韓登旭，楊 杰，阿布來(lái)提·阿布拉，梁曉玲，王建華，王業(yè)建，郗浩江，李銘東，劉 俊，顧日良

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，北京 100193；2.新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院 糧食作物研究所，烏魯木齊 830091)

玉米在中國(guó)是第一大作物[1]，在國(guó)家糧食、飼料和工業(yè)加工原料等方面發(fā)揮著不可替代的作用[2]。種子質(zhì)量在很大程度上影響玉米生長(zhǎng)發(fā)育狀況及產(chǎn)量，種子活力可以更加全面客觀的評(píng)價(jià)種子質(zhì)量，高活力種子具有強(qiáng)的苗期生長(zhǎng)勢(shì)和增產(chǎn)潛力[3]。高活力玉米種子可實(shí)現(xiàn)單粒播種，通過(guò)一播全苗，提高幼苗的整齊度，節(jié)約播種成本，實(shí)現(xiàn)增產(chǎn)增效[4]。

種子活力受基因型、田間生長(zhǎng)發(fā)育環(huán)境及倉(cāng)儲(chǔ)條件等諸多因素影響，是一個(gè)復(fù)雜的綜合性狀，現(xiàn)階段還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。種子活力檢測(cè)的技術(shù)目前有冷浸發(fā)芽試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽[5]、種子浸出液電導(dǎo)率測(cè)定[6]、冷凍發(fā)芽[7]等。冷浸發(fā)芽試驗(yàn)可有效區(qū)分不同玉米品種種子活力的遺傳差異[8]，種子浸出液電導(dǎo)率能夠非常靈敏地測(cè)定種子活力。種子發(fā)芽指數(shù)、浸出液電導(dǎo)率、平均發(fā)芽時(shí)間等活力性狀受遺傳控制[9]。前人研究[10-11]表明不同玉米品種種子活力存在顯著基因型差異。玉米品種選育主要利用雜種優(yōu)勢(shì)，自交系配合力的強(qiáng)弱和高低通常是雜種優(yōu)勢(shì)效應(yīng)的體現(xiàn)[12]，它決定F1代雜種優(yōu)勢(shì)大小，是衡量親本玉米自交系優(yōu)劣的重要指標(biāo)之一[13]，因此在玉米中對(duì)自交系配合力開(kāi)展研究很有必要。玉米雜交后代的表現(xiàn)通常與親本自身表現(xiàn)不一致，原因在于雙親間的配合力不同[14]，到目前為止，對(duì)種子活力在配合力、遺傳參數(shù)估算上的研究較少[15]，大部分只考慮一般配合力與特殊配合力，對(duì)雙親總體配合力考慮不足，未明確其在高活力育種中的重要價(jià)值。在實(shí)踐中，育種家往往根據(jù)玉米田間表型和產(chǎn)量高低選育品種，而不注重種子活力的選擇，常常出現(xiàn)一些產(chǎn)量較高的品種，但因種子活力不足，遇到田間逆境時(shí)造成田間成苗率較低，影響了品種的大范圍推廣[16]。

本研究選用種子活力存在差異的19個(gè)玉米自交系，采用NC Ⅱ(10×9)交配設(shè)計(jì)，組配90個(gè)組合，通過(guò)分析親本的配合力效應(yīng)，并進(jìn)行遺傳參數(shù)估算，探討高活力玉米品種選育的親本選配規(guī)律，從而加快高活力玉米品種選育效率，為玉米種子活力研究及新品種遺傳改良提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2018年選用遺傳背景不同，種子活力存在明顯差異的10個(gè)骨干玉米自交系為母本，另9個(gè)為父本(名稱及系譜來(lái)源見(jiàn)表1)，將自交系種植在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所安寧渠綜合試驗(yàn)場(chǎng)基地，母本種植8行，父本種植6行，行距 0.55 m，株距0.20 m，行長(zhǎng)5 m，母本全部套袋，等花絲2～3 cm長(zhǎng)時(shí)，采用NC Ⅱ交配設(shè)計(jì)，配制出F1雜交組合90個(gè)，統(tǒng)一收獲，自然晾干至標(biāo)準(zhǔn)水分后，統(tǒng)一精選貯藏，備用。2019年將這90個(gè)組合在新疆農(nóng)業(yè)科學(xué)院生理生化實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行種子活力鑒定。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 百粒質(zhì)量測(cè)定 用谷物水分測(cè)定儀PM-8188測(cè)定每份材料的種子含水量，重復(fù)2次，取其平均值。每份材料選取種子100粒稱量，重復(fù)取樣3次，取相近兩個(gè)數(shù)的平均數(shù)，按標(biāo)準(zhǔn)水分(14%)折算后以 g 表示。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率測(cè)定 將發(fā)芽紙放置于 121 ℃的高壓滅菌鍋中消毒30 min，用去離子水浸泡24 h，備用。每份材料選取種子100粒，配制 1.0%次氯酸鈉滅菌3～5 min，去離子水清洗3次；試驗(yàn)分2次重復(fù)，1次重復(fù)種子50粒，在 25 ℃人工智能氣候箱中進(jìn)行發(fā)芽，第7d統(tǒng)計(jì)正常處理的種子發(fā)芽數(shù)，折算標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率[17]。

