結縷草屬植物部分外部性狀的遺傳分析

郭海林，陳宣，薛丹丹，劉建秀

（江蘇省中國科學院植物研究所 南京中山植物園，江蘇 南京210014）

結縷草屬（Zoysia）植物是禾本科畫眉草亞科的多年生草本植物，是優(yōu)良的暖季型草坪草?？蓮V泛應用于觀賞草坪、運動草坪、休憩草坪以及庭院草坪等各種草坪的建設中［1－4］。

對結縷草屬植物的深入研究有利于培育出優(yōu)良的結縷草屬植物新品種。研究表明，結縷草屬植物大約有11種和一些變種與變型［1］，結縷草屬植物的開花習性為雌蕊先熟雄蕊后熟，是一種典型的常異花授粉植物［5］，結縷草屬植物的染色體倍性為2n＝4X＝40［6，7］。結縷草屬植物不同種、同一種的不同種質資源間在外部性狀［8，9］、抗性（抗寒、旱、鹽、病等）等方面［10－16］均存在著豐富的遺傳變異，這些研究均為結縷草屬植物新品種選育奠定了良好的基礎。其中外部性狀的表現(xiàn)與研究直接關系到草坪草坪用質量的好壞與改良。而外部性狀的遺傳機制對其遺傳改良和選擇適當?shù)挠N方法均具有重要的指導意義，若這些性狀是由1～2個主基因控制則可采用單交重組或簡單回交轉育的方法；若這些性狀由多個微效基因控制，則因為涉及的基因多、單個基因效應小、增效基因集中到一個個體的概率低、從表型鑒別基因型的難度大等特點，則要采用聚合回交（或雙回交）及輪回選擇累積增效基因的方法［17］。

蓋鈞鎰等［17］提出了植物數(shù)量性狀的主基因－多基因遺傳理論，認為多數(shù)性狀由主基因加多基因共同控制是數(shù)量性狀遺傳的基本模型，而純主基因或純多基因的遺傳模型只是特例，并建立了植物數(shù)量性狀主基因＋多基因混合遺傳模型分析方法［16－18］，該模型自開發(fā)以來，已在小麥（Triticum aestivum）［19，20］、水稻（Oryza sativa）［21］、大豆（Glycine max）［22］、油菜（Brassica campestris）［23］、草坪［24］等多種植物的遺傳分析中得到了廣泛的應用，在這些植物的遺傳機制研究方面發(fā)揮了重要作用。受上述思想的啟迪，本研究試圖應用主基因＋多基因混合遺傳模型分析方法對2份結縷草屬種源的正反交F1分離群體的8個與坪用價值相關的營養(yǎng)性狀進行遺傳分析，以明確結縷草屬植物營養(yǎng)性狀的遺傳特性，為結縷草屬植物品種改良、相關性狀的分子標記、定位以及標記輔助育種等方面提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試材料為結縷草（Zoysiajaponica）‘J36’和中華結縷草（Zoysiasinica）Z039相互雜交的168個正交后代和99個反交后代，這些后代已通過SRAP分子標記技術鑒定為真雜種。親本‘J36’為從美國引進的結縷草品種，Z039為從安徽寧國采集的種源材料，兩親本在外部形態(tài)上存在較大的差異，兩親本來源及外部性狀的觀測值見表1。兩親本均種植于江蘇省中科院植物研究所的苗圃地內，287個雜交后代的獲得及其培養(yǎng)情況如下：2006年4月上旬通過控制授粉法對外部性狀存在顯著差異的2份親本材料J36和Z039進行相互雜交，結果成功地獲得了184個正交后代和103個反交后代，并于2006年7月上旬將雜交后代種子用30%的NaOH處理80min后首先在培養(yǎng)皿培養(yǎng)，待第1片葉長到1.5～2.0cm時將其移入穴盤，其中穴盤的每一穴位只移入1株。2007年4月將后代從穴盤移入口徑為22cm的塑料盆中，每盆1株。對雜交后代進行常規(guī)管理，2007年7－9月，對雜交后代通過SRAP分子標記技術進行雜種真實性鑒定，結果有168個正交后代和99個反交后代被鑒定為真雜種，這些真雜種用于對本研究的結縷草屬植物外部性狀的遺傳分析。

表1 親本來源及其外部性狀觀測值Table 1 Sources and the characteristics of morphological characters of parents

