玉米单倍体自然加倍花粉结实力遗传的初步研究

李忠南 王越人 邬生辉 刘励蔚 曲海涛 孙振宇 李光发

（1吉林省农业技术推广总站，130033，吉林长春；2通化市农业科学研究院，135007，吉林梅河口；3吉林省农作物新品种引育中心，130033，吉林长春）

玉米花粉生活力及其授粉结实能力直接决定穗粒数的多少，是影响穗粒数的重要因素之一，玉米花粉属于三核型，花粉生活力一般在离体2h内最为旺盛，24h后几乎完全丧失[1-3]。在高温32℃～35℃条件下，玉米花粉寿命极短，离体花粉1h便失水干瘪失去活力，杂交种花粉的耐热性强于自交系，自交系间也有差异[4-6]。

玉米单倍体育种技术在我国广泛开展10余年，主要通过诱导材料为母本及诱导系为父本进行杂交诱导，鉴定出单倍体种子，通常在海南三亚基地进行自然加倍试验，2代就可获得完全纯合DH系，提高了育种效率[7-8]。由于单倍体长势弱，雄穗有粉率低，通常为2.8%～48.4%，雌穗抽丝率90%左右；自交结实株率0.0%～14.7%，平均结实株率3.5%左右，授粉结实株率20.7%～31.3%[9]。结实穗粒数不等，少则1粒，多则10粒以上。授粉结实株率低及穗粒数少应归因为花粉结实力低或花丝接受花粉能力低这2个因素。按规定操作程序[7]进行授粉时，见到花粉才授粉（将成熟花药敲落在新纸袋上，用小刀片切压，见到花粉即授粉），花粉数量够用，但结实穗粒数差异很大。关于玉米单倍体自然加倍花粉结实力遗传机理的研究尚未见报道。

本研究以2份材料（DH系×DH系和自交系×自交系）的F1杂交诱导和单倍体自然加倍，对2个群体自交结实穗粒数进行遗传分析，探讨花粉结实力的遗传规律，以期为玉米遗传育种工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以组配 15D752×15D435和 PH6WC×29 2份杂交F1为供试材料。2份DH系均来源于PH4CV×A6，为父本系；PH6WC和29均为母本自交系。DH系和自交系种质来源及特征见表1。

表1 自交系和DH系种质来源及特征Table 1 Germplasm origins and characteristics of inbred lines and DH lines

1.2 试验设计

于2018年在通化市农业科学研究院试验基地进行，以2份DH系杂交的F1和2份自交系杂交的F1作被诱导的供体，以吉林省农业科学院提供的诱导系吉诱SM6278-2为父本进行杂交诱导。2019年9月15日开始挑选准单倍体粒，10月26日在海南三亚南滨农场通化市农业科学研究院试验基地播种，单倍体加倍试验圃采取空间隔离（水稻、棉花和谷子），大垄双行，垄距1m，行长100m，共28垄56行（DH系群体2行，自交系群体54行）。材料按顺序排列，单粒播种，株距7cm。苗期开始去杂，12月5日开始套雌穗袋，根据花药发育情况，雌穗袋数量为材料株数的80%左右。12月11日对单倍体雄穗有粉株进行自交授粉，授粉时间为10∶00-16∶00，12月28日授粉结束，记录2个群体单倍体株数和授粉株数。

2020年2月7日收获，记录2个群体自交结实穗穗粒数。并在2个群体中间区域随机取100个未套雌穗袋果穗，记录结实穗粒数。授粉率=授粉株数/单倍体株数×100%；授粉结实株率=结实株数（穗）/授粉株数×100%；结实株率=结实株数（穗）/单倍体株数×100%。

1.3 统计分析

按照盖钧镒等[10]的植物数量性状遗传体系DH群体共20种遗传模型及混合分布方法，根据极大似然法和IECM算法估计混合分布的有关成分分布参数，在不同成分分布个数条件下计算模型的极大对数似然函数值和AIC值，依据AIC值最小准则确定最适模型，即以AIC值最小的模型为最适模型，同时对最适模型进行适合性检验，即均匀性检验（U12、U22、U32、nW2和Dn），在最适遗传模型下进行基因效应值及遗传参数估计。计算模型由章元明教授提供。采用DPS 17.10进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 授粉穗与开放穗结实株率对比

