硬粒、馬齒玉米單倍體自交結(jié)實(shí)株率差異研究

李忠南 王越人 馬藝文 李志博 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 吉林 長春 130033；2.通化市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院 吉林 梅河口 135007）

玉米單倍體育種技術(shù)是現(xiàn)代玉米育種的重要技術(shù)之一，以誘導(dǎo)系對(duì)材料進(jìn)行雜交誘導(dǎo)為主要方法[1-3]。由于基礎(chǔ)材料遺傳背景等不同， 無論在海南自然加倍還是本地化學(xué)加倍， 單倍體自交結(jié)實(shí)株率種質(zhì)間存在很大差異。 雄穗加倍率低始終是單倍體育種的瓶頸[4-6]。 近期研究表明，在1 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)、5 號(hào)、7 號(hào)染色體上存在23 個(gè)雄穗高自然加倍相關(guān)QTL 位點(diǎn)，1 號(hào)、3 號(hào)、4 號(hào)染色體上定位到4 個(gè)共有顯著QTL區(qū)段[7]。

10 余年的單倍體育種實(shí)踐表明， 在相繼發(fā)現(xiàn)玉米單倍體自交結(jié)實(shí)株率紅軸對(duì)白軸、 紫葉鞘對(duì)綠葉鞘及父本血緣對(duì)母本血緣的顯著優(yōu)勢(shì)[8-11]之后，發(fā)覺硬粒雜交材料單倍體自交結(jié)實(shí)株率極明顯低于馬齒。 由于硬粒×馬齒為東北地區(qū)玉米主導(dǎo)雜優(yōu)模式，研究探討硬粒、 馬齒雜交材料單倍體自交結(jié)實(shí)株率差異，對(duì)單倍體育種具有重要意義，該方面研究未見報(bào)道。

本文作者以硬粒和馬齒共23 份玉米F1單倍體進(jìn)行3 年的海南自然加倍試驗(yàn)， 并就7 份進(jìn)行本地化學(xué)加倍試驗(yàn)， 通過研究探討硬粒和馬齒不同雜交方式單倍體自交結(jié)實(shí)株率差異，以提高育種效率。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料配制及誘導(dǎo)

雜交配制基礎(chǔ)材料F1的自交系或DH 系共23 份，其中， 硬粒種質(zhì)8 份， 分別為PH6WC、NG7015、29、Y3011、D135-2、1258-6、B20、X826-2，馬齒種質(zhì)15 份（表1）。 2019 年雜交配制材料6 份：D10×PH6WC、D10×鄭58、D135-2×PH4CV、29396×D1279、D1279×D752、B20×D752；2020 年 雜 交 配 制 材 料10 份：NG7015×29、PH6WC×Y3011、D1279×D956、1258-6×PH4CV、 T12111×D1279、 PH12TB×D1279、 T0322×D1279、PHB1M×D1279、A6×D1279、X826-2×D1279；2021 年雜交配制材料7 份： F1硬粒（PH6WC×29）×PH6WC、 Y3011×29、 763-1×D752、 763-1×D1279、PHB1M×D1279、D338-2×763-1、D494×PHB1M， 共計(jì)23 份F1材料。 2020 年、2021 年、2022 年進(jìn)行雜交誘導(dǎo)，秋季挑選單倍體粒。 誘導(dǎo)系采用吉誘SM6278-2。試驗(yàn)在通化市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)地進(jìn)行。

1.2 海南自然加倍和本地化學(xué)加倍

2020 年、2021 年、2022 年10 月25 至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，進(jìn)行單倍體自然加倍試驗(yàn)，采用大壟雙行，壟距1 m，單粒播種，株距10 cm。苗期開始去雜，授粉前查數(shù)單倍體株數(shù)。 于當(dāng)年12 月中旬開始套小袋并開始授粉，月末結(jié)束，查數(shù)授粉株數(shù)；于下一年2 月中旬收獲自交結(jié)實(shí)穗，晾曬并查數(shù)。 海南單倍體加倍試驗(yàn)圃周邊作物為水稻、棉花、蔬菜等。

本地化學(xué)加倍試驗(yàn)采用晚播錯(cuò)期處理。2021 年、2022 年在通化市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)地就7 份單倍體進(jìn)行化學(xué)加倍試驗(yàn)，均于5 月10 日播種，9 月20 日收獲并查數(shù)自交結(jié)實(shí)穗。 具體方法：?jiǎn)伪扼w籽粒用清水浸泡8～10 h，再用恒溫箱催芽，催芽均勻；芽根長至1.5 cm 左右時(shí)，用小刀片切根尖；切完后用紗網(wǎng)袋裝好并寫好標(biāo)簽，用秋水仙素0.08%蒸餾水溶液浸泡8 h 后拿出，用清水浸泡、沖涮5 次，待播種。 滴灌防止土壤表層干硬，以提高出苗率。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)聚類分析、回歸分析和方差分析均采用DPS 17.10 進(jìn)行。 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方式為對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，聚類距離為卡方距離，聚類方法為可變類平均法；多重比較采用新復(fù)極差比較法。

