摘要
分析玉米絲裂病發(fā)生的遺傳機(jī)制，為選育抗絲裂病品種和高效改良感病材料提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。運(yùn)用六世代平均值分析法和植物數(shù)量性狀主基因+多基因混合遺傳模型多世代聯(lián)合分析的方法，對普通玉米自交系 R08 與 975-12 雜交組合的 P1、P2、F1、F2:3、B1:2 和 B2:2 6 個(gè)世代群體的種子絲裂病進(jìn)行分析。玉米絲裂病的遺傳符合 1 對加性主基因+加性-顯性多基因模型。在 F2:3、B1:2和 B2:2 3 個(gè)家系世代，主基因方差分別為 201.45，31.99 和 31.99；多基因方差依次為 11.04、81.14 和 0.00。主基因加性效應(yīng)值為 11.31；多基因加性效應(yīng)值為-4.47，顯性效應(yīng)值為 10.85。主基因遺傳率在 F2:3和 B1:2兩個(gè)分離家系群體中為 81.31%和 21.56%，多基因遺傳率為 4.46%與 54.68%。B2:2家系中未檢測出多基因的存在。玉米絲裂病主要由加性主基因控制，在抗病育種中可在早代高強(qiáng)度選擇，對感病自交系可采取回交轉(zhuǎn)育的方法進(jìn)行改良。
正文
玉米絲裂病是一種非生物性病害，典型癥狀是在玉米種皮上有垂直于玉米軸芯且在乳線消失的附近并與乳線平行的橫裂紋或環(huán)紋。玉米絲裂病雖然不是一種普遍發(fā)生的病害，但是發(fā)病籽粒不僅品質(zhì)下降易受真菌侵染，而且玉米籽粒出苗率大幅降低。
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1985 年，在美國得克薩斯州彎曲的沿海岸收獲的一個(gè)玉米雜交種的籽粒被拒絕收購，因?yàn)槭畠|分之五十籽粒因絲裂病被黃曲霉侵染，出現(xiàn) 28%的爛粒，玉米籽粒品質(zhì)下降，種植戶的利益受到極大損害。2005年，在美國印第安那州也有過絲裂病的報(bào)道。2005 年春四川農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米研究所在四川省雅安市多營農(nóng)場的一次大田播種試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，105 粒發(fā)病籽粒，出苗率僅為 2.9%。盡管絲裂病在商業(yè)雜交種中發(fā)生的頻率較低，但在玉米自交系上則時(shí)有顯著表現(xiàn)。當(dāng)玉米自交系籽粒出現(xiàn)絲裂癥狀時(shí)，裂開的種皮向后皺縮而暴露出胚乳，暴露的胚乳易受穗粒腐病病原侵害造成爛粒，同時(shí)由于病害發(fā)生致使胚斷裂，嚴(yán)重影響發(fā)芽率。Odvody 等1997 年就其對玉米絲裂病 10 年的觀察研究進(jìn)行了詳細(xì)描述，玉米絲裂病的發(fā)病機(jī)理研究在國內(nèi)外尚屬空白。四川農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米研究所選育的“高配合力、大穗、多抗、廣適玉米自交系 08-641”已組配了近 20 個(gè)經(jīng)國家、省審定的玉米新品種，成為西南、特別是四川玉米育種的骨干自交系，但正是由于該自交系的玉米絲裂病易發(fā)特性，使得在中國西北地區(qū)配制的以該自交系為親本的新雜交種的絲裂病發(fā)病率高達(dá) 30%～40%，嚴(yán)重影響了雜交一代種的發(fā)芽率，在一定程度上影響了該自交系在西南地區(qū)玉米育種和生產(chǎn)上的應(yīng)用。本研究采用數(shù)量遺傳學(xué)方法開展研究，以期初步認(rèn)識其遺傳本質(zhì)和發(fā)生機(jī)制，為下一步從分子水平深入研究打下基礎(chǔ)，并為玉米抗絲裂病育種提供一定的理論指導(dǎo)。
1.材料與方法
1.1 供試材料
選用由四川農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米研究所選育的、西南地區(qū)玉米育種骨干自交系 08-641（簡稱 R08，高感絲裂病）與 975-12（高抗絲裂?。楣┰囉H本，2005 年在四川雅安市四川農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米研究所多營試驗(yàn)基地種植 2 個(gè)親本，并組配 R08×975-12（F1）組合；同年冬季在云南元江縣配制 F2、B1和 B2世代。2006 年在新疆伊寧市種植2 親本、F2、B1和 B2等組合，經(jīng)自交獲得 P1、P2、F1、F2:3、B1:2和 B2:2共 6 個(gè)家系的種子用于絲裂病的鑒定。各世代群體株系的樣本容量分別為 53（P1）；20（P2）；71（F1）；91（F2:3）;188（B1:2）和 197（B2:2）。
