梁慧珍 許蘭杰 余永亮 譚政委 楊紅旗董 薇 李 磊 李春明 劉新梅 張收良

（1河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院芝麻研究中心，450002，河南鄭州；2河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院西峽分院，474550，河南西峽）

紅花（Carthamus tinctoriusL.）是菊科管狀花亞科紅花屬植物中唯一的栽培植物[1]，自漢代起，就有其栽培和藥用記載[2]。紅花既是藥用植物，又是油用和工業(yè)用植物，全世界每年種植紅花約110萬hm2。中國是紅花種植大國，年種植面積3萬～4萬hm2，主要分布在新疆、云南和河南等地[3]。紅花的主要藥用成分紅花黃色素（saffower yellower）和紅花苷（crocin）具有抗炎、鎮(zhèn)痛和抗腫瘤等作用。含有紅花成分的藥物具有增強(qiáng)冠狀動脈血流量、抗心肌缺血，降血脂和抗血栓的功能[4-7]。紅花品質(zhì)育種的主要目標(biāo)是提高羥基紅花黃色素A（hydroxy safflor yellow A，HSYA）含量。目前紅花的新品種選育方法以系統(tǒng)選育和雜交育種為主。雜交育種的關(guān)鍵技術(shù)是選擇雜交親本和雜交后代群體。雜交材料的遺傳力、配合力效應(yīng)已廣泛應(yīng)用于水稻[8]、玉米[9]、大豆[10]、蠶豆[11]和紅松[12]等植物數(shù)量性狀的遺傳和育種研究，但應(yīng)用到HSYA含量的研究尚未見報道。吳沂蕓等[13]對紅花黃酮類成分累積量與功能基因表達(dá)水平進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析，證實了關(guān)鍵酶的催化作用，可以通過調(diào)節(jié)chs與chi的表達(dá)來提升紅花中HSYA含量；許蘭杰等[14-15]研究了HSYA的動態(tài)積累規(guī)律和熱穩(wěn)定性，及其與花色的相關(guān)性，認(rèn)為溫度和時間對HSYA含量均存在較大影響，并且發(fā)現(xiàn)HSYA與紅花的顏色有關(guān)，呈現(xiàn)以下規(guī)律：紅色紅花的HSYA含量高于橙色、黃色和白色紅花；Liu等[16]利用分子標(biāo)記方法對新疆和云南紅花品種進(jìn)行DNA分析，篩選出了12對相關(guān)序列擴(kuò)增多態(tài)性（sequence-related amplified polymorphism，SRAP）引物組合；唐潔[17]建立了紅花的純化mRNA模板，反轉(zhuǎn)錄合成cDNA反應(yīng)體系，篩選出2組多態(tài)性引物，但基于胚、細(xì)胞質(zhì)和母體遺傳效應(yīng)3套遺傳體系研究HSYA的遺傳機(jī)理尚未見報道。本研究配制親本組合時選用了6個河南當(dāng)?shù)豀SYA含量差異較大的紅花品種，運用雙子葉植物種子數(shù)量性狀的遺傳模型和統(tǒng)計分析方法[18-20]，利用SPSS 19.0軟件分析控制HSYA含量三套不同遺傳體系下的胚、細(xì)胞質(zhì)和母體植株的基因效應(yīng)和環(huán)境互作效應(yīng)，預(yù)測其遺傳效應(yīng)值，評價雜種后代的雜種優(yōu)勢和親本的遺傳力，摸索HSYA含量的遺傳規(guī)律，為紅花品質(zhì)數(shù)量性狀的種質(zhì)改良與優(yōu)異性狀鑒定提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試紅花種子分別是豫紅花1號（P1）、延津紅花A（P2）、延津紅花B（P3）、原陽紅花A（P4）、延津紅花C（P5）和原陽紅花B（P6）。P1、P2和P33個親本為較高HSYA含量品種，P4、P5和P6親本為中低HSYA含量品種。所有參試樣本均為二倍體紅花。來源于河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院紅花資源庫，材料種植于河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技試驗示范基地（以下簡稱“原陽示范基地”）。

