節瓜種子大小的主基因+多基因遺傳分析

高 銀，彭家柱，汪國平，喬燕春

（1.華南農業大學園藝學院，廣東 廣州 510642；2.廣州市農業科學研究院，廣東 廣州 510308）

【研究意義】種子大小與質量是重要的農藝性狀，種子大小對出苗和幼苗生長均有一定的影響，同時決定了作物的產量［1］。一般來說，較大的種子生長出來的種苗比小種子生長出來的種苗更大［2-3］。在相同的生長環境中，大種和小種都能保證出苗率不受影響或影響較小，但對種苗后期的發育影響較大，尤其是在不利的環境中，大種子的優勢更為明顯，其相較于小種子來說生長更旺盛、產量更高，而小種子則能有效地分散和定植［4］。因此，探究種子性狀對作物改良種質、提高產量以及解決生物能源問題具有重要作用。【前人研究進展】目前已在很多作物上開展了種子大小的遺傳研究，王敏等［5］對黃瓜6 個世代進行遺傳分析，得到黃瓜種子寬度和長度的遺傳均符合加性-顯性-上位性多基因遺傳模型，且以多基因加性效應為主；張可鑫等［6］得到甜瓜種子長度、寬度和百粒質量的遺傳分別符合2 對加性-顯性-上位性主基因遺傳模型以及1 對加性-顯性主基因遺傳模型；王毅等［7］通過對冬瓜4 個世代遺傳分析，得出冬瓜種子長度的遺傳符合2 對完全顯性主基因+加性-顯性主基因遺傳模型（E5），種子寬度的遺傳符合2 對加性-顯性主基因+加性-顯性多基因模型（E2）；劉文睿等［8］通過對冬瓜6 個世代種子千粒質量進行遺傳分析，得出冬瓜千粒質量的遺傳符合1 對加性主基因+加性-顯性多基因遺傳模型；周延峰等［9］研究發現，西瓜種子長度的遺傳符合 D-3 模型（1 對完全顯性主基因+加性-顯性多基因遺傳模型），種子寬度和百粒質量的遺傳則均符合D-2 模型（1對加性主基因+加性-顯性多基因模型）；趙天波等［10］發現西葫蘆種子長度和寬度的遺傳分別符合 B-1 模型（2 對加性-顯性-上位性主基因遺傳模型）和 E-1 模型（2 對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因混合遺傳模型）；鄒一超等［11］研究發現，苦瓜種子長度的遺傳符合加性 -顯性-上位性多基因遺傳模型（C-0 模型），種子寬度的遺傳符合 D-0 模型。節瓜〔Benincasa hispida(Thunb.) Cogn.var.chiehquaHow〕又名毛瓜，是葫蘆科冬瓜屬的一個變種，為藤蔓生草本植物，是廣東省主要蔬菜作物，其產品除供應本地市場外還銷往港澳地區，種植效益顯著。【本研究切入點】相對于擬南芥、水稻等植物種子大小的研究，瓜類種子大小的研究仍處于初級階段，節瓜作為我國華南地域性作物，關于種子大小的遺傳研究還未見報道。【擬解決的關鍵問題】本研究以種子大小差異顯著的節瓜高世代自交系為親本，構建P1、P2、F1和F24 個世代群體，并采用主基因+多基因混合模型對種子的長度、寬度和30 粒種子質量進行遺傳分析，揭示種子大小的遺傳規律，以期為節瓜種子大小的基因定位、選育新品種并獲得更大經濟效益提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試節瓜多世代穩定自交系材料均由廣州市農業科學研究院提供。以大粒種子節瓜自交系J16 為母本（P1）、小粒種子節瓜自交系18FJ5 為父本（P2），通過雜交獲得 F1（圖1），再將 F1自交獲得 F2群體。J16（P1）種子長度、寬度以及30 粒種子質量分別為11.44（±0.27）mm、5.97（±0.14）mm、1.34（±0.1）g；18FJ5（P2）種子長度、寬度以及30 粒種子質量分別為6.5（±0.24）mm、3.43（±0.15）mm、0.62（±0.07）g。

圖1 節瓜親本及F1 代種子大小比較Fig.1 Comparison of seed size between Chieh-qua parents and F1 generation

1.2 性狀測定

2021 年7 月，同時將4 個世代的種子進行浸泡、催芽以及育苗，并定植于廣州市農業科學研究院南沙試驗基地。行距為0.8 m，株距為0.3 m，人工授粉前及授粉后對雌花和雄花進行隔離，避免其他物種干擾，且每株只留2 個瓜，待節瓜表面布滿白粉或毛絨褪掉時進行采摘取種。取母本20 株、父本20 株、F1代30 株、F2代 236 株，每株采收的種子混合在一起并取10 粒顆粒飽滿的種子，利用游標卡尺分別對種子長度和寬度進行測量，隨后再稱量30 粒飽滿種子總質量（萬分之一天平），用于種子大小和質量的遺傳分析。

