粒用高粱4個主要光合性狀數(shù)量遺傳分析

盧華雨， 李延玲， 羅 峰， 王惠茹

(天津農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)與資源環(huán)學(xué)院，天津 300384

高粱，在我國又被稱為“蜀黎”，屬于禾本科高粱族高粱屬，主要分布在亞洲、非洲、美洲等干旱和半干旱地區(qū)，在我國的北方地區(qū)也大量種植。在世界范圍內(nèi)來看，高粱是僅次于小麥、水稻、玉米、大麥之后第五大糧食作物，也是世界上最重要的禾本科作物之一[1]。高粱具有抗鹽堿、耐高溫、耐寒、耐貧瘠、抗旱、抗?jié)车戎T多優(yōu)良性狀[2]。高粱作為C4植物，在高溫、強光、干旱、低二氧化碳的情況下仍然具有很高的光合效率[3]。高粱在人類發(fā)展的進程中也起到過重要的作物，也被稱為“救命谷”。我國是高粱的主產(chǎn)國之一，高粱為我國解決國民的溫飽問題作出了突出的貢獻。我國的高粱總產(chǎn)量僅次于美國位于世界第二。在我國，高粱在糧食作物栽培中，很早就已經(jīng)實現(xiàn)了“三系配套”，充分利用了高粱的雜種優(yōu)勢以及高光合效率，使高粱的單產(chǎn)大幅度的提高。但是我們也要注意，隨著世界人口的急劇增加以及可耕種土地的不斷減少，糧食危機很有可能再次出現(xiàn)[4]。目前已知高粱的最高產(chǎn)量是21 t/hm2，但這也僅僅是理論產(chǎn)量的56%，所以高粱的增產(chǎn)潛力是非常大的[5]。目前對于高粱的高光效遺傳育種方面的研究比較少見，主要集中在改變高粱冠層密度對于光合的影響[6]、種植密度對于高粱群體光合能力以及產(chǎn)量的影響[7]和高粱的株型性狀對于光合能力的影響[8]，但對于高光效基因的遺傳育種研究較少。在其他主要作物上對于高光效育種研究比較深入，如在水稻方面有利用超級稻的生長優(yōu)勢的光合特征來提高水稻的光合性能[9]、水稻高光效育種[10]以及將高光效的基因?qū)胨緩亩岣吖夂闲蔥11]等幾個方面；在小麥方面有利用高產(chǎn)品種篩選出高光效品種[12]、小麥不同生育期光合效率的變化[13]以及不同供水條件對于小麥光合速率的影響[14]等諸多方面；蔬菜方面對高光效育種也有涉及如油菜[15]、甘藍[16]等。經(jīng)過對前人的研究發(fā)現(xiàn)，高粱的株型[17]以及種植密度[18]對光合速率的影響非常大，因此想要增加高粱的生物產(chǎn)量可以改良高粱的株型以選育高光效品種。本研究對高粱光合性狀進行數(shù)量遺傳分析，以期從高粱的光合性狀的方向入手，通過提高高粱的光合速率、增加高粱的光合產(chǎn)物以增加高粱的產(chǎn)量，并結(jié)合分子輔助育種的手段，對控制相關(guān)性狀的基因進行定位挖掘，加快高粱育種進程，縮小育種年限，培育出高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的高粱品種。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗首先于2016年8月在天津市靜海縣良種場進行，選擇諸多高粱品種種植，每個品種隨機使用CRIAS-2便攜式光合儀測量光合速率，最終選擇光合能力較弱的品系引-20(美國普渡大學(xué)引進)與光合能力較強的品種忻粱52(國內(nèi)材料)作為親本，配制雜交組合獲得F1。2017年5月在天津市靜海縣播種，得到F2代植株209株，作為本次試驗群體。

1.2 性狀調(diào)查

選擇光照充足的天氣，每天09：00—11：30使用CRIAS-2便攜式光合儀測量高粱上數(shù)第2張葉的凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、細胞間CO2濃度(Ci)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

