玉米擬輪枝鐮孢穗腐病遺傳分析研究

郭子鋒 王山葒 劉甲成 劉愛平 李文學

（中國農業科學院作物科學研究所，北京 100081）

玉米穗腐病是世界范圍內玉米主要的穗部病害，由于引起穗腐病的真菌種類多，其防治較為困難。在我國，引起玉米穗腐病的兩種主要真菌是擬輪枝鐮孢（Fusarium verticillioides）和禾谷鐮孢（Fusarium graminearum），其中擬輪枝鐮孢的發生范圍更廣，主要分布在我國的東北、東華北和黃淮海等玉米主產區[1-3]。擬輪枝鐮孢可通過花絲、莖部和穗部傷口侵染，攜帶病原菌的種子也會導致玉米的系統感染[4]。研究表明，玉米擬輪枝鐮孢穗腐病（FER，Fusarium ear rot）與禾谷鐮孢穗腐?。℅ER，Gibberella ear rot）之間存在較強的相關性[5-6]，二者可能存在相同的抗病機制。玉米穗腐病不但引起產量下降，還影響玉米的發芽率和幼苗成活率。引起玉米穗腐病的各種致病菌能夠產生多種真菌毒素，且玉米穗腐病一般在生長后期發病，藥劑防治較為困難。隨著玉米機械化收獲的普及，成熟時發病的穗子無法人工去除，只能和健康的穗子混收，極大地影響了玉米的儲藏品質和最終的商品價值。

目前生產上并沒有對穗腐病完全抗性的品種。玉米育種以常規育種為主，而雜交親本的選配和雜種后代的選擇是育種成功的關鍵，培育抗性玉米雜交種是解決穗腐病的根本途徑。玉米雜交種的選育一般分為自交系的培育和雜交組合的篩選，因此自交系的抗性與其組配的雜交種的抗性之間的相關程度是決定間接選擇效率的關鍵。有研究表明，自交系穗腐病抗性對其所配的雜交種抗性沒有影響，原因是高抗與高感自交系所配的頂交種抗性差異不顯著[7]；因此，認為對自交系的選擇效果不如在雜交種中直接選擇[5]。還有研究表明，自交系穗腐病抗性是其所組配的雜交種抗性的重要指示，自交系與所組配的雜交種之間具有較高的相關性[8-10]。一般情況下，高抗材料之間產生的雜交組合絕大多數表現高抗，敏感材料之間產生的雜交組合沒有觀察到高抗的[8]，中親本優勢一般為負值，即F1的抗性高于兩親本的平均值[8，11]，但也有研究表明雜交種抗性水平與自交系本身無顯著差異[12]。

雙列雜交是指一組供試親本之間進行的兩兩雜交，在玉米育種工作中被廣泛采用。雙列雜交的分析方法主要有Griffing 法[13]和Hayman-Jinks法[14]。Griffing 法能獲得親本的配合力等遺傳參數，Hayman-Jinks 法則更側重基因效應分析。本研究的目的是比較不同抗性自交系之間組配的雜交種之間的差異，了解自交系FER 抗性與其所組配的雜交種抗性之間的關系，并檢驗正反交是否對雜交F1的穗腐病抗性有影響。本研究采用雙列雜交分析，可以檢驗一般配合力（GCA，General combing ability）和特殊配合力（SCA，Special combing ability）對FER抗性的相對重要性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料本研究選用的5 個親本材料分別是Mo17、旱21、鐵7922、CML421 和CML426。其中CML421 和CML426 來自于國際玉米小麥改良中心（CIMMYT）。根據之前鑒定的結果，Mo17、旱21為高感FER 的自交系，鐵7922 為中抗的自交系，而CML421 和CML426 為高抗自交[15]。

