李忠南 王越人 馬藝文 李志博 鄔生輝 曲海濤 李福林 張淑琴 李光發(fā)

（1.吉林省農業(yè)技術推廣總站 吉林 長春 130033；2.通化市農業(yè)科學研究院 吉林 梅河口 135007）

玉米單倍體育種技術是現(xiàn)代玉米育種的重要技術之一，以誘導系對材料進行雜交誘導為主要方法[1-3]。由于基礎材料遺傳背景等不同， 無論在海南自然加倍還是本地化學加倍， 單倍體自交結實株率種質間存在很大差異。 雄穗加倍率低始終是單倍體育種的瓶頸[4-6]。 近期研究表明，在1 號、3 號、4 號、5 號、7 號染色體上存在23 個雄穗高自然加倍相關QTL 位點，1 號、3 號、4 號染色體上定位到4 個共有顯著QTL區(qū)段[7]。

10 余年的單倍體育種實踐表明， 在相繼發(fā)現(xiàn)玉米單倍體自交結實株率紅軸對白軸、 紫葉鞘對綠葉鞘及父本血緣對母本血緣的顯著優(yōu)勢[8-11]之后，發(fā)覺硬粒雜交材料單倍體自交結實株率極明顯低于馬齒。 由于硬?！榴R齒為東北地區(qū)玉米主導雜優(yōu)模式，研究探討硬粒、 馬齒雜交材料單倍體自交結實株率差異，對單倍體育種具有重要意義，該方面研究未見報道。

本文作者以硬粒和馬齒共23 份玉米F1單倍體進行3 年的海南自然加倍試驗， 并就7 份進行本地化學加倍試驗， 通過研究探討硬粒和馬齒不同雜交方式單倍體自交結實株率差異，以提高育種效率。

1 材料與方法

1.1 試驗材料配制及誘導

雜交配制基礎材料F1的自交系或DH 系共23 份，其中， 硬粒種質8 份， 分別為PH6WC、NG7015、29、Y3011、D135-2、1258-6、B20、X826-2，馬齒種質15 份（表1）。 2019 年雜交配制材料6 份：D10×PH6WC、D10×鄭58、D135-2×PH4CV、29396×D1279、D1279×D752、B20×D752；2020 年 雜 交 配 制 材 料10 份：NG7015×29、PH6WC×Y3011、D1279×D956、1258-6×PH4CV、 T12111×D1279、 PH12TB×D1279、 T0322×D1279、PHB1M×D1279、A6×D1279、X826-2×D1279；2021 年雜交配制材料7 份： F1硬粒（PH6WC×29）×PH6WC、 Y3011×29、 763-1×D752、 763-1×D1279、PHB1M×D1279、D338-2×763-1、D494×PHB1M， 共計23 份F1材料。 2020 年、2021 年、2022 年進行雜交誘導，秋季挑選單倍體粒。 誘導系采用吉誘SM6278-2。試驗在通化市農業(yè)科學研究院試驗地進行。

1.2 海南自然加倍和本地化學加倍

2020 年、2021 年、2022 年10 月25 至11 月3 日，在海南三亞南濱農場通化市農業(yè)科學研究院試驗基地，進行單倍體自然加倍試驗，采用大壟雙行，壟距1 m，單粒播種，株距10 cm。苗期開始去雜，授粉前查數(shù)單倍體株數(shù)。 于當年12 月中旬開始套小袋并開始授粉，月末結束，查數(shù)授粉株數(shù)；于下一年2 月中旬收獲自交結實穗，晾曬并查數(shù)。 海南單倍體加倍試驗圃周邊作物為水稻、棉花、蔬菜等。

本地化學加倍試驗采用晚播錯期處理。2021 年、2022 年在通化市農業(yè)科學研究院試驗地就7 份單倍體進行化學加倍試驗，均于5 月10 日播種，9 月20 日收獲并查數(shù)自交結實穗。 具體方法：單倍體籽粒用清水浸泡8～10 h，再用恒溫箱催芽，催芽均勻；芽根長至1.5 cm 左右時，用小刀片切根尖；切完后用紗網袋裝好并寫好標簽，用秋水仙素0.08%蒸餾水溶液浸泡8 h 后拿出，用清水浸泡、沖涮5 次，待播種。 滴灌防止土壤表層干硬，以提高出苗率。

1.3 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)聚類分析、回歸分析和方差分析均采用DPS 17.10 進行。 數(shù)據(jù)轉換方式為對數(shù)轉換，聚類距離為卡方距離，聚類方法為可變類平均法；多重比較采用新復極差比較法。

自交結實株率（%）=自交結實株數(shù)/單倍體株數(shù)×100。

2 結果與分析

2.1 單倍體自交結實株率

由表2 可知， 總體上單倍體自交結實株率不符合正態(tài)分布（P＜0.05），變異系數(shù)為78.63%；馬齒×馬齒單倍體自交結實株率高低不一，其平均值、最大值及最小值均高于其他處理，變異系數(shù)為42.97%，不符合正態(tài)分布（P＜0.05）；硬?！劣擦Ｆ骄怠⒆畲笾导白钚≈稻畹?， 變異系數(shù)為77.55%， 符合正態(tài)分布（P＞0.05）； 硬?！榴R齒介于中間偏低， 變異系數(shù)為59.38%，符合正態(tài)分布（P＞0.05）。表明馬齒種質比硬粒種質富含優(yōu)良結實性基因，雜交重組累加效應高。

