作物杂志, 2021, 37(2): 57-61 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2021.02.008

遗传育种·种质资源·生物技术

玉米单倍体自然加倍花粉结实力遗传的初步研究

李忠南,1, 王越人2, 邬生辉2, 刘励蔚3, 曲海涛2, 孙振宇1, 李光发,2

1吉林省农业技术推广总站,130033,吉林长春

2通化市农业科学研究院,135007,吉林梅河口

3吉林省农作物新品种引育中心,130033,吉林长春

Preliminary Study on Inheritance of Haploid Natural Double Pollen Seeding Ability in Maize

Li Zhongnan,1, Wang Yueren2, Wu Shenghui2, Liu Liwei3, Qu Haitao2, Sun Zhenyu1, Li Guangfa,2

1Agricultural and Technology Extension Station of Jilin Province, Changchun 130033, Jilin, China

2Tonghua Academy of Agricultural Sciences of Jilin Province, Meihekou 135007, Jilin, China

3Introduction and Breeding Center of New Crop Variety of Jilin Province, Changchun 130033, Jilin, China

通讯作者: 李光发,从事玉米遗传育种工作,E-mail: lgftn666@sina.com

收稿日期: 2020-03-19   修回日期: 2020-05-20   网络出版日期: 2021-04-15

基金资助: 通化市人才团队建设项目(2019-2021)
通化市科技发展计划项目(2018XM09)
吉林省农业重点研发项目“高配合力、优质、绿色玉米DH系创制与新品种选育”(2020-2022)

Received: 2020-03-19   Revised: 2020-05-20   Online: 2021-04-15

作者简介 About authors

李忠南,从事玉米单倍体育种和农业技术推广工作,E-mail: 18741379479@163.com

摘要

以15D752×15D435和PH6WC×29 2份玉米杂交F1诱导单倍体自然加倍自交结实穗的穗粒数为研究对象,应用DH群体遗传模型及混合分布方法,对花粉结实力进行研究。结果表明:单倍体自然加倍花粉结实力是由 4 对主效基因决定,具有加性效应和上位性效应,主效基因遗传力分别为95.85%和83.67%。

关键词: 玉米 ; 单倍体 ; 自然加倍 ; 花粉结实力 ; 遗传

Abstract

The number of seeds of haploid natural double selfing ear induced by F1 of 15D752×15D435 and PH6WC×29 as the research objects in maize. The population genetic model of DH and the method of mixed distribution were used to study the pollen seeding ability. The results showed that the ability of haploid natural doubled pollen seeding was determined by four major genes, which had additive and epistatic effects and the heritability of major genes were 95.85% and 83.67%, respectively.

Keywords: Maize ; Haploid ; Natural double ; Pollen seeding ability ; Inheritance

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本文引用格式

李忠南, 王越人, 邬生辉, 刘励蔚, 曲海涛, 孙振宇, 李光发. 玉米单倍体自然加倍花粉结实力遗传的初步研究[J]. 作物杂志, 2021, 37(2): 57-61 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2021.02.008

Li Zhongnan, Wang Yueren, Wu Shenghui, Liu Liwei, Qu Haitao, Sun Zhenyu, Li Guangfa. Preliminary Study on Inheritance of Haploid Natural Double Pollen Seeding Ability in Maize[J]. Crops, 2021, 37(2): 57-61 doi:10.16035/j.issn.1001-7283.2021.02.008

玉米花粉生活力及其授粉结实能力直接决定穗粒数的多少,是影响穗粒数的重要因素之一,玉米花粉属于三核型,花粉生活力一般在离体2h内最为旺盛,24h后几乎完全丧失[1,2,3]。在高温32℃~35℃条件下,玉米花粉寿命极短,离体花粉1h便失水干瘪失去活力,杂交种花粉的耐热性强于自交系,自交系间也有差异[4,5,6]