1.3 數據分析

利用Excel、SPSS 軟件對節瓜種子大小進行統計。利用遺傳模型分析軟件包對種子長度、寬度以及質量進行遺傳模型分析，得出極大似然函數值（Max-likelihood-values，MLV）和AIC 值（Akaike’s information criterion）。根據AIC 準則，選擇3 個AIC 值最小的模型作為候選模型并進行適合性檢驗。最后，通過軟件包計算出最優遺傳模型的一、二階遺傳參數，并對主基因、多基因等遺傳效應值進行分析。

2 結果與分析

2.1 節瓜4 個世代群體種子大小表型分析

對節瓜3 個世代種子長度、寬度以及30 粒種子質量進行統計分析，結果（表1）表明，F1代種子長度、寬度以及質量整體偏向于大粒親本P1。在F2代群體中，種子長度、寬度以及質量3個性狀出現分離，并均呈雙峰分布（圖2），表明三者均符合數量性狀特征。

表1 節瓜3 個世代種子長度、寬度和30 粒種子質量均值Table1 Mean value of seed length,width and mass of 30 seeds in three generations of Chieh-qua

圖2 節瓜種子長度、寬度和30 粒種子質量在 F2 群體中的頻率分布Fig.2 Frequency distribution of seed length,width and mass of 30 seeds in F2 population of Chieh-qua

2.2 節瓜種子大小遺傳模型分析

由表2 可知，節瓜種子長度的3 個最小 AIC值分別為850.3420、853.7899 和856.4725，其對應的遺傳模型分別是 MX2-ADI-AD、MX1-AD-ADI 和MX2-ADI-ADI，以這 3 組模型作為候選模型；種子寬度的3 個最小AIC 值分別為394.2935、395.1636 和396.9915，對應的3 個候選模型為MX1-AD-ADI、MX2-ADI-AD 和MX2-A-AD；30 粒種子質量的最小AIC 值分別為89.4152、95.8995 和90.9508，對應候選模型為 MX1-AD-ADI、MX2-ADI-ADI 和 MX2-ADI-AD。

表2 節瓜種子大小遺傳模型極大似然函數值和AIC 值Table 2 Maximum likelihood values (MLV) and akaike information criterion (AIC) of genetic models of Chieh-qua seed size

2.3 節瓜種子大小候選遺傳模型的適合性檢驗

通過對節瓜以上3 個性狀的候選遺傳模型進行適合性檢驗，選擇 AIC 值最小或相對較小且統計為差異不顯著的模型作為最優模型（表3）。種子長度的3 個候選遺傳模型均在3 個世代中達到顯著，根據AIC 準則，同樣條件下MX2-ADIAD 模型的AIC 值最小。因此，節瓜種子長度的最優遺傳模型為MX2-ADI-AD，即2 對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因遺傳模型。在種子寬度3 個候選遺傳模型中，MX2-ADI-AD模型的AIC 值最小，且在各世代中均沒有達到顯著，因此節瓜種子寬度最優遺傳模型為MX2-ADI-AD，即2 對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因遺傳模型。30 粒種子質量的候選遺傳模型在各世代中均未達到顯著，AIC 值最小的MX1-AD-ADI 模型則為最優遺傳模型，即1對加性-顯性主基因+加性-顯性-上位性多基因遺傳模型。

表3 節瓜種子大小候選遺傳模型的適合性檢驗Table 3 Test of candidate model suitability of Chieh-qua seed size

2.4 節瓜種子大小最適遺傳模型的遺傳參數估計

2.4.1 種子長度 由表4 可知，在一階遺傳參數中，第1 對主基因的加性效應值（da）為2.0211，第2 對主基因的加性效應值（db）為0.3035，2對主基因的加性效應值絕對值之和（da+db）為2.3246。2 對主基因的顯性效應值（ha和hb）分別為1.0577 和-0.3169，顯性效應值絕對值之和（ha+hb）為1.3746，表明主基因的加性效應在控制節瓜該性狀中起主導作用。且第1 對主基因的加性效應大于第2 對主基因的加性效應（da＞db），說明主基因以第1 對的正向加性效應為主；0.1469 和1.6188 分別為多基因的加性效應值[d]和顯性效應值[h]，顯性度大于1，說明起主導作用的是多基因的顯性效應[h]。在主要互作效應中，加性×加性（i）、顯性×顯性（l）互作為正向，加性×顯性（jab）和顯性×加性（jba）互作均為負向。在二階遺傳參數中可以看出，控制節瓜種子長度的主基因遺傳率（）為87.07%，而多基因遺傳率（）為0，表明主基因對節瓜種子長度遺傳的作用較大。