通過光合儀獲得基本數(shù)據(jù)后，首先使用Excel作基本處理，再使用SPSS 19.2進行相關(guān)性分析。利用南京農(nóng)業(yè)大學(xué)蓋鈞鎰教授提出的單個分離世代群體的遺傳模型方法[19]進行光合數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)分析，可以得到F2群體11個遺傳模型以及每1個模型的AIC值。通過對11個模型的比較和篩選，選出4個AIC值最小的模型，隨后進行適合性檢驗[20]。通過檢驗篩選選出最適合的模型，然后根據(jù)一階分布參數(shù)[21]，估計出一階遺傳參數(shù)，并根據(jù)此參數(shù)計算出二階參數(shù)，從而計算出主基因的遺傳率[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 性狀間相關(guān)性分析

高粱的高產(chǎn)以及物質(zhì)積累受到多種性狀的影響。其中植株的光合能力在高粱產(chǎn)量以及物質(zhì)積累形成階段起著非常重要的作用。植株葉片的凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、細胞間的二氧化碳濃度直接影響著葉片的光合能力以及光合產(chǎn)物的積累，影響高粱植株最終的產(chǎn)量和干物質(zhì)含量。因此，為了了解葉片光合各個性狀之間的關(guān)系，對4個性狀進行了相關(guān)性分析。由表1可以得到，凈光合速率與蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、細胞間隙CO2濃度之間都呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)，其中，相關(guān)程程度最高的是氣孔導(dǎo)度與細胞間隙CO2濃度，相關(guān)系數(shù)為0.970，其次是蒸騰速率與細胞間CO2濃度，相關(guān)系數(shù)為0.966，相對來看，性狀之間相關(guān)程度最小的是凈光合速率與氣孔導(dǎo)度，相關(guān)系數(shù)為0.834。因此，在改良葉片光合能力的過程中，綜合考慮4個性狀之間的關(guān)系，經(jīng)過相關(guān)性分析可以得出結(jié)論，蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度以及細胞間隙CO2提高會明顯增加高粱的凈光合速率。

表1 F2群體光合性狀相關(guān)性分析

注：“**”表示在0.01水平上(兩側(cè))極顯著相關(guān)。

2.2 光合相關(guān)性狀表型分析

忻粱52×引-20組合F2代群體光合性狀特征值、各個性狀的測定值(表2)以及各光合性狀頻次分布圖(圖1)表明，F(xiàn)2代凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、細胞間CO2濃度均表現(xiàn)出了明顯的單峰現(xiàn)象，符合數(shù)量遺傳的分布特征。

表2 忻粱52與引-20后代F2群體的光合性狀統(tǒng)計分析

2.3 光合性狀遺傳模型的選擇

利用主基因+多基因混合遺傳模型的F2單世代分析方法，對4個光合性狀進行遺傳分析(表3)。首先根據(jù)遺傳模型選擇的基本準則，即AIC值最小原則，每個性狀都要選擇AIC值最小的4個遺傳模型(表3中用*標注)作為遺傳分析備選模型。

2.4 光合性狀遺傳模型檢驗

利用U12、U22、U32(均勻性檢驗)、nW2(Smirnov檢驗)和Dn(Kolmogorov檢驗)對4個備選模型的F2世代進行適合性檢驗(表4)，在4個模型中選擇出統(tǒng)計量達到顯著水平最小的1組模型作為最適模型。在凈光合速率4個備選模型中，模型B-2均勻性檢驗U12、U22、U32均未達到顯著水平(P>0.05)，其他統(tǒng)計量達到顯著水平，并且模型B-2的AIC值最小。因此選擇模型B-2作為該群體凈光合速率最優(yōu)的遺傳模型，由此可以說明，凈光合速率的遺傳是受到2對主基因控制，并且主基因表現(xiàn)出加性-顯性的混合遺傳模型。

在蒸騰速率的4個備選模型中，模型B-2的U12、U22、U32(均勻性檢驗)、nW2(Smirnov檢驗)和Dn(Kolmogorov檢驗)均沒有達到顯著水平(P>0.05)，并且模型B-2的AIC值最小。因此選擇模型B-2作為該群體蒸騰速率最優(yōu)的遺傳模型，由此可以說明，蒸騰速率的遺傳是受到2對主基因控制，并且主基因表現(xiàn)出加性-顯性的混合遺傳模型。

表3 凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和細胞間隙CO2濃度遺傳模型的極大似然值和AIC值

