玉米父本DH 材料單倍體自然加倍花粉結(jié)實(shí)力的遺傳研究

馬藝文 李忠南 王越人 相 洋 曲海濤 鄔生輝 譚 倬 王 純 魏 強(qiáng) 羅 瑤 李光發(fā)

(1.通化市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院 吉林梅河口 135007；2.吉林省農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣總站 吉林長春 130033；3.吉林省通化市種子管理站 吉林通化 134000）

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，尤其雜交種父本更為重要。 玉米花粉屬于三核型，花粉生活力一般在離體2 h 內(nèi)最為旺盛，24 h 后幾乎完全喪失，在高溫 32～35℃條件下，玉米花粉壽命極短，離體花粉1 h 后便失水干癟失去活力。 雜交種花粉的耐熱性強(qiáng)于自交系，而自交系之間有差異[1-5]。

自參加吉林省“雙十工程”科技攻關(guān)項(xiàng)目“玉米單倍體規(guī)模化育種技術(shù)與新品種選育”以來，按照玉米雜交誘導(dǎo)單倍體生殖（單倍體）選育自交系技術(shù)規(guī)范[6]，持續(xù)踐行玉米單倍體育種工作10 余年。 研究結(jié)果表明， 紅軸父本系材料單倍體自然加倍自交結(jié)實(shí)株率明顯處于高位[7]，最高為14.66%[8]?；ǚ劢Y(jié)實(shí)力由4 對(duì)主基因加性效應(yīng)和上位性效應(yīng)決定[9]。

本研究以2020 年、2021 年海南單倍體結(jié)實(shí)株率最高的材料D1279×D752 （D1279 植物新品種權(quán)號(hào)：CNA20170444.1；D752 植物新品種權(quán)申請(qǐng)?zhí)枺?0191005331）為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行單倍體自然加倍花粉結(jié)實(shí)力遺傳問題的再研究， 以期為玉米單倍體遺傳育種工作提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以 D1279×D752 組配的 DH 系雜交 F1為供試材料。 D1279 為通育 189 的父本 （審定編號(hào)： 蒙審玉2020014），已經(jīng)完成國家東華北中早熟組區(qū)域試驗(yàn)和生產(chǎn)試驗(yàn)[10]，符合國家審定標(biāo)準(zhǔn)。D752 為通育186 的父本[11]（2022 年吉林省區(qū)域試驗(yàn)晚熟組[12]）。種質(zhì)來源及特征見表1。

表1 DH 系種質(zhì)來源及特征

1.2 田間設(shè)計(jì)

2020 年在通化市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)基地，以2 份DH 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)。 2020 年9 月15 日開始挑選準(zhǔn)單倍體粒，共獲得2 萬余粒。 11 月3 日在海南三亞南濱農(nóng)場(chǎng)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 1 m、 行長 61 m、 株距 10 cm， 單粒播種， 播種 2 440 粒，共播種 4 行。 苗期開始去雜，12 月 10 日開始套雌穗袋，12 月16 日對(duì)單倍體雄穗有粉株進(jìn)行自交授粉，12 月25 日授粉結(jié)束。 查數(shù)單倍體株數(shù)和授粉株數(shù)。 2021 年2 月10 日收獲，查數(shù)自交結(jié)實(shí)穗粒數(shù)。

2021 年11 月10 日， 在海南三亞南濱農(nóng)場(chǎng)通化市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)基地， 播種準(zhǔn)單倍體粒10 500 粒， 行長 70 m， 共播種 15 行， 授粉期在2021 年 12 月 27 日至 2022 年 1 月 5 日。 其他類同。

1.3 統(tǒng)計(jì)方法

按照蓋鈞鎰等主編的植物數(shù)量性狀遺傳體系DH 群體遺傳模型及混合分布方法[13]，根據(jù)極大似然法和迭代期望與條件極大化算法（IECM），對(duì)混合分布有關(guān)成分分布參數(shù)做出估計(jì)， 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Akaike's 信息標(biāo)準(zhǔn)（AIC 值），依據(jù) AIC 值最小準(zhǔn)則確定最適模型，即以AIC 值最小模型為最適模型，同時(shí)對(duì)最適模型進(jìn)行適合性檢驗(yàn)（U12、U22、U32、nW2、Dn），并進(jìn)行基因效應(yīng)值及遺傳參數(shù)估計(jì)。 計(jì)算模型參考章元明IECM 算法，數(shù)據(jù)分析采用DPS 17.10[14]分析軟件。

