優(yōu)質(zhì)蛋白糯玉米自交系的選育及品質(zhì)分析

， ，2， 明春

(1.貴州省旱糧研究所， 貴陽 550006； 2.貴州省農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點實驗室， 貴陽 550006)

優(yōu)質(zhì)蛋白糯玉米自交系的選育及品質(zhì)分析

王偉1，楊文鵬1，2，王明春1

(1.貴州省旱糧研究所， 貴陽 550006； 2.貴州省農(nóng)業(yè)生物技術(shù)重點實驗室， 貴陽 550006)

為拓寬優(yōu)質(zhì)蛋白糯玉米種質(zhì)資源，以太系19、QCL 3021、QCL 3024、QCL 5013、QCL 5019為材料，經(jīng)過雜交、回交和自交，分別構(gòu)建F、C、G、I 4個群體，通過常規(guī)育種技術(shù)結(jié)合分子標(biāo)記輔助育種技術(shù)，選育了21份優(yōu)質(zhì)蛋白糯玉米自交系，經(jīng)農(nóng)業(yè)部谷物及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心(哈爾濱)檢測，其支鏈淀粉含量變幅為98.64%～100%，平均為99.4%，符合糯玉米對支鏈淀粉含量的要求(95%以上)，賴氨酸含量變幅為0.37%～0.63%，平均為0.53%，部分達到優(yōu)質(zhì)蛋白玉米對賴氨酸含量的要求(0.4%以上)。獲得的優(yōu)質(zhì)蛋白糯玉米自交系，對糯玉米或優(yōu)質(zhì)蛋白玉米育種均具有重要的應(yīng)用價值。

優(yōu)質(zhì)蛋白玉米； 糯玉米； 賴氨酸； 支鏈淀粉

玉米是世界上主要的飼料和糧食作物，其品質(zhì)直接影響人畜禽的健康發(fā)育和食用口感。玉米籽粒營養(yǎng)品質(zhì)泛指玉米籽粒中所含的營養(yǎng)成分，如蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉和各種維生素、礦質(zhì)元素的含量及質(zhì)量等。其中，蛋白質(zhì)中的賴氨酸是人、畜、禽等單胃動物必需的氨基酸，淀粉中的支鏈淀粉含量與食用品質(zhì)緊密關(guān)聯(lián)，因此高賴氨酸玉米(賴氨酸含量高)和糯性玉米(支鏈淀粉含量高)受到長期而廣泛的關(guān)注。

Singleton和Jones[1]首次發(fā)現(xiàn)玉米opaque-2(o2)突變，其軟質(zhì)、不透明胚乳表型被用作遺傳標(biāo)記。Mertz等發(fā)現(xiàn)，隱性突變opaque-2(o2)能顯著提高玉米籽粒胚乳中的賴氨酸和色氨酸含量[2]。自Paez等[3]發(fā)現(xiàn)o2的修飾基因后，Vasal[4]利用o2修飾因子把粉質(zhì)胚乳改為硬質(zhì)胚乳，培育了硬質(zhì)胚乳的高賴氨酸玉米——優(yōu)質(zhì)蛋白玉米(Quality Protein Maize,QPM)，其產(chǎn)量水平接近于相同遺傳背景的普通玉米，為優(yōu)質(zhì)蛋白玉米的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。課題組研究人員利用Mu轉(zhuǎn)座子技術(shù)，選育出一個新的玉米高賴氨酸突變體奧帕克-16(opaque-16，o16)[5]，為高賴氨酸玉米提供了新的種質(zhì)資源。糯玉米(waxy maize)又稱蠟質(zhì)玉米，食味品質(zhì)優(yōu)良，食用方法多樣，倍受消費者歡迎。1909年，Collins[6]首次描述了蠟質(zhì)玉米的特征特性，其籽粒胚乳暗淡、表面光滑、呈蠟狀，因而稱為蠟質(zhì)胚乳。蠟質(zhì)胚乳含95%～100%的支鏈淀粉[7]，其籽粒賴氨酸含量比普通玉米高16%～74%。但仍然滿足不了人、畜、禽等對賴氨酸含量的要求(0.5%以上)[8-9]。近年來，隨著分子生物學(xué)的發(fā)展，使提高糯玉米賴氨酸含量成為可能。實踐證明，通過高賴氨酸基因(o2)和糯性基因(wx)聚合，可以保證在糯性不變的情況下提高賴氨酸含量[10-12]，從而達到提高玉米的營養(yǎng)品質(zhì)及食用品質(zhì)的目的。

雖然已有優(yōu)質(zhì)蛋白糯玉米自交系成功選育的報道，但總體上優(yōu)質(zhì)蛋白糯玉米資源較少，限制了其在育種上的應(yīng)用。鑒于優(yōu)質(zhì)蛋白糯玉米自交系在育種上具有良好的利用價值，有必要加強優(yōu)質(zhì)蛋白糯玉米自交系的選育工作，為其在生產(chǎn)上利用提供材料支撐。

