異及等位基因或非等位基因的不同遺傳效應(yīng)對(duì)茶樹(shù)主要品質(zhì)性狀的影響。

本研究初步分析了茶樹(shù)主要品質(zhì)成分的遺傳規(guī)律及主基因間互作效應(yīng)，有助于進(jìn)一步闡明其遺傳模式，主基因的檢測(cè)將為QTL 定位分析和分子標(biāo)記輔助育種提供理論依據(jù)，從而加快茶樹(shù)育種進(jìn)程。但由于茶樹(shù)基因高度雜合、童期長(zhǎng)，雜交群體較難獲得，導(dǎo)致本研究F1群體數(shù)量偏少。因此，在今后的工作中將進(jìn)一步擴(kuò)大這幾個(gè)組合的群體數(shù)量，對(duì)以保靖黃金茶為父本的雜交后代開(kāi)展更深入的研究，以便更準(zhǔn)確、全面地了解茶樹(shù)主要性狀遺傳規(guī)律。

4 結(jié)論

本研究明確了3 個(gè)不同茶樹(shù)雜交組合中水浸出物、茶多酚、氨基酸和咖啡堿4個(gè)主要品質(zhì)成分的雜種優(yōu)勢(shì)和遺傳模型，發(fā)現(xiàn)水浸出物遺傳改良潛力較小，水浸出物和茶多酚表現(xiàn)正向中親優(yōu)勢(shì)，咖啡堿表現(xiàn)了不同的正向和負(fù)向中親優(yōu)勢(shì)，而氨基酸表現(xiàn)為負(fù)向中親優(yōu)勢(shì)且存在偏母性遺傳；4個(gè)主要品質(zhì)成分在3個(gè)組合中共有3 種模型，均檢測(cè)到2 對(duì)主基因，且以加性效應(yīng)為主，水浸出物和咖啡堿主基因遺傳率較高。