金鐘連翹與東北連翹種間雜交F1代表型性狀遺傳分析

徐 洋 吳雨桐 趙崢畑 申建雙 張啟翔 潘會(huì)堂

（花卉種質(zhì)創(chuàng)新與分子育種北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國家花卉工程技術(shù)研究中心，城鄉(xiāng)生態(tài)北京實(shí)驗(yàn)室，北京林業(yè)大學(xué)園林學(xué)院，北京 100083）

連翹屬（Forsythia）植物是我國傳統(tǒng)的早春觀花灌木，姿態(tài)優(yōu)美，花色鮮艷，在園林中大量應(yīng)用。連翹屬現(xiàn)有11 個(gè)種，除1 種原產(chǎn)歐洲東南部外，其余均產(chǎn)自亞洲東部，我國產(chǎn)7 種、1 變型，其中1 種系栽培種［1］。19 世紀(jì)，連翹屬植物被引到西方國家后，連翹新品種開始大量出現(xiàn)［2］。1885 年，人們發(fā)現(xiàn)了連翹屬的天然雜交種——金鐘連翹（F.intermedia），認(rèn)為它是連翹（F.suspensa）和金鐘花（F.viridissima）的天然雜交后代［3］。1906年，人們利用連翹變種（F.suspensa var. sieboldii）與金鐘花雜交獲得著名的金鐘連翹品種‘Spectabilis’（F.intermedia‘Spectabilis’），該品種在各地得到廣泛栽植。隨后人們發(fā)現(xiàn)了‘Spectabilis’的芽變品種——‘Lynwood’［4］。Flemer 以金鐘連翹品種‘Spectabilis’為母本，卵葉連翹品種‘Tetra Gold’（F.ovata‘Tetra Gold’）為父本進(jìn)行種間雜交，培育出花大色艷、抗寒性強(qiáng)的連翹新品種‘Princeton Gold’［5］。國內(nèi)的連翹育種起步于20 世紀(jì)90 年代，劉瑋等以白丁香和東北連翹為親本進(jìn)行雜交，使用胚培養(yǎng)的方法，獲得了雜交后代植株［6］，但未見培育出品種。Shen 等以金鐘連翹品種‘Courtaneur’（F.intermedia‘Courtaneur’）為母本，朝鮮白連翹（Abeliophyllum distichum）為父本，通過遠(yuǎn)緣雜交培育出具有明顯花香的連翹新品種‘春香’［7］。馬帥等以連翹屬9個(gè)種或品種和華北紫丁香作為親本進(jìn)行遠(yuǎn)緣雜交，獲得了雜交后代［8］。目前培育連翹新品種最直接有效的手段仍然是傳統(tǒng)雜交育種方法，主要的育種目標(biāo)性狀集中在抗寒性、生長習(xí)性和花部性狀上。

觀賞植物的表型性狀是基因型和環(huán)境共同作用的結(jié)果，對(duì)生長于同一環(huán)境中的雜交群體的表型性狀進(jìn)行測(cè)定和分析，對(duì)開展雜交育種工作具有重要的指導(dǎo)意義［9］。楊彥伶等以紫薇雜交F1代群體為研究對(duì)象，對(duì)親本和F1代植株的花徑、花序長、花朵數(shù)、株高、冠幅等性狀進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，為合理選配紫薇雜交親本和新品種選育提供了依據(jù)［10］。周利君等通過對(duì)月季雜交F1代群體的花部和葉片形態(tài)性狀進(jìn)行了分析，為挖掘控制表型性狀的優(yōu)良基因及輔助選擇育種提供了幫助［11］。張飛等對(duì)菊花雜交F1代6個(gè)花部性狀進(jìn)行遺傳分析，了解了菊花花部性狀的雜種優(yōu)勢(shì)和遺傳基礎(chǔ)［12］。Wang 等通過對(duì)觀賞鳳梨雜交F1代群體的株高、冠幅、分枝數(shù)等性狀進(jìn)行調(diào)查分析，為這些性狀的QTL 定位及輔助選擇育種提供了依據(jù)［13］。表型性狀多樣性是遺傳多樣性和環(huán)境多樣性的綜合表現(xiàn)，而雜交育種依賴于對(duì)表型性狀遺傳分離規(guī)律的準(zhǔn)確把握［14］。在連翹方面，Wang 等對(duì)連翹黃色葉性狀的形成和性狀分離情況進(jìn)行了研究，為培育不受或少受環(huán)境影響的黃葉色連翹新品種提供了依據(jù)［15］。目前，有關(guān)連翹雜交后代性狀遺傳規(guī)律的研究仍然較少，很多性狀的遺傳特性尚不清楚，研究連翹主要性狀的遺傳規(guī)律對(duì)連翹新品種定向選育具有重要的指導(dǎo)意義。

