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六个热带亚热带玉米群体适应性改良进展及遗传多样性变化的研究

张德贵  
【摘要】: 20世纪中叶以来,利用具有丰富遗传变异的热带、亚热带玉米种质拓宽玉米遗传改良和杂种优势利用的种质基础已成为国内外玉米育种者的共识。对于遗传基础狭窄的中国来说,利用外来种质,特别是热带、亚热带玉米种质来改良和拓展现有种质的基础显得尤为重要。热带、亚热带玉米种质在温带地区种植通常表现出不适应性,如雌雄开花不协调、空秆率高等,大多不能作为直接选系的原始材料,这是玉米具有光周期敏感性造成的。为了使热带、亚热带玉米种质适应温带生态条件,需要进行种质的适应性改良。在群体改良方案中,混合选择法既可以保持群体内的遗传变异,又可以防止近交衰退。许多热带、亚热带玉米群体通过混合选择法进行改良获得了良好效果。中国农业科学院作物科学研究所(原作物育种与栽培研究所)采用控制双亲授粉的混合选择法成功改良了国际玉米小麦改良中心(CIMMYT)的两个亚热带优质蛋白玉米基因库POOL33和POOL34,改良后的基因库分别被命名为中群13和中群14。 本研究以POOL33和POOL34及其改良群体中群13和中群14、热带玉米群体POB43和SUWAN-1、亚热带群体POB69和POB70的原始群体CO及采用控制双亲授粉混合选择法改良的不同轮次群体为材料,通过2年2点试验分析其在适应性改良过程中开花期及其它农艺性状的选择响应,同时利用SSR分子标记技术,分析各个群体不同轮次的遗传多样性变化情况,揭示热带亚热带玉米群体不同轮次间遗传变异水平和适应性的改良效果,为其进一步改良和在玉米育种中的利用提供理论依据。主要研究结果如下: 1.在热带环境(海南)下,同一群体的不同轮次多数性状差异不显著;在温带环境(北京)下,开花期等大多数性状在同一群体的不同轮次差异显著或极显著,多数性状对混合选择发生了显著的相关响应,主要表现为: (1)开花期提前、ASI缩短,热带群体POB43和SUWAN-1的抽丝期分别从99.2d和90.7 d缩短为79.5 d和76.2 d,平均每轮提前4.9 d和3.6 d,散粉期从90.8 d和77.8 d缩短为76.7 d和74.7 d,平均每轮提前3.5 d和0.8 d,抽丝散粉间隔(ASI)分别从8.3 d和12.8 d缩短为2.8 d和3.5 d,平均每轮缩短1.4 d和2.3 d;亚热带群体,POB69和POB70的抽丝期分别从78.3 d和81.8 d缩短为69.2 d和69.0 d,平均每轮提前2.3 d和3.2 d,散粉期分别从71.0 d和72.5 d缩短为67.5 d和68.0 d,平均每轮提前0.9 d和1.1 d,抽丝至散粉间隔(ASI)分别从7.3 d和9.3 d缩短为1.7 d和2.7 d,平均每轮缩短为1.4 d和1.7 d。抽丝期和散粉期的选择响应幅度不同,散粉期提前的幅度较小,因而散粉至抽丝间隔(ASI)缩短。开花期性状的选择响应和RD值随改良轮次增加而降低。 (2)植株高度和穗位逐渐降低,热带群体POB43和SUWAN-1的株高分别从378,8cm和310.0cm降低至334.1cm和301.2cm,平均每轮分别降低11.2cm和2.2cm;穗位分别从213.1cm和179.6cm降低至176.1cm和166.2cm,平均每轮分别降低9.3cm和3.4cm;亚热带群体POB69和POB70的株高分别从301.2cm和287.5cm降低至270.3cm和263.2cm,平均每轮分别降低7.7cm和6.1cm,穗位从144.8cm和142.3cm分别降低至131.9cm和131.6cm,平均每轮降低3.2cm和2.7cm。 (3)产量、出籽率和结穗率大幅度提高,热带群体POB43和SUWAN-1的出籽率分别从62.8%和81.4%提高至81.1%和80.7%,平均每轮分别提高4.58%和-0.18%,结穗率分别从36.1%和71.0%提高至85.1%和85.0%,平均每轮分别提高12.3%和4.4%,籽粒产量分别从1232.1 kg/hm2和3693.7公斤/hm2提高至6228.2公斤/hm2和5726.9公斤/hm2;亚热带群体POB69和POB70的出籽率分别从77.7%和79.4%均提高至82.7%,平均每轮分别提高1.25%和0.83%,结穗率分别从68.1%和58.6%均提高至86.9%,平均每轮提高4.7%和8.6%,产量分别从3419.3 kg/hm2和2642.8 kg/hm2提高至4559.0 kg/hm2和4624.3kg/hm2,平均每轮分别提高284.93kg/hm2和508.30kg/hm2。 (4)穗部性状及其它农艺性状大多数存在一定的相关响应,但群体不同,响应方向和响应程度不同。 (5)测交种的开花期也在提前,株高穗位降低,产量逐步提高。 2.用40对SSR引物对24份玉米群体的DNA样本进行扩增,用全自动DNA遗传分析仪的SSR荧光标记检测。40对SSR引物在所有的供试材料中都有多态性,共检测出343条等位基因变异,每对引物检测出的等位基因数为3(nc133等)-17(phi090等)条,平均每个位点8.575个。每个SSR的多态性信息量(PIC)的变幅为0.257-0.899,平均值为0.747;多样性指数(Shannon-weaver指数(H))分布范围为1.038-2.494,平均值为1.657。分析结果表明供试群体的改良群体与原始群体相比,遗传多样性未发生显著变化。 (1)40对SSR引物在POOL33、POOL34、POB43、SUWAN-1、POB69和POB70的改良群体C4检测到的基因数目分别为104、111、105、107、108和101,与其原始群体CO检测到等位基因数目(分别为98、114、87、88、106和102)差别不明显。 (2)计算六个群体的平均多态性信息量PIC值,POOL33、POOL34、POB43、SUWAN-1、POB69和POB70的改良群体C4的平均PIC值分别为0.411、0.400、0.395、0.394、0.423和0.366,与各自原始群体C0的平均PIC值(分别为0.346、0.420、0.333、0.359、0.422和0.363)相比,没有降低。 (3)计算六个群体的平均遗传多样性指数,POOL33、POOL34、POB43、SUWAN-1、POB69和POB70的改良群体C4的平均遗传多样性指数分别为1.287、1.281、1.286、1.283、1.284和1.279,与各自原始群体C0的平均遗传多样性指数(分别为1.274、1.281、1.285、1.281、1.287和1.274)无明显差异。 (4)从各改良群体与原始群体间的遗传相似系数来看,POB43各轮次之间的遗传相似系数分布在0.755-0.845之间,SUWAN-1各轮次之间的遗传相似系数分布在0.732-0.848之间,POB69各轮次之间的遗传相似系数分布在0.700-0.793之间,POB70各轮次间的遗传相似系数分布在0.726-0.819之间;利用遗传相似系数对24个群体进行聚类,发现POB43、SUWAN.1和POB69的原始群体CO分别和各自的改良群体C1-4聚在了一类,而POB70的原始群体和改良群体C1-3聚在了一类,C4没有聚在一起。 结论: 利用控制双亲授粉混合选择法改良热带、亚热带群体可有效提高其在温带的适应性,缩短ASI,降低株高和穗位,提高结穗率和产量等,同时可有效地保持其丰富的遗传变异。这些改良群体为提高我国温带玉米遗传变异和杂种优势利用水平提供有效的种质材料。


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