有棱絲瓜點狀斑紋性狀主基因+多基因遺傳分析

朱德寧，吳宇軍，曹翠文，李蓮芳

（廣州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，廣東 廣州 440100）

絲瓜在國內(nèi)主要有2個栽培種，分別為有棱絲瓜(Luffa acutangula)和普通絲瓜(Luffa cylindrica)［1］。有棱絲瓜主要分布在廣東、廣西、海南等華南地區(qū)，而在長江流域及長江以北的地區(qū)則以栽培普通絲瓜為主［2-3］。絲瓜是我國主要的瓜類蔬菜，分布比較廣泛［4］。果實性狀對絲瓜商品性具有重要影響，也是絲瓜育種中最主要的研究方向［5-7］。果實品質(zhì)的好壞是影響消費者購買需求的重要因素之一，而葫蘆科作物的果實品質(zhì)主要包括商品品質(zhì)、營養(yǎng)品質(zhì)、風(fēng)味品質(zhì)3個方面［8］。果實瓜面點狀斑紋屬于有棱絲瓜的外觀品質(zhì)性狀，在果實表皮上常常呈點狀凸起，絲瓜果實商品成熟期的斑紋主要有條斑狀、塊狀、網(wǎng)狀和點狀，而在有棱絲瓜上多數(shù)斑紋為點狀斑紋。果實性狀的表型變異比較復(fù)雜，遺傳效應(yīng)容易受果實的影響，同時在母體植株上也會獲得一部分遺傳效應(yīng)，而且果實數(shù)量性狀的遺傳也比較復(fù)雜，在果實初收期、盛收期等不同發(fā)育階段的表達(dá)調(diào)控受多個基因的影響［9-11］。有棱絲瓜既是華南地區(qū)夏季蔬菜的主要供應(yīng)品種，也是中國夏、秋季主要瓜類蔬菜之一［12］。目前，點狀斑紋類型的有棱絲瓜有漸漸成為消費市場主流的趨勢，為促進(jìn)絲瓜消費市場多元化，改良絲瓜外觀品質(zhì)性狀，需要對有棱絲瓜點狀斑紋性狀進(jìn)行多世代聯(lián)合分析，明確點狀斑紋的遺傳規(guī)律。

目前，已有對絲瓜果實品質(zhì)的遺傳分析，但多數(shù)側(cè)重于絲瓜果實褐變、果棱等性狀方面的研究，而關(guān)于有棱絲瓜果實瓜面點狀斑紋方面的研究較少。何志俊［13］運用普通絲瓜的5個高代自交系材料進(jìn)行組合配制，建立了3個六世代遺傳群體，采用多世代聯(lián)合分析方法對3個群體進(jìn)行遺傳分析，發(fā)現(xiàn)絲瓜果實表皮有凸條紋為顯性，無凸條紋為隱性。宋波［14］通過對有棱絲瓜與普通絲瓜進(jìn)行雜交，為有棱絲瓜與普通絲瓜種質(zhì)材料的創(chuàng)新和改良提供了現(xiàn)實依據(jù)，并對雜種后代苦味、果棱等性狀進(jìn)行遺傳分析，發(fā)現(xiàn)絲瓜果棱有棱對無棱為顯性，且符合數(shù)量性狀遺傳規(guī)律。王輝等［15］應(yīng)用植物數(shù)量性狀多世代聯(lián)合分析方法對普通絲瓜果實褐變性狀進(jìn)行了遺傳分析，結(jié)果顯示，普通絲瓜果肉褐變遺傳符合E0模型，由2對主基因+多基因控制，其中分離世代的主基因遺傳率較高，多基因遺傳率相對比較低，并且褐變也會受到環(huán)境的影響。張勝［16］以8個普通絲瓜為材料，對其果實外觀品質(zhì)性狀進(jìn)行了不同發(fā)育時期的遺傳和相關(guān)性分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)絲瓜果實在4個不同發(fā)育時期，瓜長和瓜周長基因的表達(dá)在發(fā)育前期比較活躍，受環(huán)境及基因型的共同調(diào)控。以上均在普通絲瓜果實的外觀品質(zhì)或有棱絲瓜的果棱方面進(jìn)行了遺傳研究。植物數(shù)量性狀多世代聯(lián)合分析方法在絲瓜的果皮顏色性狀［17］、果肉褐變性狀［18］、果柄與果長性狀［19］、第一雌花節(jié)位性狀［20］、節(jié)間長性狀等［21］方面被廣泛應(yīng)用，但鮮見該方法在有棱絲瓜的點狀斑紋性狀上應(yīng)用的研究報道。

