杂交玉米品种内在性状及基因表达的施肥原理

褚清河

（山西省农业科学院农业资源与经济研究所，山西太原030006）

自从18 世纪中叶德国植物学家科尔罗伊特创立科学的杂交方法[1]、1843 年德国化学家李比希提出土壤施肥最小因子理论[2]以及世界农业在经历粮食产量3 次大突破的“绿色革命”[3]以来，作物品种产量潜力水平的发挥必须借助于施肥量增加成为农业工作者的共识。然而，世界土壤施肥技术研究至今仍停留在经典施肥理论基础上的土壤最大施肥量上，至今没有去深入研究施肥为什么具有增产作用，土壤施肥为什么不能无限制地增加施肥量以及作物单位面积产量为什么与土壤施肥量存在一定的函数关系等问题[4-5]；作物育种也仅限于研究植株性状与高产品种选育的关系，而没有去研究施肥为什么能发挥作物品种的产量潜力水平以及作物品种是否存在决定施肥增产作用的内在性状问题[6]。近年来，笔者就生产中推广作物品种的产量潜力越来越高，但增加化肥施用量却不再具有增产作用的相关问题进行了研究。

1996—1997 年笔者进行的施肥理论技术研究发现，同一玉米品种不同土壤肥力地块玉米获得最高产量时的土壤最大施肥量截然不同，如忻州试验地的玉米最高产量施氮量为90 kg/hm2，而长治试验地则为112 kg/hm2，表明不同肥力水平的土壤具有不同的最大施肥量[7]；试验同时还发现，土壤种植玉米存在氮高磷低、磷高氮低的养分类型和最佳施肥比例规律，忻州玉米试验田氮磷最佳施肥比例为1∶1，而长治玉米试验田为1∶0.667，而且同一土壤种植不同作物最佳施肥比例也各不相同，表明土壤养分类型是作物氮磷养分的耐肥性特性对土壤氮磷养分含量高低反映的一种表现形式[8-9]。2005 年玉米施肥研究进一步表明，种植玉米土壤最大施肥量为238 kg/hm2、施氮量为75 kg/hm2时的氮肥利用率为61.5%，当施氮量达到300 kg/hm2后，氮肥利用率降到36.6%，说明玉米品种施氮量存在一个由耐肥性决定的最大施氮量限度，即耐肥性[10]；试验同时表明，最佳氮磷施肥比例显著影响植株体内氮磷养分的吸收转化[7，10]，土壤最大施肥量等于或接近玉米品种最大施肥量且为最佳氮磷施肥比例时，玉米氮肥利用率和生理利用率分别达到81.5%和31.4%的最大值。2005—2011 年在山西省农业科学院玉米研究所农场选用5 个不平衡施肥（非最佳氮磷施肥比例）下选育的父母本在平衡与不平衡施肥条件下进行了杂交制种，而后在不平衡施肥条件下进行的产量比较试验表明，不平衡施肥条件种植的平衡施肥下杂交的玉米品种，品种间植株性状的方差分析多数达到显著和极显著差异水平，但产量的方差分析无显著差异，这就提示植株性状并非是决定作物品种产量潜力水平的因素[11]，而施肥量和最佳施肥比例相应的内在性状才是决定作物品种产量潜力水平的要素。近年来一些施肥研究也发现，推广玉米品种存在耐高氮和磷高效与低效品种[12-15]，但至今还未见把施肥应用于高产品种选育理论研究的报道。

为了进一步探索决定玉米品种产量潜力水平的内在性状及其基因表达的施肥原理，本试验于2015 年开始在山西不同生态区进行研究。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

玉米田间多点试验选择在山西省不同生态区的垣曲县、汾阳市和榆次区东阳镇进行。不同试验点均采取土壤0～20 cm 表层混合样品进行土壤养分测定，其测定结果列于表1。

表1 不同试验点土壤养分测定结果

1.2 试验材料

供试作物为玉米，不同县市供试玉米品种列于表2。

表2 2015—2016 年垣曲县、汾阳市供试玉米品种

玉米父母本原始材料为A1、B1（鑫源596）；A2、B2（强盛2 号）；A3、B3（品玉208）；A4、B4（品玉188），4 个玉米原始材料在3 种施肥处理条件下杂交制种共获得12 个杂交组合品种，联创808 为玉米品比试验对照。氮肥选用尿素（含氮46%），磷肥为普通过磷酸钙（含五氧化二磷14%）。