表2 單倍體自交結實株率統(tǒng)計參數(shù)

由表3 可知，馬齒×馬齒本地化學加倍比海南自然加倍自交結實株率提高2.36%～14.55%， 硬?！劣擦Ｌ岣?.67%～1.49%，馬齒×硬粒提高2.49%，硬?！榴R齒提高2.1%。 化學加倍對馬齒×馬齒效果好，說明雜交重組累加效應高。 利用自然加倍和化學加倍自交結實株率回歸分析表明，相關系數(shù)0.966 6（P＜0.01），決定系數(shù)0.934 3， 剩余標準差0.330 7， 截距A：1.204 2（P＜0.01），斜率B：0.684 5（P＜0.01），y=1.204 2+0.684 5x，種質間化學加倍與自然加倍自交結實株率呈線性關系， 說明單倍體自交結實株率高低由雜交重組累加優(yōu)良結實性效應基因數(shù)量多寡決定。

表3 玉米單倍體海南自然加倍與本地化學加倍自交結實株率

2.2 聚類分析

針對23 份材料海南單倍體株數(shù)和自交結實株率進行聚類分析，結果見圖1、表4。 表4 列出了材料間卡方距離，RSQ 為殘差平方和，值越大，關系越近；值越小，關系越遠；PSF 為偽F 統(tǒng)計量層次距離中的參數(shù)；WS 為統(tǒng)計量，值越大，關系越遠。 圖1 說明卡方距離在1.50 條件下，可劃分為2 個群。 群1 包括硬?！劣擦? 份和硬粒×馬齒4 份，與馬齒群最大卡方距離為2.4762； 群2 包括馬齒×馬齒14 份和馬齒×硬粒1 份。說明群1 和群2 在優(yōu)良結實基因數(shù)量上和雜交重組累加效應上存在差異，存在細胞質遺傳效應。

表4 卡方距離及參數(shù)

在卡方距離0.75 條件下， 群1 可劃分為3 個次群：次群1、2 分別為硬?！劣擦＃ǜ? 份），次群3 為硬?！榴R齒（4 份）；群2 可劃分為2 個次群：次群1 為馬齒×馬齒（5 份），為高自交結實株率群，次群2 為馬齒×馬齒和馬齒×硬粒（10 份）。

前期研究結果[14]：PH4CV×A6（馬齒×馬齒）F1單倍體自交結實株率14.70%，育成D752（馬齒）；B20×PH4CV（硬?！榴R齒）F1單倍體自交結實株率6.90%，育成D1279（馬齒），說明PH4CV 和育成的馬齒DH系富含優(yōu)良結實性基因, 存在細胞質遺傳效應。 群2 次群1 中的D1279×D752 單倍體自交結實株率為17.11%， 說明優(yōu)良結實性基因雜交重組累加效應明顯。 群1 次群3 中硬?！榴R齒4 份雜交材料自交結實株率：0.66%（1258-6×PH4CV）、2.14%（B20×D752）、2.53%（X826-2×D1279）、0.88%（D135-2×PH4CV），雜交材料父本均富含優(yōu)良結實性基因。 可見，硬粒種質寡含優(yōu)良結實性基因，雜交重組累加效應差，存在細胞質遺傳效應。尤其是D135-2（紅軸昌7-2×PH4CV）×PH4CV，PH4CV 占75%，說明細胞質效應明顯。

群1 次群1 中的F1硬粒×PH6WC（1.15%），其F1硬粒（PH6WC×29，硬粒×硬粒）前期研究結果[9，14]單倍體自交結實株率分別為0.73%和0.60%；PH6WC 自身單倍體結實率0.20%[14]；PH6WC 占75%，說明硬粒種質寡含且雜交重組累加優(yōu)良加結實性基因效應微弱。 D10（馬齒）選于PH6WC×鄭58（硬?！榴R齒），前期研究結果[14]自交結實株率1.70%～4.10%。群2 次群2 中的D10×PH6WC 為4.08%，PH6WC 占75%；D10×鄭58 為10.16%，鄭58 占75%，卡方距離0.240 3。 說明馬齒種質富含且雜交重組累加優(yōu)良結實性基因效應明顯，鄭58 富含優(yōu)良結實性基因。

2.3 方差與差異顯著性比較分析

將2020 年、2021 年海南自然加倍和2021 年、2022 年化學加倍4 份、3 份雜交材料單倍體自交結實株率進行方差和差異比較分析，結果見表5、表6。由表5 可知，區(qū)組間P＜0.05、P＜0.05；材料間P＜0.01、P＜0.05，說明本地化學加倍自交結實株率比海南自然加倍高，達顯著水平；材料間自交結實株率差異達極顯著水平或顯著水平。 材料間的標準差及標準誤已去掉區(qū)組效應，結果可用[12]。

