一個(gè)對雙穗玉米突變體（twins）的鑒定

孫淑鳳 賈 森 張喜華 史振聲

（1 沈陽特亦佳玉米科技有限公司，遼寧沈撫示范區(qū) 113122；2 綏化學(xué)院農(nóng)業(yè)與水利工程學(xué)院，綏化 152061；3 沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)，遼寧沈陽 110866）

玉米的產(chǎn)量由單位土地面積上的穗數(shù)、每穗粒數(shù)、粒重三因素構(gòu)成，其中單位面積穗數(shù)是最活躍的因素，而增加每穗粒數(shù)和粒重的難度很大。因此提高單位面積穗數(shù)成為全世界玉米育種和栽培專家的研究重點(diǎn)，比如增加單位面積種植密度來提高穗數(shù)，即選育適合密植、抗倒伏、耐遮蔭、抗旱以及抗病性強(qiáng)的玉米品種，再配套以密植高產(chǎn)栽培技術(shù)[1-6]。然而，受氣候、土壤、肥水、田間管理水平以及農(nóng)民種植習(xí)慣等限制，增加密度是個(gè)漸進(jìn)的過程且存在瓶頸。

長期以來，育種家希望選育出一種雙穗型玉米品種來大幅度增加單位面積上的穗數(shù)，實(shí)現(xiàn)大幅度增產(chǎn)，同時(shí)提高資源利用效率。目前，對上下節(jié)位都能結(jié)穗的雙穗型玉米品種研究及應(yīng)用較多[7-12]，但一個(gè)節(jié)位成對生長2 個(gè)果穗的對雙穗玉米還未見報(bào)道。沈陽特亦佳玉米科技有限公司在選育超甜玉米自交系過程中發(fā)現(xiàn)一個(gè)對雙穗突變，通過連續(xù)多代的自交分離和純合，獲得一個(gè)對雙穗玉米突變體系18-1S，和相同遺傳背景單穗近等基因系18-1D。該突變體表現(xiàn)為同一個(gè)葉腋中并列著生兩個(gè)大小相同的果穗，類似雙胞胎，因此稱其為twins。本研究以單穗玉米近等基因系18-1D 為對照材料，開展對雙穗玉米產(chǎn)量及性狀鑒定，研究twins的潛在應(yīng)用價(jià)值，探索利用twins突變體提高單位面積穗數(shù)、挖掘玉米增產(chǎn)潛力的新途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料試驗(yàn)材料為對雙穗玉米突變體18-1S 及其單穗近等基因系18-1D，均為超甜型甜玉米自交系（sh2sh2），二者的遺傳背景相同。18-1D為正常結(jié)穗的野生型玉米，即一個(gè)葉腋內(nèi)著生1 個(gè)果穗；18-1S 為對雙穗型玉米，在一個(gè)葉腋處著生一對果穗。試驗(yàn)材料由沈陽特亦佳玉米科技有限公司選育并提供。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)采用大田試驗(yàn)方法進(jìn)行，試驗(yàn)地點(diǎn)在沈陽特亦佳玉米科技有限公司試驗(yàn)田。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列，3 次重復(fù)。12 行區(qū)，行距0.6m，行長10m，小區(qū)面積72m2，3 次重復(fù)，種植密度為67500 株/hm2，田間管理同當(dāng)?shù)厣a(chǎn)田。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 葉面積指數(shù)測定每小區(qū)連續(xù)標(biāo)記10 株，于苗期、拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄期、吐絲期、灌漿期和乳熟期測量葉面積，展開葉葉面積=長×寬×0.75，未展開葉葉面積=長×寬×0.50。葉面積指數(shù)（LAI）=單株葉面積×單位土地面積株數(shù)/單位土地面積。

1.3.2 葉向值測定在成熟期選擇10 株有代表性植株，記載玉米果穗葉及其上下葉各葉葉夾角（θ）、高點(diǎn)長（葉基至最高點(diǎn)距離，Lf）、葉長（L），計(jì)算出3 片葉的平均葉夾角和葉向值代表全株葉夾角、葉向值。葉夾角為葉片與莖稈的銳角角度。葉向值（LOV，Leaf orientation value）=∑[（90-θ）×（Lf/L）]/n（n 表示測定葉片數(shù)）[13]。

1.3.3 葉片葉綠素含量（SPAD）測定分別在大喇叭口期、抽雄期、吐絲期、灌漿期和乳熟期測定植株的葉綠素含量，在大喇叭口期和抽雄期測量植株最上面全展葉的基部、中部、尖部，吐絲期至乳熟期測量棒三葉，用SPAD-502 葉綠素計(jì)（日本美能達(dá)公司）測定，每個(gè)自交系隨機(jī)測定10株，計(jì)算SPAD平均值。

1.3.4 生物產(chǎn)量的測定分別在拔節(jié)期、大喇叭口期、抽雄期、吐絲期、灌漿期和成熟期測定玉米植株莖、葉及穗的干物質(zhì)積累量，105℃下殺青30min 后，75℃烘干至恒重即為干重。

