基于6個玉米高代回交重組自交系群體的產量及其構成因素的雜種優勢研究

張全艷，叢一寧，張培高，徐春霞，王 晶，劉 麗,3

(1. 云南大學農學院，昆明 650504；2. 云南省農業科學院糧食作物研究所，昆明 650205；3. 云南省農業科學院生物技術與種質資源研究所，昆明 650205)

【研究意義】雜種優勢是生物界普遍存在的現象，其中玉米是最早利用雜種優勢大幅度增加產量的作物之一[1]，目前全球玉米雜交種應用面積占總種植面積的75%以上。合理劃分雜種優勢群，探索最優的雜種優勢模式，是選育優良雜交玉米品種的前提。Jones等[2]根據親緣關系從Reid黃馬牙中劃分出Lancaster和Reid兩個群，構建了Lancaster × Reid雜種優勢模式。Bouchez等[3]提出Non-Reid群，構建了Reid × Non-Reid雜種優勢模式，現已成為美國玉米育種的主要雜種優勢模式。歐洲則主要以Reid × EF及其衍生群為主要雜種優勢模式，墨西哥和南美主要以Tuxpeno × ETO優勢群為主[4]。20世紀90年代，王懿波等[5]提出將中國的玉米種質劃分為5大類群及9個亞群，然而雜種優勢劃分類群太多，工作復雜且較難應用于玉米育種。因此，Fan等[6]提出將玉米自交系劃分為3個雜種優勢群，即Suwan1群、Reid群和非Reid群，構建了三角形雜種優勢模式。目前中國溫帶玉米主產區主要以Reid、Lancaster、塘四平頭、旅大紅骨和P群5個雜種優勢群相互雜交為主[5]，而在南方地區以Suwan1、Reid和非Reid等熱帶×溫帶為主[7]。國內外對玉米雜種優勢進行了大量研究，但主要集中于雜種優勢群的劃分，即基于不完全雙列雜交(NCII)設計組配雜交組合F1，通過分析其產量及產量性狀的一般配合力(General combining ability, GCA)和特殊配合力(Specific combining ability, SCA)劃分雜種優勢群，進而育種利用[8-10]。【前人研究進展】玉米雜種優勢形成的遺傳基礎研究尚處于探索階段。Garcia等[11]分析前人的數據，發現玉米雜種優勢主要受顯性基因影響。Tang等[12]利用永久F2群體(Immortalized F2, IF2)研究產量及其構成因素的雜種優勢，發現顯性和超顯性間的互作對玉米產量及構成因素雜種優勢的形成有重要作用。宋方威等[13]利用高代回交重組自交系BC1F5∶6群體解析溫帶玉米雜種優勢形成的遺傳基礎，定位了一批株高和穗位高相關雜種優勢QTL。Yi等[14]用重組自交系群體(Recombinant inbred lines, RIL)分析9個產量性狀及其中親優勢(Mid-parent heterosis)的遺傳差異，結果表明穗粒重、穗重和行粒數等性狀及中親優勢均為顯性效應和超顯性效應。目前永久F2群體和三重測交(Triple test cross, TTC)群體(含高代回交群體)是玉米雜種優勢形成機理研究的主要群體類型。【本研究切入點】現有的研究材料大多為溫帶玉米自交系，而對熱帶和亞熱帶玉米雜種優勢形成的研究報道較少，并且高代回交重組自交系群體主要用于株高和穗位高等株型性狀的雜種優勢研究，目前未見利用該類群體分析產量及其構成因素雜種優勢形成機理的報道。此外，國外雜種優勢群主要分為2個類群，國內雖分為多個類群，但由于研究材料主要為F1雜交組合，未能進行不同雜種優勢模式間產量雜種優勢強弱的比較，因此不同雜種優勢模式間產量及其構成因素的差異性比較尚未見報道。【擬解決的關鍵問題】本研究選用三角形雜種優勢代表自交系Y46、Y107和MON2，組配6個BC1F7∶8群體，采用穗長、穗粗、穗行數、行粒數和單產5個產量及其構成因素的中親優勢和超親優勢(Over-parent heterosis)，比較不同雜種優勢模式間的產量雜種優勢強弱，為中國溫熱玉米種質互導、種質創新和雜種優勢利用等提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