標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率=種子發(fā)芽數(shù)/供檢種子總數(shù)×100%

1.2.3 冷浸發(fā)芽率測(cè)定 每份材料選取種子100粒，分2份，每份50粒，將每份種子用1.0%次氯酸鈉消毒后，沖洗至無(wú)味，然后將種子浸泡在250 mL燒杯中，在4 ℃下處理3 d，取出后用常溫去離子水終止冷害，吸干表面水分后，用卷紙法在25 ℃下發(fā)芽，第7天統(tǒng)計(jì)冷浸處理的種子發(fā)芽數(shù)。折算冷浸發(fā)芽率[17]。

冷浸發(fā)芽率=冷浸處理的種子發(fā)芽數(shù)/供檢種子總數(shù)×100%

1.2.4 種子浸出液電導(dǎo)率測(cè)定 將試驗(yàn)種子水分調(diào)至10%～14%，每份材料選取種子100粒，分為2個(gè)重復(fù)，每次種子50粒，稱取質(zhì)量w，然后用去離子清洗3次，用定性濾紙擦干種子表面水分，準(zhǔn)備500 mL燒杯，加入250 mL去離子水，將干凈種子放入，輕輕晃動(dòng)燒杯后，檢測(cè)種子初始電導(dǎo)率(d1)。燒杯口用保鮮膜封好，在(20+1)℃的室溫下放置24 h，檢測(cè)浸出液電導(dǎo)率d2，折算種子浸出液電導(dǎo)率[18]。

種子浸出液電導(dǎo)率[μS/(cm·g)]=(d2-d1)/w

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2019整理匯總數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)軟件DPS7.05的對(duì)應(yīng)模塊進(jìn)行相關(guān)性分析、配合力方差分析及遺傳參數(shù)估計(jì)。由于種子浸出液電導(dǎo)率與種子活力存在負(fù)相關(guān)關(guān)系，因此對(duì)電導(dǎo)率采用倒數(shù)進(jìn)行數(shù)值轉(zhuǎn)換。

總體配合力(Total Combining Ability，TCA)= GCAi+GCAj+SCAij

其中，TCA為總體配合力效應(yīng)，GCAi為第i個(gè)母本的一般配合力(General Combining Ability,GCA)，GCAj為第j個(gè)父本的一般配合力，SCAij為第i個(gè)母本與第j個(gè)父本的特殊配合力(Special Combining Ability,SCA)[4]。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子活力相關(guān)性狀指標(biāo)統(tǒng)計(jì)分析

組配的90個(gè)雜交組合的種子活力存在豐富的遺傳變異，其中百粒質(zhì)量、冷浸發(fā)芽率、種子浸出液電導(dǎo)率的變異系數(shù)均超過(guò)15%(表2)。90個(gè)組合的種子百粒質(zhì)量平均值為33.97 g，幅度為23.43～49.87 g，變異系數(shù)為17.42%；標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率平均值為93.22%，幅度為69.00%～100.00%，變異系數(shù)為6.17%；冷浸發(fā)芽率平均值為43.69%，幅度為10.00%～90.00%，變異系數(shù)為45.13%；浸出液電導(dǎo)率平均值為0.21，幅度為0.12～0.79，變異系數(shù)為45.64%。這些結(jié)果表明，不同玉米雜交組合間的種子浸出液電導(dǎo)率存在較大差異，推測(cè)種子在發(fā)生劣變時(shí)，不同基因型材料的種子重建膜完整性的速度存在差異；標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率的變異系數(shù)最低，主要是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)發(fā)芽是種子在25 ℃條件下萌發(fā)的，所受逆境很小，因此大多數(shù)組合的發(fā)芽率都在90%以上，數(shù)值比較接近。

