不同供体及回交次数对玉米自交系性状的改良效应

赵长云，石海春，罗 婷，许秀兰，余学杰，柯永培

(1.四川农业大学农学院，四川 温江 611130；2.四川正红生物技术有限责任公司，成都 610213)

种质资源是育种的物质基础，对选育优良玉米杂交种具有重要作用[1-5]。研究表明，目前我国玉米遗传基础狭窄，创新资源少，是制约玉米育种取得新突破的主要原因之一[6-10]。因此，对玉米种质资源进行改良、创新和利用，是目前玉米育种的重要课题。回交法能快速地向轮回亲本导入其优良性状的基因，且不同供体和回交次数所创制的玉米自交系遗传差异较大，因此回交法是扩增玉米新种质、提高自交系选育效率的有效方法之一[11-13]。蒋铭泽[13]和兰琴英[14]以不同供体和回交次数对玉米自交系的遗传改良效果进行了相关研究，但其回交次数有限。因此，进一步系统研究不同供体和回交次数对玉米自交系的遗传改良效应，对玉米回交育种具有重要的指导意义。玉米自交系K 11具有茎秆坚韧、株型好等优点，但结实性较差、产量低；玉米自交系K 62具有结实性好、产量配合力高等优点，但株高和穗位偏高。本研究以玉米自交系K 11和K 62为轮回亲本，分别选用具有不同优良性状的自交系为供体亲本，通过不同回交次数育成的36个改良系为材料，比较研究改良系与轮回亲本间的主要性状差异，并结合SSR分子标记技术，分析改良系与轮回亲本间的遗传差异，为进一步研究应用提供依据。

表1 36个改良系的系谱来源Table 1 Pedigree sources of 36 improved lines

1 材料与方法

1.1 供试材料及选育过程

2013年春季，在四川正红生物技术有限责任公司(以下简称公司)辽宁铁岭育种基地，配制6个杂交组合，分别是KA 457×K 11、KS 141×K 11、DM 882×K 11、KS 322×K 62、KS 162×K 62、K 11×K 62；2013年冬季在海南陵水，以K 11作轮回亲本分别与杂交组合KA 457×K 11、KS 141×K 11、DM 882×K 11回交，以K 62作轮回亲本分别与KS 322×K 62、KS 162×K 62、K 11×K 62回交，得到相应的BC1F1群体，同时6个杂交组合选优株自交得到F2群体；2014年春季在铁岭种植BC1F1和F2群体，从BC1F1群体中选优株与相应轮回亲本K 11和K 62分别回交得到对应的BC2F1群体，同时在BC1F1群体中选优株自交得BC1F2群体，在F2群体中继续选优株自交得F3群体；2014年冬季在陵水、2015年春季在铁岭、2015年冬季在陵水分别重复上述操作，获得对应的F6、BC1F5、BC2F4、BC3F3、BC4F2、BC5F1群体，2016年春季在铁岭种植上述6个世代群体并分别选优株自交获得对应的F7、BC1F6、BC2F5、BC3F4、BC4F3、BC5F2群体。2016年冬季在陵水种植上述6个世代群体并分别选优株自交获得对应的F8、BC1F7、BC2F6、BC3F5、BC4F4、BC5F3群体，育成遗传稳定一致的36个回交改良系，其系谱来源见表1。

1.2 田间试验方法

2017年春季在铁岭基地种植轮回亲本K 11、K 62和36个回交改良系，采用间比法排列，两行区，不设重复。试验行长为5 m，过道1 m，行距0.58 m，株距0.25 m，单株留苗，密度为68 965株/hm2，每小区取中间30株调查数据资料。

表2 改良系各性状的方差分析(MS值)Table 2 Analysis of variance on traits for improved lines (MS-value)

1.3 性状调查项目与方法

田间调查株高、穗位高、雄穗分枝数、雄穗长和总叶片数，室内考查穗长、秃尖长、穗行数、行粒数以及百粒重，计算单株产量。

1.4 分子标记鉴定方法

对36个回交改良系和2个轮回亲本DNA进行SSR-PCR扩增，扩增产物采用6%变性聚丙烯酰胺凝胶电泳，银染观察结果，按照NY/T 1432—2014《玉米品种鉴定技术规程 SSR标记法》进行鉴定[15]。

1.5 数据处理与分析

1.5.1主要性状差异比较

以单株所测性状值为单位，利用DPS v 7.05软件对各性状值进行方差分析，检验不同基因型间各性状的差异显著性；并利用孔繁玲[16]的最小显著差数法(LSD法)比较各性状在改良系与相应轮回亲本间的差异显著性。

