基于玉米DH系分離群體葉鞘、花絲、花藥與穗軸顏色性狀的遺傳分析

李忠南 王越人 馬藝文 相洋 鄔生輝 曲海濤 李福林 張淑琴 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）

玉米葉鞘色、花絲色、花藥色和穗軸色是重要標(biāo)記性狀。經(jīng)典遺傳學(xué)認(rèn)為，玉米葉鞘色、花絲色和穗軸色各由1 對核基因決定，葉鞘色：紫色是顯性、綠色是隱性；花絲色：紅色是顯性、綠色是隱性；穗軸色：紅色是顯性、白色是隱性，F(xiàn)2（F1：顯性×隱性）顯性性狀與隱性性狀分離比為3:1[1-4]?；ㄋ庮伾ㄗ仙途G色）遺傳非常復(fù)雜[5]。關(guān)于上述4 種顏色性狀之間遺傳關(guān)系的研究很少。而對于紫葉鞘×綠葉鞘、紅花色×綠花絲、紅軸×白軸F1誘導(dǎo)后的單倍體，顯性性狀和隱性性狀的株數(shù)比例應(yīng)為1:1（雌配子顯性隱性比1:1）；顯性性狀和隱性性狀DH 系數(shù)量比例應(yīng)為1:1。

本文利用B20（綠葉鞘、綠花絲、綠花藥、白軸）×D752（紫葉鞘、紅花絲、紫花藥、紅軸）的F1誘導(dǎo)系進(jìn)行雜交誘導(dǎo)，對單倍體進(jìn)行自然加倍，對所獲得DH 系分離群體的顏色性狀遺傳規(guī)律進(jìn)行探討，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

試驗(yàn)于2019-2021 年在通化市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)基地進(jìn)行，組配B20×D752。B20 為綠葉鞘、綠花絲、綠花藥、白軸，D752 為紫葉鞘、紅花絲、紫花藥、紅軸，均為穩(wěn)定NSS 系，具體信息見表1。

表1 自交系的血緣及對應(yīng)品種或組合Table 1 Consanguinity and corresponding varieties or combinations of inbred lines

1.2 性狀調(diào)查標(biāo)準(zhǔn)

葉鞘色：玉米苗期幼苗第3 葉展開時(shí)第1 葉的葉鞘顏色，分為紫色（包括淺紫色）和綠色。

花絲色：吐絲期新鮮花絲5～10cm 的顏色，分為紅色（包括粉紅色和淺紅色）和綠色。

花藥色：散粉期雄穗花藥顏色，分為紫色（包括淺紫色）和綠色。

穗軸色：成熟期果穗軸色，分為紅色（包括粉紅色）和白色。

1.3 誘導(dǎo)和加倍試驗(yàn)

2020 年在通化市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)基地對F1進(jìn)行雜交誘導(dǎo)，誘導(dǎo)系為吉林省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供的吉誘SM6278-2，收獲選出準(zhǔn)單倍體10 萬余粒。2020 年11 月3 日在海南省三市亞南濱農(nóng)場通化市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)基地進(jìn)行單倍體自然加倍試驗(yàn)，采用大壟雙行，壟距1m，行長70m，共19 壟，38 行，采用單粒播種，株距10cm，共播種23 180粒。苗期開始去雜，單倍體成株數(shù)15 106 株。12月21 日開始套雌穗袋，12 月26 日對單倍體雄穗加倍株進(jìn)行自交授粉，2021 年1 月2 日授粉結(jié)束，自交授粉株數(shù)1361 株。2021 年2 月12 日收獲，共收獲自交結(jié)實(shí)穗323 個(gè)（其中紅軸236 個(gè)，白軸87個(gè)）。單倍體加倍試驗(yàn)圃周邊為水稻、棉花和谷子。

1.4 DH 系鑒定

2021 年在通化市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)基地進(jìn)行播種單倍體自交結(jié)實(shí)穗種子。行長1m，壟距60cm，株距20cm，DH 系行數(shù)不等（結(jié)實(shí)穗粒數(shù)不等），全部自交授粉。同時(shí)分別種植B20、D752及其F1各10 行。4 月28 日播種。5 月30 日-8 月15 日根據(jù)不同發(fā)育階段對各性狀做一致性鑒定。

幼苗期：進(jìn)行第1 葉葉鞘色鑒定，針對綠色葉鞘DH 系的紫色葉鞘污染株進(jìn)行剔除；拔節(jié)期：針對長勢突出株進(jìn)行剔除；散粉期：針對雄穗主軸長度、雄穗側(cè)枝數(shù)及長短、株高、穗位、葉片夾角、葉片長短、葉片寬窄、葉片綠色程度、莖支持根顏色不一致的污染株進(jìn)行剔除。