玉米单倍体育种技术在我国广泛开展10余年,主要通过诱导材料为母本及诱导系为父本进行杂交诱导,鉴定出单倍体种子,通常在海南三亚基地进行自然加倍试验,2代就可获得完全纯合DH系,提高了育种效率[7,8]。由于单倍体长势弱,雄穗有粉率低,通常为2.8%~48.4%,雌穗抽丝率90%左右;自交结实株率0.0%~14.7%,平均结实株率3.5%左右,授粉结实株率20.7%~31.3%[9]。结实穗粒数不等,少则1粒,多则10粒以上。授粉结实株率低及穗粒数少应归因为花粉结实力低或花丝接受花粉能力低这2个因素。按规定操作程序[7]进行授粉时,见到花粉才授粉(将成熟花药敲落在新纸袋上,用小刀片切压,见到花粉即授粉),花粉数量够用,但结实穗粒数差异很大。关于玉米单倍体自然加倍花粉结实力遗传机理的研究尚未见报道。

本研究以2份材料(DH系×DH系和自交系×自交系)的F1杂交诱导和单倍体自然加倍,对2个群体自交结实穗粒数进行遗传分析,探讨花粉结实力的遗传规律,以期为玉米遗传育种工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以组配15D752×15D435和PH6WC×29 2份杂交F1为供试材料。2份DH系均来源于PH4CV×A6,为父本系;PH6WC和29均为母本自交系。DH系和自交系种质来源及特征见表1

表1   自交系和DH系种质来源及特征

Table 1  Germplasm origins and characteristics of inbred lines and DH lines

材料Material种质Germplasm来源Origin穗轴色Ear cob color雄穗分枝数Male branch number
15D752PH4CV×A6,兰卡斯特×(美杂×丹340)中国(自选)5~7
15D435PH4CV×A6,兰卡斯特×(美杂×丹340)中国(自选)4~6
PH6WCPH01N×PH09B, 瑞德美国0~2
29掖107×铁7922,瑞德中国(自选)4~6

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1.2 试验设计

于2018年在通化市农业科学研究院试验基地进行,以2份DH系杂交的F1和2份自交系杂交的F1作被诱导的供体,以吉林省农业科学院提供的诱导系吉诱SM6278-2为父本进行杂交诱导。2019年9月15日开始挑选准单倍体粒,10月26日在海南三亚南滨农场通化市农业科学研究院试验基地播种,单倍体加倍试验圃采取空间隔离(水稻、棉花和谷子),大垄双行,垄距1m,行长100m,共28垄56行(DH系群体2行,自交系群体54行)。材料按顺序排列,单粒播种,株距7cm。苗期开始去杂,12月5日开始套雌穗袋,根据花药发育情况,雌穗袋数量为材料株数的80%左右。12月11日对单倍体雄穗有粉株进行自交授粉,授粉时间为10∶00-16∶00,12月28日授粉结束,记录2个群体单倍体株数和授粉株数。

2020年2月7日收获,记录2个群体自交结实穗穗粒数。并在2个群体中间区域随机取100个未套雌穗袋果穗,记录结实穗粒数。授粉率=授粉株数/单倍体株数×100%;授粉结实株率=结实株数(穗)/授粉株数×100%;结实株率=结实株数(穗)/单倍体株数×100%。

1.3 统计分析

按照盖钧镒等[10]的植物数量性状遗传体系DH群体共20种遗传模型及混合分布方法,根据极大似然法和IECM算法估计混合分布的有关成分分布参数,在不同成分分布个数条件下计算模型的极大对数似然函数值和AIC值,依据AIC值最小准则确定最适模型,即以AIC值最小的模型为最适模型,同时对最适模型进行适合性检验,即均匀性检验(U12U22U32nW2Dn),在最适遗传模型下进行基因效应值及遗传参数估计。计算模型由章元明教授提供。采用DPS 17.10进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 授粉穗与开放穗结实株率对比

表2可以看出,DH系群体比自交系群体授粉率高19.41个百分点,结实株率高10.05个百分点,说明2个群体遗传基础差异极显著,应该与材料来源和属性[11,12]等有关。

表2   2个群体单倍体自交结实株率

Table 2  Percentage of haploid self seeding plants of two populations

群体
Population
单倍体株数
Haploid plants
number
授粉株数
Pollination plants
number
授粉率
Pollination rate
(%)
结实株数
Seeding plants
number
授粉结实株率
Pollination seeding
plants rate (%)
结实株率
Seeding plants
rate (%)
15D752×15D435177242824.1519144.6310.78
PH6WC×294365620694.7431915.420.73

