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2021 , Vol. 42 >Issue 2: 333 - 338

DOI: https://doi.org/10.3969/j.issn.1000-2561.2021.02.006

种质资源与遗传育种

甘蔗F1群体构建及主要农艺性状遗传变异分析

  • 徐志军 1 ,
  • 孔冉 1 ,
  • 苏俊波 1 ,
  • 周峰 2 ,
  • 张垂明 2 ,
  • 吴小丽 3 ,
  • 刘洋 , 1, *
展开
  • 1.中国热带农业科学院湛江实验站/中国热带农业科学院南亚热带作物研究所/广东省旱作节水农业工程技术研发中心,广东湛江 524091
  • 2.广州甘蔗糖业研究所海南甘蔗育种场,海南三亚 572024
  • 3.湛江市农业科学研究院,广东湛江 524094
*刘 洋,E-mail： 。

徐志军（1990—）,男,硕士,研究实习员,研究方向：作物种质资源学。

收稿日期: 2020-02-18

  要求修回日期: 2020-05-08

  网络出版日期: 2021-02-25

基金资助

国家重点研发计划项目子课题(2018YFD1000503)

中国热带农业科学院科技创新团队专项资金项目(17CXTD-07)

农业农村部科研设施专项糖能兼用甘蔗试验示范基地运行费()

版权

版权所有，未经授权，不得转载、摘编本刊文章，不得使用本刊的版式设计。
收起

Construction of Sugarcane F1 Population and Main Agronomic Traits Genetic Variation Analysis

  • XU Zhijun 1 ,
  • KONG Ran 1 ,
  • SU Junbo 1 ,
  • ZHOU Feng 2 ,
  • ZHANG Chuiming 2 ,
  • WU Xiaoli 3 ,
  • LIU Yang , 1, *
Expand
  • 1. Zhanjiang Experiment Station, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences / South Subtropical Crop Research Institute, Chinese Academy of Tropical Agricultural Sciences / Guangdong Engineering Technology Research Center for Dryland Water-saving Agriculture, Zhanjiang, Guangdong 524091, China
  • 2. Hainan Sugarcane Breeding Station, Guangzhou Sugarcane Industry Research Institute, Sanya, Hainan 572024, China
  • 3. Zhanjiang Academy of Agricultural Sciences, Zhanjiang, Guangdong 524094, China
*LIU Yang,E-mail： 。

Received date: 2020-02-18

  Request revised date: 2020-05-08

  Online published: 2021-02-25

Copyright

Copyright reserved © 2021. Office of Acta Agronomica Sinica All articles published represent the opinions of the authors, and do not reflect the official policy of the Chinese Medical Association or the Editorial Board, unless this is clearly specified.
Fold

摘要

分离群体是进行作物遗传图谱构建、性状遗传研究、性状调控关键基因挖掘和种质资源创新利用的重要基础。本研究利用‘崖城94-46’和‘新台糖22号’杂交获得了209个杂交单株,通过SSR标记鉴定真假杂种和剔除病死单株,获得了1个包含145个杂交后代的F1群体。F1群体主要农艺性状遗传变异分析表明,8个性状都存在双向超亲现象,变异系数范围为9.23%~56.78%,8个性状的频数分布均呈连续正态分布,均为由多基因控制的数量性状。相关分析和逐步回归分析表明,甘蔗丛重与株高、茎径和丛有效茎显著正相关,决定系数为0.92;丛糖含量主要由株高、茎径、锤度和丛有效茎4个因素决定,决定系数为0.94。研究结果为利用甘蔗F1群体开展遗传研究奠定基础,同时为甘蔗育种中重点选择性状确定提供参考。

关键词： 甘蔗栽培种; F1群体; 农艺性状; 遗传变异

本文引用格式

徐志军 , 孔冉 , 苏俊波 , 周峰 , 张垂明 , 吴小丽 , 刘洋 . 甘蔗F1群体构建及主要农艺性状遗传变异分析[J]. 热带作物学报, 2021 , 42(2) : 333 -338 . DOI: 10.3969/j.issn.1000-2561.2021.02.006

