玉米空秆与不空秆近等基因系的选育及生理指标比较

， (沈阳农业大学特种玉米研究所， 辽宁 沈阳 110866)

玉米空秆与不空秆近等基因系的选育及生理指标比较

钟雪梅，史振声
(沈阳农业大学特种玉米研究所， 辽宁 沈阳 110866)

以成对的近等基因系沈农98 A(空秆系)和沈农98 B(不空秆系)为试材，在遮荫条件下对2个近等基因系的植株形态、吐丝率、空秆率、光合生理等指标进行比较研究。结果表明，沈农98 A和沈农98 B的植株形态、营养生长情况及叶绿素含量没有明显差异；雌穗发育和结穗(结实)性对遮荫胁迫反应敏感，38%遮荫胁迫下，沈农98 A 100%空秆而沈农98 B不空秆，雌穗幼穗分化停滞是导致沈农98 A空秆的直接原因；而沈农98 A与沈农98 B的重要区别在于光合生理的差异。正常光照下，沈农98 A的净光合速率及其相关指标LSP、LCP、Pmax、AQY，Fv/Fm、qP、NPQ、ΦPSⅡ、ETR均明显低于沈农98 B；遮荫处理后，各项指标均随遮荫强度的增加呈逐渐降低的趋势，且沈农98 A的下降幅度更大。研究认为，沈农98 A和沈农98 B是一对具有高度近等性的近等基因系。该材料对玉米耐阴性的光合生理机制研究具有重要价值，更重要的是通过建立玉米空秆鉴定技术体系进而实现对育种材料的缺陷诊断，利用该材料进行分子标记研究最终实现玉米耐阴(抗空秆)育种的分子标记辅助育种。

玉米； 空秆； 遗传； 弱光胁迫

玉米是一种喜光并且对光照敏感的作物，但敏感程度在品种间有较大差异。生产上，常常由于气候反常或地区性小气候变化而导致个别品种发生异常性的空秆事件。这种异常性的空秆并不是由于肥水不足、三类苗、病苗、虫害或由于机械损伤等田间管理不当所致，而是由遗传因素即遗传缺陷造成，因此这里将其称为遗传缺陷性空秆[1-3]。这种遗传缺陷性空秆的典型特征是植株营养体生长发育一切正常，但却无雌穗形成或雌穗发育停止，或有幼穗而无花丝，或有花丝而吐丝不全。最具代表性的是2010年在辽宁地区个别品种上发生的大范围、高比例的空秆事件，发生的品种空秆率一般都在30%以上，严重的地块甚至超过80%，发生面积达数10万hm2。经多年的大量调查研究和专家鉴定，认为光照不足是直接原因，而品种间差异是其内因所在。

光胁迫研究一直是国内外玉米抗逆生理研究的重点，现有的研究大都局限于遮荫胁迫对玉米生长发育的影响及其光合生理的变化[4-15]，对指导玉米合理密植具有重要价值。对于因遗传缺陷所导致的玉米空秆现象，尤其是从光合生理角度揭示玉米的耐阴机制研究，由于缺乏合适的遗传材料而难以取得理想的试验效果。针对这一问题，史振声等[1]成功地选育出“易空秆”和“不易空秆”成对的近等基因系，并对玉米空秆即玉米耐阴的光合生理机制等方面进行研究。

1 试验材料与方法

1.1 试验材料

试验以沈农98 A和沈农98 B 2个玉米自交系为试材，由沈阳农业大学特种玉米研究所选育。2个自交系为成对的近等基因系，自交第10代分离而成。在正常条件下，2个自交系生长发育均正常，结穗和结实正常。但在光照不足条件下沈农98 A可发生100%的空秆(简称空秆系)，而沈农98 B(简称不空秆系)则不发生空秆。

