一个对双穗玉米突变体（twins）的鉴定

孙淑凤 贾 森 张喜华 史振声

（1 沈阳特亦佳玉米科技有限公司，辽宁沈抚示范区 113122；2 绥化学院农业与水利工程学院，绥化 152061；3 沈阳农业大学，辽宁沈阳 110866）

玉米的产量由单位土地面积上的穗数、每穗粒数、粒重三因素构成，其中单位面积穗数是最活跃的因素，而增加每穗粒数和粒重的难度很大。因此提高单位面积穗数成为全世界玉米育种和栽培专家的研究重点，比如增加单位面积种植密度来提高穗数，即选育适合密植、抗倒伏、耐遮荫、抗旱以及抗病性强的玉米品种，再配套以密植高产栽培技术[1-6]。然而，受气候、土壤、肥水、田间管理水平以及农民种植习惯等限制，增加密度是个渐进的过程且存在瓶颈。

长期以来，育种家希望选育出一种双穗型玉米品种来大幅度增加单位面积上的穗数，实现大幅度增产，同时提高资源利用效率。目前，对上下节位都能结穗的双穗型玉米品种研究及应用较多[7-12]，但一个节位成对生长2 个果穗的对双穗玉米还未见报道。沈阳特亦佳玉米科技有限公司在选育超甜玉米自交系过程中发现一个对双穗突变，通过连续多代的自交分离和纯合，获得一个对双穗玉米突变体系18-1S，和相同遗传背景单穗近等基因系18-1D。该突变体表现为同一个叶腋中并列着生两个大小相同的果穗，类似双胞胎，因此称其为twins。本研究以单穗玉米近等基因系18-1D 为对照材料，开展对双穗玉米产量及性状鉴定，研究twins的潜在应用价值，探索利用twins突变体提高单位面积穗数、挖掘玉米增产潜力的新途径。

1 材料与方法

1.1 试验材料试验材料为对双穗玉米突变体18-1S 及其单穗近等基因系18-1D，均为超甜型甜玉米自交系（sh2sh2），二者的遗传背景相同。18-1D为正常结穗的野生型玉米，即一个叶腋内着生1 个果穗；18-1S 为对双穗型玉米，在一个叶腋处着生一对果穗。试验材料由沈阳特亦佳玉米科技有限公司选育并提供。

1.2 试验设计试验采用大田试验方法进行，试验地点在沈阳特亦佳玉米科技有限公司试验田。试验采用随机区组排列，3 次重复。12 行区，行距0.6m，行长10m，小区面积72m2，3 次重复，种植密度为67500 株/hm2，田间管理同当地生产田。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 叶面积指数测定每小区连续标记10 株，于苗期、拔节期、大喇叭口期、抽雄期、吐丝期、灌浆期和乳熟期测量叶面积，展开叶叶面积=长×宽×0.75，未展开叶叶面积=长×宽×0.50。叶面积指数（LAI）=单株叶面积×单位土地面积株数/单位土地面积。

1.3.2 叶向值测定在成熟期选择10 株有代表性植株，记载玉米果穗叶及其上下叶各叶叶夹角（θ）、高点长（叶基至最高点距离，Lf）、叶长（L），计算出3 片叶的平均叶夹角和叶向值代表全株叶夹角、叶向值。叶夹角为叶片与茎秆的锐角角度。叶向值（LOV，Leaf orientation value）=∑[（90-θ）×（Lf/L）]/n（n 表示测定叶片数）[13]。

1.3.3 叶片叶绿素含量（SPAD）测定分别在大喇叭口期、抽雄期、吐丝期、灌浆期和乳熟期测定植株的叶绿素含量，在大喇叭口期和抽雄期测量植株最上面全展叶的基部、中部、尖部，吐丝期至乳熟期测量棒三叶，用SPAD-502 叶绿素计（日本美能达公司）测定，每个自交系随机测定10株，计算SPAD平均值。