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

2 結(jié)果與分析

2.1 單倍體自交結(jié)實(shí)株率

由表2 可知， 總體上單倍體自交結(jié)實(shí)株率不符合正態(tài)分布（P＜0.05），變異系數(shù)為78.63%；馬齒×馬齒單倍體自交結(jié)實(shí)株率高低不一，其平均值、最大值及最小值均高于其他處理，變異系數(shù)為42.97%，不符合正態(tài)分布（P＜0.05）；硬粒×硬粒平均值、最大值及最小值均最低， 變異系數(shù)為77.55%， 符合正態(tài)分布（P＞0.05）； 硬粒×馬齒介于中間偏低， 變異系數(shù)為59.38%，符合正態(tài)分布（P＞0.05）。表明馬齒種質(zhì)比硬粒種質(zhì)富含優(yōu)良結(jié)實(shí)性基因，雜交重組累加效應(yīng)高。

表2 單倍體自交結(jié)實(shí)株率統(tǒng)計(jì)參數(shù)

由表3 可知，馬齒×馬齒本地化學(xué)加倍比海南自然加倍自交結(jié)實(shí)株率提高2.36%～14.55%， 硬?！劣擦Ｌ岣?.67%～1.49%，馬齒×硬粒提高2.49%，硬?！榴R齒提高2.1%。 化學(xué)加倍對(duì)馬齒×馬齒效果好，說明雜交重組累加效應(yīng)高。 利用自然加倍和化學(xué)加倍自交結(jié)實(shí)株率回歸分析表明，相關(guān)系數(shù)0.966 6（P＜0.01），決定系數(shù)0.934 3， 剩余標(biāo)準(zhǔn)差0.330 7， 截距A：1.204 2（P＜0.01），斜率B：0.684 5（P＜0.01），y=1.204 2+0.684 5x，種質(zhì)間化學(xué)加倍與自然加倍自交結(jié)實(shí)株率呈線性關(guān)系， 說明單倍體自交結(jié)實(shí)株率高低由雜交重組累加優(yōu)良結(jié)實(shí)性效應(yīng)基因數(shù)量多寡決定。

表3 玉米單倍體海南自然加倍與本地化學(xué)加倍自交結(jié)實(shí)株率

2.2 聚類分析

針對(duì)23 份材料海南單倍體株數(shù)和自交結(jié)實(shí)株率進(jìn)行聚類分析，結(jié)果見圖1、表4。 表4 列出了材料間卡方距離，RSQ 為殘差平方和，值越大，關(guān)系越近；值越小，關(guān)系越遠(yuǎn)；PSF 為偽F 統(tǒng)計(jì)量層次距離中的參數(shù)；WS 為統(tǒng)計(jì)量，值越大，關(guān)系越遠(yuǎn)。 圖1 說明卡方距離在1.50 條件下，可劃分為2 個(gè)群。 群1 包括硬?！劣擦? 份和硬?！榴R齒4 份，與馬齒群最大卡方距離為2.4762； 群2 包括馬齒×馬齒14 份和馬齒×硬粒1 份。說明群1 和群2 在優(yōu)良結(jié)實(shí)基因數(shù)量上和雜交重組累加效應(yīng)上存在差異，存在細(xì)胞質(zhì)遺傳效應(yīng)。

表4 卡方距離及參數(shù)

在卡方距離0.75 條件下， 群1 可劃分為3 個(gè)次群：次群1、2 分別為硬?！劣擦＃ǜ? 份），次群3 為硬?！榴R齒（4 份）；群2 可劃分為2 個(gè)次群：次群1 為馬齒×馬齒（5 份），為高自交結(jié)實(shí)株率群，次群2 為馬齒×馬齒和馬齒×硬粒（10 份）。