1.2 試驗設(shè)計

根據(jù)雙子葉植物數(shù)量性狀的遺傳模型和統(tǒng)計分析方法[18-20]，在2014年用上述親本在原陽示范基地選取了親本及只進(jìn)行正交組合的完全雙列雜交方法配制的雜交組合，于2015年獲得F1代雜交種子；2015年和2016年分別種植親本和F1，每年都按照同樣的親本配制雜交組合，得到雜交種子F1和F2。該試驗采取隨機(jī)區(qū)組排列，單行區(qū)，3次重復(fù)，行長5m，行距0.4m，株距0.14m。

1.3 HSYA含量測定

1.3.1 采樣 對紅花花絲進(jìn)行HSYA含量測定。采樣時間為紅花開花后第3天，采摘時間為8∶00-9∶00。將樣品在50℃烘箱內(nèi)烘干，烘干時間為240min[14]。

1.3.2 色譜條件 參考許蘭杰等[14]的方法：設(shè)置色譜柱Agilent C18柱（25.0mm×4.6mm，5μm）；流動相中乙腈（C2H3N）、甲醇（CH3OH）和濃度0.7%的磷酸溶液（H3PO4）的比例為2∶26∶72；檢測波長403nm；柱溫30℃；流速1.0mL/min；進(jìn)樣量9μL。

1.3.3 對照溶液和樣品溶液的制備 參考趙明波等[21]的方法并略作改變。對照溶液：稱取HSYA對照品10.0mg，放入10mL容量瓶中，加入甲醇溶液（濃度25%）溶解、定容，成為1.0mg/mL的對照溶液，用0.45μm微孔濾膜過濾后備用。樣品溶液：稱取紅花粉末樣品各100mg，置于具塞錐形瓶中，加入濃度25%甲醇溶液10mL稱重，25℃超聲提取1h，放冷再稱重，用25%甲醇溶液補(bǔ)足減失的質(zhì)量，搖勻，過濾，再用0.45μm微孔濾膜過濾后備用。

1.3.4 HSYA含量的測定 分別吸取對照溶液和供試樣品溶液20μL注入液相色譜儀，按2005版《中國藥典》（一部）規(guī)定的方法測定HSYA的峰面積，采用外標(biāo)法計算HSYA含量。

1.3.5 HSYA標(biāo)準(zhǔn)曲線繪制 分別吸取對照溶液5、10、15、20、25、30和35μL，測定HSYA的峰面積，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。

1.4 精密度試驗

取同一生藥樣品，按照樣品溶液的制備方法制備，連續(xù)進(jìn)樣5次，測定HSYA的峰面積，結(jié)果峰面積的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為2.29%，表明儀器精密度良好。

1.5 重現(xiàn)性試驗

取同一批樣品6份，按樣品溶液制備方法制備，測定HSYA含量，結(jié)果其RSD為2.37%，表明該方法重現(xiàn)性良好。

1.6 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2019對親本和F1、F2代HSYA含量進(jìn)行統(tǒng)計分析；采用雙子葉植物遺傳模型和統(tǒng)計分析方法[18-20]中胚、細(xì)胞質(zhì)和母體植株3套遺傳體系分析HSYA含量的基因主效應(yīng)、基因型與環(huán)境互作效應(yīng)。利用世代平均數(shù)估算遺傳主效應(yīng)方差VG、基因型×環(huán)境互作方差VGE和機(jī)誤方差Ve。HSYA的表現(xiàn)型方差VP=VG+VGE+Ve。其中：VG=VA+VD+VC+VAm+VDm，VGE=VAE+VDE+VCE+VAmE+VDmE。HSYA 的 遺傳率h2=hG2+hGE2。其中，hG2=hGo2+hGc2+hGm2，hGE2=。VA、VD和VC分別代表胚加性方差、胚顯性方差和細(xì)胞質(zhì)方差，VAm和VDm分別代表母體加性方差和母體顯性方差；VAE、VDE和VCE分別代表胚加性效應(yīng)、胚顯性效應(yīng)和細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)3種效應(yīng)下的環(huán)境互作方差，VAmE和VDmE分別代表母體加性效應(yīng)和母體顯性效應(yīng)的環(huán)境互作方差。hG2為普通遺傳率，hGo2、hGc2和hGm2分別代表胚普通遺傳率、細(xì)胞質(zhì)普通遺傳率和母體普通遺傳率；hGE2為互作普通遺傳率，hGoE2、hGmE2和hGcE2分別為胚互作遺傳率、母體互作遺傳率和細(xì)胞質(zhì)互作遺傳率。

