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玉米籽粒产量杂种优势的生理基础摘要对玉米杂种优势的研究始于十九世纪早期，但是对杂种优势如何影响籽粒产量的生理构成因素知之甚少。本研究调查了杂交种及其亲本的籽粒产量、籽粒产量的生理构成因素成熟期子物质积累量和干物质向籽粒的转化率（如收获指数）。及作为这两个因素基础的生理过程：旨在量化研究三米籽粒产量杂种优势的生理基础遗传材料包括12个玉米杂交种中和7个亲本自交系。试验从2000到2002年在位于加拿大安大略省的研究站执行记录的数据包括：籽粒产量、四个生育期的干物质积累量收获指数、叶面积指数总叶数、叶宽和叶长、出叶速率、持绿性、穗数、粒数和粒重、播种到吐丝天数、生理成熟天数3年试验的结果： 籽粒产量的杂种优势平均为167%成熟期干物质积累量的杂种优势平均为85%干物质向籽粒转化率的杂种优势平均为53%结果表明玉米籽粒产量的杂种优势应归因于（）花前DMA的杂种优势这主要是由于杂交中叶面积的增加使其具有更大的截光能力籽粒灌浆期DXA的杂种优势，这主要是由于杂交种具有更大的最大LAI和更长的持绿期：（3）收获指数的杂种优势干物质积累量;基因型与环境互作;LAI,叶面积指数；R表型相关系数；RG遗传相关系数玉米杂交种追根菇源可至香尔（1908，1909）在位于纽约的冷泉港实验室做的试验及伊斯特在康涅狄格州立大学做的试验。他们观察到玉米植株通过自花授粉（如自交）延续后代后继世代的活力和籽粒产量迅速下降。而当来自不相关群体的两个自交系后，后F1代的活力和籽粒产量比原始群体更高。正是九十年前的这些发现和香尔所总结出来方法成就了现代杂交玉米(种子)产业。这一现象，被称为杂种优势，指F1代杂种的表现优于任何一亲。让人惊奇的是在杂交平中时代，杂种优势并没有变化尽管这一时期美国和加拿大的商业玉米杂交种的产量已经持续增加了。虽然在经济上具有重要性的几大作物得益于杂种优势利用，但支持这一现象的遗传学和生理学机制还未被解释。关于杂种优势的遗传学基础，主要提出了两个假说：(1)显性假说、(2、)超显性假说。显性假说将杂种优势归因于杂交种积累了有利的显性基因或(显性基因)遮盖了有害隐性性状的表达这一理论与最近（1997）发现的玉米自交系间在遗传组成上存在差异的基因组学证据是一致的，并且在一项数量性状位点（QTL)基因定位研究中被演示为籽粒产量杂种优势的根本原因另一假说，即超显性假说认为单一位点的等位基因异质结合优于同质结合。虽然没有直接证据支持这一假说，但是并没有排除其作为(杂种优势的)遗传学原因。为解释玉米籽粒产量杂种优势的生理基础，研究人员已进行了几次尝试。解释杂种活力的首批尝试之一是，阿希比（1930）建议把杂交种比亲本具有更大的生物体与其具有更大的胚联系起来然而其他的研究者并没有发现杂种活力与胚的大小有一致的相关性，所以这一理论被放弃玉米籽粒产量杂种优势的表现型表述仅仅是杂交种和亲本籽粒产量的差异：威廉姆斯提出杂种优势是数量性状的特性，而数量性状是简单过程的复杂互作：解释杂种优势遇到了许多困难正是由于没有认识到复杂互作的组成部大量生理过程与环境互作对籽粒产量的影响贯穷玉米的整个生命周期人们讨论杂种优势时，认为它是绝对的或静止的，但由于受到环境和生育时期的影响杂种优势应该被认为是一个动态过程。为了克服在解释复杂性状的杂种优势时遇到的许多困难采用成分分析法研究杂种优势对籽粒产量的影响。例如在一项解释杂种优势如何影响产量的试验中，籽粒产量被细分成穗数、粒数和粒重。