基于此，本試驗以有點斑紋絲瓜和無點斑紋絲瓜為試材，分別構(gòu)建了2個六世代群體：2017RZ-30×2011LZ-1群體(群體RL)、2011LZ-1×2015DRG-35群體(群體LD)，利用多世代聯(lián)合分析方法對這2個群體進(jìn)行了遺傳分析，并估測了主基因的遺傳效應(yīng)和遺傳力，以期明確點狀斑紋性狀的遺傳規(guī)律，為絲瓜遺傳育種的材料選擇和外觀品質(zhì)的改良創(chuàng)新提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為2個大肉類型有棱絲瓜和1個長綠類型有棱絲瓜，均來自廣州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院蔬菜所(表1)。試驗于2021—2022年在廣州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院南沙總部基地進(jìn)行。以高代自交系材料中具有代表性的有點狀斑紋絲瓜材料2017RZ-30為母本，無點狀斑紋絲瓜材料2011LZ-1為父本，雜交獲得F1，F(xiàn)1分別與P1、P2回交得到B1、B2群體，F(xiàn)1自交獲得F2群體；另以高代自交系材料中具有代表性的無點狀斑紋絲瓜材料2011LZ-1為母本，有點狀斑紋絲瓜材料2015DRG-35為父本，雜交獲得F1，然后F1分別與P1、P2回交得到B1、B2群體，F(xiàn)1自交獲得F2群體。

表1 有棱絲瓜供試品種簡介

2022年春季，將2個六世代群體定植于廣州市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院南沙總部基地，采用地膜覆蓋，齊排架栽培，單行雙株種植，按常規(guī)方法田間管理。其中2017RZ-30×2011LZ-1群體(簡稱群體RL)P1、P2均種植48株，F(xiàn)1種植68株，B1種植52株，B2種植42株，F(xiàn)2種植334株；2011LZ-1×2015DRG-35群體(簡稱群體LD)P1、P2均種植50株，F(xiàn)1種植40株，B1種植72株，B2種植96株，F(xiàn)2種植366株。待果實商品成熟，觀測每個單株果實的點狀斑紋性狀，調(diào)查統(tǒng)計，取樣，拍照記錄。

1.2 瓜面點狀斑紋的測定與分級

參照絲瓜DUS測試指南，征求專家的意見，制定了絲瓜點狀斑紋性狀評判標(biāo)準(zhǔn)，通過目測手段將點狀斑紋性狀進(jìn)行分級［22］。盛果期調(diào)查各群體單株瓜面點狀斑紋的分離表現(xiàn)，盡可能地覆蓋所有點狀斑紋性狀表現(xiàn)類型，根據(jù)點狀斑紋在果皮表面的分布數(shù)量、花點大小及花點顏色，最終將點狀斑紋性狀分成6個等級：1級為無花點；2級為少花點、基本無(少花點、花點小)；3級為較少花點、不明顯(少花點、花點小)；4級為中花點、稍微明顯(中花點、花點小或中)；5級為較多花點、較明顯(較多花點、花點中)；6級為多花點、很明顯(多花點、花點中或大)。

根據(jù)以上分類標(biāo)準(zhǔn)，在果實成熟階段，統(tǒng)計每個單株點狀斑紋性狀的表現(xiàn)，對每個分離群體的點狀斑紋性狀進(jìn)行分級統(tǒng)計，并拍照記錄。

1.3 統(tǒng)計分析

利用Excel 2010軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析［23］；點狀斑紋性狀群體分離情況分布圖采用SPSS 20.0軟件制作，應(yīng)用蓋鈞鎰等［24-26］多世代聯(lián)合的數(shù)量性狀分析方法，并用Windows軟件包SEA_G6對各世代的瓜面點狀斑紋性狀進(jìn)行遺傳模型統(tǒng)計分析，軟件由南京農(nóng)業(yè)大學(xué)章元明教授提供。運用植物數(shù)量性狀“主基因+多基因混合遺傳模型中P1、P2、F1、F2、B1、B2群體多聯(lián)合世代分析方法”，對絲瓜各世代點狀斑紋分離情況進(jìn)行分析，通過極大似然法和IECM(Iterated Expectaion and Conditional Maximization)算法對各世代單株分布數(shù)量的基本參數(shù)進(jìn)行適合性檢驗與遺傳參數(shù)估計，共獲得5類24種遺傳模型的極大似然數(shù)值(Maximum Likelihood Value, MLV 值)和Akaike’s Information Criterion數(shù)值(AIC值)［25］。根據(jù)AIC值最小原則，從中分析并篩選出最小或接近最小的幾個模型作為備選模型［27］，然后對以上備選模型進(jìn)行適合性檢驗和篩選，根據(jù)適合性檢驗結(jié)果和AIC值最小原則，確定其最佳遺傳模型［28］。采用最小二乘法，估計出最佳遺傳模型相應(yīng)的主基因和多基因遺傳效應(yīng)值等一階參數(shù)［29］，以及主基因遺傳力、多基因遺傳力、遺傳方差等二階參數(shù)［25,30］。

