荻與五節芒種間雜交F1群體主要農藝性狀的遺傳及相關性分析

艾 辛， 蔣建雄， 肖 亮， 陳智勇， 覃靜萍， 易自力*

(1. 湖南農業大學園藝園林學院， 湖南 長沙410128；2. 江蘇大學環境與安全工程學院 生物質能源研究所， 江蘇 鎮江 212013；3. 湖南農業大學生物科學技術學院， 湖南 長沙410128)

芒屬(Miscanthus)植物作為最有發展前景的C4草本能源植物備受國際關注[1-2]，近幾年來，國內外從資源植物學、生態與農學、細胞和分子水平，遺傳改良以及能源利用等方面做了大量的研究工作[3-5]，為芒屬植物的能源化利用奠定了基礎。芒屬植物的利用前提是要有在邊際性土地生產的成本低廉的原料[6]，但現有的芒屬植物資源各有優缺點，不適合直接作為品種進行大面積栽培，需要將芒屬植物4個主要種的優良性狀聚合培育高產、優質、抗逆的新品種。目前栽培較多的是來源于日本的天然三倍體雜交種‘奇崗’[7-8]，但由于三倍體的不育性，無法以此為基礎進行雜交育種工作。芒屬植物的雜交育種工作因花期不遇的困難，進展緩慢，更缺乏對芒屬植物植株及產量相關性狀的研究，嚴重制約了對芒屬植物資源的利用。

植物的遺傳改良就是要將分散在不同個體間控制優良性狀的優良基因聚合在一起，獲得具有更多優良性質的新品種。植物的性狀分為質量性狀和數量性狀，一些極為重要的經濟性狀(如作物植株高度、莖稈粗細、產量、生育期、籽粒重等)都是數量性狀，在植物全部性狀中占有很大的比重[9]。數量性狀在一個群體內的各個體間表現為連續變異的性狀，較易受環境影響，同一數量性狀的遺傳受為數甚多的基因支配，遺傳較為復雜。蓋鈞鎰等[10-11]認為，控制數量性狀的多個基因在效應上可以是不等的，效應大的表現為主基因，效應微小的表現為多基因，即這類性狀的遺傳為主基因+多基因混合遺傳模型。利用這一分析方法，對多種作物的生育期[12]、株高和葉片數[13]、生長特性[14]和逆境適應性狀[15]等的遺傳本質得到了進一步明確。

由于芒屬植物高度自交不親和[16]，所以無法獲得高世代自交系，異質化程度很高，在F1代就會有高度分離，接近純合親本雜交種F2代的分離水平，可以將芒屬植物的雜交F1代群體作為假F2代群體[17-18]進行遺傳分析，這一方法已在草坪草[19]和菊花[20]中得到了成功的運用。芒屬植物中的荻(M.sacchariflorus)具有耐寒抗凍、耐干旱鹽堿和發達的地下根狀莖、纖維品質好和自然衰老等優良特性[21-22]，但生物產量低；五節芒(M.floridulus)具有耐瘠薄、生長快、生物產量高等優點[23]，但不能自然衰老和耐旱抗凍，如果能將荻和五節芒2個種間的優良性狀聚合在一起，就能選育出逆境耐受性好、生物質產量高的新品種。本試驗通過荻和五節芒2個種間雜交種F1群體的植株和產量相關農藝性狀的表現和雜種優勢分析，借用蓋鈞鎰[10-11]關于單個分離世代的數量性狀分離分析的方法，探討芒屬植物種間雜交后代農藝性狀的遺傳規律，明確相關性狀的遺傳模型和基因作用方式，估計主基因的遺傳效應，為荻和五節芒雜交親本選配、擴大荻和五節芒遺傳基礎和選擇合適的育種方法提供理論依據，同時為今后開展芒屬植物分子育種的深入研究奠定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為荻(Micanthus.sacchariflorus)B0134和五節芒(M.floridulus)A0430，荻B0134采集于陜西周至縣(N 34.08°，E 106.75°)，五節芒A0430采集于湖南洞口縣(N 27.07°，E 110.53°)，經過3年的觀察，性狀表現穩定，現保存于湖南農業大學芒屬植物種質資源圃。在長沙地區，荻B0134的花期為6月中下旬，五節芒A0430的花期在7月上中旬，花期不遇，無法正常進行雜交。2010年春季將荻B0134和五節芒A0430移栽至口徑45 cm的塑料盆中，通過光照和處理進行花期調控，2010年10月選擇花期相遇的荻和五節芒的花序用硫酸紙袋進行套袋雜交，從荻B0134中獲得的種子(荻B0134×五節芒A0430)為正交F1雜交種子，從五節芒A0430花序上收獲的種子(五節芒A0430×荻B0134)為反交F1雜交種子。次年3月初將正反交雜交種分別播種在育苗盤中，6月上旬將正反交雜交種和父母本荻B0134和五節芒A0430的無性分蘗株，按照1.80 m×1.80 m的行株距移栽至湖南瀏陽石佳村湖南農業大學芒屬植物實驗基地。移栽后澆足定蔸水，成活后不再施肥和澆水。根據雜交種的田間性狀表現和室內分子標記分析，確定真假雜種[24]。