1.3.4 生物产量的测定分别在拔节期、大喇叭口期、抽雄期、吐丝期、灌浆期和成熟期测定玉米植株茎、叶及穗的干物质积累量，105℃下杀青30min 后，75℃烘干至恒重即为干重。

1.3.5 繁殖率的测定繁殖率即每一植株结实的粒数。

1.3.6 果穗性状的测定成熟期进行取样测产，每小区随机取有代表性的30 穗称重，带回室内考种。考察果穗长、秃尖、穗粗、穗行数、行粒数、千粒重。收获果穗全部脱粒后自然风干，用水分仪测定水分后，按14%含水量计算折合产量。

1.4 数据处理用Microsoft Excel 处理数据并作图，用DPS 进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 对双穗玉米突变体的形态特征农艺性状调查表明，18-1S 与18-1D 的根、茎、叶、雌穗和雄穗形态正常，二者表型相同。芽鞘绿色，叶片中绿色，叶缘绿色，颖壳绿色，花粉囊黄色，花丝绿色，苞叶上具小箭叶。茎秆粗壮，叶片较宽，株型较平展，雄穗分枝数15～20 个，成株叶片数24 片。株高在160～170cm 之间，穗位高70cm 左右，茎粗1.5～1.8cm，生育期130d。支持根发达，根系下扎较深，抗倒能力强。

不同的是对双穗突变体一个穗位叶叶腋处成对着生2 个果穗，且下位节叶腋也同样成对着生对双穗。成对着生的2 个果穗穗柄基部相连（图1）。野生型对照18-1D 的穗柄着生部位的节间形成一个半圆形凹槽，容纳一个穗柄。18-1S 结穗节上的节间形成两个凹槽，容纳2 个穗柄，观察节间截面，18-1D 节间凹槽呈半圆形，18-1S 横截面凹槽为“3”字形。每个穗柄上着生1 个果穗，18-1S 穗柄稍短于18-1D，但穗柄节数即苞叶数相同；18-1S 吐丝稍迟缓，较18-1D 晚2d。18-1S 所结双胞胎果穗长度差异不显著，但较野生型18-1D 短2.1cm（果穗性状详见2.5 节）。

图1 对双穗突变体植株的果穗着生状态

2.2 对双穗突变体叶面积指数和发育动态叶片是最重要的光合器官，对突变体叶片的发育动态测定结果表明（图2），对双穗突变体18-1S 的叶面积指数及其动态变化趋势与野生型18-1D 一致，均呈先上升后下降趋势，在吐丝期叶面积指数达到最大值，之后逐渐下降。苗期至抽雄期18-1S 叶面积指数与18-1D 没有明显差异，吐丝期之后开始出现差异。吐丝期、灌浆期、乳熟期18-1S 叶面积指数比18-1D 分别低4.95%、7.74% 和9.89%（P>0.05），但从3 个时期均较单穗系有小幅度降低的情况看，说明二者之间存在一定联系。对双穗突变体成株期叶面积与野生型相同，但随着籽粒发育、灌浆，叶片营养转移加快，叶面积开始下降。吐丝期至乳熟期，对双穗突变体叶面积指数下降幅度为35.07%，野生型降幅为31.50%。

图2 对双穗突变体18-1S 叶面积指数动态变化

2.3 对双穗突变体植株生长及动态变化拔节期至成熟期对双穗突变体的干物质产量呈线性增长（R2为0.9512），拔节期至抽雄期18-1S 与18-1D 之间干物质产量没有明显差异，抽雄期之后逐渐产生差异并越来越大，在成熟期差异达到最大（图3）。18-1S 的干物质积累速度明显高于18-1D。吐丝期至成熟期，18-1S 和18-1D 干物质产量分别增长了117.40%和85.77%，成熟期对双穗突变体生物产量较野生型高出24.05%。

