芥菜型油菜每角籽粒数QTL的上位性互作和环境互作分析

梁 能,姚艳梅*

(1 青海大学 农林科学院,西宁 810016;2 青藏高原种质资源研究与利用实验室,青海省春油菜工程技术研究中心,春油菜遗传改良重点实验室,农业农村部春油菜科学观测实验站,西宁 810016)

芥菜型油菜(BrassicajunceaL.,AABB,2n=36)是重要的异源四倍体油料作物和蔬菜,起源于白菜(B.rapaL.,AA,2n=20)与黑芥(B.nigraL.,BB,2n=16)种间杂交后的染色体自然加倍。相比于甘蓝型油菜,芥菜型油菜具有更优良的特性,例如更优越的抗旱、抗病和抗裂角等性质[1-2],在印度及中国西部地区广泛种植。油菜产量是一个同时受到外界环境和内在遗传因素共同作用的农艺性状[3]。每角籽粒数(seed number per silique,SS)、单株角果数(silique number per plant,SP)和粒重(seed weight,SW)是影响其产量的3个关键角果相关性状因素[4]。这些角果相关性状大多是由数量性状位点(quantitative trait locus,QTL)控制,而不同性状之间相互关联[4-5],使得挖掘调控这些性状的相关基因十分困难。然而,对芥菜型油菜每角籽粒数的相关研究报道较少。解析芥菜型油菜每角籽粒数相关遗传位点对提高芥菜型油菜产量,培育高产优质芥菜型油菜新品种具有重要作用。近年来,数量性状的QTL 定位通过构建高密度遗传连锁图谱得到了快速发展[6]。前人在每角籽粒数相关性状的遗传模式及QTL 定位方面已做了一些研究工作,主要集中在甘蓝型油菜上。危文亮[7]通过试验研究出一些有关甘蓝型油菜角果长、千粒重和每角粒数的遗传模式,结果表明,甘蓝型油菜每角粒数性状不存在母体效应,而只受核基因控制。郦美娟和顾菊生[8]通过Gamble加性-显性-上位性遗传模型,发现油菜的每角粒数是受以加性效应为主的遗传因子控制。张立武[9]利用联合分离分析研究了甘蓝型油菜每角籽粒数的遗传模式,结果显示每角籽粒数受到2个主效基因和一系列微效基因的控制。张书芬等[10]在研究中通过对构建的群体单株产量及其构成因素进行QTL 定位分析,检测到6个有关每角籽粒数的QTL。Radoev等[11]在研究中发现每角粒数受到3个QTL 控制。Shi等[12]在其构建的DH群体和F2群体的13个连锁群上共检测到35个有关每角粒数的QTL,解释3.2%～15.5%的表型方差。Zhang等[13]对油菜DH 系的角果性状进行QTL检测后,共检测到7个每角粒数的QTL,解释6.04%～15.21%的表型方差。王峰等[14]在构建的后代群体中进行QTL 定位,共检测到5个每角粒数的QTL,解释8.41%～24.37%的表型方差。Cai等[15]在染色体A6和A7上共观察到2个有关每角粒数的峰值,解释4.8%～5.2%的表型方差。梅德圣等[16]通过DH 群体作出高密度遗传图谱后发现23个每角粒数QTL,解释表型变异5.07%～34.51%。Qi等[17]对构建的DH 系群体进行QTL分析,在A1、A7、A8、A9、C3、C6这6个连锁群上定位到了6个每角粒数QTL。可见每角粒数相关的QTL在染色体上分布十分广泛,是个非常复杂的性状。

研究以每角籽粒数存在显著差异的芥菜型油菜品系X396 和X568 为亲本构建的重组自交系(RIL)群体为材料,在5个环境条件下,对芥菜型油菜每角籽粒数性状进行QTL 效应及遗传互作分析,揭示芥菜型油菜每角籽粒数的遗传效应,获得每角籽粒数QTL 效应,不仅为揭示芥菜型油菜及芸薹属作物每角籽粒数形成的分子机理奠定基础,而且通过分子标记辅助育种可以选择加性效应强的材料作为亲本,进行聚合育种,进而改良芥菜型油菜每角籽粒数性状,提高芥菜型油菜产量,为芥菜型油菜育种工作奠定一定的基础。

