玉米空稈與不空稈近等基因系的選育及生理指標(biāo)比較

， (沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)特種玉米研究所， 遼寧 沈陽(yáng) 110866)

玉米空稈與不空稈近等基因系的選育及生理指標(biāo)比較

鐘雪梅，史振聲
(沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)特種玉米研究所， 遼寧 沈陽(yáng) 110866)

以成對(duì)的近等基因系沈農(nóng)98 A(空稈系)和沈農(nóng)98 B(不空稈系)為試材，在遮蔭條件下對(duì)2個(gè)近等基因系的植株形態(tài)、吐絲率、空稈率、光合生理等指標(biāo)進(jìn)行比較研究。結(jié)果表明，沈農(nóng)98 A和沈農(nóng)98 B的植株形態(tài)、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)情況及葉綠素含量沒(méi)有明顯差異；雌穗發(fā)育和結(jié)穗(結(jié)實(shí))性對(duì)遮蔭脅迫反應(yīng)敏感，38%遮蔭脅迫下，沈農(nóng)98 A 100%空稈而沈農(nóng)98 B不空稈，雌穗幼穗分化停滯是導(dǎo)致沈農(nóng)98 A空稈的直接原因；而沈農(nóng)98 A與沈農(nóng)98 B的重要區(qū)別在于光合生理的差異。正常光照下，沈農(nóng)98 A的凈光合速率及其相關(guān)指標(biāo)LSP、LCP、Pmax、AQY，F(xiàn)v/Fm、qP、NPQ、ΦPSⅡ、ETR均明顯低于沈農(nóng)98 B；遮蔭處理后，各項(xiàng)指標(biāo)均隨遮蔭強(qiáng)度的增加呈逐漸降低的趨勢(shì)，且沈農(nóng)98 A的下降幅度更大。研究認(rèn)為，沈農(nóng)98 A和沈農(nóng)98 B是一對(duì)具有高度近等性的近等基因系。該材料對(duì)玉米耐陰性的光合生理機(jī)制研究具有重要價(jià)值，更重要的是通過(guò)建立玉米空稈鑒定技術(shù)體系進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)育種材料的缺陷診斷，利用該材料進(jìn)行分子標(biāo)記研究最終實(shí)現(xiàn)玉米耐陰(抗空稈)育種的分子標(biāo)記輔助育種。

玉米； 空稈； 遺傳； 弱光脅迫

玉米是一種喜光并且對(duì)光照敏感的作物，但敏感程度在品種間有較大差異。生產(chǎn)上，常常由于氣候反?；虻貐^(qū)性小氣候變化而導(dǎo)致個(gè)別品種發(fā)生異常性的空稈事件。這種異常性的空稈并不是由于肥水不足、三類苗、病苗、蟲(chóng)害或由于機(jī)械損傷等田間管理不當(dāng)所致，而是由遺傳因素即遺傳缺陷造成，因此這里將其稱為遺傳缺陷性空稈[1-3]。這種遺傳缺陷性空稈的典型特征是植株?duì)I養(yǎng)體生長(zhǎng)發(fā)育一切正常，但卻無(wú)雌穗形成或雌穗發(fā)育停止，或有幼穗而無(wú)花絲，或有花絲而吐絲不全。最具代表性的是2010年在遼寧地區(qū)個(gè)別品種上發(fā)生的大范圍、高比例的空稈事件，發(fā)生的品種空稈率一般都在30%以上，嚴(yán)重的地塊甚至超過(guò)80%，發(fā)生面積達(dá)數(shù)10萬(wàn)hm2。經(jīng)多年的大量調(diào)查研究和專家鑒定，認(rèn)為光照不足是直接原因，而品種間差異是其內(nèi)因所在。

