CN113841608A - 一种对双穗玉米的选育及其利用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对双穗玉米的选育及其利用方法，以对双穗玉米为试材，或者以在分离世代容易出现对双穗的玉米为试材，通过“大群体分离、全花粉利用、多世代发掘、二倍体诱导、纯合系鉴定”的综合技术措施，扩大分离群体和选育群体的规模、最大限度地保存对双穗基因、提高目的基因型出现的概率，使目的基因型出现的概率由常规方法的1/2²ⁿ提高到1/2ⁿ，在正常栽培条件下，对双穗的两个果穗大小与单穗型果穗的大小相近，因此产量大幅度提高。利用对双穗玉米自交系可以配制对双穗玉米杂交种，或以对双穗玉米作母本，与普通单穗型玉米配制杂交种，或直接利用对双穗甜玉米自交系做迷你型甜玉米的精品加工，达到高产和稳产目的。

Description

一种对双穗玉米的选育及其利用方法

技术领域

本发明涉及作物育种领域，尤其涉及一种对双穗玉米的选育及其利用方法。

背景技术

玉米是世界也是我国种植面积最大和总产最多的粮食作物，我国玉米年播种面积已达6.5亿亩（2020），玉米对保障国家粮食安全至关重要。我国研究表明，玉米新品种在粮食增产中的贡献率达35%以上。因此，不断推出新品种，加快品种的更新速度意义重大。

玉米产量由单位面积上的穗数、每穗粒数、每粒重量三个要素共同构成。研究表明，三要素中单位面积穗数是最活跃的因子，而穗粒数和粒重的改良难度较大。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。增加穗数普遍的做法是通过增加单位面积种植株数来实现，即选育适合密植、抗倒伏、耐荫、耐旱，以及抗病性强的玉米品种，再配套以密植高产栽培技术。然而，由于地域、生产力水平（土、肥、水、管）、机械化程度，以及农民种植习惯等原因，种植密度的增加难度仍然较大，并且其增密幅度和增产效果也是一个渐进的过程。

长期以来，人们一直希望选育出一种双穗型玉米品种，一旦这类品种选育成功，则可大幅度增加单位面积上的穗数，提高光能、热量、肥料、水分等资源利用效率，大幅度增产。但玉米不同于水稻、小麦、高粱、谷子等顶部结穗的作物，这些作物无论栽培条件好坏，总会在顶部结个穗子。而玉米即使是双穗率比较高的品种（在上下节上结穗），一旦生长条件得不到满足，由于植物生长素导致的顶端优势作用，则每株也只能在上位节保留一个果穗，而下位节的穗子自动退化掉，环境胁迫严重时甚至全株空秆。

有研究发现，玉米中有一种叶片对生（opposite phyllotaxis）现象，即在同一节的两侧对应着生两片叶子，这种叶片的对生也就意味着穗的对生。由于这种对生的关系，使两个果穗在养分供应上处于同等地位，两者都能得到发育,结出双穗。不会像通常的叶片互生（alternate phyllotaxis）玉米那样存在上位穗的顶端优势。在少数情况下，这种玉米所在的穗位叶损坏或单侧条件不利时也会导致单穗。这种叶片对生的玉米出现的概率极低，但国内外都有过报道。

对双穗玉米是玉米中存在的另外一种双穗现象。所谓的对双穗玉米即成对着生的双穗玉米，即在一个叶腋内并列着生一对一模一样果穗，如同人类的同卵孪生双胞胎。为了与常规的双穗玉米（上下节上结两个穗）相区别，国外将其称为对双穗玉米（英文twinscorn）即双胞胎玉米。两个果穗基因型相同，穗柄基部长在一起，两穗的营养源于同一渠道。这种双穗比对生叶双穗的两个果穗之间的关系更加密切。在同等栽培条件下，这种玉米一株可同时结出两个相同的果穗，且大小与单果穗植株的穗子接近。对双穗的最大特点是两个果穗平行性发育，而不会因逆境胁迫而只剩下一个单穗。在条件特别好的情况下，甚至可以在上下两个节位结出两对果穗。

