全 文 ：第 19 卷
第 4 期

Vol. 19
No. 4
草
地
学
报
ACTA AGRESTIA SINICA



2011 年
7 月

Jul.

2011
四倍体苜蓿家系的建立及遗传变异分析
苏
东1 , 于林清2* , 周延林1 , 孙娟娟2 , 王富贵3 , 乌日娜3
( 1.内蒙古大学生命科学学院 ,内蒙古 呼和浩特
010021;
2. 中国农业科学院草原研究所, 内蒙古 呼和浩特
010010; 3. 内蒙古农业大学, 内蒙古 呼和浩特
010019)
摘要:以内蒙古锡盟黄花苜蓿( Med icago f alcate Ximeng )为母本、塔什库尔干紫花苜蓿(M. sativ a Tashenkuerg an)
为父本杂交, F1 杂交种自交得到 89 株 F 2 分离群体,对此四倍体家系的形态性状、农艺性状及营养成分含量进行分
析,以期了解该家系内各性状遗传变异并探讨其遗传规律。结果表明:其中 F2 代杂花 36 株, 黄花 33 株, 紫花 20
株,所占比例分别是 40. 45% , 37. 08%和 22. 47% , 株型分为直立型 32 株( 35. 96% ) , 匍匐型 12 株( 13. 48% ) ,半直
立型 45 株( 50. 56% ) ; 农艺性状变异排前 3 位的为鲜重> 干重> 分枝数, 变异系数均达到了 80%以上; 变异系数最
小的是节间数,只有 19% ; 营养成分含量变异排前 3 位的为脂肪> Ca元素> P 元素。F2 群体的形态性状、农艺性
状及营养成分含量各性状都存在不同差异,是数量性状的遗传特点,可为后续的图谱构建和 QTL 定位提供一定的
基础。
关键词:四倍体; 苜蓿家系;形态性状; 农艺性状;营养成分含量; 遗传变异分析
中图分类号: S514. 9; Q943



文献标识码: A




文章编号: 1007
0435( 2011) 04
0657
06
Establishment of A Tetraploid Alfalfa Family
and Analysis of Its Genetic Variability
SU Dong
1
, YU Lin
qing 2* , ZHOU Yan
lin1 , SUN Juan
juan2 , WANG Fu
gui3 , WU Ri
na3
( 1. College of Life Sciences Inner Mongolia University, H uhhot , Inner Mongolia 010012, China;
2. Grassland Research Ins ti tu te of Chinese Academ y of Agricultural Sciences, Huhhot , Inn er Mongolia 010010, China ;
3. Inner Mongolia Agriculture Un iversity, H ohhot , Inn er Mongolia 010019, China )
Abstract: M edicago f alcata Ximeng ( female) and M . sativa T ashenkuergan ( male) w ere crossed. The
hybr id F 1 self
cr ossed to pr oduce 89 indiv iduals of F2 segr egat ing populat ion. The mo rpholo gical charac

ters, agr onomic characters and nutrient contents of the tet raplo id alfalfa family w ere analyzed to under

stand genet ic variability and the rule of inheritance. Results indicated that flow er colors w er e separated in
the F 2 populat ion. T here w ere 20 plants with purple flow ers ( 22. 47% ) , 33 plants w ith yellow flowers
( 37
08% ) and 36 plants w ith variag ated f low ers( 40. 45% ) . P lant types w ere also separated in F 2 popula

t ion. There w er e 32 plants w ith erect types( 35. 96%) , 45 plants w ith half
erect types( 50. 56%) , and 12
plants w ith cr eeping types( 13. 48%) . Fresh w eight , dry w eight and branch number w ere the main varia

t ion tr ait s. T heir coef f icients o f variat ion all are mor e than 80%. Internodes number had the smallest coef

f icients of variat ion ( 19%) among all agr onomic t raits . T he mor pholog ical characters, ag ronomic charac

ters and nutr ient content in F 2 population possess w idely differ ences. T his research prov ided a foundat ion
fo r subsequent map const ruct ion and QTL locat ion.
Key words: Tetraploid; Alfalfa fam ily ; M orpho logy ; Agr onomy; N utrient content; Genet ic variat ion anal

