十三份玉米新自交系的育種潛勢(shì)分析

趙星凱，石海春，，余學(xué)杰，，楊 殊，趙長(zhǎng)云，夏 偉，柯永培，，*

(1.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，四川 成都 611130； 2.四川正紅生物技術(shù)有限責(zé)任公司，四川 成都 610213)

玉米是一種典型的異交作物，表現(xiàn)出極端的近交衰退與雜種優(yōu)勢(shì)。通過不同自交系組配選育優(yōu)良雜交種，是利用玉米雜種優(yōu)勢(shì)的經(jīng)典方法[1-2]，也是大幅度提高玉米產(chǎn)量和品質(zhì)的有效途徑。因此，明確新自交系的育種潛勢(shì)，對(duì)指導(dǎo)玉米育種具有重要的實(shí)踐意義。賴仲銘等[3]通過分析玉米株型數(shù)量性狀的配合力，為選育理想株型提供親本選擇的依據(jù)；袁力行等[4]利用限制性片段長(zhǎng)度多態(tài)性(restriction fragment length polymorphism，RFLP)和簡(jiǎn)單重復(fù)序列(simple sequence repeats，SSR)2種分子標(biāo)記對(duì)玉米自交系進(jìn)行雜種優(yōu)勢(shì)群劃分，將系譜不清的種質(zhì)劃分到相應(yīng)類群；余世權(quán)等[5]利用不完全雙列雜交設(shè)計(jì)，進(jìn)行配合力和雜種優(yōu)勢(shì)分析，確定了新自交系的育種潛勢(shì)；喬曉等[6]通過配合力分析，明確了玉米航天誘變系的育種潛勢(shì)；秦家友等[7]利用表型性狀與SSR標(biāo)記，研究了輻射誘變系與相應(yīng)基礎(chǔ)材料間的遺傳差異；呂學(xué)高等[8]利用SSR標(biāo)記，對(duì)30份特異玉米自交系進(jìn)行了聚類分析；石海春等[9]通過配合力和雜種優(yōu)勢(shì)的研究，明確了玉米核不育突變體K305ms的應(yīng)用潛力。

本課題組以國(guó)內(nèi)外玉米生產(chǎn)上廣泛應(yīng)用的優(yōu)良雜交種或人工合成群體為種質(zhì)資源，通過系譜法連續(xù)自交8代以上，育成13份穩(wěn)定的玉米新自交系。本研究擬通過表型鑒定和SSR標(biāo)記分析，比較這13份自交系間遺傳差異；利用完全雙列雜交模式，分析產(chǎn)量配合力和雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)，以期明確新自交系的育種潛力，為進(jìn)一步利用新自交系提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)材料均由四川正紅生物技術(shù)有限責(zé)任公司提供，包括13份新自交系(1～13)、8份骨干系(14～21)和代表我國(guó)5大主要雜種優(yōu)勢(shì)群的5份標(biāo)準(zhǔn)自交系(22～26)，自交系名稱與來源見表1。以新自交系和骨干自交系共21份材料，按照Griffing方法Ⅳ組配210個(gè)雜交組合。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 田間設(shè)計(jì)

2018年分別于四川正紅生物技術(shù)有限責(zé)任公司四川雙流和云南宣威基地種植雜交組合，均按隨機(jī)區(qū)組排列，2行區(qū)，重復(fù)3次。種植密度分別為50 000株·hm-2和80 000株·hm-2，對(duì)照分別為當(dāng)?shù)刂魍破贩N成單30和地沃2號(hào)。2019年于雙流試驗(yàn)田種植自交系，順序排列，4行區(qū)，密度50 000株·hm-2。

表1 26份玉米自交系名稱與來源

1.2.2 性狀測(cè)定

考察自交系的株高等11個(gè)表型性狀，計(jì)算雜交組合小區(qū)平均單株產(chǎn)量。具體方法參考2018年國(guó)家“普通玉米品種區(qū)域試驗(yàn)、生產(chǎn)試驗(yàn)調(diào)查項(xiàng)目和標(biāo)準(zhǔn)”。

1.2.3 SSR標(biāo)記方法

隨機(jī)取各自交系苗期5～8株嫩葉，每株采集1片，用2×CTAB法提取和純化DNA。按照中華人民共和國(guó)農(nóng)業(yè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《玉米品種鑒定規(guī)程SSR標(biāo)記法》(NY/T1432—2014)公布的40對(duì)核心引物及其鑒定方法，進(jìn)行SSR分子標(biāo)記分析，用6%變性聚丙烯酰胺凝膠電泳對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