1.3 试验方法

不同县市玉米肥料田间试验均采用单因素随机区组设计。2015 年垣曲、汾阳均为7 个玉米品种与3 种施肥方式组成的21 个处理；2016 年汾阳市试验为13 个玉米品种与3 种施肥方式组成的39 个处理。2015 年垣曲县玉米品种耐肥性试验，3 个施肥水平分别为处理1.尿素195.6 kg/hm2，普通过磷酸钙429.0 kg/hm2；处理2. 尿素391.3 kg/hm2，普通过磷酸钙857.1 kg/hm2；处理3.尿素782.6 kg/hm2，普通过磷酸钙1 714.2 kg/hm2。汾阳市试验点3 个施肥水平分别为尿素（423.9 kg/hm2）、普通过磷酸钙（1 392.9 kg/hm2）和尿素与普通过磷酸钙配施（423.9，1 392.9 kg/hm2）。2015 年小区面积为33.3 m2，2016 年小区面积为20 m2。垣曲县和汾阳玉米播种期分别为5 月13 日和5 月1 日，收获期分别为10 月5 日和10 月1 日。

2016 年汾阳玉米品种比较试验的3 种施肥处理的施肥量为尿素423.9 kg/hm2、普通过磷酸钙1 392.9 kg/hm2和尿素423.9 kg/hm2、普通过磷酸钙1 392.9 kg/hm2，共39 个处理。试验小区面积为20 m2，留苗6.6 万株/hm2。

田间试验采用随机区组排列、3 次重复的设计方法，试验所需肥料均在耕地前撒施地表耕翻入土，试验小区均全部收获记载产量。

1.4 数据统计分析

试验数据测定结果以平均值表示，采用SPSS软件进行不同品种施肥处理间差异显著性检验，采用新复极差法进行多重比较检验。

2 结果与分析

2.1 不同玉米品种最高产量施肥量及其实质分析

基于2015 年垣曲县玉米施肥量与产量试验结果，以施肥量为横坐标，玉米产量为纵坐标作图并进行抛物线回归分析，曲线如图1～7 所示。从图1～7 可以看出，不同玉米品种产量随施氮量增加变化趋势各不相同，其中，联创808 和潞玉39 的抛物线图形弯曲度较大，而金满囤和先玉335 的抛物线图形弯曲度相对较小，农华101 和中科11 的产量曲线几乎为线性增加型和逐渐降低型直线，表明不同玉米品种单位肥料的增产量各不相同，尤其是多数玉米品种试验获得的最高产量施肥量远远偏离试验设计的土壤最大施肥量，其偏离程度也各不相同，说明玉米品种各自存在一个由内在特性决定的最大施肥量，而最大施肥量所反映的是玉米品种对施肥量的耐受程度。由分析结果可知，在试验设计的相同土壤最大施肥量和最佳施肥比例试验情况下，用传统方法[16]计算的不同玉米品种最高产量施肥量各不相同，且玉米最大施肥量高产量水平一般也高，显然，玉米品种的最高产量施肥量就是玉米施肥量耐受程度极限量的外在施肥表现形式，称这一内在性状为耐肥性；分析还说明，同一玉米品种不同肥力水平土壤单位面积产量是土壤最大施肥量和作物最大施肥量二者协调的结果[7]，本试验不同玉米品种在3 种施肥方式下产量间的方差分析未达显著标准，土壤最大施肥量与玉米品种最大施肥量不匹配是造成不同玉米品种间产量无显著差异的主要原因。

2.2 不同玉米品种氮磷配施与单施的内在特性分析

由表3 可知，汾阳市不同玉米品种产量试验结果的方差分析F＝1.855*（F0.05＝1.855，F0.01＝2.405），达到显著差异水平。其中，先玉335 玉米品种氮磷配施的产量为9 523.6 kg/hm2，显著高于氮、磷单施；而齐单6 玉米品种以单施磷肥的产量最高，为7867.5kg/hm2，高于玉米氮磷配施的产量水平，说明玉米品种存在氮磷单施和配施的营养遗传特性[17-18]。

