胡麻RIL群體苗期抗旱性狀的主基因+多基因遺傳分析

王 斌，王利民，張建平,，謝亞萍，牛早霞，趙 利

(1.甘肅省農業科學院作物研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學農學院，甘肅 蘭州 730070)

胡麻(LinumusitatissimumL.)是北方地區重要的油料作物，胡麻油含有對人體有益的α-亞麻酸、胡麻籽富含木酚素和膳食纖維含量等多種營養保健成分。隨著社會經濟的發展和生活水平的提高，人們越來越注重食物中營養元素和功能性膳食纖維，胡麻籽獨特的營養保健作用，受到人們越來越多的重視。胡麻主要分布在我國西北和華北地區干旱貧瘠的地區，該地區年降水量一般400～500 mm，北部只有200～300 mm，屬于干旱半干旱農業生產區，干旱是造成胡麻產量低而不穩的最主要因素[1]。胡麻生產面臨著種植效益低，農民種植積極性下降，全國胡麻種植面積持續下滑等諸多問題。改良胡麻品種，提高胡麻抗旱性和產量是胡麻產業持續穩定發展的急需解決的問題。

目前，胡麻抗旱性研究主要針對成株期和萌發期，苗期抗旱性研究比較少。祁旭升等對胡麻種質資源成株期抗旱性進行了評價并進行抗旱指標的篩選[2,3]。羅俊杰等對胡麻主要育成品種成株期抗旱性進行了評價[4,5]。石倉吉通過水、旱地對15個品種的11個性狀進行了抗旱性鑒定[6]。何麗等研究了干旱對胡麻現蕾期光合特性及產量的影響[7]。吳文榮，李娜，張延軍，姚玉波，王宗勝等對胡麻萌發期抗旱性進行了評價[8-12]。趙利等對胡麻苗期抗旱性的生理指標進行了研究[13]，而對胡麻苗期抗旱性相關農藝性狀的研究比較少。

作物抗旱性屬于復雜的數量性狀，受環境影響比較大。有關胡麻抗旱機理和抗旱遺傳研究國內外報道比較少，研究基礎比較薄弱。蓋鈞鎰、章元明等提出的主基因+多基因混合遺傳模型在統計分析植物數量性狀的應用比較廣泛[14,15]。Hu等用此方法對東鄉野生稻BILs群體苗期抗旱性的農藝性狀進行了遺傳分析[16]。在胡麻上，利用該方法對胡麻農藝、產量和品質性狀，胡麻溫敏雄性不育產量相關性狀，脂肪酸含量和粗脂肪等數量性狀進行了研究[17-21]。在胡麻上還沒有利用主基因+多基因模型分析抗旱性狀的報道。本研究以抗旱品種定亞 17 號為母本，抗旱敏感品種天亞 3號為父本，采用一粒傳法構建RIL群體，利用數量性狀主基因+多基因混合遺傳模型分析方法，研究胡麻苗期抗旱相關性狀的遺傳機制，明確胡麻苗期相關性狀抗旱的遺傳因素和環境變異，為胡麻抗旱育種提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以抗旱品種定亞 17 號為母本(P1)、抗旱敏感品種天亞 3號為父本(P2)，于2012年12月份在云南元謀雜交，采用一粒傳法在蘭州和元謀兩地連續自交7代構建了F7代139個株系的RIL群體。試驗用RIL群體和兩個親本群體進行遺傳分析。

1.2 試驗方法

試驗在甘肅省農業科學院智能溫室進行抗旱性鑒定。試驗設置干旱脅迫和對照(正常灌水)2個處理，出苗后進行干旱脅迫，正常灌水CK(田間最大持水量的80%)，干旱脅迫(田間最大持水量的50%)。每個處理3次重復，小區按2 m行長、20 cm行距、3行區種植，每行播種300粒。土壤水分數據采用EM50(Decagon Device. USA)數據采集器(采集時間間隔為1h)進行采集，埋在不同處理0～30 cm深的土壤中實時監測土壤中的水分動態，根據水分的實際情況確定灌水量。田間最大持水量用環刀法測定。