1.2 雙列雜交設計研究采用完全雙列雜交設計，2020 年冬在海南5 個親本進行成對雜交，組配20個組合，成熟時按照組合混合收獲F1。2021 年5 月5 日和5 月9 日分別在吉林公主嶺和北京順義進行春播，6 月12 日在河南新鄉進行夏播。雙粒播種，3葉期定苗，株距25cm，行距60cm，行長3m，每行留苗13 株。每個試驗地點設置2 個重復，苗期剔除假雜種植株。

1.3 菌種培養與接種方法接種的病原菌為擬輪枝鐮孢（Fusarium verticillioides），由云南省農業科學院Dan Jeffers 和中國農業科學院農產品加工研究所郭維實驗室提供。參考Guo 等[16]的方法進行菌種培養：將擬輪枝鐮孢的菌株接種在PDA（Potato dxtrose agar）培養基上，恒溫箱中25oC 暗培養1 周，直至菌絲鋪滿整個培養基；然后將菌絲連同培養基倒入滅菌的玉米雄穗中進行再培養。接種時，將孢子懸浮液濃度調節為50 萬/mL。本研究采用針刺果穗注射法進行接種。接種方法如下：

先制作一個長約10cm，直徑約3～4mm 的針，從穗子的側面斜刺入穗子中，刺入的深度以剛好破壞一個籽粒為最佳，然后用針頭注入1.5mL 的孢子懸浮液。接種時間選在5：00-8：00 或15：00-18：00之間，避開高溫和強日照，以提高接種成功率。為避免材料之間的交叉感染和空氣中病原物孢子侵染，接種后的穗子都套上授粉袋，每行至少接種10 株。

在玉米完熟時，先判斷接種是否成功，對接種成功的穗子，采用9 級分類法進行分級并計算穗子的病情嚴重度，FER 病情嚴重度分級標準為1=0%果穗發病面積比例，2=1%，3=2%～5%，4=6%～10%，5=11%～20%，6=21%～40%，7=41%～60%，8=61%～80%，9=81%～100%，每行材料的病情嚴重度用接種穗子感病的平均值進行計算[15-16]。

1.4 數據分析軟件及模型軟件表型數據分析在Excel 2019 中進行，相關分析使用IciMapping4.2 軟件。利用R 包“DiallelAnalysisR”中的完全雙列雜交Griffing 模型和Hayman 模型分析各個性狀的GCA、SCA 等遺傳參數。

2 結果與分析

2.1 性狀的遺傳力與相關分析對正反交20 個組合的FER 病情嚴重度和6 個農藝性狀穗長、穗粗、穗行數、行粒數、百粒重、產量進行方差分析（表1），結果表明，這7 個性狀在組合間差異均達到極顯著水平（P＜0.01），說明這7 個性狀的配合力效應對F1有顯著的影響，可以進一步分析GCA、SCA 和反交配合力（REC）的效應。遺傳力分析結果表明（表1），穗行數的遺傳力最高（0.813），產量的遺傳力最低（0.672），FER 的遺傳力為0.772。相關分析表明，FER 病情嚴重度與其他6 個農藝性狀之間均未達到顯著相關，其中與FER 病情嚴重度相關性較高的2 個農藝性狀分別是穗行數和百粒重，相關系數分別為0.347 和-0.359。其他6 個農藝性狀之間的相關性分析表明，除了穗行數與穗長、百粒重沒有達到顯著相關外，其他農藝性狀之間均達到顯著相關，其中產量與行粒數的相關系數最高（0.910**）。

表1 雙列雜交組合7 個性狀的方差分析、遺傳力和表型相關分析

2.2 一般配合力與特殊配合力方差分析表2 的F檢驗結果表明，除產量外的其他6 個性狀GCA效應均達到極顯著水平，所有7 個性狀的SCA 效應均達到極顯著水平，但REC 均未達到顯著水平。玉米FER 的正交與反交接種后表型差異非常小（圖1）。對7 個性狀的GCA、SCA 和REC 進行方差估計，都是SCA 明顯高于GCA 和REC，以FER為例，其GCA、SCA 和REC 的方差估計值分別為19.33、67.37 和7.04。

