基于農藝性狀的甘藍型油菜三系骨干親本多樣性分析

張東鎖，臧 珊，胡勝武，郭 媛

(西北農林科技大學 農學院，陜西楊凌 712100)

油菜是世界上重要的經濟作物之一，也是中國最重要的油料作物，含有豐富的油脂及蛋白質，是現代重要的食用油和工業油來源[1]。甘藍型油菜(Brassicanapus, AACC, 2n=38)是由二倍體親本白菜(Brassicarapa, AA, 2n=20)和甘藍(Brassicaoleracea, CC, 2n=18)天然雜交后染色體組加倍得到的異源四倍體物種[2]。甘藍型油菜起源于歐洲，于20世紀30至40年代分別由歐洲和日本引入中國，目前已經成為中國油菜的主要栽培類型[3]。甘藍型油菜雜種優勢顯著，雜種優勢的幅度可以達到30%～60%[4]，雜交育種是油菜新品種選育的主要途徑，育種材料的遺傳變異和種質資源遺傳多樣性的研究對于選擇親本材料，合理選配雜交組合非常關鍵。目前，多種細胞標記、生物化學(同工酶)標記和DNA分子標記(SSR、SRAP、AFLP等)等技術被廣泛地應用于作物遺傳多樣性的研究[5]，然而，在育種的實施過程中，選育的品種往往要具備很多的符合生產實踐的重要性狀，表型性狀的鑒定和描述仍然是檢驗遺傳變異最基本的方法和途徑[6]。全面分析種質資源的遺傳多樣性模式，不僅需要從基因層面探討其多樣性，同時也需要表型多樣性的數據[7]。前人已經對小麥[8]、大麥[9]、番茄[10]、茶樹[11]等作物的表型多樣性進行了研究，并在揭示表型變異規律和分類方面取得了有價值的結果。對于油菜育種者而言，育種過程中的農藝性狀和品質性狀至關重要[1]。陳衛江等[12]利用株高、單株總莢數、千粒質量等10個農藝性狀對24份甘藍型油菜細胞質雄性不育保持系和恢復系親本進行了遺傳距離測定分析，并對雜交親本的遺傳距離與雜種優勢的相關關系進行了探討。結果表明，親本遺傳距離與雜種優勢間存在一定程度的正相關。Hu等[13]利用9個農藝性狀對國內外的63份甘藍型油菜進行聚類分析，結果發現可以明顯的將中國和歐洲的甘藍型油菜劃分為兩大類，為拓展國內資源提供了理論依據。K?rber等[14]利用518份甘藍型油菜自交系研究了幼苗發育的多樣性及其與農藝性狀間的關系，在8種檢測的種質類型中發現了表型多樣性的差異。Chen等[15]對世界各地搜集到的488份甘藍型油菜核心種質的表型性狀進行了評估，分析12個產量與農藝性狀、10個品質性狀的遺傳變異，該信息為育種親本的選擇提供了有用的支撐。此外，該研究挖掘到多份優異基因資源和特異遺傳材料，可直接用于生產和遺傳研究。

本試驗對30份甘藍型油菜三系骨干親本材料的11個農藝和品質性狀進行了鑒定，并對其遺傳多樣性進行分析，劃分育種骨干親本的雜種優勢群，旨在為油菜雜交育種的親本選配和生產利用等提供有效的信息和重要的參考依據。

1 材料與方法

1.1 材 料

供試的甘藍型油菜骨干親本材料共有30份，包括15份恢復系和15份保持系材料(基于Pol/Shaan2A CMS分類的恢保關系)，均為低芥酸和低硫苷材料(表1)。這些材料包括‘秦優7號’‘秦油10號’‘陜油8號’‘陜油803’等審定油菜雜交種的父本，或中雙系列、浙雙系列等常規油菜品種的高代選系。以上材料均由西北農林科技大學油菜研究中心生物技術育種課題組提供。

表1 供試油菜品種編號、來源、類型和品質Table 1 Code, origin, type and quality of rapeseed accessions

注：“00”代表低芥酸，低硫苷。類型代表基于Pol/Shaan2A CMS分類的恢保關系。

Note:“00” represents low content of erucic acid and low content of glucosinolates. Type represents restorers and maintainers of Pol/Shaan2A CMS.