1.3.5 繁殖率的測定繁殖率即每一植株結(jié)實(shí)的粒數(shù)。

1.3.6 果穗性狀的測定成熟期進(jìn)行取樣測產(chǎn)，每小區(qū)隨機(jī)取有代表性的30 穗稱重，帶回室內(nèi)考種。考察果穗長、禿尖、穗粗、穗行數(shù)、行粒數(shù)、千粒重。收獲果穗全部脫粒后自然風(fēng)干，用水分儀測定水分后，按14%含水量計(jì)算折合產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理用Microsoft Excel 處理數(shù)據(jù)并作圖，用DPS 進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 對雙穗玉米突變體的形態(tài)特征農(nóng)藝性狀調(diào)查表明，18-1S 與18-1D 的根、莖、葉、雌穗和雄穗形態(tài)正常，二者表型相同。芽鞘綠色，葉片中綠色，葉緣綠色，穎殼綠色，花粉囊黃色，花絲綠色，苞葉上具小箭葉。莖稈粗壯，葉片較寬，株型較平展，雄穗分枝數(shù)15～20 個(gè)，成株葉片數(shù)24 片。株高在160～170cm 之間，穗位高70cm 左右，莖粗1.5～1.8cm，生育期130d。支持根發(fā)達(dá)，根系下扎較深，抗倒能力強(qiáng)。

不同的是對雙穗突變體一個(gè)穗位葉葉腋處成對著生2 個(gè)果穗，且下位節(jié)葉腋也同樣成對著生對雙穗。成對著生的2 個(gè)果穗穗柄基部相連（圖1）。野生型對照18-1D 的穗柄著生部位的節(jié)間形成一個(gè)半圓形凹槽，容納一個(gè)穗柄。18-1S 結(jié)穗節(jié)上的節(jié)間形成兩個(gè)凹槽，容納2 個(gè)穗柄，觀察節(jié)間截面，18-1D 節(jié)間凹槽呈半圓形，18-1S 橫截面凹槽為“3”字形。每個(gè)穗柄上著生1 個(gè)果穗，18-1S 穗柄稍短于18-1D，但穗柄節(jié)數(shù)即苞葉數(shù)相同；18-1S 吐絲稍遲緩，較18-1D 晚2d。18-1S 所結(jié)雙胞胎果穗長度差異不顯著，但較野生型18-1D 短2.1cm（果穗性狀詳見2.5 節(jié)）。

圖1 對雙穗突變體植株的果穗著生狀態(tài)

2.2 對雙穗突變體葉面積指數(shù)和發(fā)育動態(tài)葉片是最重要的光合器官，對突變體葉片的發(fā)育動態(tài)測定結(jié)果表明（圖2），對雙穗突變體18-1S 的葉面積指數(shù)及其動態(tài)變化趨勢與野生型18-1D 一致，均呈先上升后下降趨勢，在吐絲期葉面積指數(shù)達(dá)到最大值，之后逐漸下降。苗期至抽雄期18-1S 葉面積指數(shù)與18-1D 沒有明顯差異，吐絲期之后開始出現(xiàn)差異。吐絲期、灌漿期、乳熟期18-1S 葉面積指數(shù)比18-1D 分別低4.95%、7.74% 和9.89%（P>0.05），但從3 個(gè)時(shí)期均較單穗系有小幅度降低的情況看，說明二者之間存在一定聯(lián)系。對雙穗突變體成株期葉面積與野生型相同，但隨著籽粒發(fā)育、灌漿，葉片營養(yǎng)轉(zhuǎn)移加快，葉面積開始下降。吐絲期至乳熟期，對雙穗突變體葉面積指數(shù)下降幅度為35.07%，野生型降幅為31.50%。

圖2 對雙穗突變體18-1S 葉面積指數(shù)動態(tài)變化

2.3 對雙穗突變體植株生長及動態(tài)變化拔節(jié)期至成熟期對雙穗突變體的干物質(zhì)產(chǎn)量呈線性增長（R2為0.9512），拔節(jié)期至抽雄期18-1S 與18-1D 之間干物質(zhì)產(chǎn)量沒有明顯差異，抽雄期之后逐漸產(chǎn)生差異并越來越大，在成熟期差異達(dá)到最大（圖3）。18-1S 的干物質(zhì)積累速度明顯高于18-1D。吐絲期至成熟期，18-1S 和18-1D 干物質(zhì)產(chǎn)量分別增長了117.40%和85.77%，成熟期對雙穗突變體生物產(chǎn)量較野生型高出24.05%。

圖3 對雙穗突變體的生物產(chǎn)量動態(tài)變化

2.4 對雙穗突變體SPAD 值及動態(tài)變化由圖4可以看出，對雙穗突變體18-1S 與野生型18-1D 的SPAD 變化趨勢相同，呈先上升后下降的趨勢，吐絲期達(dá)到最大值，之后開始下降。對雙穗突變體18-1S SPAD 值始終低于野生型18-1D，吐絲期、灌漿期、乳熟期，二者之間的差異較大，但并未達(dá)到顯著水平。突變體18-1S 分別比野生型18-1D 低4.21%、3.97%和1.69%。18-1S 和18-1D 乳熟期葉綠素含量比吐絲期分別下降了11.77%和14.03%。