表3 2015 年汾阳市不同玉米品种氮磷配施与单施效应比较试验结果 kg/hm2

由表4 可知，2016 年汾阳市不同玉米品种氮磷单施和配施产量结果的方差分析F＝7.061**，表明同一玉米品种不同施肥处理的产量具有显著差异。其中，登海605 玉米品种氮磷配施的产量显著高于氮、磷单施，分别较氮、磷单施增产19.8%和17.5%，且差异达显著水平；而京科665 和金满囤玉米单施磷的玉米产量显著高于单施氮和氮磷配施，京科665 分别较单施氮和氮磷配施显著增产26.8%和39.2%，金满囤分别较单施氮和氮磷配施增产31.3%和34.7%。试验进一步说明，玉米品种氮磷单施和配施是决定玉米品种产量潜力水平的内在性状，杂交玉米存在由内在特性决定的氮、磷单施和配施特性品种，定义这一内在性状为养分利用效率性状。由此可见，玉米品种的养分利用效率性状也是决定作物品种产量潜力水平的重要性状[7，10]，该性状通常通过土壤最佳施肥比例基因进行表达。

表4 2016 年汾阳市不同玉米品种氮磷配施与单施效应比较试验结果 kg/hm2

2.3 杂交玉米品种内在性状及其基因表达的施肥原理分析

杂交玉米品种耐肥性和养分利用效率性状形成及其氮磷基因表达的施肥原理，可通过比较同一父母本在氮、磷单施及其二者配施条件下杂交玉米品种分别在氮、磷单施及其二者配施条件下种植的产量试验结果得到说明（表5）。从表5 可以看出，F＝2.853**（F0.05＝1.69，F0.01＝2.10），表明施肥显著影响品种性状基因的表达和产量潜力水平的发挥。其中，鑫源596 父母本（A1、B1）氮、磷单施条件下杂交制种的玉米品种单施氮种植产量高于单施磷和氮磷配施种植，而相同父母本（A1、B1）氮磷配施制种的杂交品种氮磷配施种植产量则明显高于氮、磷单施，氮磷配合施用种植的玉米产量为8 580.0 kg/hm2，分别较氮、磷单施种植提高9.2%和11.1%。现代作物营养遗传特性研究证明，基因是控制生物生长发育性状的基本功能单位[19]，显然前述的玉米氮、磷单施和配施的养分吸收性状是由相应基因控制的，鑫源596 父母本氮磷单施杂交制种品种单施氮种植产量明显高于单施磷，而氮磷配施杂交品种氮磷配施种植则显著高于氮、磷单施，一方面说明鑫源596 父母本本身只含有氮磷配施基因和单施氮营养遗传特性基因；另一方面说明氮、磷单施或配施基因是父母本固有的，在无相应施肥因素激活的情况下，通常处于休眠状态或孟德尔所说的隐性状态，合理施肥量下肥料的施用对相应基因具有激活作用，施肥可使隐性基因转化为显性基因。从表5可以看出，鑫源596 父母本氮磷配施制种品种氮磷配施种植的玉米产量（8 580 kg/hm2）显著高于单施氮条件下杂交制种品种氮磷配合施用种植的产量（6 160.0 kg/hm2）水平，也明显较相同父母本单施磷制种品种氮磷配施种植的产量（7 590.0 kg/hm2）水平，说明在父母本氮、磷单施基因耐肥性较小的情况下，氮磷配施制种和种植的增产效果大于单施[7]，同时说明玉米品种的养分利用效率是由氮磷配施基因决定的。氮磷配施与氮、磷单施基因是玉米品种父母本固有的，土壤氮磷配施是养分利用效率内在性状的外在施肥表现形式[20-24]。

表5 2016 年汾阳市同一玉米父母本氮磷单施与配施杂交品种在相应施肥条件下种植的产量试验结果 kg/hm2

强盛2 号氮磷配施杂交制品种以氮磷配施种植的玉米产量最高，玉米产量为9 856.0 kg/hm2，分别较氮、磷单施种植提高3.9%和4.2%，但父母本单施磷杂交制种品种却以单施氮种植的产量水平（11 528.0 kg/hm2）最高，明显高于氮磷配施制种品种氮磷配施种植的产量水平，说明强盛2 号父母本也仅含有氮磷配施和单施氮营养遗传特性基因，同时表明父母本对氮的耐肥性高于其他品种的父母本[13-14]，耐肥性确实是主导杂交玉米品种产量潜力水平的内在性状。分析表明，杂交玉米品种的父母本只有含有相同性状的激活态基因才能实现有效杂交，而只有其中一方基因的耐肥性表征的施肥量足够大，才能保证杂交玉米品种具有高产特性，称这种高产杂交规律为同性耐异杂交规律。