2 結(jié)果與分析

2.1 有棱絲瓜六世代點狀斑紋的分離情況

由表2和圖1可知，2個親本P1、P2在群體單株中點狀斑紋性狀表現(xiàn)差異明顯，點狀斑紋級值分別是6和1、1和6，而且性狀穩(wěn)定，變異系數(shù)均為0。F1群體單株點狀斑紋級值介于2個親本之間，群體RL和群體LD的級值分別是3.14、3.15，說明2個親本雜交之后，F(xiàn)1單株點狀斑紋性狀表現(xiàn)出中間類型，而且F1群體相對穩(wěn)定。B1、B2群體單株性狀分離明顯，變異系數(shù)變大，且B1群體單株偏向于親本P1，B2群體單株偏向于親本P2。F2群體單株性狀分離更明顯，偏向于有點親本。由此可見，有棱絲瓜有點斑紋性狀對無點斑紋可能為顯性，且為不完全顯性。

圖1 有棱絲瓜點狀斑紋分級

表2 有棱絲瓜6個世代瓜面點狀斑紋基本參數(shù)的統(tǒng)計分析

2.2 分離群體點狀斑紋各級單株數(shù)量的分布

群體RL和群體LD的B1性狀分離呈偏態(tài)性連續(xù)分布，且2個群體均偏向于親本P1，群體RL的P1為有點親本，群體LD的P1為無點親本；2個群體的B2性狀分離也呈偏態(tài)性連續(xù)分布，2個群體均偏向于親本P2，群體RL的P2為無點親本，群體LD的P2為有點親本，可能是由于群體RL和群體LD的2個親本分別是2017RZ-30和2011LZ-1、2011LZ-1和2015DRG-35，雖然種質(zhì)材料2017RZ-30、2015DRG-35不同，但2個品種都是有點類型有棱絲瓜，分別與2011LZ-1雜交，因此2017RZ-30×2011LZ-1與2011LZ-1×2015DRG-35構(gòu)建的群體相當(dāng)于正反交；2個群體的F2性狀分離呈正態(tài)性連續(xù)分布，2個群體均在級值3處達(dá)到高峰，之后兩極逐漸降低，表明有棱絲瓜的瓜面點狀斑紋性狀屬于數(shù)量性狀，控制點狀斑紋性狀的基因?qū)儆诤嘶?圖2)。

圖2 遺傳群體點狀斑紋各級絲瓜數(shù)量的分離情況

2.3 最佳遺傳模型的選擇與檢驗

應(yīng)用植物數(shù)量性狀多世代聯(lián)合分析，以P1、P2、F1、F2、B1、B2群體單株為基礎(chǔ)，對絲瓜點狀斑紋性狀進(jìn)行遺傳分析，共獲得5類24種遺傳模型的AIC值和MLV值，5類遺傳模型分別為A、B、C、D、E類模型，其中，A類模型為1對主基因控制模型，B類模型為2對主基因控制模型，C類模型為多基因控制模型，D類模型為1對主基因+多基因控制模型，E類模型為2對主基因+多基因控制模型。根據(jù)遺傳模型AIC值最小原則，選取AIC值較小的幾個遺傳模型作為備選模型，進(jìn)行適合性檢驗。

由表3可知，群體RL有幾個較小AIC值模型，從中選取了3個AIC值差異不大的備選模型，分別為B1、E1、E4模型，其AIC值分別為911.41、759.06、939.38；群體LD選取了3個AIC值相近的備選模型，分別為B1、E1、E3模型，其AIC值分別為569.87、493.65、532.66。

