张跃环 王昭萍 喻子牛① 闫喜武

(1. 中国科学院南海海洋研究所 热带海洋生物资源与生态重点实验室 广州 510301; 2. 中国海洋大学水产学院 海水养殖教育部重点实验室 青岛 266003; 3. 大连海洋大学水产与生命学院 辽宁省贝类良种繁育工程技术研究中心 大连 116023)

遗传力(Heritability)是指某数量性状从上一代传递给下一代的能力。它包括广义遗传力(Broad-sense heritability)和狭义遗传力(Narrow-sense heritability)。通常情况下, 育种学家们将狭义遗传力作为无偏估计(盛志廉等, 1999)。在对贝类的研究方面, 国内外学者们先后估计了牡蛎(Lannan, 1972; Ernandeet al,2003; Langdonet al, 2003; Evanset al, 2006;Dégremontet al, 2007; 王庆志等, 2009; 肖述, 2010;Liet al, 2011)、扇贝(Zhenget al, 2004, 2006)、珍珠贝(Denget al, 2009; Wanget al, 2011)、蛤仔(闫喜武等,2010; 霍忠明等, 2010)、泥蚶(孙长森等, 2010)等双壳贝类的遗传参数, 为育种决策、育种值估计、选择指数确定、选择反应预测及育种规划奠定了坚实的基础。

遗传力是性状传递能力大小的重要遗传参数,但大多均仅限于种内应用, 为了更加准确的分析远缘杂交是否有真杂种优势产生, 可以采用杂种遗传力协同配合力共同剖析杂种优势。杂种遗传力(Cross-heritability)是指加性方差占杂交子一代方差的比率(吴仲贤, 2003)。目前, 在农作物育种中, 学者们利用16全同胞种间杂交家系(沙地葡萄Vitis rupestris×夏葡萄Vitis aestivalis)评估了葡萄皮尔斯细菌抗病性的狭义遗传力(Krivaneket al, 2005)。在水产动物方面, 尚未见到相关报道。本文以先前构建的45个杂交家系为材料(张跃环, 2012), 引入杂种遗传力概念, 对种间杂种生长、存活及产量性状遗传力进行了评估, 并对其两两对应性状表型相关及遗传相关进行了分析, 旨在为建立远缘杂交育种方法和策略提供必要的理论依据。

1 材料与方法

1.1 实验材料

采用平衡巢式设计1个雄性长牡蛎对应3个雌性香港牡蛎方式建立的45个杂交家系(表1)(张跃环等,2012)。其中, 共有15个父系半同胞家系, 45个母系全同胞家系。幼虫期每个杂交家系利用2—3个100L白桶培育, 在幼虫完成变态形成稚贝生长至10 mm左右时(48d左右), 采用震荡的方式, 将波纹板上的稚贝掰下来, 变为单体牡蛎。由于稚贝数量较大, 每个家系随机筛选1080个作为测定样品, 装入3mm孔径的网袋中, 密度为120个/袋, 每个家系装9袋。所有杂交家系均在大连海洋贝类育苗场及其虾池中经历了一周年的养成, 直至翌年繁殖季节。

表1 种间杂交家系建立方法Tab.1 The conductive method of interspecific hybridization families

1.2 数据收集及处理

测量指标包括幼虫浮游期15日龄、稚贝越冬期180日龄、幼贝繁殖期360日龄的壳高、存活率, 及360日龄时个体鲜重、产量。其中, 每个家系设置3个真重复组, 浮游存活率为15日龄眼点幼虫数量与D形幼虫的百分率(%); 稚贝及幼虫存活率为180日龄及360日龄子代数量与完成变态稚贝数量百分率(%); 产量为每个家系真重复组的鲜重(kg)。

为了减小方差齐性, 所有的壳高、鲜重及产量指标均转化为常用对数lg, 所有的存活率均转化为Asin。其中, 壳高、鲜重指标每个家系随机测量30个个体, 存活率及产量每个家系测量3个数据(来自于每个家系内的真重复)。

1.3 数据分析

表型性状数据的方差分析及协方差分析使用SPSS18, 软件的一般线性模型(General line model,GLM)。数据分析前对所有参数进行正态性检验(Kolmogorov-Smirnov)。二因素系统分组的方差分析及协方差分析的数学模型为

其中,Xijk表示某性状第i个父本第j个母本的第k个子代的表型指标,μ表示总体均值,Si表示第i个父本效应,Dij表示第i个父本内第j个个体的母本效应,Eijk为相应的随机误差变量。全同胞资料表型变量的方差组分如表2所示, 全同胞资料表型变量问的协方差组成如表3所示。

1.4 参数计算

根据全同胞资料作二因素系统组分方差分析可得到3个遗传力估计值, 即:

表2 全同胞家系表型变量组分方差分析Tab.2 Variance analysis on components of phenotypic variation of full-sib families

表3 全同胞家系表型变量组分协方差分析Tab.3 Covariance analysis on components of phenotypic variation of full-sib families

