花椰菜“坐球高度”性狀的主基因+多基因遺傳分析

蔡詩怡,虞慧芳,王建升,祝 彪,沈鈺森,顧宏輝,盛小光,*

(1.浙江農林大學 園藝科學學院,浙江 杭州 311300; 2.浙江省農業科學院 蔬菜研究所,浙江 杭州 310021)

花椰菜(Brassica.oleraceavar.botrytis,2n=2x=18)是蕓薹屬甘藍種的重要蔬菜作物,以花序分生組織異常增殖形成的特異花球為產品器官,其柔嫩多汁、味道鮮美、粗纖維少、營養豐富,深受廣大消費者的喜愛[1]。我國是世界上花椰菜種植面積最大的國家,種植區域幾乎覆蓋全國各地,播種面積已達約50萬hm2,種植產值超過200億元,對促進農業增效和農民增收起到重要的作用[2]。

花椰菜產業是一個勞動密集型產業,從播種、移栽、農事管理到花球采收,都需要消耗大量的人力和物力。隨著農業機械化研發力度的加強,蔬菜種植過程的機械化水平在逐步提高。目前,花椰菜的播種、移栽及部分農事操作正在逐步實現機械化,但是成熟花球采收仍然幾乎全部依靠人工,不僅人力、物力投入大,且生產效率極低。花椰菜成熟花球機械化采收難以實現的關鍵限制因素之一是其“坐球高度”(第一片真葉到花球底部的主莖長度)短。目前市場主栽的早中熟品種的坐球高度約為7～13 cm,由于花球底部至地面的距離太短,導致機械化采收異常困難[3]。因此,依據花球采收設備的實際需求,采用分子設計育種,定向、快速選育出適宜“坐球高度”的花椰菜品種,以提升花椰菜花球的機械化采收水平,對推動花椰菜產業進一步發展具有重大意義。

對于沒有主球的其他作物來說,“坐球高度”在一定程度上與株高表型相似。在小麥[4]﹑水稻[5]﹑玉米[6]、高粱[7]等大田作物中,對株高性狀的遺傳規律,控制基因遺傳定位、克隆及其功能機制分析等方面開展了大量研究,并且挖掘到了一批經典的株高控制基因:“Dn”“USn”和“Rhtn”[8]。在十字花科作物中,相關研究主要集中在油菜作物上,劉超[9]和趙波[10]分別克隆了矮稈基因ds-1和ds-3,其中ds-3參與編碼赤霉素(GA)信號轉導抑制因子 DELLA 蛋白,闡明了油菜株高形成的部分調控機制。對這些基因進行合理的控制與應用對實現油菜作物的穩產和豐產具有重要意義。花椰菜作物的新品種選育工作推進得較快,浙江省乃至全國的科研機構聯合種業公司,育成了一大批優秀的花椰菜品種,但其相關的分子生物學研究起步較晚,研究的廣度和深度還遠遠不夠[11]。近年來,花椰菜全基因組測序和染色體級別組裝工作的完成,加速了花椰菜重要農藝性狀控制基因的挖掘和利用等研究[12],但是“坐球高度”性狀的遺傳規律分析及QTLs定位研究,未見相關報道。

本研究以主莖較高的芥藍和主莖短的花椰菜為親本構建的六世代群體(P1、P2、F1、F2、B1、B2)為研究材料,以主莖長度(第一片真葉到花球/蕾底部的主莖長度)和葉痕間距(主莖中間部分第一和第三個葉痕間的距離)兩個指標來錨定“坐球高度”性狀,在植株現球/蕾期對這兩個指標進行測定和統計分析。利用主基因+多基因遺傳模型的分析方法檢測花椰菜“坐球高度”性狀的遺傳規律[13],為進一步遺傳定位和挖掘克隆到控制此性狀的主效基因提供研究基礎。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

利用早熟(生育期約52 d)、緊實型花椰菜ZAASC4101作為母本(F7代自交系)與芥藍ZAASJ1401為父本(F6代自交系,生育期約45 d)構建六世代群體:P1(ZAASJ1401)、P2(ZAASC4101)、F1、F2、B1(F1×ZAASJ1401)、B2(F1×ZAASC4101),試驗材料由浙江省農業科學院蔬菜研究所花椰菜和青花菜育種研究室提供。

1.2 實驗方法

試驗在本單位海寧楊渡科研基地開展。六世代群體 P1、P2、F1、F2、B1、B2測量株數分別為 50、50、50、219、70、185,一共624株。2021年7月10日將六個世代的材料分別播種進行穴盤育苗,2021年8月7日雙行定植于露地大田中。株距約 50 cm,行距約 60 cm。進行常規的田間管理。

