卷煙主流煙氣有害成分遺傳分析

童治軍　唐石云　徐永明　方敦煌　陳學軍　馮穎杰　楊宗燦　劉文召　張婷婷　楊金初　肖炳光

摘要：為深入解析卷煙主流煙氣中有害成分的遺傳機制，以烤煙 Y3和 K326為親本構建的重組自交系群體（RIL ）為材料，采用植物數量性狀的主基因+多基因混合遺傳模型對該群體連續3個世代（F6：7、F7：8和 F8：9）的一氧化碳（CO ）、氫氰酸（HCN）、4-甲基亞硝胺基-1-3-吡啶基-1-丁酮（NNK ）、氨（NH3）、苯并芘{B[a]P}、苯酚（PHE）、巴豆醛（CRO）和焦油（TAR ）等8個主流煙氣有害成分性狀進行遺傳分析。結果表明：（1）8個主流煙氣有害成分性狀在連續3個世代中均呈單峰或多峰的正態或偏正態分布，屬典型的數量性狀。（2）在連續3個世代中，8個性狀的最優遺傳模型均為4對部分等加性主基因模型，其中， CO 、HCN、NNK、NH3、B[a]P 和 CRO 的最優遺傳模型為4MG-EEA ；PHE 和 TAR 的最優遺傳模型為4MG-EEEA。（3）上述性狀在連續3個世代中均受主基因遺傳模型控制，主基因遺傳率極高（均值為89.01%）且遠大于環境（非遺傳）因素影響。綜上，這些性狀主要由遺傳基礎決定的，可為選育煙草低危害良種提供理論依據。

關鍵詞：重組自交系群體；主流煙氣有害成分；主基因+多基因；遺傳分析

中圖分類號： S572.03???????? 文獻標識碼： A???????? 文章編號：1007-5119（2023）03-0016-07

Genetic Analysis of Harmful Components in Main Stream Cigarette Smoke

TONG Zhijun1， TANG Shiyun2， XU Yongming3， FANG Dunhuang1， CHEN Xuejun1， FENG Yingjie3， YANG Zongcan3， LIU Wenzhao3， ZHANG Tingting3， YANG Jinchu3*， XIAO Bingguang1*

（1. Yunnan Academy of Tobacco Agricultural Sciences， Key Laboratory of Tobacco Biotechnological Breeding， National TobaccoGenetic Engineering Research Center， Kunming 650021， China;2. Technology Centre， China Tobacco Yunnan Industrial Co.， Ltd.，Kunming 650231， China;3. Technology Center， China Tobacco Henan Industrial Co.， Ltd.， Zhengzhou 450000， China）

Abstract： In order to analyze the genetic mechanisms of harmful components in mainstream cigarette smoke， the recombinant inbred lines （RIL） crossed by flue-cured tobaccos Y3 and K326 were used in the major gene plus polygene mixed genetic model method analyses for Carbon Monoxide （CO）， Hydrocyanic acid （HCN）， 4-（Methylnitrosamino）-1-（3-pyridyl）-1-butanone （NNK：）， Ammonia （NH3）， Benzo[a]pyrene （B[a]P）， Phenol （PHE）， Crotonaldehyde （CRO） and Tar （TAR） in three consecutive generations （2018F6：7， 2019F7：8 and 2020F8：9）. The main results were as follows：（1） The 8 traits value of RIL populations in three generations all showed normal or partial normal distribution of single or multi peaks， belonging to typical quantitative inheritance.（2） The optimal genetic models for the 8 traits were all controlled by four major genes with partially equally additive （PEA） effects inheritance in three consecutive years. The optimal genetic model of CO， HCN， NNK， NH3， B[a]P and CRO was 4MG-EEA， controlled by four major genes with partially equally additive 1（PEA1） effect mixed inheritance; The optimal genetic model of PHE and TAR was 4MG-EEEA， controlled by four major-genes with partially equally additive 2（PEA2） effect mixed inheritance.（3） These typical harmful components in mainstream cigarette smoke were only controlled by the major gene genetic model in 3 generations， and the heritability of the main genes was higher than 85%（mean 89.01%） and much greater than that of the environmental effect. In conclusion， these traits are mainly determined by genetic basis， which can provide theoretical basis for cultivating low-harm tobacco varieties.