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表3可以看出,DH系群体开放穗结实株率为100%,自交系群体开放穗结实株率为75%,分别高于授粉结实株率55.37%和59.58%;DH系群体开放穗平均穗粒数为18.40粒,自交系群体开放穗平均穗粒数为3.74粒,分别高于自交结实穗平均穗粒数14.21和3.21粒,说明花丝接受花粉能力无障碍。超过50%的授粉株不结实,是由于花粉无结实力;自交穗粒数少且不等,是由于单倍体株间花粉结实力存在差异。自交系群体开放穗粒数不符合正态分布,是有粉株率低导致的。2个授粉群体结实穗粒数均不符合正态分布,说明株间花粉结实力基因效应存在差异。

表3   开放穗与自交穗的特征值

Table 3  Characteristic values of open ear and selfing ear

群体
Population
开放穗粒数Open ear seed number结实株率
Seeding plants
rate (%)
变异系数
CV (%)
P正态分布
Normal
distribution
平均值
Average value
最大值
Maximum value
最小值
Minimum value
15D752×15D43518.4037.003.0010061.070.7753
PH6WC×293.7418.000.0075109.920.0000
群体
Population
自交穗粒数Selfing ear seed number授粉结实株率
Pollination seed plants rate (%)
变异系数
CV (%)
P正态分布
Normal distribution
平均值
Average value
最大值
Maximum value
最小值
Minimum value
15D752×15D4354.1954.000.0044.63196.920.0000
PH6WC×290.5344.000.0015.42434.410.0000

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2.2 结实穗粒数遗传模型

将2个群体自交结实穗的粒数(15D752×15D435:191穗;PH6WC×29:319穗)分别代入DH模型,进行运算分析,由表4可以看出,在20种DH模型中,DH系群体最小AIC值为6421.9120,其花粉结实力模型为4MG-AI,即4对主效基因加性效应和上位性效应模型;自交系群体最小AIC值为6509.2943,其花粉结实力模型为4MG-AI,即4对主效基因加性效应和上位性效应模型。

表4   2个群体自交结实穗粒数AIC

Table 4  AIC value of seed number per selfing ear of two populations

模型ModelAICAIC value
15D752×15D435PH6WC×29
0MG11730.50099345.8354
1MG-A11732.50589347.8389
2MG-AI11714.58549346.7849
2MG-A11734.50729349.8400
2MG-EA11732.50729347.8400
2MG-DominanceI11734.50599349.8390
2MG-RecessiveI11712.58539344.7849
2MG-Additive11712.58549344.7849
2MG-Complementary11710.58549342.7849
2MG-Duplicate11732.50279347.8368
2MG-Inhibiting11732.50279347.8368
3MG-AI9155.81957436.5910
3MG-A11736.50799351.8406
3MG-CEA11741.24129389.2766
3MG-PEA11734.50829349.8408
4MG-AI6421.91206509.2943
4MG-A11738.50079353.8359
4MG-CEA11732.50899347.8414
4MG-EEA11734.50819349.8409
4MG-EEEA10919.97318503.5249

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2.3 模型适合性检验

对2个群体最适模型的5个统计量显著性分析得出(表5),2个群体均U12显著,U22U32极显著。根据章元明教授审阅候选模型适合性检验类似结果[13],表明该模型是有意义的。

表5   最适模型适合性检验

Table 5  Test for goodness of optimal models

群体
Population
统计量Statistic
U12U22U32nW2Dn
15D752×15D4355.1908*
(0.0227)
136.1232**
(0.0000)
1432.231**
(0.0000)
129.656
(0.3031)
0.0005
(1)
PH6WC×296.4027*
(0.0114)
113.299**
(0.0000)
1074.32**
(0.0000)
106.2457
(0.2754)
0.0005
(1)

U12U22U32为均匀性检验统计量;nW2为Smirnov检验统计量;Dn为Kolmogorov检验统计量;括号内为P值;“*”表示在0.05水平差异显著;“**”表示在0.01水平差异极显著

U12, U22, U32 are the uniformity test of statistics; nW2 is the Smirnov test of statistics; Dn is the Kolmogorov test of statistics; Value in bracket is P-value; "*" is the significant difference at 0.05 level; "**" is the extremely significant difference at 0.01 level

