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

（廣州市農業科學研究院，廣東 廣州 440100）

絲瓜在國內主要有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，而在長江流域及長江以北的地區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主要包括商品品質、營養品質、風味品質3個方面［8］。果實瓜面點狀斑紋屬于有棱絲瓜的外觀品質性狀，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、網狀和點狀，而在有棱絲瓜上多數斑紋為點狀斑紋。果實性狀的表型變異比較復雜，遺傳效應容易受果實的影響，同時在母體植株上也會獲得一部分遺傳效應，而且果實數量性狀的遺傳也比較復雜，在果實初收期、盛收期等不同發育階段的表達調控受多個基因的影響［9-11］。有棱絲瓜既是華南地區夏季蔬菜的主要供應品種，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，為促進絲瓜消費市場多元化，改良絲瓜外觀品質性狀，需要對有棱絲瓜點狀斑紋性狀進行多世代聯合分析，明確點狀斑紋的遺傳規律。

目前，已有對絲瓜果實品質的遺傳分析，但多數側重于絲瓜果實褐變、果棱等性狀方面的研究，而關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行組合配制，建立了3個六世代遺傳群體，采用多世代聯合分析方法對3個群體進行遺傳分析，發現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行雜交，為有棱絲瓜與普通絲瓜種質材料的創新和改良提供了現實依據，并對雜種后代苦味、果棱等性狀進行遺傳分析，發現絲瓜果棱有棱對無棱為顯性，且符合數量性狀遺傳規律。王輝等［15］應用植物數量性狀多世代聯合分析方法對普通絲瓜果實褐變性狀進行了遺傳分析，結果顯示，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，對其果實外觀品質性狀進行了不同發育時期的遺傳和相關性分析，結果發現絲瓜果實在4個不同發育時期，瓜長和瓜周長基因的表達在發育前期比較活躍，受環境及基因型的共同調控。以上均在普通絲瓜果實的外觀品質或有棱絲瓜的果棱方面進行了遺傳研究。植物數量性狀多世代聯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］、第一雌花節位性狀［20］、節間長性狀等［21］方面被廣泛應用，但鮮見該方法在有棱絲瓜的點狀斑紋性狀上應用的研究報道。

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)，利用多世代聯合分析方法對這2個群體進行了遺傳分析，并估測了主基因的遺傳效應和遺傳力，以期明確點狀斑紋性狀的遺傳規律，為絲瓜遺傳育種的材料選擇和外觀品質的改良創新提供科學依據。

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，均來自廣州市農業科學研究院蔬菜所(表1)。試驗于2021—2022年在廣州市農業科學研究院南沙總部基地進行。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，F1分別與P1、P2回交得到B1、B2群體，F1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，F1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業科學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，F1種植68株，B1種植52株，B2種植42株，F2種植334株；2011LZ-1×2015DRG-35群體(簡稱群體LD)P1、P2均種植50株，F1種植40株，B1種植72株，B2種植96株，F2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，調查統計，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準，通過目測手段將點狀斑紋性狀進行分級［22］。盛果期調查各群體單株瓜面點狀斑紋的分離表現，盡可能地覆蓋所有點狀斑紋性狀表現類型，根據點狀斑紋在果皮表面的分布數量、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)。

根據以上分類標準，在果實成熟階段，統計每個單株點狀斑紋性狀的表現，對每個分離群體的點狀斑紋性狀進行分級統計，并拍照記錄。

1.3 統計分析

利用Excel 2010軟件對原始數據進行統計分析［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，應用蓋鈞鎰等［24-26］多世代聯合的數量性狀分析方法，并用Windows軟件包SEA_G6對各世代的瓜面點狀斑紋性狀進行遺傳模型統計分析，軟件由南京農業大學章元明教授提供。運用植物數量性狀“主基因+多基因混合遺傳模型中P1、P2、F1、F2、B1、B2群體多聯合世代分析方法”，對絲瓜各世代點狀斑紋分離情況進行分析，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量的基本參數進行適合性檢驗與遺傳參數估計，共獲得5類24種遺傳模型的極大似然數值(Maximum Likelihood Value, MLV 值)和Akaike’s Information Criterion數值(AIC值)［25］。根據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行適合性檢驗和篩選，根據適合性檢驗結果和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的主基因和多基因遺傳效應值等一階參數［29］，以及主基因遺傳力、多基因遺傳力、遺傳方差等二階參數［25,30］。

2 結果與分析

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差異明顯，點狀斑紋級值分別是6和1、1和6，而且性狀穩定，變異系數均為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，F1單株點狀斑紋性狀表現出中間類型，而且F1群體相對穩定。B1、B2群體單株性狀分離明顯，變異系數變大，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的統計分析

