吳元奇，唐 蘭，邱貴蘭，李若楠，王 偉，趙 麗，張艷茹

（四川農(nóng)業(yè)大學玉米研究所，成都 611130）

玉米是我國也是世界上重要的糧食作物之一[1]，隨著21世紀土地面積的不斷減少，對玉米單位面積產(chǎn)量的要求也不斷提高。以美國為代表的發(fā)達國家的生產(chǎn)研究表明，通過提高單位面積的種植密度是提高玉米產(chǎn)量的有效途徑。株高是農(nóng)藝性狀中制約玉米種植密度最重要的因素之一[2]，并且還影響到玉米的抗倒伏性和收獲指數(shù)[3]。此外，節(jié)間長度和節(jié)間數(shù)目作為影響株高的關(guān)鍵因素，也將影響植物的結(jié)構(gòu)。矮稈玉米主要通過縮短節(jié)間長度和減少節(jié)間數(shù)目來實現(xiàn)，同時矮稈玉米莖節(jié)間強勁，不易折斷[4]。在“綠色革命”中半矮稈基因和矮稈基因的發(fā)現(xiàn)，使得糧食產(chǎn)量有了顯著的提高[5]，尤其是半矮稈基因SD1和矮稈基因Rht的引入，分別極大地提高了水稻和小麥的產(chǎn)量[6]，矮稈基因逐漸也在玉米、大麥和高粱等[7-11]被大量利用，顯著提高了世界谷類作物的產(chǎn)量，植株矮化成了作物育種上最有利用價值的性狀之一。近年來，與作物株高或節(jié)間長度相關(guān)的基因和數(shù)量性狀基因座(QTLs)不斷被報道和表征，并日益展現(xiàn)出來巨大的應(yīng)用潛力。

株高是玉米的農(nóng)藝性狀之一由主基因+多基因控制，有學者認為主基因+多基因應(yīng)包含在數(shù)量遺傳之內(nèi)[12]。聯(lián)合分離分析(JSA)是一種通過同時使用多代表型信息來擬合分離模型的最大似然方法[13]，混合主基因+多基因遺傳模型是以Elston的一個主基因+多基因遺傳理論為基礎(chǔ)予以推導出來的[14]。這個理論解釋了一些經(jīng)典孟德爾遺傳學無法解釋的數(shù)量性狀遺傳。主基因+多基因模型已經(jīng)廣泛應(yīng)用于水稻、玉米和大豆等農(nóng)作物，但主基因+多基因模型在矮稈玉米的研究中較少[15]。本文試圖通過對我們新發(fā)現(xiàn)的一個矮稈白玉米株高的6個世代的聯(lián)合分析，解析矮稈株高性狀的遺傳模型，估算其遺傳效應(yīng)，為研究其矮稈基因奠定基礎(chǔ)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料與田間設(shè)計

本試驗被測種為白玉米矮生材料8227，該材料是將矮稈四不像和普通白玉米雜交，再與普通白玉米經(jīng)過多次回交并自交獲得；該自交系遺傳穩(wěn)定且無不良連鎖遺傳性狀，田間綜合表現(xiàn)良好，具有較大利用價值。測驗種為2份中稈自交系8009和8087，以上材料均由四川農(nóng)業(yè)大學玉米研究所提供。

試驗于2017年在四川雅安濆江農(nóng)場試驗田進行，春播種植8009/8227（組合Ⅰ）、8227/8009（組合Ⅱ）、8087/8227（組合Ⅲ）和8227/8087（組合Ⅳ）的親本P1、P2，并組配F1；2017年秋在云南播種其F1及及其親本，正反交組合的F1和各自的親本回交分別得到 B1(F1×P1)，B2(F1×P2)，雜交種 F1自交得到 F2，至此8227×8009、8009×8227、8227×8087、8087×8227組合的6世代（P1、P2、F1、B1、B2和F2）均已構(gòu)建好。

2018年春，將上述4個雜交組合的P1、P2、F1、B1、B2和F2分別種植于新津、雅安和自貢3個環(huán)境。3個地點全部采用隨機區(qū)組試驗，行長3.5 m，行距80 cm，株距50 cm，每行7窩，每窩2株，種植密度約50 000株/hm2。P1、P2和F1均2行區(qū)種植；B1、B2和F2分別為4、4和7行區(qū)種植。新津點因試驗用地缺少設(shè)置2次重復(fù)外，雅安、自貢2點均設(shè)置3次重復(fù)，常規(guī)田間管理。