試驗于2016至2017年在陜西楊凌西北農林科技大學農學院標本區(北緯34°16′，東經108°)試驗地進行，采用隨機區組試驗設計，3次重復，每個株系種植5行，行長2.0 m，行間0.50 m，植株間距0.15 m，每行15～20株，四周設置保護行，土壤肥力中等，其他田間管理按常規進行。

1.2 農藝和品質性狀調查

成熟期在每小區中部隨機選擇5株進行調查，調查記載的性狀包括：株高(PH)、分枝部位(SPFPB)、一次有效分枝數(NB)、主花序有效長度(LTM)、主花序有效角果數(NSTR)、單株角果數(NSP)、每角粒數(NS)、角果長度(SL)、千粒質量(TSW)和單株產量(SYP)10個相關性狀。收獲種子后，參照文獻[16]的方法，利用近紅外儀(Foss NIR Systems Inc, Denmark)對小區混合種子進行含油量(OC)測定。

1.3 數據分析

采用SPSS11.0軟件[17]的單因素方差分析(One Way ANOVA)程序對恢復系和保持系的11個農藝性狀和品質性狀進行比較。單株產量為理論值，由全株有效角果數、每角粒數、千粒質量的乘積得來。對每個小區下的株高、分枝部位、一次有效分枝數、主花序有效長度、主花序有效角果數，單株角果數、每角粒數、角果長度、千粒質量、單株產量和含油量等11個性狀的原始數據用Excel整理后，采用隨機區組試驗設計進行11個農藝性狀和品質性狀的方差分析(Analysis of Agronomic and Quality Variance，AAQVA)，11個性狀的平均值用于聚類分析。根據馬氏距離計算材料間的成對距離。利用DPS數據處理軟件對各項平均值進行多元統計分析；聚類分析采用Ward’s法(離差平方和法)[18]進行系統聚類。所有材料的主成分都是從相關系數中提取出來的。利用DPS軟件對11個性狀進行有效矩陣分析。用SPSS11.0軟件的散點圖繪制前2個主成分的坐標圖。

2 結果與分析

2.1 方差結果分析

30份參試甘藍型油菜被分成2組，一組為恢復系材料，一組為保持系材料。對11個農藝性狀和品質性狀的方差分析(AAQVA)結果發現(表2)：在恢復系材料中，11個農藝性狀的變異系數從大到小依次為單株產量、分枝部位、單株角果數、角果長度、主花序有效角果數、每角粒數、一次有效分枝數、主花序有效長度、千粒質量、含油量、株高，說明供試材料在恢復系材料差異在單株產量、分枝部位、單株角果數等性狀上變異豐富，在千粒質量、含油量、株高方面差異小。除株高和含油量變異系數分別為8.09%和8.33%外，其余性狀變異系數都在10%以上，最大為單株產量，其變異系數為33.57%。在保持系材料中，11個農藝性狀的變異系數大小與恢復系的基本一致，最大為單株產量(39.65%)，最小為株高(6.87%)。然而，所有測試性狀在恢復系與保持系上沒有顯著性差異(表2和表3)。

表2 恢復系與保持系11個農藝性狀和品質性狀的基本統計數據Table 2 The basic statistic data of 11 agronomic and quality traits between restorer and maintainer lines

注：PH.株高;SPFPB.分枝部位；NB.一次有效分枝數;LTM.主花序有效長度;NSTR.主花序有效角果數;SL.角果長度;NSP.單株角果數;NS.每角粒數;TSW.千粒質量;SYP.單株產量;OC.含油量。

Notes:PH.plant height;SPFPB.setting position of the first primary branch;NB.number of primary branches per plant;LTM.length of terminal raceme;NSTR:number of siliques of terminal;SL.siliques length;NSP.number of siliques per plant;NS.number of seed per silique;TSW.thousand seed mass;SYP.seed yield per plant;OC.oil content.

