不同玉米單倍體誘導(dǎo)系之間雜交組合誘導(dǎo)性狀的雜種優(yōu)勢(shì)研究

， ， ， ， ， 文才， 明鑫， ，

(吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院農(nóng)學(xué)院， 吉林 吉林 132101)

如今，以生物誘導(dǎo)為基礎(chǔ)的玉米DH(Doubled Haploid)育種技術(shù)已經(jīng)成為與分子標(biāo)記輔助育種、轉(zhuǎn)基因育種相媲美的現(xiàn)代三大核心育種技術(shù)之一，是加快玉米育種進(jìn)程的重要手段，具有“劃時(shí)代”意義[1-2]?；谟衩譊H育種技術(shù)的實(shí)用性及其具有重大的現(xiàn)實(shí)意義，育種工作者在運(yùn)用玉米DH育種技術(shù)時(shí)應(yīng)當(dāng)特別其注重基礎(chǔ)環(huán)節(jié)-誘導(dǎo)環(huán)節(jié)。

雜種優(yōu)勢(shì)已經(jīng)在作物育種及作物生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用，利用F1組合的雜種優(yōu)勢(shì)來(lái)提高誘導(dǎo)材料的株高、散粉性、結(jié)實(shí)性等，很有前景。國(guó)內(nèi)外研究表明，不同血緣的玉米單倍體誘導(dǎo)系在誘導(dǎo)率、株高等農(nóng)藝性狀之間也存在雜種優(yōu)勢(shì)[3-4]。因此，如何將誘導(dǎo)性狀的雜種優(yōu)勢(shì)有效地應(yīng)用于玉米DH育種實(shí)踐，不斷地提高玉米DH育種效率是一項(xiàng)持久的研究課題。通過(guò)提高父本誘導(dǎo)系的誘導(dǎo)率可在同等誘導(dǎo)規(guī)模下獲得大批量的單倍體，通過(guò)提高單倍體父本誘導(dǎo)系的植株高度、增大誘導(dǎo)系材料的雄穗小花數(shù)量，可以滿(mǎn)足DH育種“工廠化”大規(guī)模隔離誘導(dǎo)材料的需求。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料分別為36份誘導(dǎo)系及5份測(cè)驗(yàn)種，其中36份誘導(dǎo)系包含8份誘導(dǎo)系及按照NCⅡ組配的28份F1。供試誘導(dǎo)系的血緣及名稱(chēng)見(jiàn)表1。供試5份測(cè)驗(yàn)種分別選自國(guó)內(nèi)不同類(lèi)群的玉米骨干自交系：龍抗11(Lancaster類(lèi)群)、S 121(旅大紅骨類(lèi)群)、鄭58(Reid類(lèi)群)、吉853(塘四平頭類(lèi)群)、丹599(P群)。

表1 誘導(dǎo)系名稱(chēng)及血緣

名稱(chēng)血緣 DW7(F6-UH400)-7-9-4-1-1DW8(F6-MHI)-8-4-27-10-10DW22(F6-RWS)-11-6-13-3-2DW23(BC1F5-KEMS)-5-11-8-3DW24(F6-PK6)-20-9-8-4-3DW25(BC1F5-ZMS)-14-3-5-8DW26(BC1F5- CAU5)-25-11-7-2DW27(BC1F5-WS14)-10-12-5-1

1.2 試驗(yàn)方法

將供試36份誘導(dǎo)系材料與5份骨干系測(cè)驗(yàn)種于2016年冬季播種于海南三亞。為保證誘導(dǎo)系材料與測(cè)驗(yàn)種花期相遇，將測(cè)驗(yàn)種一次性播種，36份誘導(dǎo)系材料分別于測(cè)驗(yàn)種播種完畢后的7，10 d進(jìn)行錯(cuò)期播種。每份組合雜交誘導(dǎo)10穗。成熟后收獲雜交果穗，晾干后進(jìn)行穗上脫粒再統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)單倍體數(shù)。當(dāng)選的準(zhǔn)單倍體于2017年夏季精細(xì)播種于吉林玉米育種基地，在苗期進(jìn)行去雜去偽，單倍體鑒定及統(tǒng)計(jì)方法參照玉米單倍體育種技術(shù)(第2版)[5]，統(tǒng)計(jì)最后單倍體株數(shù)。