Keywords： recombinant inbred lines （RIL）; harmful components in main stream cigarette smoke; major gene plus polygene; genetic analysis

煙草（Nicotiana tabacum L.）是茄科煙草屬一年生經濟作物，因其能產生一種特有植物堿——煙堿，且該物質能使煙民吸食時獲得極大的滿足感和愉悅感而被廣泛種植。然而，煙草又是一種備受爭議的經濟作物。故此培育低危害優質煙草品種成為煙草新品種選育的重要方向[1-2]。卷煙主流煙氣中的有害成分是判斷低危害煙草品種選育成敗的核心依據[3]。研究表明，卷煙煙氣是一種極其復雜的混合物，是在卷煙抽吸過程中由煙草燃燒、裂解和蒸餾而產生的[3-8]。謝劍平等[3]的研究確定了對卷煙主流煙氣危害性影響最大的7項有害成分指標為一氧化碳（CO）、氫氰酸（HCN）、4-甲基亞硝胺基-1-3-吡啶基-1-丁酮（NNK）、氨（NH3）、苯并芘（B[a]P）、苯酚（PHE）、巴豆醛（CRO）。此外，鑒于卷煙主流煙氣中焦油（TAR）對人體健康的極大危害性，行業內將焦油與上述7種有害成分統籌考慮，科學評價卷煙主流煙氣的危害性[6-8]。

近年來，數量性狀主基因+多基因遺傳分離分析體系[9-14]在許多植物育種研究中得到了廣泛的應用，并初步獲得各類植物育種性狀的遺傳組成，為作物和園藝蔬菜等植物提供了有意義的遺傳信息。但迄今，尚未見到針對煙草主流煙氣有害成分性狀的遺傳特性研究。本研究以2個烤煙品種 Y3和 K326為親本構建含有271個重組自交系（RIL）的連續3個世代群體（2018F6：7、2019F7：8和2020F8：9）為研究材料，首次采用主基因+多基因混合遺傳模型研究煙草主流煙氣中7種代表性有害成分和焦油釋放量性狀，以期揭示煙草主流煙氣有害成分性狀的遺傳機制，評估主基因的遺傳效應及其遺傳率，為煙草主流煙氣有害成分釋放量性狀的遺傳分析， QTL 定位及低危害優質新品種選育奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以Y3為母本、K326為父本配制雜交組合，2012年在云南省煙草農業科學研究院試驗基地的溫室種植親本，雜交獲得 F1代。同年，種植 F1并采用單粒傳法，連續套袋自交，分別于2018年、2019年和2020年構建獲得 F6：7、F7：8和 F8：9重組自交系（RIL），且每代 RIL 群體均含271個株系。

1.2 田間試驗

連續3個世代（2018年、2019年和2020年），將雙親和RIL 群體同期播種在云南省煙草農業科學研究院試驗基地，采用完全隨機區組設計，設置3個重復，每個株系（包括雙親材料）種植一個小區，每個小區種植45個單株，行距1.2 m，株距0.60 m。田間管理按照優質烤煙生產技術措施進行。

1.3 卷煙主流煙氣有害成分調查

對株系內各單株掛牌、采烤，烘烤后每個株系和雙親分別隨機選30個和60個單株的中部葉片（C3F）混合切絲，并進行煙支卷制及主流煙氣有害成分釋放量數據的測量。具體方法如下：

（1）卷煙制作：將烤后煙葉樣品用切絲機切成寬度1.0 mm，長度15～20 mm 的煙絲，然后用卷煙機卷制成84 mm 長的正常卷煙。每個株系卷制20支煙支，且煙支質量控制在（0.90±0.015）g。

（2）吸煙試驗：按照 GB/T 19609—2004規定，將卷煙置于溫度（22±2）℃、相對濕度（60±5）%的恒溫恒濕箱中平衡48 h，進行質量和吸阻選擇；在 SM450型直線型吸煙機上抽吸，抽吸時間2 s ，抽吸間隔58 s，抽吸容量35 mL，用劍橋濾片捕集煙氣總粒相物。每份煙樣（株系）每次抽吸6支煙支，重復3次。

（3）卷煙主流煙氣有害成分釋放量測定：將主流煙氣的總粒相物溶解于萃取劑中，對各項煙氣指標進行測定：NH3，離子色譜法（YC/T 377—2010《卷煙主流煙氣中氨的測定》）；HCN ，連續流動法（YC/T 253—2008《卷煙主流煙氣中氰化氫的測定》）；苯酚，高效液相色譜法（YC/T 255—2008《卷煙主流煙氣中主要酚類化合物的測定》）；巴豆醛，高效液相色譜法（YC/T 254—2008《卷煙主流煙氣中主要羰基化合物的測定》）；B[a]P，氣相色譜-質譜聯用法（GB/T 21130—2007《卷煙煙氣總粒相物中苯并[“]芘的測定》）；NNK，氣相色譜-熱能分析聯用法（GB/T 23228—2008《卷煙主流煙氣總粒相物中煙草特有 N-亞硝胺的測定》）；CO ，非散射紅外法（GB/T 23356—2009《卷煙煙氣氣相中一氧化碳的測定》）；焦油，差重法（GB/T 19609—2004《卷煙用常規分析用吸煙機測定總粒相物和焦油》）。