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1.2 籽粒絲裂病的鑒定
在籽粒成熟（乳線消失，黑色層出現(xiàn)）后收獲、待含水量降到 15%以下，對單穗玉米籽粒進(jìn)行鑒定。統(tǒng)計(jì)發(fā)病百分率。
1.3 數(shù)據(jù)分析
對百分率數(shù)據(jù)做反正弦平方根轉(zhuǎn)換（由 DPS 軟件完成）后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。用經(jīng)典的 K.Mather 世代平均值分析法（以下簡稱為方法一）進(jìn)行模型檢驗(yàn)及相關(guān)遺傳效應(yīng)值的估計(jì)。采用植物數(shù)量性狀混合遺傳模型主基因+多基因多世代聯(lián)合分析方法（以下簡稱方法二），利用極大似然法和 IECM 算法估算各有關(guān)成分分布參數(shù)。通過 AIC 值的判別和一組適合性測驗(yàn)，選擇最優(yōu)遺傳模型，并估計(jì)主基因和多基因效應(yīng)值、方差和遺傳率等遺傳參數(shù)。
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2 結(jié)果與分析
2.1 6 個(gè)家系世代種子發(fā)病情況的次數(shù)分布
從表 1、圖中可以看出，B1:2、B2:2和 F2:3世代籽粒發(fā)病情況多表現(xiàn)偏態(tài)分布，盡管數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后比數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換前更趨向正態(tài)分布，但仍呈極明顯的偏態(tài)分布，表明的確存在有控制該性狀的主效基因。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，該性狀的變異分布可為多個(gè)正態(tài)分布的混合分布，其中 B1:2具有 3 個(gè)峰，B2:2具有 2 個(gè)峰，F(xiàn)2:3具有1 個(gè)峰，表現(xiàn)出明顯的主基因+多基因數(shù)量遺傳的特征。
2.2 K.Mather 平均值基因效應(yīng)分析
經(jīng) K.Mather 的單個(gè)尺度檢驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，該性狀的遺傳模型不符合加性－顯性模型，符合加性－顯性－上位性遺傳模型。按加性－顯性－上位性遺傳模型效應(yīng)估算的方法，應(yīng)用逐項(xiàng)剔除法剔除檢驗(yàn)不顯著的效應(yīng)值項(xiàng)后，估算出參數(shù)M、[d]、[h]、[i]、[l] 的估計(jì)值分別為 32.01±4.12,14.25±0.95,-70.25±27.7,
5.76 ± 14.198，39.70 ± 15.74，模型適合性檢驗(yàn)的χ2(1)=2.49，表明該性狀符合加性－顯性－上位性遺傳模型。
2.3 主基因+多基因多世代聯(lián)合分析方法的遺傳判別
2.3.1 最優(yōu)遺傳模型的選擇
采用蓋鈞鎰等介紹的植物數(shù)量性狀主基因+多基因的多世代混合遺傳模型分析方法，估算了 1 對主基因（A）、2 對主基因（B）、多基因（C）、1 對主基因+多基因（D）以及 2 對主基因+多基因（E）共 5 大類。 22 種遺傳模型的極大對數(shù)似然值和 AIC 值（表 2）。遺傳模型 D-3 和 D-4 及 E-6 模型沒有結(jié)果，這種情況有可能是由于該模型不適合，以致在參數(shù)估計(jì)過程中不收斂，出現(xiàn)非法錯(cuò)誤而中止。由表 2 可清楚發(fā)現(xiàn)，在估算的所有模型中，B-1、E-1、D-1 和 D-2 模型的 AIC 值相對較小，D-1和 D-2 它們都是屬于 1 對主基因+多基因的遺傳模型，進(jìn)而對模型進(jìn)行適合性檢驗(yàn)，結(jié)果表明 D-2 模型，即1 對加性主基因+加性-顯性多基因模型為雜交組合R08×975-12 籽粒絲裂病的最優(yōu)遺傳模型。