本研究對(duì)金鐘連翹品種‘Lynwood’與東北連翹種間雜交獲得的F1代群體的花冠口直徑、花裂片長度、抗寒性等12個(gè)表型性狀進(jìn)行測(cè)定，分析這些性狀的遺傳規(guī)律，并利用植物數(shù)量性狀的主基因+多基因混合遺傳模型［16］對(duì)各性狀進(jìn)行了遺傳分析，以期為連翹的定向育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 植物材料

以金鐘連翹品種‘Lynwood’×東北連翹的130株雜交后代和雜交親本作為研究對(duì)象，親本的主要信息見表1 和圖1。該雜交群體露地栽植于國家花卉工程技術(shù)研究中心小湯山基地，該基地位于北京市昌平區(qū)小湯山鎮(zhèn)，年平均氣溫11.8℃，年平均日照時(shí)數(shù)2 684 h，年平均降水量550.3 mm。栽植地的溫度、光照、水分、土壤等環(huán)境因子基本相同，植株生長健壯、表現(xiàn)穩(wěn)定。

1.2 雜交

東北連翹開花比金鐘連翹品種‘Lynwood’早約10 d。于2013 年3 月中旬初花期采集東北連翹花粉，置于變色硅膠中干燥，4℃冰箱保存。授粉前采用鐵軍等的方法［17］離體培養(yǎng)花粉檢測(cè)花粉活力，萌發(fā)率在25%以上的花粉用來雜交授粉。在‘Lynwood’開花前一天，人工去雄，套上硫酸紙袋隔離。第二天10：00～12：00 柱頭分泌粘液時(shí)進(jìn)行授粉。授粉后20 d 左右，柱頭開始萎蔫，子房開始膨大時(shí)，將硫酸紙袋換成網(wǎng)袋。10 月初果實(shí)成熟后收種子，室內(nèi)陰干存放。11 月下旬，種子經(jīng)100 mg·L-1赤霉素處理6 h 后，點(diǎn)播于裝有草炭基質(zhì)的穴盤中。2014 年3 月上盆，5 月移栽于大田，對(duì)獲得的雜交F1代進(jìn)行大田常規(guī)管理。最終獲得包括130株后代的群體。

表1 金鐘連翹品種‘Lynwood’和東北連翹的主要性狀Table 1 Main traits of F.intermedia‘Lynwood’and F.mandschurica

1.3 表型指標(biāo)和抗寒指標(biāo)的測(cè)定

表型指標(biāo)測(cè)定：根據(jù)國家林業(yè)局2010 年發(fā)布的《植物新品種特異性、一致性、穩(wěn)定性測(cè)試指南——連翹屬》，于2019 年3～4 月連翹花期，每個(gè)株系選取3朵完全開放的花，用游標(biāo)卡尺測(cè)定花冠口直徑（X1）、花裂片長度（X2）和寬度（X3），并計(jì)算長寬比（X4）；選3 個(gè)成熟枝條，測(cè)定10cm 枝條長度內(nèi)花芽的數(shù)量作為著花密度（X5）指標(biāo)；8 月，選枝條從頂端向下數(shù)第5～7 節(jié)處的成熟葉片，測(cè)定葉片長度（X6）和寬度（X7），并計(jì)算葉片長寬比（X8）；12 月植株落葉后，測(cè)定植株的株高（X9）和冠幅，以植株南北向和東西向的寬度作為冠幅（X10）指標(biāo)，選3 個(gè)當(dāng)年生枝條測(cè)定枝條長度（X11）。每個(gè)指標(biāo)重復(fù)3次。

抗寒指標(biāo)測(cè)定：參考Lim&Arora的方法［18］，采用電解質(zhì)滲出率擬合Logistic 方程，計(jì)算低溫半致死溫度（LT50）。植株經(jīng)自然抗寒鍛煉后，于2020年1 月上旬，選雜交植株上生長狀況一致、粗細(xì)均勻的1年生枝條，每個(gè)株系剪取8～10個(gè)枝條，剪取的枝條長15～20 cm，用去離子水沖洗干凈，擦干，橫切成0.5 cm 的小段，分7 組用錫箔紙包好，置于5℃冰箱適應(yīng)2 d。取出其中1份材料測(cè)定電導(dǎo)率作為對(duì)照，另外6份采用人工梯度降溫法降溫，溫度梯度為-10、-15、-20、-25、-30、-35℃，降溫速率為5℃/h，降至目標(biāo)溫度后維持12 h，取出1份材料測(cè)定電導(dǎo)率，其他材料繼續(xù)降溫。冷凍的枝條在5℃下放置2 h解凍，然后稱取0.1 g裝入15 mL的離心管中，加入5 mL的去離子水，搖床震蕩24 h，采用DDS-307A電導(dǎo)儀測(cè)定初電導(dǎo)值（C1），將其放入沸水浴中30 min，冷卻至室溫后測(cè)定終電導(dǎo)值（C2）。每種枝條重復(fù)測(cè)定3次，取其平均值［19～20］。計(jì)算公式為：