在植株現球/蕾期,使用卷尺測量兩個指標,第一是主莖高度:花球底部到第一片真葉的主莖長度,第二是葉痕間距:主莖中部第一個和第三個葉痕間的距離(圖1)。

圖1 主莖高度和葉痕間距性狀的測量標準Fig.1 Measurement criterias for the traits of main stem height and leaf scar spacing

1.3 遺傳分析

利用數量性狀遺傳分析 R 軟件包 SEA v2.0進行“坐球高度”性狀的遺傳多世代聯合分析以及主莖高度和葉痕間距的頻率分布直方圖分析[14];采用IECM算法和極大似然法對主莖高度和葉痕間距的遺傳參數進行估算,根據極大對數似然值(maximum likelihood value, MLV)和最小信息量準則(Akaike’s information criterion, AIC)選出最適的幾個備選模型,然后從中篩選出最佳模型;最后利用最小二乘法計算出該模型的主基因和多基因效應值和遺傳參數等數據[15]。

2 結果與分析

2.1 表型數據分析

母本花椰菜(ZAASC4101,P2)和父本芥藍(ZAASJ1401,P1)主莖平均高度分別為8.12 cm和28.68 cm,兩者相差20.56 cm。F1主莖平均高度為20.98 cm,處于雙親之間并且大于雙親主莖高度的平均值(圖2)。P1、P2和F1這3個群體內的植株基因型一致,群體內植株主莖高度數值的分布相對集中,標準差(standard deviation, SD)數值較低并且均小于1.0 cm;P2群體變異系數(coefficient of variation,CV)稍大,為10.15%,P1和F1群體分別為2.94%和3.79%。F2、B1和B2群體植株的主莖平均高度分別為22.95 cm、27.89 cm和20.21 cm。由于這3個群體均為遺傳分離群體,植株主莖高度數值分布的離散度相對較高,其中B1群體的SD和CV值最小,分別為2.18 cm和7.83%,F2群體最大,分別為5.48 cm 和23.88%。總體來說,B1群體總體偏向于主莖高的父本ZAASJ1401。B2和F2群體的變異系數遠高于親本,而B1群體的變異系數介于兩個親本之間,說明B1群體的變異性較低,但是B2和F2群體具有較高的遺傳變異(表1)。

表1 花椰菜六世代群體的主莖高度和葉痕間距性狀的遺傳分析Table 1 Genetic analysis of main stem height and leaf scar spacing traits in the six-generation populations of cauliflower

a,ZAASJ1401父本;b,ZAASC4101母本;c,F1植株;d～k,F2植株。a, ZAASJ1401 male parent; b, ZAASC4101 female parent; c, F1 plant, d-k: F2 plants.圖2 六世代群體中的雙親、F1和F2植株Fig.2 Parents, F1 and F2 plants in the six-generation populations

對于葉痕間距性狀,本研究測定了P1、P2和F2群體植株的數值。雙親的葉痕間距平均值分別為5.47 cm和2.56 cm,兩者相差2.91 cm。F2群體植株的葉痕平均間距為4.00 cm,SD和CV值分別是0.98 cm和24.50%。總體來說,這三個群體植株葉痕間距數值的分布趨勢和上述主莖高度一致。F2群體植株這兩個性狀的相關性分析也顯示,主莖高度與葉痕間距呈極顯著正相關,相關系數為0.652,表明主莖高度越高,葉痕間距越長。

F2群體植株的主莖高度和葉痕間距的表型變異最為豐富,變異系數分別為23.88%和24.50%。從F2群體性狀的表型頻率分布圖中可以看出(圖3),主莖高度和葉痕間距性狀均呈連續性近似正態分布的特征,說明它們是典型的數量性狀,在受到主效基因控制的同時也受到其他微效位點的影響。

圖3 F2群體主莖高度及葉痕間距的頻率分布(柱形)、擬混合分布(紅線)與成分分布(黑線)Fig.3 Frequency (column), mixed (red line), and component (black line) distributions for main stem height and leaf scar spacing traits in F2 population

2.2 遺傳模型

對六世代群體植株的主莖高度性狀進行主基因+多基因混合遺傳分析,共獲得5類24種遺傳模型,從中選擇AIC值最小的3個模型作為備選模型,包括兩對加性-顯性主基因+加性-顯性-上位性多基因遺傳模型(MX1-AD-ADI, AIC=3 045.244)、兩對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因遺傳模型(MX2-ADI-ADI, AIC=3 048.592)和兩對連鎖主基因+加性-顯性-上位多基因遺傳模型(PG-ADI, AIC=3 051.222)。由于這3個模型的AIC值比較接近,所以均作為備選模型(表2)。

表2 六世代群體主莖高度和F2群體葉痕間距的MLV和AIC值Table 2 The estimation of MLV and AIC value of the main stem height of the six-generation populations and the leaf scar spacing of the F2 population of cauliflower

