叶福民马 策张晓波张文洋李 振闫 烨阮 芳

(辽宁省经济作物科学研究所,辽宁 辽阳 111000)

菊花(Chrysanthemummorifolium)在园林绿化和城市美化中相当普遍,是世界四大切花之一[1]。 传统的杂交育种方式,仍然是目前菊花最为常见的育种手段。 由于菊花本身的自交不亲和性、高度杂合性和高倍性等遗传特点,导致菊花杂交育种研究,无法像大田作物那样从培养纯系亲本入手,进行进一步的研究,因此人们提出了主基因多基因混合遗传模型分离分析方法,即依据作物特定杂交后代的某性状的全部表型观测值,通过模型模拟推测出该性状的基因组分的研究方法,目前已在菊花[1～8]、小麦[9]、大麦[10]、水稻[11]、燕麦[12]、一串红[13]、连翘[14]等作物上得到广泛应用。

前人研究主要集中于切花菊杂交F1后代抗性与花部性状方面,对其茎部与叶部的观赏性状研究较少。 本研究采用主基因+多基因分析方法,以切花菊F1杂交群体各部位共17 个观赏性状的表型观测数据为研究对象,分析其数量性状的混合遗传模型和基因作用方式,估计主基因的遗传效应和遗传方差,为深入理解菊花遗传特性和菊花杂交亲本选配育提供理论依据,为今后切花菊分子标记辅助育种与优良性状QTL 定位奠定理论基础。

1 材料与方法

1. 1 试验材料

选取保存于辽宁省经济作物科学研究所的黄色多头小花型切花秋菊品种rossi 黄(Rossi yellow)和红色多头小花型切花秋菊品种红菊复色(Red chrysanthemum complex color),两个品种经多年无性栽培鉴定,表型性状表现稳定。 2019 年10 月,以rossi 黄为母本,红菊复色为父本,用棉签粘花粉涂抹在柱头上并套袋标记,2020 年3 月采收花头并获得F1代杂交种子,2020 年4 月初穴盘点播并上遮阳网,每日浇水3 次直至出苗。 于5 月中下旬编号并定植在温室内(塑料钵定植),除定植时浇透1 遍水,以后根据土壤情况每隔3 ～5 d 浇水1 次。 待株高20 cm 以上时移栽到试验冷棚中,行间距为10 cm×10 cm,栽培环境和管理方式与温室常规栽培相同。 花期不进行抹芽抹蕾操作,以秋季开花的108 株作为性状统计群体。

1. 2 试验方法

1. 2. 1 田间性状调查 2020 年10 月开始调查F1群体植株的观赏性状,各性状由单株重复测量3 次。 具体调查方法参考《植物新品种特异性、一致性和稳定性测试指南:菊花》(表1)(2011)。

表1 切花菊观赏性状调查目录Table 1 Catalogue of Chrysanthemum Ornamental Trait

1. 2. 2 描述性统计分析及相关分析 采用excel 2003 软件与SPSS 22 软件进行基本描述性数据的统计分析,采用R 语言corrplot 包绘制各表型性状间的相关分析图。

1. 2. 3 菊花营养性状的混合遗传分析 以性状调查的3次平均值为基础进行混合遗传分析。 采用植物数量性状混合遗传模型的主基因+多基因分析方法中的单个F2世代的分离分析方法,运用R 语言SEA 数量遗传分析统计包。 对菊花F1单株(株系)测量数据用A,B2 类11 种遗传模型配合表型次数分布求出各种遗传模型的极大似然函数值(maximumlikelihoodvalue,MLV),由极大似然函数值计算出AIC(Akaike’sinformationcriterion)值。 然后通过AIC 值选择供选的相对最佳模型,同时进行一组适合性检验,包括均匀性检验U12,U22,U32,Smirnov 检验(nW2),Kolmogorov 检验(Dn),根据AIC 值最小或相对小且统计量达到显著性水平(P＜0.05)个数较少的模型作为终选的最优遗传模型。 根据最优模型采用最小二乘法估计出主基因的效应值、方差、主基因遗传率等遗传参数。

2 结果与分析

2. 1 多头切花秋菊观赏性状在F1 代的表型分布

多头切花秋菊17 个观赏性状在F1代的描述性数据分析见表2。 结果表明:17 个观赏性状在菊花F1群体中分离比较广泛,变异系数最大的性状为梗长(62. 99%),变异系数最小的性状叶厚(18. 22%)。 变异系数均大于15%,进一步证明了菊花的高度杂合性,为遗传分析提供了较好的遗传差异基础。

表2 F1 观赏性状表型统计Table 2 Statistics of phenotypic traits in F1 population

花径、瓣长、梗粗、茎粗、叶宽的偏度或峰度绝对值大于1,呈现出明显的正偏性和极端性;除这5 个性状外的其他12 个性状的偏度和峰度绝对值均小于1,与正态曲线拟合较好。

2. 2 多头切花秋菊杂交F1 群体观赏性状最适遗传模型分析

利用植物数量性状主基因+多基因混合遗传模型单个分离世代的分离分析方法,对本研究中菊花F1世代的观赏性状表型数据均值进行混合遗传模型分析。

首先计算11 种遗传模型与表型资料的配合结果,得到AIC 值(表3)。 然后根据遗传模型选取的原则,即AIC值最小准则,选取AIC 值最小的3 组遗传模型作为备选最适模型。 以花径为例,比较各模型下的计算结果,AIC值较小的模型有0MG、1MG-AD、2MG-ADI 这3 种模型,其值分别为285.84、283. 62、285. 18,可以作为备选最适模型。