表3 點狀斑紋性狀遺傳模型的AIC值和MLV值

對以上備選遺傳模型進(jìn)行適合性檢測(表4)，結(jié)果顯示：群體RL中B1模型有16項統(tǒng)計值達(dá)到顯著差異水平，E1模型有15項統(tǒng)計值達(dá)到顯著差異水平，E4模型有18項統(tǒng)計值達(dá)到顯著差異水平，選取顯著數(shù)量最少的模式為最適模型，即E1模型為最適模型；群體LD中B1、E1、E3模型分別有18、17、17項統(tǒng)計值達(dá)到顯著差異水平，根據(jù)遺傳模型AIC值最小原則，則從E1、E3模型中選取AIC值最小的模型，即E1模型為最適模型。2個遺傳群體RL與LD分析的最佳模型均為E1模型(MX2-ADIADI)，這表明2個群體的材料選擇合理，即有棱絲瓜點狀斑紋性狀由2對主基因+多基因控制，且符合主基因加性-顯性-上位性+多基因加性-顯性-上位性遺傳效應(yīng)。

表4 有棱絲瓜點狀斑紋性狀最佳遺傳模型的適合性檢驗

2.4 點狀斑紋性狀最適模型的遺傳參數(shù)估計

利用軟件包SEA對點狀斑紋性狀最適模型進(jìn)行遺傳分析，估計出相應(yīng)模型的一階參數(shù)和二階參數(shù)(表5、表6)。根據(jù)前面分析，絲瓜點狀斑紋性狀由2對主基因+多基因控制，并表現(xiàn)出主基因加性-顯性-上位性+多基因加性-顯性-上位性遺傳效應(yīng)。結(jié)合表4分析可知，點狀斑紋性狀第1主基因與第2主基因的加性效應(yīng)值均-0.75，2對主基因加性效應(yīng)相當(dāng)，且為負(fù)向效應(yīng)，而第1主基因與第2主基因顯性效應(yīng)值分別為 0.24、0.75，2對主基因顯性效應(yīng)以第 2主基因為主，第1主基因為輔，表明第1主基因以加性效應(yīng)為主，顯性效應(yīng)為輔，加性效應(yīng)為負(fù)向效應(yīng)，顯性效應(yīng)為正向效應(yīng)，第2主基因加性效應(yīng)與顯性效應(yīng)相當(dāng)，且分別為負(fù)向效應(yīng)、正向效應(yīng)。在上位性遺傳效應(yīng)中，以主基因加性-加性互作效應(yīng)為主，效應(yīng)值為1.75，主基因顯性-顯性互作效應(yīng)占比比較小，效應(yīng)值為0.27，且均為正向效應(yīng)；2對主基因加性-顯性互作效應(yīng)值為-0.75，顯性-加性互作效應(yīng)值為0.76，加性-顯性互補為負(fù)向效應(yīng)，顯性-加性互補為正向效應(yīng)；點狀斑紋性狀多基因加性與顯性效應(yīng)均為0。在二階參數(shù)估計中，B1群體單株主基因遺傳率為97.17%，多基因遺傳率為0.71%，環(huán)境變異占表型變異的2.12%；B2群體單株主基因遺傳率為98.12%，多基因遺傳率為0.92%，環(huán)境變異占表型變異的0.96%；F2群體單株主基因遺傳率為99.30%，多基因遺傳率為0.00%，環(huán)境變異占表型變異的0.70%，表明有棱絲瓜點狀斑紋性狀以主基因控制為主，環(huán)境影響相對比較小，在有棱絲瓜外觀品質(zhì)改良及遺傳育種中可以對早期世代材料的性狀進(jìn)行選擇。

表5 有棱絲瓜點狀斑紋一階遺傳參數(shù)估值

表6 有棱絲瓜點狀斑紋二階遺傳參數(shù)估值

3 討論與結(jié)論

數(shù)量性狀的表型比較容易受到環(huán)境因素的影響，一些性狀表現(xiàn)可能不太穩(wěn)定，沒有表現(xiàn)出連續(xù)性［25］。前人研究表明，多數(shù)農(nóng)藝性狀是數(shù)量性狀，遺傳效應(yīng)比較復(fù)雜，表型與基因型關(guān)系有很大的不確定性［31］。將數(shù)量性狀與植物遺傳育種相結(jié)合，能夠分析相關(guān)性狀的遺傳特性，明確群體數(shù)量性狀的遺傳規(guī)律，為植物生長發(fā)育與現(xiàn)代育種提供參考［32］。本試驗對有棱絲瓜點狀斑紋進(jìn)行遺傳分析，通過田間表型發(fā)現(xiàn)，點狀斑紋性狀分離符合正態(tài)分布，因此它也是數(shù)量性狀。在前期組合配制與群體構(gòu)建過程中，發(fā)現(xiàn)有些F1點狀斑紋性狀沒有表現(xiàn)出來，而多數(shù)F1點狀斑紋表型明顯，推測可能是環(huán)境與基因型互作的原因。本試驗通過選用3個高代自交系材料，構(gòu)建2個六世代群體，運用2個遺傳群體在同一田間管理條件下進(jìn)行性狀觀測與數(shù)據(jù)分析，試驗發(fā)現(xiàn)2個群體性狀表現(xiàn)也有不同，群體RL的F1性狀比較穩(wěn)定，屬于大肉絲瓜與長綠絲瓜中間類型，群體LD的F1性狀有部分分離，但也是2個種類的中間類型，分離相對明顯，可能是由于2個有點狀類型絲瓜果皮顏色深淺對性狀表現(xiàn)也有影響。