Y46：熱帶玉米自交系，選自Suwan1種質。Suwan1源自泰國，其遺傳基礎較廣泛、配合力高，抗倒伏、抗病性、抗旱能力強，商品品質好，是中國玉米種質擴增的核心材料。

Y107：中國溫帶地區重要骨干親本，是20世紀90年代中國推廣面積最大的雜交種掖單2號的親本，其千粒重高、種胚大，產量潛力大。

MON2：選自美國自交系，為中國亞熱帶地區的重要骨干親本。

根據Zhang等[15]和宋方威等[13]的高代回交群體構建方法，將上述優良自交系相互雜交組配3個F1雜交群體，繼而連續自交形成3個RIL-F7∶8群體。分別從Y46與Y107組配的RIL-F7∶8群體中選擇161個和91個RIL系與雙親回交組配得到2個BC1F7∶8群體Y46×Y107/Y46(正交)和Y46×Y107/Y107(反交)。分別從Y46與MON2組配的RIL-F7∶8群體中選擇135個和140個RIL系與雙親回交組配得到2個BC1F7∶8群體Y46×MON2/Y46(正交)和Y46×MON2/MON2(反交)。分別從Y107與MON2組配的RIL-F7∶8群體中選擇218個和104個RIL系與雙親回交組配得到2個BC1F7∶8群體Y107×MON2/Y107(正交)和Y107×MON2/MON2(反交)。

1.2 試驗方法

將6個BC1F7∶8群體分別種植于云南不同海拔高度的試點昆明點(25°02′N，120°45′E；海拔1960 m)，硯山點(23°19′N，104°45′E；海拔1520 m)。本試驗采用隨機區組設計以有效地減少土壤肥力差異對試驗的影響、降低產量性狀的誤差，設2次重復。每個小區長2.5 m，株距25 cm，密集種植10株，施肥、除草、除蟲按田間標準管理方法進行。玉米成熟后，從每行的第3株開始連續收獲5穗，晾曬至含水量低于14%時進行考種。調查穗長(Ear length, EL)、穗粗(Ear diameter, ED)、穗行數(Ear row number, ERN)、行粒數(Kernel number per row, KNPR)和單產(Yield per unit area, YPUA)5個產量及其構成因素。

1.3 數據統計與分析

利用SPSS軟件對產量及其構成因素進行基本統計量和方差分析，如果試點間和重復間無顯著差異，則雜種優勢分析用試點和重復的平均值進行分析；如果存在顯著差異，則比較試點間和重復間的趨勢是否一致。通過計算各個BC1F7∶8群體的產量及構成因素的中親優勢和超親優勢比較雜種優勢強弱，計算方法[16]如下。