本领域技术人员熟知，这种对双穗现象在自然情况下属于极小概率事件，十分罕见，即使育种家有幸遇到也难以选育成可以稳定遗传的对双穗纯系。其原因：一是该性状受多基因控制，涉及的基因数目较多且未知，各位点基因都同时出现在一株上的概率极低；二是该性状的遗传十分复杂。虽然说总体上受隐性基因控制，但各个基因之间的关系又不是简单的显隐性关系。即使有的单株含有一部分对双穗基因，但只要基因型的组成不完全具备，其性状就不能表现出来，因此该基因就不能被保留下来；第三个原因也是最重要的原因。常规的玉米自交系选育中采用的是自交方法，授粉过程也是基因重组过程，即使将对双穗植株自交，由于涉及的基因数量太多、关系太复杂，即使雌配子和雄配子有对双穗的基因型出现（小概率），但基因重组过程也使形成对双穗基因型合子的概率大大降低。

本研究在甜玉米、爆裂玉米、普通玉米育种中多次遇到含有对双穗单株的品种。通过本技术育成了甜玉米和爆裂玉米两个系列的对双穗玉米自交系及姊妹系，对双穗植株的比率已经达到近100%。对双穗玉米种质的创制和应用，对提高单位面积穗数，探索玉米增产的生理机制，开展对双穗基因的分子生物学研究以及基因挖掘和转化都将具有重大科学意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提出一种对双穗玉米的选育及其利用方法，选育出对双穗玉米自交系，进而育成对双穗玉米杂交种。探索出一条通过增加每株穗数来增加单位面积穗数的新途径，进而大幅度提高玉米单产。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种对双穗玉米的选育，其技术要点是：包括以下步骤：

（1）大群体分离对双穗植株

所述大群体分离方法采用包含以下内容：

a. 利用容易在分离世代出现对双穗的试材，所述容易在分离世代容易出现对双穗的试材包括：美玉001甜玉米（粤审玉2011006）、佳球105爆裂玉米（国审玉20180182）、佳球26爆裂玉米（国审玉20200575）；

a. 在分离世代寻找对双穗植株；

b. 规模在5000株以上的群体，使对双穗出现的株数增加；

（2）全花粉利用

找到对双穗植株后，为了最大限度地保留雌雄配子中的对双穗基因，在对双穗植株自交的同时，充分利用对双穗植株的花粉给同一材料中的非对双穗植株授粉；授粉时，散粉期间每天多次采粉，尽可能给更多的植株授粉，直至散粉期结束为止；使隐含在非对双穗植株中的对双穗基因与之重组，以期在下一代表现出来；将获得的所有种子全部留种，下一年播种或备用，包括对双穗植株的自交穗种子和非对双穗×对双穗的异交穗种子，并进行单粒播种；

（3）多世代发掘

当对双穗植株在此代出现的株数不够时，将对双穗植株自交的同时，用对双穗植株的花粉给大量的非对双穗植株授粉，留种；当此世代未能出现对双穗时，采取混合授粉或自交授粉，留种；在下一代甚至更多世代继续大量播种，寻找对双穗单株；

（4）二倍体诱导

当对双穗出现株数达到60株以上时，在吐丝期进行对双穗果穗的二倍体诱导处理，获得诱导单粒；

所述二倍体诱导技术包括“用氟乐灵诱导玉米孤雌生殖的育种方法”（申请号20111043291.4）、“一种化学诱导孤雌生殖的处理方法”（专利号：ZL201410405168.0）、“一种化学诱导玉米孤雌生殖的操作方法”（专利号：ZL2016 10337745.6）中采用的方法，用诱导剂处理花丝，诱导雌配子染色体加倍，使其不经过双受精作用而直接形成二倍体种子的技术。

