玉米單倍體自然加倍花粉結(jié)實(shí)力遺傳的初步研究

李忠南 王越人 鄔生輝 劉勵(lì)蔚 曲海濤 孫振宇 李光發(fā)

（1吉林省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站，130033，吉林長春；2通化市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院，135007，吉林梅河口；3吉林省農(nóng)作物新品種引育中心，130033，吉林長春）

玉米花粉生活力及其授粉結(jié)實(shí)能力直接決定穗粒數(shù)的多少，是影響穗粒數(shù)的重要因素之一，玉米花粉屬于三核型，花粉生活力一般在離體2h內(nèi)最為旺盛，24h后幾乎完全喪失[1-3]。在高溫32℃～35℃條件下，玉米花粉壽命極短，離體花粉1h便失水干癟失去活力，雜交種花粉的耐熱性強(qiáng)于自交系，自交系間也有差異[4-6]。

玉米單倍體育種技術(shù)在我國廣泛開展10余年，主要通過誘導(dǎo)材料為母本及誘導(dǎo)系為父本進(jìn)行雜交誘導(dǎo)，鑒定出單倍體種子，通常在海南三亞基地進(jìn)行自然加倍試驗(yàn)，2代就可獲得完全純合DH系，提高了育種效率[7-8]。由于單倍體長勢弱，雄穗有粉率低，通常為2.8%～48.4%，雌穗抽絲率90%左右；自交結(jié)實(shí)株率0.0%～14.7%，平均結(jié)實(shí)株率3.5%左右，授粉結(jié)實(shí)株率20.7%～31.3%[9]。結(jié)實(shí)穗粒數(shù)不等，少則1粒，多則10粒以上。授粉結(jié)實(shí)株率低及穗粒數(shù)少應(yīng)歸因?yàn)榛ǚ劢Y(jié)實(shí)力低或花絲接受花粉能力低這2個(gè)因素。按規(guī)定操作程序[7]進(jìn)行授粉時(shí)，見到花粉才授粉（將成熟花藥敲落在新紙袋上，用小刀片切壓，見到花粉即授粉），花粉數(shù)量夠用，但結(jié)實(shí)穗粒數(shù)差異很大。關(guān)于玉米單倍體自然加倍花粉結(jié)實(shí)力遺傳機(jī)理的研究尚未見報(bào)道。

本研究以2份材料（DH系×DH系和自交系×自交系）的F1雜交誘導(dǎo)和單倍體自然加倍，對(duì)2個(gè)群體自交結(jié)實(shí)穗粒數(shù)進(jìn)行遺傳分析，探討花粉結(jié)實(shí)力的遺傳規(guī)律，以期為玉米遺傳育種工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以組配 15D752×15D435和 PH6WC×29 2份雜交F1為供試材料。2份DH系均來源于PH4CV×A6，為父本系；PH6WC和29均為母本自交系。DH系和自交系種質(zhì)來源及特征見表1。

表1 自交系和DH系種質(zhì)來源及特征Table 1 Germplasm origins and characteristics of inbred lines and DH lines

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

于2018年在通化市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)基地進(jìn)行，以2份DH系雜交的F1和2份自交系雜交的F1作被誘導(dǎo)的供體，以吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供的誘導(dǎo)系吉誘SM6278-2為父本進(jìn)行雜交誘導(dǎo)。2019年9月15日開始挑選準(zhǔn)單倍體粒，10月26日在海南三亞南濱農(nóng)場通化市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)基地播種，單倍體加倍試驗(yàn)圃采取空間隔離（水稻、棉花和谷子），大壟雙行，壟距1m，行長100m，共28壟56行（DH系群體2行，自交系群體54行）。材料按順序排列，單粒播種，株距7cm。苗期開始去雜，12月5日開始套雌穗袋，根據(jù)花藥發(fā)育情況，雌穗袋數(shù)量為材料株數(shù)的80%左右。12月11日對(duì)單倍體雄穗有粉株進(jìn)行自交授粉，授粉時(shí)間為10∶00-16∶00，12月28日授粉結(jié)束，記錄2個(gè)群體單倍體株數(shù)和授粉株數(shù)。

