雜交玉米品種內(nèi)在性狀及基因表達的施肥原理

褚清河

（山西省農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與經(jīng)濟研究所，山西太原030006）

自從18 世紀中葉德國植物學家科爾羅伊特創(chuàng)立科學的雜交方法[1]、1843 年德國化學家李比希提出土壤施肥最小因子理論[2]以及世界農(nóng)業(yè)在經(jīng)歷糧食產(chǎn)量3 次大突破的“綠色革命”[3]以來，作物品種產(chǎn)量潛力水平的發(fā)揮必須借助于施肥量增加成為農(nóng)業(yè)工作者的共識。然而，世界土壤施肥技術(shù)研究至今仍停留在經(jīng)典施肥理論基礎(chǔ)上的土壤最大施肥量上，至今沒有去深入研究施肥為什么具有增產(chǎn)作用，土壤施肥為什么不能無限制地增加施肥量以及作物單位面積產(chǎn)量為什么與土壤施肥量存在一定的函數(shù)關(guān)系等問題[4-5]；作物育種也僅限于研究植株性狀與高產(chǎn)品種選育的關(guān)系，而沒有去研究施肥為什么能發(fā)揮作物品種的產(chǎn)量潛力水平以及作物品種是否存在決定施肥增產(chǎn)作用的內(nèi)在性狀問題[6]。近年來，筆者就生產(chǎn)中推廣作物品種的產(chǎn)量潛力越來越高，但增加化肥施用量卻不再具有增產(chǎn)作用的相關(guān)問題進行了研究。

1996—1997 年筆者進行的施肥理論技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，同一玉米品種不同土壤肥力地塊玉米獲得最高產(chǎn)量時的土壤最大施肥量截然不同，如忻州試驗地的玉米最高產(chǎn)量施氮量為90 kg/hm2，而長治試驗地則為112 kg/hm2，表明不同肥力水平的土壤具有不同的最大施肥量[7]；試驗同時還發(fā)現(xiàn)，土壤種植玉米存在氮高磷低、磷高氮低的養(yǎng)分類型和最佳施肥比例規(guī)律，忻州玉米試驗田氮磷最佳施肥比例為1∶1，而長治玉米試驗田為1∶0.667，而且同一土壤種植不同作物最佳施肥比例也各不相同，表明土壤養(yǎng)分類型是作物氮磷養(yǎng)分的耐肥性特性對土壤氮磷養(yǎng)分含量高低反映的一種表現(xiàn)形式[8-9]。2005 年玉米施肥研究進一步表明，種植玉米土壤最大施肥量為238 kg/hm2、施氮量為75 kg/hm2時的氮肥利用率為61.5%，當施氮量達到300 kg/hm2后，氮肥利用率降到36.6%，說明玉米品種施氮量存在一個由耐肥性決定的最大施氮量限度，即耐肥性[10]；試驗同時表明，最佳氮磷施肥比例顯著影響植株體內(nèi)氮磷養(yǎng)分的吸收轉(zhuǎn)化[7，10]，土壤最大施肥量等于或接近玉米品種最大施肥量且為最佳氮磷施肥比例時，玉米氮肥利用率和生理利用率分別達到81.5%和31.4%的最大值。2005—2011 年在山西省農(nóng)業(yè)科學院玉米研究所農(nóng)場選用5 個不平衡施肥（非最佳氮磷施肥比例）下選育的父母本在平衡與不平衡施肥條件下進行了雜交制種，而后在不平衡施肥條件下進行的產(chǎn)量比較試驗表明，不平衡施肥條件種植的平衡施肥下雜交的玉米品種，品種間植株性狀的方差分析多數(shù)達到顯著和極顯著差異水平，但產(chǎn)量的方差分析無顯著差異，這就提示植株性狀并非是決定作物品種產(chǎn)量潛力水平的因素[11]，而施肥量和最佳施肥比例相應(yīng)的內(nèi)在性狀才是決定作物品種產(chǎn)量潛力水平的要素。近年來一些施肥研究也發(fā)現(xiàn)，推廣玉米品種存在耐高氮和磷高效與低效品種[12-15]，但至今還未見把施肥應(yīng)用于高產(chǎn)品種選育理論研究的報道。

為了進一步探索決定玉米品種產(chǎn)量潛力水平的內(nèi)在性狀及其基因表達的施肥原理，本試驗于2015 年開始在山西不同生態(tài)區(qū)進行研究。

