F型小麦雄性不育系育性的遗传分析

秦梦颖，苑少华，冯树英，段文静，白建芳，王 娜，赵昌平，章文杰，张风廷，张立平

(1.北京市农林科学院杂交小麦工程技术研究中心/杂交小麦分子遗传北京市重点实验室，北京 100097；2.北京农学院植物科学技术学院，北京 102206；3.山西运城市蓝红杂交小麦研究中心，山西运城 044000)

利用杂种优势可提高作物的单产、抗逆性、适应性。目前，杂种优势已在水稻、玉米、油菜、高粱等多种作物中广泛应用[1]。小麦作为重要的农作物之一，对其杂种优势机制及利用的研究落后于其他农作物。自1965年从匈牙利引入了小麦细胞质雄性不育(CMS)T型材料，我国开始了小麦杂种优势利用的研究。细胞质雄性不育及育性恢复系统简称“三系法”，该体系包括不育系、保持系、恢复系，其中关于T型、K型和V型不育系的研究较为广泛。由于T型不育系的不育性及其稳定性均较好，转育出了一些农艺性状、产量性状、综合抗性均优良的T型不育系及其保持系，但该类不育系恢复源窄，且存在后代种子皱瘪、发芽率低等细胞质副效应。K型和V型大部分不育系存在育性不稳定、恢复源少、恢复性复杂、群体杂种优势不显著等问题[2-4]。F型小麦雄性不育系(FA)是近年来我国选育的新型普通小麦细胞质雄性不育系，该不育系具有保持源广、恢复源广、育性恢复度较高、其杂交组合的杂种优势较明显等优点[5]，是一种具有研究价值和利用前景的新型不育系[6]。

前人对小麦F型、K型、V型、T型等细胞质雄性不育系的育性遗传进行了大量研究。张自刚等[7]研究认为，F型不育系与K型、T型不育系的遗传基因组、遗传背景相似。卢良峰等[8]利用卡方检验，推断小麦K型细胞质雄性不育系的恢复性由3对主效恢复基因控制。刘保申等[9]分析了K型小麦雄性不育系杂交组合B2世代结实率的分布峰值，推测K型小麦雄性不育系的育性可能是由1对主效恢复基因和多个微效基因共同控制。范春燕等[10]利用数量性状主基因+多基因遗传模型分析方法，分析了K型雄性不育系K3314A的F2群体，发现结实率性状基因控制符合2对主基因+多基因模型。董普辉等[11]以郑麦9023为轮回亲本对T504A连续回交选育出不育系T9023A，与川农26配置杂交组合，对F2群体可育株和不育株的分离比例用卡方检验，发现川农26携带有T型不育系的2对主效恢复基因。除此之外，其他类型的细胞质雄性不育系的育性遗传也有一定的研究，刘小芳等[13]采用植物数量性状主基因+多基因遗传模型对AL型小麦四世代进行联合分析，发现小麦AL型不育系的育性恢复基因遗传模型为两对加性-显性-上位性主基因和加性-显性多基因共同调控。

盖钧镒[14-15]、章元明等[16]提出了植物数量性状单个世代和多个世代混合遗传模型分析方法，该方法不需要人为划分育性区段，减少了研究的主观随意性，能够较准确地检测和鉴定数量性状主基因和多基因的存在，并可对基因效应和方差等遗传参数进行估计。目前，此方法对FA遗传效应的研究未见报道。本研究以FA为母本，三个常规品种为父本，配置三个杂交组合，利用其亲本、F1、F2群体和F2:3群体的育性表型数据和主基因+多基因遗传模型方法，对FA育性遗传模式和遗传规律进行分析，为今后充分利用FA不育系进行小麦杂交育种奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验设计

以山西省运城市蓝红杂交小麦研究中心选育的不育系FA99-2 (下文简称FA)为母本，恢复系临汾3158(L3158)、冬81(D81)和HB-7为父本，配置了三个杂交组合，以FA/L3158、FA/D81、FA/HB-7的亲本、F1、F2群体和FA/HB7的 F2：3为试验材料。2014年秋季将上述三个组合的亲本、F1和F2代种植于北京海淀实验站，收取FA/HB-7的F2代种子用于次年繁衍到F2:3家系。2015年秋季，将FA/HB-7的亲本、F1和238个F2:3家系种植于北京海淀实验站和河南南阳实验站，两地各两次重复。以上各组材料和亲本采用随机区组设计，大田常规管理，于开花前单穗套袋，调查自交结实率。