由表2可以看出，DH系群体比自交系群体授粉率高19.41个百分点，结实株率高10.05个百分点，说明2个群体遗传基础差异极显著，应该与材料来源和属性[11-12]等有关。

表2 2个群体单倍体自交结实株率Table 2 Percentage of haploid self seeding plants of two populations

由表3可以看出，DH系群体开放穗结实株率为100%，自交系群体开放穗结实株率为75%，分别高于授粉结实株率55.37%和59.58%；DH系群体开放穗平均穗粒数为18.40粒，自交系群体开放穗平均穗粒数为3.74粒，分别高于自交结实穗平均穗粒数14.21和3.21粒，说明花丝接受花粉能力无障碍。超过50%的授粉株不结实，是由于花粉无结实力；自交穗粒数少且不等，是由于单倍体株间花粉结实力存在差异。自交系群体开放穗粒数不符合正态分布，是有粉株率低导致的。2个授粉群体结实穗粒数均不符合正态分布，说明株间花粉结实力基因效应存在差异。

表3 开放穗与自交穗的特征值Table 3 Characteristic values of open ear and selfing ear

2.2 结实穗粒数遗传模型

将2个群体自交结实穗的粒数（15D752×15D435：191穗；PH6WC×29：319穗）分别代入 DH模型，进行运算分析，由表4可以看出，在20种DH模型中，DH系群体最小AIC值为6421.9120，其花粉结实力模型为4MG-AI，即4对主效基因加性效应和上位性效应模型；自交系群体最小AIC值为6509.2943，其花粉结实力模型为4MG-AI，即4对主效基因加性效应和上位性效应模型。

2.3 模型适合性检验

对2个群体最适模型的5个统计量显著性分析得出（表5），2个群体均U12显著，U22和U32极显著。根据章元明教授审阅候选模型适合性检验类似结果[13]，表明该模型是有意义的。

表5 最适模型适合性检验Table 5 Test for goodness of optimal models

2.4 遗传参数估计值

由表6可以看出，DH系群体4对主效基因加性效应值、上位性效应值及遗传力均高于自交系群体，m高40.02%，da高54.91%，db高31.09%，dc高 47.16%，dd高 29.75%，iab高31.09%，iac高 47.16%，iad高 29.75%，ibc高 19.58%，ibd高30.85%，icd高18.27%，h2mg高12.18%。源于DH群体主效基因累加了更多的微效基因，结实效应显著增强。

表6 遗传参数估计值Table 6 Estimate values of genetic parameters

2.5 穗粒数分布参数估计值

根据表6的遗传参数估计值，分别计算DH系群体和自交系群体自交结实穗粒数16种纯合基因型分布参数估计值（表7、8），具体计算方法详见参考文献[10]，例如：基因型aaBBCCDD=m-da+db+dc+dd−iab−iac−iad+ibc+ibd+icd=10.11（表 7）。基因型效应值＜0或＜1穗粒数为0；1＜基因型效应值＜2穗粒数为1，穗粒数分布按此规则进行基因型归类。

表7 15D752×15D435群体16种基因型的穗粒数分布Table 7 Distribution of sixteen genotypes of ear seed number from 15D752×15D435 population

表8 PH6WC×29群体16种基因型的穗粒数分布Table 8 Distribution of sixteen genotypes of ear seed number from PH6WC×29 population

由表7可以看出，DH系群体结实穗粒数分布参数为7个。0粒有9个基因型，占56.25%；5和9粒各有1个基因型，各占6.25%；10粒有2个基因型，占12.50%；15、16和36粒各有1个基因型，各占6.25%。

由表8可以看出，自交系群体结实穗粒数分布参数为5个。0粒有10个基因型，占62.50%；6粒有1个基因型，占6.25%；7粒有3个基因型，占18.75%；8粒和22粒各有1个基因型，各占6.25%。