然而籽粒产量的这些构成因素是静态的，并不适用于籽粒产量形成的过程分析。 一个替代的方法将籽粒产量量化成成熟期地上部干物质的积累量及其向籽粒的转化率(如收获指数）能够在不同的组织水平上，根据作为其基础的生理过程分析成熟期干物质积累量和收获指数的杂种优势。例如，成熟期干物质积累量是植株在全生育过程中形成的，作为其基础的生理过程有两个：冠层截光和叶片光合。收获指数与积累同化物的库容(粒数和粒重)大小和灌浆期向籽粒的同化物供应有关这项研究的目的是观察12个杂交种及其7个亲本产量形成的生理过程量化其杂种优势在两个组织水平上讨论籽粒产量杂种优势的生理基础。首先根据其构成因素成熟期干物质积累量和收获指数的杂种优势讨论籽粒产量的杂种优势。再根据这两个构成因素的生理过程的杂种优势讨论籽粒产量的杂车审优势。材料和方法遗传材料 用四个母本与三个父本杂交，组配12个杂交种。系列自交系是G uetpil大学用于选育杂交种的优良种质，Ll1系列自交系是霍顿基金会选育的.本试验所用的四个母本系与三个父本系代表了安大略省优良的早熟熟玉米种质，试验过程研究于2000、2001和2002年在位于加拿大安大略省的ELORAa研究站进行。为避免相互竞争的。影晌，12个杂交种和7个自交系分别被种在相邻的区。杂交种区和自交系区被作为独立试验处理日到1 0月1 0日该地区的平均降水量大约是4mm，平均热量热量积累大约是2650个热量单位量单位土壤类型是伦敦粘沙土。用手工播种器播种，每穴两粒，在苗期间苗至每穴一株，定苗密度为70000()株公顷。播种前每公顷施600Kg氮磷钾(202O-10)复合肥，喷3升阿特拉津。在第6叶展开前每公顷喷0.28KG澳苯腈结合人工除草来控制杂草。12叶可见期每公顷追施100 Kg铵态氮试验设计为随机完全区组，每年4个重复小区长12M，6行每区，行距76CM，收获中间两行用于测量杂交种及其亲本的下列性状干物质积积累量取地上部作为样品测量干物质积累量，2001年和2002年在6叶期(叶尖可见)14叶期、吐丝期和成熟期测量2000年只在吐丝期和成熟期测量。在六叶期每小区的中间两行间掉的苗中随机选取10株样品测量DMA。80。C烘干样品至恒重。其它三个时期，每个小区均取样3.04 m2测量DMA。中间间两行被连续割成两米长的取样区和边界区(不取样)。 (左边界区取样区1取样区2取样区3取样区4右边界区）在14叶期和吐丝期收害区取样区所有植株的地上部(总样品)，分成样品和次级样品(随机选出的五株)，并记录两者的鲜重，将次级样品分成叶片和茎杆，丢掉样品：在80下烘干次级样品，直至连续两次称量值没有变化：用鲜重和烘干重计算其含水量。这两个时期的DMA=总样品鲜重(次级样品干重次级样品鲜重）生理成熟期在样品区取10株，收割地上部作为次级样品，分成果穗和非果穗部分，其余植株只收获果穗：三者均在80摄氏下烘干，直至连续两次称量值没有变化。成熟期DMA=次级样品总干重(样品区果穗总干重次级样品果穗干重、)。籽粒产量和收获指数在成熟期收获取样区的所有果穗脱粒并测定粒重。籽粒产量为绝对干重(含水量为0%)。以每区收获的10株次级样品的籽粒干重比地上部总干重估算收获指数粒数、粒重和穗数用数粒仪计数成熟期收获的样品区所有籽粒，并计算千粒重。收获截记录每株的果穗数：含有粒或粒以上的果穗才被计数。叶面积指数和持绿性。用LICOR叶面积仪（型号3000)测量14叶期和吐丝期的叶面积。测量前切除蓑老叶片的蓑毛部分以便只有绿色部分被测量。