多世代聯(lián)合分析方法在黃瓜［33］、西瓜［34-35］等葫蘆科植物中應(yīng)用廣泛，而在絲瓜果實性狀方面的遺傳研究也逐漸被重視起來［15］。主基因+多基因混合模型分析方法能夠揭示性狀之間的相關(guān)性及遺傳基礎(chǔ)，為基因定位與全基因關(guān)聯(lián)分析提供互補驗證［36］。但是這樣的分析方法具有一定的局限性，只能分析3對以內(nèi)主基因控制的遺傳性狀，不能明確各基因的功能，需要與連鎖標(biāo)記、QTL定位及分子標(biāo)記相結(jié)合［37］。本試驗運用主基因+多基因聯(lián)合分析方法對點狀斑紋性狀進(jìn)行遺傳模型分析，結(jié)果表明：點狀斑紋由2個主基因＋多基因控制，試驗中的點狀斑紋性狀不超過3對主基因；2個群體F2的變異系數(shù)分別為0.41和0.45，差異也不明顯，而且與前人的研究結(jié)果相似［17］，這表明主基因＋多基因多世代聯(lián)合分析方法可應(yīng)用于分析有棱絲瓜點狀斑紋性狀。同時，本試驗后續(xù)也根據(jù)田間表型結(jié)合了BSA重測序技術(shù)，為有棱絲瓜點狀斑紋性狀基因定位及分子標(biāo)記奠定材料基礎(chǔ)。

點狀斑紋是有棱絲瓜遺傳育種與示范推廣比較重要的果實外觀品質(zhì)，在絲瓜的材料選育、親本的組合配制等方面起關(guān)鍵作用。有棱絲瓜按果形、皮色分類為2種，分別為長棒綠皮類型(又稱長綠絲瓜)、短棒花皮類型(又稱大肉絲瓜)［38］。果實的外觀品質(zhì)一直深受學(xué)者與專家們關(guān)注，特別在果色、果徑、果皮光澤等性狀方面，多數(shù)也呈數(shù)量性狀遺傳［39-41］。有棱絲瓜2個不同類型品種（長綠絲瓜與大肉絲瓜）在引種與選育上性狀表現(xiàn)差異很大的背景下，經(jīng)過長時間的性狀觀測和經(jīng)驗總結(jié)，認(rèn)為有必要進(jìn)行絲瓜點狀斑紋性狀觀測及遺傳分析試驗。長綠絲瓜，瓜形長棍棒形，皮色深綠至墨綠色，無花點或少花點；大肉絲瓜，瓜形短棍棒形，皮色綠白至綠色，多為有花點。另外，在點狀斑紋分級與測定方面，本試驗通過專家咨詢與討論，結(jié)合絲瓜DUS測試指南，以目測手段定制評判標(biāo)準(zhǔn)，按花點分布數(shù)量、花點大小及花點顏色將點狀斑紋進(jìn)行分級處理，最終將點狀斑紋性狀分成6個等級。同時，在栽培和遺傳育種上，本試驗發(fā)現(xiàn)：大肉絲瓜的生長勢比較強，分枝多，而長綠絲瓜的生長勢、分枝性弱一些，但耐熱性強，而且2個品種點狀斑紋差異很大。因此，我們想通過用2個不同類型品種進(jìn)行雜交，獲得雜種優(yōu)勢，也能從中間材料中找到重要的目標(biāo)種質(zhì)，為絲瓜雜交選育及材料改良提供重要支撐。

大肉類型有棱絲瓜可作為補充點狀斑紋性狀的種質(zhì)材料，可在種質(zhì)改良創(chuàng)新及遺傳育種過程中進(jìn)行連續(xù)的回交，以獲得優(yōu)良的點狀斑紋種質(zhì)材料。