劉忠祥, 楊彥忠, 王曉娟, 連曉榮, 周文期, 何海軍,周玉乾, 寇思榮

(甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所, 蘭州 730070)

突變體是進行基因功能研究的優(yōu)異材料。輻射誘變育種技術(shù)是常規(guī)育種的重要補充，利用其可以創(chuàng)制出新材料、新種質(zhì)。因此，利用物理及化學(xué)誘變，創(chuàng)制新的變異材料，既可以為作物遺傳育種提供基礎(chǔ)材料，也對開展突變基因定位、克隆、功能解析、抗逆性機制研究及配合力效應(yīng)分析等具有重要意義。目前，國內(nèi)外利用輻射誘變技術(shù)取得成效的主要有X射線、γ射線、中子、離子束及多種因素結(jié)合的空間誘變[1]。根據(jù)FAO/ IAEA(聯(lián)合國糧農(nóng)組織/國際原子能機構(gòu))的突變品種數(shù)據(jù)庫(http://mvgs.Iaea.org/)統(tǒng)計，截至2016年5月，世界上60多個國家在214種植物上利用誘發(fā)突變技術(shù)育成和推廣了超過3 200個品種，一批有影響力的農(nóng)作物突變品種和一批優(yōu)異種質(zhì)資源在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和品種改良方面得到利用[1-2]。20世紀70年代以來，我國利用γ射線等誘變技術(shù)在玉米上育成了原武02、原輻17、丹340、丹360、輻746、魯原92等自交系，組配了掖單13、魯單5號、魯單50等魯單系列雜交種，推動了玉米生產(chǎn)發(fā)展[3-5]。中子不帶電荷，通過與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生次級電子使物質(zhì)電離。中子穿透能力較強，與X射線、γ射線、紫外線相比，有更高的輻射誘變率和更寬的變異譜[6-7]。近年來，國內(nèi)外學(xué)者利用快中子輻照已在豌豆[8]、玉米[9-10]、小豆[11]、紫花苜蓿[12]、花生[13]、棉花[14]、水稻[15]和小麥[16]等多種植物中獲得了各具特色的突變體。

課題組前期研究中通過252CF裂變快中子源輻射誘變鑒定篩選得到黃綠葉突變體fu17138、fu18398和fu18362，葉片皺縮、葉夾角減小突變體fu1603，矮稈、低穗位突變體fu18312和fu18321，這些突變體的獲得為種質(zhì)創(chuàng)新、品種改良、基因克隆及其功能分析創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)材料，也為育種應(yīng)用提供了有價值的種質(zhì)資源。本研究以昌7-2、Mo17、B73、LY0986和LY1621為測驗種父本(P1)，以6個突變體fu18312、fu1603、fu17138、fu18321、fu18398和fu18362為被測系母本(P2)，采用NCII設(shè)計(不完全雙列雜交組合設(shè)計)，對其11個農(nóng)藝性狀的配合力進行分析，評價6個突變體的一般配合力、特殊配合力效應(yīng)及育種利用價值，為品種選育奠定了種質(zhì)基礎(chǔ)，為快中子誘變突變體的進一步改良和利用提供了理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以昌7-2(引進鄭單958父本、黃改系)、Mo17(美國引進、Lancaster種群)、B73(美國引進、Reid種群)、LY0986(自育Lancaster種群)和LY1621(自育Reid種群)為測驗種父本(P1)，快中子誘變創(chuàng)制的突變體fu18312、fu1603、fu17138、fu18321、fu18398和fu18362為被測系母本(P2)。其中fu18312、fu18321、fu1603和fu18398是甘肅農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物研究所利用252CF裂變快中子源輻射誘變自交系LY8405選擇培育而成，fu17138和fu18362是利用252CF裂變快中子源輻射誘變玉米自交系PH6WC分離得到。fu18312和fu18321表現(xiàn)為低穗位、矮稈特性；fu1603表現(xiàn)為葉片皺縮、葉夾角減小特性；fu18398、fu17138和fu18362表現(xiàn)為黃綠葉特性。