1.2 试验方法

1.2.1 种植方法

为使试验条件尽量与生产实际一致，防止盆栽造成的小气候温度高、盆土昼夜温差小、土壤干湿不稳定等问题，试验采取田间种植，其上安装遮荫棚的方法。试验于2009—2014年在沈阳农业大学校内试验地和海南三亚育种基地进行。沈阳播种时间为4月25日—5月10日，海南三亚播种时间为11月5日—10日。沈阳种植为等行距垄作，点播，行距60 cm，株距28 cm，小区行长7.5 m，7行区；三亚为大垄双行种植，行长5.0 m，垄距90 cm，垄上行距30 cm，株距25 cm。其他管理按正常种植进行。

1.2.2 遮荫方法与遮荫处理

遮荫棚采用钢架结构，定苗后安装棚架，棚顶高度超过株高0.5 m，遮荫时安装黑色遮荫网。

采用不同厚度和密度的黑色遮荫网遮荫，设5个胁迫强度，即遮荫18%、28%、38%、60%和75%，不遮荫为对照。

1.2.3 空秆率和吐丝株率调查

收获前，调查小区全区的株数和不结穗株数(结实少于20粒)；吐丝期结束后调查吐丝株率。

1.2.4 幼穗分化观察

第5叶完全展开时选取生长整齐一致的植株标记40株。从12叶完全展开至吐丝后15 d，每隔4 d取样1次，每次3株，用解剖镜观察幼穗分化进程。

1.2.5 叶绿素荧光参数测定

在遮荫后第1天、第3天、第5天、第7天，用Li-6400便携式光合仪测定穗位叶暗适应下的基础荧光(Fo)、最大荧光(Fm)，光系统Ⅱ(PSⅡ)最大光能转换效率(Fv/Fm)。通过公式计算：实际光化学效率(ΦPSⅡ)=(Fm′-Fs)/Fm′，电子传递速率(ETR)=ΦPSⅡ×PAR×0.5×0.84，光化学猝灭系数(qP)=(Fm′-Fs)/(Fm′-F0′)和非光化学猝灭系数(NPQ)= NPQ= Fm/Fm′-1。每次测定3株。

1.2.6 光合参数测定

于晴天09：00～11：30，用LI-6400便携式光合仪测定系统测定穗位叶净光合速率(PN)、细胞间CO2浓度(Ci)、气孔导度(Cond)和蒸腾速率(Tri)。每处理测定3株，每叶重复测定3次。光响应曲线测定方法是在CO2流速为500μmol/s、叶室温度为25 ℃条件下测定，PFD范围为0～1 800μmol/(m2·s)，用回归法求得光饱和点和光补偿点。

1.2.7 数据处理

数据统计分析用Excel和DPS软件。

2 试验结果

2.1 空秆和不空秆近等基因系的形态特征

沈农98 A和沈农98 B生育期123 d。幼苗叶片浓绿，芽鞘绿色，叶片较短而挺实。成株株高220 cm左右，穗位120 cm左右，春播叶数20～22片，叶色浓绿，株型紧凑。雄穗大小中等，分枝16～17个，雄花颖壳绿色，花粉囊黄色，花粉量较大。果穗长13 cm左右，粗4 cm左右，平均14行左右，百粒重24 g左右，硬粒型。沈农98 A与沈农98 B各性状表现基本一致。经方差分析，2个自交系的生育期及各形态指标差异未达到显著水平。

2.2 空秆与不空秆近等基因系的幼穗分化和结穗性差异

2009年，随机调查2个自交系各100株，结穗株数均达到98%以上，结穗正常；2010年，在辽宁省异常寡照天气情况下，灌浆期随机调查2个自交系各100株，沈农98 A的结穗率为1.0%，沈农98 B结穗率为100%。