1 材料和方法

1.1 試驗地概況

玉米田間多點試驗選擇在山西省不同生態(tài)區(qū)的垣曲縣、汾陽市和榆次區(qū)東陽鎮(zhèn)進行。不同試驗點均采取土壤0～20 cm 表層混合樣品進行土壤養(yǎng)分測定，其測定結(jié)果列于表1。

表1 不同試驗點土壤養(yǎng)分測定結(jié)果

1.2 試驗材料

供試作物為玉米，不同縣市供試玉米品種列于表2。

表2 2015—2016 年垣曲縣、汾陽市供試玉米品種

玉米父母本原始材料為A1、B1（鑫源596）；A2、B2（強盛2 號）；A3、B3（品玉208）；A4、B4（品玉188），4 個玉米原始材料在3 種施肥處理條件下雜交制種共獲得12 個雜交組合品種，聯(lián)創(chuàng)808 為玉米品比試驗對照。氮肥選用尿素（含氮46%），磷肥為普通過磷酸鈣（含五氧化二磷14%）。

1.3 試驗方法

不同縣市玉米肥料田間試驗均采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計。2015 年垣曲、汾陽均為7 個玉米品種與3 種施肥方式組成的21 個處理；2016 年汾陽市試驗為13 個玉米品種與3 種施肥方式組成的39 個處理。2015 年垣曲縣玉米品種耐肥性試驗，3 個施肥水平分別為處理1.尿素195.6 kg/hm2，普通過磷酸鈣429.0 kg/hm2；處理2. 尿素391.3 kg/hm2，普通過磷酸鈣857.1 kg/hm2；處理3.尿素782.6 kg/hm2，普通過磷酸鈣1 714.2 kg/hm2。汾陽市試驗點3 個施肥水平分別為尿素（423.9 kg/hm2）、普通過磷酸鈣（1 392.9 kg/hm2）和尿素與普通過磷酸鈣配施（423.9，1 392.9 kg/hm2）。2015 年小區(qū)面積為33.3 m2，2016 年小區(qū)面積為20 m2。垣曲縣和汾陽玉米播種期分別為5 月13 日和5 月1 日，收獲期分別為10 月5 日和10 月1 日。

2016 年汾陽玉米品種比較試驗的3 種施肥處理的施肥量為尿素423.9 kg/hm2、普通過磷酸鈣1 392.9 kg/hm2和尿素423.9 kg/hm2、普通過磷酸鈣1 392.9 kg/hm2，共39 個處理。試驗小區(qū)面積為20 m2，留苗6.6 萬株/hm2。

田間試驗采用隨機區(qū)組排列、3 次重復(fù)的設(shè)計方法，試驗所需肥料均在耕地前撒施地表耕翻入土，試驗小區(qū)均全部收獲記載產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

試驗數(shù)據(jù)測定結(jié)果以平均值表示，采用SPSS軟件進行不同品種施肥處理間差異顯著性檢驗，采用新復(fù)極差法進行多重比較檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同玉米品種最高產(chǎn)量施肥量及其實質(zhì)分析

基于2015 年垣曲縣玉米施肥量與產(chǎn)量試驗結(jié)果，以施肥量為橫坐標，玉米產(chǎn)量為縱坐標作圖并進行拋物線回歸分析，曲線如圖1～7 所示。從圖1～7 可以看出，不同玉米品種產(chǎn)量隨施氮量增加變化趨勢各不相同，其中，聯(lián)創(chuàng)808 和潞玉39 的拋物線圖形彎曲度較大，而金滿囤和先玉335 的拋物線圖形彎曲度相對較小，農(nóng)華101 和中科11 的產(chǎn)量曲線幾乎為線性增加型和逐漸降低型直線，表明不同玉米品種單位肥料的增產(chǎn)量各不相同，尤其是多數(shù)玉米品種試驗獲得的最高產(chǎn)量施肥量遠遠偏離試驗設(shè)計的土壤最大施肥量，其偏離程度也各不相同，說明玉米品種各自存在一個由內(nèi)在特性決定的最大施肥量，而最大施肥量所反映的是玉米品種對施肥量的耐受程度。由分析結(jié)果可知，在試驗設(shè)計的相同土壤最大施肥量和最佳施肥比例試驗情況下，用傳統(tǒng)方法[16]計算的不同玉米品種最高產(chǎn)量施肥量各不相同，且玉米最大施肥量高產(chǎn)量水平一般也高，顯然，玉米品種的最高產(chǎn)量施肥量就是玉米施肥量耐受程度極限量的外在施肥表現(xiàn)形式，稱這一內(nèi)在性狀為耐肥性；分析還說明，同一玉米品種不同肥力水平土壤單位面積產(chǎn)量是土壤最大施肥量和作物最大施肥量二者協(xié)調(diào)的結(jié)果[7]，本試驗不同玉米品種在3 種施肥方式下產(chǎn)量間的方差分析未達顯著標準，土壤最大施肥量與玉米品種最大施肥量不匹配是造成不同玉米品種間產(chǎn)量無顯著差異的主要原因。