2020年2月7日收獲，記錄2個(gè)群體自交結(jié)實(shí)穗穗粒數(shù)。并在2個(gè)群體中間區(qū)域隨機(jī)取100個(gè)未套雌穗袋果穗，記錄結(jié)實(shí)穗粒數(shù)。授粉率=授粉株數(shù)/單倍體株數(shù)×100%；授粉結(jié)實(shí)株率=結(jié)實(shí)株數(shù)（穗）/授粉株數(shù)×100%；結(jié)實(shí)株率=結(jié)實(shí)株數(shù)（穗）/單倍體株數(shù)×100%。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

按照蓋鈞鎰等[10]的植物數(shù)量性狀遺傳體系DH群體共20種遺傳模型及混合分布方法，根據(jù)極大似然法和IECM算法估計(jì)混合分布的有關(guān)成分分布參數(shù)，在不同成分分布個(gè)數(shù)條件下計(jì)算模型的極大對(duì)數(shù)似然函數(shù)值和AIC值，依據(jù)AIC值最小準(zhǔn)則確定最適模型，即以AIC值最小的模型為最適模型，同時(shí)對(duì)最適模型進(jìn)行適合性檢驗(yàn)，即均勻性檢驗(yàn)（U12、U22、U32、nW2和Dn），在最適遺傳模型下進(jìn)行基因效應(yīng)值及遺傳參數(shù)估計(jì)。計(jì)算模型由章元明教授提供。采用DPS 17.10進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 授粉穗與開放穗結(jié)實(shí)株率對(duì)比

由表2可以看出，DH系群體比自交系群體授粉率高19.41個(gè)百分點(diǎn)，結(jié)實(shí)株率高10.05個(gè)百分點(diǎn)，說明2個(gè)群體遺傳基礎(chǔ)差異極顯著，應(yīng)該與材料來源和屬性[11-12]等有關(guān)。

表2 2個(gè)群體單倍體自交結(jié)實(shí)株率Table 2 Percentage of haploid self seeding plants of two populations

由表3可以看出，DH系群體開放穗結(jié)實(shí)株率為100%，自交系群體開放穗結(jié)實(shí)株率為75%，分別高于授粉結(jié)實(shí)株率55.37%和59.58%；DH系群體開放穗平均穗粒數(shù)為18.40粒，自交系群體開放穗平均穗粒數(shù)為3.74粒，分別高于自交結(jié)實(shí)穗平均穗粒數(shù)14.21和3.21粒，說明花絲接受花粉能力無障礙。超過50%的授粉株不結(jié)實(shí)，是由于花粉無結(jié)實(shí)力；自交穗粒數(shù)少且不等，是由于單倍體株間花粉結(jié)實(shí)力存在差異。自交系群體開放穗粒數(shù)不符合正態(tài)分布，是有粉株率低導(dǎo)致的。2個(gè)授粉群體結(jié)實(shí)穗粒數(shù)均不符合正態(tài)分布，說明株間花粉結(jié)實(shí)力基因效應(yīng)存在差異。

表3 開放穗與自交穗的特征值Table 3 Characteristic values of open ear and selfing ear

2.2 結(jié)實(shí)穗粒數(shù)遺傳模型

將2個(gè)群體自交結(jié)實(shí)穗的粒數(shù)（15D752×15D435：191穗；PH6WC×29：319穗）分別代入 DH模型，進(jìn)行運(yùn)算分析，由表4可以看出，在20種DH模型中，DH系群體最小AIC值為6421.9120，其花粉結(jié)實(shí)力模型為4MG-AI，即4對(duì)主效基因加性效應(yīng)和上位性效應(yīng)模型；自交系群體最小AIC值為6509.2943，其花粉結(jié)實(shí)力模型為4MG-AI，即4對(duì)主效基因加性效應(yīng)和上位性效應(yīng)模型。

2.3 模型適合性檢驗(yàn)

對(duì)2個(gè)群體最適模型的5個(gè)統(tǒng)計(jì)量顯著性分析得出（表5），2個(gè)群體均U12顯著，U22和U32極顯著。根據(jù)章元明教授審閱候選模型適合性檢驗(yàn)類似結(jié)果[13]，表明該模型是有意義的。

