基于玉米DH系分离群体叶鞘、花丝、花药与穗轴颜色性状的遗传分析

2023-08-07李忠南王越人马艺文相洋邬生辉曲海涛李福林张淑琴李光发

作物杂志 2023年3期

李忠南王越人马艺文相洋邬生辉曲海涛李福林张淑琴李光发

（1 吉林省农业技术推广总站，130033，吉林长春；2 通化市农业科学研究院，135007，吉林梅河口）

玉米叶鞘色、花丝色、花药色和穗轴色是重要标记性状。经典遗传学认为，玉米叶鞘色、花丝色和穗轴色各由1 对核基因决定，叶鞘色：紫色是显性、绿色是隐性；花丝色：红色是显性、绿色是隐性；穗轴色：红色是显性、白色是隐性，F2（F1：显性×隐性）显性性状与隐性性状分离比为3:1[1-4]。花药颜色（紫色和绿色）遗传非常复杂[5]。关于上述4 种颜色性状之间遗传关系的研究很少。而对于紫叶鞘×绿叶鞘、红花色×绿花丝、红轴×白轴F1诱导后的单倍体，显性性状和隐性性状的株数比例应为1:1（雌配子显性隐性比1:1）；显性性状和隐性性状DH 系数量比例应为1:1。

本文利用B20（绿叶鞘、绿花丝、绿花药、白轴）×D752（紫叶鞘、红花丝、紫花药、红轴）的F1诱导系进行杂交诱导，对单倍体进行自然加倍，对所获得DH 系分离群体的颜色性状遗传规律进行探讨，为玉米遗传育种工作提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019-2021 年在通化市农业科学研究院试验基地进行，组配B20×D752。B20 为绿叶鞘、绿花丝、绿花药、白轴，D752 为紫叶鞘、红花丝、紫花药、红轴，均为稳定NSS 系，具体信息见表1。

表1 自交系的血缘及对应品种或组合Table 1 Consanguinity and corresponding varieties or combinations of inbred lines

1.2 性状调查标准

叶鞘色：玉米苗期幼苗第3 叶展开时第1 叶的叶鞘颜色，分为紫色（包括浅紫色）和绿色。

花丝色：吐丝期新鲜花丝5～10cm 的颜色，分为红色（包括粉红色和浅红色）和绿色。

花药色：散粉期雄穗花药颜色，分为紫色（包括浅紫色）和绿色。

穗轴色：成熟期果穗轴色，分为红色（包括粉红色）和白色。

1.3 诱导和加倍试验

2020 年在通化市农业科学研究院试验基地对F1进行杂交诱导，诱导系为吉林省农业科学院提供的吉诱SM6278-2，收获选出准单倍体10 万余粒。2020 年11 月3 日在海南省三市亚南滨农场通化市农业科学研究院试验基地进行单倍体自然加倍试验，采用大垄双行，垄距1m，行长70m，共19 垄，38 行，采用单粒播种，株距10cm，共播种23 180粒。苗期开始去杂，单倍体成株数15 106 株。12月21 日开始套雌穗袋，12 月26 日对单倍体雄穗加倍株进行自交授粉，2021 年1 月2 日授粉结束，自交授粉株数1361 株。2021 年2 月12 日收获，共收获自交结实穗323 个（其中红轴236 个，白轴87个）。单倍体加倍试验圃周边为水稻、棉花和谷子。

1.4 DH 系鉴定

2021 年在通化市农业科学研究院试验基地进行播种单倍体自交结实穗种子。行长1m，垄距60cm，株距20cm，DH 系行数不等（结实穗粒数不等），全部自交授粉。同时分别种植B20、D752及其F1各10 行。4 月28 日播种。5 月30 日-8 月15 日根据不同发育阶段对各性状做一致性鉴定。

