基于六個高代回交群體玉米葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀的雜種優(yōu)勢研究

張全艷， 楊得正， 張培高， 徐春霞， 王 晶， 劉 麗,3

(1.云南大學農(nóng)學院， 昆明 650504； 2.云南省農(nóng)業(yè)科學院糧食作物研究所， 昆明 650205;3.云南省農(nóng)業(yè)科學院生物技術(shù)與種質(zhì)資源研究所， 昆明 650205)

雜種優(yōu)勢是生物界的一種普遍現(xiàn)象，指兩個遺傳組成不同的親本雜交所產(chǎn)生的雜交種，在生長勢、抗逆性、適應(yīng)性和產(chǎn)量等方面均超過其雙親的現(xiàn)象。玉米(ZeamaysL.)是最早利用雜種優(yōu)勢的作物。20世紀初期，雜種優(yōu)勢在美國玉米育種和生產(chǎn)中受到普遍關(guān)注并被廣泛應(yīng)用，使玉米產(chǎn)量得到大幅度提升，此后雜種優(yōu)勢逐步在其他作物中發(fā)掘并利用[1]。美國最早根據(jù)親緣關(guān)系和系譜法將玉米種質(zhì)劃分為Reid和Lancaster兩個雜種優(yōu)勢群，此后發(fā)展為溫帶地區(qū)最主要的雜種優(yōu)勢群和雜種優(yōu)勢模式[2]。墨西哥和中南美等熱帶、亞熱帶地區(qū)則采用以Tuxpeno和ETO為代表的雜種優(yōu)勢群和雜種優(yōu)勢模式[3]。我國20世紀末期對玉米雜種優(yōu)勢群和雜種優(yōu)勢模式的劃分進行了大量的研究，明確了主要玉米種質(zhì)的雜種優(yōu)勢群，其中溫帶玉米種質(zhì)主要被劃分為五大類群，包括Reid、Lancaster、塘四平頭、旅大紅骨和P群[4-5]，而熱帶亞熱帶玉米種質(zhì)則劃分為Suwan 1、Reid和非Reid三大類群，并據(jù)此提出三角形雜種優(yōu)勢新模式[6-8]。Fan等[6]研究發(fā)現(xiàn)，正反交組合對產(chǎn)量性狀的配合力及雜種優(yōu)勢群劃分有重要影響。唐海濤等[9]研究表明，正反交對玉米穗粗、穗位高以及穗下莖節(jié)強度等性狀有重要決定作用。奧妮等[10]發(fā)現(xiàn)，菊花正反交組合間葉片寬度、株高以及節(jié)間長等性狀均存在顯著差異。說明正反交對雜種優(yōu)勢表現(xiàn)有重要影響。宋方威等[11]利用高代回交群體研究正反交效應(yīng)，但此類研究較少，目前正反交對熱帶、亞熱帶玉米雜種優(yōu)勢的影響尚不清楚。

雜種優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在玉米產(chǎn)量及產(chǎn)量相關(guān)性狀上，玉米的葉片大小及分布也存在雜種優(yōu)勢效應(yīng)。Meyer等[12]對429個重組自交系(Recombinant Inbred Lines,RIL)的農(nóng)藝性狀進行雜種優(yōu)勢分析，發(fā)現(xiàn)RIL葉面積的中親優(yōu)勢效應(yīng)為58%～143%。司書麗等[13]用80個玉米組合及其親本自交系進行株型性狀的雜種優(yōu)勢研究，結(jié)果表明，株高、葉夾角及葉面積等大多數(shù)性狀普遍存在雜種優(yōu)勢效應(yīng)。郭寶健等[14]比較Mo 17×B 73及親本苗期的葉長和葉寬，發(fā)現(xiàn)雜交種的中親優(yōu)勢均達到顯著或極顯著水平。上述研究表明，玉米葉夾角、葉長、葉寬和葉面積等葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀間有顯著的雜種優(yōu)勢效應(yīng)。

