玉米擬輪枝鐮孢穗腐病遺傳分析研究

郭子鋒 王山葒 劉甲成 劉愛平 李文學(xué)

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，北京 100081）

玉米穗腐病是世界范圍內(nèi)玉米主要的穗部病害，由于引起穗腐病的真菌種類多，其防治較為困難。在我國，引起玉米穗腐病的兩種主要真菌是擬輪枝鐮孢（Fusarium verticillioides）和禾谷鐮孢（Fusarium graminearum），其中擬輪枝鐮孢的發(fā)生范圍更廣，主要分布在我國的東北、東華北和黃淮海等玉米主產(chǎn)區(qū)[1-3]。擬輪枝鐮孢可通過花絲、莖部和穗部傷口侵染，攜帶病原菌的種子也會導(dǎo)致玉米的系統(tǒng)感染[4]。研究表明，玉米擬輪枝鐮孢穗腐病（FER，F(xiàn)usarium ear rot）與禾谷鐮孢穗腐?。℅ER，Gibberella ear rot）之間存在較強的相關(guān)性[5-6]，二者可能存在相同的抗病機制。玉米穗腐病不但引起產(chǎn)量下降，還影響玉米的發(fā)芽率和幼苗成活率。引起玉米穗腐病的各種致病菌能夠產(chǎn)生多種真菌毒素，且玉米穗腐病一般在生長后期發(fā)病，藥劑防治較為困難。隨著玉米機械化收獲的普及，成熟時發(fā)病的穗子無法人工去除，只能和健康的穗子混收，極大地影響了玉米的儲藏品質(zhì)和最終的商品價值。

目前生產(chǎn)上并沒有對穗腐病完全抗性的品種。玉米育種以常規(guī)育種為主，而雜交親本的選配和雜種后代的選擇是育種成功的關(guān)鍵，培育抗性玉米雜交種是解決穗腐病的根本途徑。玉米雜交種的選育一般分為自交系的培育和雜交組合的篩選，因此自交系的抗性與其組配的雜交種的抗性之間的相關(guān)程度是決定間接選擇效率的關(guān)鍵。有研究表明，自交系穗腐病抗性對其所配的雜交種抗性沒有影響，原因是高抗與高感自交系所配的頂交種抗性差異不顯著[7]；因此，認(rèn)為對自交系的選擇效果不如在雜交種中直接選擇[5]。還有研究表明，自交系穗腐病抗性是其所組配的雜交種抗性的重要指示，自交系與所組配的雜交種之間具有較高的相關(guān)性[8-10]。一般情況下，高抗材料之間產(chǎn)生的雜交組合絕大多數(shù)表現(xiàn)高抗，敏感材料之間產(chǎn)生的雜交組合沒有觀察到高抗的[8]，中親本優(yōu)勢一般為負(fù)值，即F1的抗性高于兩親本的平均值[8，11]，但也有研究表明雜交種抗性水平與自交系本身無顯著差異[12]。

雙列雜交是指一組供試親本之間進(jìn)行的兩兩雜交，在玉米育種工作中被廣泛采用。雙列雜交的分析方法主要有Griffing 法[13]和Hayman-Jinks法[14]。Griffing 法能獲得親本的配合力等遺傳參數(shù)，Hayman-Jinks 法則更側(cè)重基因效應(yīng)分析。本研究的目的是比較不同抗性自交系之間組配的雜交種之間的差異，了解自交系FER 抗性與其所組配的雜交種抗性之間的關(guān)系，并檢驗正反交是否對雜交F1的穗腐病抗性有影響。本研究采用雙列雜交分析，可以檢驗一般配合力（GCA，General combing ability）和特殊配合力（SCA，Special combing ability）對FER抗性的相對重要性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料本研究選用的5 個親本材料分別是Mo17、旱21、鐵7922、CML421 和CML426。其中CML421 和CML426 來自于國際玉米小麥改良中心（CIMMYT）。根據(jù)之前鑒定的結(jié)果，Mo17、旱21為高感FER 的自交系，鐵7922 為中抗的自交系，而CML421 和CML426 為高抗自交[15]。

1.2 雙列雜交設(shè)計研究采用完全雙列雜交設(shè)計，2020 年冬在海南5 個親本進(jìn)行成對雜交，組配20個組合，成熟時按照組合混合收獲F1。2021 年5 月5 日和5 月9 日分別在吉林公主嶺和北京順義進(jìn)行春播，6 月12 日在河南新鄉(xiāng)進(jìn)行夏播。雙粒播種，3葉期定苗，株距25cm，行距60cm，行長3m，每行留苗13 株。每個試驗地點設(shè)置2 個重復(fù)，苗期剔除假雜種植株。