用随机选取的五。单株的叶面积除以相应的地表面积估计叶面积指数试验的前两年，在吐丝后6个星期，通过视觉观察估计植株的持绿性 为了更精确测量这些性状，在试验的第三年，在每个小区随机标记五株；记录单株所有叶片的叶长和最大叶宽：单叶面积=pf长叶宽075。通趟视觉观察记录叶片绿色部分的比例。吐丝后六周再次检查每张叶片，持绿性由此时的绿叶面积相对于吐丝期的绿叶面积决定。光截获本研究并没有测量光截获，但是用下面的公式估计了LAI对它的影响：I八=1e心L川。1 A指太阳辐射中被作物冠层吸收的部分，K是作物冠层的消光系数。估计光截获时，把消光系数k假定为065。叶面积和出叶速率在2000年和2001年，通达计数6叶期和l4叶期单株的可见叶数目，计算出叶速率。在第一叶蓑老前每个小区随机选取5株标记第6叶和14叶，在开花后记录总叶数吐丝期和成熟期计算每个小区从播种到吐丝和成熟的天数。吐丝期是指小区中至少50%植株最高果穗花丝可见的第一天。成熟期被定义为小区中至少50植株形成黑层的第一统计分析每一年度杂交种试验和自夏系试验中每个性状的方差分析采用PROC GLM SAS V.8.2程序。此外，两年或多年的联合方差分析采用下面的线性模型：是年度效应，P i川是年度内区组效应，【卫h是取样效应，(z1一m是年度和取样的互作效应是亚区的随机效应中亲优势度量杂交种比双亲具有的平均优势 用下面的公式计算每个性状的中亲优势：其中F1是杂交种的平均值，M P是双亲的孚均值(中亲值)用1 2个杂交种的杂种优势侄计算平均杂种优势用2年或3年的数据计算每个杂交种的平均中亲优势。程序分析了以下性生状间的表型相关系(2002)采用Bemardo的方法，用年度间四个重复的数据计算籽粒产量与成熟期DMA间、籽粒产量与收获指数间的遗传相关系数。，结果与讨论籽粒产量及其生理组成的杂种优势杂交种和自交系的表现及基因型与环境互作作效应 除生育期外，本试验研究的所有其它性状在杂 交种与自交系间都存显著差异(表】，)：表明这些性状具有一定程度的杂种优势。 杂交种和自交系的大多性状具有显著的 基因型与年度互作效应，使得杂种优势分析复杂了 杂种优势表达了杂交种相对于自交系的表现：因此当杂交种和自交系对环境的反应不同 时，杂种优势也会发生变化 对自交系而言，除总叶数和6叶期DMA外，所有其它性状都存在显著的基因型与环境互作效应，对杂交种而言，存在显著的基因型与环境互作效应的性状则很少。杂交种上不存在基因型与环境互作效应的性状包括：成熟期DMA、灌浆期DMA。14叶至吐丝期DMA、出叶速率、穗数和粒数。存在显著的基因型与环境互作效应的性状在杂交种和自交系上并不一致，表明它们在如何受环境影响方面也不相同可用F值表示杂交种和自交系的基因型与环境互作效应的大小：自交系的F值为6.2，杂交种的为1.8籽粒产量与其生理构成因素间的相关籽粒产量的杂种优势与杂交种和自交系的籽粒产量间、与籽粒量生理构成因素的杂种优势间，均呈负相关（表2和3）。籽粒产量的杂种优势与杂交种和自交系的籽粒产量。成熟期DMA收获指数问均呈负相关。杂优效应的大小在本试验所用的生理参数间变化很大，籽粒产量表现出的杂种优势高达167%，而其生理构成因素所表现的显著优势仅在9%之间(表1)。生理参数间杂优效应的不一致性表明杂交种与自交系在某些生理过程上存在差异：因此限制杂交种和自交系籽粒产量的生理过程是不一同的。