1.2 育性调查

以套袋自交结实率作为主要育性指标，根据育性调查结果，采用国际法结实率和结实小穗率两种方法计算自交结实率。

国际法结实率=(结实穗粒数/小穗总数×2)×100%(下文简称结实率)

结实小穗率=(结实小穗数/小穗总数)×100%

自交结实率每行调查5株，每株调查2穗，取平均值作单株的育性。

1.3 数据分析

应用盖钧镒、章元明等[8,17-18]提出的植物数量性状“主基因十多基因混合遗传模型”分析方法，采用P1、F1、P2、F2四世代联合分析方法对三个杂交组合亲本、F1和F2群体的育性观测值进行联合分析；采用P1、F1、P2、F2：3四世代联合分析方法对FA/HB-7杂交组合在南阳、北京两地的亲本、F1和F2：3群体的育性观测值进行联合分析，配合5类24个遗传模型。将分离世代的分布看作多个主基因型在多基因和环境修饰下形成的多个正态分布的混合分布，通过极大似然法和IECM算法对混合分布中的有关成分分布参数作出估计，再通过AIC值及模型适合性检验的判别，选择最适遗传模型，采用最小二乘法估计一阶遗传参数，并由群体方差和成分分布方差估计值估计主基因和多基因的遗传效应值和方差等遗传参数[16,19-20]。

由于结实率数据是百分数，不适合直接应用于“主基因+多基因混合遗传模型”遗传分析。将群体和亲本的结实率校正到0～100%，再转换为平方根的反正弦作为育性的替代值进行遗传模型分析[12]。 遗传模型利用章元明教授最新研制的SEA.R的R软件包进行分析，软件包由华中农业大学章元明教授提供。

2 结果与分析

2.1 育性分析

亲本、F1、F2和F2:3结实率和结实小穗率的分布情况分别见图1、图2。不育系FA结实率较低，呈完全不育或部分可育。三个组合的F2群体和FA/HB-7的F2:3群体的结实率和结实小穗率呈连续分布，其中FA/冬81的F2群体和FA/HB-7 南阳 F2:3群体的结实率符合双峰右偏态分布，其他组合符合单峰右偏态分布，峰值在父本结实率均值附近(图1)。FA/HB-7组合在2016年南阳点的F1和F2：3群体的结实率和结实小穗率低于北京，而FA/HB-7组合F2群体的结实率在2016年南阳点标准差较大，群体分布更加离散。三个组合的F2群体和FA/HB-7的F2:3群体的结实小穗率分布曲线不符合正态分布，5个群体的分布曲线形态接近(图2)。推测FA育性为数量性状，三个组合的育性受主基因+微效多基因共同控制，可以进行下一步遗传模型分析。

图1 F2群体和F2:3群体的结实率分布

从表1和表2可以看出，亲本群体的结实率和结实小穗率变异幅度较小，标准差较小，同质性较好。三个组合的双亲间差异均为极显著(P<0.01，数据未显示)。因此，组配的三个杂交组合的育性研究是可靠的，适合进行遗传分析。三个组合的杂交F1平均结实率分别为111.60%、112.84%和114.93%，结实小穗率分别为79.81%、87.66%和88.46%，说明这三个父本对FA均有较强的恢复性。结实率和结实小穗率偏向父本且较整齐一致，表明父本的恢复基因对FA的育性呈显性遗传。各组合都有超越双亲的单株出现，说明控制育性的基因在小麦双亲中都有分布。