y sis


苜蓿(Medicago sat iv a L. )作为世界上重要的
豆科牧草, 有着
牧草之王
的美称[ 1] 。其产量、品质
及一些抗逆性等重要农艺性状大多是由多基因控制
的数量性状,受环境影响较大,表现为连续变异。随
着我国苜蓿产业的发展, 对苜蓿品种改良的基础研
究提出了更高的要求,因此苜蓿家系的遗传变异分
收稿日期: 2010
11
15;修回日期: 2011
04
20
基金项目:国家科技支撑项目
干旱、半干旱地区抗旱牧草新品种选育及产业化示范
( 2008BADB3B06) ;中央级公益性科研院所基本科研
业务费专项资金( 2010
T
1) ;国家自然科学基金
杂花苜蓿杂种优势及其遗传标记分析
( 30371487)资助
作者简介:苏东( 1985
) ,男,内蒙古东乌旗人,硕士研究生,研究方向为牧草种质资源与育种, E
mai l: 040912005sd@ 163. com; * 通讯作者
Auth or for correspon dence, E
mail: linqing_yu@126. com
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析及图谱构建是当前的研究重点。
二倍体植物遗传分析手段及图谱构建的统计学
方法发展很快[ 2, 3] , 苜蓿家系的遗传变异分析及图
谱构建首先是在二倍体中进行的,国外研究起步较
早,如 Barcaccia 等[ 4]采用M . f alcata ( L . ) A rcang.
和 M. coer ulea ( Less. ) Schm.杂交建立了 48个植
株的 F 1家系用于研究染色体减数分裂后胞质不发
生分离而形成的 2n染色体配子; Brummer 等 [ 5] 用
M. sativa ssp. sat iva 和 M . sativa ssp. coer ulea 为
亲本建立包含 86 个个体的 F2 群体, 并采用 RFLP
标记技术构建了连锁图谱; Philippe Thoquet [ 6]等用
豆科模式植物蒺藜苜蓿(M . tr uncatula G. )构建了
124个个体的 F2 分离群体遗传图谱, 定位了
Mtsym6 和 S PC 基因; Kal
等[ 7] 以黄花苜蓿 (M .
f alcate L. )和蓝花苜蓿( M. lupulina L. )为亲本创
建了 137个 F2 的分离群体, 用于构建图谱。目前多
采用 SDRF( Sing le
do se rest rict ion f ragment )信息
研究多倍体复杂遗传特性 [ 8] , SDRF 是指在后代分
离群体中表现为1
1 (存在
缺失)分离的条带, 与
简单基因型中的显性等位基因类似,是研究四倍体
苜蓿复杂遗传特性的有效手段 [ 9]。如 Robins等 [ 10]
用四倍体亲本 WISFA L
6 与 ABI408 杂交产生的
200个 F1 群体研究苜蓿的产量、植株高度及多次刈
割的再生性并进行了 QTL 定位; M usial等[ 11] 用对
于大豆( Gly cinne max L. )疫霉根腐病高感和高抗
的亲本构建了 120株的回交群体,研究四倍体苜蓿
对大豆疫霉根腐病的抗性; Ber nadet te Julier [ 12]等用
四倍体的 Magali和Mercedes杂交产生的 168个F 1
代群体构建了遗传图谱。国内对于苜蓿家系遗传变
异的研究起步较晚, 已报道的仅见张丽芳 [ 13]对豆科
模式植物蒺藜苜蓿的研究, 采用 W5160 和 Jema

