香港牡蠣(Crassostrea hongkongensis)與長牡蠣(Crassostrea gigas)種間雜種遺傳力評估*

張躍環 王昭萍 喻子牛① 閆喜武

(1. 中國科學院南海海洋研究所 熱帶海洋生物資源與生態重點實驗室 廣州 510301; 2. 中國海洋大學水產學院 海水養殖教育部重點實驗室 青島 266003; 3. 大連海洋大學水產與生命學院 遼寧省貝類良種繁育工程技術研究中心 大連 116023)

遺傳力(Heritability)是指某數量性狀從上一代傳遞給下一代的能力。它包括廣義遺傳力(Broad-sense heritability)和狹義遺傳力(Narrow-sense heritability)。通常情況下, 育種學家們將狹義遺傳力作為無偏估計(盛志廉等, 1999)。在對貝類的研究方面, 國內外學者們先后估計了牡蠣(Lannan, 1972; Ernandeet al,2003; Langdonet al, 2003; Evanset al, 2006;Dégremontet al, 2007; 王慶志等, 2009; 肖述, 2010;Liet al, 2011)、扇貝(Zhenget al, 2004, 2006)、珍珠貝(Denget al, 2009; Wanget al, 2011)、蛤仔(閆喜武等,2010; 霍忠明等, 2010)、泥蚶(孫長森等, 2010)等雙殼貝類的遺傳參數, 為育種決策、育種值估計、選擇指數確定、選擇反應預測及育種規劃奠定了堅實的基礎。

遺傳力是性狀傳遞能力大小的重要遺傳參數,但大多均僅限于種內應用, 為了更加準確的分析遠緣雜交是否有真雜種優勢產生, 可以采用雜種遺傳力協同配合力共同剖析雜種優勢。雜種遺傳力(Cross-heritability)是指加性方差占雜交子一代方差的比率(吳仲賢, 2003)。目前, 在農作物育種中, 學者們利用16全同胞種間雜交家系(沙地葡萄Vitis rupestris×夏葡萄Vitis aestivalis)評估了葡萄皮爾斯細菌抗病性的狹義遺傳力(Krivaneket al, 2005)。在水產動物方面, 尚未見到相關報道。本文以先前構建的45個雜交家系為材料(張躍環, 2012), 引入雜種遺傳力概念, 對種間雜種生長、存活及產量性狀遺傳力進行了評估, 并對其兩兩對應性狀表型相關及遺傳相關進行了分析, 旨在為建立遠緣雜交育種方法和策略提供必要的理論依據。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

采用平衡巢式設計1個雄性長牡蠣對應3個雌性香港牡蠣方式建立的45個雜交家系(表1)(張躍環等,2012)。其中, 共有15個父系半同胞家系, 45個母系全同胞家系。幼蟲期每個雜交家系利用2—3個100L白桶培育, 在幼蟲完成變態形成稚貝生長至10 mm左右時(48d左右), 采用震蕩的方式, 將波紋板上的稚貝掰下來, 變為單體牡蠣。由于稚貝數量較大, 每個家系隨機篩選1080個作為測定樣品, 裝入3mm孔徑的網袋中, 密度為120個/袋, 每個家系裝9袋。所有雜交家系均在大連海洋貝類育苗場及其蝦池中經歷了一周年的養成, 直至翌年繁殖季節。

表1 種間雜交家系建立方法Tab.1 The conductive method of interspecific hybridization families

1.2 數據收集及處理

測量指標包括幼蟲浮游期15日齡、稚貝越冬期180日齡、幼貝繁殖期360日齡的殼高、存活率, 及360日齡時個體鮮重、產量。其中, 每個家系設置3個真重復組, 浮游存活率為15日齡眼點幼蟲數量與D形幼蟲的百分率(%); 稚貝及幼蟲存活率為180日齡及360日齡子代數量與完成變態稚貝數量百分率(%); 產量為每個家系真重復組的鮮重(kg)。