以各個(gè)株系相對(duì)電導(dǎo)率值y 和相應(yīng)處理溫度x，擬合logistic回歸方程：

式中：k 代表細(xì)胞傷害率的飽和容量，即k=100，依據(jù)方程得到參數(shù)a、b，擬合度顯著時(shí)，進(jìn)而求得LT50=-lna/b，作為抗寒性（X12）指標(biāo)［21］。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

利用Excel2016、SPSS25 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，對(duì)表型性狀進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)并計(jì)算變異系數(shù)，繪制頻率分布圖，進(jìn)行相關(guān)性分析。采用蓋鈞鎰等［16］的植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型分析方法，利用SEA 軟件統(tǒng)計(jì)11 種遺傳模型的AIC 值（Akaike’s information criterion），選擇最適合的模型，根據(jù)最小二乘法估算加性效應(yīng)、顯性效應(yīng)、主基因遺傳力等遺傳參數(shù)［22］。

2 結(jié)果與分析

2.1 F1代群體表型性狀的遺傳變異

對(duì)F1代群體植株的花冠口直徑、花裂片長度、抗寒性等12 個(gè)性狀進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)（見表2）。雜交F1代個(gè)體的不同性狀均有一定程度的差異，存在一定的變異幅度，12 個(gè)性狀的遺傳變異系數(shù)為11.33%～36.89%，變異系數(shù)均超過10%。群體性狀中變異程度最大的是冠幅，變異程度最小的是花裂片長度。著花密度和冠幅的變異系數(shù)超過30%，變異較大。除花裂片長度、花裂片寬度、葉片長度外，其他性狀的變異系數(shù)在15%～30%，為中等變異水平。株高的標(biāo)準(zhǔn)差最大，群體中極易出現(xiàn)極值個(gè)體，葉片長寬比標(biāo)準(zhǔn)差最小。

表2 金鐘連翹品種‘Lynwood’×東北連翹群體表型性狀的描述性統(tǒng)計(jì)Table 2 Descriptive statistics of phenotypic traits in F1 population of F.intermedia‘Lynwood’×F.mandschurica

對(duì)F1代群體的表型性狀進(jìn)行頻率分布分析（見圖2），結(jié)果表明，12個(gè)性狀都呈現(xiàn)單峰分布，接近正態(tài)分布，符合數(shù)量性狀的特點(diǎn)。除著花密度外，其他11 個(gè)性狀的偏度和峰度絕對(duì)值均小于1，與正態(tài)曲線擬合較好。著花密度的偏度和峰度大于1，呈現(xiàn)出明顯的正偏性和極端性。

對(duì)F1代群體的12個(gè)性狀與親本進(jìn)行比較分析（見表3），總體上看，雜交后代分離廣泛，各個(gè)性狀均出現(xiàn)大于高親或小于低親的超親個(gè)體。雜交F1代群體中花裂片長寬比的均值大于中親值，花裂片長度、著花密度、葉片長寬比的均值與中親值的比值接近100%，其余性狀的均值小于中親值。除花冠口直徑、花裂片長寬比、葉片長度、冠幅、抗寒性以外，其他性狀介于雙親之間的個(gè)體所占比值最大。F1代群體中多數(shù)個(gè)體（74.8%）的花冠口直徑小于低親，說明花冠口直徑有變小的趨勢(shì)。64.57%的個(gè)體花裂片長寬比大于高親，說明花裂片形狀有偏向更狹長的趨勢(shì)。F1代群體沒有出現(xiàn)冠幅大于高親的個(gè)體，有66.15%的個(gè)體小于低親，證明冠幅有偏向更小的趨勢(shì)。抗寒性大于高親的比例為51.11%，說明抗寒性遺傳偏向于抗寒性較弱的‘Lynwood’，也有相當(dāng)?shù)谋壤?8.89%）介于雙親之間，能夠從中篩選出抗寒性較強(qiáng)的植株，但群體中并未出現(xiàn)抗寒性大于東北連翹的植株。