1.2 外部性狀觀測

外部性狀的觀測于2008年7－8月份進行，觀測指標包括密度、草層高度、葉長與葉寬、葉片長寬比、匍匐莖長度和直徑和匍匐莖長度與直徑比。觀測方法如下：

密度：具體指草層中直立枝的密度。觀測采用9級制打分法，其中1為密度最低、6為可以接受，9為密度最高，為3個觀測值的平均值。

草層高度：指結縷草生長的自然高度，采用三點法測量。葉長與葉寬：指成熟葉片的葉長和葉寬，重復10次。節(jié)間長度與直徑：指第3節(jié)的長度和直徑，重復10次。

1.3 數(shù)據(jù)分析

結縷草屬植物為常異交植物，親本材料存在高度的異質性，F(xiàn)1世代就產(chǎn)生性狀分離現(xiàn)象，類似于純合親本雜交的F2群體。本研究的遺傳數(shù)據(jù)分析應用植物數(shù)量性狀主基因＋多基因混合遺傳模型，采用單個分離世代F2群體的數(shù)量性狀分離分析方法［16－18］對正交J36×Z039及反交Z039×J36的F1群體的外部性狀進行分析，由模型的似然函數(shù)值計算出AIC（Akaike’s information criterion）值，AIC值最小的模型為相對最佳模型，通過比較無主基因、1對主基因（A）和2對主基因（B）共11種遺傳模型的AIC值，并進行遺傳模型的適合性測驗，包括均勻性檢驗（U12，U22和 U32），Smirnov檢驗（nW2）和Kolmogorov檢驗（Dn），綜合考慮極大似然函數(shù)、AIC值以及適合性檢驗的結果，最終確定最優(yōu)模型。在此基礎上，估計最優(yōu)模型的遺傳參數(shù)，包括加性遺傳效應（d）和主基因遺傳率（h2mg），并通過Excel軟件的數(shù)據(jù)分析功能，計算平均值、變異范圍、變異系數(shù)、偏度系數(shù)、峰度系數(shù)和方差等指標。植物數(shù)量性狀主基因＋多基因遺傳體系的分析統(tǒng)計軟件由南京農(nóng)業(yè)大學國家大豆改良中心提供。

2 結果與分析

2.1 F1群體的營養(yǎng)性狀遺傳變異

對J36×Z039的168份雜交后代和反交Z039×J36的99份雜交后代的外部性狀觀測分析，發(fā)現(xiàn)不同性狀正反交的變異范圍均較大（表2），所觀測的8個性狀中，在正交后代群體中變異系數(shù)由大到小為：密度（29.66%）＞節(jié)間長度／直徑（24.23%）＞節(jié)間長度 （21.06%）＞葉長（17.19%）＞草層高度（17.03%）＞節(jié)間直徑（17.0%）＞葉長／葉寬（16.98%）＞葉寬（8.79%）；反交后代群體中變異系數(shù)由大到小為：密度（26.44%）＞節(jié)間長度／直徑（22.72%）＞節(jié)間長度 （18.14%）＞葉長／葉寬（16.53%）＞草層高度（16.39%）＞節(jié)間直徑（15.77%）＞葉長（15.57%）＞葉寬（8.31%），比較正反交后代的變異系數(shù)可以看出，在這8個性狀中，不同后代間密度的變異最大，其次為節(jié)間長度／直徑和節(jié)間長度，葉寬的變異最小，其他性狀的變異居中。從變異范圍來看，正反交雜交后代中每一個性狀的變異范圍均超出了雙親的變異范圍，表明控制這些性狀的增效和減效基因在雙親中呈分散分布，通過基因重組可產(chǎn)生正向和負向的超親后代。

不同性狀正反交后代的平均值略有差異（表2）。為比較正反交后代間性狀表現(xiàn)的差異顯著性，對不同性狀的正反交后代觀測值間進行了t－檢驗。t－檢驗結果表明（表2），所檢測的8個性狀中，只有密度和節(jié)間長度正反交后代間的t統(tǒng)計值小于t雙尾臨界值1.96（α＝0.05），正反交后代間沒有顯著差異，其余6個性狀草層高度、葉長、葉寬、葉長／葉寬、節(jié)間直徑和節(jié)間長度／直徑的正反交后代的t統(tǒng)計值絕對值均大于t雙尾臨界值1.96（α＝0.05），正反交后代間存在顯著差異，由此推測這6個性狀可能存在母體遺傳效應。

根據(jù)正反交F1群體8個營養(yǎng)性狀的觀測結果，對正反交的每個性狀分別作次數(shù)分布圖（圖1）。不同性狀均呈連續(xù)性分布，其中葉長（反交）（圖1－C2）和葉寬（正交）（圖1－D1）近似正態(tài)分布，草層高度（反交）（圖1－B2）和葉長（正交）（圖1－C1）近似于雙峰分布，其他性狀均呈偏態(tài)分布，符合主基因＋多基因的遺傳特征。