Abstract

Segregation population is an important basis for genetic linkage map construction, trait inheritance studying, key gene mining and germplasm resource innovated utilization. In this study, 209 seedlings derived from ‘Yacheng 94-46’ and ‘ROC 22’ were identified by SSR markers, and a F1 population were constructed containing 145 clones combined with filed evaluation. Traits genetic variation analysis of F1 population revealed that eight traits were quantitative traits controlled by multiple genes. The traits were transgressive segregation on both sides. The variation coefficients of the traits ranged from 9.23% to 56.78%, and the frequency distribution showed continuous normal distribution. Correlation analysis and stepwise regression analysis showed that sugarcane clump weight was positively correlated with plant height, stalk diameter and clump effective stalk number, with a determination coefficient of 0.92. And the content of sucrose was mainly determined by four factors including plant height, stalk diameter, brix and clump effective stalk number with a determination coefficient of 0.94. The results would lay a foundation for the genetic research on sugarcane F1 population and provide a reference for the determination of key selected traits in sugarcane breeding.

Key words： cultivated sugarcane; F1 population; agronomic traits; genetic variation

甘蔗（Saccharum spp.）是我国重要的糖料作物,在我国热带和亚热带地区广泛种植,由甘蔗制取的蔗糖是我国人民食用蔗糖的主要来源（占90%以上）。甘蔗基因组约为10 Gb,基因组极其复杂,其基因组因具有异源多倍体、非整倍体的特性,而制约着甘蔗的基因组学、遗传学和重要功能基因的挖掘。随着分子生物学、数量遗传学和基因组学的发展,利用作物分离群体和分子标记技术进行遗传图谱构建和QTL定位,已广泛地应用于花生[1]、梨[2]、割手密[3]等多种基因组复杂或群体构建难度大的植物基因组研究、遗传进化和重要性状解析,为甘蔗的遗传研究提供了借鉴和参考。在甘蔗的研究上,20世纪90年代以来,国内外科研工作者针对甘蔗分离群体创制进行了积极探索,多个F1和BC1群体先后被创制出来,如Hoarau等[4]利用R570构建的自交F1群体,刘新龙等[5]利用（Co419×Y75/1/2）×ROC25构建的BC1群体,其中F1群体被认为是遗传图谱构建质量较好、最为经济的构图群体[5,6]。利用分离群体,D’Hont等[7]、Grivet等[8]、Hoarau等[4]、刘新龙等[5]、Balsalobre等[9]分别使用RFLP、AFLP、SSR、RAF、SNP标记筛选出的单剂量标记及（或）双剂量标记构建了甘蔗栽培种SP701006、R570、Q165、Co419、SP80-3280×RB835486的分子遗传连锁图谱,其中的一些遗传图谱还用于蔗糖含量、锤度等多个性状的QTL定位,为这些性状的遗传研究奠定了基础。如Balsalobre等[9]利用SP80-3280×RB835486杂交创制的F1群体,构建了一张包含993个SNP标记,由223个连锁群组成的总长3682.04 cM的甘蔗栽培种遗传图谱,并对蔗糖含量、锤度、茎径和纤维含量4个性状进行QTL定位,共检测到7个QTL,单个QTL解释了2%~9%的表型变异。然而,用于我国甘蔗栽培种性状遗传研究的分离群体仍然较为缺乏,还有大量的农艺、产量、品质性状需要进行解析。鉴于分离群体在甘蔗遗传研究、重要性状解析和功能基因挖掘中的作用,本研究拟利用性状
差异显著的甘蔗栽培种资源杂交创制F1群体,利用分子标记对群体进行真假杂种鉴定,并对甘蔗群体的主要农艺性状进行评价,为今后利用该群体进行遗传图谱构建和重要性状QTL定位奠定基础。

1 材料与方法

1.1 材料

以含糖量、产量和抗病性具有显著差异的甘蔗品系‘崖城94-46’为母本,以品种‘新台糖22号’（ROC 22）为父本。2018年将父母本种植于海南省三亚市海南甘蔗育种场实验基地,冬季诱导开花进行杂交,收获杂交种。其中母本‘崖城94-46’具有植株直立、大茎、病虫害少等优良性状,父本‘新台糖22号’具有生长快、植株高、生势好、糖分高、高产稳产等优良特性。