表3 金鐘連翹品種‘Lynwood’×東北連翹群體表型性狀的遺傳分析Table 3 The genetic analysis of phenotypic traits in F1 population of F.intermedia‘Lynwood’×F.mandschurica

表4 金鐘連翹品種‘Lynwood’×東北連翹群體表型性狀的相關(guān)性分析Table 4 Correlation analysis of phenotypic traits in F1 population of F.intermedia‘Lynwood’×F.mandschurica

2.2 F1代群體表型性狀間的相關(guān)性

對(duì)連翹的表型性狀進(jìn)行相關(guān)性分析（見表4）。花冠口直徑與著花密度呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明著花密度越大的株系，其花冠口直徑越小。著花密度與株高、冠幅、當(dāng)年生枝條長度均呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明著花密度與株型性狀之間存在著十分緊密的相關(guān)性。當(dāng)年生枝條長度與株高、冠幅呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，說明植株的長勢(shì)對(duì)株高和冠幅均有顯著影響。抗寒性與著花密度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，與花冠口直徑、冠幅呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

2.3 F1代群體表型性狀的遺傳模型

由于連翹自交不親和，基因型高度雜合［23］。其F1代類似于純合親本的F2代，常稱為“假F2代”［24］。因此，可以采用植物數(shù)量性狀混合遺傳模型的主基因+多基因分析方法中的單個(gè)分離世代F2群體的分離分析方法來分析連翹雜交F1代群體表型性狀的主基因遺傳方式，11 個(gè)模型的AIC 值結(jié)果見表5。根據(jù)AIC 準(zhǔn)則挑選AIC 值最小的一個(gè)或相對(duì)較小的幾個(gè)模型，同時(shí)，基于均勻性檢驗(yàn)（U12，，U32），Smirnov 檢 驗(yàn)（nW2）及Kolmogorov 檢 驗(yàn)（Dn）對(duì)候選的模型進(jìn)行適合性檢驗(yàn)。比較候選模型的統(tǒng)計(jì)量顯著性情況，數(shù)目最少的確定為最優(yōu)遺傳模型。如果候選模型之間顯著性數(shù)目一樣，則AIC 值小的被認(rèn)定為最優(yōu)遺傳模型［16］。以著花密度為例，AIC 值較小的模型有1MG-AD，2MGADI，2MG-AD 作為備選最適模型。然后利用適合性檢驗(yàn)（見表5～6），結(jié)果顯示3 個(gè)模型顯著數(shù)目都為2，而2MG-AD 模型的AIC 值最小，所以著花密度的最適遺傳模型為2MG-AD。

表5 金鐘連翹品種‘Lynwood’×東北連翹群體表型性狀各種遺傳模型的AIC值Table 5 AIC values of various genetic models of phenotypic traits in F1 population of F.intermedia‘Lynwood’×F.mandschurica

表6 入選模型的適合性檢驗(yàn)Table 6 Test for goodness-of-fit of selected genetic models

對(duì)入選模型進(jìn)行適合性檢驗(yàn)（見表6）。花裂片長度、花裂片寬度、花裂片長寬比、葉片長度、葉片寬度、葉片長寬比、當(dāng)年生枝條長度、抗寒性的最適模型為0MG 模型，這些性狀的遺傳由受環(huán)境影響比較大的多基因控制。花冠口直徑和冠幅的最適模型為1MG-AD 模型，這些性狀由一對(duì)加性—顯性主基因控制。著花密度的最適模型為2MG-AD模型，由兩對(duì)加性—顯性主基因控制。株高的最適模型為2MG-EAD 模型，由兩對(duì)等加性—顯性主基因控制［25］。

2.4 F1代群體表型性狀的遺傳參數(shù)

根據(jù)已選出的最適模型，采用最小二乘法估計(jì)除OMG 模型性狀以外的其余性狀的一階、二階遺傳參數(shù)（見表7）。控制花冠口直徑和冠幅的一對(duì)主基因的加性效應(yīng)值分別為5.27 和40.48，顯性效應(yīng)值分別為0.77和-37.97，加性效應(yīng)均大于顯性效應(yīng)，主基因遺傳力分別為76.05%和60.3%。控制著花密度的兩對(duì)主基因的加性效應(yīng)值分別為4.99 和2.58，顯性效應(yīng)值分別為-7.02 和-0.91，說明兩對(duì)主基因的加性效應(yīng)均為正向增效，而顯性效應(yīng)均為負(fù)向效應(yīng)。控制株高的主基因的等加性—顯性效應(yīng)值為30.71，主基因遺傳力為64.75%。