光脅迫研究一直是國(guó)內(nèi)外玉米抗逆生理研究的重點(diǎn)，現(xiàn)有的研究大都局限于遮蔭脅迫對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育的影響及其光合生理的變化[4-15]，對(duì)指導(dǎo)玉米合理密植具有重要價(jià)值。對(duì)于因遺傳缺陷所導(dǎo)致的玉米空稈現(xiàn)象，尤其是從光合生理角度揭示玉米的耐陰機(jī)制研究，由于缺乏合適的遺傳材料而難以取得理想的試驗(yàn)效果。針對(duì)這一問(wèn)題，史振聲等[1]成功地選育出“易空稈”和“不易空稈”成對(duì)的近等基因系，并對(duì)玉米空稈即玉米耐陰的光合生理機(jī)制等方面進(jìn)行研究。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)以沈農(nóng)98 A和沈農(nóng)98 B 2個(gè)玉米自交系為試材，由沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)特種玉米研究所選育。2個(gè)自交系為成對(duì)的近等基因系，自交第10代分離而成。在正常條件下，2個(gè)自交系生長(zhǎng)發(fā)育均正常，結(jié)穗和結(jié)實(shí)正常。但在光照不足條件下沈農(nóng)98 A可發(fā)生100%的空稈(簡(jiǎn)稱空稈系)，而沈農(nóng)98 B(簡(jiǎn)稱不空稈系)則不發(fā)生空稈。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 種植方法

為使試驗(yàn)條件盡量與生產(chǎn)實(shí)際一致，防止盆栽造成的小氣候溫度高、盆土?xí)円箿夭钚?、土壤干濕不穩(wěn)定等問(wèn)題，試驗(yàn)采取田間種植，其上安裝遮蔭棚的方法。試驗(yàn)于2009—2014年在沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)試驗(yàn)地和海南三亞育種基地進(jìn)行。沈陽(yáng)播種時(shí)間為4月25日—5月10日，海南三亞播種時(shí)間為11月5日—10日。沈陽(yáng)種植為等行距壟作，點(diǎn)播，行距60 cm，株距28 cm，小區(qū)行長(zhǎng)7.5 m，7行區(qū)；三亞為大壟雙行種植，行長(zhǎng)5.0 m，壟距90 cm，壟上行距30 cm，株距25 cm。其他管理按正常種植進(jìn)行。

1.2.2 遮蔭方法與遮蔭處理

遮蔭棚采用鋼架結(jié)構(gòu)，定苗后安裝棚架，棚頂高度超過(guò)株高0.5 m，遮蔭時(shí)安裝黑色遮蔭網(wǎng)。

采用不同厚度和密度的黑色遮蔭網(wǎng)遮蔭，設(shè)5個(gè)脅迫強(qiáng)度，即遮蔭18%、28%、38%、60%和75%，不遮蔭為對(duì)照。

1.2.3 空稈率和吐絲株率調(diào)查

收獲前，調(diào)查小區(qū)全區(qū)的株數(shù)和不結(jié)穗株數(shù)(結(jié)實(shí)少于20粒)；吐絲期結(jié)束后調(diào)查吐絲株率。

1.2.4 幼穗分化觀察

第5葉完全展開(kāi)時(shí)選取生長(zhǎng)整齊一致的植株標(biāo)記40株。從12葉完全展開(kāi)至吐絲后15 d，每隔4 d取樣1次，每次3株，用解剖鏡觀察幼穗分化進(jìn)程。

1.2.5 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定

在遮蔭后第1天、第3天、第5天、第7天，用Li-6400便攜式光合儀測(cè)定穗位葉暗適應(yīng)下的基礎(chǔ)熒光(Fo)、最大熒光(Fm)，光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)最大光能轉(zhuǎn)換效率(Fv/Fm)。通過(guò)公式計(jì)算：實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)=(Fm′-Fs)/Fm′，電子傳遞速率(ETR)=ΦPSⅡ×PAR×0.5×0.84，光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)=(Fm′-Fs)/(Fm′-F0′)和非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)= NPQ= Fm/Fm′-1。每次測(cè)定3株。

1.2.6 光合參數(shù)測(cè)定

于晴天09：00～11：30，用LI-6400便攜式光合儀測(cè)定系統(tǒng)測(cè)定穗位葉凈光合速率(PN)、細(xì)胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Cond)和蒸騰速率(Tri)。每處理測(cè)定3株，每葉重復(fù)測(cè)定3次。光響應(yīng)曲線測(cè)定方法是在CO2流速為500μmol/s、葉室溫度為25 ℃條件下測(cè)定，PFD范圍為0～1 800μmol/(m2·s)，用回歸法求得光飽和點(diǎn)和光補(bǔ)償點(diǎn)。