确定是哪个过程限制了自交系和杂交种籽粒产量的一个有效方法是：检查籽粒产量与其生理构成因素(成熟期DMA和收获指数)间的相关性杂交种的籽粒产量与收获指数间、与收获时DMA间，均存在显著的遗传相关：但可由这两个生理过程解释的籽粒产量变化量相对较小(相关系数小)。 相反，自交系的籽粒产量与收获指数间呈高度相关，而籽粒产量与成熟期DMA间的相关性则更小。结果表明自交系籽粒产量主要受干物质向籽粒转运的能力限制，而不是受干物质的积累能力限制。这一发现与一篇育种方法论文是一致的一即成熟期的生物产量并非自交系籽粒产量的有效选择标准。作为籽粒产量构成因素基础的生理过程的杂种优势全生育期干物质积累速率在不同环境中和整个生育期中DMA积累速率的杂种优势都在变化：说明应该认为杂种优势具有动态特性。2002籽粒产量、成熟期DMA、收获指数的平均杂种优势随环境的变化而变化2000年分别为：385%、161 %和999%：2001年分别为：163、88和44；2002年分别为：117，56%,和 40。虽然杂种优势随环境的变化很大，但是其相对大小与籽粒产量及其构成因素是一致的。DMA的杂种优势在整个生育期也有变化：6叶期为90，14叶期为163%，吐丝期为57，成熟期为85DMA速率的杂种优势从播种到6叶期为90%从6叶期到14叶期为153%，从14叶期到吐丝期为58%,籽粒灌浆期为134%。杂种优势的这一动态特性允许我们估计它对F1代杂交种成熟期总DMA的贡献(图1)四个发展阶段中，从6叶期到14叶期呈现的杂种优势最大，但是这一阶段积累的DMA只占成熟期的19。相反的是，从14叶期到吐丝期贡献了36，吐丝期到成熟期贡献了4 5%(图1)。籽粒灌浆期呈现的DMA杂种优势排第二，这一时期也是积累DMA最多的时期。有趣的是，杂交种间DMA的最大差异出现在灌浆期。可以从杂优效应对形态发育、光截获和光合的影响方面研究整个生育期DMA速率的杂种优势。杂交种与亲本的形态发育存在差异。从播种到14叶期的出叶速率，杂交种比自交系大(如18%)，而两的总叶数相似，导致杂交种的吐丝日期比自交系平均早5.5天。值得惊奇的是，杂交种和自交系从播种到生理成熟的天数并没有显著差异(表1)；因此籽粒灌浆期杂交种比自交系平均长5.5天。叶面积指数LAI的杂种优势从14叶期的140下降到吐丝期的88(表1)14叶期的平均叶面积指数，杂交种是11.30，自交系是0.55。由于从6叶期到1 4叶期杂交种比自交系具有更大的出叶速率，这一时期LAI的杂种优势可部分归因于更多的叶片数(表1)。吐丝期的平均LA1，杂交种增加到2.95，自交系增中到1.55。吐丝期的单株总叶数，杂交种仅仅稍高于亲本自交系。最终的单株平均总叶数，杂交种是16.9，亲本系是16.0：具有小但显著的杂种优势，为5.5。因此，本项研究中最大叶面积指数具有杂种优势是因为叶片变大了，而不是医为叶片增多了：与其它研究的结论相似。在2002年测量了单株的叶长和最大叶宽，估测了两者对LAI杂种优势的贡献大小及叶片位置对LAI杂种优势的影晌。叶长的杂种优势大约是最大叶宽的两倍，叶面积的杂种优势随着叶位上升而增加。叶片大小的杂种优势归因于更多的细胞数目，而不是更大的细胞尺寸年度间和杂交种间最大LAI的杂种优势是相当一致的；从2002年的70%变化到2000年的103，从组合CG58LH61的70%变化到组合CG57CGG33的110。由于吐丝后6周持绿性具有在吐丝后增加了。91%的杂种优势，绿叶面积指数的杂种优势从播种到吐丝期的干物质积累从播种到吐丝期DMA的杂种优势与根据这一时期LAI估算的光 的杂种优势相关。