為了減小方差齊性, 所有的殼高、鮮重及產量指標均轉化為常用對數lg, 所有的存活率均轉化為Asin。其中, 殼高、鮮重指標每個家系隨機測量30個個體, 存活率及產量每個家系測量3個數據(來自于每個家系內的真重復)。

1.3 數據分析

表型性狀數據的方差分析及協方差分析使用SPSS18, 軟件的一般線性模型(General line model,GLM)。數據分析前對所有參數進行正態性檢驗(Kolmogorov-Smirnov)。二因素系統分組的方差分析及協方差分析的數學模型為

其中,Xijk表示某性狀第i個父本第j個母本的第k個子代的表型指標,μ表示總體均值,Si表示第i個父本效應,Dij表示第i個父本內第j個個體的母本效應,Eijk為相應的隨機誤差變量。全同胞資料表型變量的方差組分如表2所示, 全同胞資料表型變量問的協方差組成如表3所示。

1.4 參數計算

根據全同胞資料作二因素系統組分方差分析可得到3個遺傳力估計值, 即:

表2 全同胞家系表型變量組分方差分析Tab.2 Variance analysis on components of phenotypic variation of full-sib families

表3 全同胞家系表型變量組分協方差分析Tab.3 Covariance analysis on components of phenotypic variation of full-sib families

根據全同胞資料作二因素系統組分方差分析及協方差分析, 可得到3個遺傳相關估計值, 即:

式中,rS、rD、r(S+D)分別為父系半同胞、母系全同胞及全同胞個體間估計的遺傳相關,意義同上。由于后兩個估計值受顯性效應和母本效應影響較大, 相比之下第一個估計值較為無偏, 因此, 采用第一個公式計算性狀間的遺傳相關系數作為實驗結果。表型相關的計算公式為:

2 結果

2.1 不同時期個體的表型參數

雜交家系子代在幼蟲浮游期(Day15)、稚貝越冬期(Day180)及幼貝繁殖期(Day360)表型參數的平均值、標準差和變異系數如表4所示。經檢測所有參數經檢驗均符合正態分布, 并且隨著個體生長, 殼高變異系數逐漸增大(7.06%—9.82%), 表明生長性狀異質性在增強。存活率的變異系數在15日齡時最大為7.00%, 而在180及360日齡期間, 相對較小,分別為3.97%和5.30%; 360日齡產量的變異系數為27.35%。

表4 不同時期雜種的生長、存活率及產量參數Tab.4 Parameters of growth, survival rate, and yield of hybrids in different days

2.2 不同時期生長、存活、產量性狀的方差分析

表5為雜種在不同時期表型性狀的方差分析。其結果表明: 生長、存活及產量性狀, 在雄親間及其雌內雄親間殼高、存活率及產量均存在極顯著差異(P<0.01), 說明可以對其性狀進行遺傳力估計。

2.3 生長、存活、產量性狀原因的方差分析

根據方差分析結果及期望均方的方差組分構成,可以建立全同胞及半同胞各個原因方差組分的對應關系, 彼此間相互關系見表6。根據這些組分的關系,可以進行遺傳力估算。

2.4 遺傳力及遺傳相關分析

根據表7所示, 對于生長性狀及產量而言, 母系全同胞遺傳力最高; 對于存活性狀而言, 15日齡時,母系全同胞遺傳力最高; 180及360日齡期間, 母系全同胞、父系半同胞及其全同胞遺傳之間比較接近, 但以父系半同胞遺傳力相對較高。從生長性狀上看, 幼蟲15日齡的父系半同胞、母系全同胞及其全同胞的遺傳力分別為0.6355、1.1215、0.8785; 稚貝越冬期180日齡時, 父系半同胞、母系全同胞及其全同胞的遺傳力分別為0.4828、0.7586、0.6207; 繁殖期360日齡殼高的父系半同胞、母系全同胞及其全同胞的遺傳力分別為0.5787、0.8681、0.7234, 鮮重的父系半同胞、母系全同胞及其全同胞的遺傳力分別為0.6706、0.8774、0.7740。從存活性狀上看, 父系半同胞遺傳力為0.1900—0.4064, 母系全同胞遺傳力為0.2556—0.5520, 全同胞遺傳力為0.2748—0.3957。產量是生長與存活的共同作用結果, 其父系半同胞、母系全同胞及其全同胞的遺傳力分別為0.5018、0.8413、0.6715。