中親優勢(%)=(BC1F7∶8-MP)/MP×100

超親優勢(%)=(BC1F7∶8-HP)/HP×100

式中，BC1F7∶8、MP和HP分別代表高代回交重組自交系群體、2個親本和高值親本各產量及其構成因素的平均值。

2 結果與分析

2.1 高代回交重組自交系群體產量及其構成因素的差異性比較

在2個不同環境條件下，對Y46、Y107和MON2所組配的6個BC1F7∶8群體的穗長、穗粗、穗行數、行粒數和單產5個產量及其構成因素進行比較，結果如表1所示。昆明點的產量及其構成因素均高于硯山點，變異系數則表現為硯山點高于昆明點，表明昆明點的產量潛力和穩產性均優于硯山點，說明環境對玉米產量及其構成因素有顯著影響。在昆明點，Y46×Y107/Y46群體的穗長、穗粗、穗行數、行粒數和單產平均值分別為15.20 cm、3.80 cm、9.90行、29.90粒和8884 kg/hm2，除穗粗和穗行數以外，其它產量構成因素均高于Y46×Y107/Y107群體的平均值，表明正交群體的產量及其構成因素高于反交群體，硯山點分析結果與該結果趨勢相反。Y46×MON2/Y46群體的穗長、穗粗、穗行數、行粒數和單產平均值分別為14.50 cm、4.20 cm、12.90行、27.50粒和8321 kg/hm2，明顯高于反交群體，硯山點分析結果與該結果基本相同。Y107×MON2/Y107群體的穗長、穗粗、穗行數、行粒數和單產平均值分別為13.10 cm、3.50 cm、10.10行、23.90粒和7160 kg/hm2，除穗長外其它4個產量構成因素均低于Y107×MON2/MON2群體的平均值，表明上述因素在該雜交組配中反交群體大于正交群體，而硯山點與該結果則趨勢相反。綜上所述，3個正反交群體間產量及其構成因素均存在顯著差異，說明在玉米雜交組配中，應同時進行正反交組配，選擇高產的正交或反交群體應用于生產實踐。進一步研究發現2個試點6個BC1F7∶8群體除單產外，穗長、穗粗、穗行數和行粒數的峰度和偏度絕對值均小于1，符合正態分布，說明BC1F7∶8群體間各產量構成因素以加性效應為主，其表型可用于后續的QTL定位研究。

2.2 高代回交重組自交系群體產量及其構成因素的方差分析

2.2.1 不同試點間產量及其構成因素的方差分析 從表2可以看出，6個BC1F7∶8群體產量及其構成因素在不同試點間差異達顯著水平，其中穗粗、穗行數、行粒數和單產在兩試點間差異均達極顯著水平；穗長除了Y107×MON2/MON2群體在兩試點間差異不顯著外，其它群體在兩試點間達顯著水平。說明不同試點對BC1F7∶8群體的產量及其構成因素有顯著影響。

表1 高代回交重組自交系群體產量及其構成因素的基本統計量

續表1 Continued table 1

表2 不同試點間產量及其構成因素的方差分析

續表2 Continued table 2

2.2.2 重復間產量及其構成因素的差異顯著性比較 差異顯著性比較結果表明，在Y46×MON2/Y46群體不同重復間除行粒數(P=0.200>0.05)外，其它產量及產量構成因素(P=0.001～0.002<0.01)均達極顯著水平；在Y46×Y107/Y107和Y46×MON2/MON2群體的不同重復間穗長(P=0.514～0.610>0.05)、穗粗(P=0.143～0.390>0.05)、穗行數(P=0.392～0.737>0.05)、行粒數(P=0.504～0.511>0.05)和單產(P=0.108～0.436>0.05)差異均不顯著；在Y46×Y107/Y46群體不同重復間除穗長(P=0.001<0.01)差異達極顯著水平外，其它產量構成因素差異均不顯著。在Y107×MON2/MON2群體不同重復間除行粒數(0.050.05)重復間差異均不顯著，說明在大部分BC1F7∶8群體不同重復間產量及其構成因素差異不顯著，試驗地肥力均勻，在后續的雜種優勢分析中可用2個試點的平均值進行研究。

2.2.3 高代回交重組自交系群體內不同材料間產量及其構成因素的方差分析 如表3所示，6個BC1F7∶8群體內不同材料間產量及其構成因素差異基本達顯著。在Y46×Y107/Y107和Y46×MON2/MON2群體重組自交系內不同材料間穗長、穗粗、穗行數、行粒數和單產的差異均達極顯著水平。在Y46×Y107/Y46和Y46×MON2/Y46群體重組自交系內不同材料間穗長、穗粗和穗行數差異均達極顯著水平；其中，在Y46×Y107/Y46群體重組自交系內不同材料間行粒數差異未達顯著水平，單產差異達極顯著水平；而在Y46×MON2/Y46群體重組自交系內不同材料間行粒數差異達顯著水平，單產差異不顯著。在Y107×MON2/Y107群體重組自交系內不同材料間僅有穗粗和穗行數差異達極顯著水平，其它產量構成因素差異不顯著。而在Y107×MON2/MON2群體重組自交系內不同材料間穗長和穗粗差異達極顯著水平，單產差異達顯著水平，穗行數和行粒數差異不顯著。表明這些家系遺傳背景差異較大或親緣關系較遠。

