溫?zé)嵊衩譚 32/齊319 F2∶3家系光周期敏感性分析

劉 穎， 吳 迅， 郭向陽， 何 兵， 王安貴， 劉鵬飛，高 媛， 涂 亮， 祝云芳， 陳澤輝

(1.貴州大學(xué)農(nóng)學(xué)院， 貴陽 550025； 2.貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱糧研究所， 貴陽 550006)

20世紀(jì)20年代，Garner 和 Allard 將Maryland Mammoth(一個煙草變種)南種北移時發(fā)現(xiàn)，短日照是這種煙草開花的關(guān)鍵條件，發(fā)現(xiàn)植物開花與日照長度有關(guān)，將植物通過感受日照長度長短變化而抑制開花的現(xiàn)象稱為光周期現(xiàn)象[1]。植物對光周期現(xiàn)象反應(yīng)的敏感程度稱為光周期敏感性。熱帶或亞熱帶種質(zhì)具有適應(yīng)性廣、抗性好、品質(zhì)優(yōu)良等優(yōu)點。在現(xiàn)代育種中，引進(jìn)熱帶、亞熱帶種質(zhì)并進(jìn)行馴化和改良，已經(jīng)成為解決當(dāng)前種質(zhì)基礎(chǔ)狹窄問題的有效途徑之一。熱帶、亞熱帶玉米種質(zhì)資源的引進(jìn)和利用，有助于進(jìn)一步發(fā)掘新的雜種優(yōu)勢類群和雜種優(yōu)勢模式，提高雜種優(yōu)勢利用水平[2]。玉米是一種短日照作物，溫帶玉米在很大程度上對日長反應(yīng)不敏感，而熱帶玉米種質(zhì)通常對日長的變化反應(yīng)較為敏感[3]。陳彥惠等對熱帶玉米抽雄期、散粉期、吐絲期、株高、穗位高等性狀的遺傳分析表明，熱帶種質(zhì)在溫帶條件下表現(xiàn)出明顯的光周期敏感性[4]。此外，王鐵固等利用玉米自交系黃早四和CML 288進(jìn)行長短日照相互挪移處理，觀察玉米莖尖的形態(tài)變化，通過對玉米的全株葉片數(shù)、生育期等性狀進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，長日照能抑制玉米莖端分生組織向生殖生長轉(zhuǎn)化，抑制開花，增加玉米的主莖葉片數(shù)，延長玉米的生育期[5]。王翠玲等利用永久F2群體在不同光周期環(huán)境下對玉米株高進(jìn)行QTL定位，結(jié)果表明，隨著緯度、光照長度的增加，群體間的株高表現(xiàn)出顯著差異[6]。庫麗霞等在長日照環(huán)境條件下對以溫帶自交系黃早四和熱帶自交系 CML 288 為親本配置的組合衍生的一套 207個重組自交系不同發(fā)育時期的主莖葉片數(shù)、株高變化進(jìn)行QTL分析，結(jié)果表明，黃早四和CML 288間的主莖葉片數(shù)和株高差異很大[7]。因此，熱帶或亞熱帶玉米種質(zhì)引入溫帶地區(qū)時，隨著緯度和光照長度的增加，往往表現(xiàn)出光周期敏感性強(qiáng)，即營養(yǎng)生長旺盛，莖節(jié)數(shù)和葉片數(shù)增多，生殖生長受到抑制，抽雄期、散粉期、吐絲期延遲，晚熟，雌雄不協(xié)調(diào)，甚至不能正常結(jié)實等明顯的不適應(yīng)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響其在育種實踐中的應(yīng)用。由此可見，玉米光周期敏感性已經(jīng)嚴(yán)重限制了熱帶種質(zhì)在溫帶地區(qū)的引用，研究玉米光周期敏感性及鈍化玉米光周期敏感性對現(xiàn)代玉米育種的改良具有重要意義。