對F2群體植株的葉痕間距性狀進行遺傳分析,共獲得3類11種遺傳模型。其中兩對主基因下的加性模型(2MG-A)的AIC值最小,為-1 288.164,并且與其他模型的AIC值相比差異顯著,因此2MG-A被認為是最適模型。

綜合主莖高度的六世代遺傳分析和葉痕間距F2群體的遺傳分析結果,花椰菜“坐球高度”性狀的最適遺傳模型是:MX2-ADI-ADI。

2.3 遺傳參數的估計

根據已確定的最適宜遺傳模型,計算出參數的極大似然估計值,應用最小二乘法進行一階和二階的遺傳參數估計(表3)。

表3 F2群體最適模型遺傳參數估計值Table 3 Estimated value of optimal model genetic parameters for F2 population

花椰菜“坐球高度”性狀的遺傳模型符合MX2-ADI-ADI。一階參數的結果表明,該性狀受兩對主基因控制,其加性效應值da=1.727 6,顯MG,主基因模型;MX,主基因+多基因混合模型;PG,多基因模型;A,加性效應;D,顯性效應;I,上位效應;E,相等。

性效應ha=-0.399 7,為負向顯性,并且da的絕對值大于ha的絕對值,說明控制花椰菜主莖高度的主基因以加性效應為主。二階參數的估算結果表明,F2世代的主基因遺傳率(h2mg)為 13.49%,多基因遺傳率(h2pg)為84.35%。說明花椰菜“坐球高度”性狀在F2群體中以多基因遺傳為主,并同時受主基因+多基因的共同影響。

3 討論

花椰菜“坐球高度”是決定其花球能否機械化采收的重要標準之一,明確其遺傳規律是進一步挖掘控制該性狀的主效基因的基礎,對利用連鎖分子標記進行輔助選擇、快速選育出適宜機械化采收的花椰菜新品種具有重要意義。由于花椰菜的分子生物學研究相對滯后,已經報道的遺傳定位的相關研究主要集中在產量、球色、莢葉等性狀[16-17],針對“坐球高度”性狀的遺傳規律分析和遺傳定位研究,至今無相關報道。本研究利用芥藍和花椰菜雜交構建的六世代群體為研究材料,采用主莖高度和葉痕間距兩個性狀指標共同來錨定花椰菜“坐球高度”性狀,并在群體植株現球/蕾期進行這兩個指標的測定,可以明顯地區分構建群體中單株“坐球高度”的差異。

本研究中F2世代分離群體的主莖高度和葉痕間距的頻次分布表現為連續分布,具有明顯的數量性狀遺傳特征。因此,可以使用蓋鈞鎰[15]的植物數量性狀遺傳體系分析方法對主基因和多基因的遺傳效應進行研究,明晰花椰菜“坐球高度”性狀的遺傳規律。該方法在多種作物的株高類性狀遺傳規律研究中都有成功運用,何文昭等[18]對玉米株高和穗位高性狀進行了不同環境下的數量遺傳分析,發現在三個環境下符合的遺傳模型各不相同,這與材料的遺傳背景、測試時間以及環境狀況等因素的不同有關;解松峰等[19]研究表明,小麥株高性狀符合兩對累積作用的主基因+加性作用多基因混合遺傳模型;李英雙等[20]認為,甜蕎株高符合兩對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因模型;而李軍慶等[21]的研究結果表明,油菜半矮稈株高性狀符合一對加性-顯性主基因+加性-顯性-上位性多基因模型。本研究中,結合主莖高度的六世代和葉痕間距的F2群體遺傳規律分析,結果表明,花椰菜“坐球高度”性狀的最適遺傳模型是兩對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因遺傳模型(MX2-ADI-ADI)。但是,植物數量性狀分離分析方法推測的只是概念上的基因,而基因數目的多少和各基因對“坐球高度”性狀的貢獻率還需要利用后續的QTLs遺傳定位結果從分子水平上進行深入解析。

遺傳率是決定世代選擇速度的關鍵因子。本研究中“坐球高度”性狀的主基因+多基因遺傳率達到97.84%,說明其后代主要受到遺傳因素的影響,可以開發連鎖分子標記在早期世代進行定向輔助選擇。但是,本研究結果同時也顯示,該性狀的多基因遺傳率大于主基因遺傳率。因此,在后續的育種工作中,在考慮主基因影響的同時需要同時關注多基因微效位點帶來的影響。另外,環境也是影響花椰菜“坐球高度”性狀的重要因素之一,在栽培過程中需要注意。

4 結論

本研究綜合了主莖高度的六世代遺傳分析和葉痕間距F2群體的遺傳分析結果,表明花椰菜“坐球高度”為典型的數量遺傳性狀,由兩對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性-上位性多基因遺傳模型控制。本研究結果為花椰菜“坐球高度”性狀的主效基因挖掘及連鎖分子標記開發打下良好的基礎。