在氣孔導(dǎo)度的4個備選模型中，模型B-1的U12、U22、U32(均勻性檢驗)、nW2(Smirnov檢驗)和Dn(Kolmogorov檢驗)均沒有達到顯著水平(P>0.05)，并且模型B-1的AIC值最小。因此選擇模型B-1作為該群體氣孔導(dǎo)度最優(yōu)的遺傳模型，由此可以說明，蒸騰速率的遺傳是受到2對主基因控制，并且主基因表現(xiàn)出加性-顯性-上位性的混合遺傳模型。

在細胞間CO2濃度的4個備選模型中，模型B-1的U12、U22、U32(均勻性檢驗沒有達到顯著水平，P>0.05)，nW2

表4 光合各性狀遺傳模型分析檢驗

注：U12、U22、U32、nW2、Dn為適合性檢驗參數(shù)，由主基因+多基因軟件計算得出。括號內(nèi)數(shù)字為適合性檢驗標準值。

(Smirnov檢驗)和Dn(Kolmogorov檢驗)達到顯著水平(P<0.05)，并且模型B-1的并且模型B-1的AIC值最小。因此選擇模型B-1作為該群體氣孔導(dǎo)度最優(yōu)的遺傳模型，由此可以說明，細胞間CO2濃度的遺傳是受到2對主基因控制，并且主基因表現(xiàn)出加性-顯性-上位性的混合遺傳模型。

2.5 光合性狀的遺傳參數(shù)估計

根據(jù)之前確定了的遺傳最優(yōu)模型和IECM的估算方法，對F2群體的光合性狀進行遺傳參數(shù)估計(表5)。高粱的凈光合速率遺傳符合B-2遺傳模型，F(xiàn)2群體的遺傳分離符合加性-顯性的混合遺傳模型，2對主基因(AABB)的，加性效應(yīng)都表現(xiàn)出正值，2對主基因的加性效應(yīng)之和為11.75。2對主基因的顯性效應(yīng)都為正值，2對主基因的顯性效應(yīng)之和為1.748，凈光合速率的加性×加性的上位性為0.000 000 5。加性×顯性的上位性互作效應(yīng)值為-4.653，顯性×顯性上位性互作效應(yīng)值為-4.653。引-20與忻粱52雜交所得到的F2群體的凈光合速率的遺傳率為55.58%。說明控制高粱凈光合速率的相關(guān)基因狹義遺傳力較高，受環(huán)境影響較小，可以遺傳。高粱的蒸騰系數(shù)符合B-2遺傳模型，受到2對主基因控住，表現(xiàn)為加性-顯性混合遺傳模型，其中2對主基因的加性效應(yīng)值皆為正值，加性效應(yīng)值之和為3.307，2對主基因的顯性效應(yīng)值值為負值，顯性效應(yīng)值之和為-4.660。顯性效應(yīng)值明顯的小于加性效應(yīng)值，說明控制高粱蒸騰系數(shù)的2對主基因都以加性效應(yīng)為主，根據(jù)計算蒸騰系數(shù)的主基因遺傳率為85.04%。說明控制高粱蒸騰系數(shù)的相關(guān)基因狹義遺傳力很高，受環(huán)境影響小，可以穩(wěn)定的遺傳。

高粱的氣孔導(dǎo)度符合B-1遺傳模型，受到2對主基因控制，符合加性-顯性-上位性的遺傳模型，其中2對主基因的加性效應(yīng)值皆為正值，并且加性效應(yīng)值之和為384.953，2對主基因的顯性效應(yīng)值皆為負值，并且顯性效應(yīng)值之和為 -279.625，加性×加性上位性為192.176，加性×顯性的上位性互作效應(yīng)為-96.203，顯性×顯性的上位性互作效應(yīng)值為27.039。加性效應(yīng)明顯高于顯性效應(yīng)，說明控制高粱氣孔導(dǎo)度的主基因以加性效應(yīng)為主，經(jīng)過計算得到高粱氣孔導(dǎo)度的遺傳率為79.94%。說明控制高粱氣孔導(dǎo)度的相關(guān)基因狹義遺傳力很高，受環(huán)境影響小，可以穩(wěn)定的遺傳。