（5）纯合系鉴定

先将上一代诱导而得的种子播种，将对双穗单株自交，非对双穗植株淘汰（假诱导）；在下一代播种穗行，表现全部为对双穗的穗行即为对双穗玉米自交系。

本发明提出了一种对双穗玉米的选育和利用方法，其技术要点是：所述双穗玉米自交系作为基因供体，通过杂交导入对双穗基因，育成新的对双穗玉米自交系。

本发明还提出了一种对双穗玉米的选育的利用方法，其技术要点是：所述对双穗玉米的选育用于对双穗玉米杂交种或姊妹系间杂交种，具体方法包括以下：

a.在粒用玉米上，以对双穗×对双穗的组合方式配制对双穗玉米杂交种；

b.在鲜食玉米上，根据加工及商业上在果穗大小方面的不同需求，利用现有的对双穗玉米姊妹系配制穗型中等大小的鲜食玉米姊妹系间杂交种，提高穗数的增加使产量和经济效益。

本发明还提出了一种对双穗玉米的选育的利用方法，其技术要点是：以所述对双穗自交系作母本进行杂交制种，以增加制种田产量。

本发明还提出了一种对双穗玉米的选育的利用方法，其技术要点是：所述对双穗甜玉米自交系直接用于迷你型鲜食玉米精品加工生产或玉米笋生产。

本发明具有以下技术效果：

1.该技术使育成对双穗玉米自交系成为可能，将长期以来的“可遇见到对双穗植株，但得不到对双穗纯系”成为过去。

2.为大幅度增加玉米单位面积穗数开辟一条新途径。以自交系为例，对双穗玉米可以比常规玉米增产60%以上甚至100%。资源利用率提高，生产成本降低。

3.基于对双穗玉米在叶面积、营养体等“源”不变的情况下，“库”的扩大是否导致“源”和“流”的增强，这对探索玉米高产生理机制无疑是很好的试材；对双穗玉米对玉米分子生物学的基因挖掘，乃至实现遗传转化提供了新的基因。

附图说明

图1为对双穗玉米示意图；1为玉米叶片，2为对双穗果穗；

图2为本发明方法获得的上、下两个节位结出两对果穗的对双穗玉米植株田间图。

具体实施方式

该技术可用于对双穗玉米的自交系选育、组合配制、杂交制种和自交系的直接利用。

1.对双穗玉米自交系的选育

选取容易出现对双穗植株的试材，如佳球105、佳球26、美玉001、沈甜6等，采取“大群体分离、全花粉利用、多世代发掘、二倍体诱导、纯合系鉴定”的综合技术措施扩大群体规模、保存基因资源、提高目的基因型概率，使目的基因型出现的概率由常规方法的1/2²ⁿ提高到1/2ⁿ（n=等位基因的对数)，选育出基因型纯合的对双穗玉米自交系。

对于已经发现的对双穗植株的试材，则采取“全花粉利用、多世代发掘、二倍体诱导、纯合系鉴定”的综合技术措施进行自交系选育。

（1）大群体分离。在分离世代进行大群体分离选择，如F2或F3等。群体规模在5000株以上，以保证对双穗植株出现；

（2）全花粉利用。当出现对双穗植株后，在对双穗植株自交的同时，散粉期间每天采集花粉，每天多次采粉并尽可能多地给同一试材的非对双穗植株授粉，最大限度地保留对双穗基因。收获后，将全部种子留种，下一代单粒播种。

（3）多世代发掘。当对双穗植株在此代出现的株数不够时，将对双穗植株自交，同时用对双穗植株的花粉给大量的非对双穗植株授粉，留种；当此世代未能出现对双穗时，采取混合授粉或自交授粉，留种。在下一代甚至更多世代继续大量播种，寻找对双穗单株；

（4）二倍体诱导。当对双穗出现株数达到60株以上时做二倍体诱导，获得诱导单粒；

所谓的二倍体诱导技术即本研究此前发明的“用氟乐灵诱导玉米孤雌生殖的育种方法”（201110432914）、“一种化学诱导孤雌生殖的处理方法”（ZL201410405168.0）、“一种化学诱导玉米孤雌生殖的操作方法”（专利号：ZL2016 1 0337745.6）。用诱导剂处理花丝，诱导雌配子染色体加倍，使其不经过双受精作用而直接形成二倍体种子。为了与单倍体诱导技术（DH）相区别，将其称为二倍体诱导技术。