由表6 可知， 自交結實株率D10×鄭58 與29396×D1279 差異不顯著， 與D10×PH6WC 差異達顯著水平， 與D135-2×PH4CV 差異達極顯著水平；29396×D1279 與D10×PH6WC 差 異 不 顯 著， 與D135-2×PH4CV 差異達顯著水平；D10×PH6WC 與D135-2×PH4CV 差異達顯著水平。即硬?！榴R齒＜馬齒×硬粒達顯著水平；硬?！榴R齒＜馬齒×馬齒達極顯著或顯著水平。 D1279×D956 與NG7015×29 差異達顯著水平，與PH6WC×Y3011 差異達極顯著水平；NG7015×29 與PH6WC×Y3011 差異不顯著， 即硬?！劣擦＃捡R齒×馬齒達顯著或極顯著水平。

進一步研究表明， 馬齒種質富含且雜交重組累加優(yōu)良結實性基因效應明顯， 硬粒種質寡含且雜交重組累加優(yōu)良結實性基因效應微弱， 存在細胞質遺傳效應。

3 討論與結論

3.1 討論

玉米祖先為硬粒， 經馴化和人工選擇遺傳演化為馬齒， 硬粒分布于美洲北部， 馬齒分布于美洲南部。 美洲硬粒傳到歐洲，發(fā)展成歐洲硬粒。 我國老地方品種多為硬粒型。 硬粒種質具有種子耐低溫、早熟、脫水快及容重高等優(yōu)點[15-17]，對我國北方玉米生產具有重要作用。 玉米雜種優(yōu)勢利用以來，硬粒×馬齒一直為主導雜優(yōu)模式，尤其近百余年的種質改良，馬齒比硬粒具有更寬的遺傳背景、 更豐富的遺傳多樣性，對玉米產量貢獻更大[18]。 從5 000 年左右的進化時間跨度看， 馬齒種質比硬粒更富含優(yōu)良結實性基因。

本研究結果， 玉米單倍體自交結實株率為數(shù)量性狀，馬齒×馬齒材料平均值最高，不符合正態(tài)分布；硬?！劣擦２牧献畹?，并存在細胞質遺傳效應。 表明馬齒種質富含且雜交重組累加優(yōu)良結實性基因效應明顯， 硬粒種質寡含且雜交重組累加優(yōu)良結實性基因效應微弱，硬?！榴R齒＜馬齒×硬粒。 馬齒種質雜交材料， 自交結實株率雙DH 系高于單DH 系表達，支持了一些研究結果[19]；高自然加倍材料吉Gjb335DH3為馬齒型[7]，也證明了這一點。 遴選出富含優(yōu)良結實性基因馬齒種質PH4CV、D1279、D752、鄭58。

對前期研究[14]的77 份材料進行統(tǒng)計表明（表7）符合本研究結論。 馬齒×馬齒呈更大的離散幅度，變異系數(shù)最高，不符合正態(tài)分布（P＜0.01），平均值略低，由均為基礎材料導致； 硬?！榴R齒最大值6.90%（B20×PH4CV），PH6WC×PH4CV（先玉335，硬?！榴R齒）單倍體自交結實株率6.71%[19]，比較相近，應該是優(yōu)勢群間產量雜種優(yōu)勢導致，有待于進一步研究。 如果該二組合以PH4CV 為母本，其單倍體自交結實株率將會更高，有待于今后或同行驗證。

表7 自交結實株率統(tǒng)計參數(shù)

硬?！榴R齒為東北地區(qū)主導雜優(yōu)模式，選育硬粒高容重母本系是必然，利于種子耐低溫、保全苗[20]，同時確保單交種容重≥720 g/L（國家審定標準）。 本研究重要意義在于:在單倍體育種中，對于硬粒母本系選育應采取馬齒×硬粒雜交方式， 在DH 系群中選擇性狀優(yōu)良硬?；蚪擦H 系；對于硬粒×硬粒，應采用化學加倍或常規(guī)選育方法； 父本系選育應采取馬齒×硬粒或馬齒×馬齒。如此將顯著提高育種效率。隨著單倍體育種輪回選擇進度的加快，硬粒、馬齒DH種質不同程度重組累加更多優(yōu)良結實性基因， 將不同程度地表達更高自交結實株率， 極大推進種質創(chuàng)新工作。

3.2 結論

本研究表明， 馬齒種質富含且雜交重組累加優(yōu)良結實性基因效應明顯，其單倍體自交結實株率高；硬粒種質寡含且雜交重組累加優(yōu)良結實性基因效應微弱，其單倍體自交結實株率低。 單倍體自交結實率為數(shù)量性狀， 馬齒×馬齒不符合正態(tài)分布； 硬粒×馬齒＜馬齒×硬粒，存在細胞質遺傳效應，硬粒×硬粒遺傳效應最低。 馬齒×馬齒、馬齒×硬粒重組累加優(yōu)良結實性基因效應明顯。