快中子誘變突變體的表型鑒定及配合力效應分析

劉忠祥, 楊彥忠, 王曉娟, 連曉榮, 周文期, 何海軍,周玉乾, 寇思榮

(甘肅省農業科學院作物研究所, 蘭州 730070)

突變體是進行基因功能研究的優異材料。輻射誘變育種技術是常規育種的重要補充，利用其可以創制出新材料、新種質。因此，利用物理及化學誘變，創制新的變異材料，既可以為作物遺傳育種提供基礎材料，也對開展突變基因定位、克隆、功能解析、抗逆性機制研究及配合力效應分析等具有重要意義。目前，國內外利用輻射誘變技術取得成效的主要有X射線、γ射線、中子、離子束及多種因素結合的空間誘變[1]。根據FAO/ IAEA(聯合國糧農組織/國際原子能機構)的突變品種數據庫(http://mvgs.Iaea.org/)統計，截至2016年5月，世界上60多個國家在214種植物上利用誘發突變技術育成和推廣了超過3 200個品種，一批有影響力的農作物突變品種和一批優異種質資源在農業生產和品種改良方面得到利用[1-2]。20世紀70年代以來，我國利用γ射線等誘變技術在玉米上育成了原武02、原輻17、丹340、丹360、輻746、魯原92等自交系，組配了掖單13、魯單5號、魯單50等魯單系列雜交種，推動了玉米生產發展[3-5]。中子不帶電荷，通過與物質相互作用產生次級電子使物質電離。中子穿透能力較強，與X射線、γ射線、紫外線相比，有更高的輻射誘變率和更寬的變異譜[6-7]。近年來，國內外學者利用快中子輻照已在豌豆[8]、玉米[9-10]、小豆[11]、紫花苜蓿[12]、花生[13]、棉花[14]、水稻[15]和小麥[16]等多種植物中獲得了各具特色的突變體。

課題組前期研究中通過252CF裂變快中子源輻射誘變鑒定篩選得到黃綠葉突變體fu17138、fu18398和fu18362，葉片皺縮、葉夾角減小突變體fu1603，矮稈、低穗位突變體fu18312和fu18321，這些突變體的獲得為種質創新、品種改良、基因克隆及其功能分析創造了良好的基礎材料，也為育種應用提供了有價值的種質資源。本研究以昌7-2、Mo17、B73、LY0986和LY1621為測驗種父本(P1)，以6個突變體fu18312、fu1603、fu17138、fu18321、fu18398和fu18362為被測系母本(P2)，采用NCII設計(不完全雙列雜交組合設計)，對其11個農藝性狀的配合力進行分析，評價6個突變體的一般配合力、特殊配合力效應及育種利用價值，為品種選育奠定了種質基礎，為快中子誘變突變體的進一步改良和利用提供了理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以昌7-2(引進鄭單958父本、黃改系)、Mo17(美國引進、Lancaster種群)、B73(美國引進、Reid種群)、LY0986(自育Lancaster種群)和LY1621(自育Reid種群)為測驗種父本(P1)，快中子誘變創制的突變體fu18312、fu1603、fu17138、fu18321、fu18398和fu18362為被測系母本(P2)。其中fu18312、fu18321、fu1603和fu18398是甘肅農業科學院作物研究所利用252CF裂變快中子源輻射誘變自交系LY8405選擇培育而成，fu17138和fu18362是利用252CF裂變快中子源輻射誘變玉米自交系PH6WC分離得到。fu18312和fu18321表現為低穗位、矮稈特性；fu1603表現為葉片皺縮、葉夾角減小特性；fu18398、fu17138和fu18362表現為黃綠葉特性。

1.2 試驗方法

試驗按 NCII設計方法[17-18]，2017年將6個母本和5個父本組配成30個(6×5)雜交組合，于2018—2019年播種于甘肅省農業科學院張掖試驗基地。采用隨機區組排列，重復3次，行長5 m，行距0.5 m，株距0.2 m，種植密度為10×104株·hm-2，單行區，每小區取樣10株，調查株高、穗位、穗長、禿尖、穗粗、軸粗、雄穗分枝數、穗行數、行粒數、出籽率和單株粒重等11個性狀，以小區平均數為單位按不完全雙列雜交設計進行配合力效應統計分析。