2011年对2个自交系进行遮荫胁迫处理。在遮荫38%条件下，沈农98 B的结穗率为85.7%，沈农98 A仅为4.3%，分别比对照降低6.1%和94.9%；沈农98 B的吐丝率为87.8%，沈农98 A仅为5.7%，分别比对照下降7.6%和94.8%；沈农98 B的幼穗长度为7.3 cm，沈农98 A仅为5.2 cm，分别比对照下降11.0%和35.8%。在遮荫60%条件下：结穗率，沈农98 A每百株为0.0%，沈农98 B为11.1%，分别比对照下降100%和87.8%；吐丝率，沈农98 A每百株为3.9%，沈农98 B为82.1%，分别比对照下降95.6%和13.5%；幼穗长度，沈农98 A为4.0 cm，沈农98 B为7.0 cm，分别比对照下降50.6%和14.6%。

2.3 空秆与不空秆近等基因系的叶绿素含量差异

在正常光照下，沈农98 A与沈农98 B的叶绿素含量差异不明显。两者的叶绿素a分别为2.35 mg/g和2.36 mg/g，沈农98 A比沈农98 B降低0.6%；叶绿素b含量为0.80 mg/g和0.74 mg/g，沈农98 A比沈农98 B低6.5%。在38%、60%和75%遮荫胁条件下：沈农98 A的叶绿素a含量与沈农98 B没有明显差异，3个胁迫强度分别比对照降低0.4%、1.4%和2.6%；叶绿素b含量略有增加，沈农98 A比沈农98 B分别高4.3%、0.7%和-4.3%。

2.4 空秆与不空秆近等基因系光合速率及相关参数的差异

研究结果表明，2个近等基因系的净光合速率及相关参数的差异明显：光合速率，在正常光照下，沈农98 A和沈农98 B分别为22.50μmol/(m2·s)和24.60μmol/(m2·s)，沈农98 A比沈农98 B低8.5%。在18%、28%、38%、60%和75%遮荫胁迫下，光合速率在随着胁迫强度加大而下降的同时，沈农98 A分别比沈农98 B低15.8%、-1.3%、23.2%、14.8%和28.6%。即无论遮荫与否，沈农98 A的净光合速率均略低于沈农98 B，且遮荫强度越大降幅越大。叶片气孔导度，无论在正常光照还是在遮荫胁迫下，沈农98 A均低于沈农98 B。正常光照下差异较小，沈农98 A和沈农98 B分别为0.21 mol/(m2·s)和0.22 mol/(m2·s)，沈农98 A较沈农98 B低4.5%。在18%、28%、38%、60%和75%遮荫胁迫下，叶片气孔导度随胁迫强度加大而下降，沈农98 A分别比沈农98 B低22.7%、9.5%、23.5%、12.5%和33.3%。胞间CO2浓度，在正常光照下，沈农98 A和沈农98 B分别为87.61μmol/mol和67.77μmol/mol，前者比后者高29.3%。在18%、28%、38%、60%和75%遮荫胁迫下，胞间CO2浓度在随着胁迫强度加大而增加的同时，沈农98 A分别比沈农98 B高出-9.4%、2.5%、14.6%、1.0%和9.7%。气孔限制值(Ls)则与Ci相反，无论在正常光照还是在遮荫胁迫下，沈农98 A均比沈农98 B低。在正常光照及在18%、28%、38%、60%和75%遮荫胁迫下，农98 A分别比沈农98 B低2.5%、2.5%、-15.9%、5.3%、1.2%和13.0%。

2.5 空秆与不空秆近等基因系的叶片光合曲线及相关参数差异

试验表明，正常光照下沈农98 A的光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)、最大净光合速率(Pmax)和表观量子效率(AQY)均低于沈农98 B，分别降低10.2%、11.9%、3.0%和13.6%。在遮荫胁迫下，沈农98 A的Pmax在随着胁迫强度加大而下降的同时，都较沈农98 B显著降低。在18%、28%、38%、60%和75%遮荫胁迫下，沈农98 A与沈农98 B相比：沈农98 A的Pmax比沈农98 B低 4.6%～15.6%，平均降低10.5%；AQY低-1.9%～31.9%，平均降低13.0%；LCP低2.5%～21.6%，平均下降12.6%；LSP低-0.1%～5.1%，平均下降3.4%。可见，沈农98 A在相对弱光环境下的光能利用效率一直低于沈农98 B。