4月20號播種，6月初取樣。每小區取樣10 株，挖出根后用水沖洗干凈，帶回實驗室，用直尺測定主根長和株高；用萬分之一天平測定根莖葉鮮重。然后于105℃烘干箱內殺青1h，再在80℃恒溫下烘6～8h至恒重，測定其干重。共考察根長(Root length，RL)、株高(Plant height，PH)、葉鮮重(Fresh leaf weight，FLW)、葉干重(Leaf dry weight，LDW)、根鮮重(Fresh root weight，FRW)、根干重(Root dry weight，RDW)、莖鮮重(Fresh shoot weight，FSW)、莖干重(Fresh shoot weight，FSW)8個性狀，計算抗旱系數。

DC=Xi/CKi

式中，Xi、CKi分別表示干旱、對照處理條件下性狀測定值。

1.3 數據分析

采用蓋鈞鎰、章元明[14,15]等提出的數量性狀主基因+多基因混合遺傳分離分析方法，對兩個親本群體和RIL群體的8個苗期性狀的抗旱系數進行遺傳模型分析，運行SEA-G3DH分析軟件進行數據處理。首先，計算不同性狀遺傳模型的極大似然函數值(Max-likelihood-values，MLV)和AIC(Akaike's information criterion)值。根據AIC 篩選方法，首先選定AIC 值最小的3個模型作為備選模型，通過對備選模型進行適合性檢驗，有5 個統計量：U12、U22、U23(均勻性檢驗)、nW2(Smirnov 檢驗)和Dn(Kolmogorov 檢驗)，然后選擇的最優模型為AIC值比較小且統計量達到顯著水平個數最少的模型。在此基礎上，采用最小二乘法估計遺傳模型的一階、二階遺傳參數，包括主基因加性、顯性、上位性效應，多基因的加性和顯性效應，主基因和多基因方差及遺傳率等[22]。

2 結果與分析

2.1 不同群體相關性狀抗旱系數的分布

兩個親本群體及RIL群體8個性狀抗旱系數平均值的統計值和正態性檢驗值列于表1。從變異系數看，根鮮重、莖鮮重、根干重和莖干重的變異系數較大(42.54～48.39%)，株高和根長的變異系數相對較小(18.37%和16.93%)。8個性狀抗旱系數的平均值均呈連續性分布，其分布特征函數偏度和峰度絕對值都小于1，其中株高呈左偏離正態分布，其它性狀呈右偏離正態分布；根鮮重呈平頂峰分布，其它性狀呈尖頂峰分布(圖1)。株高，根長和莖干重的正態性檢驗P0.05值均大于0.05，其它性狀的正態性檢驗P0.05值都小于0.05。表明這些性狀分布近似呈正態分布，可能受主效基因和微效多基因效應共同控制。

2.2 不同性狀遺傳模型選擇及適合性檢驗

利用植物數量性狀主基因+多基因混合遺傳模型，對RIL群體和兩個親本群體的8個性狀的抗旱系數進行模型分析，運行SEA-G3DH分析軟件，得到不同性狀的不同模型極大對數似然值(MLV)和AIC 值(表2)。