NCII設計以固定模型計算親本的一般配合力(general combining ability，GCA)及組合的特殊配合力(special combining ability，SCA)的相對效應；隨機模型估算群體的遺傳力。計算公式如下。

(1)

(2)

(3)

(4)

1.3 數據處理與分析

采用Microsoft Excel 2010軟件進行試驗數據整理，DPSC數據處理系統進行統計分析和遺傳效應分析。

2 結果與分析

2.1 玉米快中子誘變突變體的表型鑒定

2.1.1玉米黃綠葉突變體fu17138的表型鑒定

與野生型PH6WC相比(圖1)，玉米黃綠葉突變體fu17138在第5葉期開始出現葉片或葉緣黃化的現象；株高和穗位高顯著降低；雄穗分枝數增多，由原來的0～1個增加為5～7個；植株能夠正常生長并結實，但穗長和穗粒數顯著減少。基因定位將葉片或葉緣黃化基因定位于玉米第3染色體(chr3: 173 087 201～182 203 992)約9.2 Mb的區間內[19]。

2.1.2玉米葉夾角突變體fu1603的表型鑒定

與野生型LY8405相比(圖2)，葉夾角突變體fu1603株型更加緊湊，葉片在5葉期以后出現皺縮卷曲，葉夾角減小，籽粒由馬齒型變為硬粒型。基因定位將控制葉夾角的基因定位于玉米第1染色體1.02 bin標記C1-18和C1-2之間(17 966 407～26 885 514)約9 Mb范圍內[20-21]。

2.1.3矮稈低穗位突變體fu18312的表型鑒定

野生型LY8405的株高為256.6 cm，穗位高70.7 cm；而矮稈低穗位突變體fu18312的株高僅140.6 cm，穗位高27.1 cm，顯著低于野生型(圖3A、B和C)；果穗變小、籽粒由馬齒型變為硬粒型(圖3D和E)。

A：拔節期；B：籽粒；C：成株期；D：雄穗；E：果穗。A: Jointing stage; B: Grain; C: Adult stage; D: Male spike; E: Ear.圖1 玉米黃綠葉突變體fu17138的表型Fig.1 Phenotype of maize yellow green leaf mutant fu17138

A: 拔節期；B: 成株期；C: 籽粒。A: Jointing stage; B: Adult stage; C: Grain.圖2 玉米葉夾角突變體fu1603表型Fig.2 Phenotype of maize leaf angle mutant fu1603

A：LY8405成株期；B：fu18312成株期；C：fu18312和LY8405成株期節間及穗位；D：籽粒；E：果穗；圖A/B中標尺=20 cm。A: Adult stage of LY8405; B: Adult stage of fu18312; C: Internodes and ear height of LY8405 and fu18312; D: Grain; E: Ear; Bars in A and B are 20 cm.圖3 矮稈低穗位突變體fu18312表型Fig.3 Phenotype of low spike mutant fu18312

2.2 突變體的配合力效應分析

2.2.1主要農藝性狀的方差分析 對組配的30個雜交組合11個農藝性狀進行方差分析，結果(表1)表明,區組間各性狀差異均未達到顯著水平；但組合間11個性狀差異均達到極顯著水平。親本一般配合力方差和親本間特殊配合力方差分析結果顯示，P1(父本)除穗軸粗差異不顯著外，其余性狀均達顯著或極顯著差異；P2(母本)除雄穗分枝數和禿尖長外，其余性狀均達到顯著或極顯著差異；而P1×P2除穗軸粗外，其余性狀均達顯著或極顯著差異。由此可見，這10個性狀的遺傳均受加性效應和非加性效應共同作用。

