高粱重组自交系耐盐性相关性状遗传分析

吕建澎,李金旺,段霞飞,李延玲,李欧静,裴忠有

(天津农学院 农学与资源环境学院,天津 300384)

摘要耐盐是高粱重要的农艺性状,耐盐遗传分析对于高粱育种具有重要意义。为选育耐盐高粱新品种、研究耐盐遗传规律,选用耐盐性品种三尺三和盐敏感品种Tx622B杂交得到的482个F5重组自交系群体为试验材料,采用砂培法进行栽培,对群体的发芽率、苗高、鲜质量和干质量4个性状进行苗期耐盐性的鉴定,利用单世代联合的数量性状分离分析方法来进行高粱耐盐性状的遗传分析。结果表明:耐盐性品种三尺三和盐敏感品种Tx622B亲本间的耐盐性状差异显著,F5群体材料耐盐性状发芽率、苗高、鲜质量、干质量的相对平均值均在亲本之间,杂交后代存在不同程度的耐盐性变异,符合数量性状遗传;对4个性状耐盐指数进行相关性分析表明,4个性状两两间存在极显著的正相关性;高粱分离群体的相对发芽率、相对苗高、相对鲜质量和相对干质量均呈单峰偏态分布,可进行单世代遗传分析,存在主基因效应;通过遗传模型分析发现,高粱重组自交系F5群体耐盐性对盐敏感性为显性,高粱耐盐性状遗传符合2对主基因的完全显性(B-5)遗传模型;在B-5模型中,发芽率主基因遗传率为40.94%;苗高主基因遗传率为31.22%;鲜质量主基因遗传率为39.19%;干质量主基因遗传率为63.98%。发芽率、苗高、鲜质量和干质量作为高粱耐盐性评价的主要性状具有较高的遗传力,对于高粱耐盐品种的选择和培育具有深远的意义。

关键词高粱;耐盐;数量性状;遗传模型

据统计,中国各类盐碱地的总面积已经达到9 913.3万hm2,且有逐年增加的趋势,如何利用和改良这些盐碱化土壤,对我国农业的可持续发展及生态环境的治理具有十分重要的意义[1]。在改良和利用盐碱化土壤的诸多方法中,种植耐盐碱植物是一种十分有效的措施。

高粱(Sorghum bicolor(L.)Moench)是世界上重要的粮食、饲料和能源作物,作为C4植物具有抗旱、耐贫瘠、耐盐碱等特性。我国高粱种植面积近70万hm2,种质资源十分丰富[2]。耐盐性是一个复杂的生理生化过程,在黄瓜的耐盐性遗传研究上,黄瓜耐盐性为多基因控制的遗传模式,表现为加性-显性(A-D)遗传模型,耐盐亲本呈正加性效应[3];小白菜的耐盐性遗传为加性-显性遗传模型,主要表现为显性,控制耐盐性表现显性的基因组数较少[4];高粱耐盐性为加性-显性-上位性主基因+加性-显性-上位性多基因模型,属于数量性状,存在主基因效应且遗传率较高[5]。对高粱种质资源进行耐盐性评价,并从中选出耐盐品种,对扩大高粱的种植面积、有效利用和开发我国盐碱地资源具有十分重要的意义,同时这也是改良和利用盐碱化土壤、维持我国农业可持续发展的重要策略。有研究表明,高粱苗期的耐盐性与成株期的耐盐性一致[6],故对其苗期进行耐盐性鉴定,用于高粱材料耐盐性的初步评价,可实现在较短时间内鉴定大量的品种。

本课题针对2个耐盐性差异较大的亲本,对两亲本以及二者杂交后的482份F5重组自交系群体的高粱苗期进行耐盐鉴定,采用单世代联合分析方法[7],对高粱耐盐性状进行遗传分析,以期为高粱耐盐性育种、高粱的分子标记奠定基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

该试验在天津农学院作物遗传育种实验室进行,试验材料为:三尺三(耐盐材料)、Tx622B(盐敏感材料)以及三尺三×Tx622B杂交后的482份F5重组自交系群体,均由本实验室提供。试验时间为2016年3-12月。

1. 2 试验方法

在前期研究基础上,本试验以1 g/L NaCl +0 g/L Na2CO3为对照组,记为①,以9 g/L NaCl + 1 g/L Na2CO3为处理组,其中处理组设置2个重复,分别记为②和③。