1.2 取樣調(diào)查

3個地點（新津、雅安和自貢）的各組合的株高于灌漿期進行調(diào)查，測量株高時邊行的單株舍棄不測量（避免邊際效應(yīng)），選取中間生長正常的植株進行調(diào)查；各個組合的P1、P2和F1調(diào)查均為10株，B1、B2和F2世代分別調(diào)查為30、30和40株。

1.3 統(tǒng)計分析

根據(jù)蓋鈞鎰和章元明等[16-17]提出的“六世代主基因+多基因聯(lián)合的數(shù)量性狀分離分析方法”，研究玉米正反交組合株高主基因+多基因的遺傳規(guī)律。包括24類遺傳模型：分別為1對主基因（A模型）、2對主基因（B模型）、多基因（C模型）、1對主基因+多基因（D模型）和2對主基因+多基因（E模型）。其分析軟件由南京農(nóng)業(yè)大學章元明教授提供。當多基因模型具有上位性效應(yīng)時，其一階遺傳參數(shù)由E.E.Gamble[18]提出的6參數(shù)模型計算。

2 結(jié)果與分析

2.1 表型分析

白玉米矮生材料8227與2份綜合性狀優(yōu)良的自交系8009和8087按Mather & Jinks[19]的方法組配的正反交6世代，考察其在新津、雅安和自貢3個試點的株高性狀，白玉米矮稈8227（P1）與中稈8009和8087（P2）組配正交6世代；中稈8009和8087（P1）與白玉米8227（P2）組配反交6世代。如表1-2。

表1 12組合正反交6世代株高平均值Table1 The average plant height of 6 generations in 12 crosses

表2 12組合正反交6世代株高平均值表現(xiàn)Table 2 The average plant height of 6 generations in 12 crosses

從組合I、II的正反交不分離世代P1、P2和F1，可以看出F1、RF1表現(xiàn)明顯的雜種優(yōu)勢，P2正反交株高在地點間都表現(xiàn)為極顯著差異；就正反交分離世代B1、B2和F2，對于B2、RB2代在雅安、新津2個試點均表現(xiàn)為中親遺傳；RF2、F2分離世代，株高均矮于F1代的株高，表現(xiàn)為自交衰退。

從III、IV的不分離世代正反交P1、P2和F1，可以看出RF1、F1株高表現(xiàn)明顯的雜種優(yōu)勢，RF1在3地點株高表現(xiàn)出極顯著差異，P1、RP2株高在3個地點都表現(xiàn)出極顯著差異，從正反交分離世代B1、B2和F2，可以看出RB1在3地點也表現(xiàn)出極顯著差異，F(xiàn)2、RF2株高都矮于F1、RF1的株高，表現(xiàn)為自交衰退，其他分離世代正反交株高較穩(wěn)定。

2.2 2組合地點間正反交12世代頻數(shù)分布

從3環(huán)境下2組合正反交12世代玉米株高次數(shù)分布（圖1）可以看出，8227×8009組合和8087×8227組合親本和雜交后代都表現(xiàn)為單偏態(tài)分布，兩組合在地點間 B1、RB1都為單偏態(tài)分布，B2、RB2在新津、雅安和自貢3個點正反交都表現(xiàn)為雙峰偏態(tài)分布，8227×8009組合的F2、RF2在新津、自貢和雅安地點間都基本表現(xiàn)為雙峰偏態(tài)分布，8087×8227在F2、RF2在新津的雙峰表現(xiàn)的雙峰偏態(tài)分布不明顯，在雅安和自貢表現(xiàn)的雙峰偏態(tài)較明顯。

圖1 12組合正反交6世代株高頻數(shù)分布Figure 1 The frequency distribution of plant height in 6 generations of 12 combinations

2.1.3 株高的最適模型

從表3可以看出，于雅安點，組合8227×8087和8227×8009 AIC最小值其模型均為E-1，其余兩個組合8009×8227和8087×8227的AIC最小值的模型均為D模型。在新津點，組合8227×8009和8227×8087的AIC最小值均為D模型，其他兩個組合8009×8227和8087×8227的AIC最小值模型分別E-1和D-3。在自貢點組合8227×8087的AIC最小值表現(xiàn)為D模型，8227×8009、8009×8227和8087×8227的AIC最小值分別為E、E-1和E-3模型。