1.3.1 田間數(shù)據(jù)分析

對(duì)自交系11個(gè)性狀數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，并以最小顯著差數(shù)法(LSD法)對(duì)差異顯著性狀進(jìn)行多重比較，由DPS軟件完成。配合力分析以小區(qū)單株產(chǎn)量均值為單位，按Griffing方法Ⅳ固定模型分析程序進(jìn)行[10-12]，由SAS軟件完成。對(duì)照優(yōu)勢(shì)(%)=[(F1-FCK)/FCK]×100，其中，F(xiàn)1為雜交組合小區(qū)單株產(chǎn)量均值，F(xiàn)CK為臨近對(duì)照小區(qū)單株產(chǎn)量均值，由Excel軟件完成。

1.3.2 SSR數(shù)據(jù)分析

根據(jù)PAGE銀染結(jié)果，在相同遷移位置有帶記為“1”，無帶記為“0”，缺失記為“9”，建立SSR數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)Nei等[13]提出的算法計(jì)算遺傳相似系數(shù)(NGS)，計(jì)算公式如下。

NGS=2Nxy/(Nx+Ny)。

其中，Nxy指材料X和Y之間共同的多態(tài)性位點(diǎn)數(shù)；Nx指X材料所具有的多態(tài)性位點(diǎn)數(shù)；Ny指Y材料所具有的多態(tài)性位點(diǎn)數(shù)。并利用UPGMA方法對(duì)供試自交系進(jìn)行聚類分析[14]，數(shù)據(jù)處理由NTSYSpc 2.10e軟件完成[15]。

2 結(jié)果與分析

2.1 農(nóng)藝性狀鑒定結(jié)果

方差分析結(jié)果顯示，所有考察性狀差異均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)(表2)。平均株高變幅為151.67～250.00 cm，雄穗分支數(shù)為2.07～14.30個(gè)，其中K962和K311株高較高，分別達(dá)250.00 cm和245.90 cm，K324和K111株高較矮，分別為151.67 cm和160.57 cm，穗位高與株高趨勢(shì)一致。單株產(chǎn)量變幅為52.13～111.26 g，其中K311和K351顯著(P<0.05)高于其他自交系(K143除外)，其產(chǎn)量組成性狀均表現(xiàn)較優(yōu)；產(chǎn)量最低的為K492，其產(chǎn)量組成性狀亦較差；其余自交系平均單株產(chǎn)量都在70 g以上，產(chǎn)量組成性狀較好。綜合來看，K311和K351是自身表現(xiàn)優(yōu)良的新自交系(表3)。

表2 新自交系各性狀的方差分析(MS)

表3 新自交系各性狀多重比較結(jié)果

2.2 SSR聚類分析

40對(duì)SSR引物擴(kuò)增結(jié)果表明，在26個(gè)玉米自交系中共檢測(cè)到173個(gè)基因型，平均每個(gè)引物檢測(cè)到4.325個(gè)；共檢測(cè)到191個(gè)等位基因片段，平均每個(gè)引物檢測(cè)到4.775個(gè)(表4)。圖1為引物umc2160k3b對(duì)26個(gè)自交系的檢測(cè)結(jié)果。

以遺傳相似系數(shù)0.696為閾值，用類平均法(UPGMA)將26份供試自交系劃分為8大類群，即5個(gè)常見類群和3個(gè)新類群。其中，Ⅰ類為L(zhǎng)ancaster群，包括698-3和Mo17；Ⅱ類為PB群，包括K143等3個(gè)自交系；Ⅲ類為唐四平頭群，包括21-ES和昌7-2；Ⅳ類為旅大紅骨群，包括K181等4個(gè)自交系；Ⅴ類為Ried群，包括K962等3個(gè)自交系；新類群1包括K115等6個(gè)自交系；新類群2包括K492等4個(gè)自交系；新類群3包括K311和K61(圖2)。聚類結(jié)果與系譜來源或前人相關(guān)研究結(jié)果基本吻合[16-20]。其中，屬于常見5大類群的自交系占53.85%，屬于3個(gè)新類群的自交系占46.15%。K115等10個(gè)新自交系被劃分到3個(gè)新類群，說明新自交系種質(zhì)新穎，可豐富玉米雜種優(yōu)勢(shì)類群，拓寬我國(guó)玉米的種質(zhì)基礎(chǔ)。