1.2.7 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析用Excel和DPS軟件。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 空稈和不空稈近等基因系的形態(tài)特征

沈農(nóng)98 A和沈農(nóng)98 B生育期123 d。幼苗葉片濃綠，芽鞘綠色，葉片較短而挺實(shí)。成株株高220 cm左右，穗位120 cm左右，春播葉數(shù)20～22片，葉色濃綠，株型緊湊。雄穗大小中等，分枝16～17個(gè)，雄花穎殼綠色，花粉囊黃色，花粉量較大。果穗長(zhǎng)13 cm左右，粗4 cm左右，平均14行左右，百粒重24 g左右，硬粒型。沈農(nóng)98 A與沈農(nóng)98 B各性狀表現(xiàn)基本一致。經(jīng)方差分析，2個(gè)自交系的生育期及各形態(tài)指標(biāo)差異未達(dá)到顯著水平。

2.2 空稈與不空稈近等基因系的幼穗分化和結(jié)穗性差異

2009年，隨機(jī)調(diào)查2個(gè)自交系各100株，結(jié)穗株數(shù)均達(dá)到98%以上，結(jié)穗正常；2010年，在遼寧省異常寡照天氣情況下，灌漿期隨機(jī)調(diào)查2個(gè)自交系各100株，沈農(nóng)98 A的結(jié)穗率為1.0%，沈農(nóng)98 B結(jié)穗率為100%。

2011年對(duì)2個(gè)自交系進(jìn)行遮蔭脅迫處理。在遮蔭38%條件下，沈農(nóng)98 B的結(jié)穗率為85.7%，沈農(nóng)98 A僅為4.3%，分別比對(duì)照降低6.1%和94.9%；沈農(nóng)98 B的吐絲率為87.8%，沈農(nóng)98 A僅為5.7%，分別比對(duì)照下降7.6%和94.8%；沈農(nóng)98 B的幼穗長(zhǎng)度為7.3 cm，沈農(nóng)98 A僅為5.2 cm，分別比對(duì)照下降11.0%和35.8%。在遮蔭60%條件下：結(jié)穗率，沈農(nóng)98 A每百株為0.0%，沈農(nóng)98 B為11.1%，分別比對(duì)照下降100%和87.8%；吐絲率，沈農(nóng)98 A每百株為3.9%，沈農(nóng)98 B為82.1%，分別比對(duì)照下降95.6%和13.5%；幼穗長(zhǎng)度，沈農(nóng)98 A為4.0 cm，沈農(nóng)98 B為7.0 cm，分別比對(duì)照下降50.6%和14.6%。

2.3 空稈與不空稈近等基因系的葉綠素含量差異

在正常光照下，沈農(nóng)98 A與沈農(nóng)98 B的葉綠素含量差異不明顯。兩者的葉綠素a分別為2.35 mg/g和2.36 mg/g，沈農(nóng)98 A比沈農(nóng)98 B降低0.6%；葉綠素b含量為0.80 mg/g和0.74 mg/g，沈農(nóng)98 A比沈農(nóng)98 B低6.5%。在38%、60%和75%遮蔭脅條件下：沈農(nóng)98 A的葉綠素a含量與沈農(nóng)98 B沒(méi)有明顯差異，3個(gè)脅迫強(qiáng)度分別比對(duì)照降低0.4%、1.4%和2.6%；葉綠素b含量略有增加，沈農(nóng)98 A比沈農(nóng)98 B分別高4.3%、0.7%和-4.3%。