1.2 方法

1.2.1 田间设计 2019年春季在广东省湛江市中国热带农业科学院湛江实验站基地中对杂交种进行催芽、育苗,其中亲本使用蔗茎育苗,于4叶期（2019年5月）一并移栽到大田种植。亲本各种植3个株行,每行10株,杂交种随机排列,每10株1个株行,行长4.0 m,株距0.4 m,行距1.5 m,于2019年12月底收获。
1.2.2 真假杂种分子标记鉴定 取亲本和杂交种各单株幼嫩叶片,采用改良CTAB法提取DNA[10],从前期利用甘蔗嵌合单倍体基因组信息设计的SSR引物中随机挑选20对[11],PCR体系和扩增条件参照徐志军等[10]的方法,以亲本DNA为模板,筛选差异引物。选取其中的3对差异引物（表1）按照如下原则对群体进行扩增：（1）群体DNA使用1对引物扩增结果中,含有父本带型的为真杂种;（2）不含父本带型的,使用下1对引物进行检测,按照（1）对扩增结果进行分析;（3）3对引物检测结果均为母本带型或无带的,在本研究中判定为假杂种。
表1 差异扩增SSR标记信息

Tab. 1 Differential amplification SSR marker information

序号No. 引物名称Marker name 上游引物Forward primer (5°-3°) 下游引物Reverse primer (5°-3°)
1 sh020061 TCTCCATGATAAACCGTATGTGA TGGCCGGTTTTACAAAGTTC
2 sh060101 ACTTCGTTTCCTGTTGTGGC CCGTTGTTGTTGCTGTTGTT
3 sh090229 AGAAGCCCATCTCCAGGAAG TAGTCGGCGAGGTACAGAGG
1.2.3 主要农艺性状鉴定 于收获前一周在田间调查真杂种的存活情况,剔除病死和不能进行扩繁的杂交后代,对可以扩繁的后代按照《甘蔗种质资源描述规范和数据标准》[12]在田间调查亲本和群体的丛有效茎数（N）、株高（H）、茎径（D）、锤度（B）,并按照如下公式估算群体的单茎重（SW）、丛重（CW）、蔗糖分（SC）和丛糖含量（CSC）：
SW=1/4πD2×H/1000
CW=SW×N
SC=B×1.0825-7.703
CSC=CW×SC

1.3 数据处理

使用Excel和Origin 8.0软件对亲本和群体主要农艺性状数据进行统计分析和绘图。

2 结果分析

2.1 F1群体鉴定

对‘崖城94-46’和‘新台糖22号’杂交获得的杂交种进行催芽、育苗获得209个杂交单株。以亲本为模板,对20对SSR引物进行扩增,共筛选到3对差异引物。使用引物sh020061、sh060101、sh090229对群体进行扩增,如图1所示,使用引物sh020061进行扩增,杂交单株检测到父本带型的为真杂种,只含母本带型或无带的结合其他2对引物进行判定,共鉴定出171个真杂种单株。田间调查发现,真杂种中有26个杂交单株在田间发生病害死亡,获得了1个包含145个杂交后代的栽培种甘蔗F1群体。
图1 引物sh020061对杂交后代扩增结果（部分）

M：Marker,P1：崖城94-46,P2：新台糖22号,39~74：鉴定的杂交后代。

Fig. 1 Amplification results of hybrid with primer sh020061 (part)

M: Marker, P1: Yacheng 94-46, P2: ROC 22, 39-74: Identified seedlings.

2.2 亲本和F1群体表型变异

亲本和F1群体表型数据分析表明（表2）：亲本‘崖城94-46’和‘新台糖22号’在亲本在茎径和单茎重2个性状上差异不显著,在株高、锤度、丛有效茎、蔗糖分、丛重和丛含糖量6个性状上存在显著差异,其中亲本在锤度和蔗糖分2个性状上差异最大。F1群体在株高、茎径和丛有效茎均值均小于低值亲本,锤度均值介于双亲之间。F1群体在株高、茎径、锤度、丛有效茎、蔗糖分、单茎重、丛重、丛含糖量8个性状上分布都存在双向超亲现象,其中分别有13、6、59、12、61、7、2、8个杂交后代超过高值亲本。8个性状的变异系数分别为10.51%、12.53%、9.23%、54.06%、13.89%、28.79%、54.34%和56.78%,其中丛有效茎、丛重和丛含糖量的离散程度最大。
表2 亲本及F1群体8个性状表型变异