表5 雜種不同時期表型變量組分的方差分析Tab.5 Variance analysis on components of phenotypic variation of hybrids in different stages

表6 雜種表型變量的各個原因方差組分與全同胞和半同胞協方差之間的關系Tab.6 Relationships between covariance of full-and half-sibs and causal components of phenotypic variance

表7 雜種不同時期表型性狀遺傳方差組分估計的遺傳力Tab.7 Heritability of growth and survival traits in hybrids in different stages

由于遺傳相關需要協方差分析, 作者采用Excel對其進行協方差分, 并計算了表型及遺傳相關系數。從其兩兩性狀間生長相關性上看, 幼蟲期與稚貝期殼高出現了負向的表型相關及遺傳相關; 且稚貝期與繁殖期的殼高及繁殖期殼高與鮮重間出現了積極的表型性狀正相關以外, 其它的兩兩生長性狀間均無顯著表型相關性; 除了稚貝期與越冬期稚貝出現了負向遺傳相關外, 其它時期兩兩生長性狀間均為顯著正相關(表8)。從存活與產量的相關性上看, 無論是表型性狀, 還是遺傳性狀均出現了積極的正相關, 以遺傳相關為主(表9)。

表8 雜種不同時期生長性狀間的遺傳相關和表型相關Tab.8 Genetic and phenotypic correlations of growth traits for hybrids in different stages

表9 雜種不同時期存活及產量間的遺傳相關和表型相關Tab.9 Genetic and phenotypic correlations of survival and yield traits for hybrids in different stages

3 討論

3.1 遺傳力

在牡蠣育種中, Ernande等(2003)利用24個全同胞家系系統地分析了長牡蠣幼體生長、存活、變態及稚貝生長、存活的狹義和廣義遺傳力。目前資料顯示,長牡蠣幼蟲生長性狀狹義遺傳力范圍在0.14—0.40(王慶志等, 2009); 養成期生長性狀狹義遺傳力為0.15—0.46 (Lannan, 1972, 王慶志等, 2012); 養成期產量的現實遺傳力為0.42 (Langdonet al, 2003)。香港牡蠣浮游幼蟲的生長性狀狹義遺傳力為0.21—0.88;稚貝生長性狀狹義遺傳力為0.23—0.35; 中間育成期生長性狀的狹義遺傳力為0.18—0.34 (肖述, 2010)。對于生長性狀而言, 長牡蠣均在0.2—0.5范圍內, 而香港牡蠣在0.2—0.9范圍內。本文中, 雜種生長性狀(殼高、鮮重)的狹義遺傳力為0.48—0.67, 較長牡蠣偏高, 介于香港牡蠣范圍內。作者發現, 幼蟲的生長性狀遺傳力較高, 且稚貝及其養成期相對較低, 這一點與香港牡蠣比較相似, 可能主要是幼蟲受母本效應影響較大所致。

對存活性狀而言, 由于存活率受環境影響較大,估計這方面的報道不多, Dégremont等(2007)利用17個全同胞及43個半同胞家系估計長牡蠣6—8月齡存活率狹義遺傳力為0.47—1.08, 廣義遺傳力為0.07—0.38; Evans等(2006)利用34個全同胞家系在4個不同養殖環境下得到192日齡、370日齡和664日齡存活率的廣義遺傳力分別為0.36—0.71。本文中, 存活性狀狹義遺傳力為0.19—0.41, 相對其他學者對長牡蠣的估計而言, 相對較低, 這種原因主要是由于雜交子抗逆性較強, 存活率相對較高, 家系間彼此間方差差異較小造成的。