幼苗期：进行第1 叶叶鞘色鉴定，针对绿色叶鞘DH 系的紫色叶鞘污染株进行剔除；拔节期：针对长势突出株进行剔除；散粉期：针对雄穗主轴长度、雄穗侧枝数及长短、株高、穗位、叶片夹角、叶片长短、叶片宽窄、叶片绿色程度、茎支持根颜色不一致的污染株进行剔除。

除去未出苗DH 系54 份、未成株22 份、雌穗不吐丝10 份、雄穗不育13 份，共鉴定DH 系224份，其中红轴DH 系158 份，白轴DH 系66 份。

1.5 数据处理

分别对不同颜色对应性状的DH 系数量进行卡方检验和分析,采用DPS 数据处理系统[6]进行适合性检测，性状连锁遗传参考《遗传学》[7]和《植物数量遗传学》[8]。

2 结果与分析

2.1 B20、D752 及F1 性状颜色

B20 和D752 及F1各性状颜色见表2，可以看出，叶鞘色中紫色对绿色为显性，花丝色中红色对绿色为显性，花药色中紫色对绿色为显性，穗轴色中红色对白色为显性。

表2 亲本和F1 的性状颜色Table 2 Characters color of parents and F1

2.2 各颜色对应性状DH 系数量及卡方检测

各对应颜色性状DH 系数量及卡方检测结果见表3，可以看出，紫色叶鞘和绿色叶鞘DH 系数量比例符合1:1（P=0.16），但紫色叶鞘DH 系数量比绿色叶鞘多21.78%，支持了紫色叶鞘单倍体自交结实株率偏高的研究结果[9]。红色花丝和绿色花丝DH 系数量比例符合1:1（P=0.84）。紫色花药和绿色花药DH 系数量不符合1:1（P＜0.01），紫色花药DH 系数量占绿色花药的14.87%，说明花药颜色遗传复杂。红轴和白轴DH 系数量不符合1:1（P＜0.01），红轴DH 系数量比白轴多139.39%，支持了红轴单倍体自交结实株率高于白轴的研究结果[10]。

表3 颜色性状显隐性表达的DH 系数量及卡方检测Table 3 Number and chi square test of DH lines with dominant and recessive expression of color traits

2.3 各2 个对应颜色性状显隐性DH 数量及卡方检测

将紫色叶鞘红色花丝、紫色叶鞘绿色花丝、绿色叶鞘红色花丝、绿色叶鞘绿色花丝DH 系数量列于表4，可以看出，紫色叶鞘红色花丝、紫色叶鞘绿色花丝、绿色叶鞘红色花丝、绿色叶鞘绿色花丝DH数量比例不符合1:1:1:1（P＜0.01），亲本性状DH系数量极显著多于重组性状，说明叶鞘色和花丝色非独立遗传，存在基因连锁。紫色叶鞘和红色花丝基因连锁（显性），绿色叶鞘绿色花丝基因连锁（隐性），说明为相引组。重组率=(13+0)/(110+13+0+101)=5.80%。绿色叶鞘红色花丝DH 系数量为0，说明该基因型没有表达，重组率修正为11.61%。

表4 叶鞘和花丝颜色显隐性表达的DH 系数量及卡方检测Table 4 Number and chi square test of DH lines with dominant and recessive expression of sheath and silk color

在对叶鞘色和花药色（表5）、花丝色和花药色（表6）的检测中，2 个性状显隐性DH 系数量不符合1:1:1:1，主要是花药色遗传复杂性导致。其中，绿色叶鞘紫色花药DH 系数量为0，绿色花丝紫色花药DH 系数量为0，说明该2 种基因型没有表达。

表5 叶鞘和花药颜色显隐性表达的DH 系数量及卡方检测Table 5 Number and chi square test of DH lines with dominant and recessive expression of sheath and anther color

表6 花丝和花药颜色显隐性表达的DH 系数量及卡方检测Table 6 Number and chi square test of DH lines with dominant and recessive expression of silk and anther color

