烟碱是烟叶生产最重要的目的物,为了探讨烟碱杂种优势表现与基因差异表达的关系,为烟草烟碱含量的改良和调控提供依据,本研究选用5种烟草类型13个品种为材料,采用NCII遗传交配设计,组配了40个杂交组合,在烟草不同的生育时期对亲本及杂种F1的烟叶烟碱含量进行了测定,探讨了烟叶烟碱含量差异及其杂种优势表现,对其配合力和遗传力进行了分析,明确了烟草烟碱性状的主要变化时期和动态变化规律。采用实时荧光定量(Real-time PCR)技术在基因表达水平上,探讨了不同杂种优势组合各时期基因差异表达的变化趋势,分析了烟碱合成关键酶基因的相对表达量与杂种优势间的关系。主要研究结果如下:1、不同烟草类型的烟叶烟碱含量表现不同,在烤烟、白肋烟、晒晾烟、香料烟这4种烟草类型中,白肋烟类型的平均烟碱含量最高,为4.27%,极显著高于其它3个烟草类型,烤烟类型的烟碱平均含量最低,为1.49%;同种烟草类型、不同品种的烟叶烟碱含量表现也不同,烤烟类型的7个品种中G70的烟碱含量最高,为2.47%,极显著高于其它烤烟品种;南江3号的烟碱含量最低,仅为1.12%,极显著低于其它烤烟品种。晒晾烟的4个品种中湄潭大蛮烟的烟碱含量最高,为2.54%,青梗的烟碱含量最低为0.86%。结果说明改良烟碱含量性状的遗传资源丰富。2、将烤烟与不同烟草类型进行了杂交,杂交种的烟碱含量性状杂种优势表现多样,烤烟与香料烟杂交,杂种优势主要表现为正向超亲优势,易于选择到烟碱含量超过高亲的杂交组合;烤烟与烤烟、白肋烟、晒晾烟杂交,杂种优势主要表现为中亲优势,易于选择到烟碱含量介于双亲之间的杂交组合;烤烟与晒晾烟、白肋烟杂交,可以选择到烟碱含量低于低值亲本的杂交组合。在40个杂交组合中,表现为正向超亲优势的组合有9个,占22.5%,优势最强的组合是红花大金元×巴斯玛,优势率为63.39%;表现为负向超亲优势的组合有8个,占20%,优势最强的组合是NC82×湄潭大蛮烟,优势率为-97.72%;表现为中亲优势组合有23个,占57.5%。结果说明利用杂种优势方法可以筛选出满足烟碱含量需求的杂交品种。3、配合力和遗传力分析结果显示,5个烤烟品种母本自交系中,烟碱含量的一般配合力方差达到显著水平,而包含了4种烟草类型的8个父本自交系中,烟碱含量的一般配合力方差达到了极显著水平,说明烟草类型间烟碱含量性状的配合力变异大于同一类型内的配合力变异。烤烟类型和晒晾烟类型品种的一般配合力表现为负值,白肋烟类型和香料烟类型品种的一般配合表现为正值,父本中一般配合力效应值最高的是巴斯玛,为26.36,最低的是青梗,为-24.59;母本中一般配合效应值最高的是红花大金元,为16.12,一般配合效应值最低的是k326,为-8.41。组合间烟碱含量的特殊配合力差异极显著,40个组合中有20个组合的特殊配合力效应值表现为正值效应,其中k326×马里兰烟的特殊配合力效应值最高,为37.46,20个组合的特殊配合力效应值表现为负值,其中k326×巴斯玛的特殊配合力效应值最低,为-28.59,说明通过选配亲本,可以选育出烟碱含量符合生产要求的类型间杂交组合。烟碱含量的广义遗传力高达79.18%,狭义遗传力为51.16%,表明烟碱性状非加性效应的作用为主,在早期世代进行选择的效果较好,通过重组育种和优势育种可选育出烟碱含量符合生产要求的品种。4、不同材料烟叶烟碱含量的动态变化规律基本一致:随着生育期延迟,烟叶中的烟碱含量不断的增加,至成熟期达到最高。在打顶前烟叶烟碱积累速度较为缓慢,在打顶后烟叶烟碱积累速度迅速增加,至成熟期烟碱含量达到最高。移栽后56d至70d,53个材料的烟碱含量平均增加了0.16%,其中tn90增加得最高,为0.38%,g70×gdh02增加得最低,仅为0.05%;移栽后70d至77d,53个材料的烟碱含量平均增加了0.50%,其中va116×巴斯玛增加得最高,为1.29%,南江3号和青梗增加得最低,均为0.12%;移栽后77d至84d,53个材料的烟碱含量平均增加了0.48%,其中tn90增加得最高,为1.43%,k326×tn90增加得最低,均为0.10%;移栽后84d至91d,53个材料的烟碱含量平均增加了0.35%,其中tn90增加得最高,为1.13%,南江3号增加得最低,仅为0.02%。因此,烟叶烟碱含量增加的主要时期是打顶至成熟期,同时打顶是烟叶烟碱合成强度的转折点,打顶后烟叶烟碱增长的速度可能与烟草品种有关。此外,对不同时期烟叶烟碱含量进行了相关性分析,结果表明初花打顶后一周的烟叶烟碱含量与成熟期的烟叶烟碱含量呈极显著相关,故初花打顶后一周的烟叶烟碱含量可作为成熟期烟叶烟碱含量早期选择的最佳时期。5、以烟碱生物合成途径中5个关键酶基因在杂交种双亲中的平均表达量为对照,5个关键酶基因在不同杂种优势组合中的相对表达量情况如下:odc、pmt、adc、qpt、mpo这5个酶基因在不同发育阶段的相对表达量不同,且打顶对5个酶基因的相对表达量有一定的促进作用,5个关键酶基因均会在打顶之后出现大量的表达,其中odc、pmt常在打顶后一周到两周之间大量表达;而adc、qpt、mpo常在打顶后两周到三周的之间大量表达。同时,qpt在正向超亲优势组合中的相对表达量明显高于中亲优势和负向超亲优势,说明QPT的相对表达量可能对杂种优势形成的影响最大。6、烟碱生物合成途径中的5个关键酶基因的相对表达量与烟碱含量及杂种优势率的相关性分析得出:在移栽后77d,QPT的相对表达量与烟碱含量及杂种优势率呈显著正相关;在移栽后84d,ADC、QPT、MPO这3个酶基因的相对表达量与烟碱含量及杂种优势率呈极显著正相关,且3个酶基因的相对表达量之间也呈显著正相关;在移栽后91d,PMT的相对表达量与烟碱含量及杂种优势率呈显著正相关,其他均未达到显著水平。说明在不同时期,烟碱含量、杂种优势率与不同的关键酶基因相关,对于某一时期表现为显著正相关的酶基因,其相对表达的上调预示着烟碱含量及杂种优势率的增长,同时可以作为此时期烟碱含量及杂种优势率的间接选择指标。