溫熱玉米T 32/齊319 F2∶3家系光周期敏感性分析

劉 穎， 吳 迅， 郭向陽， 何 兵， 王安貴， 劉鵬飛，高 媛， 涂 亮， 祝云芳， 陳澤輝

(1.貴州大學農(nóng)學院， 貴陽 550025； 2.貴州省農(nóng)業(yè)科學院旱糧研究所， 貴陽 550006)

20世紀20年代，Garner 和 Allard 將Maryland Mammoth(一個煙草變種)南種北移時發(fā)現(xiàn)，短日照是這種煙草開花的關(guān)鍵條件，發(fā)現(xiàn)植物開花與日照長度有關(guān)，將植物通過感受日照長度長短變化而抑制開花的現(xiàn)象稱為光周期現(xiàn)象[1]。植物對光周期現(xiàn)象反應的敏感程度稱為光周期敏感性。熱帶或亞熱帶種質(zhì)具有適應性廣、抗性好、品質(zhì)優(yōu)良等優(yōu)點。在現(xiàn)代育種中，引進熱帶、亞熱帶種質(zhì)并進行馴化和改良，已經(jīng)成為解決當前種質(zhì)基礎(chǔ)狹窄問題的有效途徑之一。熱帶、亞熱帶玉米種質(zhì)資源的引進和利用，有助于進一步發(fā)掘新的雜種優(yōu)勢類群和雜種優(yōu)勢模式，提高雜種優(yōu)勢利用水平[2]。玉米是一種短日照作物，溫帶玉米在很大程度上對日長反應不敏感，而熱帶玉米種質(zhì)通常對日長的變化反應較為敏感[3]。陳彥惠等對熱帶玉米抽雄期、散粉期、吐絲期、株高、穗位高等性狀的遺傳分析表明，熱帶種質(zhì)在溫帶條件下表現(xiàn)出明顯的光周期敏感性[4]。此外，王鐵固等利用玉米自交系黃早四和CML 288進行長短日照相互挪移處理，觀察玉米莖尖的形態(tài)變化，通過對玉米的全株葉片數(shù)、生育期等性狀進行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，長日照能抑制玉米莖端分生組織向生殖生長轉(zhuǎn)化，抑制開花，增加玉米的主莖葉片數(shù)，延長玉米的生育期[5]。王翠玲等利用永久F2群體在不同光周期環(huán)境下對玉米株高進行QTL定位，結(jié)果表明，隨著緯度、光照長度的增加，群體間的株高表現(xiàn)出顯著差異[6]。庫麗霞等在長日照環(huán)境條件下對以溫帶自交系黃早四和熱帶自交系 CML 288 為親本配置的組合衍生的一套 207個重組自交系不同發(fā)育時期的主莖葉片數(shù)、株高變化進行QTL分析，結(jié)果表明，黃早四和CML 288間的主莖葉片數(shù)和株高差異很大[7]。因此，熱帶或亞熱帶玉米種質(zhì)引入溫帶地區(qū)時，隨著緯度和光照長度的增加，往往表現(xiàn)出光周期敏感性強，即營養(yǎng)生長旺盛，莖節(jié)數(shù)和葉片數(shù)增多，生殖生長受到抑制，抽雄期、散粉期、吐絲期延遲，晚熟，雌雄不協(xié)調(diào)，甚至不能正常結(jié)實等明顯的不適應現(xiàn)象，嚴重影響其在育種實踐中的應用。由此可見，玉米光周期敏感性已經(jīng)嚴重限制了熱帶種質(zhì)在溫帶地區(qū)的引用，研究玉米光周期敏感性及鈍化玉米光周期敏感性對現(xiàn)代玉米育種的改良具有重要意義。

本研究以對光周期敏感的熱帶自交系T 32(母本)和鈍感的溫帶自交系齊319(父本)為親本，通過雜交、自交獲得150份F2∶3家系為材料，在不同光照環(huán)境(貴州貴陽和甘肅張掖)條件下對抽雄期、散粉期、吐絲期、株高、穗位高、葉片數(shù)等6個光敏相關(guān)性狀進行田間表型評價，研究不同性狀間變異方向以及相互關(guān)系，為今后培育高光效玉米種質(zhì)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究以熱帶來源的玉米骨干自交系T 32(母本)和溫帶核心玉米自交系齊319(父本)為親本(表1)，構(gòu)建的包含150份“T 32×齊319”的家系為材料。其中，自交系T 32是貴州省農(nóng)業(yè)科學院旱糧研究所通過從泰國引進的自交系中選擇變異株選育而成的[8]，該自交系具有抗病性好、籽粒品質(zhì)優(yōu)、產(chǎn)量高等優(yōu)勢，但也存在長光照條件下表現(xiàn)出生育期長、莖節(jié)數(shù)和葉片數(shù)增多、雌雄不協(xié)調(diào)、不能正常結(jié)實的缺點，屬于典型的光周期敏感的玉米自交系。齊319是山東省農(nóng)業(yè)科學院玉米研究所利用美國先鋒公司選育的玉米雜交種PN 78599，經(jīng)多代自交選育而成[9]，該自交系具有持綠性好，高抗病性，但在南方生態(tài)區(qū)的抗病性差，光周期鈍感的特點。