表1 各性狀的方差分析(均方值)Table 1 Analysis of variance for every trait

2.2.2供試材料11個性狀的一般配合力效應分析 不同親本11個性狀的GCA效應值有很大的差異(表2)。自交系昌7-2雄穗分枝數、穗位高、禿尖長和出籽率的GCA效應值分別為25.0、7.3、-50.67和2.76，利用其能增加F1的雄穗分枝數，增高穗位，減小禿尖長，提高封頂性和出籽率；自交系LY0986除穗位高和雄穗分枝數外，其余10個性狀的GCA效應值均為正值，其中穗長、穗行數、行粒數和單株產量的GCA效應值分別為15.44、5.04、12.78和21.16，利用其能夠提高F1的產量；Mo17和B73兩自交系多數性狀的GCA效應值為負效應；突變體fu18312僅雄穗分枝數、禿尖長和穗軸粗的GCA效應值為正向效應，其余性狀均為負向效應，且株高和穗位高的GCA效應值分別為-10.30和-18.20，表明fu18312具有顯著的降稈作用，抗倒伏能力強；突變體fu18321的GCA效應與fu18312類似；突變體fu1603僅穗長、軸粗和禿尖長的GCA為負效應，其余性狀均為正效應，利用其能夠使F1植株的株高和穗位高增加，穗粗、穗行數、行粒數、單株產量、雄穗分枝數、出籽率增多；突變體fu18398和fu18362的GCA效應與突變體fu1603的GCA效應基本一致；突變體fu17138在單株產量、穗長、行粒數、出籽率和穗位高的GCA效應值分別為15.29、3.48、22.64、4.48和2.84，能夠提高F1產量，利用其配制的雜交種豐產性較好。

表2 11個材料11個性狀的一般配合力效應值Table 2 Effect values of general combining ability for 11 characters of 11 materials

同一性狀不同親本的GCA值差異較大。如株高和穗位高，突變體fu18312和fu18321的GCA效應值表現為較高的負效應，能夠有效降低F1的株高和穗位高，提高雜交組合的抗倒伏性；而突變體fu1603和fu18398表現為較高的正效應。穗長方面，LY0986、fu17138和fu18398的GCA效應值較高，利用其能夠增加F1的果穗長度。行粒數方面，LY0986、fu1603、fu18398、fu18362和fu17138的GCA效應值有較高的正效應，利用其能夠增加F1的行粒數。單株產量方面，LY0986、fu17138、fu1603和fu18398的GCA效應值較高，在今后的高產育種中可重點加以利用。

2.2.3供試材料11個性狀的SCA效應分析 不同組合在某一性狀上或某一組合在不同性狀間的特殊配合力(SCA)存在很大的差異(表3)。30個組合中，單株產量SCA相對效應值較高的組合包括：LY0986×fu17138、昌7-2×fu18312、LY1621×fu18362、Mo17×fu18321、昌7-2×fu1603、B73×fu18321等。11個親本中，LY0986、昌7-2、LY1621、fu17138、fu18362、fu18398和fu1603的單株產量GCA效應值較高，利用它們組配雜交組合的SCA效應值也相對較高。穗行數SCA相對效應為正效應、且效應值較高的組合包括LY1621×fu1603、LY1621×fu18362、Mo17×fu18321和LY0986×fu17138；行粒數SCA相對效應為正向效應且效應值較高的組合有LY0986×fu17138、Mo17×fu18321和Mo17×fu1603；親本中，LY0986、fu18398和fu1603的株高GCA效應值較高，所配組合中以B73×fu1603、LY1621×fu18398和LY0986×fu18398的SCA相對效應值較高；穗位高SCA相對效應值低的包括：LY1621×fu18312、昌7-2×fu18321和LY0986×fu17138，表明突變體fu18312、fu18321和fu17138具有降低株高和穗位高的作用；穗長SCA相對效應值較高的組合包括B73×fu18398、Mo17×fu18362、LY1621×fu18362和Mo17×fu18312，雜交增加了F1穗長；禿尖長SCA相對效應值應越小越好，組合LY0986×fu17138、LY0986×fu18398、B73×fu18362、B73×fu1603和昌7-2×fu18362的禿尖長SCA相對效應較低。根據每一組合株高、穗位高、禿尖長特殊配合力的負向效應和其余各性狀特殊配合力的正向效應綜合評判，雜交組合LY0986×fu17138、昌7-2×fu18312、LY1621×fu18362、昌7-2×fu1603、B73×fu18321和LY1621×fu18398是比較優良的雜交組合。尤其組合LY0986×fu17138表現最為突出，可進一步擴大試驗規模，確定其在品種選育中的應用價值。

表3 30個組合的11個性狀特殊配合力效應值Table 3 Effect values of specific combining ability for 11 characters of 30 combinations