1.5.2SSR数据分析

电泳结果，有带记为“1”，无带记为“0”，建立SSR数据库。根据Nei和Li[15]所提出的计算遗传相似系数的算法[GS=2Nxy/(Nx+Ny)]，用类平均法(UPGMA)通过NTSYSpc 2.10 e软件进行聚类分析，遗传差异位点判断参照《玉米品种鉴定技术规程 SSR标记法》(NY/T 1432—2014)。以上分析均在Excel 2007和SPSS 17.0软件上进行。

2 结果与分析

2.1 改良系主要性状表现

2.1.1方差分析

36个改良系和2个轮回亲本主要性状方差分析结果(表2)表明，改良系间全部性状差异均达到极显著水平，说明这些性状在改良系间存在真实差异。

2.1.2改良系与轮回亲本主要农艺性状比较

经比较分析主要农艺性状可知，不同改良系间同一性状差异较大。K 11较A 3-1等8个改良系的株高极显著降低；较A 3-1等7个改良系的穗位高显著或极显著降低；较A 2-2等4个改良系的雄穗分支数显著或极显著增多；较A 3-1等14个改良系的总叶片数显著或极显著减少。K 62较B 1-2等8个改良系的株高显著或极显著降低；较B 1-1等10个改良系的穗位高显著或极显著降低；较B 3-2等8个改良系的雄穗分支数极显著增多；较B 3-0等5个改良系的雄穗长显著或极显著长于K 62；较B 2-1等6个改良系的总叶片数显著或极显著减少。

2.1.3供体对主要农艺性状的改良效应

比较不同供体改良系与相应轮回亲本主要农艺性状(表3)可知，K 11改良系，供体A 2和A 3对降低株高和穗位高的改良效果明显，供体A 2对增加雄穗分支数的改良效果较好，供体A 1、A 2和A 3均对减少总叶片数具有较好的改良效果；K 62改良系，供体B 1和B 2对降低株高和穗位高的改良效果好，供体B 3对增加雄穗分支数的改良效果较好，供体B 1和B 3对缩短雄穗长的改良效果好，供体B 1、B 2和B 3均对减少总叶片数有一定的改良效果。

2.1.4回交次数对主要农艺性状的改良效应

分析不同回交次数改良系主要农艺性状(表4)可知，回交1～5次对降低株高、穗位高和减少总叶片数均具有一定的效果，但不同回交次数对这些性状的改良效果差异不明显。

2.1.5改良系与轮回亲本主要产量性状比较

经比较分析主要产量性状可知，K 11改良系，A 1-2和A 3-0的穗长极显著增长；A 3-2等11个改良水平的个数。下同。

表3 不同供体对主要农艺性状的改良效应Table 3 Improved effects of different donors on main agronomic traits

表4 不同回交次数对主要农艺性状的改良效应Table 4 Improvement effects of different back-cross times on main agronomic traits

表5 不同供体对主要产量性状的改良效应Table 5 Improved effects of different donors on major yield traits

系的秃尖长显著缩短；A 3-1等7个改良系的穗行数显著或极显著增多；A 3-2等14个改良系的行粒数极显著增多；A 3-3等7个改良系的百粒重显著或极显著增加；A 3-3等15个改良系的单株产量显著或极显著增加。K 62改良系，B 1-1等13个改良系的穗长显著或极显著增长；B 1-1的穗行数显著增多；B 1-4的行粒数显著增多；B 1-0和B 3-3的百粒重显著或极显著增加；B 2-5和B 1-4的单株产量显著增加。

2.1.6供体对主要产量性状的改良效应

比较分析不同供体改良系与相应轮回亲本主要产量性状(表5)可知，K 11改良系，供体A 1、A 2和A 3均能有效增加穗行数和行粒数，减少秃尖长，供体A 1对提高百粒重的改良效果明显，这3个供体对提高单株产量具有显著的改良效果；对于K 62改良系，供体B 1、B 2和B 3能显著增加穗长，这3个供体对穗行数、行粒数、百粒重和单株产量的改良效果差异不明显。

表6 不同回交次数对主要产量性状的改良效应Table 6 Improved effects of different back-cross times on main yield traits

表7 40对SSR引物检测结果Table 7 Detected results of 40 pairs of SSR primers

2.1.7回交次数对主要产量性状的改良效应

分析不同回交次数改良系主要产量性状(表6)可知，回交0～5次对增加穗长、行粒数和单株产量均有一定的改良效果，不同回交次数对这些性状的改良效果差异不明显。

2.2 改良系SSR标记遗传变异

2.2.1SSR标记扩增结果

用40对SSR引物，对2个轮回亲本和36个回交改良系进行SSR扩增，结果(表7)表明，40对引物共检测到81个基因型，平均每个引物检测到2.025个，共检测到99个等位基因片段，平均2.475个。引物bnlg 490 y 4d对38个自交系的扩增结果见图1。