圖1 CML411 和旱21 正反交穗部表現

表2 雙列雜交7 個性狀的組合間及配合力方差分析

進一步分析5 個自交系的一般配合力效應（表3），對 于FER，Mo17 和CML426 的GCA 效 應為負值，旱21、鐵7922 和CML411 的GCA 效應為正值，但除了CML426 外，其他幾個自交系FER 的GCA 均未達到顯著水平。CML426 的穗長、穗粗、穗行數、行粒數和產量的GCA 均為負值。CML411和CML426 的產量配合力為負值，但未達到顯著水平。

表3 5 個親本7 個性狀的一般配合力效應

2.3 不同親本性狀的陣列方差（Vr）和遺傳協方差（Wr）分析及遺傳參數估算根據Hayman 的估算方法，分別計算了這7 個性狀的遺傳協方差Wr對陣列方差Vr的回歸方程，并計算Wr+Vr與親本觀察值（Yr）之間的相關系數（表4）。t測驗表明，回歸系數假設1 的檢測，均未達到顯著水平，表明這7 個性狀符合加性-顯性模型，其中6 個農藝性狀Wr對Vr的回歸線在Wr軸線上的截距小于0，而FER 的截距大于0，可以推斷，FER 的遺傳為部分顯性。穗長、穗粗、穗行數、行粒數、百粒重和產量性狀Wr+Vr與Yr之間呈負相關，FER 病情嚴重度Wr+Vr與Yr之間呈正相關，但相關系數未達到顯著水平，說明FER 抗性由顯性基因調控。

表4 7 個性狀遺傳協方差（Wr）與陣列方差（Vr）的相關回歸分析

3 討論

通過分析玉米7 個性狀的GCA 效應和SCA 效應，發現除了產量性狀的GCA 效應外，都達到極顯著水平（P＜0.01），說明親本自交系和不同組合之間具有顯著差異，但方差估計值均是SCA 大于GCA，其中FER 的SCA 和GCA 方差估計值分別為67.37 和19.33，這與前人的研究結果有所不同，Hung 等[8]研究發現GCA 能夠較好地用于預測雜交種表現。與產量等農藝性狀相比，FER 的GCA/SCA 比值依然較高，且本研究使用的群體較小，因此，利用自交系FER 的GCA 來預測雜交后代的表現依然具有一定的意義。通常情況下，GCA 是由基因的加性效應決定的，SCA是由基因的非加性效應決定的，即受基因間的顯性、超顯性和上位性效應所控制。關于玉米FER，有研究認為抗病優勢的產生是由于抗性的顯性效應和一般雜種優勢的間接效應[17]，也有認為玉米FER 是加性效應與顯性效應共同作用的結果[18-19]，現在一般認為，玉米FER 遺傳以加性效應為主，非加性效應較小，如果想獲得高抗的雜交種，雙親都應具有抗性等位基因[8-9，12]。根據Hayman 的估算方法，也認為玉米FER 的遺傳符合加性-顯性模型，且為部分顯性。

本研究發現，6 個農藝性狀和FER 病情嚴重度的REC 均未達到顯著水平，玉米FER 的正交與反交接種后表型差異非常?。▓D1），這表明正交和反交并不影響雜交種的抗性，因此在進行雜交種的組配時，抗性材料作為父本或者母本并沒有影響，這與張新等[11]的研究略有不同，其研究認為病情指數高的一方作母本則其F1的病指也高，即同一雜交組合中，母本的抗感性對雜種F1的影響較大，原因可能是研究材料的不同以及親本本身的抗性差異。5 個自交系的GCA 效應，只有CML426 的GCA 效應達到顯著水平且為負值，表明該材料是重要的抗源，我們之前的研究也表明，熱帶種質的抗性強于溫帶種質。進一步挖掘熱帶玉米材料的抗性是未來解決我國穗腐病的重要途徑[20]。