2.4 各对应叶鞘色、花丝色和花药色的红、白轴DH 系数量及卡方检测

将不同颜色叶鞘色、花丝色和花药色8 种基因型的红、白轴DH 系数量列于表7，可以看出，紫色叶鞘红色花丝紫色花药DH 系数量的红轴和白轴比例符合1:1（P=0.27）。紫色叶鞘红色花丝绿色花药DH 系数量的红轴和白轴比例不符合1:1（P＜0.01），表现出红轴单倍体自交结实株率高的现象。紫色叶鞘绿色花丝绿色花药DH 系数量的红轴和白轴比例符合1:1（P=1.00）。绿色叶鞘绿色花丝绿色花药DH 系数量的红轴和白轴比例不符合1:1（P＜0.01），表现出红轴单倍体自交结实株率高的现象。说明穗轴色为1 对基因独立遗传。

表7 不同叶鞘色、花丝色和花药色的红、白轴DH 系数量及卡方检测Table 7 Number and chi square test of red and white cob DH lines with different sheath color,silk color and anther color

紫色叶鞘绿色花丝紫色花药、绿色叶鞘红色花丝紫色花药、绿色叶鞘红色花丝绿色花药、绿色叶鞘绿色花丝紫色花药DH 系数量均为0，说明4 种基因型没有表达，应该是控制叶鞘、花丝和花药颜色性状的基因存在着一定的制约关系，即绿色叶鞘制约红色花丝基因的显性表达，绿色花丝制约紫色花药基因的显性表达。

3 讨论

自2012 年参加吉林省“双十工程”科技攻关项目“玉米单倍体规模化育种技术与新品种选育”（2011ZDGG002-2）以来，按照玉米杂交诱导单倍体生殖（单倍体）选育自交系技术规范[11-12]，持续10 年践行玉米单倍体育种工作，对玉米单倍体自然加倍自交结实株率等方面进行了探索。本文研究支持了红轴单倍体自交结实株率高和紫色叶鞘单倍体自交结实株率偏高的研究结果。

过去对玉米叶鞘、花丝、花药及穗轴颜色性状的研究多为单一性状遗传，关于性状间的关系未查到相关研究[13]。对这些颜色性状作为标记性状进行记录描述，没有关注这些性状间的关系。又由于材料间红色花丝显红时间有差异（个别材料吐丝3d 后显红色；有的吐丝是红色，3d 后变为极浅红色），未能使花丝色调查完全准确。结果表明，不存在如下表型，绿色叶鞘红色花丝（表4）、绿色叶鞘紫色花药（表5）、绿色花丝紫色花药（表6）、紫色叶鞘绿色花丝紫色花药、绿色叶鞘红色花丝紫色花药、绿色叶鞘红色花丝绿色花药、绿色叶鞘绿色花丝紫色花药（表7）。只有“绿色叶鞘制约红色花丝基因的显性表达，绿色花丝制约紫色花药基因的显性表达”的推论成立，上述基因型没有表达才能解释得通。也就是说，绿色叶鞘DH 系，花丝和花药就表现绿色；绿色花丝DH 系，花药就表现绿色。只有紫色叶鞘DH系才表现红色花丝或绿色花丝；只有紫色叶鞘红色花丝DH 系才表现紫色花药或绿色花药，应该与花色素积累有关[14]，尚有待验证。

因此，紫色叶鞘与红色花丝基因连锁，绿色叶鞘与绿色花丝基因连锁，重组率为5.80%（表4），由于绿色叶鞘红色花丝重组基因型没有表达，重组率重新修正为11.61%。由表7 中的叶鞘色、花丝色、花药色8 种基因型（其中叶鞘色和花丝色重组基因型有2 种）可以得出，紫色花药与绿色花药表型理论比值为1:5.1161。对紫色花药和绿色花药DH 系数量（紫色花药：29；绿色花药：195）进行卡方检测可知，P=0.20，说明花药色为1 对基因独立遗传，紫色花药为显性，绿色花药为隐性。