表3 F1 群体观赏性状分离分析AIC 值Table 3 Segregation analysis of AIC value of ornamental characters in F1 population

综合各性状相关性(图1)可得出:菊花F1代杂交后代中,显著性相关的观赏性状间均呈现正向关联性。 其中与花径和瓣长相关的观赏性状最多(11 个),与筒花和叶厚相关的表型性状最少(2 个)。 对F1群体的表型性状进行频率分布分析(见图1),结果表明,除瓣宽(双峰分布)以外的16 个性状都呈现单峰分布,接近正态分布,符合数量性状的特点。

图1 F1 表型性状相关分析和频率分布Figure 1 Correlation analysis and frequency distribution of F1 phenotypic traits

利用U12,U22,U32,nW2和Dn 对各观赏性状挑出的3个备选模型进行适合性检验(表4),选择统计量达到显著个数最少的模型作为最优模型,例如花径的3 个模型的统计量均未达到显著水平(P＜0.05)。 但是1MG-AD 模型的AIC 值最小,即1MG-AD 模型的适合性高于其他模型,表明1MG-AD 模型能够对菊花花径的遗传作出充分解释,可以作为菊花花径的最优模型。 说明在本研究中,菊花花径由一对主基因控制,主基因表现为加性—显性,筒茎无主基因控制,可能表现为受环境因素影响较大的多基因控制。

表4 入选模型的适合性检验Table 4 Test for goodness-of-fit of selected genetic model

注:显著性下划线表示p 值小于0.05,模型下划线表示AIC 值最小的模型。

2. 3 遗传参数估计

根据各性状遗传模型参数的极大似然估计值,估计最佳最适遗传模型的遗传参数(表5)。 结果表明:花径、梗长、株高、叶柄长度由一对主基因控制;舌花、瓣长、瓣宽和叶厚由2 对主基因控制。 瓣宽和株高的主基因遗传率h2mg(%)达到98. 48%和72. 91%,为本次试验的最大值,进而表明环境因素对其表型变异的影响程度较小。

表5 切花菊F1 代观赏性状在各最优模型下遗传参数的估计值Table 5 Estimation of genetic parameters of ornamental characters in F1 generation

除了无主基因控制(模型为0MG,此时所有遗传参数无法估计)的性状外,表5 中第一、二对主基因的加性效应均表现为正向增效;除叶厚以外的第一对主基因的显性效应均为负向效应,主基因遗传率最大的性状为瓣宽(98.48%),最小的性状为花径(38.11%)。

以瓣长为例进行分析,在瓣长性状中,da 大于db,但是绝对值相差不大,表明主基因的加性效应中,第一对主基因起较大的加性效应,ha 和hb 均为负值,表示起减效作用 ,|ha|大于|hb|,表明第一对主基因的显性效应较大。 显性度(ha/da 及hb/db)均小于1,说明控制性状的2对主基因以加性效应为主。

3 结论与讨论

3. 1 多头切花秋菊杂交F1 群体观赏性状的遗传多样性

表型性状的多样性是育种工作的基础,了解和掌握杂交群体表型性状的多样性水平和变异程度,对于新品种培育具有重要意义[12]。 本研究选择颜色差异较大的rossi 黄与红菊复色进行杂交,扩展了其杂交后代的遗传基础,各观赏性状的变异系数为18.22%～74. 65%。 根据李娟娟等对遗传判定的标准[13],本研究中各项性状遗传变异度均大于15%,达到中等水平以上,性状分离广泛,具有较大的遗传改良潜力。

3. 2 多头切花秋菊杂交F1 群体表型性状的相关性与实际应用

通过对表型性状之间的相关性研究,可在育种中合理利用不同性状间的关系,来预测相关的性状表现,有效提高育种效率,加快育种进程[14]。 本次试验表明:多头切花秋菊杂交F1群体各个数量性状之间,部分性状存在显著相关性,且全部是正向相关。 但从观赏角度而言,某些性状在一定的范围内才会受到人们的认可,例如出口切花菊标准的花梗长度在1.6 ～2.0 cm 左右,过高的长度会导致菊花品质下降,出口价格降低。 因此,在进行优良品种选育时,可优先选育花部性状,并通过环境因素、激素、化肥调控等多方面来进行茎叶性状的调节。

3. 3 多头切花秋菊杂交F1 群体观赏性状的遗传效应分析

本次试验表明:舌状花瓣数、瓣宽、梗长、株高、叶厚的主基因遗传力分别为 67. 16%、98. 48%、62. 32%、72.91%和74.85%,均大于 50%,属于高度遗传力,受环境影响较小,在早期世代即可进行选择[15]。 而剩余的观赏型数量性状则需多世代培育来进行进一步确认。

本次试验的多头切花秋菊杂交F1群体的花径、舌花、瓣长、瓣宽、梗长、株高、叶柄、叶厚这八个数量性状具有明显的主基因效应。 而其他性状仍然是由多基因控制的,这与历年研究并非完全一致。 例如:本研究得出切花菊杂交的F1群体舌状花瓣数由两对加性—显性—上位性主基因控制,且主基因遗传率大于50%,两对主基因的加性效应均为正向,这与付瀚森等研究结果一致[16]。 本研究结果表明切花菊杂交的F1群体株高表现为1 对主基因控制,而奥妮等研究得出,切花菊品种‘Q1-81’和‘蒙白’正交的F1代株高显示为无主基因控制,而反交结果显示菊花的F1代株高表现为加性—显性—上位性的两对主基因控制[1]。 笔者推测,所选杂交亲本的不同、母体遗传效应、实际田间管理不同等因素均可能会对植株的表观性状造成一定影响,今后会从多方面对切花菊杂交的观赏性状遗传进行研究。