2017年春，在貴州貴陽(26.33°N，106.64°E)以T 32作母本，齊319作父本，通過雜交獲得F1種子。2017年冬，在海南九所(18.26°N，108.54°E)播種F1，套袋自交獲得F2單穗種子，2018年春采用單籽粒法構(gòu)建 150個F2∶3家系，即為本研究的供試材料。

1.2 試驗方法

2019年春，將150份F2∶3家系分別種于貴州省貴陽市(緯度為26.57°N、海拔為1 200 m、平均日長為13.3 h)與甘肅省張掖市(緯度為38.93 °N、海拔2 400 m、平均日長為14.2 h)。試驗采用完全隨機區(qū)組設(shè)計，2次重復，單行區(qū)，行長3.5 m，行距70 cm，過道50 cm，每行14株。田間調(diào)查以小區(qū)為單位，共調(diào)查抽雄期(d)、散粉期(d)、吐絲期(d)、株高(cm)、穗位高(cm)、葉片數(shù)(片)等6個農(nóng)藝性狀，參考石云素等[10]的方法進行，即在灌漿期，每行從第2株開始連續(xù)選取5株。

1.3 統(tǒng)計分析方法

數(shù)據(jù)的初步整理利用Excel 2016軟件進行，統(tǒng)計F2∶3家系各性狀平均值和變異范圍，對2點6個性狀進行方差分析。用SPSS 26.0軟件對2個環(huán)境F2∶3家系各性狀作相關(guān)性分析、正態(tài)分布檢測(包括峰度、偏度等參數(shù))。

1.4 光周期敏感性評價

評價玉米光周期敏感性的指標不一，有研究認為，抽雄期、散粉期、吐絲期、株高、穗位高、全株葉片數(shù)等相關(guān)性狀均能較好的反映出玉米光周期敏感性，并以這些相關(guān)性狀作為光周期敏感性的評價指標[11-12]。為了使指標量化，張鳳路等[13]利用敏感性指數(shù)=(某種質(zhì)在長光下的觀測值/ck 種質(zhì)在長光下的觀測值)×(某種質(zhì)的敏感性系數(shù)/ck 種質(zhì)的敏感性系數(shù)) ，即敏感指數(shù)=某性狀在自然光照條件下的觀測值/該性狀在長光照條件下的觀測值?；蛘哂媚承誀钤陂L、短日照條件下的相對差值(Relative differences，RD)來估算某一材料某一性狀的光周期敏感指數(shù)[14-16]。計算公式如下：

RD(%)=[(Li-Si)/Si]×100%

其中：Li表示某一材料某一性狀在長日照條件下表現(xiàn)的平均值，Si表示某一材料某一性狀在短日照條件下表現(xiàn)的平均值。為了使家系間的光周期敏感指數(shù)能夠進一步量化，同一個材料的每個光敏相關(guān)性狀的RD值相加求和[17]，即：RDs=∑ |RD| 。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩親本間的差異分析及各個性狀RD值

通過對2個親本的差異分析可知，齊319在短光(貴陽)和長光(張掖)條件下株高、穗位高、葉片數(shù)均值無太大變化，T 32的株高、穗位高、葉片數(shù)最大值、最小值、均值在短光(貴陽)條件下均遠遠小于長光(張掖)條件下(圖1)。

圖1 不同環(huán)境條件下光敏系數(shù)比較

從表2可知，6個光敏相關(guān)性狀的敏感程度為：穗位高>吐絲期>抽雄期>散粉期>株高>葉片數(shù)。

表2 F2∶3家系中6個光敏性狀的RD值

2.2 F2∶3家系各性狀方差分析和群體內(nèi)家系的正態(tài)性檢測

F2∶3家系各性狀方差分析和群體內(nèi)家系的正態(tài)性檢測結(jié)果列于表3，結(jié)果顯示，貴陽、張掖2個環(huán)境的抽雄期、散粉期、吐絲期、株高、穗位高、葉片數(shù)在家系之間的F值均達到極顯著水平。表明150個家系間存在真實的遺傳差異，可做進一步遺傳分析。

表3 光敏相關(guān)性狀分析

2個環(huán)境下F2∶3家系各性狀偏度、峰度絕對值均小于2，且變異系數(shù)有較大幅度的變化，表現(xiàn)出數(shù)量性狀遺傳正態(tài)分布的典型特征。

2.3 光敏相關(guān)性狀的頻率分布

從頻率分布圖可以看出，總體變數(shù)比較集中，短光照(貴陽)的株高和穗位高的峰度大于1，相對于其他幾個性狀而言，分布比較陡峭，峰態(tài)明顯，其他幾個性狀分布比較平緩；長光照(甘肅)的6個性狀峰度均小于1，分布都比較平緩。