表4 40對(duì)SSR引物對(duì)26份自交系的檢測(cè)結(jié)果

Marker為DNA分子質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，編號(hào)1～26同表1。Marker was DNA molecular mass standard， number 1-26 were the same as Table 1.圖1 引物umc2160k3b對(duì)26個(gè)自交系的擴(kuò)增結(jié)果Fig.1 Amplified results of 26 inbred lines by primer umc2160k3b

2.3 產(chǎn)量配合力

2.3.1 聯(lián)合方差分析

以小區(qū)單株產(chǎn)量均值為單位，對(duì)210個(gè)組合單株產(chǎn)量及其配合力進(jìn)行聯(lián)合方差分析，結(jié)果見表5。組合間、組合與地點(diǎn)互作間差異均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)；親本GCA效應(yīng)、組合SCA效應(yīng)和GCA與地點(diǎn)互作均達(dá)到極顯著水平(P<0.01)，SCA與地點(diǎn)互作間達(dá)顯著水平(P<0.05)。

2.3.2 一般配合力效應(yīng)

圖2 二十六份玉米自交系SSR聚類圖Fig.2 Clustering dendrogram of 26 maize inbred lines based on SSR makers

表5 雜交組合產(chǎn)量及其配合力聯(lián)合方差分析

21份自交系單株產(chǎn)量一般配合力(GCA)效應(yīng)值見表6。雙流點(diǎn)產(chǎn)量GCA效應(yīng)值變幅為-31.01～27.38，產(chǎn)量GCA為正值的新自交系6個(gè)，其中K143等4個(gè)達(dá)到正向顯著(P<0.05)水平；宣威點(diǎn)產(chǎn)量GCA變幅為-29.05～61.52，GCA為正值的新自交系7個(gè)，其中K61等6個(gè)達(dá)到正向顯著(P<0.05)水平。兩點(diǎn)綜合，產(chǎn)量GCA變幅為-30.03～42.98，GCA為正值的新自交系6個(gè)，均達(dá)到正向顯著(P<0.05)水平。其中，K61、K143和K115在2個(gè)試點(diǎn)產(chǎn)量GCA均達(dá)到正向極顯著(P<0.01)水平，均高于優(yōu)良骨干自交系，是產(chǎn)量高配合力自交系。

表6 產(chǎn)量一般配合力效應(yīng)值與顯著性檢驗(yàn)

2.3.3 特殊配合力效應(yīng)

組合產(chǎn)量特殊配合力(SCA)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表7。產(chǎn)量SCA正效應(yīng)最多的組合來自于骨干系×新自交系，在雙流和宣威試點(diǎn)中分別有57個(gè)和51個(gè)，其中達(dá)到顯著(P<0.05)水平均有8個(gè)，最大效應(yīng)值組合分別是698-3×K351和鄭58×K492；其次為新自交系×新自交系，雙流和宣威試點(diǎn)中正效應(yīng)組合分別有39個(gè)和38個(gè)，其中達(dá)到顯著(P<0.05)水平的分別有6個(gè)和2個(gè)，最大效應(yīng)值組合均為K111×K61；最后是骨干系×骨干系，雙流和宣威試點(diǎn)中正效應(yīng)組合分別有14個(gè)和12個(gè)，其中達(dá)到顯著(P<0.05)水平的均只有1個(gè)，最大效應(yīng)值組合分別是K305×R08和K305×698-3。

表7 產(chǎn)量特殊配合力歸類統(tǒng)計(jì)表

2.4 雜種優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)

對(duì)照優(yōu)勢(shì)達(dá)到正向顯著水平的組合見表8。雙流點(diǎn)顯著(P<0.05)增產(chǎn)組合有18個(gè)，占組合總數(shù)的8.57%，其中新自交系K143配制的組合數(shù)最多為8個(gè)，最優(yōu)組合是K61×K143，比對(duì)照增產(chǎn)35.12%。宣威點(diǎn)顯著(P<0.05)增產(chǎn)組合僅3個(gè)，占組合總數(shù)的1.43%，這些組合均由新自交系K61參與組配，仍然是K61×K143最優(yōu)，比對(duì)照增產(chǎn)31.19%。K61×K143和21-ES×K61在2個(gè)試點(diǎn)中均顯著(P<0.05)增產(chǎn)，是適應(yīng)性較強(qiáng)的高產(chǎn)穩(wěn)定組合。從雜種優(yōu)勢(shì)模式來看，新類群×常見類群、新類群×新類群和常見類群×常見類群組配的顯著(P<0.05)增產(chǎn)組合數(shù)分別為13個(gè)、4個(gè)和4個(gè)，其中K365×K115和K61×K311分別為新類群1和新類群3的2個(gè)亞群自交系間組配。說明這些新類群自交系與常見5大類群自交系之間具有較強(qiáng)的雜種優(yōu)勢(shì)，豐富了玉米雜種優(yōu)勢(shì)模式。