2.2 不同玉米品種氮磷配施與單施的內(nèi)在特性分析

由表3 可知，汾陽市不同玉米品種產(chǎn)量試驗結(jié)果的方差分析F＝1.855*（F0.05＝1.855，F(xiàn)0.01＝2.405），達到顯著差異水平。其中，先玉335 玉米品種氮磷配施的產(chǎn)量為9 523.6 kg/hm2，顯著高于氮、磷單施；而齊單6 玉米品種以單施磷肥的產(chǎn)量最高，為7867.5kg/hm2，高于玉米氮磷配施的產(chǎn)量水平，說明玉米品種存在氮磷單施和配施的營養(yǎng)遺傳特性[17-18]。

表3 2015 年汾陽市不同玉米品種氮磷配施與單施效應(yīng)比較試驗結(jié)果 kg/hm2

由表4 可知，2016 年汾陽市不同玉米品種氮磷單施和配施產(chǎn)量結(jié)果的方差分析F＝7.061**，表明同一玉米品種不同施肥處理的產(chǎn)量具有顯著差異。其中，登海605 玉米品種氮磷配施的產(chǎn)量顯著高于氮、磷單施，分別較氮、磷單施增產(chǎn)19.8%和17.5%，且差異達顯著水平；而京科665 和金滿囤玉米單施磷的玉米產(chǎn)量顯著高于單施氮和氮磷配施，京科665 分別較單施氮和氮磷配施顯著增產(chǎn)26.8%和39.2%，金滿囤分別較單施氮和氮磷配施增產(chǎn)31.3%和34.7%。試驗進一步說明，玉米品種氮磷單施和配施是決定玉米品種產(chǎn)量潛力水平的內(nèi)在性狀，雜交玉米存在由內(nèi)在特性決定的氮、磷單施和配施特性品種，定義這一內(nèi)在性狀為養(yǎng)分利用效率性狀。由此可見，玉米品種的養(yǎng)分利用效率性狀也是決定作物品種產(chǎn)量潛力水平的重要性狀[7，10]，該性狀通常通過土壤最佳施肥比例基因進行表達。