圖2 短日照條件下的光敏相關(guān)性狀分布

2.4 光敏相關(guān)性狀在不同光長條件下的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果顯示，短日照條件下，F(xiàn)2∶3家系間的葉片數(shù)與株高、穗位高的相關(guān)性不顯著，其余的光敏性狀之間的相關(guān)性表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)和顯著的負相關(guān)關(guān)系。

在長日照條件下，F(xiàn)2∶3家系的6個光敏相關(guān)性狀之間都是正相關(guān)的關(guān)系，除了抽雄期與株高之間的差異不呈現(xiàn)顯著性以外，其他的光敏性狀之間都呈現(xiàn)出極顯著正相關(guān)(表4)。

表4 光敏相關(guān)性狀的相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

本研究顯示，光敏相關(guān)性狀在不同光長環(huán)境條件下均呈現(xiàn)極顯著差異。說明熱帶、亞熱帶種質(zhì)引種到溫帶后，延長日照數(shù)會導致玉米開花期延遲，雌雄不協(xié)調(diào)、營養(yǎng)生長旺盛，葉片數(shù)增加，晚熟，經(jīng)濟系數(shù)低，該結(jié)果與馮芬芬等[18]的報道相一致。無論是在張掖還是貴陽，穗位高的變異程度在6個光敏相關(guān)性狀中均最大，變異系數(shù)分別為23%和22%，大于株高的16%和12%，說明穗位高的光周期敏感程度高于株高。2個光長環(huán)境下的6個光敏相關(guān)性狀均呈現(xiàn)出連續(xù)性的正態(tài)分布，符合數(shù)量遺傳的特征。同時，抽雄期、散粉期、吐絲期在2個光長環(huán)境下都表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)關(guān)系；隨著光照長度的增加，生育期與葉片數(shù)有顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.459，說明生育期越長，葉片數(shù)越多，這與馮鑄[19]對玉米葉片數(shù)和生育期的對應關(guān)系進行的研究分析結(jié)果相一致；株高與穗位高在不同光長環(huán)境下均表現(xiàn)出顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.644和0.769，反映了株高越高，穗位越高的關(guān)系，與趙強等[20]的研究一致。

圖3 長日照條件下的光敏相關(guān)性狀分布

綜上所述，理想的玉米生育期作為玉米育種的主要目標之一[21]，抽雄期、散粉期、吐絲期是3個最重要的生育時期指標[22]，生育期性狀選擇的好壞直接決定了育種目標能否實現(xiàn)。在不同緯度和海拔，應選擇生育期長短適宜的品種；合理調(diào)整制種材料(父本和母本)的播期，可以使雌雄花期錯開或者雌雄花相遇，提高結(jié)實率，增加制種產(chǎn)量[23]。通過對光敏系數(shù)的分析可以看出，不同光敏相關(guān)性狀對光周期敏感程度是有差異的，生育期性狀的光周期敏感程度表現(xiàn)為：吐絲期>抽雄期>散粉期；株型性狀的光周期敏感性程度表現(xiàn)為：穗位高>株高>葉片數(shù)。郭國亮等[24]對熱帶Suwan玉米群體遺傳變異的研究表明，生育期性狀對光周期敏感程度為：抽雄至吐絲>散粉至吐絲>抽雄至散粉>吐絲期>散粉期>抽雄期；株型性狀對光周期敏感程度為：穗位高>穗位系數(shù)>穗位葉面積>穗上葉面積>葉片數(shù)>雄穗分枝數(shù)>株高。陳彥惠等[17]對CIMMYT種質(zhì)群體的不同性狀的光周期敏感程度進行研究分析得出：ASI(雌雄穗開花間隔時間)>雄穗分枝數(shù)>穗位高>棒3葉葉面積>吐絲>葉片數(shù)>抽雄>散粉>株高>雄穗長度>莖粗。本研究通過對F2∶3家系的表型性狀分析可以看出，株高和穗位高受環(huán)境的影響顯著，這與何文昭[25]、許瑩瑩等[26]研究結(jié)果相同，株高和穗位高是決定玉米倒伏性、造成玉米減產(chǎn)的重要因素之一[27]，李清超等[28]對株高、穗位高的QTL定位進行了挖掘，李凱等[27]利用穗位高系數(shù)對株高和穗位高進行闡述，一般認為，穗位高系數(shù)約等于2，即穗位高占株高的1/2。也有研究表明，穗位高系數(shù)與穗長、行粒數(shù)、千粒重、產(chǎn)量、穗長、行粒數(shù)、千粒重相關(guān)，可作為高產(chǎn)玉米雜交種的選育指標[29]。隨著光照長度的增加，生育期與葉片有顯著的正相關(guān)關(guān)系。大多數(shù)玉米品種隨著光長增加，使雄穗延遲出現(xiàn)，開花期的延長，從而導致了葉片數(shù)的增加[30]。因此，在拓寬熱帶、亞熱帶種質(zhì)與溫帶種質(zhì)的育種工作中，要把生育期、株高、穗位高以及葉片數(shù)作為種質(zhì)改良的重點指標，進一步提高熱帶、亞熱帶種質(zhì)與溫帶種質(zhì)利用，培育高光效玉米種質(zhì)。