玉米父本DH 材料单倍体自然加倍花粉结实力的遗传研究

马艺文 李忠南 王越人 相 洋 曲海涛 邬生辉 谭 倬 王 纯 魏 强 罗 瑶 李光发

(1.通化市农业科学研究院 吉林梅河口 135007；2.吉林省农业技术推广总站 吉林长春 130033；3.吉林省通化市种子管理站 吉林通化 134000）

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，尤其杂交种父本更为重要。 玉米花粉属于三核型，花粉生活力一般在离体2 h 内最为旺盛，24 h 后几乎完全丧失，在高温 32～35℃条件下，玉米花粉寿命极短，离体花粉1 h 后便失水干瘪失去活力。 杂交种花粉的耐热性强于自交系，而自交系之间有差异[1-5]。

自参加吉林省“双十工程”科技攻关项目“玉米单倍体规模化育种技术与新品种选育”以来，按照玉米杂交诱导单倍体生殖（单倍体）选育自交系技术规范[6]，持续践行玉米单倍体育种工作10 余年。 研究结果表明， 红轴父本系材料单倍体自然加倍自交结实株率明显处于高位[7]，最高为14.66%[8]。花粉结实力由4 对主基因加性效应和上位性效应决定[9]。

本研究以2020 年、2021 年海南单倍体结实株率最高的材料D1279×D752 （D1279 植物新品种权号：CNA20170444.1；D752 植物新品种权申请号：20191005331）为试验对象，进行单倍体自然加倍花粉结实力遗传问题的再研究， 以期为玉米单倍体遗传育种工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以 D1279×D752 组配的 DH 系杂交 F1为供试材料。 D1279 为通育 189 的父本 （审定编号： 蒙审玉2020014），已经完成国家东华北中早熟组区域试验和生产试验[10]，符合国家审定标准。D752 为通育186 的父本[11]（2022 年吉林省区域试验晚熟组[12]）。种质来源及特征见表1。

表1 DH 系种质来源及特征

1.2 田间设计

2020 年在通化市农业科学研究院试验基地，以2 份DH 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。 2020 年9 月15 日开始挑选准单倍体粒，共获得2 万余粒。 11 月3 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 1 m、 行长 61 m、 株距 10 cm， 单粒播种， 播种 2 440 粒，共播种 4 行。 苗期开始去杂，12 月 10 日开始套雌穗袋，12 月16 日对单倍体雄穗有粉株进行自交授粉，12 月25 日授粉结束。 查数单倍体株数和授粉株数。 2021 年2 月10 日收获，查数自交结实穗粒数。

2021 年11 月10 日， 在海南三亚南滨农场通化市农业科学研究院试验基地， 播种准单倍体粒10 500 粒， 行长 70 m， 共播种 15 行， 授粉期在2021 年 12 月 27 日至 2022 年 1 月 5 日。 其他类同。

1.3 统计方法

按照盖钧镒等主编的植物数量性状遗传体系DH 群体遗传模型及混合分布方法[13]，根据极大似然法和迭代期望与条件极大化算法（IECM），对混合分布有关成分分布参数做出估计， 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Akaike's 信息标准（AIC 值），依据 AIC 值最小准则确定最适模型，即以AIC 值最小模型为最适模型，同时对最适模型进行适合性检验（U12、U22、U32、nW2、Dn），并进行基因效应值及遗传参数估计。 计算模型参考章元明IECM 算法，数据分析采用DPS 17.10[14]分析软件。

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%； 自交结实株率=结实株数（穗）/单倍体株数×100%。

2 结果与分析

2.1 自交结实株率与穗粒数统计参数

表2 列出了2020 年、2021 年单倍体株数及结实株数等。 从表2 可以看出，2 年单倍体自交结实穗数分别为180 穗和1 360 穗； 自交结实株率分别为17.11%和15.53%，相差1.58%；授粉结实株率分别为56.25%和82.93%。自交结实株率高于过去所有材料，授粉结实株率较高，2020 年、2021 年分别为56.25%、82.93%，说明花粉结实力强。

表2 2020 年、2021 年单倍体自交结实株率

表3 列出了2020 年、2021 年自交穗粒数统计参数。 从表3 可以看出，2 年自交穗粒数平均值分别为10.57 粒、12.96 粒， 变 异 系 数 分别为 137.96%、90.58%。 2 年群体结实穗粒数均不符合正态分布（P＜0.05），说明结实株间穗粒数差异较大，主基因效应明显。

表3 DH 世代单倍体自交穗粒数统计参数

2.2 结实穗粒数遗传模型及适合性检验

将2020 年、2021 年群体自交结实穗粒数分别代入DH 模型进行运算分析，结果见表4。 在20 种遗传模型中，AIC 值最小的为最适模型。可以看出2020 年为 3 对主基因加、 上 （加性、 上位性。 下同） 模型（3MG-AI，AIC 值：10 837.5910），2021 年为 4 对主基因加、上模型（4MG-AI，AIC 值：14 632.298 8）。 2 年遗传模型不同可能是由于气候因素所造成的。

