雪茄煙Beinhart 1000-1赤星病抗性的主基因+多基因混合遺傳分析

童治軍，盧桂萍，陳學軍，曾建敏，方敦煌

(1.云南省煙草農(nóng)業(yè)科學研究院/煙草行業(yè)煙草生物技術育種重點實驗室/國家煙草基因工程研究中心，昆明 650021；2.云南省煙草公司昆明市公司，昆明 650051)

【研究意義】煙草赤星病是由鏈格孢菌[Alternariaalternata(Frires) Keissler]引起的真菌性病害，主要發(fā)生在煙草葉片上，特別是生理成熟的葉片[1-2]，各煙草種植區(qū)均有分布，是威脅世界煙草生產(chǎn)的毀滅性病害[3-5]。在中國各大煙區(qū)，煙草赤星病對產(chǎn)量、質量影響較大，一般年份發(fā)病率為20%～30%，嚴重的發(fā)病率達90%，可減少產(chǎn)值達50%以上，損失達9205.433萬元[6-8]。【前人研究進展】煙草赤星病的發(fā)生流行與主栽煙草品種的抗病性密切相關，目前生產(chǎn)上以化學防治為主、生物防治為輔，但收效甚微[8-10]。培育抗煙草赤星病的優(yōu)良品種仍是預防該病最經(jīng)濟、有效的途徑之一，而其核心是深入明確抗赤星病煙草品種的遺傳規(guī)律。研究表明，煙草赤星病的抗性是屬于受多基因控制的數(shù)量性狀。郭永峰等[11]對不同煙草品種赤星病抗源的抗性比較分析后，得出Beinhart 1000-1與凈葉黃對煙草赤星病的抗性是不同源的，且Beinhart 1000-1的抗病性是由顯性多基因控制，而凈葉黃的抗性基因大部分是隱性的。通過進一步采用雙列雜交分析其抗性遺傳因素可知，Beinhart 1000-1與凈葉黃的赤星病抗性遺傳均符合加性—顯性模型[12]。與之類似，馮瑩等[13]利用高抗赤星病煙草品種凈葉黃、Beinhart 1000-1和感病品種NC82為材料分別構建了2個雜交組合的P1、P2、F1、F2世代群體，并采用主基因+多基因混合遺傳模型進行抗性遺傳分析，結果表明，兩者的赤星病抗性均受2對加性—完全顯性主基因+加性—顯性多基因混合遺傳模型(2 MX-CE-AD)控制。但Ramm等[1]對Beinhart 1000-1赤星病抗性遺傳研究結果表明Beinhart 1000-1赤星病抗性是顯性單基因控制的典型質量性狀。由于針對雪茄煙品種Beinhart 1000-1赤星病抗性遺傳規(guī)律的研究結果存在較大差異，極不利于利用該抗源培育抗性品種，故此有待進一步對其進行遺傳分析研究和挖掘。【本研究切入點】本研究以抗病雪茄煙品種Beinhart 1000-1為父本、以感病烤煙品種紅花大金元為母本雜交、自交構建的341個株系重組自交系群體F7為研究材料，試驗主基因+多基因混合遺傳模型方法評價親本P1、P2和F7世代群體材料的赤星病抗性基因遺傳規(guī)律，確定其遺傳模型、估算遺傳率。【擬解決的關鍵問題】以期為下一步開展赤星病抗性基因QTL定位，開發(fā)與之緊密連鎖的分子標記進行分子標記輔助選擇進而培育煙草抗赤星病新品種提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料

以抗赤星病的雪茄煙品種Beinhart 1000-1(B1000-1)為父本(P1)、以感病烤煙品種紅花大金元(HD)為母本(P2)，通過雜交、自交及單粒傳法構建了341個株系的煙草重組自交系群體F7。2020年將雙親、重組自交系群體及抗、感病對照品種凈葉黃、G140種植于云南省玉溪市研和試驗基地大田中，采用完全隨機區(qū)組設計，每個株系種植4個重復，每個重復種植10株。

1.2 煙草赤星病抗性表型測定

按人工病圃輕簡化鑒定煙草赤星病抗性的方法[14]選擇病圃進行田間布局、控肥栽培、較低濃度大面噴霧接種形成人工病圃、保濕誘發(fā)赤星病，接種后第7、14、21天進行3次調查，統(tǒng)計病情指數(shù)[15](DI：Disease Index)。以每次調查的平均病情指數(shù)和病害流行曲線下面積(AUDPC：Area Under Disease Progress Curve)[16]作為煙草赤星病抗性表型測定數(shù)據(jù)(即接種后第7、14、21天的平均DI值和AUDPC值4類數(shù)據(jù)，分別記為T1、T2、T3和T4)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

采用文獻[17]的方法進行。

2 結果與分析

2.1 抗性表型數(shù)據(jù)分析

親本紅花大金元和Beinhart 1000-1的赤星病病情指數(shù)(DI)均呈現(xiàn)出顯著(P<0.05)或極顯著差異(P<0.01)。同樣，煙草重組自交系群體F7中的DI值分別出現(xiàn)了遠低于抗病親本Beinhart 1000-1和遠高于感病親本紅花大金元，表現(xiàn)出超親遺傳。煙草重組自交系群體F7的DI值變異系數(shù)(CV)存在豐富的變異(318.42%～100 396.70%)，適合遺傳分析(表1)。此外，除T1外，煙草重組自交系群體F7DI值的偏斜度和峰度絕對值均大于1，但小于1.5，概率密度函數(shù)回歸曲線表明該重組自交系群體的赤星病抗性表型呈連續(xù)性的正態(tài)分布或偏正態(tài)分布(圖1)，屬于典型的數(shù)量性狀遺傳。