表4 節瓜種子大小最適遺傳模型的遺傳參數估計Table 4 Genetic parameter estimates of optimal genetic models of Chieh-qua seed size

2.4.2 種子寬度 由節瓜種子寬度的一階遺傳參數可知，在控制該性狀中起主導作用的是主基因的加性效應，且主基因以第1 對的正向加性效應為主；加性效應值[d]和顯性效應值[h]分別為-0.7634 和1.5147，說明多基因的顯性效應[h]起主導作用；節瓜種子寬度的主要互作效應情況與種子長度的遺傳效應一致。在二級遺傳參數中可以得到，控制節瓜種子寬度的主基因遺傳率（）為90.79%，多基因遺傳率（）為0，說明主基因對節瓜種子寬度遺傳的作用較大。

2.4.3 種子質量 在30 粒種子質量中，控制種子長度的主基因遺傳率（h2mg）為79.96%，多基因遺傳率（h2Pg）為8.73%，同樣說明了主基因在此性狀中作用較大。

3 討論

種子是高等植物最主要的繁殖器官，是植物生命周期的起點和終點，種子對植物的生長發育至關重要，同時也是影響產量的重要因素。質量性狀可以通過孟德爾遺傳定律進行分析，主基因+多基因混合遺傳模型分析方法解決了孟德爾遺傳定律不能揭示的數量性狀遺傳規律，是數量性狀遺傳分析的經典方法［12］，廣泛應用于大豆［13］、水稻［14-16］、小麥［17-18］、玉米［19-20］、茄子［21-23］、花生［24-25］、煙草［26-27］、番茄［28］、辣椒［29-30］、瓠瓜［31］、絲瓜［32］等作物性狀育種中，為遺傳改良提供了重要信息。節瓜種子大小和質量的遺傳分析鮮有報道，本研究對不同世代的節瓜種子長度、寬度及30 粒種子質量進行測定，得出F1代的種子表型均接近大種親本P1，在F2代群體中呈雙峰分布。主基因+多基因遺傳分析結果表明，節瓜種子長度和寬度的最適遺傳模型均為MX2-ADI-AD，即2 對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因遺傳模型，主基因遺傳率分別為87.07%和90.79%、多基因遺傳率均為0，其中節瓜種子寬度遺傳模型與西葫蘆種子寬度遺傳模型一致［10］，30 粒種子質量的最適遺傳模型為MX1-AD-ADI，即1 對加性-顯性主基因+加性-顯性-上位性多基因遺傳模型，主基因和多基因遺傳率分別為79.96%和8.73%。通過遺傳參數估計，可以發現主基因在這3 個性狀中作用較大，這與王敏等［5］研究結果一致。但除了主效基因，我們推測可能還存在其他微效基因對種子長度、寬度及質量起修飾作用。節瓜與冬瓜具有較近的親緣關系，遺傳背景非常窄［33］，但本研究與王毅等［7］“冬瓜長度遺傳符合2 對完全顯性主基因+加性-顯性多基因遺傳模型（E-5），寬度遺傳符合2 對加性-顯性主基因+加性-顯性多基因模型（E-2），千粒質量遺傳符合1 對加性主基因+加性-顯性多基因遺傳模型”的研究結果不一致。此外，節瓜種子長度、寬度以及30 粒種子質量均呈雙峰分布，表現為數量性狀特征，與多數種子大小遺傳研究的結果一致，但也有部分學者認為種子大小為質量性狀，這可能是由于材料、種植方式或測量方法不同導致。今后仍需對不同遺傳背景下節瓜種子大小的遺傳模型進行分析。

4 結論

本研究以大粒種子節瓜自交系 J16（P1）和小粒種子節瓜自交系 18FJ5（P2）為親本進行雜交，結果發現F1群體的種子長度、寬度以及30粒質量均接近大粒親本J16（P1），F2代出現分離，節瓜種子長度、寬度以及質量均呈雙峰分布，表現為數量性狀特征。對這些性狀進行主基因+多基因遺傳分析得出各性狀最適遺傳模型及遺傳參數，發現主基因在種子長度、寬度以及質量3個性狀中作用較大，其遺傳率分別為87.07%、90.79%和79.96%；種子長度、寬度以加性效應為主，最佳遺傳模型均為MX2-ADI-AD（2 對加性-顯性-上位性主基因+加性-顯性多基因），30 粒種子質量的最佳遺傳模型為MX1-AD-ADI（1對加性-顯性主基因+加性-顯性-上位性多基因）。綜上，可重視利用主基因，采用組合育種的途徑對節瓜進行改良。