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%； 自交結(jié)實(shí)株率=結(jié)實(shí)株數(shù)（穗）/單倍體株數(shù)×100%。

2 結(jié)果與分析

2.1 自交結(jié)實(shí)株率與穗粒數(shù)統(tǒng)計(jì)參數(shù)

表2 列出了2020 年、2021 年單倍體株數(shù)及結(jié)實(shí)株數(shù)等。 從表2 可以看出，2 年單倍體自交結(jié)實(shí)穗數(shù)分別為180 穗和1 360 穗； 自交結(jié)實(shí)株率分別為17.11%和15.53%，相差1.58%；授粉結(jié)實(shí)株率分別為56.25%和82.93%。自交結(jié)實(shí)株率高于過去所有材料，授粉結(jié)實(shí)株率較高，2020 年、2021 年分別為56.25%、82.93%，說明花粉結(jié)實(shí)力強(qiáng)。

表2 2020 年、2021 年單倍體自交結(jié)實(shí)株率

表3 列出了2020 年、2021 年自交穗粒數(shù)統(tǒng)計(jì)參數(shù)。 從表3 可以看出，2 年自交穗粒數(shù)平均值分別為10.57 粒、12.96 粒， 變 異 系 數(shù) 分別為 137.96%、90.58%。 2 年群體結(jié)實(shí)穗粒數(shù)均不符合正態(tài)分布（P＜0.05），說明結(jié)實(shí)株間穗粒數(shù)差異較大，主基因效應(yīng)明顯。

表3 DH 世代單倍體自交穗粒數(shù)統(tǒng)計(jì)參數(shù)

2.2 結(jié)實(shí)穗粒數(shù)遺傳模型及適合性檢驗(yàn)

將2020 年、2021 年群體自交結(jié)實(shí)穗粒數(shù)分別代入DH 模型進(jìn)行運(yùn)算分析，結(jié)果見表4。 在20 種遺傳模型中，AIC 值最小的為最適模型?？梢钥闯?020 年為 3 對(duì)主基因加、 上 （加性、 上位性。 下同） 模型（3MG-AI，AIC 值：10 837.5910），2021 年為 4 對(duì)主基因加、上模型（4MG-AI，AIC 值：14 632.298 8）。 2 年遺傳模型不同可能是由于氣候因素所造成的。

表4 2 個(gè)群體自交結(jié)實(shí)穗粒數(shù)20 種遺傳模型的AIC 值

表5 列出2 年群體最適模型5 個(gè)統(tǒng)計(jì)量的顯著性。 3MG-AI 模型有 3 個(gè)統(tǒng)計(jì)量極顯著，4MG-AI 模型有2 個(gè)統(tǒng)計(jì)量顯著。 比較統(tǒng)計(jì)量顯著性，4MG-AI模型應(yīng)優(yōu)于3MG-AI。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[15]表明2 種模型均有意義。

表5 最適模型適合性檢驗(yàn)

2.3 遺傳參數(shù)估計(jì)值

表6 列出了2 種最適模型一階、 二階遺傳參數(shù)估計(jì)值。 由一階參數(shù)可以看出，3MG-AI 的m值比4MG-AI 小 7.7 831，3 對(duì)主基因加性效應(yīng)、 上位性效應(yīng)值均為4.763 1， 而4MG-AI 的4 對(duì)主基因加性效應(yīng)值為 2.3240～9.009 8， 上位性效應(yīng)值為 2.272 1～6.760 7。 由二階參數(shù)可以看出，3MG-AI 的遺傳力為64.85%，4MG-AI 的遺傳力為92.20%。 說明單倍體花粉結(jié)實(shí)力高低也受氣候影響，2020 年花粉結(jié)實(shí)能力偏低，導(dǎo)致結(jié)實(shí)穗粒數(shù)偏少；2021 年花粉結(jié)實(shí)能力與已往研究結(jié)果基本一致[9]。

表6 遺傳參數(shù)估計(jì)值

2.4 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2020 年、2021 年8 種和16 種純合基因型理論穗粒數(shù)分布參數(shù)估計(jì)值（表7、表8），具體計(jì)算方法詳見蓋鈞鎰[13]著錄中所述。

例如：基因型aaBBCC=m-da+db+dc-iab-iac+ibc-iabc=0.45（表 7）；基因型 aaBBCCDD=m-da+db+dc+dd-iab-iaciad+ibc+ibd+icd=20.24（表 8）。 基因型效應(yīng)值＜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。