除去未出苗DH 系54 份、未成株22 份、雌穗不吐絲10 份、雄穗不育13 份，共鑒定DH 系224份，其中紅軸DH 系158 份，白軸DH 系66 份。

1.5 數(shù)據(jù)處理

分別對不同顏色對應(yīng)性狀的DH 系數(shù)量進(jìn)行卡方檢驗(yàn)和分析,采用DPS 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)[6]進(jìn)行適合性檢測，性狀連鎖遺傳參考《遺傳學(xué)》[7]和《植物數(shù)量遺傳學(xué)》[8]。

2 結(jié)果與分析

2.1 B20、D752 及F1 性狀顏色

B20 和D752 及F1各性狀顏色見表2，可以看出，葉鞘色中紫色對綠色為顯性，花絲色中紅色對綠色為顯性，花藥色中紫色對綠色為顯性，穗軸色中紅色對白色為顯性。

表2 親本和F1 的性狀顏色Table 2 Characters color of parents and F1

2.2 各顏色對應(yīng)性狀DH 系數(shù)量及卡方檢測

各對應(yīng)顏色性狀DH 系數(shù)量及卡方檢測結(jié)果見表3，可以看出，紫色葉鞘和綠色葉鞘DH 系數(shù)量比例符合1:1（P=0.16），但紫色葉鞘DH 系數(shù)量比綠色葉鞘多21.78%，支持了紫色葉鞘單倍體自交結(jié)實(shí)株率偏高的研究結(jié)果[9]。紅色花絲和綠色花絲DH 系數(shù)量比例符合1:1（P=0.84）。紫色花藥和綠色花藥DH 系數(shù)量不符合1:1（P＜0.01），紫色花藥DH 系數(shù)量占綠色花藥的14.87%，說明花藥顏色遺傳復(fù)雜。紅軸和白軸DH 系數(shù)量不符合1:1（P＜0.01），紅軸DH 系數(shù)量比白軸多139.39%，支持了紅軸單倍體自交結(jié)實(shí)株率高于白軸的研究結(jié)果[10]。

表3 顏色性狀顯隱性表達(dá)的DH 系數(shù)量及卡方檢測Table 3 Number and chi square test of DH lines with dominant and recessive expression of color traits

2.3 各2 個(gè)對應(yīng)顏色性狀顯隱性DH 數(shù)量及卡方檢測

將紫色葉鞘紅色花絲、紫色葉鞘綠色花絲、綠色葉鞘紅色花絲、綠色葉鞘綠色花絲DH 系數(shù)量列于表4，可以看出，紫色葉鞘紅色花絲、紫色葉鞘綠色花絲、綠色葉鞘紅色花絲、綠色葉鞘綠色花絲DH數(shù)量比例不符合1:1:1:1（P＜0.01），親本性狀DH系數(shù)量極顯著多于重組性狀，說明葉鞘色和花絲色非獨(dú)立遺傳，存在基因連鎖。紫色葉鞘和紅色花絲基因連鎖（顯性），綠色葉鞘綠色花絲基因連鎖（隱性），說明為相引組。重組率=(13+0)/(110+13+0+101)=5.80%。綠色葉鞘紅色花絲DH 系數(shù)量為0，說明該基因型沒有表達(dá)，重組率修正為11.61%。

表4 葉鞘和花絲顏色顯隱性表達(dá)的DH 系數(shù)量及卡方檢測Table 4 Number and chi square test of DH lines with dominant and recessive expression of sheath and silk color

在對葉鞘色和花藥色（表5）、花絲色和花藥色（表6）的檢測中，2 個(gè)性狀顯隱性DH 系數(shù)量不符合1:1:1:1，主要是花藥色遺傳復(fù)雜性導(dǎo)致。其中，綠色葉鞘紫色花藥DH 系數(shù)量為0，綠色花絲紫色花藥DH 系數(shù)量為0，說明該2 種基因型沒有表達(dá)。

表5 葉鞘和花藥顏色顯隱性表達(dá)的DH 系數(shù)量及卡方檢測Table 5 Number and chi square test of DH lines with dominant and recessive expression of sheath and anther color

表6 花絲和花藥顏色顯隱性表達(dá)的DH 系數(shù)量及卡方檢測Table 6 Number and chi square test of DH lines with dominant and recessive expression of silk and anther color

