不同環境下胡麻脂肪酸含量的遺傳分析

趙 利，趙 瑋，李聞娟，王利民，黨 照

(甘肅省農業科學院作物研究所,甘肅 蘭州 730070)

胡麻(LinumusitatissimumL.)是我國西北和華北地區重要的特色油料作物。近年來，隨著人民健康意識的增強和胡麻油營養成分的發掘，胡麻油的保健作用越來越受到重視。胡麻油中脂肪酸含量高達99.91%[1]，主要包括棕櫚酸、硬脂酸、油酸、亞油酸和亞麻酸5種脂肪酸，其中不飽和脂肪酸含量接近90%，具有降低低密度脂蛋白膽固醇和甘油三酯，調節心臟功能，改善血液微循環，提高腦細胞的活性，增強記憶力和人體防御系統的功能等作用[2]，其功能是其它脂肪酸所無法取代的[3]。最重要的是，胡麻油中的α-亞麻酸含量高達57%[4]，是植物中α-亞麻酸的最大來源，有“植物中的深海魚油”的美稱。脂肪酸營養保健功能和特種脂肪酸開發利用已經成為國際研究的熱點，因此了解胡麻脂肪酸含量的遺傳規律，已成為胡麻品質育種的重要前提和基礎。

蓋鈞鎰等[5-9]建立的數量性狀的主基因+多基因混合遺傳模型常作為植物數量性狀遺傳的通用模型。該方法已在甘藍型油菜[10-11]、大麥[12]、花生[13-19]、大豆[20-24]、向日葵[25]、棉花[26-27]、甜瓜[28]、白菜[29]、甘藍[30]等作物的遺傳研究中得到了廣泛的應用。而通過數量性狀的主基因+多基因混合模型來研究胡麻脂肪酸含量的遺傳規律少見報道。因此，本研究擬以DYM×STS構建的重組自交系群體為材料，在甘肅定西(E1)、寧夏固原(E2)和河北張家口(E3)3個環境下種植，采用氣象色譜儀測定胡麻脂肪酸含量，運用數量性狀的主基因+多基因混合遺傳模型分析方法，以確定胡麻脂肪酸含量的最適遺傳模型，為胡麻品質育種提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

胡麻(LinumusitatissimumL.)親本DYM、STS及其衍生的233個重組自交系(RIL)種子由甘肅省農業科學院作物研究所胡麻課題組提供。2014年春季在甘肅定西(104°12′E，35°17′N)、寧夏固原(105°48′E，35°21′N)和河北張家口(114°10′E，40°57′N)種植試驗材料，完全隨機區組設計，2次重復，RIL家系每系1行，行長2 m，行距20 cm，栽培管理同大田。成熟后按家系收獲，自然晾曬、風干后測定脂肪酸含量。

1.2 脂肪酸含量測定

脂肪酸含量測定采用安捷倫氣相色譜儀(7820A)測定。色譜條件：采用FID檢測器，ATFFAP色譜柱(30 m×320 mm×0.33 μm)，進樣口溫度：250℃；分流比：60∶1；柱流速2 mL·min-1，恒流模式；FID溫度：300℃，H2流速：40 mL·min-1；空氣流速400 mL·min-1；尾吹氣(N2)流速:30 mL·min-1；柱溫程序:210℃恒溫8 min。2次重復。

1.3 數據分析

采用曹錫文等[31]的Windows 軟件包SEA-DH進行數據分析，分析軟件由章元明教授惠贈。對2個親本及RIL群體在3個環境下的脂肪酸含量進行遺傳分析。選擇(Akaike’s information criterion)最小的3個模型作為最優備選模型，同時進行一組適合性檢驗(均勻性檢驗U12、U22、U32)、Smirnov檢驗(nW2)和Kolmogorov檢驗(Dn)，綜合AIC值及適合性檢驗中統計量達到顯著水平的個數，選擇最優遺傳模型。同時估算有關遺傳參數。