1.3 菌種培養(yǎng)與接種方法接種的病原菌為擬輪枝鐮孢（Fusarium verticillioides），由云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院Dan Jeffers 和中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品加工研究所郭維實驗室提供。參考Guo 等[16]的方法進(jìn)行菌種培養(yǎng)：將擬輪枝鐮孢的菌株接種在PDA（Potato dxtrose agar）培養(yǎng)基上，恒溫箱中25oC 暗培養(yǎng)1 周，直至菌絲鋪滿整個培養(yǎng)基；然后將菌絲連同培養(yǎng)基倒入滅菌的玉米雄穗中進(jìn)行再培養(yǎng)。接種時，將孢子懸浮液濃度調(diào)節(jié)為50 萬/mL。本研究采用針刺果穗注射法進(jìn)行接種。接種方法如下：

先制作一個長約10cm，直徑約3～4mm 的針，從穗子的側(cè)面斜刺入穗子中，刺入的深度以剛好破壞一個籽粒為最佳，然后用針頭注入1.5mL 的孢子懸浮液。接種時間選在5：00-8：00 或15：00-18：00之間，避開高溫和強日照，以提高接種成功率。為避免材料之間的交叉感染和空氣中病原物孢子侵染，接種后的穗子都套上授粉袋，每行至少接種10 株。

在玉米完熟時，先判斷接種是否成功，對接種成功的穗子，采用9 級分類法進(jìn)行分級并計算穗子的病情嚴(yán)重度，F(xiàn)ER 病情嚴(yán)重度分級標(biāo)準(zhǔn)為1=0%果穗發(fā)病面積比例，2=1%，3=2%～5%，4=6%～10%，5=11%～20%，6=21%～40%，7=41%～60%，8=61%～80%，9=81%～100%，每行材料的病情嚴(yán)重度用接種穗子感病的平均值進(jìn)行計算[15-16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析軟件及模型軟件表型數(shù)據(jù)分析在Excel 2019 中進(jìn)行，相關(guān)分析使用IciMapping4.2 軟件。利用R 包“DiallelAnalysisR”中的完全雙列雜交Griffing 模型和Hayman 模型分析各個性狀的GCA、SCA 等遺傳參數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 性狀的遺傳力與相關(guān)分析對正反交20 個組合的FER 病情嚴(yán)重度和6 個農(nóng)藝性狀穗長、穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)、百粒重、產(chǎn)量進(jìn)行方差分析（表1），結(jié)果表明，這7 個性狀在組合間差異均達(dá)到極顯著水平（P＜0.01），說明這7 個性狀的配合力效應(yīng)對F1有顯著的影響，可以進(jìn)一步分析GCA、SCA 和反交配合力（REC）的效應(yīng)。遺傳力分析結(jié)果表明（表1），穗行數(shù)的遺傳力最高（0.813），產(chǎn)量的遺傳力最低（0.672），F(xiàn)ER 的遺傳力為0.772。相關(guān)分析表明，F(xiàn)ER 病情嚴(yán)重度與其他6 個農(nóng)藝性狀之間均未達(dá)到顯著相關(guān)，其中與FER 病情嚴(yán)重度相關(guān)性較高的2 個農(nóng)藝性狀分別是穗行數(shù)和百粒重，相關(guān)系數(shù)分別為0.347 和-0.359。其他6 個農(nóng)藝性狀之間的相關(guān)性分析表明，除了穗行數(shù)與穗長、百粒重沒有達(dá)到顯著相關(guān)外，其他農(nóng)藝性狀之間均達(dá)到顯著相關(guān)，其中產(chǎn)量與行粒數(shù)的相關(guān)系數(shù)最高（0.910**）。

表1 雙列雜交組合7 個性狀的方差分析、遺傳力和表型相關(guān)分析

2.2 一般配合力與特殊配合力方差分析表2 的F檢驗結(jié)果表明，除產(chǎn)量外的其他6 個性狀GCA效應(yīng)均達(dá)到極顯著水平，所有7 個性狀的SCA 效應(yīng)均達(dá)到極顯著水平，但REC 均未達(dá)到顯著水平。玉米FER 的正交與反交接種后表型差異非常?。▓D1）。對7 個性狀的GCA、SCA 和REC 進(jìn)行方差估計，都是SCA 明顯高于GCA 和REC，以FER為例，其GCA、SCA 和REC 的方差估計值分別為19.33、67.37 和7.04。

圖1 CML411 和旱21 正反交穗部表現(xiàn)

