节瓜种子大小的主基因+多基因遗传分析

高 银，彭家柱，汪国平，乔燕春

（1.华南农业大学园艺学院，广东 广州 510642；2.广州市农业科学研究院，广东 广州 510308）

【研究意义】种子大小与质量是重要的农艺性状，种子大小对出苗和幼苗生长均有一定的影响，同时决定了作物的产量［1］。一般来说，较大的种子生长出来的种苗比小种子生长出来的种苗更大［2-3］。在相同的生长环境中，大种和小种都能保证出苗率不受影响或影响较小，但对种苗后期的发育影响较大，尤其是在不利的环境中，大种子的优势更为明显，其相较于小种子来说生长更旺盛、产量更高，而小种子则能有效地分散和定植［4］。因此，探究种子性状对作物改良种质、提高产量以及解决生物能源问题具有重要作用。【前人研究进展】目前已在很多作物上开展了种子大小的遗传研究，王敏等［5］对黄瓜6 个世代进行遗传分析，得到黄瓜种子宽度和长度的遗传均符合加性-显性-上位性多基因遗传模型，且以多基因加性效应为主；张可鑫等［6］得到甜瓜种子长度、宽度和百粒质量的遗传分别符合2 对加性-显性-上位性主基因遗传模型以及1 对加性-显性主基因遗传模型；王毅等［7］通过对冬瓜4 个世代遗传分析，得出冬瓜种子长度的遗传符合2 对完全显性主基因+加性-显性主基因遗传模型（E5），种子宽度的遗传符合2 对加性-显性主基因+加性-显性多基因模型（E2）；刘文睿等［8］通过对冬瓜6 个世代种子千粒质量进行遗传分析，得出冬瓜千粒质量的遗传符合1 对加性主基因+加性-显性多基因遗传模型；周延峰等［9］研究发现，西瓜种子长度的遗传符合 D-3 模型（1 对完全显性主基因+加性-显性多基因遗传模型），种子宽度和百粒质量的遗传则均符合D-2 模型（1对加性主基因+加性-显性多基因模型）；赵天波等［10］发现西葫芦种子长度和宽度的遗传分别符合 B-1 模型（2 对加性-显性-上位性主基因遗传模型）和 E-1 模型（2 对加性-显性-上位性主基因+加性-显性多基因混合遗传模型）；邹一超等［11］研究发现，苦瓜种子长度的遗传符合加性 -显性-上位性多基因遗传模型（C-0 模型），种子宽度的遗传符合 D-0 模型。节瓜〔Benincasa hispida(Thunb.) Cogn.var.chiehquaHow〕又名毛瓜，是葫芦科冬瓜属的一个变种，为藤蔓生草本植物，是广东省主要蔬菜作物，其产品除供应本地市场外还销往港澳地区，种植效益显著。【本研究切入点】相对于拟南芥、水稻等植物种子大小的研究，瓜类种子大小的研究仍处于初级阶段，节瓜作为我国华南地域性作物，关于种子大小的遗传研究还未见报道。【拟解决的关键问题】本研究以种子大小差异显著的节瓜高世代自交系为亲本，构建P1、P2、F1和F24 个世代群体，并采用主基因+多基因混合模型对种子的长度、宽度和30 粒种子质量进行遗传分析，揭示种子大小的遗传规律，以期为节瓜种子大小的基因定位、选育新品种并获得更大经济效益提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试节瓜多世代稳定自交系材料均由广州市农业科学研究院提供。以大粒种子节瓜自交系J16 为母本（P1）、小粒种子节瓜自交系18FJ5 为父本（P2），通过杂交获得 F1（图1），再将 F1自交获得 F2群体。J16（P1）种子长度、宽度以及30 粒种子质量分别为11.44（±0.27）mm、5.97（±0.14）mm、1.34（±0.1）g；18FJ5（P2）种子长度、宽度以及30 粒种子质量分别为6.5（±0.24）mm、3.43（±0.15）mm、0.62（±0.07）g。

图1 节瓜亲本及F1 代种子大小比较Fig.1 Comparison of seed size between Chieh-qua parents and F1 generation

1.2 性状测定

2021 年7 月，同时将4 个世代的种子进行浸泡、催芽以及育苗，并定植于广州市农业科学研究院南沙试验基地。行距为0.8 m，株距为0.3 m，人工授粉前及授粉后对雌花和雄花进行隔离，避免其他物种干扰，且每株只留2 个瓜，待节瓜表面布满白粉或毛绒褪掉时进行采摘取种。取母本20 株、父本20 株、F1代30 株、F2代 236 株，每株采收的种子混合在一起并取10 粒颗粒饱满的种子，利用游标卡尺分别对种子长度和宽度进行测量，随后再称量30 粒饱满种子总质量（万分之一天平），用于种子大小和质量的遗传分析。