1.2 田間性狀調查

2012年和2013年對父母本無性分蘗株、148份正交F1實生苗進行持續觀察，測定親本和正交F1群體中單株的莖節數(Non:Numbers of stem nodes)、葉片長(Lol:Length of leaf)、葉寬(Wol:Width of leaf)、主莖長(Lms:Length of main stem)、花莖長(Lfs:Length of flower stalk)、花序長(Loi:Length of inflorescence)、株高(Ph:Plant height)、基部莖徑(Sd:Stem diameter)、分蘗數(Not:Number of tiller)、單莖均重(Wst:Average dry weight of single tiller)、最大莖重(Wbt:Dry weight of the biggest single tiller)、單株重(Wop:Dry weight of plan)等12個農藝性狀，除分蘗數和單株重外，其他植株性狀重復3次，并計算2年性狀調查的平均值。性狀測定的標準和方法參考文獻[25]。葉片的長、寬在植株生長的旺盛期測定，其他性狀的測定在每年的12月下旬。

1.3 雜種優勢分析及顯著性檢測

雜種優勢分別以中親優勢、中親優勢率和超高親優勢、超高親優勢率表示[26]。中親值(mid-parents value,MPV)為雙親平均值[MPV=(P1+P2)/2]，高親值(high-parents value,HPV)為雙親中性狀值最高的值。中親優勢(Hm)=F1-MPV，中親優勢率(RHm)=(F1-MPV)/MPV×100%。高親優勢(Hh)=Fm-HPV，高親優勢率(RHh)=(Fm-HPV)/HPV×100%。

1.4 雜交種植株性狀的混合遺傳分析

1.5 數據分析

采用DPS14.2統計軟件進行基本描述性數據的統計分析及樣本均值t檢驗、偏相關性分析方法對農藝性狀進行相關性分析。

2 結果與分析

2.1 荻與五節芒雜交種主要農藝性狀在親本及雜交后代的分布

荻與五節芒的差異較大，他們的雜交種F1(荻B0134×五節芒A0430)148個群體植株和產量相關性狀的差異較大，其描述性統計結果如表1所示。植物學性狀包括葉片、莖桿、花序性狀，各性狀的表型值有較大的差異，各性狀的范圍為9.76%～42.87%，其中以葉片各性狀的變異系數最大。各性狀變異系數由大到小的順序依次為：單株重>分蘗數>最大莖重>單莖均重>花莖長>莖節數>葉片寬>花序長>葉片長>主莖長>基部莖徑>株高，總的來說，株高和基部莖徑的相關性狀變異較小。雜交種群體產量相關性狀的變異系數普遍較高，說明產量相關性狀在群體中有較大的分離，其中變異系數最大的為單株重，變異系數為42.87%，其次是分蘗數，變異系數為35.96%，說明了荻與五節芒種間雜交后代在產量性狀上具有較大的選擇價值，具有較高的選擇效率。

將12個主要農藝性狀的調查結果進行頻次分布的分析，繪制次數分布圖(圖1)。由圖可知，所有性狀的分布是連續的，符合正態分布，以及不同程度的的偏態分布，符合主基因+多基因的遺傳特征。

表1 荻與五節芒雜交F1群體主要數量性狀表型特征值Table 1 Phenotypic statistical values of 12 agronomical traits in F1 population between M.sacchariflorus and M.floridulus

2.2 荻與五節芒雜交種主要數量性狀的雜種優勢表現

荻B0134與五節芒A0430雜交種的各性狀雜種優勢的度量值如表2所示。莖節數、主莖長、株高、分蘗數、單株重表現為超中優勢，超中親雜種優勢率最高的為分蘗數(580.35%)，其次為單株重(160.99%)、主莖長(64.62%)、莖節數(36.49%)和株高(30.65%)，而基部莖徑、單莖均重、最大莖重、葉片長、葉片寬為負中親優勢。雜交種在莖節數、主莖長、分蘗數、單株重表現為正向超高親優勢，以分蘗數的超高親優勢率最為顯著，達到了304.63%，單株重也表現較高的超高親優勢率(33.40%)。雜交種F1群體中超中親優勢植株比例大于50%的性狀有莖節數(100%)、主莖長(97.97%)、株高(80.41%)、分蘗數(100%)和單株重(93.24%)，超高親優勢植株比例大于50%的性狀有莖節數(61.49%)、主莖長(77.03%)、分蘗數(100%)和單株重(72.97%)，說明荻與五節芒雜交種F1群體的重要農藝性狀普遍存在雜種優勢，可利用種間雜交種產量相關性狀的雜種優勢進行芒屬植物遺傳改良。

