玉米杂交种出苗比自交系早3d左右,出苗时间属于数量性状,加性效应略大[1]。玉米杂交种与自交系种子均存在休眠现象,成熟种子收获干燥后,可促进种子发芽[2,3]。玉米种子休眠性有强有弱,种子休眠性过弱,易出现穗发芽现象,如我国西南地区,玉米种子休眠性过弱导致穗发芽现象十分严重。对此休眠现象,兰海等[4]研究检测到7个QTL分布于1、3、5和10号染色体上,并且其中有1个QTL为主效QTL;符合1对负向完全显性主基因+加性-显性多基因模型（D-4模型）,主基因遗传率为44.80%~79.65%,多基因遗传率为5.74%~35.33%[5]。种子休眠性强,即出苗晚,易造成小苗,影响产量,如在黄淮流域夏直播玉米种植区,处于休眠状态的部分杂交种种子由于出苗晚,形成小苗导致减产[6]。
关于玉米种子休眠性强弱,即种子出苗时间长短的研究未见报道。利用4份材料单倍体自然加倍获得的自交系（DH系）种子,对DH系进行出苗期调查,并对出苗时间长短（休眠性强弱）进行分析,以期对玉米种子休眠性有一个更全面的认识,为玉米育种工作提供参考。
1 材料与方法
1.1 试验材料
2017年在通化市农业科学研究院玉米试验基地（梅河口市）,以3个外引系PH12TB、PHB1M、826F和自选系通A6为母本,以自选DH系通D1279为父本,组配PH12TB×通D1279、PHB1M×通D1279、通A6×通D1279、826F×通D1279 4个杂交组合,获得各组合杂交种子均在5kg以上。上述5份自交系或DH系均无休眠性过弱（穗发芽）、过强（种子硬实）现象,其种质来源等见表1。
表1 供试自交系和DH系种质来源
Table 1
| 自交系或DH系Inbred line or DH line | 种质Germplasm | 来源Origin | 穗发芽Germination of ear | 种子硬实Hard seed |
|---|---|---|---|---|
| PH12TB | 兰卡斯特Lancaster | 美国 | 无 | 无 |
| PHB1M | 兰卡斯特Lancaster | 美国 | 无 | 无 |
| 通A6 Tong A6 | 美国杂交种×丹340 | 中国（自选） | 无 | 无 |
| 826F | 兰卡斯特Lancaster | 美国 | 无 | 无 |
| 通D1279 Tong D1279 | PH4CV×(丹340×吉853) | 中国（自选） | 无 | 无 |
2018年以4份杂交材料F1为诱导材料,诱导系为吉林省农业科学院提供的吉SM6278-2,进行杂交诱导。9月15日开始挑选准单倍体籽粒,10月24日在海南三亚南滨农场通化市农业科学研究院试验基地进行自然加倍试验,12月10-25日自交授粉,2019年2月10日收获并晾晒,同时鉴定自交穗是否有穗发芽现象。4份材料共收获加倍单倍体自交结实穗419个,穗粒数最少为3粒,多的达10粒以上（表2）。
表2 各材料单倍体结实株数和结实株率
Table 2
| 材料 Material | 单倍体株数 Number of haploid plants | 结实株数 Number of setting plants | 结实株率(%) Setting plant rate |
|---|---|---|---|
| PH12TB×通D1279 PH12TB×Tong D1279 | 5 342 | 103 | 1.93 |
| PHB1M×通D1279 PHB1M×Tong D1279 | 3 320 | 124 | 3.73 |
| 通A6×通D1279 Tong A6×Tong D1279 | 2 358 | 106 | 4.50 |
| 826F×通D1279 826F×Tong D1279 | 5 120 | 86 | 1.68 |
1.2 试验方法
2019年4月28日,采用人工播种器单粒播种,深浅均匀一致。1穗1行,行长1m,垄距60cm,株距20cm。PH12TB×通D1279 103穗;PHB1M×通D1279 124穗;通A6×通D1279 106穗;826F×通D1279 86穗。出苗期调查标准:露锥且达50%为出苗日期,5月10日-6月30日每天上午调查,6月中下旬作一致性鉴定。
1.3 土壤湿度及降雨情况
梅河口市2019年4月份降水偏少,播种时土壤为半湿润状态且均匀一致。5月份降水量较多,6月份雨水充足,温度适宜种子出苗及生长。
1.4 统计分析
2 结果与分析
2.1 DH系种子穗发芽和出苗率
