烟草根系杂种优势表现及相关基因差异表达分析_皮凯.pdf

53卷南 方 农 业 学 报 3028收稿日期：2022-03-28基金项目：国家自然科学基金项目（32060510）；贵州省科技厅项目（黔科合基础 2019 1405）；贵州省烟草公司项目（中烟黔科2022XM02）通讯作者：刘仁祥（1971-），https:/orcid.org/0000-0003-4562-8507，教授，主要从事烟草遗传育种研究工作，E-mail：第一作者：皮凯（1996-），https:/orcid.org/0000-0002-9409-8429，研究方向为烟草遗传育种，E-mail：烟草根系杂种优势表现及相关基因差异表达分析皮凯，黄莺，段丽丽，莫泽君，罗雯，柯渔洲，王平松，曾帅波，刘仁祥*（贵州大学烟草学院/贵州省烟草品质研究重点实验室，贵州贵阳550025）摘要：【目的】探究烟草根系性状的杂种优势表现及相关基因差异表达，为深入解析烟草根系吸收和合成相关物质杂种优势的形成机制提供理论依据。【方法】以烟碱和钾含量性状具有杂种优势的12个杂交种及其7个亲本为材料，通过测定根系长度、数量和体积等性状，分析了烟草根系性状的遗传特点及杂种优势表现，并采用实时荧光定量PCR检测烟草根系发育相关基因的差异表达。【结果】7个亲本材料的根系长度为94.80476.77 cm，根系数量为343820条，根系体积为0.180.61 cm3；12个杂交组合根系长度为285.56734.75 cm，根系数量为5761184条，根系体积为0.411.01 cm3，3个性状的变异系数为19.97%29.68%。烟草根系长度、数量和体积的广义遗传力分别为95.49%、92.12%和85.76%，中亲优势组合率分别为91.67%、91.67%和100.00%。根系长度主要受基因的加性效应控制，根系数量和根系体积主要受基因的非加性效应控制，均表现出明显的杂种优势。不同根系发育相关基因的中亲表达优势与根系性状杂种优势存在一定的相关性，其中，NtAUX1和NtARF16基因的中亲表达优势与根系长度杂种优势呈显著（P0.05，下同）或极显著（P0.01，下同）相关；NtFLA18基因基因的中亲表达优势与根系数量和体积的杂种优势呈显著或极显著负相关。NtFLA18基因在K326韭菜坪2号中的相对表达量较双亲下调表达，NtAUX1基因呈显性表达模式，NtARF16基因的相对表达量较双亲上调表达，这些基因的表达模式与烟草根系杂种优势的形成有关。【结论】烟草根系长度、数量和体积均具有较强的遗传率和普遍的杂种优势，可利用杂种优势选育出根系发达的烟草新种质。GDH88、Va116、南江三号和G70可作为改良根系的优良亲本；K326GDH88、Va116毕纳1号、G70韭菜坪2号、G70南江三号和K326韭菜坪2号可作为培育优良根系构型的重要储备材料。关键词：烟草；根系；杂种优势；基因差异表达中图分类号：S572.035.1文献标志码：A文章编号：2095-1191（2022）11-3028-09南方农业学报Journal of Southern Agriculture2022，53（11）：3028-3036ISSN 2095-1191；CODEN NNXAABhttp:/DOI：10.3969/j.issn.2095-1191.2022.11.003Performance of heterosis in tobacco roots and differentialexpression analysis of related genesPI Kai，HUANG Ying，DUAN Li-li，MO Ze-jun，LUO Wen，KE Yu-zhou，WANG Ping-song，ZENG Shuai-bo，LIU Ren-xiang*（College of Tobacco，Guizhou University/Guizhou Key Laboratory of Tobacco Quality Research，Guiyang，Guizhou 550025，China）Abstract：【Objective】To explore the heterosis of tobacco root traits and the differential expression of related genes，so as to provide theoretical basis for in-depth analysis of the formation of heterosis of tobacco root absorption and synthe-sis of related substances.【Method】Using 12 hybrids and 7 parents with heterosis in nicotine and potassium content traitsas materials，the genetic characteristics and heterosis of tobacco root traits were analyzed by measuring root length，quanti-ty and volume，and the differential expression of genes related to tobacco root development was detected by real-time fluo-rescence quantitative PCR.