表5 高粱光合性狀遺傳參數(shù)估計

注：m為群體均方；da為第1對主基因的加性效應(yīng)值；db為第2對主基因的加性效應(yīng)值；ha為第1對主基因的顯性效應(yīng)值；hb為第2對主基因的顯性效應(yīng)值；i為2個主基因的加×加效應(yīng)；jab為加性(a)×顯性(b)效應(yīng)；jba為加性(b)×顯性(a)效應(yīng)；l為2個主基因的顯×顯效應(yīng)；σ2pg為多基因方程；σ2mg為主基因的方差；h2mg為主基因遺傳率。

高粱的細胞間CO2濃度的遺傳模型符合B-1模型，受到2對主基因控住，符合加性-顯性-上位性的遺傳模型，其中2對主基因的加性效應(yīng)值皆為正值，并且加性效應(yīng)值之和為173.746，2對主基因的顯性效應(yīng)值為1正1負，顯性效應(yīng)值之和為-4.59，加性×加性上位性的值為28.566，加性×顯性的上位性互作效應(yīng)為-76.880，顯性×顯性的上位性互作效應(yīng)值為-15.684，經(jīng)過計算，高粱細胞間CO2濃度的遺傳率為95.49%(表5)。說明控制高粱細胞間CO2濃度的相關(guān)基因狹義遺傳力很高，受環(huán)境影響小，可以穩(wěn)定的遺傳。

3 結(jié)論與討論

高粱的光合性狀是影響最終產(chǎn)量的重要因素，因此改良光合性狀對提高高粱的產(chǎn)量起著非常重要的作用。高光效育種在水稻上已經(jīng)取得重大進展，張建福等找到控制C4植物光合過程中固定CO2的關(guān)鍵酶丙酮酸磷酸雙激酶(PPDK)，并將編碼玉米丙酮酸磷酸雙激酶(PPDK)基因的質(zhì)粒通過基因槍和農(nóng)桿菌介導(dǎo)轉(zhuǎn)化導(dǎo)入秈稻IR64中，在溫室條件下水稻的光合速率以及產(chǎn)量明顯高于對照組[23]。唐海濤等發(fā)現(xiàn)玉米雜交種單穗粒質(zhì)量最為相關(guān)的穗部光合性狀是穗位莖節(jié)長，其次是葉面積、葉長、光合效率和比葉重等，得出對玉米雜交種穗部產(chǎn)量性狀綜合影響較大的穗位光合性狀有穗位莖節(jié)長、葉長、比葉重等的重要結(jié)論[24]。其他一些學(xué)者在小麥[25]、甘藍[16]等農(nóng)作物上也取得了重大研究突破。

本研究以引-20與忻粱52雜交得到的F2群體為材料，對F2群體的光合性狀(包括凈光合速率、蒸騰系數(shù)、氣孔導(dǎo)度、細胞間CO2濃度4個性狀)進行了主基因+多基因的遺傳分析，結(jié)果表明，4個光合性狀都符合主基因+多基因的遺傳模型，存在著控制光合性狀的主效基因。其中凈光合速率受2對主基因控制，符合B-2模型，即加性-顯性的混合遺傳模型，主基因遺傳率為55.58%；蒸騰系數(shù)的遺傳受2對主基因的控制，符合B-2模型，即加性-顯性的混合遺傳模型，主基因遺傳率為85.04%；氣孔導(dǎo)度受2對主基因的控制，符合B-1模型，即加性-顯性-上位性的混合遺傳模型，主基因遺傳率為79.94%；細胞間CO2濃度受2對主基因控制，符合B-1模型，即加性-顯性-上位性的混合遺傳模型，主基因遺傳率為95.49%。因此，對高粱的光合性狀的改良，不僅能提高高粱的最終產(chǎn)量，還能提高高粱秸稈中干物質(zhì)含量[9]，能夠推動高粱莖稈利用的多元化發(fā)展，并且有利于育種工作者在高粱育種過程中對光合性狀的選擇，了解控制光合性狀的基因效應(yīng)以及顯隱性關(guān)系，有助于進一步對控制光合性狀基因進行挖掘和篩選，大大減少了育種工作者的工作量，并提高了育種工作的成功率，在指導(dǎo)田間生產(chǎn)中具有重大的現(xiàn)實意義。