收获的419个加倍单倍体自交结实穗,授粉-成熟时间为46~61d,未见穗发芽（休眠性过弱）现象。由于材料双亲均无穗发芽现象,因此,后代穗发芽现象发生概率较低。
4份材料DH系5月16日开始出苗,至6月14日结束,出苗时间调查进行至6月30日。6月中下旬经3次一致性鉴定,剔除个别杂株,共有399份DH系出苗（表3）。
表3 DH系出苗率
Table 3
| DH系 DH line | 播种数 Number of sowing | 出苗数 Number of emergence | 不出苗数 Number of no emergence | 出苗率(%) Emergence rate | 未出苗率(%) No emergence rate |
|---|---|---|---|---|---|
| PH12TB×通D1279 PH12TB×Tong D1279 | 103 | 97 | 6 | 94.17 | 5.83 |
| PHB1M×通D1279 PHB1M×Tong D1279 | 124 | 119 | 5 | 95.97 | 4.03 |
| 通A6×通D1279 Tong A6×Tong D1279 | 106 | 101 | 5 | 95.28 | 4.72 |
| 826F×通D1279 826F×Tong D1279 | 86 | 82 | 4 | 95.35 | 4.65 |
由表3可以看出,4份材料DH系出苗率为94.17%~95.97%,未出苗率4.03%~5.83%,未出苗DH系存在种子硬实现象。
2.2 DH系出苗天数分布
将4份材料DH系出苗日期每4d累计为1组进行正态性检测,由表4可以得出,4份材料DH系出苗天数均不符合正态分布,最长出苗时间为35~47d,变异系数为22.58%~32.33%。出苗时间长的DH系休眠性强。DH系双亲出苗均较快且基本一致,可以认为是杂交材料F1染色体分离与重组单倍体自然加倍自交纯合休眠性强的基因型在F2最大分离世代得以表达的结果。2019年常规玉米自交系出苗时间为16d左右,而4份材料DH系出苗时间在16~19d的占50.00%~70.16%,然后呈连续递减分布,出苗时间≥20d占50.00%~29.84%,强休眠性状表现突出。
表4 DH系播种-出苗天数及检测值
Table 4
| DH系 DH line | 播种-出苗天数Days of sowing-emergence (d) | 最长天数(d) Maximum days | 变异系数(%) Coefficient of variation | P | 正态分布 Normal distribution | |||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 16~19 | 20~23 | 24~27 | 28~31 | 32~35 | 36~39 | 40~43 | 44~47 | |||||
| PH12TB×通D1279 PH12TB×Tong D1279 | 69 | 14 | 4 | 6 | 4 | 0 | 0 | 0 | 35 | 22.58 | 0.00 | 不符合 |
| PHB1M×通D1279 PHB1M×Tong D1279 | 87 | 18 | 2 | 4 | 5 | 1 | 1 | 1 | 45 | 28.40 | 0.00 | 不符合 |
| 通A6×通D1279 Tong A6×Tong D1279 | 53 | 21 | 4 | 9 | 9 | 3 | 1 | 1 | 47 | 32.33 | 0.00 | 不符合 |
| 826F×通D1279 826F×Tong D1279 | 60 | 12 | 0 | 3 | 3 | 3 | 1 | 0 | 42 | 31.07 | 0.00 | 不符合 |
2.3 DH系出苗天数模型运算分析
2.3.1 DH系出苗天数极大对数似然函数值和AIC值 统计4份材料399份出苗DH系的出苗天数,将其输入DH模型进行运算分析。各材料DH系出苗天数的20种模型中,AIC值最小的为4MG-AI模型,即4MG-AI为最适模型（表5）。
表5 DH系出苗天数极大对数似然函数值和AIC值
Table 5
| DH系 DH line | 模型Model | 极大对数似然函数值Maximum logarithmic quasi-likelihood function value | AIC值AIC value |
|---|---|---|---|