2.2.4雜交組合各性狀的遺傳參數估計 從表4看出，11個性狀的配合力方差除雄穗分枝數和禿尖長外，其余9個性狀的加性方差均在80%以上，說明F1雜種優勢主要由親本配子的加性效應決定。雄穗分枝數和禿尖長由于親本相互作用而產生的非加性基因型方差與加性基因型方差相接近，由非加性基因型方差與加性基因型方差共同作用。

表4 組合各性狀遺傳參數估計Table 4 Analysis of genetic parameters for all characters of crossed combinations (%)

株高、穗位、穗長、穗行數、行粒數、出籽率和單株產量的廣義遺傳力和狹義遺傳力分別為70.44%～91.07%和61.0%～84.85%，受環境影響較小，能較穩定地遺傳給子代，自交系選育時可在早代進行選擇而軸粗和雄穗分枝數的廣義遺傳力和狹義遺傳力較低分別27.99% ～ 35.12%和26.49%～18.56%品種選育時不宜在自交系早代進行選擇。

3 討論

3.1 快中子輻射誘變與種質創新、品種改良效應探討

種質資源的創制是優良品種選育的重要基礎。誘發植物突變技術是種質創新與品種改良的有效途徑[3]。美國、加拿大等國家的科學家利用突變技術創制了玉米、大豆和大麥低植酸突變體[22]；日本科學家利用高能重離子誘變育成了低鎘的稻米品種[23]；我國科研工作者利用加速器產生的14Me V中子輻照育成水稻新品種中鐵31[24]，利用離子注入技術選育出小麥新品種皖麥32[25]，利用航天誘變技術育成小麥新品種魯原502[26]。本研究以快中子輻照玉米干種子后，經鑒定篩選出株型緊湊、葉夾角變小突變體fu1603[20-21]、黃綠葉突變體fu17138[19]和低穗位矮稈突變體fu18312，為種質創新、品種改良和基因克隆創造了良好的基礎材料，也為植物誘發突變技術提供了良好的理論支持。

3.2 快中子輻射誘變突變體配合力效應探討

配合力大小是評價作物基礎材料利用價值的重要指標，GCA受基因的加性效應控制，能夠穩定遺傳。前人對輻射誘變材料配合力的影響已有報道[27]。本研究表明，突變體fu18312、fu1603、fu17138、fu18321、fu18398和fu18362不同農藝性狀的配合力效應存在差異。就單株產量、穗長、穗粗、穗行數、行粒數和出籽率 的GCA而言，fu18312和fu18321的GCA效應為負效應，fu1603、fu17138、fu18398和fu18362的GCA效應均為正效應，利用這些突變體有利于培育出大穗、多粒、高產的玉米新品種；其余性狀如株高、穗位高、禿尖長和分枝數等，突變體的GCA效應值差異較大，需要有選擇的利用。不同雜交組合單株產量的SCA表現差異較大。其中，組合(昌7-2×fu18312)和(LY0986×fu17138)的SCA效應為正效應，且效應值較高，可進一步擴大試驗規模，確定其在品種選育中應用價值。

3.3 快中子輻射誘變突變體的應用潛力探討

快中子輻射誘變是為了創制新種質供新品種選育，因此，對新種質進行配合力測定和綜合評價具有重要意義。本研究重點分析了6份突變體的GCA和SCA效應，明確了其不同性狀配合力特性和利用方向。黃綠葉突變體fu17138的穗部性狀GCA效應值較高，利用其組配的雜交組合果穗較長，穗粒數較多，出籽率較高，是高產育種的良好材料，可用于大穗豐產品種的選育；且其株高、軸粗和禿尖長GCA效應表現為較高的負效應，因此，對降低株高、縮小軸粗、減少禿尖長度也有一定的作用。單株產量SCA表明，組合LY0986×fu17138的產量較高，進一步驗證了突變體fu17138用于高產育種的潛力。矮稈、低穗位突變體fu18312降稈作用顯著，對改良組合抗倒性具有一定優勢；但產量性狀的GCA效應多為負效應，不利于大穗豐產品種的選育，有待進一步改良。株型緊湊、葉夾角變小突變體fu1603有利于高稈、大穗品種的選育。玉米葉夾角是影響高密度種植的一個重要性狀，與株型及產量高度相關，葉夾角減小是目前密植栽培和機械化收獲的理想株型特征之一[28]，對該材料進行改良和應用，有利于培育出高產、耐密植的玉米新品種。