采用調(diào)整無偏預(yù)測法[18-20]預(yù)測胚加性效應(yīng)（A）、胚顯性效應(yīng)（D）、細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)（C）、母體加性效應(yīng)（Am）、母體顯性效應(yīng)（Dm）和相應(yīng)的環(huán)境互作效應(yīng)（AE，DE，CE，AmE和DmE）。分析預(yù)測值的大小和方向，評判親本的育種價值，預(yù)測組合的雜種優(yōu)勢。HSYA的雜種優(yōu)勢總量H=HG+HGE。各雜種優(yōu)勢分量間的關(guān)系為：HG=HGo+HC+HGm，HGE=HGoE+HCE+HGmE。其中，HG為普通優(yōu)勢，HGo、HC和HGm分別代表胚普通優(yōu)勢、細(xì)胞質(zhì)普通優(yōu)勢和母體普通優(yōu)勢；HGE為環(huán)境互作優(yōu)勢，HGoE、HCE和HGmE分別代表胚互作優(yōu)勢、細(xì)胞質(zhì)互作優(yōu)勢和母體互作優(yōu)勢。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本及雜種后代HSYA含量的平均表現(xiàn)

由表1可知，親本間HSYA含量差異較大，親本P1、P2和P3含量較高，親本P4、P5和P6含量較低。雜種F1和F2間HSYA含量差異也比較大。F1代HSYA含量的變幅為10.03～26.19mg/g，F(xiàn)2代為7.64～29.36mg/g。分析F1和F2群體值發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)1P1、F1P4和F1P5子代材料HSYA平均含量均高于親本，表現(xiàn)出正向的雜種優(yōu)勢。F1P2和F1P3子代材料HSYA平均含量均低于親本，表現(xiàn)出負(fù)向的雜種優(yōu)勢。F2代材料HSYA平均含量均低于F1代，主要是由于F1表現(xiàn)出雜種優(yōu)勢后，F(xiàn)2代出現(xiàn)分離引起的。

表1 親本和F1、F2代HSYA含量和農(nóng)藝性狀的平均值Table 1 Means of HSYA content and agronomic traits of parents and relative F1, F2 in Carthamus tinctorius

對比親本與后代發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)1和F2的HSYA含量高低與親本含量的高低相對應(yīng)。相關(guān)系數(shù)分析表明，親本與F1、F2之間、F1和F2之間均表現(xiàn)出極顯著或顯著正相關(guān)。P1、P2和P3親本中HSYA含量高，其后代材料中HSYA含量相對較高。說明HSYA含量可能受胚加性遺傳、母體或細(xì)胞質(zhì)遺傳體系的控制。同時發(fā)現(xiàn)，P5親本HSYA含量較低，作親本的后代材料中HSYA含量相對較高，表現(xiàn)出超親現(xiàn)象，說明P5親本中HSYA含量受加性效應(yīng)遺傳控制的同時，還受到環(huán)境互作因素的影響，表現(xiàn)出較強(qiáng)的雜種優(yōu)勢。結(jié)果顯示，P1×P5雜交后代中HSYA的含量最高。所以，在改良和選育高HSYA紅花品種時，優(yōu)先選擇HSYA含量高的親本作母本，選擇雜種優(yōu)勢大的作親本。