2.3.2 遺傳參數(shù)的估算
根據(jù) D-2 模型不同成分的分布參數(shù)，計(jì)算出的極大似然估計(jì)值，并由此計(jì)算出各有關(guān)一階和二階遺傳參數(shù)（表 3）。從表 3 可以看出，性狀的主基因的加性效應(yīng)值為 11.31，顯性效應(yīng)不顯著，而多基因加性和顯性效應(yīng)值分別為-4.47 和10.85；主基因遺傳率在 F2:3家系中最高，達(dá) 81.31，其次是 B1:2，為 21.56；多基因遺傳率在 B1:2家系中最高，為 54.68，其次是 F2:3，為 4.46。這表明控制R08×975-12 組合玉米絲裂病主要為呈加性效應(yīng)的 1對主基因，同時(shí)其遺傳還受多基因的修飾。
3 討論
3.1 影響玉米絲裂病發(fā)生的內(nèi)外因素
迄今為止，玉米絲裂病發(fā)生的機(jī)理和影響因素等尚不清楚。Odvody 等研究表明，暴露在高土壤溫度、高空氣溫度和土壤濕度持續(xù)降低等脅迫環(huán)境下、且具有一定產(chǎn)量潛勢的玉米，絲裂病發(fā)生率高且嚴(yán)重，在成熟晚期，尤其是黑層形成以后較嚴(yán)重，不同年份和不同地點(diǎn)的發(fā)病情況不一樣；并認(rèn)為發(fā)病可能與受精期間受到的環(huán)境脅迫有關(guān)，也可能與籽粒表面白天的快速干燥和夜間再水合有關(guān)。White 等認(rèn)為絲裂病是由于花絲未授粉期間周皮的不規(guī)則生長，授粉后該花絲死亡，而胚珠上未受精花絲在一定的膨脹期仍保持生活力，快速延伸的花絲脹破了處于生長狀態(tài)的周皮。王曉明等認(rèn)為是籽粒灌漿階段灌漿速度過快，籽粒胚乳部分迅速膨脹，而此時(shí)種皮生長慢且較薄，導(dǎo)致兩部分交界處出現(xiàn)割裂引起的。
四川農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米研究所多年觀察后發(fā)現(xiàn)，同一個(gè)玉米自交系或雜交種，其絲裂病發(fā)病程度在中國新疆嚴(yán)重，而西南地區(qū)相對好一些。究其原因，可能是新疆光照強(qiáng)、光照時(shí)間長，晝夜溫差大，籽粒內(nèi)部淀粉充實(shí)較快，而種子周皮則生長較慢，淀粉充實(shí)與種皮生長不適應(yīng)所致；同時(shí)由于在玉米種子干燥過程中，由于空氣干燥，種子失水過快等因素加快了該病癥的嚴(yán)重程度。總之，不同的生態(tài)環(huán)境其發(fā)病程度不同，受環(huán)境的影響較大。
3.2 玉米絲裂病發(fā)生的可能遺傳機(jī)理
采用 K.Mather 等的經(jīng)典數(shù)量遺傳學(xué)方法分析，玉米絲裂病符合加性－顯性－上位性遺傳模型，以加性基因效應(yīng)為主，上位性基因效應(yīng)次之，沒有發(fā)現(xiàn)顯性基因效應(yīng)。但從該病害表現(xiàn)的次數(shù)分布，其表現(xiàn)呈較為典型的主基因遺傳+微效多基因遺傳的混合分布。
植物數(shù)量性狀混合遺傳模型主基因+多基因多世代聯(lián)合分析的方法是通過現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)學(xué)和計(jì)算數(shù)學(xué)的方法將主基因和多基因分開來進(jìn)行研究，自 1996 年來，許多學(xué)者利用植物數(shù)量性狀混合遺傳模型主基因+多基因多世代聯(lián)合分析的方法應(yīng)用于大豆、水稻、油菜、玉米、棉花等作物的株高、抗病性、抗蟲性、品質(zhì)和育性等性狀的遺傳研究，宋蕓等認(rèn)為世代聯(lián)合分析法可以獲得更多更有價(jià)值的信息。有鑒于此，筆者又采用了蓋鈞鎰等提出的世代聯(lián)合分析法對玉米絲裂病進(jìn)行了遺傳分析，結(jié)果揭示玉米絲裂病是由一對加性主基因和加性-顯性多基因共同控制的。綜合兩種方法的分析結(jié)果，推測玉米絲裂病的遺傳符合一對主基因和加性-顯性多基因模型，主要受加性基因控制。但是筆者卻不能從這些方法中得到 QTL 的具體位點(diǎn)以及每一 QTL 的作用效應(yīng)，各 QTL 間的互作效應(yīng)。以往有使用數(shù)量遺傳學(xué)的方法和 QTL 定位的方法結(jié)果相對一致的報(bào)道，表明在植物數(shù)量性狀的遺傳研究中同時(shí)運(yùn)用數(shù)量遺傳學(xué)的方法和 QTL 定位的方法來進(jìn)行分析是完全可行的，兩者都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足，通過比較，可以相互印證和補(bǔ)充，從而獲得更為精確和豐富的遺傳信息。
