玉米矮稈基因Dt的遺傳效應研究

董魯朋 趙燕 徐長利 李清林 戚秀山 劉蓮 劉保申

摘 要：玉米矮生種質資源在玉米育種中具有重要的利用價值。用玉米52333矮稈突變體及其高稈近等基因系分別與Lx9801、C607、C785、S121、鄭58和昌7-2等自交系組配得到相應雜交種，研究Dt基因的遺傳效應。結果表明：含有Dt基因的材料其植株株高和穗位高顯著降低，降幅分別達67～112 cm和34～56 cm；Dt基因使玉米單株果穗在穗長、穗粗、行粒數(shù)、穗行數(shù)和粒重等方面都有不同程度的下降。通過對玉米矮稈基因Dt的鑒定分析，認為該基因對玉米產(chǎn)量性狀具有負效應，不利于玉米增產(chǎn)。

關鍵詞：玉米；矮稈；近等基因系；Dt基因

中圖分類號：S513.035.3文獻標識號：A文章編號：1001-4942（2016）05-0001-04

Abstract Dwarf germplasm resources have significant utilization value in maize breeding. In this study， the hybrids were obtained from maize dwarf mutant 52333 and its near-isogenic lines crossed with inbred lines of Lx9801， C607， C785， S121， Zheng 58 and Chang 7-2， respectively. With these hybrids as materials， the genetic effect of gene Dt was studied. The results showed that the materials containing Dt gene had remarkably reductions in plant height and ear height， and the reducing amplitude ranged in 67～112 cm and 34～56 cm， respectively. Dt gene was considered unfavorable for increasing maize yield because of its negative effect on yield characters such as ear length， ear diameter， ear rows， kernel weight per ear.

Key words Maize； Dwarf； Near-isogenic lines； Dt gene

在作物育種實踐中，株高一直是農(nóng)藝性狀改良的一項重要內(nèi)容。降低作物株高能夠增加種植密度，提高群體光能利用效率，增強抗倒伏能力，提高產(chǎn)量。發(fā)掘并利用種質資源中的矮生基因一直備受育種家的重視，在第一次“綠色革命”中，小麥和水稻等作物產(chǎn)量的大幅度提高主要得益于對矮稈性狀的利用[1～3]，在世界范圍內(nèi)為糧食增產(chǎn)做出了巨大貢獻。

近年來，通過培育高稈玉米雜交種提高單產(chǎn)的幅度越來越小，且難度不斷增加，因此要充分利用種質資源培育新型玉米品種提高單產(chǎn)能力，達到增產(chǎn)目的。矮稈玉米相對于高稈玉米，株型緊湊，上疏下密，通光透風，耐肥抗倒，適宜密植，適合機械化收割，能達到高稈玉米難以實現(xiàn)的高產(chǎn)和機收目的。充分利用玉米矮生基因資源培育矮稈雜交種提高產(chǎn)量是玉米育種一個重要發(fā)展方向。玉米矮生遺傳機制有單基因矮稈體系和多基因矮稈體系[4]，目前在玉米中發(fā)現(xiàn)了40多個矮稈單基因，進行系統(tǒng)研究的有br、br2、bv、ct、d1、d2、d3、d5、D8、D9、mi、na1、na2、py、rd1、rd2、yd、D11等，這些基因除D8、D9、D11外都是隱性的[5～7]，但是這些基因大多數(shù)與對生產(chǎn)不利的遺傳基因相連鎖，從而嚴重制約了它們在玉米生產(chǎn)中的應用；現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)眾多控制玉米株高的QTL[8～11]，但大多未用于玉米育種實踐上。矮稈資源的狹窄限制了玉米矮化育種的發(fā)展，發(fā)掘并利用新的玉米矮源和矮稈基因、培育矮稈新品種、增加單產(chǎn)是玉米育種的一個重要方向。

本實驗室在CL1077雜交種自交后代的一個株系中發(fā)現(xiàn)矮稈突變體，經(jīng)過連續(xù)自交得到純合矮稈株系，命名為52333。初步遺傳分析表明，該突變體矮稈性狀是由一個顯性單基因控制，暫命名此基因為Dt[12，13]。該突變體株型較好，抗倒伏能力強，能夠得到純合玉米植株并正常結實。為了驗證Dt基因能否在育種實踐中應用，本試驗對Dt基因的遺傳效應進行研究，鑒定此基因是否與對玉米生產(chǎn)不良的農(nóng)藝性狀連鎖，為培育矮稈玉米品種、增加單產(chǎn)奠定一定理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