2.4 空稈與不空稈近等基因系光合速率及相關(guān)參數(shù)的差異

研究結(jié)果表明，2個(gè)近等基因系的凈光合速率及相關(guān)參數(shù)的差異明顯：光合速率，在正常光照下，沈農(nóng)98 A和沈農(nóng)98 B分別為22.50μmol/(m2·s)和24.60μmol/(m2·s)，沈農(nóng)98 A比沈農(nóng)98 B低8.5%。在18%、28%、38%、60%和75%遮蔭脅迫下，光合速率在隨著脅迫強(qiáng)度加大而下降的同時(shí)，沈農(nóng)98 A分別比沈農(nóng)98 B低15.8%、-1.3%、23.2%、14.8%和28.6%。即無(wú)論遮蔭與否，沈農(nóng)98 A的凈光合速率均略低于沈農(nóng)98 B，且遮蔭強(qiáng)度越大降幅越大。葉片氣孔導(dǎo)度，無(wú)論在正常光照還是在遮蔭脅迫下，沈農(nóng)98 A均低于沈農(nóng)98 B。正常光照下差異較小，沈農(nóng)98 A和沈農(nóng)98 B分別為0.21 mol/(m2·s)和0.22 mol/(m2·s)，沈農(nóng)98 A較沈農(nóng)98 B低4.5%。在18%、28%、38%、60%和75%遮蔭脅迫下，葉片氣孔導(dǎo)度隨脅迫強(qiáng)度加大而下降，沈農(nóng)98 A分別比沈農(nóng)98 B低22.7%、9.5%、23.5%、12.5%和33.3%。胞間CO2濃度，在正常光照下，沈農(nóng)98 A和沈農(nóng)98 B分別為87.61μmol/mol和67.77μmol/mol，前者比后者高29.3%。在18%、28%、38%、60%和75%遮蔭脅迫下，胞間CO2濃度在隨著脅迫強(qiáng)度加大而增加的同時(shí)，沈農(nóng)98 A分別比沈農(nóng)98 B高出-9.4%、2.5%、14.6%、1.0%和9.7%。氣孔限制值(Ls)則與Ci相反，無(wú)論在正常光照還是在遮蔭脅迫下，沈農(nóng)98 A均比沈農(nóng)98 B低。在正常光照及在18%、28%、38%、60%和75%遮蔭脅迫下，農(nóng)98 A分別比沈農(nóng)98 B低2.5%、2.5%、-15.9%、5.3%、1.2%和13.0%。

2.5 空稈與不空稈近等基因系的葉片光合曲線及相關(guān)參數(shù)差異

試驗(yàn)表明，正常光照下沈農(nóng)98 A的光飽和點(diǎn)(LSP)、光補(bǔ)償點(diǎn)(LCP)、最大凈光合速率(Pmax)和表觀量子效率(AQY)均低于沈農(nóng)98 B，分別降低10.2%、11.9%、3.0%和13.6%。在遮蔭脅迫下，沈農(nóng)98 A的Pmax在隨著脅迫強(qiáng)度加大而下降的同時(shí)，都較沈農(nóng)98 B顯著降低。在18%、28%、38%、60%和75%遮蔭脅迫下，沈農(nóng)98 A與沈農(nóng)98 B相比：沈農(nóng)98 A的Pmax比沈農(nóng)98 B低 4.6%～15.6%，平均降低10.5%；AQY低-1.9%～31.9%，平均降低13.0%；LCP低2.5%～21.6%，平均下降12.6%；LSP低-0.1%～5.1%，平均下降3.4%?？梢?jiàn)，沈農(nóng)98 A在相對(duì)弱光環(huán)境下的光能利用效率一直低于沈農(nóng)98 B。