（5）纯合系鉴定。播种诱导单粒，将对双穗单株自交，非对双穗植株淘汰（假诱导）；在下一代播种穗行，表现全部为对双穗的穗行即为对双穗玉米自交系。

2.以此方法为基础，也可以用已经育成的对双穗玉米自交系为基因供体，通过杂交导入对双穗基因，育成新的对双穗玉米自交系。

3.选育对双穗玉米杂交种或姊妹系间杂交种

在粒用玉米上，以对双穗×对双穗的组合方式配制对双穗玉米杂交种；在鲜食玉米上，根据加工及商业上在果穗大小方面的不同需求，可以利用现有的对双穗玉米姊妹系配制穗型中等大小的鲜食玉米姊妹系间杂交种，穗数的增加使产量和经济效益显著提高。

4.尽管对双穗为隐性性状，当与非对双穗杂交时F1为单穗，但以对双穗自交系作母本进行杂交制种时，可利用这一特性大幅度增加制种田产量。

5.作为迷你型鲜食玉米精品加工或采收玉米笋时，对双穗甜玉米自交系还可以直接用于生产。

经过选育，本研究已育成长穗矮秆的TW182（黄色超甜），粗穗高秆的TW186（黄色超甜）等多个对双穗甜玉米姊妹系；育成了对双穗爆裂玉米自交系TW16及姊妹系，并将以其为亲本配制杂交种。

实施例一、对双穗甜玉米选育及其利用方法

1.对双穗甜玉米自交系选育

（1）大群体分离。选取在分离世代容易出现对双穗的甜玉米杂交种美玉001（粤审玉2011006），播种F1代50株，自交或异交20穗以上；F2播种5000株以上，寻找对双穗单株；

（2）全花粉利用。F2出现对双穗3株，将对双穗植株自交，留种。同时，用对双穗单株的花粉给非对双穗单株授粉。雄穗散粉期每天多次采粉，每株每天花粉给非对双穗单株授粉10株以上，直至当天没有花粉为止和整个散粉期结束，获得100穗种子，留种备用。

（3）二倍体诱导。播种上一代收获的对双穗植株自交的种子，获得对双穗植株68株，做二倍体诱导处，获得诱导单粒；

（4）纯合系鉴定

播种上一代诱导而得的单粒，将表型为对双穗的单株自交，获得诱导一代果穗，非对双穗植株淘汰（假诱导）。下一年播种对双穗诱导二代穗行，全行为对双穗且表型整齐一致的即为对双穗玉米自交系。

经过选育，育成长穗矮秆的TW182（黄色超甜），粗穗高秆的TW186（黄色超甜）等多个对双穗甜玉米姊妹系。

2.对双穗甜玉米的利用方法

（1）配制对双穗甜玉米姊妹系间杂交种。选用长穗矮秆的TW182（黄色超甜，本公司选育）和粗穗高秆的TW186（黄色超甜，本公司选育）两个差异较大的对双穗甜玉米姊妹系作双亲，配制对双穗甜玉米姊妹系间杂交种；

（2）用于杂交制种。以对双穗甜玉米自交系TW182作母本，以非对双穗甜玉米作父本制种，利用母本的双穗特性大幅度提高制种产量。

6.实施效果

（1）通过“大群体分离、全花粉利用、多世代发掘、二倍体诱导、纯合系鉴定”的综合技术措施，可成功获得基因型纯合的对双穗玉米自交系。

（2）自交系及F1每株结两个果穗，单位面积果穗产量比单穗品种提高80%以上。

（3）对双穗甜玉米上的两个果穗大小中等，规格一致，适合高档的精品甜玉米加工。

（4）经济系数高，资源利用率高，生产成本低。

实施例二、对双穗爆裂玉米选育和利用方法

1.对双穗甜玉米自交系选育

（1）原始材料选择。选择容易在后代分离出对双穗的爆裂玉米杂交种佳球105（国审玉20180182），并利用F2代群体进行对双穗分离。

（2）大群体分离。播种佳球105的F1代40株，自交或异交25穗；F2播种5000株，寻找对双穗单株；

（3）全花粉利用。F2出现对双穗4株，将对双穗植株自交，留种。同时，用对双穗单株的花粉给非对双穗单株授粉。雄穗散粉期每天多次采粉，每株花粉给非对双穗单株授粉10～15株，直至整个散粉期结束，获得100穗种子，留种备用。