1.4 數據統計分析

利用數量性狀主基因+多基因混合遺傳分析 R 軟件包 SEA v2.0 SEA（https：//cran.r-project.org/web/ packages/SEA/）分析 RIL 群體各株系連續3個世代的主流煙氣代表性有害成分和焦油釋放量表型值，按照王靖天等[11]的報道進行相關參數設置。

2 結果

2.1 主流煙氣有害成分表型數據分析

由表1可知，在3個世代和 BLUP（Best Linear Unbiased Prediction ，最佳線性無偏預測）中，除 NNK 外，剩余7個性狀在雙親間呈現顯著或極顯著差異。由斜度和峰度值可知，8個性狀分布均具有明顯的多峰分布特點，表明其存在效應值較大的主基因。其中，2020年的 HCN 呈現出明顯的左偏離正態分布；2018年 CO 和 TAR 則呈現出顯著的右偏離正態分布趨勢；2018年的 CO 、HCN 、TAR ，2019年的 NH3、CRO，2020年的 HCN、NH3、TAR 性狀分布具有明顯連續多峰分布特點。上述結果表明，該 RIL 群體的8個主流煙氣有害成分性狀在3個世代中呈連續性分布，具有顯著的數量性狀遺傳特性。

2.2 遺傳模型的選擇

根據 AIC 值最小原則進行模型初選，選取各性狀每年中 AIC 值最小的遺傳模型作為該性狀的候選模型（表2）。結果表明，主流煙氣中 CO 的4MG-EEA ，4MG-CEA 和4MG-EEEA 模型具有最低 AIC 值，2018、2019和2020年的 AIC 值分別為834.53、958.74和879.72，可作為候選模型。同理， HCN 的3個候選模型為4MG-CEA 、4MG-EEA 和4MG-EEA ；NNK 的候選模型為4MG-EEEA 、4MG-CEA 和4MG-EEA ；NH3 的候選模型為4MG-EEEA，4MG-EEEA 和4MG-EEA；B[a]P 的3個候選模型均為4MG-EEA ；PHE 的4MG-EEEA、4MG-EEA 和4MG-EEEA 模型為候選模型； CRO的4MG-EEA、4MG-CEA 和4MG-EEA 模型為候選模型； TAR 的3個候選模型也均為4MG-EEEA。

2.3 候選模型的適合性檢測與最優遺傳模型估算

表3顯示了各性狀在每個世代的最適遺傳模型，同時對每個性狀在3個世代中的候選模型進行適合性檢驗（包括均勻性檢驗 U12、U22、U32；Smirnov檢驗 nW2和 Kolmogorov 檢驗Dn），按照王靖天等[11]方法選擇各性狀在連續3個世代中的最優模型。結果表明，CO 三個候選模型在連續3個世代共15個統計量中達到顯著水平（p＜0.05）的個數均是0，因此， CO 的最優遺傳模型為4MG-EEA，受4對具有部分等加性1的主基因混合遺傳模型控制。與之類似， HCN 、NNK、NH3、B[a]P 和 CRO 的最優遺傳模型也為4MG-EEA；PHE 和 TAR 的最優遺傳模型則為4MG-EEEA，即，受4對具有部分等加性2的主基因混合遺傳模型控制。

2.4 遺傳參數估計

由8個主流煙氣有害成分最優遺傳模型的一、二階遺傳參數（表4）可知：控制 CO 的第1對和第2對主基因的加性效應值（da 和db）分別是0.76 和0.47，表現出較高的正向遺傳效應。其主基因的遺傳率高達97.16%，表明控制 CO 的4個主基因具有明顯的累加正效應，結果表現出主效多基因遺傳，且前2個主基因起主導作用。此外，因主基因決定了該表型變異的97.16%，環境因素僅占表型變異的2.84%，表明 CO 性狀主要受遺傳因素控制，非遺傳（環境）因素對該性狀的影響可忽略不計。

控制 HCN 、NNK、NH3、B[a]P 、CRO 與 CO 的最佳遺傳模型相同（4MG-EEA），其各自的第1、2對主基因加性效應值均為正，表現出較高的正向遺傳效應；除 HCN 外，其余4個性狀的第1對主基因加性效應遠大于第2對主基因加性效應（約為2倍），表明上述性狀的主基因加性效應中以第1對主基因為主。同樣，因僅存主基因，且各性狀的主基因遺傳率分別為98.04%、74.00%、99.01%、80.46%和79.52%，非遺傳（環境）因素約占1.96%、26.00%、0.99%、19.54%和20.48%，表明控制 HCN、NNK、 NH3、B[a]P 和 CRO 性狀的主基因遺傳因素占主導地位。