2.6 空稈與不空稈近等基因系葉綠素?zé)晒鈪?shù)的差異

對(duì)2個(gè)自交系的最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、熒光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)、非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)、實(shí)際光化學(xué)效率(ΦPSⅡ)和實(shí)際光照強(qiáng)度下的表觀電子傳遞效率(ETR)對(duì)比研究表明，F(xiàn)v/Fm、qP、NPQ、ΦPSⅡ和ETR在正常光照條件下，沈農(nóng)98 A和沈農(nóng)98 B分別為0.776、0.412、0.158、1.571、107.63和0.764、0.565、1.515、0.281、148.2，沈農(nóng)98 A比沈農(nóng)98 B分別低-0.4%、27.2%、-3.7%、27.3%、27.3%。在18%、28%、38%、60%和75%遮蔭脅迫下，沈農(nóng)98 A與沈農(nóng)98 B相比： 沈農(nóng)98 A的Fv/Fm比沈農(nóng)98 B低 0.15%～2.43%，平均降低1.23%；qP低-4.28%～29.77%，平均降低10.36%；NPQ低-32.10%～4.80%，平均升高3.99%；ΦPSⅡ低-3.29%～50.56%，平均下降13.74%；ETR低-3.29%～50.54%，平均下降13.74%。說(shuō)明不論在自然光照還是在遮蔭環(huán)境，沈農(nóng)98 B的原初光能轉(zhuǎn)換效率、實(shí)際光化學(xué)效率、光能轉(zhuǎn)化效率和表觀電子傳遞效率都要好于沈農(nóng)98 A，這從葉綠素?zé)晒鈪?shù)的角度進(jìn)一步揭示了易空稈的弱光敏感品種沈農(nóng)98 A的空稈原因。

3 結(jié) 論

綜上所述，空稈和不空稈近等基因系沈農(nóng)98 A和沈農(nóng)98 B在植株形態(tài)、營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)及葉綠素含量等方面沒(méi)有明顯差異；2個(gè)自交系的雌穗發(fā)育和結(jié)穗(結(jié)實(shí))性對(duì)遮蔭脅迫反應(yīng)敏感，在正常光照條件下兩者之間沒(méi)有區(qū)別，但在一定強(qiáng)度的遮蔭脅迫下(38%遮蔭)沈農(nóng)98 A就可發(fā)生100%的空稈而沈農(nóng)98 B不空稈；導(dǎo)致沈農(nóng)98 A空稈的直接原因在于雌穗幼穗分化停滯，表現(xiàn)為雌穗幼穗分化在初期停止或中期停止發(fā)育，或最終不能形成吐絲。

沈農(nóng)98 A與沈農(nóng)98 B的重要區(qū)別在于光合生理機(jī)制上的差異。在正常光照下，沈農(nóng)98 A的凈光合速率及其相關(guān)指標(biāo)，LSP、LCP、Pmax、AQY，F(xiàn)v/Fm、qP、NPQ、ΦPSⅡ、ETR均明顯低于沈農(nóng)98 B，且在不同強(qiáng)度的遮蔭脅迫下，各項(xiàng)指標(biāo)在隨著脅迫強(qiáng)度加大而下降的同時(shí)，沈農(nóng)98 A的下降幅度更大。

總之，沈農(nóng)98 A和沈農(nóng)98 B是一對(duì)具有高度近等性的近等基因系，無(wú)論在結(jié)穗性(空稈)還是在光合生理指標(biāo)上均表現(xiàn)出明顯的差異。無(wú)疑，該材料對(duì)玉米耐陰生理等方面研究具有重要的利用價(jià)值。該材料更重要的價(jià)值還在于對(duì)玉米耐陰性或?qū)θ豕饷舾行澡b定技術(shù)的建立進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)育種材料的耐陰性診斷，乃至通過(guò)對(duì)空稈性狀的分子標(biāo)記研究，最終實(shí)現(xiàn)玉米耐陰的分子標(biāo)記輔助育種。

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Breeding Technology and Physiological Mechanism of A Paired Near-isogenic Lines of Vulnerable and Invulnerable Barren Stalk

ZHONGXuemei，SHIZhensheng

2016-03-20

遼寧省農(nóng)業(yè)領(lǐng)域青年科技創(chuàng)新人才培養(yǎng)計(jì)劃(編號(hào)：2015041)；高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(編號(hào)：20122103110003)。

鐘雪梅(1985—)，女，講師，主要從事玉米栽培生理及育種研究；E-mail:xuemei.zhong@163.com。

史振聲(1954—)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事玉米栽培及育種研究；E-mail:shi.zhensheng@163.com。

10.16590/j.cnki.1001-4705.2016.08.072

S 513

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1001-4705(2016)08-0072-04