long 进行杂交,构建了蒺藜苜蓿的 F 2 群体, 并用主
基因
多基因分离分析法对该群体的侧枝长度进行
了多个世代的联合分析。在此基础上,雷艳芳[ 14] 对
此群体种子产量的相关性状进行了遗传变异分析,
并构建了图距 493. 2 cM、包含 29个 SSR标记的连
锁群。但国内对于四倍体苜蓿家系的建立及相关遗
传变异分析还未见报道。本研究以不同优良单株的
紫花苜蓿与黄花苜蓿为亲本进行杂交, 通过 F1 杂交
种自交建植了包含 89株个体的 F 2 群体, 建立了四
倍体苜蓿遗传家系, 对该家系的形态学、农艺学性状
和营养成分含量的变异进行遗传分析, 以期通过对
家系内各性状遗传变异的研究,探讨其遗传规律, 为
后期利用此家系进行四倍体苜蓿遗传图谱的构建以
及 QT L 定位分析提供参考依据。
1
材料与方法
1. 1
试验地概况
中国农业科学院草原研究所实验基地, 位于内
蒙古土默特左旗沙尔沁乡, 地理坐标为 E111
45
,
N40
36
,温带大陆性季风气候, 光能充足, 雨热同
期,昼夜温差大,年均温为 6. 3
,最高气温 39. 3
,
最低气温- 35. 6
,年均降水量 396. 7 mm, 无霜期
为 133 d,土壤类型主要以草甸土和灰褐土为主,土
壤有机质含量在 1. 5%左右。
1. 2
家系构建
2008年以锡盟黄花苜蓿为母本,塔什库尔干紫
花苜蓿为父本进行杂交(亲本材料由中国农业科学
院草原研究所提供)。秋季收获种子, 2009年春季
播种F 1 代种子,通过花色判断杂交成功的 F 1植株,
采用 2 m
2 m
2 m 的网罩套网, 人工自交,自交
前用剪刀剪掉龙骨瓣已经张开的苜蓿小花及花序,
然后人工用镊子在每个花序按由下到上的顺序挑开
每朵小花的龙骨瓣, 使其自己的花粉与柱头接触。
2009年秋季获得 F2 种子, 当年于温室内育苗盘育
苗, 2010年 5月移苗大田共获得 89株成活的 F2 群
体,小区面积 100 m2 ,行距 1 m,株距 1 m ,以保证单
株之间互不影响, 常规田间管理。
1. 3
测定内容与方法
1. 3. 1
形态学性状描述
对亲本材料、F1 代和 F2
代群体的花色及株型进行统计。株型采用吴永
敷[ 1 5]分类方法, 将株型分为直立、半直立、匍匐 3
种;花色统计为紫花、黄花与杂花 3种。
1. 3. 2
农艺学性状测定
根据卢欣石等[ 16] 和刘振
虎[ 1 7]在试验中选用的农艺学与形态学性状指标,于
2010年 7月苜蓿初花期对亲本材料、杂交种 F 1 和
F 2群体测定指标如下:
生物量( g) : 测定刈割后单株苜蓿的鲜重( F resh
w eight, FY)及自然风干后干重( Hay w eight , HY) ;
分枝数( Branch number, BN) : 统计植株的分枝数
目;株高( Natural height , NH , cm) : 测定植株从地
面到顶端的距离; 主茎长( Stem leng th, SL, cm) : 测
定主茎枝条从根冠到第一个花序茎节处的距离; 节
间数( Inter nodes number, IN ) : 统计主茎长度内的
茎节数目;节间长( Average internodes length, AIL,
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第 4期 苏东等:四倍体苜蓿家系的建立及遗传变异分析
cm) :即主茎长度除以节间数。
叶片指标测定方法是取主茎第一花序下成熟展
开的叶片,再取三出复叶的中间小叶, 采用 CI
202
型叶面积仪(美国 CID公司生产)测定叶面积( Leaf
ar ea, A, cm2 )、叶片长( Leaf length, L , cm )、叶片宽
( Leaf w idth, W, cm)、叶周长( Perimeter, P, cm )、叶
长宽比( Rat io of Leaf leng th to Leaf w idth, R)、叶
型指数( Shape Factor, F )。
1. 3. 3
营养成分含量测定
采用 DA7200近红外
分析仪测定亲本材料、杂交种 F1 和 F 2 群体营养物
质含量, 所测指标如下: 粗蛋白 ( Pro tein)、粗纤维
( Fiber)、酸性洗涤纤维 ( ADF)、中性洗涤纤维
( NDF)、粗灰分( Ash)、脂肪( Fat )、糖分( Sugar )、钙
含量( Ca)、磷含量( P)。
1. 4
数据处理
采用 Excel 2003 和 SPSS 16. 0 软件进行数据
处理。
2
结果与分析
2. 1
形态学性状统计结果
父本是新疆的塔什库尔干紫花苜蓿, 母本是内
蒙古锡盟的黄花苜蓿, 杂交种 F1 为杂花苜蓿,双亲
及杂交种 F1 均为直立型苜蓿, F 2 群体中花色和株
型的统计见表 1。
表 1
F2 群体花色和株型的分离
Table 1
Seg regation o f flower co lo rs and plant types in the F2 population
F2 群体
F2 populat ion
花色 Flow er colors 株型Plant typ e
紫花
Purple
黄花
Yellow
杂花
Variedness
直立
Erect
半直立
H alf
erect
匍匐
Creeping
株数 Plants 20 33 36 32 45 12
百分比 Percentage, % 22. 47 37. 08 40. 45 35. 96 50. 56 13. 48