表2 90個(gè)組合種子活力及相關(guān)性狀指標(biāo)分析

2.2 配合力方差分析

對(duì)90個(gè)雜交組合種子活力各相關(guān)性狀指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果表明(表3)，不同組合在百粒質(zhì)量、標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率、冷浸發(fā)芽率和種子浸出液電導(dǎo)率之間均存在極顯著差異。對(duì)所測(cè)定性狀進(jìn)行GCA和SCA方差分析，結(jié)果表明，母本GCA效應(yīng)對(duì)百粒質(zhì)量和冷浸發(fā)芽率有極顯著影響，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率有顯著影響；父本GCA效應(yīng)對(duì)除種子浸出液電導(dǎo)率之外的其他性狀都有極顯著的影響；SCA效應(yīng)對(duì)所有性狀也有極顯著的影響。

表3 種子活力相關(guān)性狀的配合力方差分析

2.3 相關(guān)性分析

90個(gè)組合種子活力各性狀之間既相互獨(dú)立又存在緊密聯(lián)系，相關(guān)分析結(jié)果表明(表4)，百粒質(zhì)量與冷浸發(fā)芽率呈顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.23；說(shuō)明種子大小與冷浸發(fā)芽率關(guān)系密切，在冷浸脅迫下，大粒種子的發(fā)芽率下降較快；此外，百粒質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率、種子浸出液電導(dǎo)率呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)性未達(dá)到顯著水平。標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率與冷浸發(fā)芽率呈極顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù) 0.40)；種子浸出液電導(dǎo)率與冷浸發(fā)芽率呈顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)為0.22)，與標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率呈正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)0.19)，但不顯著。因此，高活力種子雜交組合應(yīng)該選擇標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率、冷浸發(fā)芽率和種子浸出液電導(dǎo)率為正向效應(yīng)的組合。

表4 種子活力性狀相關(guān)性分析

2.4 一般配合力(GCA)效應(yīng)分析

綜合GCA效應(yīng)各項(xiàng)指標(biāo)分析(表5)，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率、冷浸發(fā)芽率和種子浸出液電導(dǎo)率的GCA效應(yīng)值均為負(fù)向值的自交系有Xinzi6423(P5)、PHG35(P15)、Chang7-2(P12)、PHG39(P9)、Shen137(P14)、PH6WC(P1)、Xinzi618(P4)和PHW65(P13)，其中，Xinzi6423(P5)表現(xiàn)最差，其標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率、冷浸發(fā)芽率和種子浸出液電導(dǎo)率的GCA效應(yīng)值為-2.38、-47.87和-11.39。標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率、冷浸發(fā)芽率和種子浸出液電導(dǎo)率的GCA效應(yīng)值均為正向值的自交系有Xinzi3113(P10)、LM34F(P7)、516M(P18)、3564M(P17)和LH82(P16)，其中，Xinzi3113(P10)表現(xiàn)最優(yōu)，其標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率、冷浸發(fā)芽率和種子浸出液電導(dǎo)率的GCA效應(yīng)值分別為3.22、50.79和 42.20，利用這幾個(gè)自交系可組配出高活力組合。從百粒質(zhì)量的GCA效應(yīng)值可以看出，當(dāng)3個(gè)活力性狀的GCA效應(yīng)值均為正向或者負(fù)向時(shí)，百粒質(zhì)量的GCA效應(yīng)值表現(xiàn)并不 一致。

表5 一般配合力(GCA)的相對(duì)效應(yīng)值

2.5 特殊配合力(SCA)效應(yīng)分析

SCA效應(yīng)分析結(jié)果表明(表6)，P1×P14、P1×P16、P2×P17、P2×P19、P3×P15、P4×P11、P4×P13、P4×P18、P5×P18、P6×P12、P6×P14、P7×P15、P8×P12、P8×P13、P9×P12、P9×P17、P9×P18、P10×P11和P10×P13等19個(gè)組合的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率、冷浸發(fā)芽率、種子浸出液電導(dǎo)率的SCA效應(yīng)均表現(xiàn)為正向，是種子高活力雜交組合。