表8 產(chǎn)量雜種優(yōu)勢(shì)正向顯著組合

3 結(jié)論與討論

玉米雜交種的表現(xiàn)與其親本自交系的綜合性狀密切相關(guān)，而表型鑒定是作物性狀遺傳差異分析與優(yōu)良基因型選擇最簡(jiǎn)單、直接、有效的方法[21-22]。秦家友等[7]通過表型鑒定發(fā)現(xiàn)，玉米親本自交系及其誘變系表型性狀差異顯著，認(rèn)為輻射誘變是改良或創(chuàng)新種質(zhì)的有效途徑。本研究通過表型鑒定，明確了13份玉米新自交系的主要性狀差異，發(fā)現(xiàn)新自交系K311和K351等自身表現(xiàn)優(yōu)良。

分子水平遺傳鑒定可排除環(huán)境干擾，合理劃分雜種優(yōu)勢(shì)群，有利于探明材料間的遺傳差異與遺傳背景。石海春等[20]通過SSR標(biāo)記，將82份玉米自交系劃分為5個(gè)常見類群和其他2個(gè)類群，其中骨干自交系K236劃入PB群，鄭58劃入Ried群，21-ES劃入唐四平頭群，與本研究結(jié)果一致。本研究還發(fā)現(xiàn)，K115等10份玉米新自交系被劃分為5大常見雜種優(yōu)勢(shì)群之外的3個(gè)新類群，豐富了玉米雜種優(yōu)勢(shì)模式，拓寬了我國(guó)玉米的種質(zhì)基礎(chǔ)，對(duì)降低玉米遺傳脆弱性風(fēng)險(xiǎn)具有重要意義。

配合力高低是衡量自交系優(yōu)劣的重要標(biāo)準(zhǔn)之一[23]，通過配合力測(cè)定可以明確新自交系的利用潛力，對(duì)育種工作具有重要的實(shí)踐意義。馮志前等[23]采用NC-Ⅱ遺傳交配設(shè)計(jì)，發(fā)現(xiàn)KA105和KA064產(chǎn)量一般配合力表現(xiàn)優(yōu)良。郭章賢等[24]利用Griffing方法Ⅳ模型，對(duì)8份甜玉米自交系及其雜交組合進(jìn)行數(shù)量性狀配合力測(cè)定，表明9寬/sh2、150/sh2、Mo17/sh2為產(chǎn)量高配合力自交系，單株產(chǎn)量位列前3的組合均有其參與。本研究發(fā)現(xiàn)，K61等6個(gè)新自交系產(chǎn)量GCA達(dá)極顯著正效應(yīng)，高于多數(shù)骨干自交系，其配制的組合多表現(xiàn)為高產(chǎn)。

新自交系K61、K143和K115組配的高產(chǎn)組合數(shù)量多，且優(yōu)于大多數(shù)骨干系，是易組配出高雜種優(yōu)勢(shì)組合的親本自交系。其中，K61×K143和21-ES×K61在四川雙流和云南宣威試點(diǎn)均顯著增產(chǎn)，平均分別增產(chǎn)33.16%和22.81%，對(duì)不同生態(tài)環(huán)境的適應(yīng)性強(qiáng)，推薦參加高一級(jí)試驗(yàn)。

綜上所述，新自交系K61、K143和K115產(chǎn)量GCA最高，自身產(chǎn)量較高，多數(shù)農(nóng)藝性狀優(yōu)良，其中K61和K115種質(zhì)新穎，是較為理想的高產(chǎn)育種親本；K311、K962和K365產(chǎn)量GCA較高，自身農(nóng)藝性狀優(yōu)良，其中K311和K365種質(zhì)新穎，具有高產(chǎn)育種潛力，但植株偏高，有待進(jìn)一步改良；K492等其余7個(gè)新自交系產(chǎn)量GCA多呈顯著負(fù)效應(yīng)，并存在自身產(chǎn)量較低等部分缺陷性狀，但K324和K111具有矮稈等優(yōu)良性狀，可作為種質(zhì)資源利用。該研究結(jié)果為玉米育種親本選擇和組合配制提供了依據(jù)。