图2 F2群体和F2:3群体的结实小穗率分布

表1 亲本及后代结实率Table 1 Seed setting rate in all generations%

2.2 遗传模型选择

对SEA.R软件包中的两种分析群体G4F2(包括P1、P2、F1和F2群体)和G4F3(包括P1、P2、F1和F2:3群体)，利用植物数量性状主基因+多基因分离分析方法，对供试群体进行多世代联合表型遗传分析，获得了5类24个遗传模型的极大似然比和AIC值。根据熵最大原理，初步选取AIC值相对较小的5个模型作为育性遗传的备选模型。通过适合性检验，选择20个统计量中达到显著水平个数最少的模型作为最适遗传模型。三个杂交组合的F2群体及FA/HB-7在海淀和南阳的F2：3群体的结实率和结实小穗率最适模型均为MX2-ADI-AD(2对加性-显性-上位性主基因+加性-显性多基因混合遗传模型)。

表2 亲本及后代结实小穗率Table 2 Spikelet seed setting rate in all generation %

2.3 遗传参数的估计

根据IECM算法分别估计所有供试组合最适遗传模型的分布参数，计算得到模型的极大似然估计值及其与一阶遗传参数的关系，由最小二乘法计算得到三个组合的F2群体结实率的一阶参数m的估计值分别为0.66、0.79、0.67，三个群体结实小穗率的一阶参数m的估计值分别为1.10、1.13、1.04，估算出一阶和二阶的遗传参数(表3)。由表3、表4可以看出，FA结实率的育性遗传在主基因遗传模式上，FA/临汾3158和FA/冬81和FA/HB-7的F2群体在MX2-ADI-AD模型时，均表现正向显性效应和负向加性效应，两对主基因的加性效应值和显性效应值相差不大，主基因效应偏向正向显性效应，说明显性基因对后代育性起较大作用；两对主基因中，第一对主基因的显性效应较第二对主基因大。结实小穗率的两对主基因加性效应值相等。根据主基因显性效应与加性效应的比值，三个组合中只有FA/冬81的F2群体结实率第1对主基因|ha/da|>1,以显性效应为主，另两个组合的结实率和三个组合的结实小穗率主基因均以加性效应为主，可配置强优势杂交组合。三个群体MX2-ADI-AD模型的两对主基因间均存在互作效应，三个F2群体均存在负向加性 ×加性互作(i)、正向加性×显性互作(jab)、正向显性×加性互作(jba)和负向显性×显性互作(l)，效应值大小不同。多基因遗传上， FA/临汾3158的F2群体结实率为正向加性效应和正向显性效应，FA/冬81的F2群体结实率为负向加性效应和负向显性效应，FA/HB-7的F2群体的结实率和结实小穗率存在多基因负向加性效应和正向显性效应，FA/临汾3158和FA/冬81两个组合F2群体的结实小穗率为正向加性效应和负向显性效应。

基因遗传效应分析结果表明，FA/临汾3158的F2结实率和结实小穗率的主基因遗传率最高，分别为71.77%和66.63%，三个F2群体结实率主基因遗传率为50.58%～71.77%，多基因遗传率为0～45.58%，环境方差占总方差的3.84%～44.12%；三个F2群体结实小穗率的主基因遗传率为52.35%～66.63%，多基因遗传率为0～17.77%，环境方差占总方差的25.70%～47.65%。HB-7组合的F2：3家系2个育性统计值在北京和南阳两地的MX2-ADI-AD模型下(表4)表现均为负向加性效应和正向显性效应，显性效应值较大，且2个主基因的加性、显性效应值近似相等。在北京的结实率和结实小穗率的主基因遗传率分别为7.50%和5.45%，在南阳的分别为90.89%和77.83%，多基因遗传率均为0.00%，可见，FA南阳育性的主基因遗传率远远大于北京的主基因遗传率。

表3 各F2群体结实率和结实小穗率在最适合模型MX2-ADI-AD下的遗传参数Table 3 Genetic parameters for seed setting rate and spikelet seed setting rate of the F2 populations with the optimal model MX2-ADI-AD