表3 2組合正反交株高遺傳模型的適合性檢驗結(jié)果Table 3 The results of suitability test of the genetic model of plant height in 2 crosses

2.1.4 遺傳參數(shù)的估計

從表5可以看出，在新津組合8227×8009的株高由1對加性-顯性主基因與加性-顯性-上位性多基因控制，表現(xiàn)為D模型。1對主基因的加性效應(yīng)值為-36.2呈負向效應(yīng)，顯性效應(yīng)值為63.1呈正向遺傳效應(yīng)，主基因遺傳率在B1世達最大、F2世代次之，分別為91.9%、82.0%。雅安為2對主基因由顯性-上位性主基因和加性-顯性多基因控制，符合E-1模型。其2對主基因加性效應(yīng)值均為-18.3呈負效應(yīng)，2對主基因的顯性效應(yīng)值分別為99.1、99.3呈正向效應(yīng)。在兩對主基因中的上位性中，顯性×顯性互作效應(yīng)較大且為負向。主基因遺傳率在B1、F2世代較大，分別為88.2%、91.5%。在3地點間多基因遺傳效應(yīng)較小。自貢點受2對主基因-顯性-上位性主基因控制，表現(xiàn)為E模型。其2對主基因加性效應(yīng)值均為-28.1具有負向效應(yīng)，第1對主基因的顯性效應(yīng)值為48.6具有正向效應(yīng)，第2對主基因顯性效應(yīng)值為-12.3，具有負向效應(yīng)，其主基因遺傳率在B1、F2世代較大，分別為89.5%、92.8%，在3地間表現(xiàn)出較強的主基因遺傳力，且表型方差占比顯著大于環(huán)境方差。

表4 2組合正反交株高遺傳模型的適合性檢驗結(jié)果Table 4 The results of suitability test of the genetic model of plant height in 2 crosses

表5 8227×8009組合正反交株高最優(yōu)模型遺傳參數(shù)的估計Table 5 Estimates the genetic parameters×the high optimal model of 8227 and 8009 positive and inverse strains

新津和自貢2點的組合8009×8227其株高的遺傳模型都由2對主基因-顯性-上位性模型和加性-顯性多基因控制，為E-1模型。其兩對主基因加性效應(yīng)值均為20.2具有正向效應(yīng)，顯性效應(yīng)值分別為-6.0、-44.6呈負向效應(yīng)；在新津其主基因顯性效應(yīng)較自貢值較大，在新津點其主基因遺傳率B2、F2較大，為93.9%、93.0%；而在自貢點其主基因遺傳率為89.8%、86.7%。該組合在雅安點受1對加性-顯性主基因和加性-顯性-上位性多基因控制，與D模型一致。且1對主基因的加性效應(yīng)值和顯性效應(yīng)值分別為51.2、29.6均呈正向效應(yīng)，主基因B2、F2遺傳率較大，分別為73.4%、85.6%。在3個地點間雅安、自貢的環(huán)境方差較大，新津的環(huán)境方差占比較小，3地點間相對來說表型方差占主要比值。

由表6可以看出，新津和自貢2點的組合8227×8087其株高遺傳模型都受1對加性-顯性主基因和加性-顯性-上位性多基因控制，與D模型一致。1對主基因在新津和自貢的加性效應(yīng)值分別為-27.3和-40.7均呈負向遺傳效應(yīng)，其顯性效應(yīng)值分別為52.1和34.9均呈正向效應(yīng)，新津點的主基因遺傳率B1、B2和F2為88.5%、54.3%和74.9%；自貢主基因遺傳率B1、B2和F2分別為82.9%、2.6%和71.5%，B2在雅安多基因遺傳為53.5%相比另外兩個地點遺傳效應(yīng)較高。雅安受2對加性-顯性-上位性主基因和加性-顯性-上位性多基因控制，為E模型。2對主基因加性效應(yīng)值均為-16.4呈負向效應(yīng)，其顯性效應(yīng)值分別為49.9和15.1具有正向效應(yīng)，主基因遺傳率B1、B2和F2為61.4%、1.4%和59.4%，主基因之間的加性×加性互作效應(yīng)為正值，顯性×顯性互作效應(yīng)為負值，環(huán)境方差在雅安較高，在其他兩地點值較低，表型方差在3地點值都較高。