表3 高代回交重組自交系群體內不同材料間產量及其構成因素的方差分析

續表3 Continued table 3

綜上所述，在不同試點中，BC1F7∶8群體的產量及其構成因素差異達顯著水平，而重復間差異不顯著，群體內重組自交系內不同材料間產量及其構成因素差異顯著，說明玉米產量及其構成因素主要由基因型決定，但同時受環境的影響。

2.3 高代回交重組自交系群體產量及其構成因素的主成分分析

利用線性回歸模型分析6個BC1F7∶8群體各產量構成因素與產量的相關性。結果表明，穗長、穗粗、穗行數和行粒數與產量的相關系數分別為0.63、0.83、0.76和0.83，均達顯著水平。從表4可知，2個主成分可以反映BC1F7∶8群體各產量構成因素的大部分信息，Y46×Y107/Y46群體和Y46×Y107/Y107在硯山點中主成分累計方差貢獻率均低于80%，分別為76.68%和79.97%。其它群體的主成分累計方差貢獻率均高于80%，Y46×Y107/Y46群體在昆明點主成分累計方差貢獻率最高，為84.97%，Y107×MON2 /MON2群體在硯山點主成分累計方差貢獻率最高，為84.06%。就產量構成因素而言，穗粗的第一主成分和第二主成分特征向量值最高，分別為0.65～0.92和-0.37～0.65，穗長最低，分別為0.18～0.80和-0.55～0.94。因此，在雜交玉米高產育種中，建議將穗粗作為新品種選育的主要改良目標。同時，兼顧行粒數對產量的影響。

表4 高代回交重組自交系群體產量及其構成因素的主成分分析

2.4 高代回交重組自交系群體產量及其構成因素的雜種優勢分析

由表5可以看出，昆明點Y46與Y107組配的群體行粒數的中親優勢和超親優勢、穗長和單產的中親優勢以及反交群體穗長的超親優勢都表現為正向雜種優勢效應。兩試點的結果基本一致。Y46與MON2組配的群體在兩試點間產量及其構成因素的雜種優勢都為負向雜種優勢效應。昆明點Y107與MON2組配的群體穗長、行粒數和單產的中親優勢以及其正交群體穗長的超親優勢都呈正向雜種優勢效應，硯山點均表現為負向雜種優勢效應。

在Y46×Y107/Y46群體中，其穗長、穗粗、穗行數、行粒數和單產的中親優勢分別為29.8、-7.3、-17.1、57.5和12.0，超親優勢分別為-5.1、-13.6、-28.9、15.1和-25.8，低于反交群體穗長(30.0，0.6)、穗粗(-4.8，-9.1)、穗行數(-14.9，-24.0)和單產(16.7，-15.3)的中親優勢和超親優勢，其中反交群體行粒數的中親優勢(52.0)低于正交群體，超親優勢(22.2)高于正交群體，由此可見反交群體雜種優勢強于正交群體，且兩試點的群體雜種優勢分析結果基本一致。在Y46×MON2/Y46群體中，其穗長、穗粗、穗行數、行粒數和單產的中親優勢分別為-10.4、-6.2、-7.7、-1.8和-32.3，超親優勢分別為-10.9、-8.3、-13.9、-11.3和-33.7，顯著高于反交群體穗長(-18.5，-20.7)、穗粗(-18.2，-23.3)、穗行數(-9.3，-18.4)、行粒數(-14.3，-15.7)和單產(-50.2，-55.6)的中親優勢和超親優勢，說明在Y46與MON2組配的群體中正交群體雜種優勢比反交群體強，并且硯山點與昆明點趨勢一致。在Y107×MON2/Y107群體中，其穗長、穗粗、穗行數、行粒數和單產的中親優勢分別為12.4、-9.2、-6.1、2.8和2.0，超親優勢分別為5.6、-11.5、-12.2、-0.5和-14.2，反交群體穗粗(-6.0，-9.5)、穗行數(-1.4，-9.6)的中親優勢和超親優勢大于正交群體，而穗長(10.4，-7.2)和單產(0.2，-26.6)的中親優勢和超親優勢均小于正交群體，行粒數(18.9，-12.3)的中親優勢大于正交群體，超親優勢小于正交群體，說明Y107與MON2組配的反交群體雜種優勢強于正交群體，而硯山點雜種優勢則表現為正交群體大于反交群體。