图3 对双穗突变体的生物产量动态变化

2.4 对双穗突变体SPAD 值及动态变化由图4可以看出，对双穗突变体18-1S 与野生型18-1D 的SPAD 变化趋势相同，呈先上升后下降的趋势，吐丝期达到最大值，之后开始下降。对双穗突变体18-1S SPAD 值始终低于野生型18-1D，吐丝期、灌浆期、乳熟期，二者之间的差异较大，但并未达到显著水平。突变体18-1S 分别比野生型18-1D 低4.21%、3.97%和1.69%。18-1S 和18-1D 乳熟期叶绿素含量比吐丝期分别下降了11.77%和14.03%。

图4 对双穗突变体18-1S 的SPAD 动态变化

2.5 对双穗突变体的果穗性状及产量从表1 可以看出，对双穗突变体18-1S 的穗长、穗粗、行粒数、千粒重均比野生型18-1D 有所降低，降低幅度在9.07%～17.05%之间，单穗产量降低31.67%；而繁殖率即单株粒数增加55.30%，出籽率提高6.27%，经济系数提高9.62%，单株产量提高36.66%，达到极显著水平。对双穗突变体单株生物产量达到224.60g，比野生型高24.05%。叶片、叶鞘干重为73.40g，较野生型低5.29%。

表1 对双穗突变体成熟期的果穗及产量性状

3 结论与讨论

综合上述试验结果，对双穗突变体18-1S 的株高、叶片、叶面积、株型等形态指标较野生型18-1D没有明显差异，但18-1S 一个叶腋生有2 个果穗，每株可结成熟果穗2 个，有的单株上下位均可结穗即每株4 穗。由于成对着生的果穗处于同等地位，进行平行性发育，2 个果穗大小一致，而不容易因逆境胁迫形成单穗或1 大1 小。可见对双穗玉米在增加单位面积穗数上具有巨大潜力。对双穗突变体的穗长、穗粗、穗粒数、籽粒产量比野生型有一定程度降低，意味着形成双穗以后如何满足果穗的正常发育仍有潜力可挖；在同样栽培条件下，对双穗突变体18-1S 单株产量增加36.66%，说明此类型的多穗型品种或种质对提高玉米产量具有较高的研究价值；繁殖率提高55.30%，使得以其作母本制种时将大幅度提高杂交制种的产量和经济效益；对双穗玉米使土壤、肥料、水分等资源的利用效率大幅度提高，对降低玉米种植成本具有重要意义；综合生物产量和籽粒产量进行分析，植株干物质的增加主要发生在吐丝期之后，双穗系产量的大幅度增加显示出成熟时植株的生物产量主要源于果穗（包括穗柄、穗轴、籽粒、苞叶）的增加，也即主要营养体产量并未增加且叶绿素含量也有所降低，但籽粒产量却大幅度增加，其物质来源是否由于对双穗玉米的干物质积累和物质运输的速度、效率的提高？该研究结果暗示，在源流库相互作用中，籽粒库容量可能是产量的首要限制因子，而源和流则处于从属或被动地位。这种现象是否意味着，单穗品种通常情况下各器官可能拥有较多的甚至是剩余的养分积累，当库被扩充时这些物质就可以被分配运输到库中？库的扩增是否对源和流产生拉动或刺激作用，即营养器官的生理生化功能是否产生积极响应，都有待通过生理生化方面的进一步研究揭示。上述结果中发现，对双穗突变体生育后期的绿叶面积下降明显较早较快，且粒重降低程度较大，败育增加，两者之间可能存在关联，这些现象产生的生理机制还需进一步研究。同时，从栽培学角度分析，通过给双穗玉米增加肥料和水分供应，延长持绿时间，充分发挥双穗玉米增库的作用，使每个单穗的产量更接近野生型品种，双穗玉米的增产幅度有望达到50%，甚至更高。

对双穗玉米产生的根源在于对双穗基因型的获得。无疑，该基因的挖掘和利用对玉米育种具有重大意义。特别是在高密度栽培条件下，通过增加株数来增加单位面积穗数的难度越来越大，对双穗玉米突变体可作为探讨大幅度增加单位面积穗数的新途径。