2 結果與分析

2.1 脂肪酸含量的遺傳變異及頻次分布

三個不同環境E1、E2和 E3條件下，RIL群體中脂肪酸含量均存在一定程度的變異。以α-亞麻酸為例，在甘肅定西，親本P1和P2平均含量分別為39.47%和52.23%，RIL群體α-亞麻酸含量出現了廣泛變異和超親遺傳現象，其變異幅度為35.56%～58.04%，群體平均值介于雙親之間。在寧夏固原和河北張家口的情況與此類似。其中在定西和固原兩個環境條件下，雙親的含量差異較大，差異分別為12.76%和14.63%，而在張家口雙親的含量差異不大，僅為l.60%，但是在三個環境中群體的極值差異均較大，分別為22.48%、22.88%和19.74%。不同環境中α-亞麻酸含量變異系數較大，偏度均較為接近，分別為-0.013、-0.148和-0.162；峰度值分別為-0.886、-0.805和-1.124；偏度絕對值小于1，峰度絕對值均在1左右，表明群體中α-亞麻酸含量符合數量性狀分布特點，其余4種脂肪酸情況類似 (表1) 。

RIL群體脂肪酸表型次數分布圖如圖1～圖5所示。由圖可以看出，3個地點5種脂肪酸次數分布圖基本一致，均呈現單峰偏態或雙峰分布，初步推斷其可能存在主效基因。按照蓋鈞鎰、章元明等[5-9]提出的主基因+多基因混合遺傳模型進行遺傳分析，選擇最佳遺傳模型，進而估算遺傳參數。

表1 不同地點親本及RIL群體脂肪酸含量變異參數

圖1 棕櫚酸含量的頻次分布圖Fig.1 Frequency distribution of palmitic acid content

圖2 硬脂酸含量的頻次分布圖Fig.2 Frequency distribution of stearic acid content

圖3 油酸含量的頻次分布圖Fig.3 Frequency distribution of oleic acid content

圖4 亞油酸含量的頻次分布圖Fig.4 Frequency distribution of linoleic acid content

圖5 亞麻酸含量的頻次分布圖Fig.5 Frequency distribution of linolenic acid content 注：圖1-5為3個不同地點脂肪酸含量頻次圖，圖中A、B、C分別為甘肅定西點、寧夏固原點和河北張家口點的分布圖。Note: Fig.1-5 were the frequency distribution of fatty acids in different areas. A, B, and C in each Fig. were in the location of Dingxi, Gansu Province, Guyuan, Ningxia Hui Autonomous Region, and Zhangjiakou, Hebei Province, respectively.

2.2 脂肪酸含量遺傳分析

2.2.1 棕櫚酸含量遺傳分析 根據AIC值和適合性測驗(表2)，甘肅定西地區棕櫚酸含量AIC值較小的3個模型分別為MX1-A-AI、MX2-AI-AI和MX2-Inhibiting-A，統計量達到顯著水平的個數均為0，因此確定該點的最優模型為MX1-A-AI，即1對主基因+多基因模型，主基因存在加性效應，多基因存在加性上位性效應。主基因遺傳率為54.35%，多基因遺傳率為45.63%(表3)。

寧夏固原地區棕櫚酸含量AIC值較小的3個模型分別為PG-A、MX2-Inhibiting-A和PG-AI，統計量達到顯著水平的個數均為0，因此確定該點的最優模型為PG-A，即多基因模型，多基因以加性效應為主。多基因遺傳率為96.14%(表3)。

河北張家口地區棕櫚酸含量AIC值較小的3個模型分別為0MG、PG-A和PG-AI，統計量達到顯著水平的個數分別為2、0和9，雖然PG-A達到顯著水平的個數最少，但其AIC值與0MG的相差太大，且0MG達到顯著水平的個數僅為2，相對較少，因此確定該點的最優模型為0MG，即無主基因模型。

2.2.2 硬脂酸含量遺傳分析 根據AIC值和適合性測驗(表2)，甘肅定西地區硬脂酸含量AIC值較小的3個模型分別為4MG-AI、MX1-A-A和MX2-AI-A，統計量達到顯著水平的個數均為0，因此確定該點的最優模型為4MG-AI，即4對主基因模型，主基因存在加性上位性效應。4對主效基因的遺傳貢獻率達97.83%(表3)。

寧夏固原地區硬脂酸含量AIC值較小的3個模型分別為4MG-EEEA、MX2-DominanceI-A和 MX2-RecessiveI-A，統計量達到顯著水平的個數均為0，因此確定該點的最優模型為4MG-EEEA，即4對主基因模型，主基因存在相等的加性效應。4對主效基因的遺傳貢獻率達85.88%(表3)。

