十三份玉米新自交系的育种潜势分析

赵星凯，石海春，，余学杰，，杨 殊，赵长云，夏 伟，柯永培，，*

(1.四川农业大学 农学院，四川 成都 611130； 2.四川正红生物技术有限责任公司，四川 成都 610213)

玉米是一种典型的异交作物，表现出极端的近交衰退与杂种优势。通过不同自交系组配选育优良杂交种，是利用玉米杂种优势的经典方法[1-2]，也是大幅度提高玉米产量和品质的有效途径。因此，明确新自交系的育种潜势，对指导玉米育种具有重要的实践意义。赖仲铭等[3]通过分析玉米株型数量性状的配合力，为选育理想株型提供亲本选择的依据；袁力行等[4]利用限制性片段长度多态性(restriction fragment length polymorphism，RFLP)和简单重复序列(simple sequence repeats，SSR)2种分子标记对玉米自交系进行杂种优势群划分，将系谱不清的种质划分到相应类群；余世权等[5]利用不完全双列杂交设计，进行配合力和杂种优势分析，确定了新自交系的育种潜势；乔晓等[6]通过配合力分析，明确了玉米航天诱变系的育种潜势；秦家友等[7]利用表型性状与SSR标记，研究了辐射诱变系与相应基础材料间的遗传差异；吕学高等[8]利用SSR标记，对30份特异玉米自交系进行了聚类分析；石海春等[9]通过配合力和杂种优势的研究，明确了玉米核不育突变体K305ms的应用潜力。

本课题组以国内外玉米生产上广泛应用的优良杂交种或人工合成群体为种质资源，通过系谱法连续自交8代以上，育成13份稳定的玉米新自交系。本研究拟通过表型鉴定和SSR标记分析，比较这13份自交系间遗传差异；利用完全双列杂交模式，分析产量配合力和杂种优势表现，以期明确新自交系的育种潜力，为进一步利用新自交系提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

试验材料均由四川正红生物技术有限责任公司提供，包括13份新自交系(1～13)、8份骨干系(14～21)和代表我国5大主要杂种优势群的5份标准自交系(22～26)，自交系名称与来源见表1。以新自交系和骨干自交系共21份材料，按照Griffing方法Ⅳ组配210个杂交组合。

1.2 试验设计

1.2.1 田间设计

2018年分别于四川正红生物技术有限责任公司四川双流和云南宣威基地种植杂交组合，均按随机区组排列，2行区，重复3次。种植密度分别为50 000株·hm-2和80 000株·hm-2，对照分别为当地主推品种成单30和地沃2号。2019年于双流试验田种植自交系，顺序排列，4行区，密度50 000株·hm-2。

表1 26份玉米自交系名称与来源

1.2.2 性状测定

考察自交系的株高等11个表型性状，计算杂交组合小区平均单株产量。具体方法参考2018年国家“普通玉米品种区域试验、生产试验调查项目和标准”。

1.2.3 SSR标记方法

随机取各自交系苗期5～8株嫩叶，每株采集1片，用2×CTAB法提取和纯化DNA。按照中华人民共和国农业行业标准《玉米品种鉴定规程SSR标记法》(NY/T1432—2014)公布的40对核心引物及其鉴定方法，进行SSR分子标记分析，用6%变性聚丙烯酰胺凝胶电泳对扩增产物进行检测。

1.3 数据分析

1.3.1 田间数据分析

对自交系11个性状数据进行方差分析，并以最小显著差数法(LSD法)对差异显著性状进行多重比较，由DPS软件完成。配合力分析以小区单株产量均值为单位，按Griffing方法Ⅳ固定模型分析程序进行[10-12]，由SAS软件完成。对照优势(%)=[(F1-FCK)/FCK]×100，其中，F1为杂交组合小区单株产量均值，FCK为临近对照小区单株产量均值，由Excel软件完成。

1.3.2 SSR数据分析

根据PAGE银染结果，在相同迁移位置有带记为“1”，无带记为“0”，缺失记为“9”，建立SSR数据库。根据Nei等[13]提出的算法计算遗传相似系数(NGS)，计算公式如下。