表6 特殊配合力(SCA)的相對(duì)效應(yīng)值

2.6 總體配合力(TCA)效應(yīng)分析

TCA效應(yīng)分析結(jié)果表明(表7)，標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率、冷浸發(fā)芽率和種子浸出液電導(dǎo)率的TCA效應(yīng)值呈正向效應(yīng)的組合數(shù)共13個(gè)，分別是P1×P16、P4×P11、P4×P18、P5×P18、P6×P14、P6×P17、P7×P14、P7×P15、P9×P18、P10×P11、P10×P13、P10×P16和P10×P18、這些組合是種子活力表現(xiàn)較高的組合。這13個(gè)組合中，有3個(gè)組合的百粒質(zhì)量TCA效應(yīng)值呈正向，占所有組合的23.1%，10個(gè)組合的百粒質(zhì)量TCA效應(yīng)值呈負(fù)向，占所有組合的76.9%，因此，相對(duì)來(lái)說(shuō)，中小粒種子的活力較高。P1×P16、P4×P11、P4×P18、P5×P18、P6×P14、P7×P15、P9×P18、P10×P11和P10×P13等9個(gè)組合的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率、冷浸發(fā)芽率和種子浸出液電導(dǎo)率的SCA效應(yīng)值和TCA效應(yīng)值均為正值；P6×P17、P10×P18的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率的SCA效應(yīng)值為負(fù)值，P7×P14、P10×P16的種子浸出液電導(dǎo)率的SCA效應(yīng)值為負(fù)值，由于這4個(gè)雜交組合父母本的GCA正向效應(yīng)值較大，使得TCA較高；P1×P14、P2×P17、P2×P19、P3×P15、P4×P13、P6×P12、P8×P12、P8×P13、P9×P12和P9×P17等10個(gè)組合的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率、冷浸發(fā)芽率、種子浸出液電導(dǎo)率的SCA效應(yīng)值均為正值，但是TCA效應(yīng)值出現(xiàn)負(fù)值。

2.7 遺傳參數(shù)估計(jì)

遺傳參數(shù)分析結(jié)果表明(表8)，4個(gè)不同活力相關(guān)性狀的環(huán)境方差都小于遺傳方差；百粒質(zhì)量和冷浸發(fā)芽率的非加性方差小于加性方差，且SCA方差小于GCA方差，說(shuō)明這2個(gè)活力相關(guān)性狀的非加性效應(yīng)小于加性效應(yīng)；而標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率和種子浸出液電導(dǎo)率的加性方差小于非加性方差，且SCA方差大于GCA方差，說(shuō)明這2個(gè)性狀的加性效應(yīng)小于非加性效應(yīng)。各活力相關(guān)性狀的廣義遺傳力從大到小順序依次為：百粒質(zhì)量，冷浸發(fā)芽率，種子浸出液電導(dǎo)率，標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率，都在84%以上；百粒質(zhì)量和冷浸發(fā)芽率的狹義遺傳力相對(duì)較高，是由于遺傳因素影響，而標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率和種子浸出電導(dǎo)率則相對(duì)較低。

表8 種子活力各性狀遺傳參數(shù)估算

3 討論與結(jié)論

在玉米育種工作實(shí)踐中，配合力是自交系利用的衡量指標(biāo)之一，分為GCA和SCA，其中，GCA是可遺傳的，而SCA是不能穩(wěn)定遺傳的[19]。TCA效應(yīng)是決定雜交組合是否有利用價(jià)值的關(guān)鍵，父母本的GCA和SCA共同決定了TCA的大小，只有兩者同時(shí)為正向效應(yīng)或者某一效應(yīng)正向值很大，才會(huì)使TCA效應(yīng)值較高[20]。本研究表明，利用GCA正向效應(yīng)值高的親本可以有效改良相應(yīng)性狀；當(dāng)SCA效應(yīng)值為正值時(shí)，表明雜交組合相應(yīng)性狀的表現(xiàn)優(yōu)于父母本的平均表現(xiàn)。本研究GCA效應(yīng)分析表明，自交系Xinzi3113(P10)、LM34F(P7)、516M(P18)、3564M(P17)和LH82(P16)表現(xiàn)優(yōu)異，是提高種子活力的高效供體親本材料。SCA效應(yīng)分析表明，雜交組合P1×P14、P1×P16、P2×P17、P2×P19、P3×P15、P4×P11、P4×P13、P4×P18、P5×P18、P6×P12、P6×P14、P7×P15、P8×P12、P8×P13、P9×P12、P9×P17、P9×P18、P10×P11和P10×P13表現(xiàn)較好。