本研究以對光周期敏感的熱帶自交系T 32(母本)和鈍感的溫帶自交系齊319(父本)為親本，通過雜交、自交獲得150份F2∶3家系為材料，在不同光照環(huán)境(貴州貴陽和甘肅張掖)條件下對抽雄期、散粉期、吐絲期、株高、穗位高、葉片數(shù)等6個光敏相關(guān)性狀進(jìn)行田間表型評價，研究不同性狀間變異方向以及相互關(guān)系，為今后培育高光效玉米種質(zhì)提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究以熱帶來源的玉米骨干自交系T 32(母本)和溫帶核心玉米自交系齊319(父本)為親本(表1)，構(gòu)建的包含150份“T 32×齊319”的家系為材料。其中，自交系T 32是貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院旱糧研究所通過從泰國引進(jìn)的自交系中選擇變異株選育而成的[8]，該自交系具有抗病性好、籽粒品質(zhì)優(yōu)、產(chǎn)量高等優(yōu)勢，但也存在長光照條件下表現(xiàn)出生育期長、莖節(jié)數(shù)和葉片數(shù)增多、雌雄不協(xié)調(diào)、不能正常結(jié)實的缺點，屬于典型的光周期敏感的玉米自交系。齊319是山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所利用美國先鋒公司選育的玉米雜交種PN 78599，經(jīng)多代自交選育而成[9]，該自交系具有持綠性好，高抗病性，但在南方生態(tài)區(qū)的抗病性差，光周期鈍感的特點。

2017年春，在貴州貴陽(26.33°N，106.64°E)以T 32作母本，齊319作父本，通過雜交獲得F1種子。2017年冬，在海南九所(18.26°N，108.54°E)播種F1，套袋自交獲得F2單穗種子，2018年春采用單籽粒法構(gòu)建 150個F2∶3家系，即為本研究的供試材料。

1.2 試驗方法

2019年春，將150份F2∶3家系分別種于貴州省貴陽市(緯度為26.57°N、海拔為1 200 m、平均日長為13.3 h)與甘肅省張掖市(緯度為38.93 °N、海拔2 400 m、平均日長為14.2 h)。試驗采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，2次重復(fù)，單行區(qū)，行長3.5 m，行距70 cm，過道50 cm，每行14株。田間調(diào)查以小區(qū)為單位，共調(diào)查抽雄期(d)、散粉期(d)、吐絲期(d)、株高(cm)、穗位高(cm)、葉片數(shù)(片)等6個農(nóng)藝性狀，參考石云素等[10]的方法進(jìn)行，即在灌漿期，每行從第2株開始連續(xù)選取5株。

1.3 統(tǒng)計分析方法

數(shù)據(jù)的初步整理利用Excel 2016軟件進(jìn)行，統(tǒng)計F2∶3家系各性狀平均值和變異范圍，對2點6個性狀進(jìn)行方差分析。用SPSS 26.0軟件對2個環(huán)境F2∶3家系各性狀作相關(guān)性分析、正態(tài)分布檢測(包括峰度、偏度等參數(shù))。

1.4 光周期敏感性評價

評價玉米光周期敏感性的指標(biāo)不一，有研究認(rèn)為，抽雄期、散粉期、吐絲期、株高、穗位高、全株葉片數(shù)等相關(guān)性狀均能較好的反映出玉米光周期敏感性，并以這些相關(guān)性狀作為光周期敏感性的評價指標(biāo)[11-12]。為了使指標(biāo)量化，張鳳路等[13]利用敏感性指數(shù)=(某種質(zhì)在長光下的觀測值/ck 種質(zhì)在長光下的觀測值)×(某種質(zhì)的敏感性系數(shù)/ck 種質(zhì)的敏感性系數(shù)) ，即敏感指數(shù)=某性狀在自然光照條件下的觀測值/該性狀在長光照條件下的觀測值?；蛘哂媚承誀钤陂L、短日照條件下的相對差值(Relative differences，RD)來估算某一材料某一性狀的光周期敏感指數(shù)[14-16]。計算公式如下：