由表 1可知, F 2群体 89个单株中, 杂花苜蓿最
多,有 36株, 其次为黄花苜蓿为 33株, 紫花较少为
20 株, 所占比例分别是 40. 45%, 37. 08% 和
22
47%, 可能黄花苜蓿作为母本的母体效应是造成
分离群体中黄花偏多的原因, 具体原因有待于进一
步研究; 株型统计结果为:直立型 32株( 35. 96% ) ,
匍匐型苜蓿 12 株 ( 13. 48% ) , 半直立型 45 株
( 50
56% ) ,双亲及杂交种均为直立,而在 F2 群体中
出现了直立、半直立与匍匐类型, 说明杂交种 F1 自
交的后代发生了分离。
2. 2
农艺学性状测定结果
杂交子代在生长、成活、繁殖能力或生产性能等
方面优于双亲均值的现象称为杂种优势。通过杂交
种 F 1 代与双亲的农艺学性状值对比(表 2) , 可以看
出 F 1代除在分枝、节间长和叶长低于双亲均值外,
其余各项指标均大于双亲均值, 具有一定的杂种优
势,是优良的家系组合。
表 2
亲本苜蓿和 F1 代杂交种农艺学性状
Table 2
Agronomy traits o f parents and hybrid F1
农艺性状
Agronomy t rai t
塔什库尔干紫花苜蓿
M. sat iv a T ashenkuergan
锡盟黄花苜蓿
M. f alcata Ximen g
双亲均值
Paren t mean
F1 杂种
H ybrid
分枝数 BN 154 158 156 102
主茎长 SL , cm 94. 50 50. 80 72. 65 85. 70
节间数 IN 13 12 12. 50 23
节间长 AIL, cm 5. 51 5. 09 5. 30 4. 20
叶面积 A, cm2 0. 96 0. 38 0. 67 1. 05
叶长 L, cm 2. 13 1. 42 1. 76 2. 12
叶宽 W, cm 0. 74 0. 40 0. 57 0. 78
叶周长 P, cm 4. 63 2. 99 3. 81 4. 60
叶长宽比 R 2. 76 3. 43 3. 10 2. 45
叶型指数 F 0. 57 0. 54 0. 56 0. 65


注 ( Note) : BN: Branch num ber, SL: S tem length, IN: Intern od es number, AIL: Average internodes length, A: Leaf area, L: Leaf
length, W : Leaf w idth, P: Perimeter, R : Rat io of leaf len gth to leaf w idth, F: S hape of leaf factor
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鉴于苜蓿自交衰退的特性,为保证 F 2代成活率
及群体的数量, F1 代自交得到的种子先在培养皿里
进行水培,发芽的种子种入育苗盘,然后将成活幼苗
移到大田,株距行距均为 1 m ,以保证单株之间互不
影响,最终大田中 F 2 群体成活个体为 89株,测定的
F 2代群体的农艺学性状及变异见表 3。
表 3
F2 群体农艺性状变异
Table 3
Variabilit y of ag ronomic traits in the F 2 population
性状
Trait
平均值
Mean
标准误
St . D
最小值
M in
最大值
Max
极差
Range
变异系数
CV, %
鲜重 FW , g 118. 19 2. 56 1. 07 511. 5 510. 43 0. 90
干重 HW, g 41. 21 2. 71 0. 39 165. 5 165. 11 0. 83
分枝数 BN 9. 24 0. 81 1 54 53 0. 83
株高 NH , cm 48. 73 1. 59 15 78 63 0. 31
主茎长 SL , cm 68. 41 1. 98 17 119 102 0. 27
节间数 IN 21. 19 0. 43 12 34 22 0. 19
节间长 AIL, cm 3. 27 0. 09 0. 94 5. 31 4. 37 0. 26
叶面积 A, cm2 0. 63 0. 03 0. 23 1. 26 1. 03 0. 37
叶长 L, cm 1. 89 0. 05 0. 91 2. 95 2. 04 0. 23
叶宽 W, cm 0. 61 0. 02 0. 26 1. 18 0. 92 0. 25
叶周长 P, cm 4. 16 0. 08 2. 27 6. 26 3. 99 0. 19
叶长宽比 R 3. 05 0. 11 0. 73 6. 54 5. 81 0. 32
叶型指数 F 0. 46 0. 02 0. 16 0. 79 0. 63 0. 26


