骨干玉米自交系種子活力性狀配合力及遺傳參數分析

韓登旭，楊 杰，阿布來提·阿布拉，梁曉玲，王建華，王業建，郗浩江，李銘東，劉 俊，顧日良

(1.中國農業大學 農學院，北京 100193；2.新疆農業科學院 糧食作物研究所，烏魯木齊 830091)

玉米在中國是第一大作物[1]，在國家糧食、飼料和工業加工原料等方面發揮著不可替代的作用[2]。種子質量在很大程度上影響玉米生長發育狀況及產量，種子活力可以更加全面客觀的評價種子質量，高活力種子具有強的苗期生長勢和增產潛力[3]。高活力玉米種子可實現單粒播種，通過一播全苗，提高幼苗的整齊度，節約播種成本，實現增產增效[4]。

種子活力受基因型、田間生長發育環境及倉儲條件等諸多因素影響，是一個復雜的綜合性狀，現階段還沒有一個統一標準對其進行評價。種子活力檢測的技術目前有冷浸發芽試驗、標準發芽[5]、種子浸出液電導率測定[6]、冷凍發芽[7]等。冷浸發芽試驗可有效區分不同玉米品種種子活力的遺傳差異[8]，種子浸出液電導率能夠非常靈敏地測定種子活力。種子發芽指數、浸出液電導率、平均發芽時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勢，自交系配合力的強弱和高低通常是雜種優勢效應的體現[12]，它決定F1代雜種優勢大小，是衡量親本玉米自交系優劣的重要指標之一[13]，因此在玉米中對自交系配合力開展研究很有必要。玉米雜交后代的表現通常與親本自身表現不一致，原因在于雙親間的配合力不同[14]，到目前為止，對種子活力在配合力、遺傳參數估算上的研究較少[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值。在實踐中，育種家往往根據玉米田間表型和產量高低選育品種，而不注重種子活力的選擇，常常出現一些產量較高的品種，但因種子活力不足，遇到田間逆境時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個玉米自交系，采用NC Ⅱ(10×9)交配設計，組配90個組合，通過分析親本的配合力效應，并進行遺傳參數估算，探討高活力玉米品種選育的親本選配規律，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個骨干玉米自交系為母本，另9個為父本(名稱及系譜來源見表1)，將自交系種植在新疆農業科學院糧食作物研究所安寧渠綜合試驗場基地，母本種植8行，父本種植6行，行距 0.55 m，株距0.20 m，行長5 m，母本全部套袋，等花絲2～3 cm長時，采用NC Ⅱ交配設計，配制出F1雜交組合90個，統一收獲，自然晾干至標準水分后，統一精選貯藏，備用。2019年將這90個組合在新疆農業科學院生理生化實驗室進行種子活力鑒定。

1.2 試驗方法

1.2.1 百粒質量測定 用谷物水分測定儀PM-8188測定每份材料的種子含水量，重復2次，取其平均值。每份材料選取種子100粒稱量，重復取樣3次，取相近兩個數的平均數，按標準水分(14%)折算后以 g 表示。

1.2.2 標準發芽率測定 將發芽紙放置于 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；試驗分2次重復，1次重復種子50粒，在 25 ℃人工智能氣候箱中進行發芽，第7d統計正常處理的種子發芽數，折算標準發芽率[17]。

標準發芽率=種子發芽數/供檢種子總數×100%

1.2.3 冷浸發芽率測定 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 ℃下發芽，第7天統計冷浸處理的種子發芽數。折算冷浸發芽率[17]。

冷浸發芽率=冷浸處理的種子發芽數/供檢種子總數×100%

1.2.4 種子浸出液電導率測定 將試驗種子水分調至10%～14%，每份材料選取種子100粒，分為2個重復，每次種子50粒，稱取質量w，然后用去離子清洗3次，用定性濾紙擦干種子表面水分，準備500 mL燒杯，加入250 mL去離子水，將干凈種子放入，輕輕晃動燒杯后，檢測種子初始電導率(d1)。燒杯口用保鮮膜封好，在(20+1)℃的室溫下放置24 h，檢測浸出液電導率d2，折算種子浸出液電導率[18]。

種子浸出液電導率[μS/(cm·g)]=(d2-d1)/w

1.3 數據分析

采用Excel 2019整理匯總數據，利用統計軟件DPS7.05的對應模塊進行相關性分析、配合力方差分析及遺傳參數估計。由于種子浸出液電導率與種子活力存在負相關關系，因此對電導率采用倒數進行數值轉換。

