花生籽仁蔗糖含量遺傳模型分析

郅晨陽 薛曉夢(mèng) 吳 潔 李雄才 王 瑾 晏立英 王 欣 陳玉寧 康彥平 王志慧 淮東欣,* 洪彥彬 姜慧芳 雷 永,* 廖伯壽

1中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所 / 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部遺傳育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北武漢 430062; 2 襄陽市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣中心, 湖北襄陽 441021; 3 河北省農(nóng)林科學(xué)院糧油作物研究所, 河北石家莊 050035; 4 廣東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所, 廣東廣州 510640

花生是世界范圍內(nèi)重要的油料作物和經(jīng)濟(jì)作物之一, 我國(guó)是世界花生生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó), 其產(chǎn)量和消費(fèi)量持續(xù)增長(zhǎng)[1]。近年來, 隨著人們消費(fèi)需求的改變, 高品質(zhì)食用花生在消費(fèi)市場(chǎng)中嶄露頭角[2-3], 對(duì)其風(fēng)味品質(zhì)也提出了更高的要求。研究表明, 甜味與花生口味品質(zhì)呈顯著正相關(guān), 相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.88[4], 甜味較高時(shí), 花生口感較好?？扇苄蕴鞘腔ㄉ鹞兜闹饕獊碓? 其中蔗糖所占比例最高, 約占可溶性糖的90%, 與總糖含量極顯著正相關(guān)[5-6],當(dāng)蔗糖含量高于5%, 花生籽仁可以品嘗到明顯的甜味[7], 表明蔗糖含量是影響花生甜味的關(guān)鍵因素,因此籽仁蔗糖含量是評(píng)價(jià)花生風(fēng)味的關(guān)鍵指標(biāo)。

研究發(fā)現(xiàn), 花生種質(zhì)資源中蔗糖含量變異豐富,是可遺傳的數(shù)量性狀[7-9], 改良潛力大。已有研究表明, 花生蔗糖含量可能受兩對(duì)主基因+多基因調(diào)控,主要受母體效應(yīng)控制[10-11]。通過定位研究, 分別在A06、A08和B06染色體上鑒定到調(diào)控花生蔗糖含量的主效QTL[12-14]。通過轉(zhuǎn)錄組-代謝組聯(lián)合分析,推測(cè)花生籽仁蔗糖含量可能來源于光合產(chǎn)物的非完全轉(zhuǎn)化[15]。雖然花生籽仁蔗糖含量研究已取得初步進(jìn)展, 但其調(diào)控機(jī)制仍不明確, 因此, 開展花生籽仁蔗糖含量的遺傳研究分析, 探索其規(guī)律, 對(duì)指導(dǎo)花生蔗糖含量定位研究及花生品質(zhì)育種具有重要意義。

本研究利用高糖品種(系) SYT5-1 (6.41%)和冀花甜1號(hào)(JHT1, 6.34%)分別構(gòu)建了2個(gè)F2:3群體:NYBP×SYT5-1、19-1934×冀花甜1號(hào), 分別獲得了467份和149份F2:3家系, 通過測(cè)定2個(gè)群體籽仁蔗糖含量, 分析蔗糖含量與含油量、蛋白質(zhì)含量以及籽仁相關(guān)性狀之間的相關(guān)性, 利用SEA 2.0軟件對(duì)蔗糖含量進(jìn)行了遺傳模型分析, 推測(cè)其遺傳規(guī)律,為進(jìn)一步探索蔗糖含量調(diào)控機(jī)制、指導(dǎo)食用型花生品種培育奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 群體材料

本研究以4個(gè)蔗糖含量存在極顯著差異的品種(系): SYT5-1 (6.41%)、南陽白皮(NYBP, 2.53%)、19-1934 (2.61%)和冀花甜1號(hào)(JHT1, 6.34%)為親本,配置2個(gè)雜交組合: NYBP×SYT5-1、19-1934×冀花甜1號(hào), 種植于中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所陽邏基地, 按組合收獲F1、F2代種子, 分別獲得467份和149份F2:3家系的花生籽仁, 以其為試驗(yàn)材料開展研究。其中, SYT5-1和19-1934分別為中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院油料作物研究所選育的高糖品系和高油品系,南陽白皮為本單位保存的種質(zhì)資源, 冀花甜1號(hào)由河北省農(nóng)林科學(xué)院育成并提供。