注( Note) : FY: Fresh w eight , H Y: Hay w eig ht , BN: Branch number, NH : Natural h eight , BN: Branch num ber, SL: S tem length, IN:
Internodes n umber, AIL: Average internodes length, A: Leaf area, L: Leaf length, W: L eaf width , P: Perim eter, R : Rat io of leaf length to
leaf w idth, F: Sh ape of leaf factor


表 3中 F2 群体的农艺性状测定结果显示,这些
性状总体变异系数的平均数为 0. 40, 各性状变异由
大到小顺序为: 鲜重、干重、分枝数、叶面积、叶长宽
比、株高、主茎长、节间长、叶型指数、叶宽、叶长、叶
周长、节间数。变异系数较大的有鲜重( 90% )、干重
( 83% )和分枝数( 83% ) , 这 3 个指标变异系数都达
到了 80%以上;单株苜蓿地上生物量鲜重变化范围
为 1. 07~ 511. 5 g ,干重变化范围为 0. 39~ 165. 11
g,这与两者变异系数比较相符; 分枝数的多少是影
响生物量大小的因素之一, 因而分枝数变异系数较
大是引起鲜重、干重变异系数较大的原因; 主茎长、
节间数和节间长的变异系数相对较小, 都不超过
30%。叶片参数的遗传变异结果显示,叶面积与叶
长宽比变异较大(均为 30%以上) , 叶长、叶宽和叶
型指数变异处于中等为 25%左右, 叶周长变异最小
( 19%) ,此外,叶型指数反映了叶子性状与圆形接近
的程度, 其变化范围 16% ~ 79% , 说明群体中叶子
形状包含了从狭长型到近椭圆形的过渡类型。
2. 3
营养成分测定结果
苜蓿干草是公认的优质饲料, 含有大量的粗蛋
白、丰富的碳水化合物和多种矿物元素及维生素,各
种营养成分的含量关系着苜蓿品质等级和经济价
值。本研究对此四倍体苜蓿家系的双亲及杂交种
F 1代和 F2 代群体的一些重要营养成分含量测定结
果见表 4。
表 4
F2 群体营养成分含量遗传变化
Table 4
Var iability o f nutr ient contents in the F2 population
营养成分, %
Nu trient content
塔什库尔干紫花苜蓿
M. sat i va T ashen kuer gan
锡盟黄花苜蓿
M. f alcata Ximeng
双亲均值
Parent m ean
F1 杂种
Hyb rid
F2 群体
F2 populat ion
变异系数
CV, %
粗蛋白 Pr otein 17. 56 16. 32 16. 94 17. 41 15. 07 0. 11
粗纤维 Fib er 26. 69 22. 87 24. 78 28. 2 33. 74 0. 18
粗灰分 Ash 8. 42 9. 15 8. 78 9. 55 5. 75 0. 13
脂肪 Fat 1. 28 0. 63 0. 96 0. 73 0. 86 0. 26
糖分 Sugar 2. 44 2. 04 2. 24 2. 93 2. 96 0. 10
中性洗涤纤维 NDF 35. 67 31. 5 33. 56 28. 21 45. 57 0. 08
酸性洗涤纤维 ADF 27. 01 24. 56 25. 78 23. 61 31. 41 0. 12
磷 P 0. 21 0. 25 0. 23 0. 29 0. 15 0. 18
钙 Ca 1. 25 1. 20 1. 23 1. 51 1. 24 0. 24


注( Note) : NDF: n eut ral deterg ent fiber, ADF: acid detergen t f iber
660
第 4期 苏东等:四倍体苜蓿家系的建立及遗传变异分析