Tab. 2 Phenotypic variation of 8 traits in parents and F1 population

性状Traits 亲本Parents F1群体F1 population
崖城94-46
Yacheng 94-46		 新台糖22号
ROC 22		 平均值±标准差
Mean ± SD		 范围Range Skewness 峰度Kurtosis 变异系数CV/%
株高/m 2.50 2.70 2.41±0.25 1.75~3.00 -0.04 0.22 10.51
茎径/cm 2.95 2.82 2.39±0.30 1.57~3.51 0.51 1.00 12.53
锤度/% 17.60 21.80 21.2±1.95 15.00~25.05 -0.52 0.22 9.23
丛有效茎/条 5.00 4.00 3.08±1.66 1.00~10.00 1.13 1.93 54.06
蔗糖分/% 11.35 15.90 15.24±2.11 8.53~19.41 -0.52 0.22 13.89
单茎重/kg 1.71 1.69 1.11±0.31 0.37~2.23 0.63 0.61 28.79
丛重/kg 8.54 6.75 3.30±1.79 0.37~10.25 1.09 1.60 54.34
丛含糖量/kg 0.97 1.07 0.52±0.29 0.08~1.55 1.15 1.66 56.78

2.3 F1群体数据分布分析

对F1群体8个性状的数据进行箱线图分析表明：群体在8个性状的数值集中分布于上四分位数和下四分位数之间（图2）。偏度分析表明：株高、锤度和蔗糖分3个性状数据分布左偏,其余性状数据分布右偏（表2）。峰度分析表明,8个性状数据分布均为尖峰分布（表2）。8个性状的频数分布均呈连续分布（图2）,符合正态分布曲线,表明这8个性状都是由多基因控制的数量性状,可用于性状的QTL定位。对于亲本差异不显著的茎径和单茎重,F1群体中分别有92.41%和94.48%的家系在性状上的表现都弱于低值亲本。
图2 甘蔗F1群体性状数据分布和频数分布

Fig. 2 Data and frequency distribution of sugarcane F1 population traits

2.4 8个性状的相关性分析

对F1群体的8个性状进行相关分析表明（表3）：呈显著正相关的性状有株高与茎径、株高与丛重、茎径与丛含糖量、丛有效茎与蔗糖分、蔗糖分与丛重、单茎重与丛重;呈极显著正相关的性状有株高与单茎重、茎径与单茎重、茎径与丛重、锤度与丛有效茎、锤度与蔗糖分、锤度与丛含糖量、丛有效茎与丛重和从含糖量、蔗糖分与从含糖量、丛重与丛含糖量;呈显著负相关的性状有株高与丛有效茎、丛有效茎与单茎重;呈极显著负相关的性状有株高与蔗糖分、株高与锤度。在这8个性状中,锤度和蔗糖分、丛重和丛含糖量、茎径和单茎重、丛有效茎和丛含糖量、丛有效茎和丛重相关系数值较高,分别为1.00、0.97、0.94、0.87、0.86。
表3 F1群体8个性状相关性分析

Tab. 3 Correlation analysis of 8 traits in F1 population

相关系数
Correlation coefficient		 株高
Plant height		 茎径
Stalk diameter		 锤度
Brix		 丛有效茎
Clump effective stal number		 蔗糖分
Sucrose content		 单茎重
Stalk weight		 丛重
Clump weight
茎径 0.21*
锤度 -0.22** -0.09
丛有效茎 -0.17* -0.15 0.26**
蔗糖分 -0.22** -0.09 1.00** 0.26*
单茎重 0.51** 0.94** -0.15 -0.20* -0.15
丛重 0.11* 0.27** 0.16 0.86** 0.16* 0.25*
丛含糖量 0.03 0.18* 0.37** 0.87** 0.37** 0.16 0.97**

注：*表示显著相关（P<0.05）,**表示极显著相关（P<0.01）。

Note: * indicates a significant correlation (P<0.05), ** indicates a very significant correlation (P<0.01).

