芥菜型油菜每角籽粒數QTL的上位性互作和環境互作分析

梁 能,姚艷梅*

(1 青海大學 農林科學院,西寧 810016;2 青藏高原種質資源研究與利用實驗室,青海省春油菜工程技術研究中心,春油菜遺傳改良重點實驗室,農業農村部春油菜科學觀測實驗站,西寧 810016)

芥菜型油菜(BrassicajunceaL.,AABB,2n=36)是重要的異源四倍體油料作物和蔬菜,起源于白菜(B.rapaL.,AA,2n=20)與黑芥(B.nigraL.,BB,2n=16)種間雜交后的染色體自然加倍。相比于甘藍型油菜,芥菜型油菜具有更優良的特性,例如更優越的抗旱、抗病和抗裂角等性質[1-2],在印度及中國西部地區廣泛種植。油菜產量是一個同時受到外界環境和內在遺傳因素共同作用的農藝性狀[3]。每角籽粒數(seed number per silique,SS)、單株角果數(silique number per plant,SP)和粒重(seed weight,SW)是影響其產量的3個關鍵角果相關性狀因素[4]。這些角果相關性狀大多是由數量性狀位點(quantitative trait locus,QTL)控制,而不同性狀之間相互關聯[4-5],使得挖掘調控這些性狀的相關基因十分困難。然而,對芥菜型油菜每角籽粒數的相關研究報道較少。解析芥菜型油菜每角籽粒數相關遺傳位點對提高芥菜型油菜產量,培育高產優質芥菜型油菜新品種具有重要作用。近年來,數量性狀的QTL 定位通過構建高密度遺傳連鎖圖譜得到了快速發展[6]。前人在每角籽粒數相關性狀的遺傳模式及QTL 定位方面已做了一些研究工作,主要集中在甘藍型油菜上。危文亮[7]通過試驗研究出一些有關甘藍型油菜角果長、千粒重和每角粒數的遺傳模式,結果表明,甘藍型油菜每角粒數性狀不存在母體效應,而只受核基因控制。酈美娟和顧菊生[8]通過Gamble加性-顯性-上位性遺傳模型,發現油菜的每角粒數是受以加性效應為主的遺傳因子控制。張立武[9]利用聯合分離分析研究了甘藍型油菜每角籽粒數的遺傳模式,結果顯示每角籽粒數受到2個主效基因和一系列微效基因的控制。張書芬等[10]在研究中通過對構建的群體單株產量及其構成因素進行QTL 定位分析,檢測到6個有關每角籽粒數的QTL。Radoev等[11]在研究中發現每角粒數受到3個QTL 控制。Shi等[12]在其構建的DH群體和F2群體的13個連鎖群上共檢測到35個有關每角粒數的QTL,解釋3.2%～15.5%的表型方差。Zhang等[13]對油菜DH 系的角果性狀進行QTL檢測后,共檢測到7個每角粒數的QTL,解釋6.04%～15.21%的表型方差。王峰等[14]在構建的后代群體中進行QTL 定位,共檢測到5個每角粒數的QTL,解釋8.41%～24.37%的表型方差。Cai等[15]在染色體A6和A7上共觀察到2個有關每角粒數的峰值,解釋4.8%～5.2%的表型方差。梅德圣等[16]通過DH 群體作出高密度遺傳圖譜后發現23個每角粒數QTL,解釋表型變異5.07%～34.51%。Qi等[17]對構建的DH 系群體進行QTL分析,在A1、A7、A8、A9、C3、C6這6個連鎖群上定位到了6個每角粒數QTL?？梢娒拷橇迪嚓P的QTL在染色體上分布十分廣泛,是個非常復雜的性狀。

研究以每角籽粒數存在顯著差異的芥菜型油菜品系X396 和X568 為親本構建的重組自交系(RIL)群體為材料,在5個環境條件下,對芥菜型油菜每角籽粒數性狀進行QTL 效應及遺傳互作分析,揭示芥菜型油菜每角籽粒數的遺傳效應,獲得每角籽粒數QTL 效應,不僅為揭示芥菜型油菜及蕓薹屬作物每角籽粒數形成的分子機理奠定基礎,而且通過分子標記輔助育種可以選擇加性效應強的材料作為親本,進行聚合育種,進而改良芥菜型油菜每角籽粒數性狀,提高芥菜型油菜產量,為芥菜型油菜育種工作奠定一定的基礎。