圖1 荻與五節芒雜交種F1群體主要農藝性狀的分布頻次Fig.1 Distribution frequency of 12 agronomical traits in F1 population between M. sacchariflorus and M. floridulus

表2 荻與五節芒雜交種F1群體主要農藝性狀的雜種優勢Table 2 Heterosis of agronomical traits in F1 population between M. sacchariflorus and M. floridulus

2.3 12個主要農藝性狀的相關性分析

應用DPS Statistics 14.7軟件的Pearson方法對植株與產量相關的12個主要農藝性狀進行相關性分析(表3)，結果表明，株高和基部莖徑是芒屬植物的重要性狀，這2個性狀都與單莖均重和最大莖重達到極顯著的相關，但都與單株產量沒有相關性，株高與基部莖徑顯著相關；葉片大小與莖稈長短性狀、分蘗數和產量存在顯著或極顯著的相關性，說明通過葉片大小的間接選擇可以篩選高產單株；單株產量與葉片長寬、分蘗數、單莖均重、最大莖重有顯著或極顯著的相關性，尤其與分蘗數達到了極顯著相關(r=0.826)，與莖相關性狀中只與主莖長達到了顯著相關，說明單株分蘗數對單株產量具有特別重要的作用，這一結果對開展芒屬植物高生物質產量的遺傳改良有極重要的指導價值。

表3 荻與五節芒雜交F1群體主要農藝性狀的表型相關分析Table 3 Correlation analyses among 12 agronomical traits in F1 population between M. sacchariflorus and M. floridulus

2.4 荻與五節芒雜交種F1群體主要農藝性狀主效+多基因混合模型分析

2.4.1荻與五節芒雜交種F1群體主要農藝性狀最適遺傳模型的適合性分析 利用植物數量性狀主基因+多基因混合遺傳模型單個分離世代的分離分析方法，對荻B0134×五節芒A0430雜交種F1群體植株12個性狀2年表型數據均值進行混合遺傳模型分析，獲得了無主基因、1對主基因(A)和2對主基因(B)共計11種模型與表型資料的配伍情況，得到極大似然值和AIC值(表4)。根據AIC最小準則，AIC值最小者為最優模型，與最小AIC值比較接近的遺傳模型作為備選模型。

表4 荻與五節芒雜交F1群體不同遺傳模型下的AIC值Table 4 Akaike's information criterion (AIC) under different genetic model for different traits of F1 population between M. sacchariflorus and M. floridulus

2.4.2荻與五節芒雜交種F1群體主要農藝性狀遺傳參數估計 表6是根據各主要農藝性狀遺傳模型參數的極大似然估計值，估計最適遺傳模型的遺傳參數。由表6可知，控制莖節數性狀的遺傳模型為1MG-A，1對主基因控制的加性效益值為2.61。控制葉片性狀葉片長、葉片寬和花序長性狀的都是2MG-EEAD遺傳模型，3個性狀的2對主基因加性效應均為正值(5.46，0.23，2.71)，2對主基因加性效應和顯性效應基本相等，且為上位性效應。控制株高和最大莖重的1對主基因表現為加性和顯性效應，株高以加性效應為主(34.43)，而最大莖重的加性效應(3.57)與顯性效應幾乎相等，但顯性效應為負值(-3.56)。單莖均重的2對主基因的加性效應大小接近(2.35，2.23)，2對基因的顯性效應均為負值(-3.27，-2.07)，2對主基因的加-加效應、加-顯效應、顯-加效應和顯-顯效應分別為2.09，-2.12，-1.00和3.25，說明主基因之間的上位性互作效應并不太大。莖節數、葉片寬、株高的基因型方差大于表型方差，主基因遺傳率較高分別為76.24%，60.74%，75.49%，均為較高遺傳力性狀。其他性狀都檢測不到主基因，尤其是雜種優勢非常顯著的單株重和分蘗數，其原因有待進一步探討。

表5 荻與五節芒雜交F1群體農藝性狀入選模型的適合性檢驗Table 5 Fitness tests of selected genetic model of 12 agronomical traits of F1 population between M. sacchariflorus and M. floridulus

表6 農藝性狀在入選模型下的遺傳參數估計Table 6 Genetic parameter estimate of agronomical traits under the selected model