表3 恢復系與保持系11個農藝性狀和品質性狀的變異系數Table 3 The variation coefficient of 11 agronomic and quality traits between restorer and maintainer lines %

2.2 聚類分析

根據11個農藝性狀的原始數據，利用Ward’s最小方差方法對30份油菜供試材料進行聚類分析，并構建聚類圖(圖1)。當遺傳距離的臨界值為39.73時，將30份參試材料分為三大類(Cluster Ⅰ～Ⅲ)：Cluster Ⅰ包括16個材料，其中12個為恢復系，如Q10C、QY211R、Z821R、S11R、QSC等；4個為保持系，2010B7、New B1、Zhong 5和Zhong 9。Cluster Ⅱ包括10個材料，其中7個為保持系，如2012B1、H15、Zhong 7等；3個為恢復系，HYZ01R、2000-5R和D1526。Cluster Ⅲ包括4個材料，ZY72、Zhong 2、ZY18和CZ49，均為保持系。結果說明，參試恢復系和保持系材料間存在一定的遺傳差異。

2.3 主成分分析

利用DPS數據處理軟件對11個農藝性狀進行有效矩陣分析，并繪制散點圖(圖2)。PCA結果表明，PC1占總變異的27.38%，PC2占總變異的22.11%。PC1和PC2的公式如下：

PC1=-0.2915X1+0.0697X2-0.0518X3+0.2405X4+0.2628X5+0.4878X6+0.3515X7+0.0599X8+0.2755X9+0.2510X10+0.5258X11

PC2=0.3015X1+0.4600X2+0.3322X3+0.3259X4-0.2079X5+0.1214X6+0.3622X7-0.3332X8-0.3294X9-0.2587X10+0.0730X11

主成分分析(PCA)結果與聚類分析結果相似。從PCA分析結果(圖2)中可以看出，30份材料主要被劃分為3大類。除Zhong 5(No.17)、2010B1(No.21)、H15(No.22)與2010B7(No.24)4個材料外，其余11個恢復系材料都被劃為一起，與在聚類分析結果(Cluster Ⅰ)基本一致；大部分保持系材料也被劃在一起；Q10C(No.1)、Zhong 9 Ⅲ(No.19)和CZ49(No.29)3個材料在聚類分析中歸為第3類。

圖1 基于農藝性狀構建的30份油菜材料的聚類Fig.1 Dendrogram of 30 rapeseed materials generated by agronomic traits

圖2 從30份油菜材料的11個農藝性狀中提取的前2個主成分坐標圖Fig.2 Bioplot of first two major principal components extracted from 11 agronomic traits of 30 rapeseed accessions

2.4 甘藍型油菜保持系和恢復系親本間農藝性狀差異分析

外部形態特征的變異在一定程度上反映了遺傳變異的大小。由表4可以看出，保持系和恢復系材料內變異系數為86.40%，保持系和恢復系材料間僅為13.60%。由表5可以看出，保持系內差異最大為15.35%，恢復系內差異次之為7.46%，保持系與恢復系間差異最小為1.80%。總體來說，保持系和恢復系材料內部差異大于它們之間的差異。

表4 恢復系與保持系油菜農藝性狀變異分析Table 4 Analysis of agronomic traits variance of rapeseed accessions of restorer and maintainer

表5 不同甘藍型油菜親本品種間的差異分析Table 5 Pairwise differences of population average

注：對角線數據為區內成對材料差異的平均值；對角線下數據為修正后的區間差異平均值。

Note:Diagonal elements:average number of pairwise differences within population(PiX);below diagonal:corrected average pairwise difference(PiXY-(PiX+PiY)/2).