表2 J36×Z039正反交雜交后代營養(yǎng)性狀的變異分析Table 2 The variation of vegetative characters of reciprocal progenies in J36×Z039

圖1 J36×Z039正反交雜交后代群體8個營養(yǎng)性狀的次數(shù)分布圖Fig.1 Frequency distribution of 8vegetative characters of reciprocal F1populations of J36×Z039

續(xù)圖1 J36×Z039正反交雜交后代群體8個營養(yǎng)性狀的次數(shù)分布圖Fig.1 （continued） Frequency distribution of 8vegetative characters of reciprocal F1populations of J36×Z039

2.2 F1群體的營養(yǎng)性狀主基因＋多基因混合遺傳分析

分別計算8個營養(yǎng)性狀的正反交F1群體在11種遺傳模型下的極大似然函數(shù)值和AIC值（表3），以AIC值較小的模型作為候選模型。結果表明，在被檢驗的各種模型中，密度正反交都是B－1模型的AIC值最小，適合性檢驗結果（表4）也表明，正反交F1群體中密度的分布與理論分布是一致的（P＞0.05），因此，B－1模型，即“兩對主基因，加性－顯性－上位性模型”是J36×Z039正反交F1群體密度的最適遺傳模型，其中正交的加性效應（da和db）分別為1.936 5和1.063 7，顯性效應（ha和hb）分別為0.575 4和0.035 6，上位性效應（i，jab，jba，l）分別為－0.651 1，－0.187 2，－0.266 6和0.193 6，主基因遺傳方差（σ2mg）為2.37，主基因遺傳率［h2mg（%）］為93.67%，反交的加性效應為1.282 4和0.830 8，顯性效應為0.842 8和0.490 7，上位性效應為－0.829 1，－0.490 2，－0.398 2和－0.086 5，主基因遺傳方差為1.169 6，主基因遺傳率為63.22%（表5）。

草層高度、葉片長度、葉片寬度、葉長／葉寬、節(jié)間長度5個性狀正反交F1群體均表現(xiàn)為A－0模型的AIC值最小（表3），適合性檢驗結果發(fā)現(xiàn)，前3個性狀與節(jié)間長度反交群體的分布均與理論分布一致（P＞0.05），葉長／葉寬的正反交群體表現(xiàn)和節(jié)間長度的正交群體表現(xiàn)分別有一個值與理論值存在顯著差異，而其他值均與理論分布一致，因此，認為A－0模型，即無主基因模型是這5個性狀的最適遺傳模型，也就是說在正反交F1群體中，這5個性狀表現(xiàn)出由誤差或誤差＋多基因所修飾的單一正態(tài)分布特征。

表3 不同遺傳模型下的極大似然函數(shù)值和AIC值Table 3 Maximum likelihood value（MLV）and Akaike’s information criterion（AIC）under different genetic model

續(xù)表3 Continued

表4 入選模型的適合性檢驗Table 4 Tests for goodness－of－fit of selected model

節(jié)間直徑正交后代群體檢測結果為A－1和A－4模型的AIC值最小，最適模型為一對主基因控制的遺傳模型，反交是A－0模型的AIC值最小，即無主基因模型為最適遺傳模型；節(jié)間長度的檢測結果為正交是A－0模型的AIC值最小，最適模型為無主基因模型，反交為A－1與A－4模型的AIC值最小，最適模型為一對主基因控制的模型。正反交的遺傳模型不一致，這可能與節(jié)間直徑受母體遺傳效應影響的結果有關。

表5 B－1模型下F2群體密度一階遺傳參數(shù)的計算Table 5 Estimates of genetic parameters under genetic model B1for density of zoysia F2populations