2.2 分離群體點狀斑紋各級單株數量的分布

群體RL和群體LD的B1性狀分離呈偏態性連續分布，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性狀分離也呈偏態性連續分布，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構建的群體相當于正反交；2個群體的F2性狀分離呈正態性連續分布，2個群體均在級值3處達到高峰，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量性狀，控制點狀斑紋性狀的基因屬于核基因(圖2)。

圖2 遺傳群體點狀斑紋各級絲瓜數量的分離情況

2.3 最佳遺傳模型的選擇與檢驗

應用植物數量性狀多世代聯合分析，以P1、P2、F1、F2、B1、B2群體單株為基礎，對絲瓜點狀斑紋性狀進行遺傳分析，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行適合性檢測(表4)，結果顯示：群體RL中B1模型有16項統計值達到顯著差異水平，E1模型有15項統計值達到顯著差異水平，E4模型有18項統計值達到顯著差異水平，選取顯著數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項統計值達到顯著差異水平，根據遺傳模型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。

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估計

利用軟件包SEA對點狀斑紋性狀最適模型進行遺傳分析，估計出相應模型的一階參數和二階參數(表5、表6)。根據前面分析，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。結合表4分析可知，點狀斑紋性狀第1主基因與第2主基因的加性效應值均-0.75，2對主基因加性效應相當，且為負向效應，而第1主基因與第2主基因顯性效應值分別為 0.24、0.75，2對主基因顯性效應以第 2主基因為主，第1主基因為輔，表明第1主基因以加性效應為主，顯性效應為輔，加性效應為負向效應，顯性效應為正向效應，第2主基因加性效應與顯性效應相當，且分別為負向效應、正向效應。在上位性遺傳效應中，以主基因加性-加性互作效應為主，效應值為1.75，主基因顯性-顯性互作效應占比比較小，效應值為0.27，且均為正向效應；2對主基因加性-顯性互作效應值為-0.75，顯性-加性互作效應值為0.76，加性-顯性互補為負向效應，顯性-加性互補為正向效應；點狀斑紋性狀多基因加性與顯性效應均為0。在二階參數估計中，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，環境影響相對比較小，在有棱絲瓜外觀品質改良及遺傳育種中可以對早期世代材料的性狀進行選擇。

表5 有棱絲瓜點狀斑紋一階遺傳參數估值

表6 有棱絲瓜點狀斑紋二階遺傳參數估值

3 討論與結論

數量性狀的表型比較容易受到環境因素的影響，一些性狀表現可能不太穩定，沒有表現出連續性［25］。前人研究表明，多數農藝性狀是數量性狀，遺傳效應比較復雜，表型與基因型關系有很大的不確定性［31］。將數量性狀與植物遺傳育種相結合，能夠分析相關性狀的遺傳特性，明確群體數量性狀的遺傳規律，為植物生長發育與現代育種提供參考［32］。本試驗對有棱絲瓜點狀斑紋進行遺傳分析，通過田間表型發現，點狀斑紋性狀分離符合正態分布，因此它也是數量性狀。在前期組合配制與群體構建過程中，發現有些F1點狀斑紋性狀沒有表現出來，而多數F1點狀斑紋表型明顯，推測可能是環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行性狀觀測與數據分析，試驗發現2個群體性狀表現也有不同，群體RL的F1性狀比較穩定，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也有影響。

多世代聯合分析方法在黃瓜［33］、西瓜［34-35］等葫蘆科植物中應用廣泛，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性及遺傳基礎，為基因定位與全基因關聯分析提供互補驗證［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，需要與連鎖標記、QTL定位及分子標記相結合［37］。本試驗運用主基因+多基因聯合分析方法對點狀斑紋性狀進行遺傳模型分析，結果表明：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的變異系數分別為0.41和0.45，差異也不明顯，而且與前人的研究結果相似［17］，這表明主基因＋多基因多世代聯合分析方法可應用于分析有棱絲瓜點狀斑紋性狀。同時，本試驗后續也根據田間表型結合了BSA重測序技術，為有棱絲瓜點狀斑紋性狀基因定位及分子標記奠定材料基礎。

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，在絲瓜的材料選育、親本的組合配制等方面起關鍵作用。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］。果實的外觀品質一直深受學者與專家們關注，特別在果色、果徑、果皮光澤等性狀方面，多數也呈數量性狀遺傳［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差異很大的背景下，經過長時間的性狀觀測和經驗總結，認為有必要進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，結合絲瓜DUS測試指南，以目測手段定制評判標準，按花點分布數量、花點大小及花點顏色將點狀斑紋進行分級處理，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，本試驗發現：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個不同類型品種進行雜交，獲得雜種優勢，也能從中間材料中找到重要的目標種質，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材料，可在種質改良創新及遺傳育種過程中進行連續的回交，以獲得優良的點狀斑紋種質材料。