1 材料和方法

1.1 供试材料

研究以由221 个株系组成的重组自交系群体(RIL)为材料,该RIL 群体是课题组前期通过以每角籽粒数少的芥菜型油菜品系X568为母本,每角籽粒数多的芥菜型油菜品系X396 为父本进行杂交,利用单粒传法构建所得。其中,每角籽粒数少的芥菜型油菜品系X568及每角籽粒数多的芥菜型油菜品系X396均已自交7代以上,且每角籽粒数性状可以稳定遗传。以上材料均由青海省农林科学院春油菜研究所提供。

1.2 方 法

1.2.1 田间种植

将每角籽粒数少的芥菜型油菜品系X568、每角籽粒数多的芥菜型油菜品系X396、F1及RIL群体,分别种植在2019年互助(2019HZ)、2019年孙家寨(2019SJZ)、2020 年互助(2020HZ)、2020 年西宁(2020XN)和2021年西宁(2021XN)等5个环境条件下种植。随机区组设计,3 个重复,每个小区3行,行距为30 cm,株距15 cm,每行间苗后保留12株单株,周围种植3行保护行,消除边际效应。田间管理按常规生产方式进行。

1.2.2 每角籽粒数考种方法

待成熟期在每小区拔取10株正常天然植株,自然风干后每单株随机取主花序的10 个角果,考取10个角果的籽粒数,再计算其平均值,作为该植株的每角籽粒数。

1.2.3 数据统计分析

利用SPSS 19.0软件对每角籽粒数性状表现进行差异显著性检验及相关性分析。把不同年份作为环境因子处理,根据两环境的表型数据,用QTL Network 2.0[18]软件中的混合线性模型复合区间作图法(MCIM),选取临界阈值P=0.05,检测每个环境下的QTL、加性效应、加性×加性上位互作效应及环境互作效应。当QTL 效应P≤0.05时,认为QTL存在;如果临近位点间图距小于5 cM,就初步认定是同一个QTL。参照Mccouch 等[19]命名QTL。

2 结果与分析

2.1 每角籽粒数的表型及相关性分析

对芥菜型油菜品系X568、每角籽粒数多的芥菜型油菜品系X396、F1及RIL 群体在5个不同环境中的每角籽粒数性状表现进行描述性统计和相关性分析。结果(表1、图1)表明,每角籽粒数性状在2个亲本间的表现均达到极显著差异;其F1每角籽粒数表现在5个环境中均超过双亲的平均值,表明每角籽粒数性状为部分显性。RIL群体的偏度和峰度值均接近0,表明每角籽粒性状值符合正态分布(表1)。这些结果表明,芥菜型油菜每角籽粒性状是典型的数量性状,受多基因控制。

图1 芥菜型油菜亲本系X568和X396的籽粒数表现Fig.1 Seed number of B.juncea lines X568 and X396

表1 双亲、F1 及RIL群体在5个环境下的每角籽粒数性状表现Table 1 Seed numbers per silique of parent,F1 and RIL populations in five environments

每角籽粒数的广义遗传率为80.98%,狭义遗传率为30.98%,表明芥菜型油菜的每角籽粒数性状受一定环境影响,但该性状受加性效应遗传基因控制的影响也比较大。另外,每角籽粒数性状受到基因与环境互作影响的遗传率为19.02%,小于其狭义遗传率(30.98%),表明芥菜型油菜的每角籽粒数性状受一定环境影响,但受控制此性状的加性效应基因的影响也比较大。另外,每角籽粒数上位性效应的遗传率为10.79%,加性与加性效应互作的遗传率为41.77%,加性效应与环境互作的遗传率为0,上位性效应与环境互作的遗传率为0.33%,加性效应与环境互作以及加性效应之间互作与环境互作的遗传率为0.33%(表2)。综上所述,芥菜型油菜每角籽粒数性状受一定环境影响,但控制该性状的加性效应不受环境影响,但受加性与加性互作效应的影响。