表5 最適模型適合性檢驗(yàn)Table 5 Test for goodness of optimal models

2.4 遺傳參數(shù)估計(jì)值

由表6可以看出，DH系群體4對(duì)主效基因加性效應(yīng)值、上位性效應(yīng)值及遺傳力均高于自交系群體，m高40.02%，da高54.91%，db高31.09%，dc高 47.16%，dd高 29.75%，iab高31.09%，iac高 47.16%，iad高 29.75%，ibc高 19.58%，ibd高30.85%，icd高18.27%，h2mg高12.18%。源于DH群體主效基因累加了更多的微效基因，結(jié)實(shí)效應(yīng)顯著增強(qiáng)。

表6 遺傳參數(shù)估計(jì)值Table 6 Estimate values of genetic parameters

2.5 穗粒數(shù)分布參數(shù)估計(jì)值

根據(jù)表6的遺傳參數(shù)估計(jì)值，分別計(jì)算DH系群體和自交系群體自交結(jié)實(shí)穗粒數(shù)16種純合基因型分布參數(shù)估計(jì)值（表7、8），具體計(jì)算方法詳見參考文獻(xiàn)[10]，例如：基因型aaBBCCDD=m-da+db+dc+dd?iab?iac?iad+ibc+ibd+icd=10.11（表 7）?；蛐托?yīng)值＜0或＜1穗粒數(shù)為0；1＜基因型效應(yīng)值＜2穗粒數(shù)為1，穗粒數(shù)分布按此規(guī)則進(jìn)行基因型歸類。

表7 15D752×15D435群體16種基因型的穗粒數(shù)分布Table 7 Distribution of sixteen genotypes of ear seed number from 15D752×15D435 population

表8 PH6WC×29群體16種基因型的穗粒數(shù)分布Table 8 Distribution of sixteen genotypes of ear seed number from PH6WC×29 population

由表7可以看出，DH系群體結(jié)實(shí)穗粒數(shù)分布參數(shù)為7個(gè)。0粒有9個(gè)基因型，占56.25%；5和9粒各有1個(gè)基因型，各占6.25%；10粒有2個(gè)基因型，占12.50%；15、16和36粒各有1個(gè)基因型，各占6.25%。

由表8可以看出，自交系群體結(jié)實(shí)穗粒數(shù)分布參數(shù)為5個(gè)。0粒有10個(gè)基因型，占62.50%；6粒有1個(gè)基因型，占6.25%；7粒有3個(gè)基因型，占18.75%；8粒和22粒各有1個(gè)基因型，各占6.25%。

2個(gè)群體結(jié)實(shí)穗粒數(shù)分布參數(shù)對(duì)比可以看出，DH系群體比自交系群體多2個(gè)，且結(jié)實(shí)穗粒數(shù)多的基因型占比較大。

3 討論

單倍體育種關(guān)鍵因素是自交結(jié)實(shí)株率低，其根本問題是花粉結(jié)實(shí)力低。單倍體育種自然加倍自交結(jié)實(shí)穗數(shù)規(guī)模至少不低于70～80穗[7]，只有大群體，才能為選擇提供可能，為性狀遺傳研究提供可靠基礎(chǔ)。曾對(duì)2014-2019年度76份雜交F1的自然加倍單倍體自交結(jié)實(shí)株率進(jìn)行研究[9]（SS：瑞德種質(zhì)35份；NSS：蘭卡斯特、黃早四和旅系種質(zhì)41份；總計(jì)單倍體株數(shù)121233株，自交結(jié)實(shí)穗4244個(gè)），SS和NSS類群單倍體自交結(jié)實(shí)株率無顯著差異，均有高有低，SS類群最高為14.0%（通852×PH6WC），較低的為 0.6%（PH6WC×29）；NSS類群最高為14.7%（PH4CV×A6）。由于種質(zhì)改良過程中添加了大量外來成分（國內(nèi)種質(zhì)雄穗分枝多，花粉量大；國外種質(zhì)雄穗分枝少，花粉量足），導(dǎo)致材料間自交結(jié)實(shí)株率差異大小不一，模糊性強(qiáng)，難以歸類溯源，沒有確切解釋，均歸為遺傳背景和材料屬性等。該研究支持了一些研究探討結(jié)果，如DH系雜交F1的單倍體自交結(jié)實(shí)株率高[11]，紅軸材料的單倍體結(jié)實(shí)性優(yōu)勢效應(yīng)[12]。同時(shí)也發(fā)現(xiàn)以雄穗分枝過少材料（PH6WC：花粉量小）為母本雜交（同類群）F1的單倍體自交結(jié)實(shí)株率特別低，而以雄穗分枝較多材料（花粉量大）為母本（同類群）雜交F1的單倍體自交結(jié)實(shí)株率比較高。為此，本研究根據(jù)自交結(jié)實(shí)株率高低，選用2個(gè)極端雜交F1材料 15D752×15D435（紅軸）和 PH6WC×29（白軸）合理設(shè)計(jì)試驗(yàn)規(guī)模。