河北張家口地區硬脂酸含量AIC值較小的3個模型分別為PG-AI、MX1-A-AI和0MG，統計量達到顯著水平的個數分別為7、7和2，由于3個候選模型AIC值比較接近，但達到顯著水平的個數差異較大，因此選擇統計量達到顯著水平的個數最少的0MG作為該點的最優模型，即無主基因模型。

2.2.3 油酸含量遺傳分析 根據AIC值和適合性測驗(表2)，甘肅定西地區油酸含量AIC值較小的3個模型分別為MX1-A-A、MX2-DominanceI-A和MX2-RecessiveI-A，統計量達到顯著水平的個數均為0，因此確定該點的最優模型為MX1-A-A，即1對主基因+多基因模型，主基因和多基因均以加性效應為主。主基因遺傳率為56.33%；多基因遺傳率為38.63%(表3)。

寧夏固原地區油酸含量AIC值較小的3個模型分別為3MG-AI、4MG-A和4MG-AI，統計量達到顯著水平的個數分別為1、3、1，因此確定該點的最優模型為3MG-AI，即3對主基因模型，主基因存在加性上位性效應。3對主效基因的遺傳貢獻率達84.32%(表3)。

河北張家口地區油酸含量AIC值較小的3個模型分別為PG-A、0MG和PG-AI，統計量達到顯著水平的個數分別為1、2和7，因此確定該點的最優模型為PG-A，即多基因模型，并存在加性效應，但多基因遺傳率為0(表3)。

2.2.4 亞油酸含量遺傳分析 根據AIC值和適合性測驗(表2)，甘肅定西地區亞油酸含量AIC值較小的3個模型分別為4MG-EEEA、4MG-AI和MX3-AI-A，統計量達到顯著水平的個數分別為0、1、1，因此確定該點的最優模型為4MG-EEEA，即4對主基因模型，主基因存在相等的加性效應。4對主基因遺傳率高達96.56%。

寧夏固原地區亞油酸含量AIC值較小的3個模型分別為MX3-AI-AI、4MG-AI和MX3-AI-A，統計量達到顯著水平的個數均為0，因此確定該點的最優模型為MX3-AI-AI，即3對主基因+多基因模型，主基因和多基因均存在加性上位性效應。3對主效基因的遺傳貢獻率達96%，多基因遺傳貢獻率很低，僅為3.11%。

河北張家口地區亞油酸含量AIC值較小的3個模型分別為PG-A、4MG-CEA和2MG-Complementary，統計量達到顯著水平的個數分別為7、3和3，由于3個候選模型AIC值比較接近，但達到顯著水平的個數差異較大，因此選擇AIC值較小、統計量達到顯著水平個數較少的4MG-CEA作為該點的最優模型，即4對主基因模型，主基因存在相等的加性效應。

2.2.5 亞麻酸含量遺傳分析 根據AIC值和適合性測驗(表2)，甘肅定西地區亞麻酸含量AIC值較小的3個模型分別為MX1-A-A、MX2-A-A和MX2-DominanceI-A，統計量達到顯著水平的個數均為0，因此確定該點的最優模型為MX1-A-A，即1對主基因+多基因模型，主基因和多基因均存在加性效應。1對主效基因的遺傳貢獻率為69.80%，多基因遺傳貢獻率為29%。

寧夏固原地區亞麻酸含量AIC值較小的3個模型分別為4MG-EEEA、4MG-A和MX2-RecessiveI-A，統計量達到顯著水平的個數分別為2、0、0，由于3個模型的AIC值接近，因此確定該點的最優模型為4MG-A，即4對主基因模型，主基因存在加性效應。4對主效基因的遺傳貢獻率為85.85%(表3)。

河北張家口地區亞麻酸含量AIC值較小的3個模型分別為0MG、PG-AI和MX1-A-AI，統計量達到顯著水平的個數分別為3、10和10，因此確定該點的最優模型為0MG，即無主基因模型。