1.2 試驗方法

試驗按 NCII設(shè)計方法[17-18]，2017年將6個母本和5個父本組配成30個(6×5)雜交組合，于2018—2019年播種于甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院張掖試驗基地。采用隨機區(qū)組排列，重復(fù)3次，行長5 m，行距0.5 m，株距0.2 m，種植密度為10×104株·hm-2，單行區(qū)，每小區(qū)取樣10株，調(diào)查株高、穗位、穗長、禿尖、穗粗、軸粗、雄穗分枝數(shù)、穗行數(shù)、行粒數(shù)、出籽率和單株粒重等11個性狀，以小區(qū)平均數(shù)為單位按不完全雙列雜交設(shè)計進行配合力效應(yīng)統(tǒng)計分析。

NCII設(shè)計以固定模型計算親本的一般配合力(general combining ability，GCA)及組合的特殊配合力(special combining ability，SCA)的相對效應(yīng)；隨機模型估算群體的遺傳力。計算公式如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2010軟件進行試驗數(shù)據(jù)整理，DPSC數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)進行統(tǒng)計分析和遺傳效應(yīng)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米快中子誘變突變體的表型鑒定

2.1.1玉米黃綠葉突變體fu17138的表型鑒定

與野生型PH6WC相比(圖1)，玉米黃綠葉突變體fu17138在第5葉期開始出現(xiàn)葉片或葉緣黃化的現(xiàn)象；株高和穗位高顯著降低；雄穗分枝數(shù)增多，由原來的0～1個增加為5～7個；植株能夠正常生長并結(jié)實，但穗長和穗粒數(shù)顯著減少。基因定位將葉片或葉緣黃化基因定位于玉米第3染色體(chr3: 173 087 201～182 203 992)約9.2 Mb的區(qū)間內(nèi)[19]。

2.1.2玉米葉夾角突變體fu1603的表型鑒定

與野生型LY8405相比(圖2)，葉夾角突變體fu1603株型更加緊湊，葉片在5葉期以后出現(xiàn)皺縮卷曲，葉夾角減小，籽粒由馬齒型變?yōu)橛擦Ｐ?。基因定位將控制葉夾角的基因定位于玉米第1染色體1.02 bin標記C1-18和C1-2之間(17 966 407～26 885 514)約9 Mb范圍內(nèi)[20-21]。

2.1.3矮稈低穗位突變體fu18312的表型鑒定

野生型LY8405的株高為256.6 cm，穗位高70.7 cm；而矮稈低穗位突變體fu18312的株高僅140.6 cm，穗位高27.1 cm，顯著低于野生型(圖3A、B和C)；果穗變小、籽粒由馬齒型變?yōu)橛擦Ｐ?圖3D和E)。

A：拔節(jié)期；B：籽粒；C：成株期；D：雄穗；E：果穗。A: Jointing stage; B: Grain; C: Adult stage; D: Male spike; E: Ear.圖1 玉米黃綠葉突變體fu17138的表型Fig.1 Phenotype of maize yellow green leaf mutant fu17138

A: 拔節(jié)期；B: 成株期；C: 籽粒。A: Jointing stage; B: Adult stage; C: Grain.圖2 玉米葉夾角突變體fu1603表型Fig.2 Phenotype of maize leaf angle mutant fu1603

A：LY8405成株期；B：fu18312成株期；C：fu18312和LY8405成株期節(jié)間及穗位；D：籽粒；E：果穗；圖A/B中標尺=20 cm。A: Adult stage of LY8405; B: Adult stage of fu18312; C: Internodes and ear height of LY8405 and fu18312; D: Grain; E: Ear; Bars in A and B are 20 cm.圖3 矮稈低穗位突變體fu18312表型Fig.3 Phenotype of low spike mutant fu18312