2017年夏季在吉林玉米育種基地進(jìn)行2016年冬季的重復(fù)誘導(dǎo)試驗(yàn)，并于2017年冬季在三亞進(jìn)行單倍體鑒定。單倍體誘導(dǎo)率以對(duì)5份測(cè)驗(yàn)種的2年試驗(yàn)數(shù)據(jù)均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

此外，本研究于2016年冬季在三亞、2017年夏季在吉林，分別調(diào)查記載8份誘導(dǎo)系和28份誘導(dǎo)系F1的株高和雄穗小花數(shù)性狀。每份試驗(yàn)材料調(diào)查5株，3次重復(fù)，取均值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

1.3 統(tǒng)計(jì)方法

數(shù)據(jù)通過(guò)Excel 2013軟件和DPS 7.1軟件[6]進(jìn)行分析。

試驗(yàn)中單倍體誘導(dǎo)率、雜種優(yōu)勢(shì)、中親優(yōu)勢(shì)、超親優(yōu)勢(shì)計(jì)算公式如下[7]：

單倍體誘導(dǎo)率(%)=(單倍體株數(shù)/單倍體總粒數(shù))×100%；

雜種優(yōu)勢(shì)(%)=[F1/(P1+P2)]×100%；

中親優(yōu)勢(shì)(%)=[(F1-MP)/MP]×100%；

超親優(yōu)勢(shì)(%)=[(F1-HP)/HP]×100%；

低親優(yōu)勢(shì)(%)=[(F1-LP)/LP]×100%。

式中，P1和P2分別為親本1和親本2；MP為中親優(yōu)勢(shì)；HP為超親優(yōu)勢(shì)；LP為低親優(yōu)勢(shì)。

2 結(jié)果與分析

2.1 誘導(dǎo)系誘導(dǎo)性狀的方差分析

將8份誘導(dǎo)系誘導(dǎo)性狀的方差分析F值列于表2。由表2可知，8份誘導(dǎo)系間的誘導(dǎo)率均值、株高和雄穗小花數(shù)等誘導(dǎo)性狀均存在極顯著差異；不同地點(diǎn)

表4 28份誘導(dǎo)系間雜交組合株高、雄穗小花數(shù)的雜種優(yōu)勢(shì)分析

組合 株高 雄穗小花數(shù) F1均值(cm)中親優(yōu)勢(shì)MP(%)超親優(yōu)勢(shì)HP(%)F1均值(cm)中親優(yōu)勢(shì)MP(%)超親優(yōu)勢(shì)HP(%)DW7/DW8196.815.46.7405.090.346.4DW7/DW22199.213.78.0387.798.059.8DW7/DW23214.520.116.3399.4119.986.4DW7/DW24201.816.89.4334.749.311.8DW7/DW25203.214.310.1463.4144.2101.0DW7/DW26196.810.86.7386.750.96.4DW7/DW27198.810.07.8452.7114.465.6DW8/DW22195.821.518.1495.090.779.0DW8/DW23180.89.84.6574.7134.1107.8DW8/DW24189.819.617.9468.762.856.6DW8/DW25201.222.817.5486.791.976.0DW8/DW26161.8-1.1-5.2489.452.934.6DW8/DW27171.52.9-3.0508.785.083.9DW22/DW23174.53.11.0382.767.557.7DW22/DW24184.512.911.3500.784.867.3DW22/DW25199.518.416.5497.4110.2105.0DW22/DW26184.89.98.3434.743.419.6DW22/DW27182.56.53.2522.7102.691.3DW23/DW24174.54.61.0462.780.254.6DW23/DW25165.5-3.8-4.2411.084.878.2DW23/DW26186.28.47.8384.733.15.8DW23/DW27179.82.91.7554.7127.5103.0DW24/DW25169.21.9-1.2376.742.225.9DW24/DW26190.514.911.7503.752.038.5DW24/DW27184.29.14.2538.788.280.0DW25/DW26203.218.918.7464.056.227.6DW25/DW27209.520.418.5482.791.676.6DW26/DW27190.89.87.9602.789.365.8