| PH12TB×通D1279 PH12TB×Tong D1279 | 4MG-AI | -737.557 | 1 515.114 |
| PHB1M×通D1279 PHB1M×Tong D1279 | 4MG-AI | -820.783 | 1 681.566 |
| 通A6×通D1279 Tong A6×Tong D1279 | 4MG-AI | -868.099 | 1 776.198 |
| 826F×通D1279 826F×Tong D1279 | 4MG-AI | -771.355 | 1 582.710 |
表6 DH系候选模型适合性检验
Table 6
| DH系 DH line | 统计量Statistic | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| U12 | U22 | U32 | nW2 | Dn | |
| PH12TB×通D1279 PH12TB×Tong D1279 | 0.0001(0.9941) | 8.4244**(0.0037) | 134.1280**(0) | 18.7898(0.0606) | 0.0022(1) |
| PHB1M×通D1279 PHB1M×Tong D1279 | 0.0006(0.9803) | 6.1564*(0.0131) | 96.6135**(0) | 15.5869*(0.0453) | 0.0022(1) |
| 通A6×通D1279 Tong A6×Tong D1279 | 0.0003(0.9868) | 8.2347**(0.0041) | 130.2889**(0) | 18.1582(0.0577) | 0.0022(1) |
| 826F×通D1279 826F×Tong D1279 | 0.0059(0.9389) | 11.8098**(0.0006) | 180.8844**(0) | 21.2230(0.0718) | 0.0022(1) |
Note: "*" indicates significant at 0.05 level; "**" indicates extremely significant at 0.01 level
注:“*”代
2.3.3 DH系遗传参数估计值 将4份材料DH系出苗天数最适模型遗传参数估计值列于表7。可以看出,材料间DH系出苗天数平均数m为6~9d,差异不大;da、db主基因加性效应值材料内一致,均为5~6d,材料间差异不大;dc主基因加性效应值有2个负值、2个正值,材料间最大相差4d;dd主基因加性效应值均为负值,材料间差异不大;上位性效应iab均为正值,为5~6d,材料间差异不大;上位性效应iac为2个负值、2个正值,材料间最大相差4d;上位性效应iad均为负值,材料间相差不大;上位性效应ibc为2个负值、2个正值,材料间最大相差4d;上位性效应ibd均为负值,材料间相差不大;上位性效应icd为2个负值、2个正值,材料间最大相差4d。
表7 DH系遗传参数估计值
Table 7
| 参数 Parameter | PH12TB×通D1279 PH12TB×Tong D1279 | PHB1M×通D1279 PHB1M×Tong D1279 | 通A6×通D1279 Tong A6×Tong D1279 | 826F×通D1279 826F×Tong D1279 |
|---|---|---|---|---|
| m | 6.2957 | 9.0316 | 8.6960 | 7.1725 |
| da | 5.2708 | 5.9071 | 5.8709 | 5.6991 |
| db | 5.2708 | 5.9071 | 5.8709 | 5.6991 |
| dc | -0.9129 | 3.0625 | 2.8060 | -1.3858 |
| dd | -1.1469 | -1.2804 | -1.1169 | -1.5894 |
| iab | 5.2708 | 5.9071 | 5.8709 | 5.6991 |
| iac | -0.9129 | 3.0625 | 2.8060 | -1.3858 |
| iad | -1.1469 | -1.2804 | -1.1169 | -1.5894 |
| ibc | -0.9129 | 3.0625 | 2.8060 | -1.3858 |
| ibd | -1.1469 | -1.2804 | -1.1169 | -1.5894 |