2.6 空秆与不空秆近等基因系叶绿素荧光参数的差异

对2个自交系的最大光化学效率(Fv/Fm)、荧光化学猝灭系数(qP)、非光化学猝灭系数(NPQ)、实际光化学效率(ΦPSⅡ)和实际光照强度下的表观电子传递效率(ETR)对比研究表明，Fv/Fm、qP、NPQ、ΦPSⅡ和ETR在正常光照条件下，沈农98 A和沈农98 B分别为0.776、0.412、0.158、1.571、107.63和0.764、0.565、1.515、0.281、148.2，沈农98 A比沈农98 B分别低-0.4%、27.2%、-3.7%、27.3%、27.3%。在18%、28%、38%、60%和75%遮荫胁迫下，沈农98 A与沈农98 B相比： 沈农98 A的Fv/Fm比沈农98 B低 0.15%～2.43%，平均降低1.23%；qP低-4.28%～29.77%，平均降低10.36%；NPQ低-32.10%～4.80%，平均升高3.99%；ΦPSⅡ低-3.29%～50.56%，平均下降13.74%；ETR低-3.29%～50.54%，平均下降13.74%。说明不论在自然光照还是在遮荫环境，沈农98 B的原初光能转换效率、实际光化学效率、光能转化效率和表观电子传递效率都要好于沈农98 A，这从叶绿素荧光参数的角度进一步揭示了易空秆的弱光敏感品种沈农98 A的空秆原因。

3 结 论

综上所述，空秆和不空秆近等基因系沈农98 A和沈农98 B在植株形态、营养生长及叶绿素含量等方面没有明显差异；2个自交系的雌穗发育和结穗(结实)性对遮荫胁迫反应敏感，在正常光照条件下两者之间没有区别，但在一定强度的遮荫胁迫下(38%遮荫)沈农98 A就可发生100%的空秆而沈农98 B不空秆；导致沈农98 A空秆的直接原因在于雌穗幼穗分化停滞，表现为雌穗幼穗分化在初期停止或中期停止发育，或最终不能形成吐丝。

沈农98 A与沈农98 B的重要区别在于光合生理机制上的差异。在正常光照下，沈农98 A的净光合速率及其相关指标，LSP、LCP、Pmax、AQY，Fv/Fm、qP、NPQ、ΦPSⅡ、ETR均明显低于沈农98 B，且在不同强度的遮荫胁迫下，各项指标在随着胁迫强度加大而下降的同时，沈农98 A的下降幅度更大。

总之，沈农98 A和沈农98 B是一对具有高度近等性的近等基因系，无论在结穗性(空秆)还是在光合生理指标上均表现出明显的差异。无疑，该材料对玉米耐阴生理等方面研究具有重要的利用价值。该材料更重要的价值还在于对玉米耐阴性或对弱光敏感性鉴定技术的建立进而实现对育种材料的耐阴性诊断，乃至通过对空秆性状的分子标记研究，最终实现玉米耐阴的分子标记辅助育种。

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Breeding Technology and Physiological Mechanism of A Paired Near-isogenic Lines of Vulnerable and Invulnerable Barren Stalk

ZHONGXuemei，SHIZhensheng

2016-03-20

辽宁省农业领域青年科技创新人才培养计划(编号：2015041)；高等学校博士学科点专项科研基金(编号：20122103110003)。

钟雪梅(1985—)，女，讲师，主要从事玉米栽培生理及育种研究；E-mail:xuemei.zhong@163.com。

史振声(1954—)，男，教授，博士生导师，主要从事玉米栽培及育种研究；E-mail:shi.zhensheng@163.com。

10.16590/j.cnki.1001-4705.2016.08.072

S 513

A

1001-4705(2016)08-0072-04