控制主流煙氣中 PHE 和 TAR 性狀的最佳遺傳模型相同（4MG-EEEA），均符合4對具有部分等加性2的主基因混合遺傳模型。其中，控制該2個性狀的第1、2對主基因加性效應值也均為正值，且起增效遺傳作用；此外，控制上述2個性狀的第2對主基因的加性效應值（db）遠大于第1對主基因加性效應值（da），說明主基因的加性效應中以第2對主基因為主。PHE 與 TAR 的主基因遺傳率分別為87.13%和96.77%，表明控制 PHE 和 TAR 性狀的4對主基因在其遺傳變異種起絕對支配作用，而非遺傳因素（環境條件）對其遺傳變異的影響相對較小。

3 討論

作物品質性狀大部分屬于受微效多基因控制和環境因素影響的復雜數量性狀。前人對作物復雜數量性狀的遺傳研究，主要采用傳統統計方法獲得加性方差、顯性方差、表型方差及環境方差等參數，進而估算和分析其性狀的整體基因效應[9]。因上述傳統分析方法獲得的信息量有限，且分析結果在育種實踐中存在較大的局限性，蓋鈞鎰等[9-10]提出并建立了主基因+多基因混合遺傳模型是植物數量性狀遺傳研究的重要方法，已廣泛用于植物數量性狀遺傳分析中并獲得了較理想的結果。該方法在煙草中也有報道，但主要集中在煙草農藝性狀[13，15-19]、烘烤特性[20-21]、抗病性[13，22-24]、部分煙葉化學成分[12，14，25]及雜種優勢[17，26]中，迄今尚未有針對煙草主流煙氣有害成分性狀的遺傳分析研究。本研究的8個主流煙氣有害成分釋放量性狀在連續3個世代的 RIL 群體中呈現出連續性且符合正態或偏正態分布，屬典型的數量性狀特征，表明了利用主基因+多基因混合遺傳模型對煙草主流煙氣代表性有害成分性狀遺傳分析的可行性和有效性。對其遺傳規律的分析表明，8個主流煙氣有害成分釋放量性狀在連續3年中的遺傳變異均受4對具有部分等加性的主基因遺傳模型控制，其中， CO 、HCN 、NNK 、NH3、 B[a]P 和 CRO 均受4對具有部分等加性1的主基因遺傳模型（4MG-EEA）控制； PHE 和 TAR 則均符合4 對具有部分等加性2 的主基因遺傳模型（4MG-EEEA）。

對煙草主流煙氣中有害成分釋放量性狀遺傳率的分析發現，8個性狀的主基因遺傳率范圍為74.00%～99.01%，其中， CO 、HCN 、NH3和 TAR 等4個性狀的主基因遺傳率均高達96.00%以上，由此可知該4個性狀的遺傳完全受主基因控制，為后期進一步針對上述性狀開展 QTL 定位、分子標記輔助選擇改良低危害煙草品種（系）提供了科學依據。此外，8個性狀的最佳遺傳模型在連續3個世代中均無微效多基因存在，進一步表明該8個性狀的主基因起主導作用，非遺傳（環境）因素的影響較小，因而可在育種早期世代實現目標性狀的分離和選擇，科學、高效地加快具有較低有害成分釋放量的單株/系的培育進程。

4 結論

結果表明，煙草重組自交系（RIL）群體8個主流煙氣有害成分性狀在連續3個世代均存在較廣泛變異，且呈正態或近似正態分布，屬典型的數量性狀。采用主基因＋多基因 SEA-DH（DH or RIL ）聯合分析方法，可知8個性狀均受4對主基因遺傳模型控制，其中， CO 、HCN 、NNK、NH3、B[a]P和 CRO 等6個性狀受4對具有部分等加性1的主基因遺傳模型控制（4MG-EEA）；PHE 和 TAR 則受4對具有部分等加性2的主基因遺傳模型控制（4MG-EEEA）。8個煙草主流煙氣有害成分性狀的遺傳變異主要由遺傳因素決定（主基因遺傳率平均為89.01%），其中， CO 、HCN 、NH3和 TAR 的主基因遺傳率高達97.16%、98.04%、99.01%和96.77%，這些具有極高遺傳率的主基因/QTL 存在將有助于進一步開展煙草低有害成分性狀的分子標記輔助選擇和 QTL 定位研究。

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