表7 不同表型性狀在各最適模型下的遺傳參數(shù)估計(jì)值Table 7 Estimation of genetic parameters of phenotypic traits at its optimal genetic model

3 討論

表型性狀的多樣性是育種工作的基礎(chǔ)，了解和掌握雜交群體的表型性狀的多樣性水平和變異程度，對(duì)于新品種培育具有重要意義［26］。焦垚等通過對(duì)紫薇雜交F1代性狀的統(tǒng)計(jì)分析，發(fā)現(xiàn)雜交后代在株高、冠幅上更容易產(chǎn)生變異［27］。Dhananjaya 等通過測(cè)定分析香石竹與中國石竹種間雜交F1代表型性狀的遺傳變異，發(fā)現(xiàn)了切花效果優(yōu)良、產(chǎn)量高的新品種，并且掌握了遺傳規(guī)律用以指導(dǎo)后續(xù)育種工作［28］。本研究所測(cè)定的金鐘連翹與東北連翹雜交F1代群體的12 個(gè)表型性狀均分離廣泛，變異系數(shù)為11.33%～36.89%。根據(jù)李娟娟等對(duì)遺傳變異度判定的標(biāo)準(zhǔn)［29］，本研究中花裂片長度、花裂片寬度、葉片長度遺傳變異度較小，遺傳改良潛力一般。而花冠口直徑、花裂片長寬比、著花密度、葉片寬度、葉片長寬比、株高、冠幅、當(dāng)年生枝條長度、抗寒性等性狀遺傳變異度均達(dá)到中等水平以上，具有較大的遺傳改良潛力，性狀分離廣泛，能夠在后代群體中篩選出觀賞性和抗寒性優(yōu)良的連翹新品種。

通過對(duì)表型性狀之間的相關(guān)性研究，可在育種中合理利用不同性狀間的關(guān)系，來預(yù)測(cè)相關(guān)的性狀表現(xiàn)，有效提高育種效率，加快育種進(jìn)程。Kumar 等通過分析發(fā)現(xiàn)，唐菖蒲每個(gè)穗上花的數(shù)量與花朵直徑呈顯著正相關(guān)，開花的時(shí)長與穗長呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系［30］。何貴平等通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，杉木的結(jié)頂率與凍害率存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，可以通過了解結(jié)頂率指標(biāo)間接進(jìn)行抗寒性材料的初選［31］。在本研究中植株抗寒性與花冠口直徑、冠幅呈極顯著的負(fù)相關(guān)，與著花密度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。因此，在抗寒性育種過程中，可以選取比較容易測(cè)定的性狀進(jìn)行參考，以提高抗寒性狀的育種效率。

植物大多數(shù)表型性狀都是由微效多基因控制的數(shù)量性狀，在同一雜交后代群體的不同個(gè)體中往往表現(xiàn)出連續(xù)的數(shù)量差異，易受環(huán)境影響，不易明確分組歸類，需要應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)整個(gè)群體進(jìn)行測(cè)定和分析［32］。張琳等利用主基因+多基因混合遺傳模型對(duì)牡丹雜交F1代20個(gè)表型性狀進(jìn)行分析，結(jié)果表明株高、冠幅等8 個(gè)性狀由微效多基因控制，新枝長度、花朵數(shù)等12個(gè)性狀受到一對(duì)或兩對(duì)主基因控制［33］。Zhang 等對(duì)菊花雜交群體的初始開花時(shí)間和開花持續(xù)時(shí)間進(jìn)行了混合遺傳模型分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩個(gè)性狀的主基因遺傳力分別為65%和72%，遺傳力較大，在早期育種就可進(jìn)行選擇［34］。本研究發(fā)現(xiàn)花裂片長度、花裂片寬度、花裂片長寬比、葉片長度、葉片寬度、葉片長寬比、當(dāng)年生枝條長度、抗寒性等8個(gè)性狀的遺傳無主基因控制，受環(huán)境影響較大的微效多基因控制；花冠口直徑和冠幅由一對(duì)加性—顯性主基因控制；著花密度由兩對(duì)加性—顯性主基因控制；株高由兩對(duì)等加性—顯性主基因控制。花冠口直徑、冠幅、著花密度和株高的主基因遺傳力分別為76.05%、60.3%、72.22%和64.75%，均大于50%，屬于高度遺傳力，受環(huán)境影響較小，在早期世代即可進(jìn)行選擇［35］。