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2.4 遗传参数估计值

表6可以看出,DH系群体4对主效基因加性效应值、上位性效应值及遗传力均高于自交系群体,m高40.02%,da高54.91%,db高31.09%,dc高47.16%,dd高29.75%,iab高31.09%,iac高47.16%,iad高29.75%,ibc高19.58%,ibd高30.85%,icd高18.27%,h2mg高12.18%。源于DH群体主效基因累加了更多的微效基因,结实效应显著增强。

表6   遗传参数估计值

Table 6  Estimate values of genetic parameters

遗传参数
Genetic parameter
估计值Estimate value
15D752×15D435PH6WC×29
m6.59633.9567
da4.00271.8050
db2.61931.8050
dc4.03442.1318
dd2.39931.6856
iab2.61931.8050
iac4.03442.1318
iad2.39931.6856
ibc2.65092.1318
ibd2.43761.6856
icd2.42771.9842
σ2p16.95095.3535
σ2mg16.24684.4793
σ20.70410.8742
h2mg (%)95.850083.6700

m为穗粒数平均数;dadbdcdd分别为主基因AA、BB、CC和DD的加性效应;iab为主基因AA对BB的上位性效应;iac为主基因AA对CC的上位性效应;iad为主基因AA对DD的上位性效应;ibc为主基因BB对CC的上位性效应;ibd为主基因BB对DD的上位性效应;icd为主基因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

m indicates average grain number per ear; da, db, dc, dd indicate additive effects of major genes AA, BB, CC and DD respectively; iab indicates epistatic effect 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; σ2p: variance of phenotypic; σ2mg: variance of major gene; σ2: variance of environment; h2mg: heritability of major genes

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2.5 穗粒数分布参数估计值

根据表6的遗传参数估计值,分别计算DH系群体和自交系群体自交结实穗粒数16种纯合基因型分布参数估计值(表7、8),具体计算方法详见参考文献[10],例如:基因型aaBBCCDD=m-da+db+dc+dd-iab-iac-iad+ibc+ibd+icd=10.11(表7)。基因型效应值<0或<1穗粒数为0;1<基因型效应值<2穗粒数为1,穗粒数分布按此规则进行基因型归类。

表7   15D752×15D435群体16种基因型的穗粒数分布

Table 7  Distribution of sixteen genotypes of ear seed number from 15D752×15D435 population

穗粒数分布Distribution of ear seed number基因型(效应值)Genotype (effect value)
0aabbCCdd (-0.05)、aaBBccDD (-0.05)、aabbCCDD (-0.07)、aaBBccdd (-0.07)、AAbbccDD (-0.12)、AAbbccdd (0.01)、AABBccdd (0.31)、aaBBCCdd (0.38)、aabbccDD (0.38)
5AAbbCCdd (5.99)
9AABBccDD (9.93)
10aaBBCCDD (10.11)、aabbccdd (10.11)
15AAbbCCDD (15.57)
16AABBCCdd (16.89)
36AABBCCDD (36.22)

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表8   PH6WC×29群体16种基因型的穗粒数分布

Table 8  Distribution of sixteen genotypes of ear seed number from PH6WC×29 population

穗粒数分布Distribution of ear seed number基因型(效应值)Genotype (effect value)
0AABBccdd (-0.10)、aabbCCdd (-0.28)、aaBBccDD (-0.28)、AAbbccDD (-0.28)、aaBBccdd (0.32)、AAbbccdd (0.32)、aabbCCDD (0.32)、aaBBCCdd (0.61)、aabbccDD (0.61)、AAbbCCdd (0.61)
6AABBccDD (6.05)
7AAbbCCDD (7.95)、aaBBCCDD (7.95)、aabbccdd (7.95)
8AABBCCdd (8.73)
22AABBCCDD (22.81)

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表7可以看出,DH系群体结实穗粒数分布参数为7个。0粒有9个基因型,占56.25%;5和9粒各有1个基因型,各占6.25%;10粒有2个基因型,占12.50%;15、16和36粒各有1个基因型,各占6.25%。

表8可以看出,自交系群体结实穗粒数分布参数为5个。0粒有10个基因型,占62.50%;6粒有1个基因型,占6.25%;7粒有3个基因型,占18.75%;8粒和22粒各有1个基因型,各占6.25%。