1 材料和方法

1.1 供試材料

研究以由221 個株系組成的重組自交系群體(RIL)為材料,該RIL 群體是課題組前期通過以每角籽粒數少的芥菜型油菜品系X568為母本,每角籽粒數多的芥菜型油菜品系X396 為父本進行雜交,利用單粒傳法構建所得。其中,每角籽粒數少的芥菜型油菜品系X568及每角籽粒數多的芥菜型油菜品系X396均已自交7代以上,且每角籽粒數性狀可以穩定遺傳。以上材料均由青海省農林科學院春油菜研究所提供。

1.2 方 法

1.2.1 田間種植

將每角籽粒數少的芥菜型油菜品系X568、每角籽粒數多的芥菜型油菜品系X396、F1及RIL群體,分別種植在2019年互助(2019HZ)、2019年孫家寨(2019SJZ)、2020 年互助(2020HZ)、2020 年西寧(2020XN)和2021年西寧(2021XN)等5個環境條件下種植。隨機區組設計,3 個重復,每個小區3行,行距為30 cm,株距15 cm,每行間苗后保留12株單株,周圍種植3行保護行,消除邊際效應。田間管理按常規生產方式進行。

1.2.2 每角籽粒數考種方法

待成熟期在每小區拔取10株正常天然植株,自然風干后每單株隨機取主花序的10 個角果,考取10個角果的籽粒數,再計算其平均值,作為該植株的每角籽粒數。

1.2.3 數據統計分析

利用SPSS 19.0軟件對每角籽粒數性狀表現進行差異顯著性檢驗及相關性分析。把不同年份作為環境因子處理,根據兩環境的表型數據,用QTL Network 2.0[18]軟件中的混合線性模型復合區間作圖法(MCIM),選取臨界閾值P=0.05,檢測每個環境下的QTL、加性效應、加性×加性上位互作效應及環境互作效應。當QTL 效應P≤0.05時,認為QTL存在;如果臨近位點間圖距小于5 cM,就初步認定是同一個QTL。參照Mccouch 等[19]命名QTL。

2 結果與分析

2.1 每角籽粒數的表型及相關性分析

對芥菜型油菜品系X568、每角籽粒數多的芥菜型油菜品系X396、F1及RIL 群體在5個不同環境中的每角籽粒數性狀表現進行描述性統計和相關性分析。結果(表1、圖1)表明,每角籽粒數性狀在2個親本間的表現均達到極顯著差異;其F1每角籽粒數表現在5個環境中均超過雙親的平均值,表明每角籽粒數性狀為部分顯性。RIL群體的偏度和峰度值均接近0,表明每角籽粒性狀值符合正態分布(表1)。這些結果表明,芥菜型油菜每角籽粒性狀是典型的數量性狀,受多基因控制。

圖1 芥菜型油菜親本系X568和X396的籽粒數表現Fig.1 Seed number of B.juncea lines X568 and X396

表1 雙親、F1 及RIL群體在5個環境下的每角籽粒數性狀表現Table 1 Seed numbers per silique of parent,F1 and RIL populations in five environments

每角籽粒數的廣義遺傳率為80.98%,狹義遺傳率為30.98%,表明芥菜型油菜的每角籽粒數性狀受一定環境影響,但該性狀受加性效應遺傳基因控制的影響也比較大。另外,每角籽粒數性狀受到基因與環境互作影響的遺傳率為19.02%,小于其狹義遺傳率(30.98%),表明芥菜型油菜的每角籽粒數性狀受一定環境影響,但受控制此性狀的加性效應基因的影響也比較大。另外,每角籽粒數上位性效應的遺傳率為10.79%,加性與加性效應互作的遺傳率為41.77%,加性效應與環境互作的遺傳率為0,上位性效應與環境互作的遺傳率為0.33%,加性效應與環境互作以及加性效應之間互作與環境互作的遺傳率為0.33%(表2)。綜上所述,芥菜型油菜每角籽粒數性狀受一定環境影響,但控制該性狀的加性效應不受環境影響,但受加性與加性互作效應的影響。

表2 每角果粒數性狀QTL方差分析Table2 QTL variance analysis of seed umbers per silique

在5個不同環境中,RIL 群體的每角籽粒數表現變異范圍分別為7.57～20.57粒(2019HZ),7.39～21.71粒(2019SJZ),7.03～20.94粒(2020HZ),7.83～20.92粒(2020XN)和5.40～23.87粒(2021XN),因而每角籽粒數表現極大值和極小值差異顯著,且其變異系數介于13.85%～18.13%之間,表型方差為937.50(表1),表明每角籽粒性狀在RIL 群體的不同材料間差異較大,因而可以對芥菜型油菜每角籽粒性狀進行QTL定位。