將Y46與Y107、Y46與MON2和Y107與MON2組配的6個BC1F7∶8群體的產量及其構成因素進行綜合比較，結果顯示Y46×Y107/Y107群體穗長、穗粗、穗行數、行粒數和單產的中親優勢和超親優勢均大于其它群體。在Y46×Y107/Y46與Y107×MON2/MON2群體中，Y46×Y107/Y46群體穗長(29.8，-5.1)、行粒數(57.5，15.1)和單產(12.0，-25.8)的中親優勢和超親優勢均大于Y107×MON2/MON2群體。Y107×MON2/Y107群體穗長(12.4，5.6)、穗行數(-6.1，-12.2)、行粒數(2.8，-0.5)和單產(2.0，-14.2)的中親優勢和超親優勢均大于Y46×MON2/Y46群體，硯山點與昆明點基本相同。總體而言，6個BC1F7∶8群體及其構成因素的雜種優勢強弱排序為Y46×Y107/Y107>Y46×Y107/Y46>Y107×MON2/MON2>Y107×MON2/Y107>Y46×MON2/Y46>Y46×MON2/MON2，說明在三角形雜種優勢模式中，Suwan1×Reid雜種優勢模式組配的群體，其后代產量及其構成因素的中親優勢和超親優勢較強，以Reid×非Reid雜種優勢模式組配的群體，其后代產量及其構成因素的中親優勢和超親優勢居中，以Suwan1×非Reid雜種優勢模式組配的群體，其后代產量及其構成因素的中親優勢和超親優勢較弱。

表5 高代回交重組自交系群體產量及其構成因素的雜種優勢分析

3 討 論

玉米產量性狀是由微效多基因所控制的數量性狀，遺傳力較低，其穗長、穗粗、穗行數和行粒數等性狀均是構成產量的重要因素，剖析產量構成因素的遺傳規律對玉米高產育種具有重要的指導意義。宗憲春等[17]研究表明，不同生產方式導致行粒數和穗粒重顯著下降，嚴重影響玉米的產量。Tan等[18]研究結果表明，日溫差、日照時長和有效積溫與穗粗、行粒數、百粒重呈正相關，導致產量大幅度上升。多個研究均表明千粒重、行粒數和穗長等對玉米產量具有顯著的影響[9,19]。本研究中穗長、穗粗、穗行數和行粒數與產量間顯著相關，相關系數均大于0.63，通過主成分分析發現，穗粗和行粒數對玉米產量有重要決定作用，進一步驗證了前人的研究結果[9,17-19]。