目前，玉米雜種優(yōu)勢研究大多以溫帶玉米的F1為材料，通過一般配合力和特殊配合力進行雜種優(yōu)勢群劃分和利用，然而F1為分離世代，通常根據(jù)表現(xiàn)型選擇的優(yōu)良性狀不能在后代中穩(wěn)定表達，因此研究結(jié)果對連續(xù)多代自交系選育的指導價值有限。此外，未見有關(guān)熱帶、亞熱帶玉米為材料的不同雜種優(yōu)勢模式間葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀差異性比較的報道。本研究以三角形雜種優(yōu)勢代表自交系Y 46、Y 107和MON 2為材料，構(gòu)建六個高代回交群體(BC1F7∶8)，利用其葉長、葉寬和葉夾角等性狀的中親優(yōu)勢和超親優(yōu)勢表現(xiàn)情況來比較雜種優(yōu)勢強弱，明確玉米理想株型的雜種優(yōu)勢模式，為下一步高產(chǎn)玉米新品種選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以熱帶種質(zhì)Y 46(來源于Suwan 1群)、溫帶種質(zhì)Y 107(來源于Reid群)和亞熱帶種質(zhì)MON 2(來源于非Reid群)等玉米自交系為試驗材料。將各優(yōu)良自交系相互雜交組配3個F1雜交群體，繼而連續(xù)自交形成3個RIL-F7∶8群體。分別從Y 46與Y 107組配的RIL-F7∶8群體中選擇253個和150個RIL系與雙親回交組配，得到兩個高代回交群體(BC1F7∶8)Y 46×Y 107/Y 46(正交)和Y 46×Y 107/Y 107(反交)。分別從Y 46與MON 2組配的RIL-F7∶8群體中選擇209個和124個RIL系與雙親回交組配，得到兩個高代回交群體(BC1F7∶8)Y 46×MON 2/Y 46(正交)和Y 46×MON 2/MON 2(反交)。分別從Y 107與MON 2組配的RIL-F7∶8群體中選擇197個和159個RIL系與雙親回交組配，得到兩個高代回交群體(BC1F7∶8)Y 107×MON 2/Y 107(正交)和Y 107×MON 2/MON 2(反交)。

1.2 試驗方法與統(tǒng)計分析

將六個高代回交群體分別種植于云南省昆明市(25°02′N，120°45′E；海拔1 960 m)和硯山縣(23°19′N，104°45′E；海拔1 520 m)。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)置2次重復(fù)。每個小區(qū)長2.5 m，株距25 cm，密集種植10株，施肥、除草、除蟲按田間標準管理方法進行。待玉米花期結(jié)束后10 d從每行中連續(xù)選擇5株，并參照Zhao等[15]的方法測定其穗三葉的葉長(葉基部至葉頂端的長度)、葉寬(葉片中部展開的寬度)和葉夾角(葉片與莖稈的銳角角度)等3個葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀。

表1 高代回交群體葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀的基本統(tǒng)計量Table 1 The basic stastics volume of relative traits for leaf morphological traits among BC1F7∶8 populations

利用Excel、SPSS統(tǒng)計軟件對葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀數(shù)據(jù)進行基本統(tǒng)計量和方差分析。中親優(yōu)勢和超親優(yōu)勢計算公式[16]如下：

中親優(yōu)勢(%)=[(BC1F7∶8-MP)/MP]×100%;

超親優(yōu)勢(%)=[(BC1F7∶8-HP)/HP]×100%,

式中，BC1F7∶8、MP 和HP分別代表高代回交群體、雙親和高值親本的葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀的平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 高代回交群體葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀的差異性比較

在兩個不同環(huán)境條件下，對Y 46、Y 107和MON 2組配的六個高代回交群體的葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀進行比較，結(jié)果(表1)表明，昆明點各群體的葉長、葉寬和葉夾角等3個性狀平均值均高于硯山點，而硯山點各性狀的變異系數(shù)均高于昆明點，說明環(huán)境對玉米葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀有顯著影響。在昆明點，Y 46×Y 107/Y 107群體的葉長、葉寬和葉夾角最大，分別為73.6 cm、9.4 cm和30.4°，正反交組合間差異較小，硯山點的結(jié)果趨勢與昆明點基本一致。Y 46×MON 2/MON 2群體的葉長、葉寬和葉夾角最小，分別為63.9 cm、9.2 cm和27.4°，正反交組合間差異較大，硯山點的結(jié)果與昆明點基本相同，說明不同群體間葉長、葉寬和葉夾角等差異顯著，可通過遺傳育種方法改良玉米葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀。進一步研究發(fā)現(xiàn)，六個高代回交群體葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀的偏度和峰度均基本介于-1.0～1.0之間，符合正態(tài)分布，下一步可結(jié)合基因型數(shù)據(jù)進行玉米葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀的QTL定位分析。