1.2 表型分析

1.2.1 花生籽仁蔗糖含量及蛋白質(zhì)含量測(cè)定 利用近紅外模型測(cè)定花生籽仁蔗糖含量和蛋白質(zhì)含量。每份材料選取15～20粒飽滿無病變的花生種子,將其放置于小樣品杯中, 利用Sperctra Star XL近紅外光譜儀(美國(guó)Unity科技公司)采集光譜并預(yù)測(cè)蔗糖含量和蛋白質(zhì)含量, 每份材料重復(fù)3次, 分別計(jì)算蔗糖含量和蛋白含量的平均值。

1.2.2 花生籽仁含油量測(cè)定 利用脈沖核磁共振儀分析法, 使用核磁共振儀(PQ001)對(duì)花生籽仁含油量進(jìn)行測(cè)定。每份材料選用10粒飽滿無病變的花生籽仁稱取其質(zhì)量, 利用NMR (Nuclear Magnetic Resonance)技術(shù)得到的信號(hào)量與含油量的線性方程,計(jì)算樣品含油量, 每份材料重復(fù)3次, 以平均值作為該材料的含油量。

1.2.3 花生籽仁長(zhǎng)、籽仁寬及百仁重測(cè)定 花生籽仁產(chǎn)量性狀統(tǒng)計(jì): 選取15粒均勻飽滿的花生籽仁,利用萬深SC-G型自動(dòng)考種儀及千粒重儀, 分別獲得籽仁長(zhǎng)、籽仁寬和百仁重, 每份材料重復(fù)3次, 取平均值。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析 利用SPSS 19統(tǒng)計(jì)F2:3群體花生蔗糖含量、含油量、蛋白質(zhì)含量和籽仁性狀數(shù)據(jù),并計(jì)算各性狀間的相關(guān)系數(shù)。

應(yīng)用SEA 2.0軟件程序[16]對(duì)花生蔗糖含量進(jìn)行主基因+多基因遺傳模型分析。依據(jù)AIC準(zhǔn)則和極大似然值篩選AIC值最小及極大似然值較大的遺傳模型作為備選模型, 并對(duì)獲得的所有模型進(jìn)行適合性檢驗(yàn), 包括: 均勻性檢驗(yàn)(U12、U22、U32)、Smirnov檢驗(yàn)(nW2)、Kolmogorov檢驗(yàn)(DN), 篩選適合性檢驗(yàn)參數(shù)均未達(dá)到顯著或極顯著水平、具有其統(tǒng)計(jì)學(xué)意義的模型進(jìn)行遺傳參數(shù)分析。使用最小二乘法對(duì)蔗糖含量遺傳模型進(jìn)行遺傳參數(shù)估算確定最佳遺傳模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 2個(gè)群體F2蔗糖含量頻數(shù)分布特征

對(duì)兩群體花生籽仁蔗糖含量頻數(shù)分布進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(圖1)發(fā)現(xiàn), 在NYBP×SYT5-1中, 蔗糖含量的變異范圍為0.19%～8.20%, 呈現(xiàn)連續(xù)分布的特點(diǎn), 且群體蔗糖含量偏度與峰度絕對(duì)值均小于1 (附表1), 總體呈現(xiàn)近似正態(tài)分布, 表明蔗糖含量可能受多基因調(diào)控; 19-1934×JHT1群體中, 蔗糖含量變異范圍更大, 為0.09%～9.51% (附表1), 同樣呈現(xiàn)連續(xù)分布,但是表現(xiàn)明顯的雙峰分布趨勢(shì), 表明蔗糖含量可能由少量主基因調(diào)控。在2個(gè)群體中都觀察到明顯的超親分離現(xiàn)象, 其中在NYBP×SYT5-1中蔗糖含量高于親本SYT5-1的家系共27個(gè), 在19-1934×JHT1群體中蔗糖含量高于親本JHT1的家系共9個(gè), 這些優(yōu)異家系為花生高糖育種提供了材料基礎(chǔ)。

附表1 F2:3群體蔗糖含量表型統(tǒng)計(jì)Table S1 Phenotypic statistics of sucrose content in F2:3 population

表1 花生籽仁蔗糖含量遺傳模型分析Table 1 Genetic model analysis of sucrose content in peanut seeds

圖1 花生籽仁蔗糖含量頻數(shù)分布圖Fig. 1 Frequency distribution of sucrose content in peanut kernel