根據AIC 值最小原則進行模型初選，從中選擇AIC值最小的模型，同時選擇與其接近的兩個模型作為備選模型。從表2可以看出，株高AIC值最小的模型為2MG-Duplicate(-245.609)，與其接近的模型為3MG-CEA(-270.594)和2MG-Inhibiting(-281.128)；分別對這3個模型的3個群體進行適合性檢驗(表4)，包括均勻性檢驗(U12、U22、U32)，Smirnov檢驗(nW2)和Kolmogorov 檢驗(Dn)，從3個模型中選擇統計量達到顯著水平個數最少的模型為最優模型。株高3個備選模型的3個群體共15個統計量中達到顯著水平的統計量個數分別是13、11、11，因此株高的最適遺傳模型為2MG-Inhibiting，受2 對抑制性主基因+加性多基因模型控制(表3)。同樣，根鮮重、莖鮮重、根干重、莖干重的最適遺傳模型為2MG-Inhibiting。根長、葉干重的最適遺傳模型為3MG-CEA，受3對獨立主基因+加性多基因模型控制；葉鮮重的最適遺傳模型為4MG-CEA，受4對獨立主基因控制，沒有多基因效應。胡麻苗期8個抗旱相關性狀有5個受2 對主基因+多基因遺傳控制，2個受3對主基因+多基因遺傳控制，1個受4對獨立主基因控制。有5個性狀的主基因遺傳效應為抑制性作用，3個性狀為獨立主基因；7個性狀的多基因遺傳效應為加性作用。

2.3 遺傳參數估計

采用最小二乘法估計8個性狀抗旱系數最適遺傳模型的一階、二階遺傳參數(表4)。株高、根鮮重、莖鮮重、根干重、莖干重、根長、葉干重7個性狀受主基因+多基因遺傳控制，葉鮮重只有主基因效應，沒有多基因效應。株高、根鮮重、莖鮮重、根干重、莖干重的2對主基因為抑制效應，多基因效應為加性效應，只有根鮮重的加性效應值是負向，其它的都為正向；這5個性狀的主基因遺傳率分別是19.61%、41.67%、37.58%、9.59%、50.96%。根長、葉干重的3對獨立主基因效應完全相等，而且效應值全是負向；多基因為加性效應；這兩個性狀的主基因遺傳率分別是41.97%和34.73%。葉鮮重的4對獨立主基因效應完全相等，效應值全是負向；沒有多基因效應，這個性狀的主基因遺傳率為46.35%。

表1不同性狀抗旱系數的統計值和正態性檢驗

Table 1 Statistic analysis and normal distribution test of different traits drought resistance coefficient

性狀Trait親本 ParentsP1P2RIL群體 RILs population均值Mean極差Range標準差SD變異系數CV/%偏度Skewness峰度KurtosisWP0.05株高 PL0.610.420.680.580.1218.37-0.15-0.300.990.47根長 RL0.750.860.850.730.1416.930.17-0.120.980.13根鮮重 FRW0.300.430.320.660.1548.390.850.170.930莖鮮重 FSW0.220.410.320.600.1442.540.46-0.370.970.01葉鮮重FLW0.320.440.380.540.1233.200.43-0.170.970.01根干重 RDW0.170.500.340.630.1544.920.48-0.590.960莖干重 SDW0.300.450.370.670.1643.610.06-0.720.990.15葉干重 LDW0.370.540.500.820.2039.850.29-0.730.980.01

圖1 不同性狀抗旱系數次數分布圖Fig.1 Frequency distribution of different traits drought resistance coefficient

性狀Trait模型ModelMLVAIC性狀Trait模型ModelMLVAIC株高2MG-Duplicate125.8043-245.609葉鮮重2MG-Complementary149.8452-293.69PL3MG-CEA138.2968-270.594FLW4MG-CEA150.6439-295.2882MG-Inhibiting143.5638-281.1282MG-EA154.3779-302.756根長3MG-CEA151.2112-296.422根干重2MG-Inhibiting82.3791-158.758RL4MG-CEA151.4511-296.902RDW2MG-Complementary141.0559-276.1122MG-Duplicate154.4795-302.9592MG-Duplicate148.6461-291.292根鮮重2MG-Inhibiting142.9818-279.964莖干重2MG-Inhibiting107.9913-209.983FRW2MG-Complementary145.6641-285.328SDW4MG-CEA115.1758-224.3524MG-A149.8224-289.6453MG-CEA116.8511-227.702莖鮮重2MG-Inhibiting146.1885-286.377葉干重3MG-CEA79.2027-152.406FSW4MG-CEA179.1726-352.345LDW4MG-CEA82.1814-158.3633MG-CEA184.2264-362.4532MG-Duplicate82.7113-159.423