（4）二倍体诱导。播种上一代收获的对双穗植株自交的种子，获得对双穗植株67株，做二倍体诱导处，获得诱导单粒；

（4）纯合系鉴定

播种上诱导当代单粒，将表现为对双穗的植株自交，获得诱导一代果穗，非对双穗植株淘汰（假诱导）。下一年播种对双穗诱导二代穗行，全行为对双穗且表型整齐一致的即为对双穗玉米自交系。 经过选育，获得对双穗爆裂玉米自交系TW16以及多个姊妹系。

5.对双穗爆裂玉米的利用方法

（1）配制对双穗爆裂玉米杂交种。以对双穗爆裂玉米自交系TW16（本公司选育）等为双亲配制杂交种，使单位面积产量大幅度提高。

（2）杂交制种。利用对双穗爆裂玉米自交系TW16（本公司选育）作母本，以非对双穗自交系Q5（审定品种佳球105的父本）作父本制种，利用母本双穗特性使制种田产量大幅度提高。

6.实施效果

（1）通过采取“大群体分离、全花粉利用、多世代发掘、二倍体诱导、纯合系鉴定”的综合技术措施，成功育成基因型纯合的对双穗爆裂玉米自交系。

（2）自交系及F1每株结两个果穗，单位面积果穗产量比单穗品种提高70%以上。

（3）经济系数高，资源利用率高，生产成本降低。

实施例三、对双穗笋用玉米的选育和利用方法

1.对双穗甜玉米自交系的选育

（1）杂交导入对双穗基因

以早熟超甜玉米沈甜4号（辽农审证字第832号）为母本，以晚熟含对双穗基因的超甜玉米美玉001为父本杂交，F1自交留种。

（2）大群体分离、全花粉利用

大量播种分离群体F2，播种6000株，获得对双穗植株2株，自交；同时用对双穗植株的花粉给非对双穗单株授粉。每天多次取粉，尽可能地给更多植株授粉，获得非对双穗×对双穗的异交种子45穗，留种备用。

将上一代获得的对双穗自交种子全部单粒播种（600粒），非对双穗×对双穗的种子3000粒单粒播种。吐丝期调查发现有20株对双穗植株。由于株数不够，将对双穗单株自交，并用对双穗植株花粉给非对双穗植株大量授粉。

（3）多世代发掘

继续播种上一代自交的20穗对双穗种子，出苗5000株。出现80株对双穗植株，自交20穗备用。60穗做二倍体诱导。

（4）二倍体诱导、纯合系鉴定

对80株对双穗植株进行二倍体诱导处理，获得对双穗诱导单粒。

单粒播种上一年诱导而得的种子，将表型为对双穗的单株自交，非对双穗植株淘汰（假诱导）；下年播种对双穗诱导二代穗行，表现全部为对双穗的即为对双穗玉米自交系。

经过选育，育成长穗型黄粒对双穗甜玉米自交系TW12（见图2）及多个姊妹系。其中TW12吐丝期玉米笋呈筒形，最大笋径小于18mm，笋长小于70mm，符合加工玉米笋要求。鲜食期行列整齐，适口性好，果穗筒形，适合做小微型甜玉米生产。

2.玉米笋生产利用

将TW12自交系直接用于玉米笋生产。高密度种植对双穗甜玉米自交系，吐丝期采收玉米笋，每株可采收玉米笋4个以上。

3.实施效果

（1）育成的对双穗甜玉米自交系直接用来生产玉米笋，每株结笋4个以上，每亩按6000株高密度种植，每亩可收玉米笋2.4万支。

（2）经济系数高，资源利用率高，生产成本低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，对发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围。