CL1077是Reid群和蘭卡斯特群組配得到的雜交種，利用CL1077自交選育自交系時獲得矮稈突變材料，雜合矮稈突變體多代自交獲得52333及其高稈近等基因系，利用成對近等基因系分別與Lx9801、C607、C785、S121、鄭58、昌7-2等國內(nèi)骨干自交系進行雜交得到相應矮稈和高稈雜交種材料，分別記為Lx9801/D和Lx9801/H、C607/D和C607/H、C785/D和C785/H、S121/D和S121/H、鄭58/D和鄭58/H、昌7-2/D和昌7-2/H。

1.2 試驗方法

6種矮稈和高稈雜交種材料采用雙行種植，每個小區(qū)種12行，行長3.5 m，大行距60 cm，小行距45 cm，株距25 cm，重復3次。2014年試驗在山東農(nóng)業(yè)大學試驗田進行，6月上旬播種，田間管理同大田。調查出苗到開花的時間；每行隨機選擇5株進行株高、穗位高田間測量并掛牌標記；玉米成熟后收取標記植株果穗進行室內(nèi)考種，主要包括穗長、穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)、禿尖長度、粒重、百粒重、軸重、出籽率等農(nóng)藝性狀。性狀評價標準參用《玉米種質資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標準》[14]。粒重、百粒重等按照北方玉米安全儲存含水量14%的標準進行換算。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用 Microsoft Excel 2010和SPSS 18.0軟件進行統(tǒng)計和方差分析。

2 結果與分析

2.1 Dt基因對雜交種材料出苗至開花時間的影響

開花期標志著玉米進入以生殖生長為主的階段，因而到達開花期的時間長短對玉米繁殖后代非常重要。由圖1可知，除昌7-2/D比昌7-2/H到達開花期時間較短外，其它都是含有Dt基因材料所需天數(shù)較長，總體長1天左右，其中Lx9801/D和Lx9801/H天數(shù)相差1.5天左右，可見Dt基因在一些材料中使玉米到達開花期的時間推遲。我們前期研究發(fā)現(xiàn)矮稈突變體近等基因系高、矮稈材料在相同環(huán)境下，矮稈比高稈散粉推遲5天左右、吐絲推遲4天左右，由于雜交種進行比較時矮稈基因處于雜合狀態(tài)，矮稈基因的劑量和效應導致生育期推遲時間減少。

2.2 Dt基因對雜交種材料株高、穗位高的影響

株高和穗位高是玉米重要的農(nóng)藝性狀，適當降低株高和穗位高，使植株重心下降，能夠提高抗倒伏能力。對高矮稈試驗材料的株高和穗位高進行方差分析（表1）可知，6種高矮稈雜交種材料的株高差異都達到極顯著水平；Dtdt基因型植株比dtdt基因型植株的株高平均降低67.53～112.60 cm，其中C785/D和C785/H株高差別最大，達到112.60 cm；對穗位高方差分析發(fā)現(xiàn)，S121/D和S121/H高矮稈雜交種材料差異達到顯著水平，其它5種材料達到極顯著水平，玉米穗位高平均降低33.77～55.13 cm。這表明，Dt基因能使玉米株高和穗位高大幅度降低，植株重心下降，對增加玉米種植密度、提高抗倒伏能力及適合機械化收獲具有重要的研究意義。

2.3 Dt基因對雜交種材料果穗性狀的影響

由表2可以看出，Dt基因有使玉米穗長減小的趨勢，但在6種高矮稈雜交種材料中除鄭58/D與鄭58/H穗長差異顯著外，其它高矮稈雜交種差異不顯著；C607/D與C607/H、S121/D與S121/H的穗粗差異達到顯著水平，C785/D與C785/H、鄭58/D與鄭58/H、昌7-2/D與昌7-2/H高矮稈材料差異達到極顯著水平；各高矮稈材料的禿尖長度差異不顯著，但Dtdt基因型植株穗長比dtdt基因型植株短1.67～5.07 cm。故Dt基因對玉米植株穗部性狀影響較大，降低了籽粒的發(fā)育空間和結實率。