2.2 HSYA含量的遺傳效應(yīng)與方差分量估算

分析表2中各個方差分量發(fā)現(xiàn)，遺傳主效應(yīng)方差（VG=VA+VD+VC+VAm+VDm=0.127）和環(huán)境互作方差（VGE=VAE+VDE+VCE+VAmE+VDmE=0.044）分別占遺傳方差總量（V=VG+VGE=0.171）的74.27%和25.73%，說明HSYA含量同時受遺傳主效應(yīng)和基因型與環(huán)境互作效應(yīng)的影響，但以遺傳主效應(yīng)控制為主。同時發(fā)現(xiàn)，多數(shù)遺傳方差分量達(dá)極顯著水平，說明HSYA含量的遺傳受上述3套不同遺傳體系基因效應(yīng)的影響。而且HSYA含量的遺傳以母體遺傳效應(yīng)（VAm+VDm+VAmE+VDmE）為主，占遺傳方差總量VG的60.82%；胚效應(yīng)（VA+VD+VAE+VDE），占遺傳方差總量VG的29.24%；細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)（VC+VCE）僅占VG的9.94%。說明基因的加性效應(yīng)和胚效應(yīng)是控制HSYA含量的主要遺傳效應(yīng)。在各遺傳方差分量中，母體加性方差VAm=0.049**，數(shù)值最大，說明雜種后代HSYA含量在單株上變異不大，通過母體植株的總體表現(xiàn)可以選擇出高HSYA含量的種質(zhì)材料。母體加性互作方差VAmE為0.019**，數(shù)值較大，說明配制雜交組合時，優(yōu)先考慮雙親的選擇，特別是母本的選擇更為重要，環(huán)境對母體植株基因的遺傳也有一定的影響。正確選擇基因的加性效應(yīng)，遺傳選擇過程中可以形成累加效應(yīng)，在母本中可以傳遞細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)，兩種效應(yīng)直接影響后代的選擇結(jié)果。胚顯性方差VD=0.042**，胚顯性互作方差VDE=0；母體顯性方差VDm=0.036**，母體顯性互作方差VDmE=0，說明雜種后代中同時產(chǎn)生了種子雜種優(yōu)勢和母體雜種優(yōu)勢，且兩種雜種優(yōu)勢的主效應(yīng)基因均不受環(huán)境影響。機(jī)誤方差Ve=0.192**，達(dá)極顯著水平，說明雜交后代中HSYA含量還受到環(huán)境機(jī)誤或抽樣誤差的影響。

表2 HSYA含量的遺傳方差分量估計值Table 2 Estimation of genetic variance components for HSYA content in Carthamus tinctorius

2.3 親本遺傳效應(yīng)值的預(yù)測

雜交親本的育種價值決定了品種HSYA含量的改良和選育效果（表3）。表3中幾乎所有親本的胚加性效應(yīng)、母體加性效應(yīng)和細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)預(yù)測值都達(dá)到顯著水平，遺傳效應(yīng)值為正，說明3套遺傳體系的基因效應(yīng)對雜種后代中HSYA含量增加起到正向作用，反之，則起到負(fù)向作用。P1親本GⅠ和GⅡ分別為0.745和0.285，表現(xiàn)最佳。預(yù)計以P1作為親本，對后代中HSYA含量的改良效果比較理想。P2、P3和P6在2年中的遺傳總效應(yīng)分別為–0.136、–0.222、–0.203（2015 年）和 –0.038、–0.159、–0.176（2016年），對雜種后代的HSYA含量起負(fù)向作用。P4和P5在2年中的遺傳總效應(yīng)表現(xiàn)不同，一個年份為正值，另一個年份為負(fù)值。

2.4 雜交組合顯性效應(yīng)預(yù)測和雜種優(yōu)勢分析

雜交育種是提高作物品質(zhì)的重要途徑。除胚加性效應(yīng)和細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)的作用外，基因顯性效應(yīng)也對作物的雜種優(yōu)勢發(fā)揮著重要作用，可以通過對F2顯性效應(yīng)分析判斷其雜種優(yōu)勢表現(xiàn)。