表4 2016 年汾陽市不同玉米品種氮磷配施與單施效應(yīng)比較試驗結(jié)果 kg/hm2

2.3 雜交玉米品種內(nèi)在性狀及其基因表達的施肥原理分析

雜交玉米品種耐肥性和養(yǎng)分利用效率性狀形成及其氮磷基因表達的施肥原理，可通過比較同一父母本在氮、磷單施及其二者配施條件下雜交玉米品種分別在氮、磷單施及其二者配施條件下種植的產(chǎn)量試驗結(jié)果得到說明（表5）。從表5 可以看出，F(xiàn)＝2.853**（F0.05＝1.69，F(xiàn)0.01＝2.10），表明施肥顯著影響品種性狀基因的表達和產(chǎn)量潛力水平的發(fā)揮。其中，鑫源596 父母本（A1、B1）氮、磷單施條件下雜交制種的玉米品種單施氮種植產(chǎn)量高于單施磷和氮磷配施種植，而相同父母本（A1、B1）氮磷配施制種的雜交品種氮磷配施種植產(chǎn)量則明顯高于氮、磷單施，氮磷配合施用種植的玉米產(chǎn)量為8 580.0 kg/hm2，分別較氮、磷單施種植提高9.2%和11.1%。現(xiàn)代作物營養(yǎng)遺傳特性研究證明，基因是控制生物生長發(fā)育性狀的基本功能單位[19]，顯然前述的玉米氮、磷單施和配施的養(yǎng)分吸收性狀是由相應(yīng)基因控制的，鑫源596 父母本氮磷單施雜交制種品種單施氮種植產(chǎn)量明顯高于單施磷，而氮磷配施雜交品種氮磷配施種植則顯著高于氮、磷單施，一方面說明鑫源596 父母本本身只含有氮磷配施基因和單施氮營養(yǎng)遺傳特性基因；另一方面說明氮、磷單施或配施基因是父母本固有的，在無相應(yīng)施肥因素激活的情況下，通常處于休眠狀態(tài)或孟德爾所說的隱性狀態(tài)，合理施肥量下肥料的施用對相應(yīng)基因具有激活作用，施肥可使隱性基因轉(zhuǎn)化為顯性基因。從表5可以看出，鑫源596 父母本氮磷配施制種品種氮磷配施種植的玉米產(chǎn)量（8 580 kg/hm2）顯著高于單施氮條件下雜交制種品種氮磷配合施用種植的產(chǎn)量（6 160.0 kg/hm2）水平，也明顯較相同父母本單施磷制種品種氮磷配施種植的產(chǎn)量（7 590.0 kg/hm2）水平，說明在父母本氮、磷單施基因耐肥性較小的情況下，氮磷配施制種和種植的增產(chǎn)效果大于單施[7]，同時說明玉米品種的養(yǎng)分利用效率是由氮磷配施基因決定的。氮磷配施與氮、磷單施基因是玉米品種父母本固有的，土壤氮磷配施是養(yǎng)分利用效率內(nèi)在性狀的外在施肥表現(xiàn)形式[20-24]。

表5 2016 年汾陽市同一玉米父母本氮磷單施與配施雜交品種在相應(yīng)施肥條件下種植的產(chǎn)量試驗結(jié)果 kg/hm2

強盛2 號氮磷配施雜交制品種以氮磷配施種植的玉米產(chǎn)量最高，玉米產(chǎn)量為9 856.0 kg/hm2，分別較氮、磷單施種植提高3.9%和4.2%，但父母本單施磷雜交制種品種卻以單施氮種植的產(chǎn)量水平（11 528.0 kg/hm2）最高，明顯高于氮磷配施制種品種氮磷配施種植的產(chǎn)量水平，說明強盛2 號父母本也僅含有氮磷配施和單施氮營養(yǎng)遺傳特性基因，同時表明父母本對氮的耐肥性高于其他品種的父母本[13-14]，耐肥性確實是主導(dǎo)雜交玉米品種產(chǎn)量潛力水平的內(nèi)在性狀。分析表明，雜交玉米品種的父母本只有含有相同性狀的激活態(tài)基因才能實現(xiàn)有效雜交，而只有其中一方基因的耐肥性表征的施肥量足夠大，才能保證雜交玉米品種具有高產(chǎn)特性，稱這種高產(chǎn)雜交規(guī)律為同性耐異雜交規(guī)律。

品玉208 父母本與鑫源596 和強盛2 號不同，氮磷配施制種的品種并未表現(xiàn)出氮磷配施種植的高產(chǎn)特性，相反卻是表現(xiàn)出了氮、磷單施種植的高產(chǎn)特性，因此，品玉208 是僅含有氮、磷單施營養(yǎng)遺傳特性基因的自交系，且父母本基因的耐肥性較低，因此，雜交品種的產(chǎn)量水平也較低。充分說明玉米父母本雜交種首先必須通過施肥激活相應(yīng)基因才能實現(xiàn)施肥基因的表達，而只有施肥基因得到表達，施肥才具有增產(chǎn)作用。

品玉188 父母本（A4、B4）也僅含有氮、磷單施營養(yǎng)遺傳特性基因，但品玉188 父母本雜交制種中并非氮、磷單施激活父母本相應(yīng)基因進行雜交重組，而是表現(xiàn)出交叉激活重組的現(xiàn)象。氮、磷交叉激活很可能是由于父母本氮、磷單施基因的耐肥性均較低，雜交制種時的施肥量已超過相應(yīng)基因的耐肥性，施肥造成相應(yīng)基因失活，從而使得另一養(yǎng)分基因得到了表達。