由表 4可知,杂交种 F1 代的粗蛋白、脂肪含量
介于双亲之间, 粗蛋白含量大于双亲均值且更接近
于父本塔什库尔干紫花苜蓿, 脂肪含量则低于双亲
均值但高于母本锡盟黄花苜蓿; 粗纤维、粗灰分、糖
分、磷含量、钙含量均高于 2个亲本及双亲均值; 中
性洗涤纤维和酸洗洗涤纤维则较双亲及其均值
都低。
F2 群体中粗蛋白含量为 15. 07%、粗灰分含量
5. 75%和磷含量 0. 15%均小于双亲及 F 1 代; 粗纤
维 ( 33. 74%)、糖分 ( 2. 96% )、中性洗涤纤维
( 45
57% )、酸性洗涤纤维( 31. 41%) 4 个指标的含
量均高于双亲及 F 1 代; F 2 群体中脂肪含量
( 0
86%)大于 F1 代,虽然较母本材料高但低于双亲
均值; F2 的钙含量 ( 1. 24%)高于双亲均值, 且接近
于母本材料( 1. 20%)和父本材料( 1. 25%) , 但低于
杂交种 F1 代( 1. 51% )。各营养成分含量的变异从
大到小排序为: 脂肪、Ca 元素、P 元素、粗纤维、灰
分、酸性洗涤纤维、粗蛋白、糖分、中性洗涤纤维。平
均变异系数为 16%,较农艺学性状低。
3
讨论与结论
国外对于苜蓿家系的研究主要用于构建连锁图
谱[ 4~ 12] , 国内现有的苜蓿遗传变异研究大多侧重于
品种内或品种间的对比研究, 如韩路等[ 18] 针对 30
个紫花苜蓿的农艺性状、品质性状主要影响因子进
行了对应分析; 徐春波等 [ 19]对不用苜蓿品种的叶片
相关指标研究结果认为叶片形态方面存在着较大的
差异;程鹏舞等 [ 20]对一年生苜蓿外部形状统计分析
显示主茎长和株高变异很大, 叶长、叶宽次之。而国
内苜蓿家系的研究仅见雷艳芳 [ 14]对二倍体蒺藜苜
蓿 F2 家系的种子产量相关性状的探讨,四倍体苜蓿
家系的形态农艺等性状的遗传变异研究还未见报
道。本研究采用四倍体苜蓿材料杂交, 既锡盟黄花
苜蓿(
)
塔什库尔干紫花苜蓿(
) , 获得的杂交
种 F1 较双亲具有一定杂种优势, 杂交种 F 1 自交建
立起了 89株的 F 2 分离群体; 对此四倍体苜蓿家系
形态性状研究表明 F 2 群体在花色及株型上出现分
离,杂交种 F 1 花色为杂色, F2 群体中包含了紫花、
黄花和杂花 3种花色, 株型出现亲本所没有匍匐和
半直立类型,说明 F2 群体经基因重组后性状分离明
显。对农艺性状变异系数的大小进行排序为:鲜重、
干重、分枝数、叶面积、叶长宽比、株高、主茎长、节间
长、叶型指数、叶宽、叶长、叶周长、节间数,平均变异
系数 40% ; F2 群体中生物量(鲜重、干重)变异系数
较大,这是因为构成苜蓿单株产量的因素较多, 包括
干重、分枝数及株高等性状有密切的联系,且是受多
基因控制的数量性状, 与环境存在互作,受环境因子
的影响较大, 因而变异系数较大不足为奇。魏微
等[ 2 1]采用德钦苜蓿与 Acrora 苜蓿杂交, 探索了品
种间杂交后代的性状变异及规律,对杂交亲本、杂种
1代、杂种 2 代的 5 个性状变异大小排序为干重>
分枝数> 株高> 叶长> 叶宽, 与本研究结果一致。
营养成分变异系数从大到小顺序为:脂肪、Ca元素、
P 元素、粗纤维、灰分、酸性洗涤纤维、粗蛋白、糖分、
中性洗涤纤维, 平均变异系数 16% , 比农艺学性状
变异较小,可能是 F 2 代群体来源于全同胞家系的原
因,同时一定程度上表明这些指标在此家系内遗传
较稳定。由于本试验数据仅基于当年生结果,相关
结论有待进一步观察研究和验证, 以便为后续的图
谱构建和 QTL 定位提供一定的依据。
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邵新庆)
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