NGS=2Nxy/(Nx+Ny)。

其中，Nxy指材料X和Y之间共同的多态性位点数；Nx指X材料所具有的多态性位点数；Ny指Y材料所具有的多态性位点数。并利用UPGMA方法对供试自交系进行聚类分析[14]，数据处理由NTSYSpc 2.10e软件完成[15]。

2 结果与分析

2.1 农艺性状鉴定结果

方差分析结果显示，所有考察性状差异均达到极显著水平(P<0.01)(表2)。平均株高变幅为151.67～250.00 cm，雄穗分支数为2.07～14.30个，其中K962和K311株高较高，分别达250.00 cm和245.90 cm，K324和K111株高较矮，分别为151.67 cm和160.57 cm，穗位高与株高趋势一致。单株产量变幅为52.13～111.26 g，其中K311和K351显著(P<0.05)高于其他自交系(K143除外)，其产量组成性状均表现较优；产量最低的为K492，其产量组成性状亦较差；其余自交系平均单株产量都在70 g以上，产量组成性状较好。综合来看，K311和K351是自身表现优良的新自交系(表3)。

表2 新自交系各性状的方差分析(MS)

表3 新自交系各性状多重比较结果

2.2 SSR聚类分析

40对SSR引物扩增结果表明，在26个玉米自交系中共检测到173个基因型，平均每个引物检测到4.325个；共检测到191个等位基因片段，平均每个引物检测到4.775个(表4)。图1为引物umc2160k3b对26个自交系的检测结果。

以遗传相似系数0.696为阈值，用类平均法(UPGMA)将26份供试自交系划分为8大类群，即5个常见类群和3个新类群。其中，Ⅰ类为Lancaster群，包括698-3和Mo17；Ⅱ类为PB群，包括K143等3个自交系；Ⅲ类为唐四平头群，包括21-ES和昌7-2；Ⅳ类为旅大红骨群，包括K181等4个自交系；Ⅴ类为Ried群，包括K962等3个自交系；新类群1包括K115等6个自交系；新类群2包括K492等4个自交系；新类群3包括K311和K61(图2)。聚类结果与系谱来源或前人相关研究结果基本吻合[16-20]。其中，属于常见5大类群的自交系占53.85%，属于3个新类群的自交系占46.15%。K115等10个新自交系被划分到3个新类群，说明新自交系种质新颖，可丰富玉米杂种优势类群，拓宽我国玉米的种质基础。

表4 40对SSR引物对26份自交系的检测结果

Marker为DNA分子质量标准，编号1～26同表1。Marker was DNA molecular mass standard， number 1-26 were the same as Table 1.图1 引物umc2160k3b对26个自交系的扩增结果Fig.1 Amplified results of 26 inbred lines by primer umc2160k3b

2.3 产量配合力

2.3.1 联合方差分析

以小区单株产量均值为单位，对210个组合单株产量及其配合力进行联合方差分析，结果见表5。组合间、组合与地点互作间差异均达到极显著水平(P<0.01)；亲本GCA效应、组合SCA效应和GCA与地点互作均达到极显著水平(P<0.01)，SCA与地点互作间达显著水平(P<0.05)。

2.3.2 一般配合力效应

图2 二十六份玉米自交系SSR聚类图Fig.2 Clustering dendrogram of 26 maize inbred lines based on SSR makers

表5 杂交组合产量及其配合力联合方差分析

21份自交系单株产量一般配合力(GCA)效应值见表6。双流点产量GCA效应值变幅为-31.01～27.38，产量GCA为正值的新自交系6个，其中K143等4个达到正向显著(P<0.05)水平；宣威点产量GCA变幅为-29.05～61.52，GCA为正值的新自交系7个，其中K61等6个达到正向显著(P<0.05)水平。两点综合，产量GCA变幅为-30.03～42.98，GCA为正值的新自交系6个，均达到正向显著(P<0.05)水平。其中，K61、K143和K115在2个试点产量GCA均达到正向极显著(P<0.01)水平，均高于优良骨干自交系，是产量高配合力自交系。