2.2 突變體的配合力效應(yīng)分析

2.2.1主要農(nóng)藝性狀的方差分析 對組配的30個雜交組合11個農(nóng)藝性狀進行方差分析，結(jié)果(表1)表明,區(qū)組間各性狀差異均未達到顯著水平；但組合間11個性狀差異均達到極顯著水平。親本一般配合力方差和親本間特殊配合力方差分析結(jié)果顯示，P1(父本)除穗軸粗差異不顯著外，其余性狀均達顯著或極顯著差異；P2(母本)除雄穗分枝數(shù)和禿尖長外，其余性狀均達到顯著或極顯著差異；而P1×P2除穗軸粗外，其余性狀均達顯著或極顯著差異。由此可見，這10個性狀的遺傳均受加性效應(yīng)和非加性效應(yīng)共同作用。

表1 各性狀的方差分析(均方值)Table 1 Analysis of variance for every trait

2.2.2供試材料11個性狀的一般配合力效應(yīng)分析 不同親本11個性狀的GCA效應(yīng)值有很大的差異(表2)。自交系昌7-2雄穗分枝數(shù)、穗位高、禿尖長和出籽率的GCA效應(yīng)值分別為25.0、7.3、-50.67和2.76，利用其能增加F1的雄穗分枝數(shù)，增高穗位，減小禿尖長，提高封頂性和出籽率；自交系LY0986除穗位高和雄穗分枝數(shù)外，其余10個性狀的GCA效應(yīng)值均為正值，其中穗長、穗行數(shù)、行粒數(shù)和單株產(chǎn)量的GCA效應(yīng)值分別為15.44、5.04、12.78和21.16，利用其能夠提高F1的產(chǎn)量；Mo17和B73兩自交系多數(shù)性狀的GCA效應(yīng)值為負效應(yīng)；突變體fu18312僅雄穗分枝數(shù)、禿尖長和穗軸粗的GCA效應(yīng)值為正向效應(yīng)，其余性狀均為負向效應(yīng)，且株高和穗位高的GCA效應(yīng)值分別為-10.30和-18.20，表明fu18312具有顯著的降稈作用，抗倒伏能力強；突變體fu18321的GCA效應(yīng)與fu18312類似；突變體fu1603僅穗長、軸粗和禿尖長的GCA為負效應(yīng)，其余性狀均為正效應(yīng)，利用其能夠使F1植株的株高和穗位高增加，穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)、單株產(chǎn)量、雄穗分枝數(shù)、出籽率增多；突變體fu18398和fu18362的GCA效應(yīng)與突變體fu1603的GCA效應(yīng)基本一致；突變體fu17138在單株產(chǎn)量、穗長、行粒數(shù)、出籽率和穗位高的GCA效應(yīng)值分別為15.29、3.48、22.64、4.48和2.84，能夠提高F1產(chǎn)量，利用其配制的雜交種豐產(chǎn)性較好。

表2 11個材料11個性狀的一般配合力效應(yīng)值Table 2 Effect values of general combining ability for 11 characters of 11 materials

同一性狀不同親本的GCA值差異較大。如株高和穗位高，突變體fu18312和fu18321的GCA效應(yīng)值表現(xiàn)為較高的負效應(yīng)，能夠有效降低F1的株高和穗位高，提高雜交組合的抗倒伏性；而突變體fu1603和fu18398表現(xiàn)為較高的正效應(yīng)。穗長方面，LY0986、fu17138和fu18398的GCA效應(yīng)值較高，利用其能夠增加F1的果穗長度。行粒數(shù)方面，LY0986、fu1603、fu18398、fu18362和fu17138的GCA效應(yīng)值有較高的正效應(yīng)，利用其能夠增加F1的行粒數(shù)。單株產(chǎn)量方面，LY0986、fu17138、fu1603和fu18398的GCA效應(yīng)值較高，在今后的高產(chǎn)育種中可重點加以利用。