間誘導(dǎo)率均值與雄穗小花數(shù)均不存在顯著差異；不同地點(diǎn)間株高性狀與其他2個(gè)誘導(dǎo)性狀間均存在顯著差異，這可能是由于三亞冬季地區(qū)日均氣溫值較長(zhǎng)春高，一定程度上縮短了誘導(dǎo)系植株個(gè)體的生長(zhǎng)發(fā)育進(jìn)程，進(jìn)而使株高降低。

表2 8份誘導(dǎo)系誘導(dǎo)性狀方差分析F值

變異來(lái)源株高雄穗小花數(shù)誘導(dǎo)率誘導(dǎo)系522.24**318.52**12.33**地點(diǎn)76.38*10.440.25誘導(dǎo)系×地點(diǎn)5.265.160.71

注：“*”表示達(dá)顯著水平；“**”表示達(dá)極顯著水平。

由表3可知，株高性狀由高到低順序?yàn)椋篋W 7(184.5 cm)>DW 27(176.8 cm)>DW 23(172.8 cm)>DW 25(171.2 cm)>DW 26(170.6 cm)>DW 22(165.8 cm)>DW 24(161.0 cm)>DW 8(156.5 cm)，最高值與最低值相差28 cm；對(duì)于雄穗小花數(shù)性狀，由高到低依次為DW 26(363.6)>DW 24(299.3)>DW 8(276.6)>DW 27(273.3)>DW 22(242.6)>DW 25(230.6)>DW 23(214.3)>DW 7(149.0)；對(duì)于誘導(dǎo)率性狀，誘導(dǎo)系DW 25、DW 26、DW 27的誘導(dǎo)率位列前3位，分別為10.13%、9.72%、9.68%，誘導(dǎo)系DW 24(9.53%)、DW 23(8.84%)和DW 8(8.77%)居中，而DW 22(6.91%)和DW 7(6.85%)的誘導(dǎo)率位列后2位。8份誘導(dǎo)系的株高、雄穗小花數(shù)和誘導(dǎo)率性狀都存在較大差異，這為DH育種實(shí)踐中對(duì)雜種優(yōu)勢(shì)的利用提供了方向。

表3 8份誘導(dǎo)系誘導(dǎo)性狀均值的多重比較

名稱(chēng)株高雄穗小花數(shù)誘導(dǎo)率DW7184.5a149.0d6.85bDW8156.5c276.6bc8.77abDW22165.8b242.6c6.91bDW23172.8b214.3c8.84aDW24161.0bc299.3b9.53aDW25171.2b230.6c10.13aDW26170.6b363.6a9.72aDW27176.8ab273.3bc9.68a

注：表中不同小寫(xiě)字母表示在0.05水平上的差異顯著性。

表5 28份誘導(dǎo)系間雜交組合誘導(dǎo)率的雜種優(yōu)勢(shì)分析

組合 誘導(dǎo)率F1均值(cm)中親優(yōu)勢(shì)MP(%)超親優(yōu)勢(shì)HP(%)低親優(yōu)勢(shì)LP(%)組合誘導(dǎo)率F1均值(cm)中親優(yōu)勢(shì)MP(%)超親優(yōu)勢(shì)HP(%)低親優(yōu)勢(shì)LP(%)DW7/DW88.377.17-4.5622.19DW22/DW249.6817.761.5740.09DW7/DW228.6025.0024.4625.55DW22/DW259.238.33-8.8933.57DW7/DW239.1016.002.9432.85DW22/DW267.86-5.47-19.1413.75DW7/DW248.736.59-8.3927.45DW22/DW278.08-2.59-16.5316.93DW7/DW259.218.48-9.0834.45DW23/DW2410.9819.5415.2224.21DW7/DW2610.0521.303.4046.72DW23/DW2512.4931.6823.3041.29DW7/DW277.28-11.92-24.796.28DW23/DW2610.118.944.0114.37DW8/DW227.33-6.51-16.426.08DW23/DW2711.1019.8714.6725.57DW8/DW238.68-1.42-1.81-1.03DW24/DW2511.8820.8517.2824.66DW8/DW249.402.73-1.367.18DW24/DW2610.408.057.009.13DW8/DW258.64-8.57-14.71-1.48DW24/DW279.55-0.57-1.340.21DW8/DW2610.1810.114.7316.08DW25/DW2611.3714.5612.2416.98DW8/DW279.765.800.8311.29DW25/DW2710.627.224.849.71DW22/DW2310.1228.5114.4846.45DW26/DW2710.094.023.814.24