2.2 高代回交群體葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀的方差分析

2.2.1不同試點葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀的方差分析

利用方差分析比較不同試點對六個高代回交群體葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀的影響，結(jié)果(表2)表明，在兩試點中，葉長和葉寬的差異均達極顯著水平，除了Y 46×MON 2/MON 2和Y 107×MON 2/Y 107群體葉夾角差異不顯著外，其他群體葉夾角差異均達極顯著水平。說明在3個葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀中，環(huán)境對葉長和葉寬的影響最大，而葉夾角則因材料而異。因此，在玉米理想株型選擇中，葉夾角的遺傳改良可能較葉長和葉寬更有效。

表2 不同試點間葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀的方差分析Table 2 ANOVA analysis of leaf morphological traits of different trial sites

2.2.2重復(fù)間葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀的方差分析

對六個高代回交群體不同重復(fù)間的葉長、葉寬和葉夾角等葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀進行方差分析(表3)。由表3可知，除了Y 107×MON 2/Y 107群體外，其他群體大部分性狀在不同重復(fù)間差異不顯著。Y 46×Y 107/Y 46和 Y 46×MON 2/Y 46群體除葉長差異達極顯著水平外，葉寬和葉夾角差異均不顯著；Y 46×MON 2/MON 2和Y 107×MON 2/MON 2群體除葉夾角差異達極顯著水平外，葉長和葉寬差異均不顯著；Y 46×Y 107/Y 107群體在不同重復(fù)間差異均不顯著。大部分高代回交群體的葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀在不同重復(fù)間差異不顯著，說明試驗地肥力均勻；后續(xù)葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀的雜種優(yōu)勢研究取兩重復(fù)間的平均值進行分析。

2.2.3高代回交群體內(nèi)葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀的方差分析

對六個高代回交群體內(nèi)重組系間葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀進行方差分析，結(jié)果(表4)表明,在六個高代回交群體內(nèi)，Y 107×MON 2/MON 2群體所有葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀差異達極顯著水平，而Y 46×Y 107/Y 107群體的所有性狀差異均未達顯著水平，說明Y 107×MON 2/MON 2群體的遺傳差異較大，Y 46×Y 107/Y 107群體的遺傳差異較小。Y 46×Y 107/Y 46群體的葉寬和葉夾角、Y 46×MON 2/Y 46群體的葉夾角、Y 46×MON 2/MON 2群體的葉長和葉夾角差異均達極顯著水平。Y 46×Y 107/Y 46群體的葉長、Y 46×MON 2/Y 46群體的葉長和葉寬以及Y 107×MON 2/Y 107群體的葉夾角差異均達顯著水平。Y 46×MON 2/MON 2群體的葉寬以及Y 107×MON 2/Y 107群體的葉長和葉寬差異不顯著。說明這些重組系間葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀的遺傳差異較大，進一步研究發(fā)現(xiàn)，差異最大的是葉夾角，說明通過育種選擇較小的葉夾角是改良玉米株型的重要途徑。這也可能是葉夾角成為近年來高密度玉米遺傳研究熱點的重要原因之一。

表3 重復(fù)間葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀的方差分析Table 3 ANOVA analysis of leaf morphological traits in among repeats

綜上所述，這六個高代回交群體在不同試點中，其葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀差異均達極顯著水平，而在不同重復(fù)間差異則不顯著，群體內(nèi)重組系間大部分葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀差異達顯著水平。說明玉米的葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀主要由基因型決定，但同時受環(huán)境的影響。因此，在玉米育種進程中建議將這些葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀，特別是葉夾角作為重點改良對象，進而從生理學角度提高玉米產(chǎn)量潛力。

表5 高代回交群體葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀的雜種優(yōu)勢表現(xiàn)情況Table 5 Heterosis performance of leaf morphological traits in six BC1F7∶8 populations 單位：%

表4 高代回交群體葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀的方差分析Table 4 ANOVA analysis of leaf morphological structure traits among BC1F7∶8 populations