2.2.3供試材料11個性狀的SCA效應(yīng)分析 不同組合在某一性狀上或某一組合在不同性狀間的特殊配合力(SCA)存在很大的差異(表3)。30個組合中，單株產(chǎn)量SCA相對效應(yīng)值較高的組合包括：LY0986×fu17138、昌7-2×fu18312、LY1621×fu18362、Mo17×fu18321、昌7-2×fu1603、B73×fu18321等。11個親本中，LY0986、昌7-2、LY1621、fu17138、fu18362、fu18398和fu1603的單株產(chǎn)量GCA效應(yīng)值較高，利用它們組配雜交組合的SCA效應(yīng)值也相對較高。穗行數(shù)SCA相對效應(yīng)為正效應(yīng)、且效應(yīng)值較高的組合包括LY1621×fu1603、LY1621×fu18362、Mo17×fu18321和LY0986×fu17138；行粒數(shù)SCA相對效應(yīng)為正向效應(yīng)且效應(yīng)值較高的組合有LY0986×fu17138、Mo17×fu18321和Mo17×fu1603；親本中，LY0986、fu18398和fu1603的株高GCA效應(yīng)值較高，所配組合中以B73×fu1603、LY1621×fu18398和LY0986×fu18398的SCA相對效應(yīng)值較高；穗位高SCA相對效應(yīng)值低的包括：LY1621×fu18312、昌7-2×fu18321和LY0986×fu17138，表明突變體fu18312、fu18321和fu17138具有降低株高和穗位高的作用；穗長SCA相對效應(yīng)值較高的組合包括B73×fu18398、Mo17×fu18362、LY1621×fu18362和Mo17×fu18312，雜交增加了F1穗長；禿尖長SCA相對效應(yīng)值應(yīng)越小越好，組合LY0986×fu17138、LY0986×fu18398、B73×fu18362、B73×fu1603和昌7-2×fu18362的禿尖長SCA相對效應(yīng)較低。根據(jù)每一組合株高、穗位高、禿尖長特殊配合力的負向效應(yīng)和其余各性狀特殊配合力的正向效應(yīng)綜合評判，雜交組合LY0986×fu17138、昌7-2×fu18312、LY1621×fu18362、昌7-2×fu1603、B73×fu18321和LY1621×fu18398是比較優(yōu)良的雜交組合。尤其組合LY0986×fu17138表現(xiàn)最為突出，可進一步擴大試驗規(guī)模，確定其在品種選育中的應(yīng)用價值。

表3 30個組合的11個性狀特殊配合力效應(yīng)值Table 3 Effect values of specific combining ability for 11 characters of 30 combinations

2.2.4雜交組合各性狀的遺傳參數(shù)估計 從表4看出，11個性狀的配合力方差除雄穗分枝數(shù)和禿尖長外，其余9個性狀的加性方差均在80%以上，說明F1雜種優(yōu)勢主要由親本配子的加性效應(yīng)決定。雄穗分枝數(shù)和禿尖長由于親本相互作用而產(chǎn)生的非加性基因型方差與加性基因型方差相接近，由非加性基因型方差與加性基因型方差共同作用。

表4 組合各性狀遺傳參數(shù)估計Table 4 Analysis of genetic parameters for all characters of crossed combinations (%)

株高、穗位、穗長、穗行數(shù)、行粒數(shù)、出籽率和單株產(chǎn)量的廣義遺傳力和狹義遺傳力分別為70.44%～91.07%和61.0%～84.85%，受環(huán)境影響較小，能較穩(wěn)定地遺傳給子代，自交系選育時可在早代進行選擇而軸粗和雄穗分枝數(shù)的廣義遺傳力和狹義遺傳力較低分別27.99% ～ 35.12%和26.49%～18.56%品種選育時不宜在自交系早代進行選擇。