2个群体结实穗粒数分布参数对比可以看出，DH系群体比自交系群体多2个，且结实穗粒数多的基因型占比较大。

3 讨论

单倍体育种关键因素是自交结实株率低，其根本问题是花粉结实力低。单倍体育种自然加倍自交结实穗数规模至少不低于70～80穗[7]，只有大群体，才能为选择提供可能，为性状遗传研究提供可靠基础。曾对2014-2019年度76份杂交F1的自然加倍单倍体自交结实株率进行研究[9]（SS：瑞德种质35份；NSS：兰卡斯特、黄早四和旅系种质41份；总计单倍体株数121233株，自交结实穗4244个），SS和NSS类群单倍体自交结实株率无显著差异，均有高有低，SS类群最高为14.0%（通852×PH6WC），较低的为 0.6%（PH6WC×29）；NSS类群最高为14.7%（PH4CV×A6）。由于种质改良过程中添加了大量外来成分（国内种质雄穗分枝多，花粉量大；国外种质雄穗分枝少，花粉量足），导致材料间自交结实株率差异大小不一，模糊性强，难以归类溯源，没有确切解释，均归为遗传背景和材料属性等。该研究支持了一些研究探讨结果，如DH系杂交F1的单倍体自交结实株率高[11]，红轴材料的单倍体结实性优势效应[12]。同时也发现以雄穗分枝过少材料（PH6WC：花粉量小）为母本杂交（同类群）F1的单倍体自交结实株率特别低，而以雄穗分枝较多材料（花粉量大）为母本（同类群）杂交F1的单倍体自交结实株率比较高。为此，本研究根据自交结实株率高低，选用2个极端杂交F1材料 15D752×15D435（红轴）和 PH6WC×29（白轴）合理设计试验规模。

本研究表明，DH系群体授粉率（24.15%）比自交系群体（4.74%）高19.41个百分点，结实株率（10.78%）比自交系群体（0.73%）高10.05个百分点，差异极显著，原因在于：从表观方面看，DH系群体授粉时，成熟花药比较多，多数是一抖雄穗花粉就落下，花粉量大，具有结实力的花粉就多，使自交结实株率高；而自交系群体成熟花药比较少，多数是用刀片切压才有粉，花粉量不大，具有结实力的花粉就少，导致自交结实株率低。从遗传基础方面看，首先是父本系（NSS）和母本系（SS）育种目标有差异，除高配合力外，父本系花粉量充足是首选要素，而母本系不予考虑，在长期分类群杂交改良选育选择中，父本系在花粉量充足的同时也累加了更多优良花粉结实性基因，提高了花粉质量，其次是DH系群体自交结实株率比来源材料降低3.92%，仍然表现高自交结实株率，一定程度上支持了以往研究结果[11-13]。自交系群体自交结实株率比过去高0.13%，基本稳定。

DH系群体平均穗粒数比自交系群体高40.02%，4对主效基因加性效应值高29.75%～54.91%，6个上位性效应值高18.27%～47.16%，主效基因遗传力高12.18%，是由于DH系群体遗传选择和红轴性状优势效应等因素，4对主效基因累加了更多微效基因，使得主效基因加性效应值变大，上位性效应值变大，花粉结实力极显著增强，遗传力极显著提高。由于花粉结实力是由4对主效基因加性效应和上位性效应控制，单倍体授粉群体等比例存在16种花粉结实力基因型，经基因型花粉结实力效应值计算分类，DH系群体穗粒数分布参数为7个，自交系群体为5个。

本研究对于育种重要意义在于：在选择高配合力DH系的同时，无论是父本系还是母本系，均要追溯其结实穗粒数基因型，参考选择结实穗粒数多的基因型（如AABBCCDD），确保杂交F1花粉结实力基因效应最大化，最大程度规避极端气候，达到高产稳产目的，同时也确保玉米制种的产量水平。

4 结论

利用2份单倍体自然加倍自交结实穗容量较大群体，对结实穗粒数进行了DH遗传模型分析。得出自交结实穗粒数是由4对主效基因加性效应和上位性效应决定，主效基因遗传力分别为95.85%和83.67%，自交结实穗粒数分布参数分别为7和5个。