根据全同胞资料作二因素系统组分方差分析及协方差分析, 可得到3个遗传相关估计值, 即:

式中,rS、rD、r(S+D)分别为父系半同胞、母系全同胞及全同胞个体间估计的遗传相关,意义同上。由于后两个估计值受显性效应和母本效应影响较大, 相比之下第一个估计值较为无偏, 因此, 采用第一个公式计算性状间的遗传相关系数作为实验结果。表型相关的计算公式为:

2 结果

2.1 不同时期个体的表型参数

杂交家系子代在幼虫浮游期(Day15)、稚贝越冬期(Day180)及幼贝繁殖期(Day360)表型参数的平均值、标准差和变异系数如表4所示。经检测所有参数经检验均符合正态分布, 并且随着个体生长, 壳高变异系数逐渐增大(7.06%—9.82%), 表明生长性状异质性在增强。存活率的变异系数在15日龄时最大为7.00%, 而在180及360日龄期间, 相对较小,分别为3.97%和5.30%; 360日龄产量的变异系数为27.35%。

表4 不同时期杂种的生长、存活率及产量参数Tab.4 Parameters of growth, survival rate, and yield of hybrids in different days

2.2 不同时期生长、存活、产量性状的方差分析

表5为杂种在不同时期表型性状的方差分析。其结果表明: 生长、存活及产量性状, 在雄亲间及其雌内雄亲间壳高、存活率及产量均存在极显著差异(P<0.01), 说明可以对其性状进行遗传力估计。

2.3 生长、存活、产量性状原因的方差分析

根据方差分析结果及期望均方的方差组分构成,可以建立全同胞及半同胞各个原因方差组分的对应关系, 彼此间相互关系见表6。根据这些组分的关系,可以进行遗传力估算。

2.4 遗传力及遗传相关分析

根据表7所示, 对于生长性状及产量而言, 母系全同胞遗传力最高; 对于存活性状而言, 15日龄时,母系全同胞遗传力最高; 180及360日龄期间, 母系全同胞、父系半同胞及其全同胞遗传之间比较接近, 但以父系半同胞遗传力相对较高。从生长性状上看, 幼虫15日龄的父系半同胞、母系全同胞及其全同胞的遗传力分别为0.6355、1.1215、0.8785; 稚贝越冬期180日龄时, 父系半同胞、母系全同胞及其全同胞的遗传力分别为0.4828、0.7586、0.6207; 繁殖期360日龄壳高的父系半同胞、母系全同胞及其全同胞的遗传力分别为0.5787、0.8681、0.7234, 鲜重的父系半同胞、母系全同胞及其全同胞的遗传力分别为0.6706、0.8774、0.7740。从存活性状上看, 父系半同胞遗传力为0.1900—0.4064, 母系全同胞遗传力为0.2556—0.5520, 全同胞遗传力为0.2748—0.3957。产量是生长与存活的共同作用结果, 其父系半同胞、母系全同胞及其全同胞的遗传力分别为0.5018、0.8413、0.6715。

表5 杂种不同时期表型变量组分的方差分析Tab.5 Variance analysis on components of phenotypic variation of hybrids in different stages

表6 杂种表型变量的各个原因方差组分与全同胞和半同胞协方差之间的关系Tab.6 Relationships between covariance of full-and half-sibs and causal components of phenotypic variance

表7 杂种不同时期表型性状遗传方差组分估计的遗传力Tab.7 Heritability of growth and survival traits in hybrids in different stages

由于遗传相关需要协方差分析, 作者采用Excel对其进行协方差分, 并计算了表型及遗传相关系数。从其两两性状间生长相关性上看, 幼虫期与稚贝期壳高出现了负向的表型相关及遗传相关; 且稚贝期与繁殖期的壳高及繁殖期壳高与鲜重间出现了积极的表型性状正相关以外, 其它的两两生长性状间均无显著表型相关性; 除了稚贝期与越冬期稚贝出现了负向遗传相关外, 其它时期两两生长性状间均为显著正相关(表8)。从存活与产量的相关性上看, 无论是表型性状, 还是遗传性状均出现了积极的正相关, 以遗传相关为主(表9)。

表8 杂种不同时期生长性状间的遗传相关和表型相关Tab.8 Genetic and phenotypic correlations of growth traits for hybrids in different stages

表9 杂种不同时期存活及产量间的遗传相关和表型相关Tab.9 Genetic and phenotypic correlations of survival and yield traits for hybrids in different stages