3 結論與討論

本研究將2份外部性狀存在差異的結縷草與中華結縷草種源材料進行雜交，對獲得的正反交F1后代的8個與坪用價值相關的外部性狀的遺傳變異進行了分析。從變異范圍來看，正反交雜交后代中每一個性狀的變異范圍均超出了雙親的變異范圍，表明控制這些性狀的增效和減效基因在雙親中呈分散分布，通過基因重組可產(chǎn)生正向和負向的超親后代。但從變異系數(shù)發(fā)現(xiàn)，不同性狀通過雜交育種的手段可以改良的程度不同，綜合分析正反交后代不同性狀變異系數(shù)的統(tǒng)計結果表明，在這8個性狀中，不同后代間密度的變異系數(shù)最大，其次為節(jié)間長度／直徑和節(jié)間長度，葉寬的變異最小，其他性狀的變異居中。變異系數(shù)反映了待改良群體的變異情況，變異越大，說明選擇潛力越大，因此，在本研究中，通過性狀的變異系數(shù)可以發(fā)現(xiàn)，密度和節(jié)間長度2個性狀比較容易通過雜交育種加以改良，而葉片寬度的變異系數(shù)很低，表明葉寬很難通過雜交育種加以改良。劉建秀等［9］對中華結縷草種質資源的形態(tài)變異情況進行了研究，結果發(fā)現(xiàn)節(jié)間直徑和葉寬在所觀測性狀中變異系數(shù)最小，分別為12.5%和14.4%，認為通過系統(tǒng)選育的方法對中華結縷草的葉寬和節(jié)間直徑進行改良，其效果明顯低于葉長和草層高度等性狀。結合本研究的結果，認為結縷草和中華結縷草的葉寬變異較小，很難通過系統(tǒng)選育的手段對其進行改良。

對于純合親本來說，母體遺傳效應的研究一般通過正反交F1的表型值與雙親進行比較來確定，而結縷草屬植物的雜交F1代即發(fā)生分離，無法通過單個的F1數(shù)據(jù)來與親本進行比較，因此，本研究通過t測驗的方法，根據(jù)正反交后代群體間的差異顯著性來推測不同性狀是否有母體遺傳效應，結果發(fā)現(xiàn)，8個性狀中有6個性狀正反交后代間有顯著差異，初步推測這些性狀可能存在母體遺傳效應，這個結論還有待于在以后的研究中進一步加以驗證。

本研究應用蓋鈞鎰等［17］提出的主基因＋多基因混合遺傳模型對結縷草與中華結縷草雜交的F1群體的8個營養(yǎng)性狀進行了遺傳分析，通過比較AIC值確定了每個性狀的最佳遺傳模型，為這些性狀遺傳機制的進一步研究和遺傳改良奠定了基礎。遺傳模型的研究結果發(fā)現(xiàn)，所研究的8個性狀中只有密度為2對主基因的加性－顯性－上位性遺傳模型，而其他性狀幾乎全部為無主基因模型，節(jié)間直徑的正交后代和節(jié)間長度／直徑的反交后代表現(xiàn)為1對主基因的遺傳模型，但是這2個性狀對應的反交后代和正交后代也表現(xiàn)為無主基因模型，這一方面可能是受母性遺傳的效應，同時也可能是受環(huán)境的影響，數(shù)量性狀基因數(shù)目有多有少，各對基因效應的大小也不同，而且其表現(xiàn)受環(huán)境的影響，可能對某個性狀的特定群體來說控制這個性狀的基因在已有的環(huán)境條件下主基因效應明顯，而在另外一個群體中在相應的環(huán)境條件下效應較弱，表現(xiàn)為微效基因，關于A－0模型的遺傳機制，須通過同質群體提供誤差方差以鑒別其有無遺傳變異存在。

結縷草屬植物為常異交植物，親本異質性很高，因此在F1代即發(fā)生分離現(xiàn)象。本研究借助于純合親本雜交的F2群體的主基因＋多基因混合遺傳模型對結縷草屬植物的8個營養(yǎng)性狀進行了遺傳分析，初步明確了正反交雜交后代的遺傳模型，而實際上利用單個分離世代的分離分析方法是分兩步驟進行的，首先鑒定主基因是否存在，然后再根據(jù)同質群體P1、P2和F1提供試驗誤差方差的無偏估計后鑒定是否有多基因的修飾。因模型的限制，本研究在只有單個親本和F1群體的表型值的情況下，只對主基因的存在情況和主基因遺傳效應與遺傳率進行了檢驗，關于多基因的存在和效應都無法鑒別。

目前，關于農(nóng)作物等自交植物，遺傳背景高度純合，容易得到自交群體的植物中，遺傳學方面的研究已比較深入，針對不同的研究需要建立了很多生物學研究體系，而對于草坪草和大多數(shù)林木植物等常異交植物，因遺傳背景高度雜合、遺傳負荷大，給遺傳學的研究帶來了很大的困難，目前在遺傳分析、遺傳圖譜構建等遺傳學方面沒有一套合適的生物學研究體系可以利用，因此要對上述植物的遺傳機制進行更全面的分析，還有待于建立更完善的分析方法。

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