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

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

2 結果與分析

2.1 種子活力相關性狀指標統計分析

組配的90個雜交組合的種子活力存在豐富的遺傳變異，其中百粒質量、冷浸發芽率、種子浸出液電導率的變異系數均超過15%(表2)。90個組合的種子百粒質量平均值為33.97 g，幅度為23.43～49.87 g，變異系數為17.42%；標準發芽率平均值為93.22%，幅度為69.00%～100.00%，變異系數為6.17%；冷浸發芽率平均值為43.69%，幅度為10.00%～90.00%，變異系數為45.13%；浸出液電導率平均值為0.21，幅度為0.12～0.79，變異系數為45.64%。這些結果表明，不同玉米雜交組合間的種子浸出液電導率存在較大差異，推測種子在發生劣變時，不同基因型材料的種子重建膜完整性的速度存在差異；標準發芽率的變異系數最低，主要是因為標準發芽是種子在25 ℃條件下萌發的，所受逆境很小，因此大多數組合的發芽率都在90%以上，數值比較接近。

表2 90個組合種子活力及相關性狀指標分析

2.2 配合力方差分析

對90個雜交組合種子活力各相關性狀指標進行統計分析，結果表明(表3)，不同組合在百粒質量、標準發芽率、冷浸發芽率和種子浸出液電導率之間均存在極顯著差異。對所測定性狀進行GCA和SCA方差分析，結果表明，母本GCA效應對百粒質量和冷浸發芽率有極顯著影響，對標準發芽率有顯著影響；父本GCA效應對除種子浸出液電導率之外的其他性狀都有極顯著的影響；SCA效應對所有性狀也有極顯著的影響。

表3 種子活力相關性狀的配合力方差分析

2.3 相關性分析

90個組合種子活力各性狀之間既相互獨立又存在緊密聯系，相關分析結果表明(表4)，百粒質量與冷浸發芽率呈顯著負相關，相關系數為-0.23；說明種子大小與冷浸發芽率關系密切，在冷浸脅迫下，大粒種子的發芽率下降較快；此外，百粒質量和標準發芽率、種子浸出液電導率呈負相關關系，但相關性未達到顯著水平。標準發芽率與冷浸發芽率呈極顯著正相關(相關系數 0.40)；種子浸出液電導率與冷浸發芽率呈顯著正相關(相關系數為0.22)，與標準發芽率呈正相關(相關系數0.19)，但不顯著。因此，高活力種子雜交組合應該選擇標準發芽率、冷浸發芽率和種子浸出液電導率為正向效應的組合。

表4 種子活力性狀相關性分析

2.4 一般配合力(GCA)效應分析

綜合GCA效應各項指標分析(表5)，發現標準發芽率、冷浸發芽率和種子浸出液電導率的GCA效應值均為負向值的自交系有Xinzi6423(P5)、PHG35(P15)、Chang7-2(P12)、PHG39(P9)、Shen137(P14)、PH6WC(P1)、Xinzi618(P4)和PHW65(P13)，其中，Xinzi6423(P5)表現最差，其標準發芽率、冷浸發芽率和種子浸出液電導率的GCA效應值為-2.38、-47.87和-11.39。標準發芽率、冷浸發芽率和種子浸出液電導率的GCA效應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)表現最優，其標準發芽率、冷浸發芽率和種子浸出液電導率的GCA效應值分別為3.22、50.79和 42.20，利用這幾個自交系可組配出高活力組合。從百粒質量的GCA效應值可以看出，當3個活力性狀的GCA效應值均為正向或者負向時，百粒質量的GCA效應值表現并不 一致。

表5 一般配合力(GCA)的相對效應值

2.5 特殊配合力(SCA)效應分析

SCA效應分析結果表明(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個組合的標準發芽率、冷浸發芽率、種子浸出液電導率的SCA效應均表現為正向，是種子高活力雜交組合。

表6 特殊配合力(SCA)的相對效應值

2.6 總體配合力(TCA)效應分析

TCA效應分析結果表明(表7)，標準發芽率、冷浸發芽率和種子浸出液電導率的TCA效應值呈正向效應的組合數共13個，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較高的組合。這13個組合中，有3個組合的百粒質量TCA效應值呈正向，占所有組合的23.1%，10個組合的百粒質量TCA效應值呈負向，占所有組合的76.9%，因此，相對來說，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個組合的標準發芽率、冷浸發芽率和種子浸出液電導率的SCA效應值和TCA效應值均為正值；P6×P17、P10×P18的標準發芽率的SCA效應值為負值，P7×P14、P10×P16的種子浸出液電導率的SCA效應值為負值，由于這4個雜交組合父母本的GCA正向效應值較大，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個組合的標準發芽率、冷浸發芽率、種子浸出液電導率的SCA效應值均為正值，但是TCA效應值出現負值。