表2 每角果粒数性状QTL方差分析Table2 QTL variance analysis of seed umbers per silique

在5个不同环境中,RIL 群体的每角籽粒数表现变异范围分别为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),因而每角籽粒数表现极大值和极小值差异显著,且其变异系数介于13.85%～18.13%之间,表型方差为937.50(表1),表明每角籽粒性状在RIL 群体的不同材料间差异较大,因而可以对芥菜型油菜每角籽粒性状进行QTL定位。

2.2 每角籽粒数加性QTL及环境互作分析

本课题组前期通过简化基因组测序对RIL 群体进行分析,并构建了芥菜型油菜的高密度遗传连锁图谱,获得RIL 群体的基因型[20]。本研究用QTL Network2.0软件,结合RIL 群体的每角籽粒数性状,对5 个不同环境中的表型和基因型进行QTL效应及其与环境互作分析,结果共获得7个加性QTL(表3、图2、图3),主要分布在芥菜型油菜A02、A03、A05、A08、B02 和B03 等染色体上。其中2个QTLqSS3-6和qSS8-32的加性效应为正值,推测这2 个位点的增效等位基因来自母本X568,另外5个QTLqSS2-71、qSS2-99、qSS5-43、qSS12-25和qSS13-87的加性效应为负值,推测这5个QTL 位点增效等位基因来自父本X396。另外,在检测到的7个加性QTL 中,其加性效应和遗传率均存在差异,其中qSS2-71的加性效应和遗传率均最大,分别达到11.642 4和14.44%,其余的6个加性QTL 的加性效应和遗传率均较小,后面可以考虑对QTLqSS2-71进行精细定位。

图2 每角籽粒数主效QTL的分析Fig.2 Analysis of main effect QTL of seed numbers per silique

图3 每角籽粒数性状QTL的上位效应图左侧字母及数字指的是染色体号;红点为加性效应的QTL,黑点表示没有加性效应的QTL;红线表示QTL之间存在上位效应;QTL位点下的数字为标记在遗传图谱上的位置(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 每角籽粒数性状的QTL及其遗传力Table 3 QTL for seed numbers per silique and its heritability

7个QTL位点均在多环境联合QTL分析中均被检测到(表4),但不同QTL与环境互作的遗传力不同,其中qSS5-43与环境互作的遗传力最大,达到了(-23.25%)～29.55%;而qSS3-6与环境互作的遗传力最小,为(-0.02%)～0.02%。另外,7个芥菜型油菜每角籽粒数QTL 中,有6个QTL 的加性效应遗传率均大于互作遗传率,表明芥菜型油菜每角籽粒数QTL 受环境影响较小;但是,有1个QTLqSS5-43的加性效应遗传率1.99%,明显小于其与环境互作遗传力(-23.25%)～29.55%,表明环境对该QTL位点的影响较大。根据以上数据分析可知,在不同环境下,加性QTL 与环境存在不同的互作效应。

表4 每角籽粒数的QTL与环境互作的遗传力Table 4 QTL environment interaction and heritability of seed numbers per silique

2.3 每角籽粒数性状上位性QTL和环境互作分析

对RIL 群体每角籽粒数在5个不同环境中的表现进行QTL 上位性效应及其与环境互作分析,结果共检测到7对影响每角籽粒数的加性×加性上位性QTL(表5),共涉及14个标记区间,分布于8个染色体上。其中3个上位性QTL 的效应值分别为-2.844 1、-3.800 2和-4.930 8,效应值均为负值,表现出重组型大于亲本型,另外4 个上位性QTL的效应值分别为3.572 9、3.949 4、2.931 5和4.193 6,效应值均为正值,表现出重组型小于亲本型。另外,检测到7对影响每角籽粒数的加性×加性上位性QTL 的遗传力均较小,表明芥菜型油菜每角籽粒数的加性×加性上位性QTL 互作效应不明显。另外,7对影响每角籽粒数的加性×加性上位性QTL 与不同环境互作的遗传力均接近0(表6),表明芥菜型油菜每角籽粒数上位性QTL 受环境影响较小。