2.5 丛产量和从含糖量逐步回归分析

分别以丛重（y1）和丛糖含量（y2）为因变量,以株高（x1）、茎径（x2）、锤度（x3）、丛有效茎（x4）、蔗糖分（x5）、单茎重（x6）为自变量进行多元逐步线性回归分析,得到回归方程y1= 1.36x1+2.19x2+1.02x4-8.35和y2=0.21x1+0.35x2+ 0.03x3+0.16x4-2.00,方程的决定系数分别为R12= 0.92和R22=0.94。分析表明,甘蔗丛重主要由株高、茎径和丛有效茎3个因素决定,丛糖含量主要由株高、茎径、锤度和丛有效茎4个因素决定。

3 讨论

利用性状差异亲本构建分离群体是进行作物性状遗传研究、性状调控关键基因挖掘和种质资源创新利用的重要基础,与水稻、小麦、玉米等禾本科作物相比,甘蔗分离群体构建难度较大[5],利用群体开展遗传研究也相对落后。前人已经利用不同类型的甘蔗资源在甘蔗群体构建方面进行了积极探索,如陆鑫等[13]利用热带种Saccharum officinarum与滇蔗茅（Erianthus rockii）云南95-19属间远缘杂交构建了包含62个无性系F1群体;刘新龙等[14]用甘蔗品种Co419与野生种割手密（Saccharum spontaneum）Y75/1/2远缘杂交构建了包含269个家系的F1群体,这些群体的创制明确了不同类型资源杂交后的性状分离特征。本研究利用甘蔗育种上2个重要的亲本资源‘崖城94-46’和‘新台糖22号’杂交构建了1个包含了145个杂交后代的甘蔗栽培种F1群体,对利用同一类型资源杂交后的性状分离进行了分析,表明株高、茎径、锤度、丛有效茎、蔗糖分等性状都是由多基因控制的数量性状,与前人利用不同类型资源研究的结果相一致[9, 13-17]。
本研究使用的杂交亲本在茎径和单茎重2个性状差异不明显,而F1群体中茎径和单茎重分离范围分别为1.57~3.51 cm、0.37~2.23 kg,在单个性状上出现显著超越亲本的杂交后代（分别为6个和7个）,表明在育种过程中,使用综合性状的相近材料杂交也有可能创制出优异的育种中间材料。而在其余6个亲本间差异较大的性状上,除丛重仅有2个家系超过大值亲本,其余5个性状超亲后代数目要显著大于茎径和单茎重,这表明利用性状差异较大的亲本进行杂交组合配置获得优异杂交后代的可能性更高。对F1群体8个性状的回归分析表明,在高产高糖甘蔗品种选育方面,株高、茎径、锤度和丛有效茎是需要进行重点选择的关键性状,已有研究表明,在甘蔗新品种选育过程中还应加强出苗发株势强、生势强甘蔗材料的选育[18]。王勤南等[15]对6个甘蔗自交F1群体研究表明,株高与锤度呈正相关;赵俊[18]利用113个国外甘蔗种质研究发现,株高与蔗糖分和锤度呈不显著负相关,但蔗糖分和锤度与蔗产量呈极显著负相关;而本研究利用‘崖城94-46’和‘新台糖22号’杂交发现,株高与蔗糖分和锤度呈极显著负相关,表明甘蔗性状的遗传还较为复杂,但在育种中需要协调蔗产量和糖分、锤度,从而获得理想的糖产量。
获得足够多的分子标记对F1群体进行基因分型,是利用F1群体进行遗传研究的基础。甘蔗栽培种基因组极其复杂,异源多倍体、非整倍体、种间杂交结构制约着基因组的解析和分子标记的开发[3,19]。运用最新测序和组装技术,割手密最小单倍体AP85-441（1n=4x=32,3.5 Gb）[3],甘蔗栽培种R570嵌合单倍体高质量序列（330 Mb）[19]先后发布,为利用F1群体进行遗传图谱构建和QTL定位提供了大量分子标记资源。此外,Zhang等[20]对LA Purple（Saccharum officinarum）与Molokai 5829（Saccharum robustum）及其杂交构建的F1群体进行RNA-seq测序,对亲本开发了20 842个SNP和11 158个SNP,构建了总长分别为7096.5 cM和6742.0 cM LA Purple和Molokai 5829的高密度遗传图谱,表明利用转录技术进行高通量分子标记的开发在甘蔗F1群体的利用方面具有巨大的潜力。因此,在今后的研究中,充分利用现有的基因组信息,结合多种标记开发技术,有助于加速甘蔗栽培种基于分离群体的遗传研究。

参考文献

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