表6 組合8227×8087株高正反交組合最優(yōu)模型遺傳參數(shù)的估計Table 6 Estimates of the genetic parameters of the optimal model of the combination 8227×8087 high positive and inverse combinations

組合8087×8227的株高在新津點受1對完全顯現(xiàn)主基因和加性-顯性多基因控制，與D-3模型一致。主基因加性效應(yīng)和顯性效應(yīng)累計值均為39.8呈正向效應(yīng)，主基因遺傳率B2、F2較大為84.2%、74.6%，B1以多基因遺傳為主為50%。雅安受1對加性-顯性主基因和加性-顯性-上位性多基因控制，為D模型。1對主基因的加性效應(yīng)值和顯性效應(yīng)值分別為28.1與51.0呈正向效應(yīng)，上位性效應(yīng)中顯性×顯性互作效應(yīng)較大為負向，主基因遺傳率B1、B2和F2為21.0%、81.2%和78.1%。自貢點受2對加性主基因和加性-顯性多基因控制，與E-3模型一致。主基因遺傳率B1、B2和F2為8.8%、78.4%和79.0%。3個地點間雅安、自貢的環(huán)境方差較大，新津的環(huán)境方差值較低。

3 討論與討論

3.1 該矮生玉米的株高屬于主基因+多基因遺傳模型

根據(jù)前人不同的試驗材料研究表明玉米株高為主基因+多基因控制的數(shù)量性狀，根據(jù)株高遺傳模型其最少有一對到兩對主效基因+微效多基因控制，不同的多種遺傳結(jié)構(gòu)模型可合理地解釋群體在玉米高度上的差異。由本試驗兩組正反交世代樣本頻數(shù)分布研究表明，正反交P1、P2、F1和B1總體表現(xiàn)為單峰偏態(tài)分布，而正反交B2和F2總體表現(xiàn)為雙峰分布，研究結(jié)果表明玉米株高遺傳存在1對或2對主基因及微量多基因遺傳。

3.2 該矮生玉米的株高遺傳可能因遺傳背景、環(huán)境、組合不同而有所差異

本研究通過將白玉米矮生材料8227和自交系8009、8087組配正反交組合6世代，對1年3點共計12組合的株高進行了遺傳分析，結(jié)果顯示12組合的株高與5種遺傳模型一致，D（5個組合）；E-1（3個組合）；E（2個組合）；D-3（1個組合）；E-3（1個組合），由此可見，12組合玉米株高的模型不一致，在正反交組合之間，或者相同組合在不同地點中的表現(xiàn)以及不同組合在相同地點中的表現(xiàn)，玉米株高的遺傳模型都存在著一定的差異性。J.A.Peiffer[20]運用蓋鈞鎰的主基因+多基因的數(shù)量模型在多環(huán)境下對株高進行了聯(lián)合世代分析，研究結(jié)果因環(huán)境的不同而不盡相同。本研究與許多學者[21-24]的研究發(fā)現(xiàn)相一致，株高的遺傳表現(xiàn)為主基因+多基因混合遺傳。王鐵固等[21]研究發(fā)現(xiàn)，組合Ⅰ、Ⅱ株高的遺傳，春播以主基因為主，夏播則以多基因為主。何文昭等[22]以鄭58和HD568組配得到的220個重組自交系，在3個環(huán)境下對株高和穗位高的遺傳特性進行剖析，對株高而言，在環(huán)境Ⅰ（2015年夏，河南新鄉(xiāng)）符合F-2遺傳模型，而在環(huán)境Ⅱ（2016年，夏河南新鄉(xiāng)）和環(huán)境Ⅲ（2016年春，吉林公主嶺）則符合G-0遺傳模型；對穗位高，在環(huán)境Ⅰ和Ⅱ符合F-2遺傳模型，而在環(huán)境Ⅲ符合G-0遺傳模型；該結(jié)果均說明株高和穗位高的遺傳模型受環(huán)境的影響很大。蔣鋒等[24]利用甜玉米為材料的研究中發(fā)現(xiàn)株高的最適模型為E-0。許瑩瑩等[25]利用玉米自交系K12和Fc521研究發(fā)現(xiàn)在正交組合中，E-1模型為株高的最適模型，D-2模型為穗位高的最適模型；在反交組合中，株高的最適模型為E-3，穗位高的最適模型為D-2。但本試驗與少數(shù)研究者[25-26]的結(jié)果不相同，他們發(fā)現(xiàn)株高遺傳規(guī)律為多基因控制，不存在主基因效應(yīng)。趙剛等[26]在研究微胚乳超高油玉米時，對2個組合株高的進行遺傳分析，研究表明株高在組合I中的最適模型為C模型。彭靜等[27]以玉米自交系092作母本，51作父本，研究發(fā)現(xiàn)株高的最適模型為C模型。因此玉米的株高遺傳因不同的遺傳背景、環(huán)境和組合而有所差異。