3 讨论

本研究结果显示,芥菜型油菜每角籽粒数性状在2个亲本间的表现均达到极显著差异;其F1每角籽粒数表现在5个环境中均超过双亲的平均值,表明芥菜型油菜每角籽粒数多的性状为部分显性。RIL群体的偏度和峰度值均接近0,表明每角籽粒性状值符合正态分布,因而芥菜型油菜每角籽粒性状是典型的数量性状,受多基因控制,这与前人研究的结果[7-8]一致。RIL是永久性分离群体,故常作为数量性状位点(QTL)定位群体[21]。数量性状位点定位分析在植物育种中是一个重要工具,可用于解剖复杂性状的遗传基础和结构、定位影响生物体表型的基因组区域和基于图位的基因克隆[22]。研究利用课题组前期构建的遗传连锁图谱,结合多年多环境的每角籽粒数表型数据进行QTL 定位分析,共检测到7个控制芥菜型油菜每角果粒数的加性QTL,其加性效应值分布在(-11.642 4)～4.524 6之间,其遗传率分布于1.05%～14.44%之间,其中分布在A02染色体上的qSS2-71加性效应最大,达到-11.642 4,且qSS2-71的遗传率也最大,达到14.44%,其余6个加性QTL 的加性效应和遗传率均较小,可以考虑对加性QTLqSS2-71进行精细定位。前人研究也对油菜每角籽粒数性状进行了QTL 定位分析,主要集中在甘蓝型油菜中,漆丽萍[23]通过试验研究得到甘蓝型油菜每角籽粒数相关的15个QTL 中,最大贡献率的2个QTL 分别达到26.3%和26.6%。王峰等[14]通过对甘蓝型油菜产量的相关性状进行分析,共鉴定到12个QTL位点,其中5个QTL 位点控制每角籽粒数,主要在1,5,11和16号连锁群上,单个QTL的遗传贡献率在7.87%～24.37%之间。Wang等[24]通过连锁作图方式检测到6个与甘蓝型油菜每角粒数相关的位点,分别分布在A1、A2、A5和C6上,解释表型变异为4.32%～11.16%;5个籽粒数位点分布在C4、C6和C9上,解释2.87%～4.62%的表型变异。

上位性效应是指某基因的表达受到另一非等位基因的影响作用,是数量性状遗传基础的重要组成部分[25-27]。前人研究表明,在利用数量性状QTL改良作物品种时,既需注重QTL 的遗传主效应,还需重视QTL与环境的互作效应[28],上位性效应对数量性状亦有重要作用[28-29]。本研究共检测到7对芥菜型油菜每角籽粒数上位性互作QTL,所涉及的14个位点均属于背景位点间互作类型[30-31],加性×加性上位性QTL 互作效应值为(-4.930 8)～4.193 6,表明芥菜型油菜每角籽粒数性状可能具有复杂的遗传调控网络。本研究对芥菜型油菜每角籽粒数性状进行了上位性QTL 和环境互作分析,表明在不同环境下芥菜型油菜每角籽粒数加性QTL与环境存在不同的互作效应,而其加性×加性上位性QTL互作效应不明显,且上位性QTL 受环境影响较小。因此后续芥菜型油菜育种中,既要关注每角籽粒数加性主效QTL,也要注重加性QTL 与环境的互作效应。

4 结论

(1)研究检测到7个与芥菜型油菜每角籽粒数相关的加性QTL,其加性效应分布在(-11.642 4)～4.524 6之间,其中qSS2-71的加性效应最大,其加性效应值达到-11.642 4,且其遗传率也最大,达到14.44%,其余6个加性QTL的加性效应和遗传率均较小,可以考虑对QTLqSS2-71进行精细定位。

(2)检测到7对影响每角籽粒数的加性×加性QTL上位互作效应及其与环境的互作效应,上位性QTL互作效应值分布在(-4.930 8)～4.193 6之间,7对上位性QTL与不同环境互作的遗传力均接近0。

(3)每角籽粒数性状的广义遗传率为80.98%,狭义遗传率为30.98%。

(4)芥菜型油菜每角籽粒数受一定环境影响,但控制该性状的加性效应受环境影响较小,且其加性×加性上位性QTL 互作效应不明显。不同加性×加性上位性QTL 与环境互作的效应值不同,但其与环境互作的遗传力均接近0,表明芥菜型油菜每角籽粒数上位性QTL受环境影响较小。