1.2.1 Hoagland营养液配制 大量元素:均配制成1 mol/L的母液(KNO3、KH2PO4、Ca(NO3)2、MgSO4·7H2O);微量元素:分别称取NaMoO4 0.025 g,H3BO3 2.86 g,ZnSO4·7H2O 0.222 g,MnSO4·4H2O2 11 g,CuSO4·5H2O 0.079 g,共同溶于蒸馏水中,加水定容至1 000 mL;乙二胺四乙酸铁钠盐(EDTA-Fe)的配制:溶解2.68 g乙二胺四乙酸二钠Na2C10Hl4O3N2在1 000 mL蒸馏水中并加热,趁热加入1.980 gFeSO4·7H2O,并搅拌均匀;完全培养液配制:取约800 mL蒸馏水,按表1分别加贮备液(mL)配成完全营养液,并用0.1 mol/L HCl或0.1 mol/L NaOH调pH值为5.6~6.0后,定容到1 L。

表1 1 L完全营养液的配比表
Tab.1 1 L the proportion of complete nutrient solution

注:以上为南开大学植物生理学实验所用的配方。其中EDTA-Fe易出现沉淀,一定要进行加热。

Note:The above formula was from the plant physiology experiment of Nankai University. EDTA-Fe is prone to precipitate and must be heated.

1.2.2 试验步骤 将筛过的河砂用清水洗净,用烘箱烘干,烘箱温度为50 ℃,时间为2 d;将发芽盒进行消毒,每盒取河砂500 g,均匀喷洒Hoagland营养液100 mL,随后封口使溶液均匀扩散(室温20 ℃左右,大约时间为2 h);将上述操作后的发芽盒放入烘箱烘干,烘箱温度为50 ℃,大约时间为16 h,烘干后将砂盒摇匀;将上述摇匀的砂盒均匀喷洒100 mL盐溶液,随后封口使溶液充分渗透(室温下20 ℃左右,2 h),等待播种;进行播种,播种深度为1 cm,每盒40穴,每穴1粒,共播40粒;在温室中进行培养,温室温度设置为白天25 ℃,夜间20 ℃左右,湿度设置为70%,白天光照12 h,暗处理12 h,每日称质量后浇水,用自来水补足重量(总质量665 g);第8天开始记录种子发芽数,依据中华人民共和国国家标准-GB/T3543.4-1995 农作物种子检验规程发芽试验,以胚根大于种子长,胚芽大于二分之一种子长为标准 ;第15天,每盒取长势中间的5株进行测量,测量其苗高、鲜质量和干质量,其中干质量测量是将所取的测完苗高和鲜质量的5株幼苗放在铝盒中,在80 ℃烘箱中烘至恒质量,称得其干质量。

1.3 数据统计分析及遗传分析

本试验采用相对苗高、相对干质量、相对鲜质量、相对发芽率来计算高粱苗期的耐盐强度[8]。公式如下:相对值=2次重复处理平均值/对照。

采用SPSS统计软件对测定的高粱幼苗各项性状数据进行分析,并根据单世代联合的数量性状分离分析方法来分析处理数据。

2 结果与分析

2.1 高粱苗期耐盐性状分析

2.1.1 高粱重组自交系F5部分群体盐胁迫下的生长情况 本试验以耐盐亲本三尺三、盐敏感亲本Tx622B及F5群体部分材料来进行耐盐筛选(图1)。从图1中可以看出,耐盐材料三尺三经过盐溶液处理后发芽及长势虽比对照差,但整体生长比盐敏感材料Tx622B经过盐溶液处理后发芽及长势好;而它们的后代高粱重组自交系F5群体经过盐处理后发芽及长势介于亲本三尺三和Tx622B之间;同时也有部分材料经过盐处理后表现不如亲本或出现超亲类型。

图1 亲本及高粱重组自交系F5部分群体的生长情况
Fig.1 Growth status of parent and sorghum recombinant F5 generation group

2.1.2 高粱亲本及重组自交系F5群体材料耐盐性状分析 通过对高粱亲本及重组自交系F5群体进行数据统计(表2)。可以发现盐处理下的父本耐盐材料三尺三(P1)相对发芽率、相对苗高、相对苗鲜质量、相对苗干质量在性状表现上均明显高于母本盐敏感材料Tx622B(P2),各指标之间差距均在20%以上,说明两亲本之间差异较大;而后代相关性状平均值介于2个亲本之间,与亲本间也存在不同程度的变化,说明杂交后代存在不同程度的耐盐性变异。