吳立冬等[21]與彭林等[22]研究表明，GCA效應(yīng)值高的兩個(gè)自交系雜交其后代SCA未必高，而GCA低的兩個(gè)自交系雜交其后代SCA也未必低。如冷浸發(fā)芽率的SCA效應(yīng)值最高的2個(gè)組合P4×P11和P6×P14，組合中母本P4的冷浸發(fā)芽率GCA效應(yīng)值為-5.66，父本P11的冷浸發(fā)芽率GCA效應(yīng)值為2.07，母本P6的冷浸發(fā)芽率GCA效應(yīng)值為-3.62，父本P14的冷浸發(fā)芽率GCA效應(yīng)值為-17.84，可以看出，父母本的冷浸發(fā)芽率GCA效應(yīng)值并不是最高，這與二人的結(jié)論相同。因此，以GCA為基礎(chǔ)，結(jié)合SCA的選擇，是高活力品種選育的重要途徑。P1×P16、P2×P17、P5×P18、P9×P17、P4×P18、P9×P18、P10×P11、P10×P13等8個(gè)組合的3個(gè)活力性狀的SCA效應(yīng)值均為正值，其中必有一個(gè)親本的GCA效應(yīng)值全部為正值。玉米種子父母本間SCA與其自身GCA關(guān)系復(fù)雜，不能僅僅依據(jù)父母本的GCA效應(yīng)來(lái)推測(cè)F1的SCA效應(yīng)。

SCA和TCA分析表明，P1×P16、P4×P11、P4×P18、P5×P18、P6×P14、P7×P15、P9×P18、P10×P11和P10×P13等9個(gè)組合的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率、冷浸發(fā)芽率和種子浸出液電導(dǎo)率的SCA效應(yīng)值均為正值，TCA效應(yīng)值亦為正值；另外，P6×P17、P7×P14、P10×P16、P10×P18的SCA效應(yīng)值較小，但組合雙親GCA效應(yīng)值較大，使其TCA效應(yīng)值較大。前人[3,23]關(guān)于玉米種子活力配合力的研究，一般利用GCA與SCA綜合評(píng)價(jià)，對(duì)雙親的TCA考慮不足，沒(méi)有充分分析其利用價(jià)值，如崔超等[20]研究表明TCA可作為選育氮高效雜交組合的理論依據(jù)，薛小雁等[4]研究表明TCA效應(yīng)可以準(zhǔn)確評(píng)估雜交組合的種子活力水平。本研究中，組合P10×P16和P10×P18的3個(gè)親本的3個(gè)活力性狀的GCA均為正值，TCA亦為正值，因此，這兩個(gè)組合Xinzi3113(P10)×LH82(P16)和Xinzi3113(P10)×516M(P18)在種子高活力育種中價(jià)值較高。

遺傳力反映的是親代性狀傳遞給后代能力的大小，通過(guò)遺傳力分析可以預(yù)測(cè)目標(biāo)性狀的有效選擇世代[24]，廣義遺傳力高表明該性狀表型變異由遺傳決定的比例大，表型值受環(huán)境影響小，而狹義遺傳力高表明該性狀在后代的穩(wěn)定性高[25-26]。本研究中，4個(gè)性狀的廣義遺傳力高于84%，冷浸發(fā)芽率和百粒質(zhì)量的狹義遺傳力比較高，標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率和種子浸出電導(dǎo)率的狹義遺傳力比較低，其中百粒質(zhì)量和冷浸發(fā)芽率主要由基因加性效應(yīng)決定，可以在早代對(duì)其選擇，而標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽率和種子浸出液電導(dǎo)率主要受非加性基因控制，宜在晚代選擇。育種家普遍認(rèn)為，中小粒種子更容易獲得高活力，但本研究中，百粒質(zhì)量只與冷浸發(fā)芽率呈顯著負(fù)相關(guān)，3個(gè)活力性狀的GCA效應(yīng)值均為正向或者負(fù)向時(shí)，百粒質(zhì)量的GCA效應(yīng)值表現(xiàn)并不與其一致，這與石海春等[27]及佘寧安等[28]的結(jié)論一致。因此，百粒質(zhì)量作為衡量種子活力大小的一個(gè)直觀表型并不可靠。因此，在高活力玉米自交系的改良選育中，應(yīng)根據(jù)育種目標(biāo)，在不同世代選擇不同的活力性狀。