RD(%)=[(Li-Si)/Si]×100%

其中：Li表示某一材料某一性狀在長日照條件下表現(xiàn)的平均值，Si表示某一材料某一性狀在短日照條件下表現(xiàn)的平均值。為了使家系間的光周期敏感指數(shù)能夠進(jìn)一步量化，同一個材料的每個光敏相關(guān)性狀的RD值相加求和[17]，即：RDs=∑ |RD| 。

2 結(jié)果與分析

2.1 兩親本間的差異分析及各個性狀RD值

通過對2個親本的差異分析可知，齊319在短光(貴陽)和長光(張掖)條件下株高、穗位高、葉片數(shù)均值無太大變化，T 32的株高、穗位高、葉片數(shù)最大值、最小值、均值在短光(貴陽)條件下均遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于長光(張掖)條件下(圖1)。

圖1 不同環(huán)境條件下光敏系數(shù)比較

從表2可知，6個光敏相關(guān)性狀的敏感程度為：穗位高>吐絲期>抽雄期>散粉期>株高>葉片數(shù)。

表2 F2∶3家系中6個光敏性狀的RD值

2.2 F2∶3家系各性狀方差分析和群體內(nèi)家系的正態(tài)性檢測

F2∶3家系各性狀方差分析和群體內(nèi)家系的正態(tài)性檢測結(jié)果列于表3，結(jié)果顯示，貴陽、張掖2個環(huán)境的抽雄期、散粉期、吐絲期、株高、穗位高、葉片數(shù)在家系之間的F值均達(dá)到極顯著水平。表明150個家系間存在真實的遺傳差異，可做進(jìn)一步遺傳分析。

表3 光敏相關(guān)性狀分析

2個環(huán)境下F2∶3家系各性狀偏度、峰度絕對值均小于2，且變異系數(shù)有較大幅度的變化，表現(xiàn)出數(shù)量性狀遺傳正態(tài)分布的典型特征。

2.3 光敏相關(guān)性狀的頻率分布

從頻率分布圖可以看出，總體變數(shù)比較集中，短光照(貴陽)的株高和穗位高的峰度大于1，相對于其他幾個性狀而言，分布比較陡峭，峰態(tài)明顯，其他幾個性狀分布比較平緩；長光照(甘肅)的6個性狀峰度均小于1，分布都比較平緩。

圖2 短日照條件下的光敏相關(guān)性狀分布

2.4 光敏相關(guān)性狀在不同光長條件下的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果顯示，短日照條件下，F(xiàn)2∶3家系間的葉片數(shù)與株高、穗位高的相關(guān)性不顯著，其余的光敏性狀之間的相關(guān)性表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)和顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。

在長日照條件下，F(xiàn)2∶3家系的6個光敏相關(guān)性狀之間都是正相關(guān)的關(guān)系，除了抽雄期與株高之間的差異不呈現(xiàn)顯著性以外，其他的光敏性狀之間都呈現(xiàn)出極顯著正相關(guān)(表4)。

表4 光敏相關(guān)性狀的相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

本研究顯示，光敏相關(guān)性狀在不同光長環(huán)境條件下均呈現(xiàn)極顯著差異。說明熱帶、亞熱帶種質(zhì)引種到溫帶后，延長日照數(shù)會導(dǎo)致玉米開花期延遲，雌雄不協(xié)調(diào)、營養(yǎng)生長旺盛，葉片數(shù)增加，晚熟，經(jīng)濟(jì)系數(shù)低，該結(jié)果與馮芬芬等[18]的報道相一致。無論是在張掖還是貴陽，穗位高的變異程度在6個光敏相關(guān)性狀中均最大，變異系數(shù)分別為23%和22%，大于株高的16%和12%，說明穗位高的光周期敏感程度高于株高。2個光長環(huán)境下的6個光敏相關(guān)性狀均呈現(xiàn)出連續(xù)性的正態(tài)分布，符合數(shù)量遺傳的特征。同時，抽雄期、散粉期、吐絲期在2個光長環(huán)境下都表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)關(guān)系；隨著光照長度的增加，生育期與葉片數(shù)有顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.459，說明生育期越長，葉片數(shù)越多，這與馮鑄[19]對玉米葉片數(shù)和生育期的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行的研究分析結(jié)果相一致；株高與穗位高在不同光長環(huán)境下均表現(xiàn)出顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.644和0.769，反映了株高越高，穗位越高的關(guān)系，與趙強(qiáng)等[20]的研究一致。