3 讨 论

前人就小麦雄性不育系育性的“主基因+多基因”遗传模式进行了大量研究，主要集中在K型CMS不育系和BS型光温敏不育系等相关研究，对FA育性遗传模式研究尚未见报道。齐智等[21]通过对K型雄性不育系小麦KTP116A/R392组合的四世代联合分析发现，育性受2对加性-显性主基因+加性-显性多基因共同控制，在F2群体中，主基因的遗传率为62.44%，多基因遗传率为0.00%，环境方差占表现型方差的37.56%，说明该类型小麦雄性不育性以主基因遗传为主，同时受多基因和环境的影响。范春燕等[10]发现，K型雄性不育系小麦K3314A/160组合的 F2世代结实率符合2对加性-显性-上位性主基因+多基因模型，主基因遗传率为 95.6%，还存在多基因修饰，但多基因遗传效应较小。控制K3314不育性的基因主要为主基因遗传，但2 对主基因的遗传效应不等。钱焕焕等[22]对K型小麦温敏不育系A116/WM5-5组合进行育性分析，A116的雄性育性受2对加性-显性-上位性主基因+加性-显性-上位性多基因共同控制，且2对主基因控制育性的作用相当，B1、B2、F2群体的主基因遗传率分别为64.91%，96.86%和87.32%，在B2群体中主基因的遗传率最高，B1群体多基因遗传率最高。张立平等[12]应用混合遗传模型分析小麦光温敏雄性不育系BS210的两个杂交组合，其育性均为“2对加性-显性-上位性主基因+加性-显性多基因混合”遗传模式，两个组合的遗传力为41.67%～53.33%，不同组合的主基因与多基因的遗传率差异明显，环境对育性的影响较大。徐达文等[23]对小麦光温敏不育系BS366两个组合的育性进行遗传分析，发现其育性也为“2对加性-显性-上位性主基因+加性-显性多基因混合”遗传模式，主基因遗传率比较高，为 63.66%～85.23%，环境因素影响相对较小。相同不育系做母本，不同恢复系做父本，具有相同的遗传模型，其主效基因的效应可能大致相同或类似[12,23]。比较F型不育系育性遗传模式和前人对K型小麦不育系和光温敏小麦不育系研究结果发现，均为2对主基因+多基因的遗传模式，但是其互作效应和主基因遗传率、多基因遗传率有很大区别，可能是由于研究群体不同所导致。

表4 FA/HB-7的F2:3群体结实率和结实小穗率在最适合模型MX2-ADI-AD下的遗传参数估计Table 4 The estimates of genetic parameters for seed setting rate and spikelet seed setting rate of F2：3 population of FA/HB-7 with the optimal model MX2-ADI-AD

FA在2016年北京的结实率(50.33%)较2016年南阳(0.51%)和2015年北京(14.70%)的结实率偏高。这可能是由于不同生态区和不同年份导致，故FA还有待选育高度不育且育性表现稳定的株系，用于进一步研究和实际应用。本研究采用植物数量性状主基因+多基因混合遗传模型分析法，利用FA的结实率和结实小穗数两种育性统计数据，采用三个组合共五个世代的联合分析，样本信息量较大，与单一组合、较少世代的分析结果相比精确度较高，避免了人为主观划分群体，消除了误差干扰，较客观、系统地揭示了FA育性遗传模式。目前，多种植物的多种性状利用此分析方法进行了遗传分析，并与BSA检测、分子标记等方法对主基因存在的验证一致[23]。本研究表明，FA育性受2对加性-显性-上位性主基因和加性-显性多对微效基因控制，基因互作明显，FA的三个群体的一阶和二阶参数大致相同，虽然不同遗传背景下的育性值及变化趋势存在差异，但育性整体分布、遗传模型及其遗传参数大致相同，推测有着相同的遗传模式，只是由于材料的遗传背景不同造成遗传参数值有差异。三个F2群体结实率主基因遗传率为50.58%～71.77%，多基因遗传率为0～45.58%，环境方差占总方差的3.84%～44.12%；三个F2群体结实小穗率的主基因遗传率为52.35%～66.63%，多基因遗传率为0～17.77%，环境方差占总方差的25.70%～47.65%。其育性以主基因遗传为主，环境因素有一定影响，多基因遗传率较小。FA/HB-7的F2：3群体育性在北京、南阳两地的主基因遗传率相差较大，其中，南阳育性的遗传率远远大于北京育性的遗传率，验证了FA育性可能具有一定的环境诱导效应。总体上，FA育性的遗传模式与T型、K型、V型及光温敏不育系类似，但是主基因、多基因的遗传效应存在一定差异。

谢辞：本文的数据处理及分析得到了华中农业大学章元明教授和张亚雯博士的指导,谨致谢忱。