2.2.2SSR聚类分析

以遗传相似系数0.86为阈值，采用类平均法(UPGMA)进行聚类分析，可将其划分为五大类群。聚类结果如图2所示，改良系A 3-1、A 3-0与A 2-0分别单独聚为1类，来自K 11的除B 1-0外其余改良系与K 11聚为一类，来自K 62的改良系全部与K 62聚为一类。聚类结果与回交改良系的系谱来源基本一致。

图1 引物bnlg 490 y 4d对38个自交系的扩增结果Fig.1 Amplification results of 38 inbred lines with primer bnlg 490 y 4d

图2 改良系SSR聚类分析Fig.2 Clustering diagram of improved lines by SSR markers

2.2.3SSR标记差异位点数分析

根据NY/T 1432—2014标准，统计改良系与其相应轮回亲本K 11和K 62在40对SSR引物上存在的标记差异位点数(表8)。K 11改良系，SSR标记差异位点数最多的是A 3-0，达29个，最少的是A 3-5，与K 11无差异，供体A 1、A 2和A 3改良系与轮回亲本K 11的平均差异位点数分别为5.0个、9.3个和10.2个；K 62改良系，SSR标记差异位点数最多为B 1-0，达25个，最少为B 2-5等6个改良系，它们与K 62差异位点数为0，供体B 1、B 2和B 3改良系与轮回亲本K 62的平均差异位点数分别为7.3个、5.3个和1.7个。可见，不同供体改良系与轮回亲本之间SSR标记位点数存在较大差异。

将改良系与其相应轮回亲本的SSR标记差异位点数求平均数(表9)。可见，回交0～5次K 11改良系与K 11之间的平均差异位点数分别为20.7～1.3个，且回交4次以后，有A 1-5等5个改良系与K 11的差异位点数为0～2个；回交0～5次K 62改良系与K 62之间的平均差异位点数分别为13.3～0个，且回交4次以后，全部改良系与K 62的差异位点数为0～1个。说明K 11改良系和K 62改良系与其相应轮回亲本在分子水平上的遗传差异随着回交次数的增多而减小，在回交4次以后与轮回亲本非常近似或相同。

3 讨论与结论

3.1 不同供体和回交次数对农艺性状的改良效应

回交法是改良自交系的个别缺点、育成优良自交系的有效方法之一，该方法应用非常灵活[17-20]。

表8 不同供体改良系与轮回亲本之间的SSR标记差异位点数Table 8 Number of variation loci between recurrent parents and improved lines derived from different donors based on SSR marker

表9 不同回交次数改良系与轮回亲本之间的SSR标记差异位点数Table 9 Number of variation loci between recurrent parents and improved lines from different backcrossing times based on SSR marker

乔善宝等[12]对改良系田间出苗率和大斑病抗性的研究表明，相同回交次数不同供体回交的改良效果不同，回交1次自交2次选系优于回交2次自交1次选系；郭海鳌[21]采用回交1～3次对玉米自交系矮331的改良研究表明，回交1次对株高和单株产量的改良效果较好。本研究表明，不同供体和回交次数对轮回亲本K 11和K 62不同性状的改良效果均存在差异。供体A 2、A 3、B 1和B 2对降低株高、穗位高和减少总叶片数的改良效果较好，供体A 2和B 3具有增加雄穗分支数的效应；供体A 1、A 2和A 3能有效增加穗行数和行粒数，减少秃尖长，从而提高单株产量；供体B 1、B 2和B 3虽然能显著增加穗长，但同时增加了秃尖长，因而对单株产量改良效果不明显。回交1～5次对降低株高、穗位高、减少总叶片数、增加穗长、行粒数和单株产量具有一定的改良效果，但是不同回交次数对这些性状的改良效果差异不明显。因此，育种实践上应根据改良目标，选择具有目标优良性状的供体亲本回交1～2次即可。

3.2 不同供体和回交次数改良系SSR标记遗传差异

研究改良系与轮回亲本间的分子遗传变异，能有效地提高回交育种效率，并能为种质改良和利用提供一定的理论依据[13,22-23]。乔善宝等[12]利用SSR引物对R 08回交改良群体的遗传差异研究表明，相同回交次数不同供体选系所创造的遗传变异存在较大差异，相同供体回交1～2次选系间没有明显差异。本试验通过SSR标记研究，轮回亲本与其改良系之间的聚类结果与系谱来源基本一致；不同供体K 11和K 62改良系与相应轮回亲本间的平均SSR标记差异位点数变幅为1.7～10.2个；回交0～5次改良系与2个轮回亲本间的平均差异位点数分别为20.7～1.3个和13.3～0个，平均差异位点数随着回交次数的增加而减少，并且回交4次以上多数改良系与轮回亲本间差异位点仅有0～2个，可判定为相同或相似系。因此，实际育种中在选择优良供体的同时，回交次数不宜超过3次。