2.3 高代回交群體葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀的雜種優(yōu)勢研究

利用雜種優(yōu)勢表現(xiàn)篩選強優(yōu)勢組合是獲得理想株型及實現(xiàn)經(jīng)濟效益的重要途徑之一。由表5可以看出，在昆明點Y 46與Y 107組配的正交群體中，葉長、葉寬和葉夾角的中親優(yōu)勢、超親優(yōu)勢均為正向雜種優(yōu)勢效應(yīng)，其反交群體的葉長、葉寬和葉夾角的中親優(yōu)勢也表現(xiàn)為正向優(yōu)勢效應(yīng)。硯山點正交群體的葉長和葉寬，以及其反交群體的葉長、葉寬和葉夾角的中親優(yōu)勢都表現(xiàn)為正向雜種優(yōu)勢效應(yīng)，超親優(yōu)勢均為負向雜種優(yōu)勢效應(yīng)。在兩試點中，Y 46與MON 2組配的高代回交群體均表現(xiàn)出負向雜種優(yōu)勢效應(yīng)。Y 107與MON 2組配的高代回交群體，昆明點均表現(xiàn)為正向雜種優(yōu)勢效應(yīng)，硯山點除了葉夾角的雜種優(yōu)勢呈負向優(yōu)勢效應(yīng)外，葉長和葉寬都表現(xiàn)為正向雜種優(yōu)勢效應(yīng)。說明大部分群體的葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀表現(xiàn)為正向雜種優(yōu)勢效應(yīng)，但由于研究群體為RIL重組系組配的回交群體，雜種優(yōu)勢減弱。因此，大部分性狀呈負向超親優(yōu)勢。

在昆明點Y 107與MON 2組配的反交群體的葉長、葉寬和葉夾角的中親優(yōu)勢分別為13.3%、12.8%和8.6%，均大于正交群體，超親優(yōu)勢均小于正交群體?？傮w而言，反交群體的雜種優(yōu)勢比正交強，硯山點與昆明點雜種優(yōu)勢分析結(jié)果基本相同。Y 46與MON 2組配的正交群體的葉寬和葉夾角的中親優(yōu)勢分別為-2.0%和-8.3%，超親優(yōu)勢分別為-7.5%和-9.1%，均大于反交群體，而葉長的中親優(yōu)勢和超親優(yōu)勢均小于反交群體，由此可表明在該雜交組合中正交群體的雜種優(yōu)勢強于反交群體，兩試點雜種優(yōu)勢結(jié)果趨勢一致。Y 46與Y 107組配的正交群體的葉長、葉寬和葉夾角的中親優(yōu)勢分別為11.0%、13.5%和19.8%，超親優(yōu)勢分別為1.3%、2.5%和2.7%，顯著高于其反交群體的葉長、葉寬和葉夾角的中親優(yōu)勢和超親優(yōu)勢，表明在Y 46與Y 107組配的高代回交群體中，正交群體的雜種優(yōu)勢大于反交，硯山點與昆明點雜種優(yōu)勢結(jié)果趨勢相反，其中Y 46×Y 107/Y 107群體的雜種優(yōu)勢均小于Y 107與MON 2正反交群體。因此，Y 46與Y 107群體雜種優(yōu)勢介于Y 107與MON 2群體和Y 46與MON 2群體二者之間。

基于葉長、葉寬和葉夾角等葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀的雜種優(yōu)勢分析，各群體雜種優(yōu)勢從強到弱的總體趨勢為：Y 107與MON 2正反交群體>Y 46與Y 107正反交群體>Y 46與MON 2正反交群體，說明在三角形雜種優(yōu)勢模式中Reid×非Reid雜種優(yōu)勢最強，Suwan 1×Reid雜種優(yōu)勢次之，Suwan 1×非Reid雜種優(yōu)勢較弱。