3 讨论

3.1 遗传力

在牡蛎育种中, Ernande等(2003)利用24个全同胞家系系统地分析了长牡蛎幼体生长、存活、变态及稚贝生长、存活的狭义和广义遗传力。目前资料显示,长牡蛎幼虫生长性状狭义遗传力范围在0.14—0.40(王庆志等, 2009); 养成期生长性状狭义遗传力为0.15—0.46 (Lannan, 1972, 王庆志等, 2012); 养成期产量的现实遗传力为0.42 (Langdonet al, 2003)。香港牡蛎浮游幼虫的生长性状狭义遗传力为0.21—0.88;稚贝生长性状狭义遗传力为0.23—0.35; 中间育成期生长性状的狭义遗传力为0.18—0.34 (肖述, 2010)。对于生长性状而言, 长牡蛎均在0.2—0.5范围内, 而香港牡蛎在0.2—0.9范围内。本文中, 杂种生长性状(壳高、鲜重)的狭义遗传力为0.48—0.67, 较长牡蛎偏高, 介于香港牡蛎范围内。作者发现, 幼虫的生长性状遗传力较高, 且稚贝及其养成期相对较低, 这一点与香港牡蛎比较相似, 可能主要是幼虫受母本效应影响较大所致。

对存活性状而言, 由于存活率受环境影响较大,估计这方面的报道不多, Dégremont等(2007)利用17个全同胞及43个半同胞家系估计长牡蛎6—8月龄存活率狭义遗传力为0.47—1.08, 广义遗传力为0.07—0.38; Evans等(2006)利用34个全同胞家系在4个不同养殖环境下得到192日龄、370日龄和664日龄存活率的广义遗传力分别为0.36—0.71。本文中, 存活性状狭义遗传力为0.19—0.41, 相对其他学者对长牡蛎的估计而言, 相对较低, 这种原因主要是由于杂交子抗逆性较强, 存活率相对较高, 家系间彼此间方差差异较小造成的。

一般认为, 基于全同胞资料估计的遗传力, 由于包含显性效应和母性效应, 较真实值偏大。本研究采用巢式设计和父系半同胞相关分析法, 克服了用全同胞资料估计遗传力的缺点, 采用随机抽样, 代表性强, 因此可以认为父系半同胞组内相关法估计的遗传力是长牡蛎各测量生长性状遗传力的无偏估计值,且用雄性亲本遗传方差组分估计的遗传力准确可靠(刘小林等, 2003; 栾生等, 2006)。无论是生长性状还是存活性状, 其狭义遗传力的表达与杂种优势有一定关系, 但是相关性不大。这一点与吴仲贤(2003)提出的杂种遗传力略显不同, 因为杂种遗传力是一个理论值, 但是实践中往往达不到理论期望。如生长性状遗传力相对较高, 但实际中的生长性状为杂种劣势, 即出现远交衰退现象; 实际上杂交子抗逆性比较强, 可以抵御寒冬、抗高温, 存活能力非常强, 表现出积极的存活杂种优势, 但是存活性状的遗传力相对较低, 作者的研究结果可以引入杂种遗传力概念,但不能用它的理论来解释远缘杂交中的实际问题。

3.2 相关性

在选择育种实践中, 有些性状可通过直接选择获得较满意的效果, 而对有些性状不能通过直接选择获得理想结果, 则可通过与其相关性较高性状的选择达到间接选育的目的(肖述等, 2008)。通常观察到的是性状间的表型相关, 它包括遗传相关和环境相关两部分, 性状间遗传相关越大, 间接选育的效果就越好, 但不同环境条件和不同发育时期的同一性状的遗传相关可能存在较大差异。通过协方差分析来度量性状间相互关联的变异程度, 是数量遗传学研究的一项重要内容, 也是选择育种过程中的一项基本工作(王庆志等, 2009, 2012)。

由基因连锁和基因的多效性引起的遗传相关,使生物体不同的性状间存在不同程度的相关性。本文中, 对于生长性状而言, 幼虫期与稚贝期的表型相关及遗传相关均为负相关, 其相关性较差, 而其它两两生长性状间均表现出正相关, 大多数均为显著正相关。Ernande等(2003)报道了长牡蛎相同生长时期的不同性状存在连续的相关性, 发现变态时期和稚贝时期性状显著相关, 但幼体时期和稚贝时期性状的相关性较差, 即出现了幼虫与稚贝间的负相关现象,这一点本文与其研究结果一致。至于存活性状与产量,幼虫、稚贝及幼贝繁殖期间存活率及产量均为正相关,其中, 以遗传相关为主。肖述(2010)对香港牡蛎生长性状遗传相关、表型相关及环境相关分析中发现, 三者间均为正相关, 在不同阶段, 以不同的相关性为主。王庆志等(2009)对长牡蛎遗传相关及表型相关的估计中, 也发现生长性状间具有正相关作用。

遗传参数及其遗传相关的估计, 有助于进一步了解种间杂种优势与其相关遗传力、配合力等参数的相互关系。如果按照吴仲贤(2003)提出的杂种遗传力理论进行估算的话, 本文中应该得到较低的生长性状遗传力, 较高水平的存活性状遗传力, 但事实并非如此, 说明杂种优势的评估仍然任重道远。为了查清杂种优势产生根源, 今后应进一步研究远缘杂种优势变化规律及发生机理。

致谢 本文得到了西北农林科技大学刘小林教授指导, 并得到了大连海洋大学霍忠明博士、姚托博士、苏家齐博士等在幼虫培养、稚贝育成、幼贝养成时期的帮助, 谨致谢忱。

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