圖3 長日照條件下的光敏相關(guān)性狀分布

綜上所述，理想的玉米生育期作為玉米育種的主要目標(biāo)之一[21]，抽雄期、散粉期、吐絲期是3個最重要的生育時期指標(biāo)[22]，生育期性狀選擇的好壞直接決定了育種目標(biāo)能否實現(xiàn)。在不同緯度和海拔，應(yīng)選擇生育期長短適宜的品種；合理調(diào)整制種材料(父本和母本)的播期，可以使雌雄花期錯開或者雌雄花相遇，提高結(jié)實率，增加制種產(chǎn)量[23]。通過對光敏系數(shù)的分析可以看出，不同光敏相關(guān)性狀對光周期敏感程度是有差異的，生育期性狀的光周期敏感程度表現(xiàn)為：吐絲期>抽雄期>散粉期；株型性狀的光周期敏感性程度表現(xiàn)為：穗位高>株高>葉片數(shù)。郭國亮等[24]對熱帶Suwan玉米群體遺傳變異的研究表明，生育期性狀對光周期敏感程度為：抽雄至吐絲>散粉至吐絲>抽雄至散粉>吐絲期>散粉期>抽雄期；株型性狀對光周期敏感程度為：穗位高>穗位系數(shù)>穗位葉面積>穗上葉面積>葉片數(shù)>雄穗分枝數(shù)>株高。陳彥惠等[17]對CIMMYT種質(zhì)群體的不同性狀的光周期敏感程度進(jìn)行研究分析得出：ASI(雌雄穗開花間隔時間)>雄穗分枝數(shù)>穗位高>棒3葉葉面積>吐絲>葉片數(shù)>抽雄>散粉>株高>雄穗長度>莖粗。本研究通過對F2∶3家系的表型性狀分析可以看出，株高和穗位高受環(huán)境的影響顯著，這與何文昭[25]、許瑩瑩等[26]研究結(jié)果相同，株高和穗位高是決定玉米倒伏性、造成玉米減產(chǎn)的重要因素之一[27]，李清超等[28]對株高、穗位高的QTL定位進(jìn)行了挖掘，李凱等[27]利用穗位高系數(shù)對株高和穗位高進(jìn)行闡述，一般認(rèn)為，穗位高系數(shù)約等于2，即穗位高占株高的1/2。也有研究表明，穗位高系數(shù)與穗長、行粒數(shù)、千粒重、產(chǎn)量、穗長、行粒數(shù)、千粒重相關(guān)，可作為高產(chǎn)玉米雜交種的選育指標(biāo)[29]。隨著光照長度的增加，生育期與葉片有顯著的正相關(guān)關(guān)系。大多數(shù)玉米品種隨著光長增加，使雄穗延遲出現(xiàn)，開花期的延長，從而導(dǎo)致了葉片數(shù)的增加[30]。因此，在拓寬熱帶、亞熱帶種質(zhì)與溫帶種質(zhì)的育種工作中，要把生育期、株高、穗位高以及葉片數(shù)作為種質(zhì)改良的重點指標(biāo)，進(jìn)一步提高熱帶、亞熱帶種質(zhì)與溫帶種質(zhì)利用，培育高光效玉米種質(zhì)。