2.2 每角籽粒數加性QTL及環境互作分析

本課題組前期通過簡化基因組測序對RIL 群體進行分析,并構建了芥菜型油菜的高密度遺傳連鎖圖譜,獲得RIL 群體的基因型[20]。本研究用QTL Network2.0軟件,結合RIL 群體的每角籽粒數性狀,對5 個不同環境中的表型和基因型進行QTL效應及其與環境互作分析,結果共獲得7個加性QTL(表3、圖2、圖3),主要分布在芥菜型油菜A02、A03、A05、A08、B02 和B03 等染色體上。其中2個QTLqSS3-6和qSS8-32的加性效應為正值,推測這2 個位點的增效等位基因來自母本X568,另外5個QTLqSS2-71、qSS2-99、qSS5-43、qSS12-25和qSS13-87的加性效應為負值,推測這5個QTL 位點增效等位基因來自父本X396。另外,在檢測到的7個加性QTL 中,其加性效應和遺傳率均存在差異,其中qSS2-71的加性效應和遺傳率均最大,分別達到11.642 4和14.44%,其余的6個加性QTL 的加性效應和遺傳率均較小,后面可以考慮對QTLqSS2-71進行精細定位。

圖2 每角籽粒數主效QTL的分析Fig.2 Analysis of main effect QTL of seed numbers per silique

圖3 每角籽粒數性狀QTL的上位效應圖左側字母及數字指的是染色體號;紅點為加性效應的QTL,黑點表示沒有加性效應的QTL;紅線表示QTL之間存在上位效應;QTL位點下的數字為標記在遺傳圖譜上的位置(cM)。Fig.3 Epistasis effect of QTLs for seed numbers per siliqueLetters and digits refer to the code of chromosomes on the left.The red dots refer to QTLs with additive effects,and the black dotsi ndicate QTLs without additive effects.The red lines indicate epistatic effects between QTLs.The numbers below the QTL are the positions of the markers on the genetic map (cM).

表3 每角籽粒數性狀的QTL及其遺傳力Table 3 QTL for seed numbers per silique and its heritability

7個QTL位點均在多環境聯合QTL分析中均被檢測到(表4),但不同QTL與環境互作的遺傳力不同,其中qSS5-43與環境互作的遺傳力最大,達到了(-23.25%)～29.55%;而qSS3-6與環境互作的遺傳力最小,為(-0.02%)～0.02%。另外,7個芥菜型油菜每角籽粒數QTL 中,有6個QTL 的加性效應遺傳率均大于互作遺傳率,表明芥菜型油菜每角籽粒數QTL 受環境影響較小;但是,有1個QTLqSS5-43的加性效應遺傳率1.99%,明顯小于其與環境互作遺傳力(-23.25%)～29.55%,表明環境對該QTL位點的影響較大。根據以上數據分析可知,在不同環境下,加性QTL 與環境存在不同的互作效應。

表4 每角籽粒數的QTL與環境互作的遺傳力Table 4 QTL environment interaction and heritability of seed numbers per silique

2.3 每角籽粒數性狀上位性QTL和環境互作分析

對RIL 群體每角籽粒數在5個不同環境中的表現進行QTL 上位性效應及其與環境互作分析,結果共檢測到7對影響每角籽粒數的加性×加性上位性QTL(表5),共涉及14個標記區間,分布于8個染色體上。其中3個上位性QTL 的效應值分別為-2.844 1、-3.800 2和-4.930 8,效應值均為負值,表現出重組型大于親本型,另外4 個上位性QTL的效應值分別為3.572 9、3.949 4、2.931 5和4.193 6,效應值均為正值,表現出重組型小于親本型。另外,檢測到7對影響每角籽粒數的加性×加性上位性QTL 的遺傳力均較小,表明芥菜型油菜每角籽粒數的加性×加性上位性QTL 互作效應不明顯。另外,7對影響每角籽粒數的加性×加性上位性QTL 與不同環境互作的遺傳力均接近0(表6),表明芥菜型油菜每角籽粒數上位性QTL 受環境影響較小。