表2 雙列雜交7 個性狀的組合間及配合力方差分析

進(jìn)一步分析5 個自交系的一般配合力效應(yīng)（表3），對 于FER，Mo17 和CML426 的GCA 效 應(yīng)為負(fù)值，旱21、鐵7922 和CML411 的GCA 效應(yīng)為正值，但除了CML426 外，其他幾個自交系FER 的GCA 均未達(dá)到顯著水平。CML426 的穗長、穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)和產(chǎn)量的GCA 均為負(fù)值。CML411和CML426 的產(chǎn)量配合力為負(fù)值，但未達(dá)到顯著水平。

表3 5 個親本7 個性狀的一般配合力效應(yīng)

2.3 不同親本性狀的陣列方差（Vr）和遺傳協(xié)方差（Wr）分析及遺傳參數(shù)估算根據(jù)Hayman 的估算方法，分別計算了這7 個性狀的遺傳協(xié)方差Wr對陣列方差Vr的回歸方程，并計算Wr+Vr與親本觀察值（Yr）之間的相關(guān)系數(shù)（表4）。t測驗表明，回歸系數(shù)假設(shè)1 的檢測，均未達(dá)到顯著水平，表明這7 個性狀符合加性-顯性模型，其中6 個農(nóng)藝性狀Wr對Vr的回歸線在Wr軸線上的截距小于0，而FER 的截距大于0，可以推斷，F(xiàn)ER 的遺傳為部分顯性。穗長、穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)、百粒重和產(chǎn)量性狀Wr+Vr與Yr之間呈負(fù)相關(guān)，F(xiàn)ER 病情嚴(yán)重度Wr+Vr與Yr之間呈正相關(guān)，但相關(guān)系數(shù)未達(dá)到顯著水平，說明FER 抗性由顯性基因調(diào)控。

表4 7 個性狀遺傳協(xié)方差（Wr）與陣列方差（Vr）的相關(guān)回歸分析

3 討論

通過分析玉米7 個性狀的GCA 效應(yīng)和SCA 效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)除了產(chǎn)量性狀的GCA 效應(yīng)外，都達(dá)到極顯著水平（P＜0.01），說明親本自交系和不同組合之間具有顯著差異，但方差估計值均是SCA 大于GCA，其中FER 的SCA 和GCA 方差估計值分別為67.37 和19.33，這與前人的研究結(jié)果有所不同，Hung 等[8]研究發(fā)現(xiàn)GCA 能夠較好地用于預(yù)測雜交種表現(xiàn)。與產(chǎn)量等農(nóng)藝性狀相比，F(xiàn)ER 的GCA/SCA 比值依然較高，且本研究使用的群體較小，因此，利用自交系FER 的GCA 來預(yù)測雜交后代的表現(xiàn)依然具有一定的意義。通常情況下，GCA 是由基因的加性效應(yīng)決定的，SCA是由基因的非加性效應(yīng)決定的，即受基因間的顯性、超顯性和上位性效應(yīng)所控制。關(guān)于玉米FER，有研究認(rèn)為抗病優(yōu)勢的產(chǎn)生是由于抗性的顯性效應(yīng)和一般雜種優(yōu)勢的間接效應(yīng)[17]，也有認(rèn)為玉米FER 是加性效應(yīng)與顯性效應(yīng)共同作用的結(jié)果[18-19]，現(xiàn)在一般認(rèn)為，玉米FER 遺傳以加性效應(yīng)為主，非加性效應(yīng)較小，如果想獲得高抗的雜交種，雙親都應(yīng)具有抗性等位基因[8-9，12]。根據(jù)Hayman 的估算方法，也認(rèn)為玉米FER 的遺傳符合加性-顯性模型，且為部分顯性。

本研究發(fā)現(xiàn)，6 個農(nóng)藝性狀和FER 病情嚴(yán)重度的REC 均未達(dá)到顯著水平，玉米FER 的正交與反交接種后表型差異非常?。▓D1），這表明正交和反交并不影響雜交種的抗性，因此在進(jìn)行雜交種的組配時，抗性材料作為父本或者母本并沒有影響，這與張新等[11]的研究略有不同，其研究認(rèn)為病情指數(shù)高的一方作母本則其F1的病指也高，即同一雜交組合中，母本的抗感性對雜種F1的影響較大，原因可能是研究材料的不同以及親本本身的抗性差異。5 個自交系的GCA 效應(yīng)，只有CML426 的GCA 效應(yīng)達(dá)到顯著水平且為負(fù)值，表明該材料是重要的抗源，我們之前的研究也表明，熱帶種質(zhì)的抗性強于溫帶種質(zhì)。進(jìn)一步挖掘熱帶玉米材料的抗性是未來解決我國穗腐病的重要途徑[20]。