表6 产量一般配合力效应值与显著性检验

2.3.3 特殊配合力效应

组合产量特殊配合力(SCA)统计结果见表7。产量SCA正效应最多的组合来自于骨干系×新自交系，在双流和宣威试点中分别有57个和51个，其中达到显著(P<0.05)水平均有8个，最大效应值组合分别是698-3×K351和郑58×K492；其次为新自交系×新自交系，双流和宣威试点中正效应组合分别有39个和38个，其中达到显著(P<0.05)水平的分别有6个和2个，最大效应值组合均为K111×K61；最后是骨干系×骨干系，双流和宣威试点中正效应组合分别有14个和12个，其中达到显著(P<0.05)水平的均只有1个，最大效应值组合分别是K305×R08和K305×698-3。

表7 产量特殊配合力归类统计表

2.4 杂种优势表现

对照优势达到正向显著水平的组合见表8。双流点显著(P<0.05)增产组合有18个，占组合总数的8.57%，其中新自交系K143配制的组合数最多为8个，最优组合是K61×K143，比对照增产35.12%。宣威点显著(P<0.05)增产组合仅3个，占组合总数的1.43%，这些组合均由新自交系K61参与组配，仍然是K61×K143最优，比对照增产31.19%。K61×K143和21-ES×K61在2个试点中均显著(P<0.05)增产，是适应性较强的高产稳定组合。从杂种优势模式来看，新类群×常见类群、新类群×新类群和常见类群×常见类群组配的显著(P<0.05)增产组合数分别为13个、4个和4个，其中K365×K115和K61×K311分别为新类群1和新类群3的2个亚群自交系间组配。说明这些新类群自交系与常见5大类群自交系之间具有较强的杂种优势，丰富了玉米杂种优势模式。

表8 产量杂种优势正向显著组合

3 结论与讨论

玉米杂交种的表现与其亲本自交系的综合性状密切相关，而表型鉴定是作物性状遗传差异分析与优良基因型选择最简单、直接、有效的方法[21-22]。秦家友等[7]通过表型鉴定发现，玉米亲本自交系及其诱变系表型性状差异显著，认为辐射诱变是改良或创新种质的有效途径。本研究通过表型鉴定，明确了13份玉米新自交系的主要性状差异，发现新自交系K311和K351等自身表现优良。

分子水平遗传鉴定可排除环境干扰，合理划分杂种优势群，有利于探明材料间的遗传差异与遗传背景。石海春等[20]通过SSR标记，将82份玉米自交系划分为5个常见类群和其他2个类群，其中骨干自交系K236划入PB群，郑58划入Ried群，21-ES划入唐四平头群，与本研究结果一致。本研究还发现，K115等10份玉米新自交系被划分为5大常见杂种优势群之外的3个新类群，丰富了玉米杂种优势模式，拓宽了我国玉米的种质基础，对降低玉米遗传脆弱性风险具有重要意义。

配合力高低是衡量自交系优劣的重要标准之一[23]，通过配合力测定可以明确新自交系的利用潜力，对育种工作具有重要的实践意义。冯志前等[23]采用NC-Ⅱ遗传交配设计，发现KA105和KA064产量一般配合力表现优良。郭章贤等[24]利用Griffing方法Ⅳ模型，对8份甜玉米自交系及其杂交组合进行数量性状配合力测定，表明9宽/sh2、150/sh2、Mo17/sh2为产量高配合力自交系，单株产量位列前3的组合均有其参与。本研究发现，K61等6个新自交系产量GCA达极显著正效应，高于多数骨干自交系，其配制的组合多表现为高产。

新自交系K61、K143和K115组配的高产组合数量多，且优于大多数骨干系，是易组配出高杂种优势组合的亲本自交系。其中，K61×K143和21-ES×K61在四川双流和云南宣威试点均显著增产，平均分别增产33.16%和22.81%，对不同生态环境的适应性强，推荐参加高一级试验。

综上所述，新自交系K61、K143和K115产量GCA最高，自身产量较高，多数农艺性状优良，其中K61和K115种质新颖，是较为理想的高产育种亲本；K311、K962和K365产量GCA较高，自身农艺性状优良，其中K311和K365种质新颖，具有高产育种潜力，但植株偏高，有待进一步改良；K492等其余7个新自交系产量GCA多呈显著负效应，并存在自身产量较低等部分缺陷性状，但K324和K111具有矮秆等优良性状，可作为种质资源利用。该研究结果为玉米育种亲本选择和组合配制提供了依据。