| icd | 1.0861 | -3.1245 | -2.8250 | 1.4914 |
| σ2p | 67.8969 | 78.2824 | 89.7644 | 60.3217 |
| σ2mg | 67.5574 | 77.8675 | 89.2079 | 59.7909 |
| σ2 | 0.3395 | 0.4149 | 0.5565 | 0.5308 |
| h2mg (%) | 99.5000 | 99.4700 | 99.3800 | 99.1200 |
Note: m indicates average days of emergence of DH population; da、db、dc、dd indicate additive effects of major genes AA, BB, CC and DD, respectively; iab indicates epistatic effects of major genes AA to BB, iac AA to CC, iad AA to DD, ibc BB to CC, ibd BB to DD, icd CC to DD, espectively; σ2p indicates variance of phenotypic; σ2mg indicates variance of major gene; σ2 indicates variance of environmental; h2mg indicates heritability of major genes
注:m为DH群体出苗天数平均数;da、db、dc、dd分别为主基因AA、BB、CC和DD的加性效应;iab、iac、iad、ibc、ibd、icd分别为主基因AA对BB、AA对CC、AA对DD、BB对CC、BB对DD、CC对DD的上位性效应;σ2p为表型方差;σ2mg为主基因方差;σ2为环境方差;h2mg为主基因遗传力
4份材料DH系出苗天数主基因遗传力分别为99.50%、99.47%、99.38%、99.12%,最大差异仅为0.38个百分点。
因此可以得出,玉米DH系第一代种子出苗时间长短（休眠性强弱）由4对主基因决定,种子休眠性强,出苗时间就长;种子休眠性弱,出苗时间就短,具有加性和上位性效应,4对主基因遗传力均为99%以上。
3 讨论
按照玉米杂交诱导单倍体生殖（单倍体）选育自交系技术规范[9],持续9年践行玉米单倍体育种工作。以往育种实践中,在海南三亚南滨农场试验基地收获加倍单倍体自交结实穗时,有部分材料少量穗出现穗发芽现象,作淘汰处理。在本地连续多年种植DH系第一代种子时,各年度各材料不出苗DH系占10%左右,同时存在少量出苗晚或极晚的DH系（比正常出苗晚20d）,由于不能正常成熟,即做淘汰处理。
自然加倍单倍体自交结实株率比较低,能够结实的并非随机结果,单倍体育种存在选择压力,只有健壮单倍体植株雄穗能够加倍并自交结实,DH系表现优良[10]。同时淘汰休眠性过强的DH系（种子硬实）,提高育种效率。
常规玉米育种选系,S1~S6代休眠性强的种子,出苗晚,导致在群体中长势弱,果穗发育不良,即淘汰;休眠性过弱（穗发芽）,也淘汰。自交到S7~S8代纯合基因位点为99.22%~99.61%,但仍有0.78%~0.39%的杂合基因位点[11],可能一定程度上掩盖了休眠性过弱或过强等不良休眠性状。而DH系100%纯合,在剔除不良休眠性状方面效果显著。
当前在玉米自交系（DH系）和杂交种出苗性状选择上,力求出苗时间短、苗长势强的材料和杂交组合。本研究中,出苗时间长短是由4对主基因加性上位性效应决定,考虑到尚有4.03%~5.83%未出苗（休眠性过强）,至少有1对主基因控制;穗发芽（休眠性过弱）由1对主基因控制[4],故决定种子休眠性的主基因数量在6对以上,这增加了鉴定难度。所以对于常规育成系和利用常规系组配的杂交种必须进行多年多点异地鉴定。经过严格休眠性状选择的DH系组配的杂交种,休眠性过弱或过强等性状发生概率可能比较低,有待于进一步的验证。
4 结论
本研究利用4份容量较大的DH群体,进行连续52d的出苗期调查,通过运算分析得出玉米DH系第一代种子出苗时间是由4对主基因决定的,具有加性和上位性效应,主基因遗传力为99.12%~99.50%。从出苗时间长短是由种子休眠性强弱决定的角度解释,在能够出苗的这一区段,休眠性强弱由4对主基因加性上位性效应决定,决定玉米种子休眠性主基因数目应在6对以上。