2.1.3 高粱重组自交系F5群体耐盐性状的相关性分析 对高粱重组自交系F5群体进行相关分析,从表3可以发现,高粱重组自交系F5群体的发芽率、苗高、鲜质量、干质量4个性状之间均存在极显著的正相关关系,其中鲜质量和苗高、鲜质量和干质量的相关系数分别达到了0.889和0.897。综上所述,4个性状的综合评价可以基本说明材料的耐盐性特征以及性状间存在极显著的正相关作用。

表2 高粱亲本及重组自交系F5群体材料各耐盐性状平均值
Tab.2 The average value of salt tolerance traits of sorghum parents and recombinant inbred F5 group materials

表3 高粱重组自交系F5群体耐盐性的相关性分析
Tab.3 Correlation analysis of salinity tolerance of the F5 generation of sorghum recombinant inbred lines

注:**表示0.01水平上显著相关。

Note:** indicates a significant correlation at 0.01 level.

2.1.4 高粱重组自交系F5群体各性状的频率分布图 本试验为了了解各耐盐性状遗传规律,对高粱重组自交系F5群体4个性状进行频率分布作图,结果见图2。从图2可以看出,高粱重组自交系F5群体4个性状的频率分布基本呈现为正态分布,说明该高粱群体的耐盐性状基本属于数量性状。

图2 高粱重组自交系F5群体的耐盐性性状频率分布统计
Fig.2 Distribution statistics of salt tolerance of the F5 generation group of sorghum recombination

2.2 高粱耐盐性相关性状模型的选择与检验

高粱耐盐性相关性状遗传分析运用极大似然值、AIC值等数据,根据均匀性检验(U12、U22、U32)、Smirnov检验(nW2)和Kolmogorov检验(Dn)对备选的遗传模型进行适合性检验,将统计量个数达到显著水平最少的模型确定为最优模型。然后对所选定遗传模型中的平均值、方差、分布权重的遗传参数进行估计。数据分析采用南京农业大学章元明教授的单世代分离分析模型软件。

2.2.1 不同遗传模型下的极大似然函数值和AIC值 以单世代群体的耐盐性相关性状测量值为数据基础,应用单世代分离分析软件计算11个遗传模型的极大似然函数值和AIC值(表4)。选取最小AIC值的遗传模型作为待选的最适模型。

由表4可以看出,高粱重组自交系F5群体单个分离世代群体4个性状的平均值在不同遗传模型下的AIC值较小的4个遗传模型是A-1、B-1、B-5和B-6模型。

表4 单个分离世代在不同遗传模型下的极大似然函数值和AIC值
Tab.4 Maximum likelihood function values and AIC values of a single isolated generation under different genetic models

2.2.2 发芽率、苗高、鲜质量、干质量的适合性检验结果 从中选出各性状极大似然值、AIC值达到显著差异数量最少的模型即可作为最优模型。对这些模型进行适应性检验(表5-8)。发芽率性状数据(表5)中A-1、B-6模型均有统计量达到显著,而B-1和B-5均无统计量达到显著水平,因此,根据AIC值较小的确定B-5是最适合发芽率的遗传模型。在苗高性状数据中(表6),除B-1遗传模型外其他模型均有检验统计量达到显著水平,因此,B-1是最适合苗高的遗传模型。若显著性差异数量相同,则AIC值最小的为最优模型。在鲜质量和干质量性状数据中(表7,8),所有模型均无统计量达到显著水平,因此根据AIC值较小的确定B-5是最适合鲜质量和干质量的遗传模型。4个性状间具有极显著的相关性,所得结论应该相同,但苗高性状与其他3个性状遗传模型结论不符,可能由于环境因素影响或试验误差导致。

表5 组合模型耐盐性状-发芽率的适合性检验
Tab.5 Suitability test of salt tolerance of combined model-germination rate

注:U12、U22、U32.均匀性检验统计量;nW2.Smimov检验统计量;Dn.Kolmogorov检验统计量。*.0.05水平上差异显著;**.0.01水平上差异显著。表6-8同。

Note:U12,U22 and U32 are uniform test statistics;nW2 is the test statistic of Smimov;Dn is Kolmogorov test statistic. * indicates significant difference
at 0.05 level;** indicates significant difference at 0.01 level. The same as Tab. 6-8.