圖4 對雙穗突變體18-1S 的SPAD 動態(tài)變化

2.5 對雙穗突變體的果穗性狀及產(chǎn)量從表1 可以看出，對雙穗突變體18-1S 的穗長、穗粗、行粒數(shù)、千粒重均比野生型18-1D 有所降低，降低幅度在9.07%～17.05%之間，單穗產(chǎn)量降低31.67%；而繁殖率即單株粒數(shù)增加55.30%，出籽率提高6.27%，經(jīng)濟(jì)系數(shù)提高9.62%，單株產(chǎn)量提高36.66%，達(dá)到極顯著水平。對雙穗突變體單株生物產(chǎn)量達(dá)到224.60g，比野生型高24.05%。葉片、葉鞘干重為73.40g，較野生型低5.29%。

表1 對雙穗突變體成熟期的果穗及產(chǎn)量性狀

3 結(jié)論與討論

綜合上述試驗(yàn)結(jié)果，對雙穗突變體18-1S 的株高、葉片、葉面積、株型等形態(tài)指標(biāo)較野生型18-1D沒有明顯差異，但18-1S 一個(gè)葉腋生有2 個(gè)果穗，每株可結(jié)成熟果穗2 個(gè)，有的單株上下位均可結(jié)穗即每株4 穗。由于成對著生的果穗處于同等地位，進(jìn)行平行性發(fā)育，2 個(gè)果穗大小一致，而不容易因逆境脅迫形成單穗或1 大1 小。可見對雙穗玉米在增加單位面積穗數(shù)上具有巨大潛力。對雙穗突變體的穗長、穗粗、穗粒數(shù)、籽粒產(chǎn)量比野生型有一定程度降低，意味著形成雙穗以后如何滿足果穗的正常發(fā)育仍有潛力可挖；在同樣栽培條件下，對雙穗突變體18-1S 單株產(chǎn)量增加36.66%，說明此類型的多穗型品種或種質(zhì)對提高玉米產(chǎn)量具有較高的研究價(jià)值；繁殖率提高55.30%，使得以其作母本制種時(shí)將大幅度提高雜交制種的產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益；對雙穗玉米使土壤、肥料、水分等資源的利用效率大幅度提高，對降低玉米種植成本具有重要意義；綜合生物產(chǎn)量和籽粒產(chǎn)量進(jìn)行分析，植株干物質(zhì)的增加主要發(fā)生在吐絲期之后，雙穗系產(chǎn)量的大幅度增加顯示出成熟時(shí)植株的生物產(chǎn)量主要源于果穗（包括穗柄、穗軸、籽粒、苞葉）的增加，也即主要營養(yǎng)體產(chǎn)量并未增加且葉綠素含量也有所降低，但籽粒產(chǎn)量卻大幅度增加，其物質(zhì)來源是否由于對雙穗玉米的干物質(zhì)積累和物質(zhì)運(yùn)輸?shù)乃俣取⑿实奶岣撸吭撗芯拷Y(jié)果暗示，在源流庫相互作用中，籽粒庫容量可能是產(chǎn)量的首要限制因子，而源和流則處于從屬或被動地位。這種現(xiàn)象是否意味著，單穗品種通常情況下各器官可能擁有較多的甚至是剩余的養(yǎng)分積累，當(dāng)庫被擴(kuò)充時(shí)這些物質(zhì)就可以被分配運(yùn)輸?shù)綆熘校繋斓臄U(kuò)增是否對源和流產(chǎn)生拉動或刺激作用，即營養(yǎng)器官的生理生化功能是否產(chǎn)生積極響應(yīng)，都有待通過生理生化方面的進(jìn)一步研究揭示。上述結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，對雙穗突變體生育后期的綠葉面積下降明顯較早較快，且粒重降低程度較大，敗育增加，兩者之間可能存在關(guān)聯(lián)，這些現(xiàn)象產(chǎn)生的生理機(jī)制還需進(jìn)一步研究。同時(shí)，從栽培學(xué)角度分析，通過給雙穗玉米增加肥料和水分供應(yīng)，延長持綠時(shí)間，充分發(fā)揮雙穗玉米增庫的作用，使每個(gè)單穗的產(chǎn)量更接近野生型品種，雙穗玉米的增產(chǎn)幅度有望達(dá)到50%，甚至更高。

對雙穗玉米產(chǎn)生的根源在于對雙穗基因型的獲得。無疑，該基因的挖掘和利用對玉米育種具有重大意義。特別是在高密度栽培條件下，通過增加株數(shù)來增加單位面積穗數(shù)的難度越來越大，對雙穗玉米突變體可作為探討大幅度增加單位面積穗數(shù)的新途徑。