表4 2 个群体自交结实穗粒数20 种遗传模型的AIC 值

表5 列出2 年群体最适模型5 个统计量的显著性。 3MG-AI 模型有 3 个统计量极显著，4MG-AI 模型有2 个统计量显著。 比较统计量显著性，4MG-AI模型应优于3MG-AI。根据章元明教授审阅候选模型适合性检验类似结果[15]表明2 种模型均有意义。

表5 最适模型适合性检验

2.3 遗传参数估计值

表6 列出了2 种最适模型一阶、 二阶遗传参数估计值。 由一阶参数可以看出，3MG-AI 的m值比4MG-AI 小 7.7 831，3 对主基因加性效应、 上位性效应值均为4.763 1， 而4MG-AI 的4 对主基因加性效应值为 2.3240～9.009 8， 上位性效应值为 2.272 1～6.760 7。 由二阶参数可以看出，3MG-AI 的遗传力为64.85%，4MG-AI 的遗传力为92.20%。 说明单倍体花粉结实力高低也受气候影响，2020 年花粉结实能力偏低，导致结实穗粒数偏少；2021 年花粉结实能力与已往研究结果基本一致[9]。

表6 遗传参数估计值

2.4 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2020 年、2021 年8 种和16 种纯合基因型理论穗粒数分布参数估计值（表7、表8），具体计算方法详见盖钧镒[13]著录中所述。

例如：基因型aaBBCC=m-da+db+dc-iab-iac+ibc-iabc=0.45（表 7）；基因型 aaBBCCDD=m-da+db+dc+dd-iab-iaciad+ibc+ibd+icd=20.24（表 8）。 基因型效应值＜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。

从表7 可以看出，3MG-AI 模型穗粒数理论分布为 2 类，1 类是 38 粒， 基因型为 AABBCC；2 类占7 个基因型。 主要是该年花粉结实遗传力为64.85%，自交授粉结实粒数显著降低， 导致穗粒数理论分布类群减少及遗传模型主基因减少1 对。 该年群体1 粒穗有39 穗，占总穗数的21.67%，这应该是由于极端低温导致多粒基因型表达为1 粒， 从育种角度看优良DH 系选择效率更高。

表7 3MG-AI 遗传模型8 种基因型的穗粒数分布

从表8 可以看出，4MG-AI 模型穗粒数理论分布有 8 类，1 粒有 8 种基因型；10 粒有 2 种基因型；11 粒、18 粒、20 粒、28 粒、38 粒、56 粒各有 1 种基因型。 56 粒基因型为AABBCCDD。 该年度群体1 粒穗有98 穗，占总穗数比例为7.21%。这与以往的研究结果基本一致。

表8 4MG-AI 遗传模型16 种基因型的穗粒数分布

3 讨论与结论

3.1 讨论

单倍体雄穗加倍率低是玉米单倍体育种的瓶颈。 本地自然加倍育种效率低（自交结实株率低），海南省三亚市崖州等地由于独特的气候条件，成为玉米单倍体自然加倍的理想场所。 ①D1279 （B20×PH4CV）：2012 年冬，单倍体株数 183 株，自交结实穗22 穗，自交结实株率12.02%，平均穗粒数13 粒，育种效率4.55%。 ②D752（PH4CV×A6）:2014 年冬，单倍体株数5 908 株，自交结实穗866 穗，自交结实株率14.66%，平均穗粒数26 粒，选择出综合性状较好的DH 系336 份进行配合力测定，决选出D752，育种效率0.12%[8,11-12]。 父本改良取得良好效果。

2020 年、2021 年（D1279×D752）单倍体自交结实株率分别为17.11%、15.53%，比其来源群体单倍体自交结实株率高0.87%～5.09%。 说明父本材料单倍体自然加倍自交结实株率代际间高位稳定遗传。 其重要育种意义在于能够合理规划海南父本材料单倍体种植规模，单倍体自交穗在200 穗以上即可，重点选择多结实粒穗DH 系，从而提高父本系育种效率。 而白轴、硬粒、雄穗分枝少的母本材料由于自交结实株率较低， 采取扩大海南单倍体种植规模或本地化学加倍方式更为合理。

2020 年穗粒数遗传模型为3MG-AI， 花粉结实遗传力为64.85%，主要是由于授粉期间（10 d）崖州区平均最高温度 24.1℃（21～27℃）， 平均最低温度17.1℃（14～19℃），其中凌晨最低温度 14℃出现 1 次、15℃出现1 次、16℃出现2 次， 严重影响单倍体花粉完熟发育，从而导致花粉结实遗传力极显著降低，穗粒数理论分布为2 个，遗传模型为3 对主基因加性、上位性效应模型， 但并没有影响单倍体自交结实株率。 这是极端气候条件下的个例，可能提供了获得优良耐低温父本DH 系的机会，育种效率会更高，这有待于进一步研究。

3.2 结论

通过本研究得出，2020 年、2021 年 D1279×D752单倍体自交结实株率分别为17.11%、15.53%；穗粒数遗传模型分别为3MG-AI、4MG-AI； 遗传力分别为64.85%、92.20%；理论穗粒数分布群分别为2个、8个。