穗行數(shù)和行粒數(shù)決定一個玉米果穗的總粒數(shù)，是構成玉米產(chǎn)量的重要因素，對產(chǎn)量具有重大影響。通過對高矮稈材料穗行數(shù)和行粒數(shù)的方差分析可知，C785/D與C785/H高矮稈材料的穗行數(shù)差異極顯著，行粒數(shù)差異顯著；鄭58/D與鄭58/H、昌7-2/D與昌7-2/H在穗行數(shù)和行粒數(shù)上差異顯著，S121/D與S121/H差異達到極顯著水平。穗長、穗粗、禿尖長度、穗行數(shù)、行粒數(shù)是評判玉米穗部優(yōu)良與否的重要性狀指標，從單株玉米果穗上看，Dt基因限制了玉米果穗的穗行數(shù)和行粒數(shù)，總粒數(shù)降低。由表2得出，Dt基因降低了玉米穗部的生物產(chǎn)量，對玉米單株產(chǎn)量具有不利影響。

2.4 Dt基因對雜交種材料穗粒重、百粒重及出籽率的影響

百粒重是衡量玉米籽粒大小的重要指標，穗粒重是決定產(chǎn)量的關鍵因素[15，16]。由表3可知，各高矮稈雜交種材料的穗粒重差異比較明顯，相差范圍在52.95～98.02 g之間，其中C785/D和C785/H差異達到極顯著水平，穗粒重相差最大；Dtdt基因型植株的百粒重低于dtdt基因型植株，其中C785/D與C785/H、昌7-2/D和昌7-2/H高矮稈雜交種百粒重差異達到顯著水平；從出籽率來看，除鄭58/D和鄭58/H差異顯著外，其它材料差異都不顯著。由此可以看出，Dt基因在玉米的穗粒重和百粒重方面有一定的不利影響。該基因能夠大幅度降低單株玉米的籽粒重量和籽粒大小，而粒重的降低無法得到其它產(chǎn)量因素的補償[17]，在相同條件下，Dt基因對玉米單株產(chǎn)量來說具有不利影響。

3 結論與討論

據(jù)不完全統(tǒng)計，我國玉米產(chǎn)量每年因倒伏損失近100×104 t [18]，倒伏已經(jīng)成為玉米高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的主要限制因子，培育抗倒伏玉米品種是現(xiàn)在及未來農(nóng)業(yè)的需要。玉米株高和穗位高決定玉米植株的重心，重心越高，倒伏的風險就越大[19]。由于矮稈玉米重心低、抗倒伏能力強，因此具有高稈玉米不具備的優(yōu)勢。Dt基因使玉米株高降低不是因為莖節(jié)數(shù)量的減少，而是由于節(jié)間長度的縮短所導致，節(jié)間長度的縮短增加莖稈的強度，提高植株抗倒伏能力。我國農(nóng)業(yè)正在逐步實現(xiàn)機械化，具有矮稈、早熟、耐密植、抗倒伏、脫水快等特點的玉米品種具有非常大的潛力和優(yōu)勢。矮稈玉米株型緊湊，適宜高度密植，籽粒脫水快，群體光能利用率高，因此培育矮稈玉米品種是玉米育種的一個重要方向。我國矮稈玉米的選育在20世紀70年代就已經(jīng)開始，培育的南矮325、南矮1號、成矮2號[20，21]等是比較早的矮稈品種，由于控制矮生的主效基因與其它不良基因連鎖，雖具有群體增產(chǎn)能力但達不到實際產(chǎn)量效果。矮稈資源狹窄限制玉米矮化育種發(fā)展，亟需發(fā)掘和利用新的矮源和矮稈基因，培育矮稈玉米品種，提高單產(chǎn)。

本試驗矮稈材料52333能夠正常結實，其株型較好，能豐富矮稈種質資源，為培育出優(yōu)秀的矮稈品種奠定良好基礎。Dt基因是一個顯性矮稈基因，對玉米植株的降稈作用非常明顯，極大地降低株高和穗位高。玉米矮稈基因Dt對穗長、穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)、粒重等具有不利影響，從而影響玉米單株產(chǎn)量，但對密植增產(chǎn)和抗倒伏可能有一定的貢獻，如何協(xié)調二者的關系以加快矮稈基因Dt應用于生產(chǎn)是今后研究的重點。

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