2.2 花生籽仁蔗糖含量與含油量、蛋白質(zhì)含量及產(chǎn)量相關(guān)性狀之間的相關(guān)性分析

由圖2可知, 在NYBP×SYT5-1群體中, 花生籽仁蔗糖含量與含油量呈極顯著負(fù)相關(guān)(r= -0.57**),與蛋白質(zhì)含量顯著正相關(guān)(r= 0.52**), 但與籽仁長(zhǎng)、籽仁寬和百粒重間無明顯相關(guān)關(guān)系。在19-1934 ×JHT1中, 籽仁蔗糖含量與含油量同樣顯著負(fù)相關(guān)(r= -0.80**), 與蛋白質(zhì)含量也顯著正相關(guān)(r=0.75**),而與籽仁長(zhǎng)、籽仁寬和百仁重間都表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)分別為-0.41**、-0.39**、-0.42**。同時(shí)發(fā)現(xiàn), 在2個(gè)群體中, 籽仁含油量與蛋白質(zhì)含量顯著負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)在2個(gè)群體間分別為-0.47**、-0.62**。

圖2 花生籽仁蔗糖含量與其他性狀之間相關(guān)性Fig. 2 Correlations between sucrose content and other traits in peanut kernel

綜上, 在兩群體間, 籽仁蔗糖含量與含油量均呈顯著負(fù)相關(guān), 與蛋白質(zhì)含量均顯著正相關(guān), 同時(shí)發(fā)現(xiàn), 籽仁含油量與蛋白質(zhì)含量間也存在極顯著的負(fù)相關(guān)。但在2個(gè)群體中, 蔗糖含量與籽仁長(zhǎng)、籽仁寬和百仁重3個(gè)性狀間的相關(guān)性不一致, 在19-1934 × JHT1中蔗糖含量與三者顯著負(fù)相關(guān), 但在NYBP×SYT5-1群體中不存在相關(guān)關(guān)系。

2.3 花生籽仁蔗糖含量的遺傳模型分析

使用SEA 2.0軟件中SEA-F23程序?qū)ㄉ讶收崽呛窟M(jìn)行主基因+多基因模型分析發(fā)現(xiàn), NYBP×SYT5-1與19-1934×JHT1群體均獲得11種遺傳模型(表1), 模型適合性檢驗(yàn)結(jié)果顯示, 所有模型均為達(dá)到顯著或極顯著水平, 具有其統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(表2)。

表2 花生籽仁蔗糖含量候選模型的適合性檢驗(yàn)Table 2 Suitability test of candidate models for sucrose content in peanut seeds

依據(jù)極大似然值最大及AIC值最小原則對(duì)2個(gè)組合間所有遺傳模型進(jìn)行篩選(表1)發(fā)現(xiàn), 在NYBP×SYT5-1群體中, 2MG-AD極大似然值為–847.85,AIC值為1707.69, 是最優(yōu)候選模型; 在19-1934×JHT1中, 2MG-AD同樣具有最大的極大似然值及最小AIC值, 分別為-298.02與608.03, 是最優(yōu)候選模型。綜上, 兩群體最優(yōu)候選模型均為2MG-AD, 即兩對(duì)主基因控制加性顯性效應(yīng)是最優(yōu)遺傳模型。

一階參數(shù)結(jié)果表明(表3), 在NYBP×SYT5-1群體中, 第1對(duì)主基因與第2對(duì)主基因加性效應(yīng)分別為da=1.6676、db=1.2171, 顯性效應(yīng)分別為ha=-0.6996、hb= -0.3973; 19-1934×JHT1群體中, 兩對(duì)主基因的加性效應(yīng)分別為da=1.7948、db=0.7131, 顯性效應(yīng)分別為ha=1.9106、hb= -0.1276。

表3 花生籽仁蔗糖含量一階參數(shù)估計(jì)值Table 3 Estimates of first order genetic parameters for sugar content in peanut kernels

兩群體間, 兩對(duì)主基因的加性效應(yīng)均表現(xiàn)為|da|>|db|, 即表明兩對(duì)主基因調(diào)控蔗糖含量表型間,以其中一對(duì)主基因的加性效應(yīng)為主; 顯性效應(yīng)|ha|>|hb|, 表明組合中控制籽仁蔗糖含量的其中一對(duì)主基因顯性效應(yīng)大于另一對(duì)主基因, 顯性效應(yīng)更加明顯。因此, 調(diào)控花生籽仁蔗糖含量的主基因間存在明顯的互作, 且其中一對(duì)主基因的加性效應(yīng)和顯性效應(yīng)大于另一對(duì)主基因, 對(duì)控制花生籽仁蔗糖含量的效應(yīng)更加明顯。

二階遺傳參數(shù)結(jié)果顯示(表4), NYBP×SYT5-1中, 最優(yōu)模型2MG-AD的主基因方差與主基因遺傳率最高, 分別為2.2810和85.9102; 19-1934×JHT1組合中, 主基因方差與遺傳率為4.0724和97.7852。在兩群體間蔗糖含量的主基因遺傳率很高, 表明蔗糖含量主要受遺傳效應(yīng)控制, 受環(huán)境影響較小。