3 討論

本研究結果顯示,芥菜型油菜每角籽粒數性狀在2個親本間的表現均達到極顯著差異;其F1每角籽粒數表現在5個環境中均超過雙親的平均值,表明芥菜型油菜每角籽粒數多的性狀為部分顯性。RIL群體的偏度和峰度值均接近0,表明每角籽粒性狀值符合正態分布,因而芥菜型油菜每角籽粒性狀是典型的數量性狀,受多基因控制,這與前人研究的結果[7-8]一致。RIL是永久性分離群體,故常作為數量性狀位點(QTL)定位群體[21]。數量性狀位點定位分析在植物育種中是一個重要工具,可用于解剖復雜性狀的遺傳基礎和結構、定位影響生物體表型的基因組區域和基于圖位的基因克隆[22]。研究利用課題組前期構建的遺傳連鎖圖譜,結合多年多環境的每角籽粒數表型數據進行QTL 定位分析,共檢測到7個控制芥菜型油菜每角果粒數的加性QTL,其加性效應值分布在(-11.642 4)～4.524 6之間,其遺傳率分布于1.05%～14.44%之間,其中分布在A02染色體上的qSS2-71加性效應最大,達到-11.642 4,且qSS2-71的遺傳率也最大,達到14.44%,其余6個加性QTL 的加性效應和遺傳率均較小,可以考慮對加性QTLqSS2-71進行精細定位。前人研究也對油菜每角籽粒數性狀進行了QTL 定位分析,主要集中在甘藍型油菜中,漆麗萍[23]通過試驗研究得到甘藍型油菜每角籽粒數相關的15個QTL 中,最大貢獻率的2個QTL 分別達到26.3%和26.6%。王峰等[14]通過對甘藍型油菜產量的相關性狀進行分析,共鑒定到12個QTL位點,其中5個QTL 位點控制每角籽粒數,主要在1,5,11和16號連鎖群上,單個QTL的遺傳貢獻率在7.87%～24.37%之間。Wang等[24]通過連鎖作圖方式檢測到6個與甘藍型油菜每角粒數相關的位點,分別分布在A1、A2、A5和C6上,解釋表型變異為4.32%～11.16%;5個籽粒數位點分布在C4、C6和C9上,解釋2.87%～4.62%的表型變異。

上位性效應是指某基因的表達受到另一非等位基因的影響作用,是數量性狀遺傳基礎的重要組成部分[25-27]。前人研究表明,在利用數量性狀QTL改良作物品種時,既需注重QTL 的遺傳主效應,還需重視QTL與環境的互作效應[28],上位性效應對數量性狀亦有重要作用[28-29]。本研究共檢測到7對芥菜型油菜每角籽粒數上位性互作QTL,所涉及的14個位點均屬于背景位點間互作類型[30-31],加性×加性上位性QTL 互作效應值為(-4.930 8)～4.193 6,表明芥菜型油菜每角籽粒數性狀可能具有復雜的遺傳調控網絡。本研究對芥菜型油菜每角籽粒數性狀進行了上位性QTL 和環境互作分析,表明在不同環境下芥菜型油菜每角籽粒數加性QTL與環境存在不同的互作效應,而其加性×加性上位性QTL互作效應不明顯,且上位性QTL 受環境影響較小。因此后續芥菜型油菜育種中,既要關注每角籽粒數加性主效QTL,也要注重加性QTL 與環境的互作效應。

4 結論

(1)研究檢測到7個與芥菜型油菜每角籽粒數相關的加性QTL,其加性效應分布在(-11.642 4)～4.524 6之間,其中qSS2-71的加性效應最大,其加性效應值達到-11.642 4,且其遺傳率也最大,達到14.44%,其余6個加性QTL的加性效應和遺傳率均較小,可以考慮對QTLqSS2-71進行精細定位。

(2)檢測到7對影響每角籽粒數的加性×加性QTL上位互作效應及其與環境的互作效應,上位性QTL互作效應值分布在(-4.930 8)～4.193 6之間,7對上位性QTL與不同環境互作的遺傳力均接近0。

(3)每角籽粒數性狀的廣義遺傳率為80.98%,狹義遺傳率為30.98%。

(4)芥菜型油菜每角籽粒數受一定環境影響,但控制該性狀的加性效應受環境影響較小,且其加性×加性上位性QTL 互作效應不明顯。不同加性×加性上位性QTL 與環境互作的效應值不同,但其與環境互作的遺傳力均接近0,表明芥菜型油菜每角籽粒數上位性QTL受環境影響較小。