3.3 該矮生玉米的株高遺傳存在有一定的母體效應(yīng)

組合8227×8009和8009×8227不僅在遺傳模型存在一些差異，而且其遺傳效應(yīng)差異還十分明顯，從而說明存在一定的母體效應(yīng)，該組合8227×8009，在新津、雅安和自貢模型為D、E-1和E模型，組合8009×8227在新津、雅安和自貢模型則分別為E-1、D和E-1；組合8227×8009在B1、B2和F2世代不同地點主基因遺傳效應(yīng)值都較大，而8009×227在B1以多基因遺傳效應(yīng)較大，其可能受環(huán)境的影響，也存在一定的母體效應(yīng)，其B2、F2則以主基因遺傳為主；8227×8009中，一階各項遺傳參數(shù)在自貢、新津均大于8009×8227組合，雅安點相反，說明聯(lián)合世代分析其親本不同也會對模型結(jié)果產(chǎn)生影響，并且也受一定的環(huán)境影響，如果多基因主要集中在母本就會相應(yīng)的增加多基因的遺傳效應(yīng)，由于其主基因遺傳效應(yīng)值在親本間遺傳效應(yīng)相對較穩(wěn)定，因此不會由于親本不同而受到影響。

對于組合8227×8087和8087×8227不同組合、不同地點之間也表現(xiàn)出模型的差異，在組合8227×8087在地點間符合D、E和D模型，組合8087×8227在3個地點分別符合D-3、D和E-3模型。組合8227×8087遺傳參數(shù)，3個地點的加性效應(yīng)都為正值，8087×8227組合則都為負值；就其遺傳率在自貢和新津試點而言，對于8227×808組合，B1和F2代的選擇效率相對最高；對于8087×8227組合，則以B2和F2代的選擇效率最高，該結(jié)果表明株高性狀受環(huán)境影響小，宜在早期世代進行選擇，趙延明[23]他認為株高受環(huán)境影響大，宜在晚代進行選擇，造成兩組合選擇效率最高世代不一致的原因可能是株高性狀受細胞質(zhì)遺傳的影響，綜上所述，初步判斷該矮生玉米株高在不同組合正反交的遺傳效應(yīng)中存在一定的母質(zhì)效應(yīng)。

3.4 主基因加多基因六世代聯(lián)合的數(shù)量性狀分離分析方法是探明白玉米矮生自交系株高的可行方法

本研究發(fā)現(xiàn)表明株高遺傳以主基因為主，多基因為輔，且主基因效應(yīng)值都比較高，還存在加性和顯性效應(yīng)，顯性效應(yīng)最大效應(yīng)值為99.32，加性效應(yīng)最大效應(yīng)值為-40.71；上位性效應(yīng)則因組合而異，這可能與試驗材料不同有關(guān)。這與趙延明[23]的結(jié)果相一致，但與霍仕平等[28]的玉米株高以加性效應(yīng)為主的結(jié)果相反。該矮生玉米符合主基因加多基因的聯(lián)合分離分析方法，探明了矮生玉米的遺傳效應(yīng)，其至少有一對到兩對主基因控制，存在微量的多基因遺傳，該性狀的遺傳模式進行分析時，應(yīng)考慮株高的遺傳受試驗材料、環(huán)境和母體效應(yīng)的影響，從而做出正確的遺傳分析結(jié)果。本研究對白玉米矮生新材料8227的株高進行了較為全面的分析，發(fā)現(xiàn)該自交系在株型育種上具有較大的應(yīng)用前景，并掌握了其遺傳規(guī)律，為后面進一步基因定位和分析鑒定了基礎(chǔ)。