【Result】The root length of the seven parent materials was 94.80-476.77 cm，the number ofroots was 343-820，and the root volume was 0.18-0.61 cm3.The root length of 12 hybrid combinations was 285.56-734.75cm，the number of roots was 576-1184，the root volume was 0.41-1.01 cm3，and the coefficient of variation of the threetraits was 19.97%-29.68%.The broad heritability of tobacco root length，quantity and volume was 95.49%，92.12%and85.76%respectively，and the combination rate of mid-parent dominance was 91.67%，91.67%and 100.00%respectively.The root length is mainly controlled by the additive effect of genes，and the root number and root volume were mainly con-11期30290引言【研究意义】烟草（Nicotiana tabacum L.）是我国重要的经济作物，大田生育期120130 d左右，植株高大，需要大量的水分和营养元素供生长发育，而这些物质均通过根系向地上部运输（刘国顺，2012）。根系是植物植物生长必不可少的源器官，具有吸收并运输土壤水分和无机盐、固定及支撑植株、合成氨基酸及蛋白质等功能（郭毓勉，2020），对烟株的生长发育和烟叶产量、品质有很大的影响（晁逢春等，2003）。此外，烟叶中的烟碱是通过根系合成后运输至叶片中，对烟草的吸食品质极其重要（莫泽君，2020）。利用杂种优势可获得烟碱含量和钾含量优于亲本的烟草杂交种（王国琴，2015；罗雯等，2022），而烟碱杂种优势的形成是因为杂交种具有更高的烟碱合成效率（Tian et al.，2018；莫泽君，2020），表明烟草根系可能是烟碱含量和钾含量杂种优势形成的基础，直接影响烟草植株发育及烟叶品质。因此，研究烟草根系杂种优势表现及相关基因的差异表达有利于解析烟草地上部分杂种优势的形成机制，对选育高产优质杂交种具有重要的指导意义。【前人研究进展】烟草根系由主根、侧根和不定根组成，其中侧根和不定根最发达，不定根约占烟草总根重的1/3，成为根系的主要部分（黄泽春等，2008）。晁逢春等（2003）研究表明烟草不定根中的烟碱含量显著高于主根和侧根中的烟碱含量，调控不定根的发育将对叶片烟碱含量发挥积极作用。目前对烟草根系发育的研究主要集中在营养物质（蔡赛男，2015；李玥等，2015）、遗传因素（许杰等，2017a；钟思荣，2018；Singh et al.，2018）、生长调节剂（王守刚等，2015；张兆扬等，2017；Song et al.，2019；张琳等，2019；冯长春等，2020）、栽培方式（王德俊等，2019）等方面。蔡赛男（2015）研究发现根系构型参数最大的烤烟品种K326烟叶中的氮含量、钾含量及干物质量的积累均达国际标准，烟叶品质较好，而根系构型参数最小的烤烟品种G80烟叶氮含量和钾含量相对较低，同时其烟叶干物质量的积累相对较少。李玥等（2015）研究表明缺氮处理促进K326和湘烟四号烤烟根系生长，然而地上部生物量明显下降。许杰等（2017b）研究表明烤烟F1代的根系具有较强的杂种优势，其中根体积和根系阳离子交换量（CEC）的遗传以基因的加性效应为主，烤烟根系活力和腺嘌呤核苷三磷酸（ATP）酶活性的遗传以基因的显性效应为主。王宇辰等（2018）研究表明低浓度La3+能促进烟草根系发育，显著提高了根系生物量和根活力，高浓度La3+则表现出一定抑制作用。王德俊等（2019）研究表明不同覆盖模式对烤烟根系活力具有显著影响，其中“旺长期揭膜+培土+覆盖稻草”覆盖模式的根系活力最高。冯长春等（2020）研究表明外源吲哚乙酸（IAA）处理显著提高了烤烟幼苗根系生物量，10 nmol/L处理较对照增幅分别为89.43%，不同浓度IAA处理的烤烟幼苗根系总长度、总表面积和体积均不同程度的增加。李秀春等（2020）对烟草施用火土灰处理能显著增加植株根系总根长、根系表面积、根系体积和烟株苗期生物量。近年来，在其他作物中与根系发育相关的基因已有大量研究，拟南芥AtFLA18、At-PIN3、AtYUC6和AtNAC2基因通过调控根系的发育和形成来改变根系结构（He et al.，2005；Omelyan-chuk et al.，2016；Allelign et al.，2021）；AtAUX1具有调节根的向地性和根毛发育的功能（Villaecija-Agui-lar et al.，2022）。水稻OsCRL1和OsDGL1基因及生长素信号响应因子基因OsARF16在水稻侧根的发育形成和冠根起始中发挥关键作用（Liu et al.，2005；Qin et al.，2013；Lavarenne et al.，2019）。尚未见烟trolledbythenon-additiveeffectofgenes，showingobviousheterosis.Therewasacertaincorrelationbetweenthemid-parentexpression superiority of different root development-related genes and the root trait heterosis，among which，the mid-parent expression superiority of NtAUX1 and NtARF16 genes was significantly（P0.05，the same below）or extremelysignificantly（P0.01，the same belo