表3不同性狀抗旱系數遺傳模型的適合性檢驗

Table 3 Test for fitness of genetic models on different traits drought resistance coefficient

性狀Trait模型Model世代GenerationU12(p)U22(p)U32(p)nW22(p)Dn(p)株高2MG-InhibitingP174.71(0.00)44.98(0.00)44.21(0.00)8.36(0.01)0.79(0.00)PLP25.99(0.01)1.35(0.24)23.28(0.00)1.71(0.00)0.21(0.054)RILs9.67(0.00)6.39(0.01)3.74(0.053)1.30(0.00)0.02(1.00)根長3MG-CEAP10.80(0.37)5.77(0.02)37.72(0.00)1.60(0.00)0.37(0.00)RLP214.62(0.00)21.44(0.00)13.78(0.00)2.82(0.00)0.50(0.00)RILs0.89(0.34)2.08(0.15)4.48(0.03)0.20(0.26)0.01(1.00)根鮮重2MG-InhibitingP117.07(0.00)23.06(0.00)10.28(0.00)2.93(0.00)0.52(0.00)FRWP223.11(0.00)16.98(0.00)4.56(0.03)3.45(0.00)0.14(0.41)RILs2.22(0.14)1.06(0.30)2.76(0.10)0.61(0.02)0.01(1.00)莖鮮重2MG-InhibitingP123.32(0.00)27.08(0.00)4.46(0.03)3.49(0.00)0.51(0.00)FSWP256.29(0.00)66.09(0.00)11.97(0.00)6.65(0.01)0.06(1.00)RILs1.88(0.17)0.93(0.33)2.10(0.15)0.30(0.15)0.01(1.00)葉鮮重4MG-CEAP10.79(0.37)0.36(0.55)33.96(0.00)1.32(0.00)0.28(0.00)FLWP22.42(0.12)8.73(0.00)33.53(0.00)1.67(0.00)0.40(0.00)RILs1.75(0.19)1.25(0.26)0.41(0.52)0.37(0.09)0.01(1.00)根干重2MG-InhibitingP150.73(0.00)40.06(0.00)5.15(0.02)6.56(0.01)0.74(0.00)RDWP262.03(0.00)75.65(0.00)18.38(0.00)7.52(0.01)0.07(0.98)RILs1.40(0.24)1.54(0.22)0.15(0.70)0.29(0.15)0.00(1.00)莖干重2MG-InhibitingP18.00(0.00)15.69(0.00)23.93(0.00)2.24(0.00)0.48(0.00)SDWP244.28(0.00)45.35(0.00)1.35(0.24)5.90(0.00)0.11(0.74)RILs1.75(0.19)0.81(0.37)2.31(0.13)0.22(0.24)0.00(1.000)葉干重3MG-CEAP110.89(0.00)19.08(0.00)22.02(0.00)2.89(0.00)0.53(0.00)LDWP232.15(0.00)32.98(0.00)1.02(0.31)4.90(0.00)0.65(0.00)RILs6.64(0.01)10.63(0.00)9.40(0.00)0.80(0.01)0.01(1.00)

表4不同性狀抗旱系數遺傳模式的遺傳參數估計值

Table 4 Estimates of genetic parameters from different traits drought resistance coefficient

性狀Trait一階參數1st order genetic parametermdadbdcddi二階參數2nd order genetic parameterσ2pσ2pgσ2mgσ2eh2pgh2mg株高 PL0.670.10.02000.0119.610根長 RL0.83-0.02-0.02-0.020.020.0100.0141.970根鮮重 FRW0.28-0.080.020.0100.0141.670莖鮮重 FSW0.370.080.020.0100.0137.580葉鮮重 FLW0.38-0.02-0.02-0.02-0.020.020.0100.0146.350根干重 RDW0.390.070.03000.029.590莖干重 SDW0.460.120.030.0200.0250.960葉干重 LDW0.45-0.03-0.03-0.030.040.0100.0334.730