一般認為, 基于全同胞資料估計的遺傳力, 由于包含顯性效應和母性效應, 較真實值偏大。本研究采用巢式設計和父系半同胞相關分析法, 克服了用全同胞資料估計遺傳力的缺點, 采用隨機抽樣, 代表性強, 因此可以認為父系半同胞組內相關法估計的遺傳力是長牡蠣各測量生長性狀遺傳力的無偏估計值,且用雄性親本遺傳方差組分估計的遺傳力準確可靠(劉小林等, 2003; 欒生等, 2006)。無論是生長性狀還是存活性狀, 其狹義遺傳力的表達與雜種優勢有一定關系, 但是相關性不大。這一點與吳仲賢(2003)提出的雜種遺傳力略顯不同, 因為雜種遺傳力是一個理論值, 但是實踐中往往達不到理論期望。如生長性狀遺傳力相對較高, 但實際中的生長性狀為雜種劣勢, 即出現遠交衰退現象; 實際上雜交子抗逆性比較強, 可以抵御寒冬、抗高溫, 存活能力非常強, 表現出積極的存活雜種優勢, 但是存活性狀的遺傳力相對較低, 作者的研究結果可以引入雜種遺傳力概念,但不能用它的理論來解釋遠緣雜交中的實際問題。

3.2 相關性

在選擇育種實踐中, 有些性狀可通過直接選擇獲得較滿意的效果, 而對有些性狀不能通過直接選擇獲得理想結果, 則可通過與其相關性較高性狀的選擇達到間接選育的目的(肖述等, 2008)。通常觀察到的是性狀間的表型相關, 它包括遺傳相關和環境相關兩部分, 性狀間遺傳相關越大, 間接選育的效果就越好, 但不同環境條件和不同發育時期的同一性狀的遺傳相關可能存在較大差異。通過協方差分析來度量性狀間相互關聯的變異程度, 是數量遺傳學研究的一項重要內容, 也是選擇育種過程中的一項基本工作(王慶志等, 2009, 2012)。

由基因連鎖和基因的多效性引起的遺傳相關,使生物體不同的性狀間存在不同程度的相關性。本文中, 對于生長性狀而言, 幼蟲期與稚貝期的表型相關及遺傳相關均為負相關, 其相關性較差, 而其它兩兩生長性狀間均表現出正相關, 大多數均為顯著正相關。Ernande等(2003)報道了長牡蠣相同生長時期的不同性狀存在連續的相關性, 發現變態時期和稚貝時期性狀顯著相關, 但幼體時期和稚貝時期性狀的相關性較差, 即出現了幼蟲與稚貝間的負相關現象,這一點本文與其研究結果一致。至于存活性狀與產量,幼蟲、稚貝及幼貝繁殖期間存活率及產量均為正相關,其中, 以遺傳相關為主。肖述(2010)對香港牡蠣生長性狀遺傳相關、表型相關及環境相關分析中發現, 三者間均為正相關, 在不同階段, 以不同的相關性為主。王慶志等(2009)對長牡蠣遺傳相關及表型相關的估計中, 也發現生長性狀間具有正相關作用。

遺傳參數及其遺傳相關的估計, 有助于進一步了解種間雜種優勢與其相關遺傳力、配合力等參數的相互關系。如果按照吳仲賢(2003)提出的雜種遺傳力理論進行估算的話, 本文中應該得到較低的生長性狀遺傳力, 較高水平的存活性狀遺傳力, 但事實并非如此, 說明雜種優勢的評估仍然任重道遠。為了查清雜種優勢產生根源, 今后應進一步研究遠緣雜種優勢變化規律及發生機理。

致謝 本文得到了西北農林科技大學劉小林教授指導, 并得到了大連海洋大學霍忠明博士、姚托博士、蘇家齊博士等在幼蟲培養、稚貝育成、幼貝養成時期的幫助, 謹致謝忱。

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