表4表明，21個紅花組合的胚顯性效應(yīng)平均值為0.0016，變異范圍為–0.6325～0.3752，其中，14個組合的胚顯性效應(yīng)值為正（0.0052～0.3752），雜種優(yōu)勢對F2中HSYA含量增加起正向作用；7個組合的胚顯性效應(yīng)值為負(fù)（–0.7765～–0.0612），雜種優(yōu)勢對F2代中HSYA含量增加起負(fù)向作用。2年的顯性互作效應(yīng)平均值分別為0.0382和0.1006，對雜種F2代HSYA含量增加起正向作用。在21對雜交組合中，P3×P4胚顯性效應(yīng)值（0.3752）最大，2年胚顯性互作效應(yīng)分別為0.0413和0.0106，說明胚顯性效應(yīng)和胚顯性互作效應(yīng)可以增加后代HSYA含量。同時，P1×P5組合表現(xiàn)出的雜種優(yōu)勢與此類似，僅數(shù)值略偏低。

表3 HSYA含量的遺傳效應(yīng)預(yù)測值Table 3 Predicted genetic effects of HSYA content in Carthamus tinctorius mg/g

表4 F2代HSYA含量的顯性效應(yīng)預(yù)測值（極差）Table 4 Predicted dominance effects (range) for HSYA content of F2 generation mg/g

21個組合母體顯性效應(yīng)的平均值為–0.0001，變異范圍為–0.2981～0.3102。11個組合母體顯性效應(yīng)為負(fù)值（–0.2531～–0.0043），10個組合母體顯性效應(yīng)為正值（0.0180～0.3102），雜種優(yōu)勢在不同的組合中對F2代HSYA含量的影響不同，實際工作中需要選擇效應(yīng)值為正值的雜交組合。2015年和2016年母體顯性互作效應(yīng)分別為–0.0526和0.0165，雜種優(yōu)勢對F2代HSYA含量的影響各有不同。因而，母體顯性互作效應(yīng)對HSYA含量的影響受環(huán)境影響較大。為篩選出增加F2代中HSYA含量的最佳組合，對所有參試雜交組合比較，發(fā)現(xiàn)P1×P5組合的母體顯性效應(yīng)最大（0.3102），2年母體顯性互作效應(yīng)均為正值，表現(xiàn)最為顯著。

綜合考慮胚顯性效應(yīng)、母體顯性效應(yīng)和顯性互作效應(yīng)的共同作用，P1×P5組合綜合表現(xiàn)最佳，推薦用于高HSYA含量紅花育種實踐。

3 討論

3.1 HSYA含量的遺傳改良

數(shù)量性狀遺傳同時受多種遺傳系統(tǒng)基因效應(yīng)和基因型與環(huán)境互作的控制[22]。雙子葉作物種子中胚營養(yǎng)物質(zhì)來源于母體植株，但和母體植株不是同一個遺傳世代[23-24]。合子分化發(fā)育成胚胎，最終發(fā)育成正常植株，含有全部遺傳信息[9]。胚基因的表達(dá)對HSYA含量等品質(zhì)性狀有很大影響。本研究中，高HSYA含量親本P1的胚加性效應(yīng)值最大（0.011**），達(dá)極顯著水平。以P1為親本形成的雜種后代在所有參試樣品中HSYA含量平均值最高，可以作為優(yōu)選親本材料。