本研究表明，DH系群體授粉率（24.15%）比自交系群體（4.74%）高19.41個(gè)百分點(diǎn)，結(jié)實(shí)株率（10.78%）比自交系群體（0.73%）高10.05個(gè)百分點(diǎn)，差異極顯著，原因在于：從表觀方面看，DH系群體授粉時(shí)，成熟花藥比較多，多數(shù)是一抖雄穗花粉就落下，花粉量大，具有結(jié)實(shí)力的花粉就多，使自交結(jié)實(shí)株率高；而自交系群體成熟花藥比較少，多數(shù)是用刀片切壓才有粉，花粉量不大，具有結(jié)實(shí)力的花粉就少，導(dǎo)致自交結(jié)實(shí)株率低。從遺傳基礎(chǔ)方面看，首先是父本系（NSS）和母本系（SS）育種目標(biāo)有差異，除高配合力外，父本系花粉量充足是首選要素，而母本系不予考慮，在長期分類群雜交改良選育選擇中，父本系在花粉量充足的同時(shí)也累加了更多優(yōu)良花粉結(jié)實(shí)性基因，提高了花粉質(zhì)量，其次是DH系群體自交結(jié)實(shí)株率比來源材料降低3.92%，仍然表現(xiàn)高自交結(jié)實(shí)株率，一定程度上支持了以往研究結(jié)果[11-13]。自交系群體自交結(jié)實(shí)株率比過去高0.13%，基本穩(wěn)定。

DH系群體平均穗粒數(shù)比自交系群體高40.02%，4對(duì)主效基因加性效應(yīng)值高29.75%～54.91%，6個(gè)上位性效應(yīng)值高18.27%～47.16%，主效基因遺傳力高12.18%，是由于DH系群體遺傳選擇和紅軸性狀優(yōu)勢效應(yīng)等因素，4對(duì)主效基因累加了更多微效基因，使得主效基因加性效應(yīng)值變大，上位性效應(yīng)值變大，花粉結(jié)實(shí)力極顯著增強(qiáng)，遺傳力極顯著提高。由于花粉結(jié)實(shí)力是由4對(duì)主效基因加性效應(yīng)和上位性效應(yīng)控制，單倍體授粉群體等比例存在16種花粉結(jié)實(shí)力基因型，經(jīng)基因型花粉結(jié)實(shí)力效應(yīng)值計(jì)算分類，DH系群體穗粒數(shù)分布參數(shù)為7個(gè)，自交系群體為5個(gè)。

本研究對(duì)于育種重要意義在于：在選擇高配合力DH系的同時(shí)，無論是父本系還是母本系，均要追溯其結(jié)實(shí)穗粒數(shù)基因型，參考選擇結(jié)實(shí)穗粒數(shù)多的基因型（如AABBCCDD），確保雜交F1花粉結(jié)實(shí)力基因效應(yīng)最大化，最大程度規(guī)避極端氣候，達(dá)到高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)目的，同時(shí)也確保玉米制種的產(chǎn)量水平。

4 結(jié)論

利用2份單倍體自然加倍自交結(jié)實(shí)穗容量較大群體，對(duì)結(jié)實(shí)穗粒數(shù)進(jìn)行了DH遺傳模型分析。得出自交結(jié)實(shí)穗粒數(shù)是由4對(duì)主效基因加性效應(yīng)和上位性效應(yīng)決定，主效基因遺傳力分別為95.85%和83.67%，自交結(jié)實(shí)穗粒數(shù)分布參數(shù)分別為7和5個(gè)。