正反交是2個基因型不同的親本互作母本或父本的雜交群體，而親本互換與后代表達情況密切相關。馮漢宇等[20]通過正反交試驗研究花青素基因在玉米雜種性狀中的表達情況，發現轉基因植株做父本對轉基因雜交育種有重要影響。Liu等[21]發現，梨的選育過程中酸含量明顯取決于母本的選擇。Dermail等[22]發現，正反交影響著雜種優勢效應，可以提高玉米產量。這些研究表明，親本材料的選擇對雜交后代性狀的影響程度不同，各性狀間也將存在一定差異，要想得到優良的目標性狀，親本選配至關重要。此外，本研究利用6個BC1F7∶8群體分析正反交對穗長、穗粗、穗行數等產量及其構成因素的影響，也發現正反交群體間產量及其構成因素差異顯著，特別是在Y46與MON2組配的群體中，正反交差異較大。說明在Suwan1×非Reid雜種優勢模式中，要特別注意母本的選擇，選擇適宜的正交或反交，以最大限度發揮產量潛力優勢。本研究比較不同重復間的差異顯著性時，發現Y46×MON2/Y46群體不同重復間除行粒數外，其它產量及產量構成因素均達顯著或極顯著水平，可能原因是該群體的產量穩定性較差，受環境的影響較大，但尚需進一步驗證。

研究表明，GCA效應較高的自交系更容易獲得高產雜交種，組合間配合力總效應越高，雜種優勢越強[23]。此外，一般配合力由基因的加性效應決定，可逐代遺傳，特殊配合力由基因的非加性效應所控制，易受外部環境條件的影響，不能在上下代間穩定遺傳。雜種優勢群的配合力主要以提高群內的GCA為主，同時還應保持或提高群間的SCA，只有GCA和SCA效應都高時，才能組配出強雜種優勢組合。前人[23]的研究只能對雜種優勢進行劃分，不能將不同雜種優勢模式間形成的雜種優勢進行比較。本研究利用6個BC1F7∶8的中親優勢和超親優勢來分析Suwan1、Reid和非Reid 3個類群間產量及其構成因素的雜種優勢強弱，明確了Suwan1×Reid雜種優勢模式中產量及其構成因素的雜種優勢最強，Reid×非Reid次之，Suwan1×非Reid較弱。該研究與前人[24]利用產量平均值初步推測的結果基本一致。

雜種優勢的利用是提高玉米產量的重要途徑[25]。基于前期使用熱帶、亞熱帶與溫帶玉米相互雜交，構建三角形雜種優勢模式，即Suwan1×Reid、Suwan1×非Reid、Reid×非Reid[12]。利用基于NCII設計組配的F1雜交組合，Fan等[15]進一步研究發現三群(Suwan1、Reid和非Reid)比兩群(Reid和非Reid)育種效率更高，可提高77.8%的一般育種效率(General Breeding Efficiency, GBE)。本研究利用BC1F7∶8群體比較其中親優勢和超親優勢，發現Suwan1×Reid雜種優勢明顯強于Reid×非Reid、Suwan1×非Reid雜種模式，可見Suwan1×Reid后代中產量及其構成因素不僅保留了Suwan1種質配合力高、商品品質好等特點的同時，還導入Reid種質遺傳效應穩定、果穗較好的優良基因，因此Suwan1×Reid后代的產量及其構成因素雜種優勢表現較強。而Reid×非Reid雜種模式也有部分產量及其構成因素表現出正向雜種優勢，尤其是穗長和行粒數，今后在創新種質資源或改良目標性狀時多加關注。Suwan1×非Reid雜種模式的產量及其構成因素均表現出負向雜種優勢，可能是隨著育種進程長期化，熱帶和亞熱帶種質間存在廣泛的基因交流，造成了Suwan1與非Reid種質遺傳差異較小，進而導致雜種優勢表現程度較弱[24,26]。

在玉米中，一般利用F1和RIL等群體對產量性狀進行雜種優勢分析，而利用BC1F7∶8群體進行產量及其構成因素雜種優勢分析的研究報道較少。與常規群體相比，由于BC1F7∶8群體經過多次回交，重組自交系間遺傳差異相對較小，因此，更容易精確地定位QTL的位置，并且對主效、微效和加性效應的QTL檢測更高效[27]。

4 結 論

Suwan1×Reid雜種優勢模式的產量及其構成因素雜種優勢較強，Reid×非Reid次之，Suwan1×非Reid較弱。