2.2 株高和雄穗小花數(shù)的雜種優(yōu)勢(shì)分析

基于目前玉米DH育種實(shí)際中存在著諸如父本誘導(dǎo)系株高低、花粉量不充足等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，本研究團(tuán)隊(duì)利用不同血緣的誘導(dǎo)系相互雜交方法，通過(guò)利用株高和雄穗小花數(shù)的雜種優(yōu)勢(shì)來(lái)克服上述實(shí)踐中的不足，以期指導(dǎo)規(guī)模化誘導(dǎo)系隔離誘導(dǎo)的需求。

由表4可知，對(duì)于株高性狀，大部分誘導(dǎo)系間F1均存在著一定的雜種優(yōu)勢(shì)。針對(duì)株高，位于前5位的組合為DW 7/DW 23、DW 25/DW 27、DW 25/DW 26(DW 7/DW 25)、DW 7/DW 24、DW 8/DW 25；僅組合DW 8/DW 26、DW 8/DW 27、DW 23/DW 25 和DW 24/DW 25未表現(xiàn)出超親優(yōu)勢(shì)。楊釗釗研究表明，雄穗分枝數(shù)和小花數(shù)的多少可在一定程度上代表雄穗個(gè)體花粉量的大小[8]。對(duì)于雄穗小花數(shù)性狀，28份誘導(dǎo)系F1的雄穗小花數(shù)均表現(xiàn)出超親優(yōu)勢(shì)，位于前5位的組合為DW 26/DW 27(602.7)、DW 8/DW 23(574.7)、DW 23/DW 27(554.7)、DW 24/DW 27(538.7)、DW 22/DW 27(522.7)。綜上，基于不同血緣的誘導(dǎo)系相互雜交能夠克服其株高較低和花粉量不足的問(wèn)題。

2.3 誘導(dǎo)率的雜種優(yōu)勢(shì)分析

將不同血緣誘導(dǎo)系雜交后的28份F1誘導(dǎo)率的超親優(yōu)勢(shì)、中親優(yōu)勢(shì)和低親優(yōu)勢(shì)分析結(jié)果列于表5。由表5可知，共15份F1誘導(dǎo)率與其高親值相比都有不同程度的提高，最高超高親值為2.36，最低超高親值為0.08，平均超高親值為0.93。此外，組合DW 7/DW 27、DW 8/DW 22、DW 8/DW 23、DW 8/DW 25、DW 22/DW 26、DW 22/DW 27和DW 24/DW 27等7個(gè)組合的F1誘導(dǎo)率未表現(xiàn)出中親優(yōu)勢(shì)，組合DW 8/DW 23和DW 8/DW 25誘導(dǎo)率未表現(xiàn)出低親優(yōu)勢(shì)，整體來(lái)看，誘導(dǎo)率主要表現(xiàn)為高親和中親優(yōu)勢(shì)。

同時(shí)，表現(xiàn)出超親優(yōu)勢(shì)組合的雙親的誘導(dǎo)率值都普遍較高，如DW 23/DW 25(12.49)，雙親值分別為8.84和10.13；DW 24/DW 25(11.88)，雙親值分別為9.53和10.13，DW 23/DW 27(11.10)，雙親值分別為8.84和9.68。因此，通過(guò)正確選擇雙親并利用其雜種優(yōu)勢(shì)來(lái)提高雜交組合的誘導(dǎo)率是可行的。誘導(dǎo)率均值前5位的分別是DW 23/DW 25、DW 24/DW 25、DW 25/DW 26、DW 23/DW 27和DW 23/DW 24，可在利用雜種優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上結(jié)合自身農(nóng)藝性狀表現(xiàn)，進(jìn)一步重點(diǎn)研究。

2.4 選育出的優(yōu)良誘導(dǎo)系間雜交組合

本研究發(fā)現(xiàn)，誘導(dǎo)系間雜交組合DW 23/DW 25(圖1)的株高在2016年夏、2017年夏2年誘導(dǎo)率測(cè)定時(shí)沒(méi)有超親優(yōu)勢(shì)，但誘導(dǎo)率最高、花粉量較大，且在2016年三亞、2017年吉林、2017年三亞連續(xù)3季的誘導(dǎo)率測(cè)定中能夠保證在10%以上，抗病性、開(kāi)花間隔等農(nóng)藝性狀均明顯強(qiáng)于雙親，在育種實(shí)際中具備較高利用價(jià)值。由于誘導(dǎo)系來(lái)源較為單一，仍需選育更多來(lái)源差異較大的誘導(dǎo)系來(lái)進(jìn)行誘導(dǎo)系間雜交組合的組配與選擇。