2.7 遺傳參數估計

遺傳參數分析結果表明(表8)，4個不同活力相關性狀的環境方差都小于遺傳方差；百粒質量和冷浸發芽率的非加性方差小于加性方差，且SCA方差小于GCA方差，說明這2個活力相關性狀的非加性效應小于加性效應；而標準發芽率和種子浸出液電導率的加性方差小于非加性方差，且SCA方差大于GCA方差，說明這2個性狀的加性效應小于非加性效應。各活力相關性狀的廣義遺傳力從大到小順序依次為：百粒質量，冷浸發芽率，種子浸出液電導率，標準發芽率，都在84%以上；百粒質量和冷浸發芽率的狹義遺傳力相對較高，是由于遺傳因素影響，而標準發芽率和種子浸出電導率則相對較低。

表8 種子活力各性狀遺傳參數估算

3 討論與結論

在玉米育種工作實踐中，配合力是自交系利用的衡量指標之一，分為GCA和SCA，其中，GCA是可遺傳的，而SCA是不能穩定遺傳的[19]。TCA效應是決定雜交組合是否有利用價值的關鍵，父母本的GCA和SCA共同決定了TCA的大小，只有兩者同時為正向效應或者某一效應正向值很大，才會使TCA效應值較高[20]。本研究表明，利用GCA正向效應值高的親本可以有效改良相應性狀；當SCA效應值為正值時，表明雜交組合相應性狀的表現優于父母本的平均表現。本研究GCA效應分析表明，自交系Xinzi3113(P10)、LM34F(P7)、516M(P18)、3564M(P17)和LH82(P16)表現優異，是提高種子活力的高效供體親本材料。SCA效應分析表明，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表現較好。

吳立冬等[21]與彭林等[22]研究表明，GCA效應值高的兩個自交系雜交其后代SCA未必高，而GCA低的兩個自交系雜交其后代SCA也未必低。如冷浸發芽率的SCA效應值最高的2個組合P4×P11和P6×P14，組合中母本P4的冷浸發芽率GCA效應值為-5.66，父本P11的冷浸發芽率GCA效應值為2.07，母本P6的冷浸發芽率GCA效應值為-3.62，父本P14的冷浸發芽率GCA效應值為-17.84，可以看出，父母本的冷浸發芽率GCA效應值并不是最高，這與二人的結論相同。因此，以GCA為基礎，結合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個組合的3個活力性狀的SCA效應值均為正值，其中必有一個親本的GCA效應值全部為正值。玉米種子父母本間SCA與其自身GCA關系復雜，不能僅僅依據父母本的GCA效應來推測F1的SCA效應。

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個組合的標準發芽率、冷浸發芽率和種子浸出液電導率的SCA效應值均為正值，TCA效應值亦為正值；另外，P6×P17、P7×P14、P10×P16、P10×P18的SCA效應值較小，但組合雙親GCA效應值較大，使其TCA效應值較大。前人[3,23]關于玉米種子活力配合力的研究，一般利用GCA與SCA綜合評價，對雙親的TCA考慮不足，沒有充分分析其利用價值，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，薛小雁等[4]研究表明TCA效應可以準確評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個親本的3個活力性狀的GCA均為正值，TCA亦為正值，因此，這兩個組合Xinzi3113(P10)×LH82(P16)和Xinzi3113(P10)×516M(P18)在種子高活力育種中價值較高。

遺傳力反映的是親代性狀傳遞給后代能力的大小，通過遺傳力分析可以預測目標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，表型值受環境影響小，而狹義遺傳力高表明該性狀在后代的穩定性高[25-26]。本研究中，4個性狀的廣義遺傳力高于84%，冷浸發芽率和百粒質量的狹義遺傳力比較高，標準發芽率和種子浸出電導率的狹義遺傳力比較低，其中百粒質量和冷浸發芽率主要由基因加性效應決定，可以在早代對其選擇，而標準發芽率和種子浸出液電導率主要受非加性基因控制，宜在晚代選擇。育種家普遍認為，中小粒種子更容易獲得高活力，但本研究中，百粒質量只與冷浸發芽率呈顯著負相關，3個活力性狀的GCA效應值均為正向或者負向時，百粒質量的GCA效應值表現并不與其一致，這與石海春等[27]及佘寧安等[28]的結論一致。因此，百粒質量作為衡量種子活力大小的一個直觀表型并不可靠。因此，在高活力玉米自交系的改良選育中，應根據育種目標，在不同世代選擇不同的活力性狀。