2.4 各對應(yīng)葉鞘色、花絲色和花藥色的紅、白軸DH 系數(shù)量及卡方檢測

將不同顏色葉鞘色、花絲色和花藥色8 種基因型的紅、白軸DH 系數(shù)量列于表7，可以看出，紫色葉鞘紅色花絲紫色花藥DH 系數(shù)量的紅軸和白軸比例符合1:1（P=0.27）。紫色葉鞘紅色花絲綠色花藥DH 系數(shù)量的紅軸和白軸比例不符合1:1（P＜0.01），表現(xiàn)出紅軸單倍體自交結(jié)實(shí)株率高的現(xiàn)象。紫色葉鞘綠色花絲綠色花藥DH 系數(shù)量的紅軸和白軸比例符合1:1（P=1.00）。綠色葉鞘綠色花絲綠色花藥DH 系數(shù)量的紅軸和白軸比例不符合1:1（P＜0.01），表現(xiàn)出紅軸單倍體自交結(jié)實(shí)株率高的現(xiàn)象。說明穗軸色為1 對基因獨(dú)立遺傳。

表7 不同葉鞘色、花絲色和花藥色的紅、白軸DH 系數(shù)量及卡方檢測Table 7 Number and chi square test of red and white cob DH lines with different sheath color,silk color and anther color

紫色葉鞘綠色花絲紫色花藥、綠色葉鞘紅色花絲紫色花藥、綠色葉鞘紅色花絲綠色花藥、綠色葉鞘綠色花絲紫色花藥DH 系數(shù)量均為0，說明4 種基因型沒有表達(dá)，應(yīng)該是控制葉鞘、花絲和花藥顏色性狀的基因存在著一定的制約關(guān)系，即綠色葉鞘制約紅色花絲基因的顯性表達(dá)，綠色花絲制約紫色花藥基因的顯性表達(dá)。

3 討論

自2012 年參加吉林省“雙十工程”科技攻關(guān)項(xiàng)目“玉米單倍體規(guī)?；N技術(shù)與新品種選育”（2011ZDGG002-2）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[11-12]，持續(xù)10 年踐行玉米單倍體育種工作，對玉米單倍體自然加倍自交結(jié)實(shí)株率等方面進(jìn)行了探索。本文研究支持了紅軸單倍體自交結(jié)實(shí)株率高和紫色葉鞘單倍體自交結(jié)實(shí)株率偏高的研究結(jié)果。

過去對玉米葉鞘、花絲、花藥及穗軸顏色性狀的研究多為單一性狀遺傳，關(guān)于性狀間的關(guān)系未查到相關(guān)研究[13]。對這些顏色性狀作為標(biāo)記性狀進(jìn)行記錄描述，沒有關(guān)注這些性狀間的關(guān)系。又由于材料間紅色花絲顯紅時(shí)間有差異（個(gè)別材料吐絲3d 后顯紅色；有的吐絲是紅色，3d 后變?yōu)闃O淺紅色），未能使花絲色調(diào)查完全準(zhǔn)確。結(jié)果表明，不存在如下表型，綠色葉鞘紅色花絲（表4）、綠色葉鞘紫色花藥（表5）、綠色花絲紫色花藥（表6）、紫色葉鞘綠色花絲紫色花藥、綠色葉鞘紅色花絲紫色花藥、綠色葉鞘紅色花絲綠色花藥、綠色葉鞘綠色花絲紫色花藥（表7）。只有“綠色葉鞘制約紅色花絲基因的顯性表達(dá)，綠色花絲制約紫色花藥基因的顯性表達(dá)”的推論成立，上述基因型沒有表達(dá)才能解釋得通。也就是說，綠色葉鞘DH 系，花絲和花藥就表現(xiàn)綠色；綠色花絲DH 系，花藥就表現(xiàn)綠色。只有紫色葉鞘DH系才表現(xiàn)紅色花絲或綠色花絲；只有紫色葉鞘紅色花絲DH 系才表現(xiàn)紫色花藥或綠色花藥，應(yīng)該與花色素積累有關(guān)[14]，尚有待驗(yàn)證。

因此，紫色葉鞘與紅色花絲基因連鎖，綠色葉鞘與綠色花絲基因連鎖，重組率為5.80%（表4），由于綠色葉鞘紅色花絲重組基因型沒有表達(dá)，重組率重新修正為11.61%。由表7 中的葉鞘色、花絲色、花藥色8 種基因型（其中葉鞘色和花絲色重組基因型有2 種）可以得出，紫色花藥與綠色花藥表型理論比值為1:5.1161。對紫色花藥和綠色花藥DH 系數(shù)量（紫色花藥：29；綠色花藥：195）進(jìn)行卡方檢測可知，P=0.20，說明花藥色為1 對基因獨(dú)立遺傳，紫色花藥為顯性，綠色花藥為隱性。

4 結(jié)論

紫色葉鞘與紅色花絲存在基因連鎖，綠色葉鞘與綠色花絲存在基因連鎖，重組率為11.61%?；ㄋ幧退胼S色各為1 對基因獨(dú)立遺傳，紫色花藥為顯性，綠色花藥為隱性。綠色葉鞘制約紅色花絲基因的顯性表達(dá)，綠色花絲制約紫色花藥基因的顯性表達(dá)。