表6 组合模型耐盐性状-苗高的适合性检验
Tab.6 The suitability test of salt-toleranttraits of the combined model

表7 组合模型耐盐性状-鲜质量的适合性检验
Tab.7 Salt tolerance of combined model-fresh weight suitability test

表8 组合模型耐盐性状-干质量的适合性检验
Tab.8 Salt tolerance properties of combined model- dry weight suitability test

2.2.3 最优遗传模型的遗传参数估计 由高粱重组自交系F5群体单个分离世代的最大似然值和AIC值确定了4个待选遗传模型,然后对4个模型进行了适应性检验。由上述对4个待定模型进行的适应性检验可知B-5为最优遗传模型。表9-12为B-5遗传模型的均值(Mean值)、方差(Sigma值)、权重的参数分布[9]。从下表中可以看出,基因成分分布比例基本为9∶3∶3∶1,与理论分布比例一致。可以确定B-5是适合高粱耐盐性状遗传的遗传模式。在B-5模型中,两主基因的显性效应与其加性效应相等,因此被称作完全显性主基因模型。

在B-5模型中,两主基因的显性效应与其加性效应相等,即ha=da和hb=db,为完全显性主基因模型。表13是高粱耐盐性状遗传B-5模型的一阶遗传参数和二阶遗传参数。可以看出控制高粱耐盐性状,发芽率性状遗传的2对主基因(ha、hb)显性效应在B-5模型中分别为0.246 2和0.415 6;苗高性状遗传的2对主基因(ha、hb)显性效应在B-5模型中分别为10.175 0和28.539 6;鲜质量性状遗传的2对主基因(ha、hb)显性效应在B-5模型中分别为0.103 6和0.261 7;干质量性状遗传的2对主基因(ha、hb)显性效应在B-5模型中分别为0.003 8和0.003 8,均表现为正向效应。ha和hb存在时具有使耐盐性发芽率偏向耐盐父本的作用,2对主基因呈完全显性。在B-5模型中,发芽率主基因遗传率(h2)在高粱重组自交系F5世代中为40.94%;苗高主基因遗传率(h2)在高粱重组自交系F5世代中为31.22%;鲜质量主基因遗传率(h2)在高粱重组自交系F5世代中为39.19%;干质量主基因遗传率(h2)在高粱重组自交系F5世代中为63.98%。

表9 发芽率B-5遗传模型的参数分布
Tab.9 Parameter distribution of germination rate b-5 genetic model

注:成分分布1.AABB、AABb、AaBB、AaBb;成分分布2.aaBB、aaBb;成分分布3.AAbb、Aabb;成分分布4.aabb。
Note:Component distribution 1.AABB,AABb,AaBB,AaBb;Component distribution 2.aaBB,aaBb;Component distribution 3.AAbb,Aabb;Component distribution 4.aabb.

表10 苗高B-5遗传模型的参数分布
Tab.10 Parameters distribution of seedling height B-5 genetic model

表11 鲜质量B-5遗传模型的参数分布
Tab.11 Parameter distribution of fresh weight B-5geneticmodel

表12 干质量B-5遗传模型的参数分布
Tab.12 Parameters distribution of dry weight B-5genetic model

表13 单世代联合分析性状的遗传参数估计
Tab.13 Genetic parameter estimation of single generation joint analysis traits

注:m.耐盐碱性状指标的相对平均值;ha.第1主基因显性效应;hb.第2主基因的显性效应;σp2.表型方差;σmg2.主基因方差;h2.基因遗传率。
Note:m.Relative average value of saline-alkali resistance indexes;ha.Primary gene dominance effect;hb.The dominant effect of the main gene;σp2.phenotypic variance;σmg2.Main gene variance;h2.Genetic rate.

3 讨论与结论

本试验采用人工温室砂培方法对高粱重组自交系F5群体材料进行苗期耐盐筛选,主要目的是将自然环境的不确定因素尽量控制在可控的范围内,减少环境对基因表达的互作影响。盐碱地土壤中主要含有的是Na+、K+、Mg2+3种阳离子和CO32-、HCO3-、Cl-、SO42-4种阴离子的复合盐碱地,盐分比较复杂。在盐碱化合物中,NaCl是主要的中性盐,而Na2CO3是重要的碱性盐[10],因此,本试验盐处理中加入了Na2CO3。本研究中设置对照组盐浓度为1 g/L NaCl是由于环境中任何土壤中均有一定的NaCl存在。此2种方式均是为了更好模拟田间环境,与盐碱地的实际情况更为接近所设置[11]