在14叶期估算的平均光截获，杂交种为57(LAI=1.30），自交系为30%(LAI=0.55)。相反，在吐丝期估算的平均光截获，杂交种为85%(LAI=2.95)，自交系为63%(LAI=I.55)。虽然我们估算的光截获可能由于杂交种间、自交系间及杂交种与自交系间灭光系数的差异而有所偏差估算的结果表明：DMA速率由6至14叶期的153%下降到14叶至吐丝期的58%，与光截获从14叶期的90%,下降到吐丝期的35紧密相关。从播种到吐丝期DMA的杂种优势可能与杂交种和自交系间叶片光合的差异并不相关。我们发现参试杂交种与其亲本系间在吐丝期的最大叶片光合并没有差异。(2004)的研究中使用了另一套杂交种及其亲本，报道在一个生长季中从发育早期直到吐丝期杂交种与自交系间最大叶片光合没有差异：而在另一个生长季杂交种具有小却显著的光累粒灌浆期的干特质积籽粒灌浆期的平均DMA杂种优势是137%(表1)，是由两个因素产生的（1）光截获和叶片光合的杂种优势，(2)杂交种的灌浆期稍长平自交系。 吐丝期光截获的杂种优势是35%，但由于杂交种比自交系具有更大的持绿性，所以(后期)光截获的杂种优势还会增加(、持绿性是通过视觉判断的绿叶面积占总叶面积的比例)在杂交种间和在自交系间持绿性是变化的：自交系及期所配杂交种的持绿性很低。因为本试验是在同一时期记录杂交种和自交系的持绿性，所以持绿性的杂种优势效应被低估了。平均吐丝期，自交系比杂交种迟5.5天，因此杂交种处于有利的发能时期。吐丝期自交系的LAl水平远低于获得95%光截获所需的水平；因此，持绿性的杂种优势暗示出光截获的杂种优势随着籽粒灌浆进程的增加而增加。当这些杂交种和自交系被被水培种植时吐丝期的最大叶片光合速率并没有杂种优势。但是随着籽粒灌浆进程的增加，位绿叶面积的光合速率在下降；自交系比杂交种下降得更快。导致叶片光合速率的杂种优势随着灌浆进程而增加，并达到显著水平。因此，灌浆期长度、光截获、光能转化率使灌浆期DMA具有杂种优势。此外，研究还表明：玉米灌浆期的光合能力会因非生物胁迫而下降，感受性杂交种经耐受性杂交种下降的更快。如果自交系比杂交种对生物肋，迫的耐受性更低，灌浆期叶片光合速率的杂种优势就会更大。干物质向营养库的转化率干物质向营养库转运(如收获指数)的杂种优势是53收获指数是籽粒数目和籽粒大小的函数，也就是说容纳干物质的能力。籽粒数目的平均杂种优势是00%而且籽粒数目的杂种优势与收获指数的杂种优势高度相关(R=0.06；p0.01)。相反，粒重的平均杂种优势中有12(表I)，而且并不与收获指数相关。因此，结果表明：优势导致的。收获指数的杂种优势主要是由籽粒数目的杂种籽粒数目的杂种优势与的吐丝前后DMA速率并不相关。生物和非生物因素(如密谋)通过吐丝前后DMA速率对玉米籽粒数目施加部分影响。14叶期到吐丝期的DMA速率，2001和2002年平均为：杂交种249 kg ha。d，自交系1 5 7 kg ha。(导致这一时期DMA速率的平均杂种优势为58%。因此籽粒数目的杂种优势平均为109可能部分是由DMA速率的杂种优势产生的。一篇文章所报道的结果支持这一想法，即在同等叶面积指数下杂交种和自交系的籽粒数目相似。然而杂交种的籽粒数目与14叶期到吐丝期DMA速率的杂种优势并不相关。杂交种和自交系的籽粒数目与14叶期至吐丝期DMA间缺乏相关可用不同的例子加以说明：属于具有最多籽粒数目的杂交种，CG69CG33,属于具有最少籽粒数目的杂交种(表6)；但是在2001和2002年，两者从1