3 討論

3.1 快中子輻射誘變與種質(zhì)創(chuàng)新、品種改良效應(yīng)探討

種質(zhì)資源的創(chuàng)制是優(yōu)良品種選育的重要基礎(chǔ)。誘發(fā)植物突變技術(shù)是種質(zhì)創(chuàng)新與品種改良的有效途徑[3]。美國、加拿大等國家的科學(xué)家利用突變技術(shù)創(chuàng)制了玉米、大豆和大麥低植酸突變體[22]；日本科學(xué)家利用高能重離子誘變育成了低鎘的稻米品種[23]；我國科研工作者利用加速器產(chǎn)生的14Me V中子輻照育成水稻新品種中鐵31[24]，利用離子注入技術(shù)選育出小麥新品種皖麥32[25]，利用航天誘變技術(shù)育成小麥新品種魯原502[26]。本研究以快中子輻照玉米干種子后，經(jīng)鑒定篩選出株型緊湊、葉夾角變小突變體fu1603[20-21]、黃綠葉突變體fu17138[19]和低穗位矮稈突變體fu18312，為種質(zhì)創(chuàng)新、品種改良和基因克隆創(chuàng)造了良好的基礎(chǔ)材料，也為植物誘發(fā)突變技術(shù)提供了良好的理論支持。

3.2 快中子輻射誘變突變體配合力效應(yīng)探討

配合力大小是評價作物基礎(chǔ)材料利用價值的重要指標，GCA受基因的加性效應(yīng)控制，能夠穩(wěn)定遺傳。前人對輻射誘變材料配合力的影響已有報道[27]。本研究表明，突變體fu18312、fu1603、fu17138、fu18321、fu18398和fu18362不同農(nóng)藝性狀的配合力效應(yīng)存在差異。就單株產(chǎn)量、穗長、穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)和出籽率 的GCA而言，fu18312和fu18321的GCA效應(yīng)為負效應(yīng)，fu1603、fu17138、fu18398和fu18362的GCA效應(yīng)均為正效應(yīng)，利用這些突變體有利于培育出大穗、多粒、高產(chǎn)的玉米新品種；其余性狀如株高、穗位高、禿尖長和分枝數(shù)等，突變體的GCA效應(yīng)值差異較大，需要有選擇的利用。不同雜交組合單株產(chǎn)量的SCA表現(xiàn)差異較大。其中，組合(昌7-2×fu18312)和(LY0986×fu17138)的SCA效應(yīng)為正效應(yīng)，且效應(yīng)值較高，可進一步擴大試驗規(guī)模，確定其在品種選育中應(yīng)用價值。

3.3 快中子輻射誘變突變體的應(yīng)用潛力探討

快中子輻射誘變是為了創(chuàng)制新種質(zhì)供新品種選育，因此，對新種質(zhì)進行配合力測定和綜合評價具有重要意義。本研究重點分析了6份突變體的GCA和SCA效應(yīng)，明確了其不同性狀配合力特性和利用方向。黃綠葉突變體fu17138的穗部性狀GCA效應(yīng)值較高，利用其組配的雜交組合果穗較長，穗粒數(shù)較多，出籽率較高，是高產(chǎn)育種的良好材料，可用于大穗豐產(chǎn)品種的選育；且其株高、軸粗和禿尖長GCA效應(yīng)表現(xiàn)為較高的負效應(yīng)，因此，對降低株高、縮小軸粗、減少禿尖長度也有一定的作用。單株產(chǎn)量SCA表明，組合LY0986×fu17138的產(chǎn)量較高，進一步驗證了突變體fu17138用于高產(chǎn)育種的潛力。矮稈、低穗位突變體fu18312降稈作用顯著，對改良組合抗倒性具有一定優(yōu)勢；但產(chǎn)量性狀的GCA效應(yīng)多為負效應(yīng)，不利于大穗豐產(chǎn)品種的選育，有待進一步改良。株型緊湊、葉夾角變小突變體fu1603有利于高稈、大穗品種的選育。玉米葉夾角是影響高密度種植的一個重要性狀，與株型及產(chǎn)量高度相關(guān)，葉夾角減小是目前密植栽培和機械化收獲的理想株型特征之一[28]，對該材料進行改良和應(yīng)用，有利于培育出高產(chǎn)、耐密植的玉米新品種。