3 結(jié)論與討論

作物育種學至今還未建立起科學的育種理論，仍停留于株型育種對現(xiàn)象描述、經(jīng)驗總結(jié)的猜測性思辨階段。現(xiàn)有研究表明，植株性狀是從屬于作物品種產(chǎn)量潛力水平的生長發(fā)育要素指標，作物品種植株性狀發(fā)育和產(chǎn)量潛力發(fā)揮嚴重受施肥的制約，外在性狀的株型根本不可能決定由內(nèi)在性狀決定的作物品種產(chǎn)量潛力水平[11]。

《作物施肥原理與技術(shù)》教科書[4]中認為，作物產(chǎn)量與施肥量的關(guān)系符合拋物線函數(shù)關(guān)系，并定義作物最高產(chǎn)量所對應(yīng)的施肥量為最高產(chǎn)量施肥量。定義已表明，作物品種肯定存在一個與自身施肥量耐受性限度相對應(yīng)的土壤最大施肥量，否則土壤施肥量就不可能獲得作物最高產(chǎn)量。筆者近年來的研究證明，土壤和作物品種均存在一個由自身決定的最大施肥量，而且作物品種還存在一個決定土壤最佳施肥比例的內(nèi)在性狀即養(yǎng)分利用效率，內(nèi)在性狀通常控制作物對土壤養(yǎng)分的吸收和有效利用。本試驗證明，現(xiàn)行推廣作物品種存在由耐肥性和養(yǎng)分利用效率內(nèi)在性狀決定的作物最大施肥量和最佳施肥比例營養(yǎng)遺傳特性，二者的相應(yīng)基因在雜交過程中通過施肥激活重組共同決定了作物品種的產(chǎn)量潛力水平。據(jù)此，研究提出了作物育種學理論：作物品種具有氮、磷單施及其配施、耐肥性等內(nèi)在性狀，其是由基因型決定的，作物品種選育實際就是父母本養(yǎng)分性狀基因激活和重組的過程。通常情況下，父母本并非均攜帶上述全部基因，而且攜帶基因可以是相同的，也可以是不同的，但父母本只有含有相同的基因才能實現(xiàn)雜交重組，而只有其中一方基因具有較強的耐肥性，雜交品種才具有高產(chǎn)特性。父母本所攜帶基因在無相應(yīng)因素激活的情況下，通常處于休眠狀態(tài)即隱性狀態(tài)，只有施用相應(yīng)氮、磷養(yǎng)分才能使隱性基因轉(zhuǎn)化為顯性基因并通過雜交重組使其表現(xiàn)出相應(yīng)的施肥特性[25]。

作物育種理論一是提出了耐肥性和利用效率的科學概念及發(fā)現(xiàn)了同性耐異雜交規(guī)律[26]，可有效縮短品種選育時間，變傳統(tǒng)育種自交系選育的偶然性和經(jīng)驗性為必然性；二是發(fā)現(xiàn)了土壤和作物品種存在各自的最大施肥量并提出了最大施肥量相匹配概念，可使作物育種做到科學選育和相匹配種植，從而改變現(xiàn)行高產(chǎn)品種小范圍、小面積種植單產(chǎn)水平較高，但大范圍、大面積種植出現(xiàn)單產(chǎn)較低的狀況；三是發(fā)現(xiàn)了基因激活和失活現(xiàn)象，揭示了隱性基因和顯性基因的表達規(guī)律和環(huán)境對雜交育種影響的本質(zhì)，可科學解釋作物品種更新下增施化肥不再具有增產(chǎn)作用的難題。即作物品種產(chǎn)量潛力與品種選育試驗田土壤施肥量密切相關(guān)，隨著育種試驗田土壤肥力的不斷提高和相應(yīng)施肥量的增大，所選育品種產(chǎn)量潛力也就越來越高，而由于生產(chǎn)中大田土壤的平均最大施肥量遠小于作物品種的最大施肥量而限制了品種產(chǎn)量潛力的發(fā)揮，因此，世界農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中出現(xiàn)了作物新品種不斷更新下增施化肥不再具有增加糧食單產(chǎn)的問題。不僅如此，作物育種理論的提出有望對達爾文物種進化原理做出科學解釋，即物種進化是極度干旱、寒冷、高溫等環(huán)境的發(fā)生，使得物種所具有基因得到激活而實現(xiàn)自然重組，而本身不具有與環(huán)境相適應(yīng)基因的物種將在極端氣候環(huán)境下被淘汰。