前期研究結(jié)果[14]：PH4CV×A6（馬齒×馬齒）F1單倍體自交結(jié)實(shí)株率14.70%，育成D752（馬齒）；B20×PH4CV（硬?！榴R齒）F1單倍體自交結(jié)實(shí)株率6.90%，育成D1279（馬齒），說明PH4CV 和育成的馬齒DH系富含優(yōu)良結(jié)實(shí)性基因, 存在細(xì)胞質(zhì)遺傳效應(yīng)。 群2 次群1 中的D1279×D752 單倍體自交結(jié)實(shí)株率為17.11%， 說明優(yōu)良結(jié)實(shí)性基因雜交重組累加效應(yīng)明顯。 群1 次群3 中硬粒×馬齒4 份雜交材料自交結(jié)實(shí)株率：0.66%（1258-6×PH4CV）、2.14%（B20×D752）、2.53%（X826-2×D1279）、0.88%（D135-2×PH4CV），雜交材料父本均富含優(yōu)良結(jié)實(shí)性基因。 可見，硬粒種質(zhì)寡含優(yōu)良結(jié)實(shí)性基因，雜交重組累加效應(yīng)差，存在細(xì)胞質(zhì)遺傳效應(yīng)。尤其是D135-2（紅軸昌7-2×PH4CV）×PH4CV，PH4CV 占75%，說明細(xì)胞質(zhì)效應(yīng)明顯。

群1 次群1 中的F1硬?！罰H6WC（1.15%），其F1硬粒（PH6WC×29，硬?！劣擦＃┣捌谘芯拷Y(jié)果[9，14]單倍體自交結(jié)實(shí)株率分別為0.73%和0.60%；PH6WC 自身單倍體結(jié)實(shí)率0.20%[14]；PH6WC 占75%，說明硬粒種質(zhì)寡含且雜交重組累加優(yōu)良加結(jié)實(shí)性基因效應(yīng)微弱。 D10（馬齒）選于PH6WC×鄭58（硬?！榴R齒），前期研究結(jié)果[14]自交結(jié)實(shí)株率1.70%～4.10%。群2 次群2 中的D10×PH6WC 為4.08%，PH6WC 占75%；D10×鄭58 為10.16%，鄭58 占75%，卡方距離0.240 3。 說明馬齒種質(zhì)富含且雜交重組累加優(yōu)良結(jié)實(shí)性基因效應(yīng)明顯，鄭58 富含優(yōu)良結(jié)實(shí)性基因。

2.3 方差與差異顯著性比較分析

將2020 年、2021 年海南自然加倍和2021 年、2022 年化學(xué)加倍4 份、3 份雜交材料單倍體自交結(jié)實(shí)株率進(jìn)行方差和差異比較分析，結(jié)果見表5、表6。由表5 可知，區(qū)組間P＜0.05、P＜0.05；材料間P＜0.01、P＜0.05，說明本地化學(xué)加倍自交結(jié)實(shí)株率比海南自然加倍高，達(dá)顯著水平；材料間自交結(jié)實(shí)株率差異達(dá)極顯著水平或顯著水平。 材料間的標(biāo)準(zhǔn)差及標(biāo)準(zhǔn)誤已去掉區(qū)組效應(yīng)，結(jié)果可用[12]。

由表6 可知， 自交結(jié)實(shí)株率D10×鄭58 與29396×D1279 差異不顯著， 與D10×PH6WC 差異達(dá)顯著水平， 與D135-2×PH4CV 差異達(dá)極顯著水平；29396×D1279 與D10×PH6WC 差 異 不 顯 著， 與D135-2×PH4CV 差異達(dá)顯著水平；D10×PH6WC 與D135-2×PH4CV 差異達(dá)顯著水平。即硬?！榴R齒＜馬齒×硬粒達(dá)顯著水平；硬?！榴R齒＜馬齒×馬齒達(dá)極顯著或顯著水平。 D1279×D956 與NG7015×29 差異達(dá)顯著水平，與PH6WC×Y3011 差異達(dá)極顯著水平；NG7015×29 與PH6WC×Y3011 差異不顯著， 即硬粒×硬粒＜馬齒×馬齒達(dá)顯著或極顯著水平。

進(jìn)一步研究表明， 馬齒種質(zhì)富含且雜交重組累加優(yōu)良結(jié)實(shí)性基因效應(yīng)明顯， 硬粒種質(zhì)寡含且雜交重組累加優(yōu)良結(jié)實(shí)性基因效應(yīng)微弱， 存在細(xì)胞質(zhì)遺傳效應(yīng)。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