3 討 論

相關研究表明，胡麻數量性狀的遺傳受加性和非加性(顯性、上位性)基因效應共同控制[17,18]。本研究結果表明，株高、根鮮重、莖鮮重、根干重、莖干重受2對抑制性主基因+加性多基因控制，根長、葉干重受3對獨立主基因+加性多基因控制，葉鮮重受4對獨立主基因控制，沒有多基因效應。從主基因的遺傳效應大小及方向看，不同性狀存在差異比較大。從主基因遺傳效率來看， 8個性狀主基因遺傳率在9.59%～50.96%之間，株高和根干重遺傳率比較低，說明環境對這兩個性狀影響比較大。胡標林等對東鄉野生稻BILs群體苗期抗旱性遺傳分析顯示受2 對獨立主基因+多基因控制[23]，劉瑩等對大豆耐旱種質相關根系性狀的遺傳分析顯示，耐旱相關根系性狀主要由2對主基因和加性多基因控制，與本研究結果相近[24]。閆艷等研究認為，小麥苗期根長、根鮮重、莖干重、根干重等性狀在干旱條件下受1對加性顯性主基因控制，莖鮮重受2對加性顯性主基因控制，苗高無主基因，與本研究結果不同[25]。朱猛等分析表明，干旱脅迫下玉米苗期主根長和根鮮重的遺傳模型為1對加性-顯性主基因+加性-顯性-上位性多基因控制[26]。說明不同作物抗旱性數量性狀比較復雜，不同的試驗結果可能與試驗材料、試驗環境、選擇的指標等差異有關。根的生長是作物在干旱脅迫下所需觀察的重要性狀，苗期根系性狀應該作為一項重要的參考指標，但在大田進行根性狀的調查誤差比較大[27]。周曉果等對小麥 DH 群體苗期根系性狀的研究表明，有3個加性效應QTL和3對上位性效應QTL控制最大根長，2個加性效應QTL和2對上位性效應QTL控制根鮮重，2個加性效應QTL和3對上位性效應QTL影響根干重。控制這些性狀的主基因數目和本文研究結果相同，但主基因效應不同[28]。翟榮榮等在不同水分條件下水稻苗期根系性狀的 QTL 分析顯示，在干旱脅迫條件下檢測到 14個QTL，影響根長的QTL有2個，影響根鮮重的QTL有3個[29]。Tuberosa 等[30]在玉米抗旱研究中和周蓉等[31]在大豆抗旱性研究中都發現根植株抗旱性與產量性狀存在連鎖關系。水稻上研究表明根系性狀對植株抗旱性[32,33]，地上部生長和產量形成起著重要作用[34-36]，說明根系性狀與作物抗旱性密切相關。本研究顯示，根長、根鮮重、葉鮮重和莖干重的主基因遺傳率比較高，可以作為胡麻苗期抗旱的鑒定指標。根鮮重、莖鮮重、根干重和莖干重的變異系數最大，說明4個性狀存在較廣泛的變異，并且存在超親優勢，選擇優勢株系進行新品種選育的潛力比較大。

4 小 結

胡麻RIL 群體8個性狀的抗旱系數存在廣泛變異，部分性狀表現超親分離現象，其分布近似為正態分布。通過主基因+多基因遺傳模型分析表明胡麻RIL群體苗期抗旱性的8個性狀中有7個為主基因+多基因混合遺傳模型，株高、根鮮重、莖鮮重、根干重、莖干重受2對抑制性主基因+加性多基因控制，根長、葉干重受3對獨立主基因+加性多基因控制，葉鮮重受4對獨立主基因控制。從主基因的遺傳效應大小及方向看，不同性狀存在差異比較大。總體來看，抑制性和獨立基因主基因，加性多基因在抗旱相關性狀的遺傳中起重要作用。從主基因遺傳效率來看，根長、根鮮重、葉鮮重和莖干重可以作為胡麻苗期抗旱鑒定指標。