3 討論

荻與五節芒的種間雜交優勢顯著，F1群體植株的多數性狀傾向中親優勢，但分蘗數、單株重出現顯著的超親優勢，群體內株間差異明顯，遺傳多樣性豐富，可供選擇的范圍廣泛，這與假儉草和菊花雜交后代的研究結果相似[19-20]。荻與五節芒雜種F1群體主要農藝性狀的變異系數在9.81%～91.73%之間，株高和基部莖徑的變異系數相對較小，其他性狀的變異系數都在13%以上，尤以分蘗數、單莖均重、最大莖重等與產量關系密切的相關性狀變異系數大，說明這些性狀比較容易通過系統選育或雜交育種進行遺傳改良選育新品種。更重要的是荻與五節芒雜交種F1群體在主要農藝性狀上具有較大的雜種優勢，尤其是主莖長、分蘗數、單株重的中親優勢率和高親優勢率均達到了極顯著水平，與前人在雜合性比較高的植物中雜種優勢的研究結果一致[26,28]。本研究發現雜交后代植株中出現雜種優勢的比例極高，尤其是在莖節數、主莖長、分蘗數和單株重性狀上超過60%的雜交后代植株有超親優勢，尤其是所有的雜交后代植株在分蘗數性狀上全部超過了高親，這在植物雜交育種和雜種優勢利用上是少見的現象。荻具有很強的地下根狀莖擴張能力[21-22]，五節芒具有較強的萌芽能力和對貧瘠土壤的耐受力[23]，性狀差異大，性狀互補，親緣關系遠，遺傳差異大，各種基因效應都存在，顯性效應和互補效應對雜種優勢可能具有較大的貢獻[29]，具體原因還有待進一步的研究。

在主要農藝性狀的相關性方面，分蘗數與最大莖重呈顯著正相關性，與葉片寬和單株重呈極顯著正相關性，其他性狀沒有相關性，這與鴨茅(Dactylisglomerata)品種(系)表型分析研究結果基本一致[30]，可以獨立的進行選擇。基部莖徑與株高呈顯著正相關，與單莖均重和最大單莖均重呈極顯著正相關，而與其他性狀無相關性，尤其是與分蘗數和單株產量無相關性，也同樣可以獨立選擇。在整個農藝性狀相關性分析中，只有莖節數與花莖長、花序長呈極顯著的負相關，其他有相關性的性狀中，都是正相關，說明對某一性狀的選擇都對其他性狀有促進作用，尤其是單株重與其他性狀沒有出現負相關關系，這對選擇高生物質產量的優良單株具有較大的指導作用。

本研究利用蓋鈞鎰等[10]提出的主基因+多基因混合遺傳模型對荻和五節芒種間雜交種F1群體的12個主要農藝性狀進行了遺傳分析，只有莖節數、葉片長、葉片寬、株高、分蘗數和單莖均重6個性狀能檢測到主基因的存在，主莖長、花莖長、花序長、基部莖徑、最大莖重、單株重共6個性狀為無主基因模型。由于缺乏芒屬植物性狀遺傳的數據，本試驗的結果是否能合理的解釋芒屬植物性狀遺傳情況，以及荻和五節芒種間雜交群體是否存在遠緣雜交中經常會發生的異常遺傳的現象，也是一個需要繼續深入探討的問題，尤其需要建立多個遺傳群體，包括種間和種內的雜交群體。對于在本研究中沒有主基因存在的性狀，因親本的雜合性和模型的限制，是否存在多基因以及多基因的效應無法做出判斷，這種情況在植物的遺傳研究中也充分的得到體現[13,15,31-32]，其遺傳機制的分析需要通過同質群體提供誤差方差以鑒別其有無遺傳變異存在。對于有主基因存在且主基因遺傳率較高的性狀，可以在早期世代進行選擇，育種時可以選用含有主基因的親本，或者通過QTL基因定位的方法找到同這些基因緊密連鎖的分子標記，采用分子標記輔助選擇的方法來提高育種效果[29]。對于無主基因或在不同群體中主基因有無不確定的性狀，建議采用輪回選擇或回交育種的方法強化這些性狀的表現。

在芒屬植物的育種工作中，基部莖徑性狀不需要過多考慮[25]，應重點關注單株分蘗數性狀及主莖長和最大莖重等性狀，尤其是分蘗數在芒屬植物種間雜交種生物質產量中的作用。由于芒屬植物高度自交不親和[16]，傳統的雜交育種和雜種優勢育種方法存在較大的局限。根據本研究荻和五節芒種間雜交種后代12個主要農藝學性狀分離和雜種優勢的表現，尤其是在生物質產量相關性狀上的超高親優勢，容易從F1群體中篩選出生物質產量高且綜合性狀優良的單株，通過無性繁殖的方法選育無性系品種。還可以選擇優良單株建立輪回選擇群體，選育群體品種，不僅能選育出高生物質產量的優良品種，也解決了無性系品種種苗繁殖的困難，這應該是今后芒屬植物遺傳改良的主要方向。