表1 親本及重組自交系群體的赤星病抗性表型統(tǒng)計

圖1 3個不同調查時期煙草重組自交系群體的赤星病抗性表型分析Fig.1 Phenotype statistic values of resistance brown spot of tobacco RILs in 3 different disease investigation periods

2.2 候選模型的選擇及適合性檢測

對3個不同調查時期各世代(P1、P2和F7)的赤星病抗性表型分別進行主基因+多基因混合遺傳模型分析，根據(jù)AIC值最小原則初選模型，選取AIC值最小的3組遺傳模型候選(表2)，對3個不同調查時期進行適合性檢驗(U12、U22、U32、nW2和Dn)，以AIC值最小或相對小且統(tǒng)計量達到顯著性水平(P<0.05)個數(shù)最少的模型作為最優(yōu)遺傳模型(表3)。結果表明T3(即接種21 d后)模型是煙草赤星病抗性性狀的最優(yōu)遺傳模型，由4對加性—上位性主基因遺傳控制的4 MG-AI模型。

表2 3個不同調查時期各遺傳模型的AIC值和極大似然函數(shù)MLV值

續(xù)表2 Continued table 2

表3 候選模型的適合性檢驗

續(xù)表3 Continued table 3

2.3 最優(yōu)模型的遺傳參數(shù)估計

表4 最適遺傳模型4MG-AI的煙草赤星病抗性遺傳參數(shù)估計值

3 討 論

目前已報道的煙草赤星病抗源主要有3種[1,18]，即雪茄煙品種Beinhart 1000-1、烤煙品種凈葉黃和野生煙草N.suaveolens，其中Beinhart 1000-1和凈葉黃是國內外煙葉生產(chǎn)上主要利用的赤星病抗源。針對抗源凈葉黃，大量的研究表明其赤星病抗性由顯性主基因+多基因共同控制，主基因的顯性效應和加性效應在遺傳中起主導作用，有研究者基于上述遺傳分析結果并結合不同遺傳分離群體對源自凈葉黃的赤星病抗性基因進行了QTL定位分析[19-21]。針對雪茄煙品種Beinhart 1000-1的赤星病抗性遺傳分析研究表明，其抗性性狀是受微效多基因控制和環(huán)境影響的數(shù)量性狀，而Ramm等[1]的研究結果卻表明Beinhart 1000-1的抗性受1對顯性單基因控制，屬于典型的質量性狀。究其原因，Ramm等[1]雖采用多個感病烤煙品種作為親本與Beinhart 1000-1進行組合配制，但其在早期的研究中僅使用多個組合的雜交子一代(F1)并簡單統(tǒng)計各F1組合煙株的赤星病發(fā)病情況，缺乏進一步利用遺傳分離群體的遺傳分析。此外，郭永峰等[11-12]通過雙列雜交分析Beinhart 1000-1與感病品種NC82配制雜交組合的赤星病抗性，結果表明，Beinhart 1000-1的赤星病抗性遺傳符合主基因與多基因加性—顯性模型。基于相同親本組合，馮瑩等[13]利用P1、P2、F1和F2世代群體，采用主基因+多基因混合遺傳模型對Beinhart 1000-1進行赤星病抗性遺傳分析，結果表明，其赤星病抗性受兩對加性—完全顯性主基因+加性—顯性多基因混合遺傳模型(2MX-CE-AD)控制，且多基因的顯性效應大于加性效應，即Beinhart 1000-1的赤星病抗性遺傳以主基因效應為主，但受環(huán)境影響較大。與之類似，高婷婷等[22]基于Beinhart 1000-1與G140構建F2遺傳群體的研究結果顯示，Beinhart 1000-1的赤星病抗性在田間表現(xiàn)為多個主基因控制。童治軍等[23]利用Beinhart 1000-1與HD構建的重組自交系群體，對Beinhart 1000-1赤星病抗性的遺傳分析結果也表明，Beinhart 1000-1的抗性受主基因控制，其主基因的加性效應起主導作用，環(huán)境效應的影響較小。本研究將抗赤星病的雪茄煙品種Beinhart 1000-1與感病烤煙品種紅花大金元組合P1、P2、F7世代3個不同調查時期赤星病抗性表型調查結果采用主基因+多基因混合遺傳模型進行了多世代聯(lián)合分析，較全面分析了Beinhart 1000-1的赤星病抗性遺傳效應，結果表明Beinhart 1000-1的赤星病抗性受4對加性—上位性主基因控制，為4 MG-AI遺傳模型，4對主基因加性效應遠大于他們間的互作效應，表明主基因加性遺傳的貢獻率起主導作用；主基因的遺傳效應高達96.8392%，無多基因遺傳效應，而環(huán)境效應僅為3.1608%，即環(huán)境因素的影響可以忽略。該結果與高婷婷等[22]和童治軍等[23]對Beinhart 1000-1抗性遺傳分析的結果相似，但卻與郭永峰等[11-12]和馮瑩等[13]的研究結果不盡相同，主要原因是采用的遺傳分析群體不同，永久性分離群體如重組自交系高世代群體的表型數(shù)據(jù)利用的是單株系群體，而暫時性分離群體如F2表型是單株，理論及實踐上均證明利用群體比單株獲得的試驗結果更準確、更可靠。

4 結 論

采用植物數(shù)量性狀“主基因+多基因”混合遺傳模型聯(lián)合分析方法，分析了雪茄煙品種Beinhart 1000-1的赤星病抗性遺傳規(guī)律，明確了Beinhart 1000-1赤星病抗性受主基因控制，且主基因的加性效應起主導作用，環(huán)境效應影響小。因此，在煙草抗病育種過程中要重視利用主基因，應在早期世代對赤星病抗性性狀進行選擇。