本发明的原理：

对双穗玉米即成对着生的双穗玉米，也即双胞胎玉米（twin corn）。该玉米在同一叶腋上着生一对同样大小的玉米穗，或在2个节位或多个节位上着生多对的双穗，两个果穗的穗柄基部相连。对双穗玉米既不同于互生叶序的普通玉米在上下节位上结两个果穗，也不同于对生叶序玉米在同一个节的两侧各着生1个果穗的双穗现象。由于两穗玉米着生在同一位置，穗柄基部合在一起，两者基因型相同，所处的营养条件完全相同，使两个果穗平行性发育，不会因环境胁迫导致一个穗发育而另一个退化。

对双穗的自然发生虽然十分罕见，由未知的多基因控制，但仍属于可遗传的性状，即在育种上有遗传潜力；鉴于对双穗性状遗传行为复杂，涉及的基因数目多，再现概率极低的问题，利用二倍体诱导技术，避开双受精的基因重组过程，将对双穗基因型出现的概率由1/2²ⁿ，提高到1/2ⁿ，（n=等位基因的对数)，进而育成对双穗玉米自交系；可利用对双穗玉米自交系配制杂交种，或直接利用。

Claims (6)

1.一种对双穗玉米的选育方法，其特征是：包括以下步骤：

（1）大群体分离对双穗植株

所述大群体分离方法采用以下方法：

a. 利用容易在分离世代出现对双穗的试材分离对双穗植株；

b. 在分离世代寻找对双穗植株；

c. 5000株以上的群体中寻找对双穗植株；

（2）全花粉利用

找到对双穗植株后，充分利用对双穗植株的花粉给同一材料中的非对双穗植株授粉；散粉期间每天多次采粉，尽可能给更多的植株授粉，直至散粉期结束为止；将获得的所有种子全部留种，下一年播种或备用，包括对双穗植株的自交穗种子和非对双穗×对双穗的异交穗种子，并进行单粒播种；

（3）多世代发掘

当对双穗植株在此代出现的株数不够时，将对双穗植株自交的同时，用对双穗植株的花粉给大量的非对双穗植株授粉，留种；当此世代未能出现对双穗时，采取混合授粉或自交授粉，留种；在下一代甚至更多世代继续大量播种，寻找对双穗单株；

（4）二倍体诱导

当对双穗出现株数达到60株以上时，在吐丝期进行对双穗果穗做二倍体诱导处理，获得诱导单粒；

（5）纯合系鉴定

先将上一代诱导而得的种子播种，将对双穗单株自交，非对双穗植株淘汰；在下一代播种穗行，表现全部为对双穗的穗行即为对双穗玉米自交系；

所述对双穗玉米即为：在同一个叶腋内着生一对大小相同、穗柄基部相连的双胞胎果穗，或在多个叶腋着生多对果穗。

2.根据权利要求1所述的一种对双穗玉米的选育方法，其特征是：所述容易在分离世代出现对双穗的试材包括：美玉001甜玉米、佳球105爆裂玉米、佳球26爆裂玉米。

3.根据权利要求1所述的一种对双穗玉米的选育的利用方法，其特征是：所述双穗玉米自交系作为为基因供体，通过杂交导入对双穗基因，育成新的对双穗玉米自交系。

4.根据权利要求1所述的一种对双穗玉米的选育的利用方法，其特征是：所述对双穗玉米的选育用于对双穗玉米杂交种或姊妹系间杂交种，具体方法包括以下：

在粒用玉米上，以对双穗×对双穗的组合方式配制对双穗玉米杂交种；

在鲜食玉米上，利用现有的对双穗玉米姊妹系配制穗型中等大小的鲜食玉米姊妹系间杂交种，提高穗数的增加。

5.根据权利要求1所述的一种对双穗玉米的选育的利用方法，其特征是：以所述对双穗自交系作母本进行杂交制种，与普通单穗型玉米配制单穗型玉米杂交种，增加制种田产量。

6.根据权利要求1所述的一种对双穗玉米的选育的利用方法，其特征是：所述对双穗甜玉米自交系直接用于迷你型鲜食玉米精品加工生产或玉米笋生产。

Images