表4 花生籽仁蔗糖含量二階遺傳參數(shù)估計(jì)值Table 4 Estimated values of genetic parameters of sucrose content in peanut kernels

3 討論

在我國(guó), 花生是主要的油料和經(jīng)濟(jì)作物之一,我國(guó)花生總產(chǎn)的約40%用于食用加工, 食用花生的消費(fèi)量也在逐年增長(zhǎng)[17]。蔗糖含量是影響花生及其加工食品風(fēng)味的重要因素, 已成為食用花生品質(zhì)遺傳改良的重要方向, 研究蔗糖含量的遺傳規(guī)律將為開展高糖花生育種奠定重要的理論基礎(chǔ)。本研究利用2個(gè)高糖材料SYT5-1和JHT1, 分別構(gòu)建了F2:3群體, 雜交后代中蔗糖含量呈連續(xù)分布, 變異范圍分別為0.19%～8.20%和0.09%～9.06% (圖1), 與Bishi等在60份珍珠豆型資源材料及41份印度主栽培品種中檢測(cè)的蔗糖含量(2.44%～7.61%和2.61%～6.50%)相比[7-8], 雜交群體中蔗糖變異范圍更大, 創(chuàng)造了更多的變異。同時(shí)發(fā)現(xiàn), 本研究2個(gè)群體間蔗糖含量表現(xiàn)出顯著不同的連續(xù)分布特征, NYBP×SYT5-1群體蔗糖含量呈正態(tài)分布(圖1-A), 但19-1934×JHT1群體的雙峰分布趨勢(shì)明顯(圖1-B)。對(duì)比前人研究結(jié)果,同樣發(fā)現(xiàn)不同材料構(gòu)建的群體間, 蔗糖含量的分布特征存在差異, NYBP×SYT5-1群體與張曉軍等[12]構(gòu)建的分離群體中, 蔗糖含量均呈近似正態(tài)分布, 表明花生蔗糖含量在這些群體中可能受多基因調(diào)控[18];而本研究19-1934×JHT1群體與秦利等[11]、Guo等[14]的試驗(yàn)結(jié)果均表現(xiàn)出明顯的雙峰分布, 可能受少量主基因調(diào)控。造成這種差異的原因可能與選用的雜交親本攜帶不同的蔗糖含量主效位點(diǎn)相關(guān), 加上不同組合群體間親本材料遺傳背景存在差異, 導(dǎo)致不同群體間蔗糖含量分布特征存在差異。

本研究的2個(gè)雜交分離群體中, 花生蔗糖含量與含油量均呈極顯著負(fù)相關(guān)(r= -0.57**,r= –0.80**)(圖2)。在大豆、油菜等油料作物中, 蔗糖含量與含油量也表現(xiàn)出類似的負(fù)相關(guān)性[19-21], 這種負(fù)相關(guān)性可能與油料作物籽仁中的油脂來源于蔗糖相關(guān), 多項(xiàng)研究結(jié)果表明, 油料作物的光合產(chǎn)物以蔗糖形式運(yùn)輸?shù)阶讶? 并被轉(zhuǎn)化分解, 為脂肪酸和三酰甘油的合成積累提供最主要碳源[22-24]。在油菜種子胚中,隨著胚發(fā)育, 蔗糖含量逐步降低, 而油脂含量不斷積累增加[24]。同時(shí), 蔗糖還作為一種重要的信號(hào)物質(zhì)調(diào)控糖酵解途徑, 影響該途徑中多種基因的表達(dá),對(duì)下游油脂合成途徑產(chǎn)生影響[25]。蓖麻種子中糖代謝相關(guān)基因表達(dá)量下調(diào)引起油脂積累相關(guān)基因表達(dá)量的明顯提高[26]。在以淀粉作為主要儲(chǔ)藏物質(zhì)的玉米、水稻等作物相關(guān)研究中, 與糖代謝相關(guān)的基因的突變?cè)斐商欠址e累并引起淀粉含量的下降或淀粉性質(zhì)的變化[27-29],OsSWEET11突變體中糖-淀粉代謝途徑明顯變化, 對(duì)水稻穎果發(fā)育產(chǎn)生了重要影響[30]。因此推測(cè), 花生籽仁中蔗糖含量的積累可能是油脂合成受阻引起。