2.3 脂肪酸組分含量的相關性分析

3個不同地區脂肪酸組分含量間的相關分析結果表明，亞麻酸與棕櫚酸、硬脂酸、油酸和亞油酸均呈(極)顯著負相關，硬脂酸與油酸呈(極)顯著正相關。其余脂肪酸間的相關關系均因地點不同而不同。如在甘肅定西和河北張家口地區，棕櫚酸與亞油酸均呈顯著正相關關系，在寧夏固原和河北張家口地區，棕櫚酸與硬脂酸均呈(極)顯著負相關；在固原地區，棕櫚酸與油酸呈顯著正相關；在定西和固原地區，油酸與亞油酸均呈極顯著負相關，其它相關均不顯著(表4)。

3 討論與結論

脂肪酸是油料作物重要的品質性狀，近年來針對脂肪酸遺傳的研究較多[18，21，31-36]。本研究以DYM×STS獲得的F6∶7重組自交系群體在3個不同環境下脂肪酸含量的變化研究胡麻脂肪酸含量的遺傳。研究結果表明，棕櫚酸在3個地點(依次為甘肅定西、寧夏固原和河北張家口地區)的遺傳模型分別為1對主基因+多基因模型、多基因模型和無主基因模型；硬脂酸的遺傳模型分別為4對主基因模型、4對主基因模型和無主基因模型；油酸的遺傳模型分別為1對主基因+多基因模型、3對主基因模型和多基因模型；亞油酸的遺傳模型分別為4對主基因模型、3對主基因模型+多基因模型和4對主基因模型；亞麻酸的遺傳模型分別為1對主基因+多基因模型、4對主基因模型和無基因模型，主基因和多基因的遺傳貢獻率詳見表3。可見胡麻種子中的5種脂肪酸含量遺傳較為復雜，不同地區的最適模型完全不同，定西地區5種脂肪酸主要表現為主基因或主基因+多基因模型，在固原有主基因、主基因+多基因模型以及多基因模型；而在張家口地區則表現為無主基因、多基因和主基因三種模型。表明脂肪酸遺傳的復雜性，同時也表明環境效應對脂肪酸含量的遺傳有一定的影響。

對大豆[32-33]、花生[34-35]和胡麻[36]脂肪酸的研究表明，脂肪酸遺傳基本上均為主基因+多基因遺傳模式。特別是張瓊[36]等對胡麻脂肪酸的研究表明，亞麻酸含量為2對重疊作用主基因遺傳，主基因遺傳率為36%；亞油酸含量為3對等加性主基因遺傳，主基因遺傳率為80% ；油酸、棕櫚酸和硬脂酸含量均表現為無主基因效應的多基因遺傳。本研究結果與此差異較大，可能是由于以下兩方面的原因：一是構建RIL的材料不同，本研究是以α-亞麻酸含量差異較大的2個材料分別做父母本構建的群體，主要考慮的是后代品質性狀的變異情況；而后者所用的親本材料是以油用型胡麻與纖維型亞麻雜交構建的群體，后代群體主要是農藝性狀的差異，當然品質肯定也存在一定的差異。從目前本研究分析結果和其報道的結果來看，不同材料分析的結果差異較大。再加上與其它油料作物分析方法的差異，其分析結果的差異也就可想而知。二是種植地點的不同，本研究是在甘肅定西、寧夏固原和河北張家口3個地點下種植，而后者是在甘肅景泰種植，環境效應對脂肪酸含量的遺傳有一定的影響，因此地點的差異也是導致結果差異的重要原因。

表4 不同地區脂肪酸組分含量間的相關性

注：**表示0.01極顯著水平；*表示0.05顯著水平。

Note：** means significant atP=0.01 level; * means significance atP=0.05 level.

作為胡麻脂肪酸中含量最高，也是胡麻油的最大亮點的α-亞麻酸的遺傳，除了張家口表現為無主基因遺傳模式外，定西和固原均表現主基因(或主基因+多基因)遺傳模式，且主基因的遺傳貢獻率較大，因此在這兩個地點，改善α-亞麻酸的品質，要注重于主基因的利用，我們可通過早代選擇的方式，即在低代測定脂肪酸含量的方式選擇α-亞麻酸含量較高的單株，從而實現亞麻酸含量的改良。而在張家口地區，則可以通過分子標記輔助選擇進行基因聚合，實現對胡麻α-亞麻酸性狀的改良。