圖1 誘導(dǎo)系間雜交組合DW 23/DW 25田間長(zhǎng)勢(shì)圖

3 結(jié)論與討論

隨著玉米DH工程化育種進(jìn)程的不斷推進(jìn)，快速、大量獲得玉米單倍體已成為各育種單位、科研院所的重要研究方向[9-10]。通過(guò)雜交誘導(dǎo)提高單倍體誘導(dǎo)率，是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模獲取單倍體的有效途徑[11-12]。因此，對(duì)于新型單倍體誘導(dǎo)系的選育應(yīng)以提高誘導(dǎo)率為重點(diǎn)，兼?zhèn)鋬?yōu)良的農(nóng)藝性狀。誘導(dǎo)率的提高可大大增加獲得單倍體的數(shù)量，而農(nóng)藝性狀的改良可以滿(mǎn)足規(guī)?；綦x誘導(dǎo)(節(jié)省空間、節(jié)約成本)單倍體的需求[13-14]。由本研究可知，多數(shù)誘導(dǎo)系F1在株高和雄穗小花數(shù)性狀上均存在超親優(yōu)勢(shì)，通過(guò)利用誘導(dǎo)系間雜種優(yōu)勢(shì)能夠較好地克服株高較低和花粉量不足的問(wèn)題，因此對(duì)誘導(dǎo)率性狀變化需作重點(diǎn)研究。

對(duì)28份誘導(dǎo)系F1誘導(dǎo)率雜種優(yōu)勢(shì)分析表明，各組合整體表現(xiàn)以中親優(yōu)勢(shì)為主，兼具一定超親優(yōu)勢(shì)。有些表現(xiàn)出超親優(yōu)勢(shì)組合的雙親誘導(dǎo)率均值都較高，如DW 23/DW 27、DW 23/DW 25、DW 24/DW 25。因此，在雜種優(yōu)勢(shì)利用時(shí)應(yīng)選擇高誘導(dǎo)率的材料進(jìn)行應(yīng)用，以期組配和篩選出在誘導(dǎo)率和農(nóng)藝性狀上都存在較大優(yōu)勢(shì)的F1，以便應(yīng)用于玉米DH工程化育種實(shí)際。通過(guò)利用雜種優(yōu)勢(shì)現(xiàn)象，獲得了在誘導(dǎo)率、株高和花粉量性狀表現(xiàn)都較為優(yōu)良的組合DW 24/DW 25、DW 25/DW 26、DW 23/DW 27和DW 23/DW 24。組合DW 23/DW 25的株高沒(méi)有超親優(yōu)勢(shì)，但誘導(dǎo)率最高、花粉量大，在育種實(shí)際中具備較高利用價(jià)值，可在后期DH育種中進(jìn)一步研究。

本研究亦表明，雜交組合的單倍體誘導(dǎo)能力不與其雙親均值呈現(xiàn)出完全的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)雙親為誘導(dǎo)率高/誘導(dǎo)率高組合時(shí)(如DW 25/DW 26和DW 25/DW 27)，雜交種的誘導(dǎo)能力均呈現(xiàn)出中親優(yōu)勢(shì)；當(dāng)雙親為誘導(dǎo)率中/誘導(dǎo)率高組合時(shí)(如組合DW 8/DW 24)，雜交種誘導(dǎo)能力與誘導(dǎo)率低/誘導(dǎo)率高組合(如DW 7/DW 25)無(wú)差異，均表現(xiàn)出低親優(yōu)勢(shì)。從以上結(jié)果可以看出，單倍體誘導(dǎo)性狀不只由一個(gè)基因控制，而是由多個(gè)基因參與其中，且這些基因主要表現(xiàn)為加性效應(yīng)，以上現(xiàn)象正與單倍體誘導(dǎo)性狀的遺傳機(jī)制相吻合[15]。