高粱为中度耐盐碱植物,不同高粱品种对盐胁迫的响应及其有效评价指标也是有待探讨的问题[12]。对于农作物各个生育阶段的耐盐性评价有多种方法,其中,萌发期耐盐性鉴定可在较短时间内对大量的品种进行鉴定[13],具有可操作性强、周期短、效率高等特点,可用于大批量高粱品种的耐盐性初步评价。由于供试材料的不同,植物耐盐性的选择也不尽相同[14]。张国伟等[15]、戴海芳等[16]研究认为,地上部干质量、株高、根系干质量等指标可作为棉花苗期耐盐的鉴定指标;根长、叶质量可作为高梁萌发期耐盐的鉴定指标[17]。田伯红等[18]在高粱和粟类等作物上已得到证实,萌发期的耐盐性与植株生长后期的耐盐性是一致的。从筛选结果来看,不同高粱品种的耐盐性存在显著差别,试验结果也可以对高粱萌发期的耐盐性做出有效评价。

本试验采用了单世代联合分析方法对高粱耐盐性状进行遗传分析。最终得出高粱重组自交系F5群体耐盐性状遗传符合2对主基因完全显性基因遗传模型。确定发芽率、苗高、鲜质量和干质量4个性状均属于数量性状结果与唐朝臣等[19]、韩芸等[20]结果一致,其中关于此四性状均受2对主基因影响的结果与韩芸等[20]结果一致。但耐盐性状的主基因表现方式与遗传率并不完全相同[21]。造成这个结果可能是由于所用的材料世代与遗传背景不同[22-23]。高粱不同品种间的基因不尽相同,对于高粱耐盐性的遗传分析还有待进一步研究。这些研究将为下一步开展耐盐性基因的QTL定位提供参考。

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Genetic Analysis of Salt Tolerance Related Traits in Sorghum Recombinant Inbred Lines

LÜ Jianpeng,LI Jinwang,DUAN Xiafei,LI Yanling,LI Oujing,PEI Zhongyou

(College of Agronomy&Resources and Environment,Tianjin Agricultural University,Tianjin 300384,China)

AbstractSalt tolerance is an important agronomic trait of sorghum. Salt tolerance genetic analysis is important for sorghum breeding. In order to select new varieties of salt-tolerant sorghum and study the genetic rules of salt tolerance,482 F5 recombinant inbred lines were obtained from the salt-tolerant cultivar Sanchisan and salt-sensitive cultivars Tx622B,and the germination rate,seedling height,fresh weight and dry weight were used to identify salt tolerance at seedling stage. Genetic analysis was carried out by single-generation combined quantitative trait analysis. The results showed that the sal-tolerance traits of the Sanchisan and salt-sensitive cultivars Tx622B were significantly different. The relative mean values of germination rate,seedling height,fresh weight and dry weight of the F5 generation group were all different among parents,and the tolerance to salt tolerance was different in different degree. The germination rate,seedling height,fresh weight and dry weight were analyzed. There were significant positive correlations between the two traits. The relative germination rate,relative seedling height,relative fresh weight and relative(B-5)genetic model of two pairs of major genes were found by genetic model analysis. Through genetic model analysis,it was found that salt tolerance of F5 population of recombinant inbred lines of sorghum was dominant to salt,and inheritance of salt-tolerance trait of sorghum was in line with complete dominant(B-5)genetic model of two major genes. The heritability of the major gene of germination rate was 40.94%. The heritability of major gene of seedling height was 31.22%. The heritability of major gene of fresh weight was 39.19%. The heritability of main gene of dry weight was 63.98%.The germination rate,seedling height,fresh weight and dry weight have high heritability as the main characters of salt tolerance evaluation,and have far-reaching significance for the selection and cultivation of sorghum salt-tolerant varieties.

Key words:Sorghum;Salt tolerance;Quantitative trait;Genetic model

中图分类号S514.03

文献标识码:A

文章编号:1000-7091(2018)04-0112-08

doi:10.7668/hbnxb.2018.04.016

收稿日期2017-10-26

基金项目天津市科委科技支持计划项目(16YFZCNC00630);农业部公益性行业(农业)科研专项经费项目(201503134);中青年骨干创新人才培养计划项目(RC12-106)

作者简介吕建澎(1994-),男,河北承德人,在读硕士,主要从事高粱遗传育种研究。

通讯作者裴忠有(1967-),男,辽宁大连人,教授,博士,主要从事高粱遗传育种研究。