品玉208 父母本与鑫源596 和强盛2 号不同，氮磷配施制种的品种并未表现出氮磷配施种植的高产特性，相反却是表现出了氮、磷单施种植的高产特性，因此，品玉208 是仅含有氮、磷单施营养遗传特性基因的自交系，且父母本基因的耐肥性较低，因此，杂交品种的产量水平也较低。充分说明玉米父母本杂交种首先必须通过施肥激活相应基因才能实现施肥基因的表达，而只有施肥基因得到表达，施肥才具有增产作用。

品玉188 父母本（A4、B4）也仅含有氮、磷单施营养遗传特性基因，但品玉188 父母本杂交制种中并非氮、磷单施激活父母本相应基因进行杂交重组，而是表现出交叉激活重组的现象。氮、磷交叉激活很可能是由于父母本氮、磷单施基因的耐肥性均较低，杂交制种时的施肥量已超过相应基因的耐肥性，施肥造成相应基因失活，从而使得另一养分基因得到了表达。

3 结论与讨论

作物育种学至今还未建立起科学的育种理论，仍停留于株型育种对现象描述、经验总结的猜测性思辨阶段。现有研究表明，植株性状是从属于作物品种产量潜力水平的生长发育要素指标，作物品种植株性状发育和产量潜力发挥严重受施肥的制约，外在性状的株型根本不可能决定由内在性状决定的作物品种产量潜力水平[11]。

《作物施肥原理与技术》教科书[4]中认为，作物产量与施肥量的关系符合抛物线函数关系，并定义作物最高产量所对应的施肥量为最高产量施肥量。定义已表明，作物品种肯定存在一个与自身施肥量耐受性限度相对应的土壤最大施肥量，否则土壤施肥量就不可能获得作物最高产量。笔者近年来的研究证明，土壤和作物品种均存在一个由自身决定的最大施肥量，而且作物品种还存在一个决定土壤最佳施肥比例的内在性状即养分利用效率，内在性状通常控制作物对土壤养分的吸收和有效利用。本试验证明，现行推广作物品种存在由耐肥性和养分利用效率内在性状决定的作物最大施肥量和最佳施肥比例营养遗传特性，二者的相应基因在杂交过程中通过施肥激活重组共同决定了作物品种的产量潜力水平。据此，研究提出了作物育种学理论：作物品种具有氮、磷单施及其配施、耐肥性等内在性状，其是由基因型决定的，作物品种选育实际就是父母本养分性状基因激活和重组的过程。通常情况下，父母本并非均携带上述全部基因，而且携带基因可以是相同的，也可以是不同的，但父母本只有含有相同的基因才能实现杂交重组，而只有其中一方基因具有较强的耐肥性，杂交品种才具有高产特性。父母本所携带基因在无相应因素激活的情况下，通常处于休眠状态即隐性状态，只有施用相应氮、磷养分才能使隐性基因转化为显性基因并通过杂交重组使其表现出相应的施肥特性[25]。

作物育种理论一是提出了耐肥性和利用效率的科学概念及发现了同性耐异杂交规律[26]，可有效缩短品种选育时间，变传统育种自交系选育的偶然性和经验性为必然性；二是发现了土壤和作物品种存在各自的最大施肥量并提出了最大施肥量相匹配概念，可使作物育种做到科学选育和相匹配种植，从而改变现行高产品种小范围、小面积种植单产水平较高，但大范围、大面积种植出现单产较低的状况；三是发现了基因激活和失活现象，揭示了隐性基因和显性基因的表达规律和环境对杂交育种影响的本质，可科学解释作物品种更新下增施化肥不再具有增产作用的难题。即作物品种产量潜力与品种选育试验田土壤施肥量密切相关，随着育种试验田土壤肥力的不断提高和相应施肥量的增大，所选育品种产量潜力也就越来越高，而由于生产中大田土壤的平均最大施肥量远小于作物品种的最大施肥量而限制了品种产量潜力的发挥，因此，世界农业生产中出现了作物新品种不断更新下增施化肥不再具有增加粮食单产的问题。不仅如此，作物育种理论的提出有望对达尔文物种进化原理做出科学解释，即物种进化是极度干旱、寒冷、高温等环境的发生，使得物种所具有基因得到激活而实现自然重组，而本身不具有与环境相适应基因的物种将在极端气候环境下被淘汰。