3 討 論

油菜骨干親本的遺傳多樣性分析是雜交育種和雜種優勢利用的重要基礎工作。甘藍型油菜種植歷史較短，中國現有的甘藍型油菜的原始資源大多來源于歐洲和日本，導致遺傳背景相對比較狹窄，品種間遺傳多樣性普遍不高，可利用資源匱乏[19]。

形態學標記是指通過觀察或者簡單的儀器測量獲得的性狀，為作物種質資源的分類和多樣性分析提供了基本依據[6]。農藝性狀具有表現直觀、便于識別、易于掌握以及與生產直接相關等特點，因而在種植資源的分類、育種親本材料的選擇、組配、以及育成品種的識別上具有重要的應用價值。謝永俊等[20]對收集到的15個國家的225份甘藍型油菜的農藝性狀以及含油量等進行評估與分析，篩選出22份優異國外種質資源，并在此基礎上選育出了11個優質油菜新品種。Tian等[21]利用農藝性狀對96份油菜材料進行了地理位置的聚類，結果表明：96份甘藍型油菜可以聚類到3個地理位置上。高必軍等[22]對甘藍型油菜的主要農藝性狀與單株產量的關系進行了分析，方差分析結果表明：試驗所測定的油菜單株產量等10個性狀在38個參試品種間存在顯著差異。本研究選擇本課題組多年選育成功的30份油菜三系骨干親本株系，包括15份保持系和15份恢復系甘藍型油菜，利用聚類分析、主成分分析及方差分析對它們11個農藝性狀和品質性狀進行研究，結果顯示：參試親本材料間存在一定的遺傳差異，大部分保持系和恢復系材料被分開，同時，保持系和恢復系材料內部差異大于它們之間的差異。

形態標記雖易觀察、操作方便，但表型數量較少，易受環境和作物生育階段的影響；而DNA分子標記不受環境影響和基因表達的時空影響，遺傳標記數量多，遍布整個基因組，穩定性好，多態性明顯。因此，將形態學性狀為主的表型分析與分子標記或其它方式相結合，已經成為目前研究種植資源的有效手段[23]。何余堂等[23]通過形態學鑒定和RAPD分子標記相結合的方法，對不同地理來源的82份白菜型油菜(B.campestrisL.)資源進行了分析，揭示了白菜型油菜在中國的起源與進化。蒲曉斌等[24]對73份西南地區芥菜型油菜資源遺傳多樣性進行了分析，基于15個植物學性狀測量數據的聚類分析將其分為4大類，共14個亞類；RAPD標記多態性分析結果的聚類分析顯示為3大類，共15個亞類，結果表明西南地區芥菜型油菜資源具有豐富的遺傳多樣性，聚類結果主要遵循地域和生態環境規律。Ana等[25]通過利用表型數據及RAPD標記對30份冬油菜品種進行了遺傳多樣性的評估。對本研究供試材料，臧珊[26]利用SSR和SRAP分子標記對其遺傳多樣性進行了研究。對農藝性狀和SSR/SRAP分子標記遺傳多樣性結果比較發現，二者存在一定的一致性，兩種方法都可以將供試材料聚類為3類，大部分保持系和恢復系材料被分開，群體內部遺傳變異大于群體間的遺傳變異。同時，二者也存在一定的差異，表型聚類中，第Ⅰ類16個材料在分子標記中仍有13個被聚在同一類，第Ⅱ類10個材料在分子標記中仍有6個被聚在同一類。可見，在2種聚類方法中被聚在同一類的材料居多。其次，2種方法都發現保持系和恢復系材料內部差異大于它們之間的差異，目前，不同于玉米，油菜中雜種優勢群劃分和雜優模式研究開展的較少[27-29]，這可能是導致油菜保持系和恢復系之間遺傳差異較少的原因，因此，需要加強該方面的研究，定向擴大遺傳差異。綜上，表型性狀和分子標記對油菜三系骨干親本的遺傳多樣性的鑒定存在一定的差異，但表現更多的是一致性，以上研究結果建立了對供試骨干親本的整體認識和評價，對育種設計、材料創制和選擇、雜交組合選配具有重要的指導價值。