從表7 可以看出，3MG-AI 模型穗粒數(shù)理論分布為 2 類，1 類是 38 粒， 基因型為 AABBCC；2 類占7 個(gè)基因型。 主要是該年花粉結(jié)實(shí)遺傳力為64.85%，自交授粉結(jié)實(shí)粒數(shù)顯著降低， 導(dǎo)致穗粒數(shù)理論分布類群減少及遺傳模型主基因減少1 對(duì)。 該年群體1 粒穗有39 穗，占總穗數(shù)的21.67%，這應(yīng)該是由于極端低溫導(dǎo)致多?；蛐捅磉_(dá)為1 粒， 從育種角度看優(yōu)良DH 系選擇效率更高。

表7 3MG-AI 遺傳模型8 種基因型的穗粒數(shù)分布

從表8 可以看出，4MG-AI 模型穗粒數(shù)理論分布有 8 類，1 粒有 8 種基因型；10 粒有 2 種基因型；11 粒、18 粒、20 粒、28 粒、38 粒、56 粒各有 1 種基因型。 56 粒基因型為AABBCCDD。 該年度群體1 粒穗有98 穗，占總穗數(shù)比例為7.21%。這與以往的研究結(jié)果基本一致。

表8 4MG-AI 遺傳模型16 種基因型的穗粒數(shù)分布

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

單倍體雄穗加倍率低是玉米單倍體育種的瓶頸。 本地自然加倍育種效率低（自交結(jié)實(shí)株率低），海南省三亞市崖州等地由于獨(dú)特的氣候條件，成為玉米單倍體自然加倍的理想場(chǎng)所。 ①D1279 （B20×PH4CV）：2012 年冬，單倍體株數(shù) 183 株，自交結(jié)實(shí)穗22 穗，自交結(jié)實(shí)株率12.02%，平均穗粒數(shù)13 粒，育種效率4.55%。 ②D752（PH4CV×A6）:2014 年冬，單倍體株數(shù)5 908 株，自交結(jié)實(shí)穗866 穗，自交結(jié)實(shí)株率14.66%，平均穗粒數(shù)26 粒，選擇出綜合性狀較好的DH 系336 份進(jìn)行配合力測(cè)定，決選出D752，育種效率0.12%[8,11-12]。 父本改良取得良好效果。

2020 年、2021 年（D1279×D752）單倍體自交結(jié)實(shí)株率分別為17.11%、15.53%，比其來源群體單倍體自交結(jié)實(shí)株率高0.87%～5.09%。 說明父本材料單倍體自然加倍自交結(jié)實(shí)株率代際間高位穩(wěn)定遺傳。 其重要育種意義在于能夠合理規(guī)劃海南父本材料單倍體種植規(guī)模，單倍體自交穗在200 穗以上即可，重點(diǎn)選擇多結(jié)實(shí)粒穗DH 系，從而提高父本系育種效率。 而白軸、硬粒、雄穗分枝少的母本材料由于自交結(jié)實(shí)株率較低， 采取擴(kuò)大海南單倍體種植規(guī)?；虮镜鼗瘜W(xué)加倍方式更為合理。

2020 年穗粒數(shù)遺傳模型為3MG-AI， 花粉結(jié)實(shí)遺傳力為64.85%，主要是由于授粉期間（10 d）崖州區(qū)平均最高溫度 24.1℃（21～27℃）， 平均最低溫度17.1℃（14～19℃），其中凌晨最低溫度 14℃出現(xiàn) 1 次、15℃出現(xiàn)1 次、16℃出現(xiàn)2 次， 嚴(yán)重影響單倍體花粉完熟發(fā)育，從而導(dǎo)致花粉結(jié)實(shí)遺傳力極顯著降低，穗粒數(shù)理論分布為2 個(gè)，遺傳模型為3 對(duì)主基因加性、上位性效應(yīng)模型， 但并沒有影響單倍體自交結(jié)實(shí)株率。 這是極端氣候條件下的個(gè)例，可能提供了獲得優(yōu)良耐低溫父本DH 系的機(jī)會(huì)，育種效率會(huì)更高，這有待于進(jìn)一步研究。

3.2 結(jié)論

通過本研究得出，2020 年、2021 年 D1279×D752單倍體自交結(jié)實(shí)株率分別為17.11%、15.53%；穗粒數(shù)遺傳模型分別為3MG-AI、4MG-AI； 遺傳力分別為64.85%、92.20%；理論穗粒數(shù)分布群分別為2個(gè)、8個(gè)。