3 討 論

玉米葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀是衡量玉米株型緊湊程度的重要形態(tài)指標。合理的葉長、葉寬和葉夾角均有利于改善葉片的空間排列和幾何構(gòu)型，直接影響光和CO2在冠層內(nèi)的分布及群體的光能利用率，進而影響植株生長發(fā)育和生理特性。研究表明，葉形結(jié)構(gòu)由多個微效基因共同調(diào)控的數(shù)量遺傳性狀，受環(huán)境影響較大。本研究中，Y 46與MON 2正反交群體間葉長、葉寬和葉夾角的遺傳差異以及變異系數(shù)較大，表明正反交對這3個性狀有一定的影響，且遺傳改良潛力較大，進一步證實在雜交育種過程中，可以通過遺傳學方法增加葉長和葉寬，減小葉夾角，進而改良玉米株型。此外，玉米葉長、葉寬及葉夾角等葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀遺傳特點因材料和環(huán)境差異明顯不同[17-19]，本研究針對不同溫熱玉米自交系組配的高代回交群體進行分析，發(fā)現(xiàn)其葉長、葉寬和葉夾角主要受基因調(diào)控，同時也受環(huán)境條件的影響。

正反交組合性狀的遺傳差異主要由組配雜交組合的兩個親本自交系所決定。Dermail等[20]發(fā)現(xiàn)，正反交影響著雜種優(yōu)勢效應(yīng)，可以提高玉米產(chǎn)量。郭海林等[21]發(fā)現(xiàn)，結(jié)縷草的高度、葉長、葉寬、節(jié)間直徑受母體遺傳效應(yīng)的影響。朱嬌等[22]發(fā)現(xiàn)，大紅花蝴蝶蘭后代的花色、花徑與母本相似。上述研究表明，后代表型性狀受母性遺傳效應(yīng)的影響。本研究表明，正反交群體間葉長、葉寬及葉夾角性狀存在顯著差異，尤其是Y 46與Y 107正反交群體性狀雜種優(yōu)勢差異較大。因此，在雜交育種中，正確選擇母本對雜交組合的葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀有重要決定作用，進而影響玉米產(chǎn)量。

雜種優(yōu)勢大小取決于親本遺傳組成和遺傳差異，遺傳差異越大雜種優(yōu)勢越強，目前大部分研究主要集中于根據(jù)自交系產(chǎn)量性狀劃分雜種優(yōu)勢群[23-24]。Cai等[25]對玉米光合作用相關(guān)性狀以及關(guān)鍵酶進行配合力測定，發(fā)現(xiàn)Suwan 1與Reid和非Reid間的光合作用相關(guān)性狀的雜種優(yōu)勢有顯著差異，目前還未見對不同雜種優(yōu)勢模式間群體葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀的雜種優(yōu)勢研究的相關(guān)報道。本研究首次利用六個高代回交群體葉長、葉寬及葉夾角的中親優(yōu)勢、超親優(yōu)勢來分析Suwan 1、Reid和非Reid三個類群間的雜種優(yōu)勢，發(fā)現(xiàn)Reid×非Reid雜種優(yōu)勢最強，Suwan 1×Reid次之，Suwan 1×非Reid較弱。本研究顯示，亞熱帶與溫帶種質(zhì)間遺傳組成及背景差異引起Reid×非Reid雜種模式葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀呈正向雜種優(yōu)勢。Suwan 1×非Reid雜種模式的葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀均表現(xiàn)出負向雜種優(yōu)勢，可能是熱帶、亞熱帶種質(zhì)間存在的基因交流程度不同導致。因此，利用玉米葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀以及其生理指標的雜種優(yōu)勢分析確定雜種優(yōu)勢模式，從生理學角度來提高玉米產(chǎn)量可以打破以往通過產(chǎn)量相關(guān)性狀雜種優(yōu)勢來劃分強優(yōu)勢組合的常規(guī)性，有效地增強了目標性狀改良的針對性，為玉米新品種選育提供了理論基礎(chǔ)。

4 結(jié) 論

通過對Y 46(Suwan 1群)、Y 107(Reid群)和MON 2(非Reid群)三個自交系所組配的六個高代回交群體的葉長、葉寬和葉夾角等葉形結(jié)構(gòu)相關(guān)性狀進行遺傳差異和雜種優(yōu)勢分析，發(fā)現(xiàn)在三角形雜種優(yōu)勢模式中，Reid×非Reid雜種優(yōu)勢較強，Suwan 1×Reid雜種優(yōu)勢次之，Suwan 1×非Reid雜種優(yōu)勢較弱。因此，可優(yōu)先選用Reid×非Reid作為培育理想株型新品種的重要雜種優(yōu)勢模式。