玉米祖先為硬粒， 經(jīng)馴化和人工選擇遺傳演化為馬齒， 硬粒分布于美洲北部， 馬齒分布于美洲南部。 美洲硬粒傳到歐洲，發(fā)展成歐洲硬粒。 我國老地方品種多為硬粒型。 硬粒種質(zhì)具有種子耐低溫、早熟、脫水快及容重高等優(yōu)點(diǎn)[15-17]，對(duì)我國北方玉米生產(chǎn)具有重要作用。 玉米雜種優(yōu)勢(shì)利用以來，硬?！榴R齒一直為主導(dǎo)雜優(yōu)模式，尤其近百余年的種質(zhì)改良，馬齒比硬粒具有更寬的遺傳背景、 更豐富的遺傳多樣性，對(duì)玉米產(chǎn)量貢獻(xiàn)更大[18]。 從5 000 年左右的進(jìn)化時(shí)間跨度看， 馬齒種質(zhì)比硬粒更富含優(yōu)良結(jié)實(shí)性基因。

本研究結(jié)果， 玉米單倍體自交結(jié)實(shí)株率為數(shù)量性狀，馬齒×馬齒材料平均值最高，不符合正態(tài)分布；硬?！劣擦２牧献畹?，并存在細(xì)胞質(zhì)遺傳效應(yīng)。 表明馬齒種質(zhì)富含且雜交重組累加優(yōu)良結(jié)實(shí)性基因效應(yīng)明顯， 硬粒種質(zhì)寡含且雜交重組累加優(yōu)良結(jié)實(shí)性基因效應(yīng)微弱，硬?！榴R齒＜馬齒×硬粒。 馬齒種質(zhì)雜交材料， 自交結(jié)實(shí)株率雙DH 系高于單DH 系表達(dá)，支持了一些研究結(jié)果[19]；高自然加倍材料吉Gjb335DH3為馬齒型[7]，也證明了這一點(diǎn)。 遴選出富含優(yōu)良結(jié)實(shí)性基因馬齒種質(zhì)PH4CV、D1279、D752、鄭58。

對(duì)前期研究[14]的77 份材料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表明（表7）符合本研究結(jié)論。 馬齒×馬齒呈更大的離散幅度，變異系數(shù)最高，不符合正態(tài)分布（P＜0.01），平均值略低，由均為基礎(chǔ)材料導(dǎo)致； 硬?！榴R齒最大值6.90%（B20×PH4CV），PH6WC×PH4CV（先玉335，硬?！榴R齒）單倍體自交結(jié)實(shí)株率6.71%[19]，比較相近，應(yīng)該是優(yōu)勢(shì)群間產(chǎn)量雜種優(yōu)勢(shì)導(dǎo)致，有待于進(jìn)一步研究。 如果該二組合以PH4CV 為母本，其單倍體自交結(jié)實(shí)株率將會(huì)更高，有待于今后或同行驗(yàn)證。

表7 自交結(jié)實(shí)株率統(tǒng)計(jì)參數(shù)

硬?！榴R齒為東北地區(qū)主導(dǎo)雜優(yōu)模式，選育硬粒高容重母本系是必然，利于種子耐低溫、保全苗[20]，同時(shí)確保單交種容重≥720 g/L（國家審定標(biāo)準(zhǔn)）。 本研究重要意義在于:在單倍體育種中，對(duì)于硬粒母本系選育應(yīng)采取馬齒×硬粒雜交方式， 在DH 系群中選擇性狀優(yōu)良硬?；蚪擦H 系；對(duì)于硬粒×硬粒，應(yīng)采用化學(xué)加倍或常規(guī)選育方法； 父本系選育應(yīng)采取馬齒×硬?；蝰R齒×馬齒。如此將顯著提高育種效率。隨著單倍體育種輪回選擇進(jìn)度的加快，硬粒、馬齒DH種質(zhì)不同程度重組累加更多優(yōu)良結(jié)實(shí)性基因， 將不同程度地表達(dá)更高自交結(jié)實(shí)株率， 極大推進(jìn)種質(zhì)創(chuàng)新工作。

3.2 結(jié)論

本研究表明， 馬齒種質(zhì)富含且雜交重組累加優(yōu)良結(jié)實(shí)性基因效應(yīng)明顯，其單倍體自交結(jié)實(shí)株率高；硬粒種質(zhì)寡含且雜交重組累加優(yōu)良結(jié)實(shí)性基因效應(yīng)微弱，其單倍體自交結(jié)實(shí)株率低。 單倍體自交結(jié)實(shí)率為數(shù)量性狀， 馬齒×馬齒不符合正態(tài)分布； 硬?！榴R齒＜馬齒×硬粒，存在細(xì)胞質(zhì)遺傳效應(yīng)，硬粒×硬粒遺傳效應(yīng)最低。 馬齒×馬齒、馬齒×硬粒重組累加優(yōu)良結(jié)實(shí)性基因效應(yīng)明顯。