1.3 数据分析

利用Excel、SPSS 软件对节瓜种子大小进行统计。利用遗传模型分析软件包对种子长度、宽度以及质量进行遗传模型分析，得出极大似然函数值（Max-likelihood-values，MLV）和AIC 值（Akaike’s information criterion）。根据AIC 准则，选择3 个AIC 值最小的模型作为候选模型并进行适合性检验。最后，通过软件包计算出最优遗传模型的一、二阶遗传参数，并对主基因、多基因等遗传效应值进行分析。

2 结果与分析

2.1 节瓜4 个世代群体种子大小表型分析

对节瓜3 个世代种子长度、宽度以及30 粒种子质量进行统计分析，结果（表1）表明，F1代种子长度、宽度以及质量整体偏向于大粒亲本P1。在F2代群体中，种子长度、宽度以及质量3个性状出现分离，并均呈双峰分布（图2），表明三者均符合数量性状特征。

表1 节瓜3 个世代种子长度、宽度和30 粒种子质量均值Table1 Mean value of seed length,width and mass of 30 seeds in three generations of Chieh-qua

图2 节瓜种子长度、宽度和30 粒种子质量在 F2 群体中的频率分布Fig.2 Frequency distribution of seed length,width and mass of 30 seeds in F2 population of Chieh-qua

2.2 节瓜种子大小遗传模型分析

由表2 可知，节瓜种子长度的3 个最小 AIC值分别为850.3420、853.7899 和856.4725，其对应的遗传模型分别是 MX2-ADI-AD、MX1-AD-ADI 和MX2-ADI-ADI，以这 3 组模型作为候选模型；种子宽度的3 个最小AIC 值分别为394.2935、395.1636 和396.9915，对应的3 个候选模型为MX1-AD-ADI、MX2-ADI-AD 和MX2-A-AD；30 粒种子质量的最小AIC 值分别为89.4152、95.8995 和90.9508，对应候选模型为 MX1-AD-ADI、MX2-ADI-ADI 和 MX2-ADI-AD。

表2 节瓜种子大小遗传模型极大似然函数值和AIC 值Table 2 Maximum likelihood values (MLV) and akaike information criterion (AIC) of genetic models of Chieh-qua seed size

2.3 节瓜种子大小候选遗传模型的适合性检验

通过对节瓜以上3 个性状的候选遗传模型进行适合性检验，选择 AIC 值最小或相对较小且统计为差异不显著的模型作为最优模型（表3）。种子长度的3 个候选遗传模型均在3 个世代中达到显著，根据AIC 准则，同样条件下MX2-ADIAD 模型的AIC 值最小。因此，节瓜种子长度的最优遗传模型为MX2-ADI-AD，即2 对加性-显性-上位性主基因+加性-显性多基因遗传模型。在种子宽度3 个候选遗传模型中，MX2-ADI-AD模型的AIC 值最小，且在各世代中均没有达到显著，因此节瓜种子宽度最优遗传模型为MX2-ADI-AD，即2 对加性-显性-上位性主基因+加性-显性多基因遗传模型。30 粒种子质量的候选遗传模型在各世代中均未达到显著，AIC 值最小的MX1-AD-ADI 模型则为最优遗传模型，即1对加性-显性主基因+加性-显性-上位性多基因遗传模型。

表3 节瓜种子大小候选遗传模型的适合性检验Table 3 Test of candidate model suitability of Chieh-qua seed size

2.4 节瓜种子大小最适遗传模型的遗传参数估计

2.4.1 种子长度 由表4 可知，在一阶遗传参数中，第1 对主基因的加性效应值（da）为2.0211，第2 对主基因的加性效应值（db）为0.3035，2对主基因的加性效应值绝对值之和（da+db）为2.3246。2 对主基因的显性效应值（ha和hb）分别为1.0577 和-0.3169，显性效应值绝对值之和（ha+hb）为1.3746，表明主基因的加性效应在控制节瓜该性状中起主导作用。且第1 对主基因的加性效应大于第2 对主基因的加性效应（da＞db），说明主基因以第1 对的正向加性效应为主；0.1469 和1.6188 分别为多基因的加性效应值[d]和显性效应值[h]，显性度大于1，说明起主导作用的是多基因的显性效应[h]。在主要互作效应中，加性×加性（i）、显性×显性（l）互作为正向，加性×显性（jab）和显性×加性（jba）互作均为负向。在二阶遗传参数中可以看出，控制节瓜种子长度的主基因遗传率（）为87.07%，而多基因遗传率（）为0，表明主基因对节瓜种子长度遗传的作用较大。