2个群体结实穗粒数分布参数对比可以看出,DH系群体比自交系群体多2个,且结实穗粒数多的基因型占比较大。

3 讨论

单倍体育种关键因素是自交结实株率低,其根本问题是花粉结实力低。单倍体育种自然加倍自交结实穗数规模至少不低于70~80穗[7],只有大群体,才能为选择提供可能,为性状遗传研究提供可靠基础。曾对2014-2019年度76份杂交F1的自然加倍单倍体自交结实株率进行研究[9](SS:瑞德种质35份;NSS:兰卡斯特、黄早四和旅系种质41份;总计单倍体株数121233株,自交结实穗4244个),SS和NSS类群单倍体自交结实株率无显著差异,均有高有低,SS类群最高为14.0%(通852×PH6WC),较低的为0.6%(PH6WC×29);NSS类群最高为14.7%(PH4CV×A6)。由于种质改良过程中添加了大量外来成分(国内种质雄穗分枝多,花粉量大;国外种质雄穗分枝少,花粉量足),导致材料间自交结实株率差异大小不一,模糊性强,难以归类溯源,没有确切解释,均归为遗传背景和材料属性等。该研究支持了一些研究探讨结果,如DH系杂交F1的单倍体自交结实株率高[11],红轴材料的单倍体结实性优势效应[12]。同时也发现以雄穗分枝过少材料(PH6WC:花粉量小)为母本杂交(同类群)F1的单倍体自交结实株率特别低,而以雄穗分枝较多材料(花粉量大)为母本(同类群)杂交F1的单倍体自交结实株率比较高。为此,本研究根据自交结实株率高低,选用2个极端杂交F1材料15D752×15D435(红轴)和PH6WC×29(白轴)合理设计试验规模。

本研究表明,DH系群体授粉率(24.15%)比自交系群体(4.74%)高19.41个百分点,结实株率(10.78%)比自交系群体(0.73%)高10.05个百分点,差异极显著,原因在于:从表观方面看,DH系群体授粉时,成熟花药比较多,多数是一抖雄穗花粉就落下,花粉量大,具有结实力的花粉就多,使自交结实株率高;而自交系群体成熟花药比较少,多数是用刀片切压才有粉,花粉量不大,具有结实力的花粉就少,导致自交结实株率低。从遗传基础方面看,首先是父本系(NSS)和母本系(SS)育种目标有差异,除高配合力外,父本系花粉量充足是首选要素,而母本系不予考虑,在长期分类群杂交改良选育选择中,父本系在花粉量充足的同时也累加了更多优良花粉结实性基因,提高了花粉质量,其次是DH系群体自交结实株率比来源材料降低3.92%,仍然表现高自交结实株率,一定程度上支持了以往研究结果[11,12,13]。自交系群体自交结实株率比过去高0.13%,基本稳定。

DH系群体平均穗粒数比自交系群体高40.02%,4对主效基因加性效应值高29.75%~54.91%,6个上位性效应值高18.27%~47.16%,主效基因遗传力高12.18%,是由于DH系群体遗传选择和红轴性状优势效应等因素,4对主效基因累加了更多微效基因,使得主效基因加性效应值变大,上位性效应值变大,花粉结实力极显著增强,遗传力极显著提高。由于花粉结实力是由4对主效基因加性效应和上位性效应控制,单倍体授粉群体等比例存在16种花粉结实力基因型,经基因型花粉结实力效应值计算分类,DH系群体穗粒数分布参数为7个,自交系群体为5个。

本研究对于育种重要意义在于:在选择高配合力DH系的同时,无论是父本系还是母本系,均要追溯其结实穗粒数基因型,参考选择结实穗粒数多的基因型(如AABBCCDD),确保杂交F1花粉结实力基因效应最大化,最大程度规避极端气候,达到高产稳产目的,同时也确保玉米制种的产量水平。

4 结论

利用2份单倍体自然加倍自交结实穗容量较大群体,对结实穗粒数进行了DH遗传模型分析。得出自交结实穗粒数是由4对主效基因加性效应和上位性效应决定,主效基因遗传力分别为95.85%和83.67%,自交结实穗粒数分布参数分别为7和5个。

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才卓, 徐国良, 任军, .

玉米单倍体雄穗自然加倍性轮选遗传修复与高加倍率材料的创制

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李忠南, 王越人, 邬生辉, .

玉米红白轴单倍体育种选择效应研究

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李忠南, 王越人, 李光发, .

玉米分蘖率的遗传研究

玉米科学, 2016,24(2):15-21.

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