經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為，3套遺傳體系中，母體植株提供胚營養(yǎng)物質(zhì)，細(xì)胞質(zhì)基因通過葉綠體影響植株的光合作用，這兩種效應(yīng)和基因型×環(huán)境互作效應(yīng)共同影響雜種后代性狀的表現(xiàn)，但影響程度不同[25]。根據(jù)環(huán)境互作效應(yīng)的表現(xiàn)，可以定向選擇適應(yīng)不同環(huán)境的育種材料[26]。因此，分析多種遺傳效應(yīng)對HSYA含量的影響，有利于提高雜交后代的選擇效率。本研究中，細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)：P1＞P5＞P4，P2、P3和P6較?。患?xì)胞質(zhì)效應(yīng)×環(huán)境互作效應(yīng)：2015年，P1＞P6；2016 年，P5＞P6＞P3，兩年中其余親本效應(yīng)較小，皆為負(fù)值。綜合考慮，選用P1和P5作親本材料，可能有利于提高雜交后代的選擇效率。

本研究中，母體遺傳以加性效應(yīng)為主，且母體植株遺傳效應(yīng)大于胚效應(yīng)和細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)，說明同一植株上的紅花雜種后代種間分離不大。實際育種工作中，通過母體植株的總體表現(xiàn)可以選擇出表現(xiàn)優(yōu)異的紅花種質(zhì)，特別在低世代選擇時，選擇效果更為顯著。同時，為提高HSYA含量的改良效果，可以綜合考慮細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)對HSYA遺傳的影響，采用正反交育種方法予以實現(xiàn)。

本研究通過對不同遺傳體系中基因效應(yīng)的分析，闡明了HSYA含量遺傳規(guī)律，對實際育種工作具有理論指導(dǎo)意義，對提高品種HSYA含量的改良效率及HSYA種質(zhì)資源的高效利用具有一定參考價值。

3.2 親本在HSYA性狀改良中的雜種優(yōu)勢利用價值

雜種優(yōu)勢是雜合體在1種或多種性狀上優(yōu)于2個親本的現(xiàn)象。顯性假說認(rèn)為雙親有利顯性基因的聚合積累和相互補(bǔ)充作用，增加了雜合子代F1的生長勢，產(chǎn)生雜種優(yōu)勢[27]。親本顯性基因越多，雜種優(yōu)勢表現(xiàn)越強(qiáng)。遺傳力越小和上位效應(yīng)越大的性狀，后代的雜種優(yōu)勢越明顯[28]。上位效應(yīng)由非等位基因間互作產(chǎn)生，表現(xiàn)出2個等位基因的表現(xiàn)型表達(dá)產(chǎn)生了遮蓋作用。雜種優(yōu)勢的表現(xiàn)主要與加性×顯性和顯性×顯性2種上位性效應(yīng)有關(guān)，尤其會影響低世代數(shù)量性狀的選擇效果[29]。Li等[30]認(rèn)為水稻雜種優(yōu)勢主要是由上位性產(chǎn)生的。關(guān)于上位性對HSYA含量雜種優(yōu)勢的影響，將在本研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深入開展。本研究初步篩選出了改良HSYA含量的親本材料，P1親本HSYA含量最高，是提高后代HSYA含量的理想親本，可以在育種中加以利用。目前已經(jīng)利用P1作親本培育出一批表現(xiàn)良好的新品系材料。同時發(fā)現(xiàn)，P5親本HSYA含量較低（13.01），遺傳效應(yīng)值較小，2015年為–0.201，但P1×P5母體顯性效應(yīng)（0.3102）最大，胚顯性效應(yīng)和母體顯性互作均為正值，在本研究中雜種優(yōu)勢表現(xiàn)最為突出。利用P1×P5配制的雜交組合，在實際工作中已經(jīng)培育出高HSYA含量品系材料，表現(xiàn)優(yōu)異。本研究結(jié)果可為后代材料在雜種優(yōu)勢利用中的親本選擇提供參考。

4 結(jié)論

在HSYA含量的遺傳體系中，母體遺傳效應(yīng)影響最大，胚效應(yīng)次之，細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)影響相對較小。3套遺傳體系均表現(xiàn)出基因主效應(yīng)大于環(huán)境互作效應(yīng)。豫紅花1號（P1）作親本有利于增加雜交后代HSYA含量，親本組合P1×P5有利于提高后代雜交組合HSYA的含量。