在本研究?jī)扇后w中, 花生籽仁蔗糖與蛋白質(zhì)含量均呈顯著正相關(guān)(r= 0.52**,r= 0.75**), 含油量與蛋白質(zhì)含量顯著負(fù)相關(guān)(r= –0.47**,r= –0.62**, 圖2),大豆相關(guān)研究存在相似結(jié)論[31]。籽仁中油脂和蛋白質(zhì)的合成主要以蔗糖的分解產(chǎn)物丙酮酸為共同底物[32], 二者存在底物競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系, 油脂含量與蛋白質(zhì)含量通常表現(xiàn)為顯著負(fù)相關(guān)[33-35]。因此推測(cè), 花生籽仁內(nèi)蔗糖含量與蛋白質(zhì)含量顯著正相關(guān)可能與油脂合成受阻、碳源流向蛋白質(zhì)合成有關(guān)。

在19-1934×JHT1群體中, 蔗糖含量與籽仁長(zhǎng)、籽仁寬、百仁重顯著負(fù)相關(guān)(圖2-B), 這與油菜、大豆中的研究結(jié)果相似[36-38], 籽仁中蔗糖含量變化可以引起每角果粒數(shù)(莢粒數(shù))和粒重等相關(guān)性狀的變化。蔗糖含量高低總體體現(xiàn)了植物體內(nèi)碳源供應(yīng)水平, 除了為種子油脂積累提供所需的碳源, 蔗糖也為胚組織細(xì)胞的發(fā)育和分裂提供養(yǎng)分[39-40], 進(jìn)而影響了籽仁發(fā)育。在玉米、水稻、大豆等研究中表明,蔗糖轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白SWEET相關(guān)基因在作物馴化過程中受到選擇, 對(duì)產(chǎn)量和品質(zhì)都具有重要影響, SWEET基因的突變?cè)斐烧崽寝D(zhuǎn)運(yùn)受阻, 引起胚乳發(fā)育不良,籽粒大小及粒重均顯著降低[27,41]。膜轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白MFS家族也可通過蛋白互作方式影響水稻光合產(chǎn)物的分布平衡, 調(diào)控灌漿、籽粒大小及粒數(shù)等重要性狀[42]。在本研究2個(gè)群體中, 蔗糖含量與籽仁大小相關(guān)性狀的相關(guān)性不一致, 也可能與親本材料具有不同的遺傳背景相關(guān)。

本研究遺傳分析結(jié)果表明, 蔗糖含量具有很高的遺傳率, 分別為85.91%與97.79% (表4), 與秦利等[11]、胡美玲等[10]研究結(jié)果一致?；ㄉ讶收崽呛窟z傳率高, 表明其主要受基因型調(diào)控, 環(huán)境因素對(duì)其影響較小, 因此在育種群體低世代即可進(jìn)行蔗糖含量的選擇, 以加快育種進(jìn)程, 提高育種效率。遺傳模型分析表明, 花生籽仁蔗糖含量主要受兩對(duì)主基因的加性顯性效應(yīng)調(diào)控(表3), 與秦利等[11]研究結(jié)果一致。兩對(duì)主基因的加性效應(yīng)|da|>|db|、顯性效應(yīng)|ha|>|hb|, 表明主基因間存在明顯互作, 且以其中一對(duì)主基因的加性顯性效應(yīng)為主。同時(shí), 兩群體中加性效應(yīng)da>db>0, 兩對(duì)主基因的加性效應(yīng)均為正效應(yīng),即基因間的加性效應(yīng)可以增強(qiáng), 具有累加效應(yīng)?；ㄉ讶收崽呛窟z傳率高且受兩對(duì)主基因控制, 表明蔗糖含量可以通過開發(fā)與蔗糖含量相關(guān)的分子標(biāo)記進(jìn)行快速選擇育種, 利用主基因的累加效應(yīng)開展超親育種, 進(jìn)行種質(zhì)創(chuàng)新和高蔗糖品種育種具有充分的可行性, 為培育不同蔗糖含量的食用花生品種提供了豐富的親本材料和選擇空間, 對(duì)花生籽仁蔗糖含量的改良具有重要指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

本研究利用高糖材料SYT5-1和JHT1分別構(gòu)建了2個(gè)F2:3群體, 花生籽仁蔗糖含量在兩群體中都呈現(xiàn)連續(xù)分布特點(diǎn), 超親分離現(xiàn)象明顯。在兩群體中, 花生籽仁的蔗糖含量均與含油量顯著負(fù)相關(guān),與蛋白含量顯著正相關(guān); 但與籽仁長(zhǎng)、籽仁寬和百仁重的相關(guān)性不一致。花生蔗糖含量主要受兩對(duì)主基因控制, 兩對(duì)主基因間存在明顯互作, 累加效應(yīng)明顯, 且其中一對(duì)主基因的加性效應(yīng)和顯性效應(yīng)大于另一對(duì)主基因, 對(duì)花生蔗糖含量的調(diào)控效果更加顯著。