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3.3 兩種分析方法的比較分析
從表面上看，兩種分析所得到的結(jié)果似乎不一致，但如果對分析方法進(jìn)行深入分析，不難發(fā)現(xiàn)其結(jié)果是一致的，方法二的結(jié)果是方法一的結(jié)果的補(bǔ)充和深化。這是因?yàn)椋悍椒ㄒ皇菍⑿誀顚?shí)際遺傳的主基因和微效基因綜合起來分析，結(jié)果表明控制玉米絲裂病的遺傳效應(yīng)主要是加性效應(yīng)，上位性效應(yīng)較小，沒有發(fā)現(xiàn)顯性遺傳效應(yīng)。顯然該分析結(jié)果是性狀遺傳的綜合結(jié)果；而方法二將主基因效應(yīng)和微效基因效應(yīng)分開來分析；不僅分析方法更符合該性狀遺傳的實(shí)際，而且所得結(jié)果更深一步揭示了玉米絲裂病的遺傳本質(zhì)，為玉米抗絲裂病育種的實(shí)踐及以后相關(guān)的后續(xù)研究提供了有益信息和理論指導(dǎo)。
3.4 關(guān)于抗玉米絲裂病的育種策略和“三高”自交系
R08 抗玉米絲裂病遺傳改良的探討，根據(jù)本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，玉米絲裂病的遺傳主要為一對主效基因+微效多基因的遺傳控制，基因效應(yīng)以加性效應(yīng)為主，上位性為輔，沒有發(fā)現(xiàn)顯性效應(yīng)。結(jié)果說明，在抗玉米絲裂病育種的實(shí)踐中，要從根本上選育抗玉米絲裂病的雜交種，應(yīng)培育抗玉米絲裂病的自交系；在選育抗玉米絲裂病的自交系中，必須選用抗玉米絲裂病的種質(zhì)材料和充分發(fā)掘抗玉米絲裂病的基因資源；在抗玉米絲裂病雜交育種中，可以進(jìn)行早代的高強(qiáng)度選擇；在對現(xiàn)有不抗玉米絲裂病的“三高”自交系進(jìn)行抗病遺傳改良時(shí)，可以回交改良。由于玉米絲裂病主要受一對以加性基因效應(yīng)基因控制，可以采用現(xiàn)代分子生物學(xué)的方法對存在自交系 975-12 的高抗玉米絲裂病基因精細(xì)定位，并進(jìn)行主效基因克隆，采用玉米轉(zhuǎn)基因工程育種的方法培育抗玉米絲裂病的優(yōu)良自交系；由于該病害的發(fā)生要受一定環(huán)境影響，鑒定也較困難，在雜交后代和轉(zhuǎn)基因后代選擇中，采用 MAS 選擇方法可提高選擇的準(zhǔn)確性和效率。玉米自交系 R08 是四川農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米研究所選育的配合力高、大穗、多抗、廣適、高淀粉含量、農(nóng)藝性狀好的西南玉米育種的“三高”骨干自交系之一，因此，若要改良該自交系的抗絲裂病性狀，現(xiàn)實(shí)階段可以采取以高抗玉米絲裂病的自交系 975-12 作為抗病基因供體的非輪回親本、以 R08 為輪回親本進(jìn)行回交轉(zhuǎn)育，從而摒除不利基因，聚合有益基因，達(dá)到抗病的目的。
4 結(jié)論
玉米絲裂病是一種非生物病害，受一對主基因+加性顯性多基因控制，基因效應(yīng)以加性效應(yīng)為主。
5 最新研究進(jìn)展
QTL for reducing aflatoxin accumulation in corn
玉米黃曲霉產(chǎn)生的黃曲霉素對人類和家畜均構(gòu)成嚴(yán)重的健康風(fēng)險(xiǎn)。在育種計(jì)劃中開展寄主植物抗性是減少黃曲霉毒素污染的可持續(xù)方法。與谷粒中抗黃曲霉毒素積累有關(guān)的數(shù)量性狀基因座（QTL）的鑒定可以使用標(biāo)記輔助選擇加速黃曲霉素抗性玉米的發(fā)育。從包含抗性近交 Mp715 和易感性近交 B73 的雜交中開發(fā)的 F 2：3 作圖群體在重復(fù)田間試驗(yàn)中進(jìn)行了評估，其中人工接種黃曲霉 2 年來鑒定減少黃曲霉毒素積累的 QTL 。
利用復(fù)合區(qū)間作圖法，在兩年內(nèi)鑒定出 6-7 個(gè) QTL 作為黃曲霉毒素含量的 QTL，其貢獻(xiàn)范圍從表型變異的 1％-10％ 不等。由單個(gè) QTL 解釋的表型變異范圍 <1至16％>
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