表4 节瓜种子大小最适遗传模型的遗传参数估计Table 4 Genetic parameter estimates of optimal genetic models of Chieh-qua seed size

2.4.2 种子宽度 由节瓜种子宽度的一阶遗传参数可知，在控制该性状中起主导作用的是主基因的加性效应，且主基因以第1 对的正向加性效应为主；加性效应值[d]和显性效应值[h]分别为-0.7634 和1.5147，说明多基因的显性效应[h]起主导作用；节瓜种子宽度的主要互作效应情况与种子长度的遗传效应一致。在二级遗传参数中可以得到，控制节瓜种子宽度的主基因遗传率（）为90.79%，多基因遗传率（）为0，说明主基因对节瓜种子宽度遗传的作用较大。

2.4.3 种子质量 在30 粒种子质量中，控制种子长度的主基因遗传率（h2mg）为79.96%，多基因遗传率（h2Pg）为8.73%，同样说明了主基因在此性状中作用较大。

3 讨论

种子是高等植物最主要的繁殖器官，是植物生命周期的起点和终点，种子对植物的生长发育至关重要，同时也是影响产量的重要因素。质量性状可以通过孟德尔遗传定律进行分析，主基因+多基因混合遗传模型分析方法解决了孟德尔遗传定律不能揭示的数量性状遗传规律，是数量性状遗传分析的经典方法［12］，广泛应用于大豆［13］、水稻［14-16］、小麦［17-18］、玉米［19-20］、茄子［21-23］、花生［24-25］、烟草［26-27］、番茄［28］、辣椒［29-30］、瓠瓜［31］、丝瓜［32］等作物性状育种中，为遗传改良提供了重要信息。节瓜种子大小和质量的遗传分析鲜有报道，本研究对不同世代的节瓜种子长度、宽度及30 粒种子质量进行测定，得出F1代的种子表型均接近大种亲本P1，在F2代群体中呈双峰分布。主基因+多基因遗传分析结果表明，节瓜种子长度和宽度的最适遗传模型均为MX2-ADI-AD，即2 对加性-显性-上位性主基因+加性-显性多基因遗传模型，主基因遗传率分别为87.07%和90.79%、多基因遗传率均为0，其中节瓜种子宽度遗传模型与西葫芦种子宽度遗传模型一致［10］，30 粒种子质量的最适遗传模型为MX1-AD-ADI，即1 对加性-显性主基因+加性-显性-上位性多基因遗传模型，主基因和多基因遗传率分别为79.96%和8.73%。通过遗传参数估计，可以发现主基因在这3 个性状中作用较大，这与王敏等［5］研究结果一致。但除了主效基因，我们推测可能还存在其他微效基因对种子长度、宽度及质量起修饰作用。节瓜与冬瓜具有较近的亲缘关系，遗传背景非常窄［33］，但本研究与王毅等［7］“冬瓜长度遗传符合2 对完全显性主基因+加性-显性多基因遗传模型（E-5），宽度遗传符合2 对加性-显性主基因+加性-显性多基因模型（E-2），千粒质量遗传符合1 对加性主基因+加性-显性多基因遗传模型”的研究结果不一致。此外，节瓜种子长度、宽度以及30 粒种子质量均呈双峰分布，表现为数量性状特征，与多数种子大小遗传研究的结果一致，但也有部分学者认为种子大小为质量性状，这可能是由于材料、种植方式或测量方法不同导致。今后仍需对不同遗传背景下节瓜种子大小的遗传模型进行分析。

4 结论

本研究以大粒种子节瓜自交系 J16（P1）和小粒种子节瓜自交系 18FJ5（P2）为亲本进行杂交，结果发现F1群体的种子长度、宽度以及30粒质量均接近大粒亲本J16（P1），F2代出现分离，节瓜种子长度、宽度以及质量均呈双峰分布，表现为数量性状特征。对这些性状进行主基因+多基因遗传分析得出各性状最适遗传模型及遗传参数，发现主基因在种子长度、宽度以及质量3个性状中作用较大，其遗传率分别为87.07%、90.79%和79.96%；种子长度、宽度以加性效应为主，最佳遗传模型均为MX2-ADI-AD（2 对加性-显性-上位性主基因+加性-显性多基因），30 粒种子质量的最佳遗传模型为MX1-AD-ADI（1对加性-显性主基因+加性-显性-上位性多基因）。综上，可重视利用主基因，采用组合育种的途径对节瓜进行改良。