1 材料與方法

1.1 供試親本材料

供試親本材料見表1。

1.2 群體構(gòu)建

利用常規(guī)育種方法，以糯玉米自交系QCL 5013為母本、o2玉米自交系太系19為父本，并以QCL 5013為輪回親本回交，構(gòu)建回交群體，簡稱F群體。用o16玉米系QCL 3024和糯玉米系QCL 5019為親本，構(gòu)建雜交群體，簡稱C群體。用o2玉米系太系19和o16玉米系QCL 3021雜交，再和糯玉米系QCL 5019雜交，組配三交群體，簡稱G群體。用糯玉米自交系QCL 5019和o16玉米系QCL 3024雜交，再和o2玉米系太系19雜交，得到三交F1，再用QCL 5019回交2次，構(gòu)建三交回交群體，簡稱I群體。

表1 供試材料名稱及來源

編號名稱來源備注支鏈淀粉(占淀粉)(%)賴氨酸(干基)(%)1太系19外引系o2系82.490.432QCL3021自育系o16系80.370.393QCL3024自育系o16系78.380.364QCL5013自育系wx系100.000.345QCL5019自育系wx系99.750.35

1.3 品質(zhì)分析

每份材料隨機選籽粒100粒，利用高速萬能粉碎機FW 80(天津市泰斯特儀器有限公司生產(chǎn))磨成細粉，寄樣到農(nóng)業(yè)部谷物及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心(哈爾濱)進行品質(zhì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 優(yōu)質(zhì)蛋白糯玉米材料的選育

對F群體自交系的選育：以糯玉米自交系QCL 5013為母本，o2玉米自交系太系19為父本，雜交獲得F1種子。種植F1，以QCL 5013為輪回親本回交獲得BC1F1種子。種植BC1F1，利用分子標(biāo)記輔助選擇(Marker Assisted Selection,MAS)技術(shù)，選擇基因型為雜合型的單株(WXwxO2o2)，利用QCL 5013回交獲得BC2F1種子。種植BC2F1，利用MAS，選擇基因型為雜合型的單株(WXwxO2o2)，自交獲得BC2F2種子。種植BC2F2，利用MAS，選擇基因型為隱性純合型(wxwxo2o2)，單株自交獲得BC2F3種子，種植BC2F3，結(jié)合背景分析和品質(zhì)分析，淘汰遺傳背景恢復(fù)率低且賴氨酸含量也低的單株，繼續(xù)自交，直至穩(wěn)定。最終獲得2個聚合有o2和wx基因的單株，QCL 8004-1和QCL 8004-2。

對C群體自交系的選育：以糯玉米自交系QCL 5019為母本、o16玉米自交系QCL 3024為父本，雜交獲得F1種子。種植F1，自交獲得F2種子。種植F2，利用MAS技術(shù)，選擇基因型為隱性純合型(wxwxo16o16)的單株，自交獲得F3種子。種植F3，結(jié)合背景分析和品質(zhì)分析，淘汰遺傳背景恢復(fù)率低且賴氨酸含量也低的單株，繼續(xù)自交，直至穩(wěn)定。最終獲得2個聚合有o16和wx基因的單株，QCL 8007-1和QCL 8007-2。

對G群體自交系的選育：以o2玉米系太系19為母本、o16玉米自交系QCL 3021為父本，雜交獲得F1種子。種植F1，以糯玉米系QCL 5019為父本，雜交獲得三交F1種子。種植三交F1，利用MAS技術(shù)，選擇基因型為雜合型的單株(WXwxO16o16O2o2)，利用QCL 5019回交獲得BC1F1種子。種植BC1F1，利用MAS，選擇基因型為雜合型的單株(WXwxO16o16O2o2)，利用QCL 5019回交獲得BC2F1種子。種植BC2F1，自交獲得BC2F2種子。種植BC2F2，利用MAS，選擇基因型為隱性純合型(wxwxo16o16o2o2)，單株自交獲得BC2F3種子，種植BC2F3，結(jié)合背景分析和品質(zhì)分析，淘汰遺傳背景恢復(fù)率低且賴氨酸含量也低的單株，繼續(xù)自交，直至穩(wěn)定。最終獲得12個聚合有wx、o16和o2三個基因的單株，QCL 8002-1、QCL 8002-2、QCL 8002-3、QCL 8002-4、QCL 8002-5、QCL 8002-6、QCL 8002-7、QCL 8002-8、QCL 8002-9、QCL 8002-10、QCL 8002-11和QCL 8002-12。

對Ⅰ群體自交系的選育：以o2玉米系太系19為母本，o16玉米自交系QCL 3024為父本，雜交獲得F1種子。種植F1，以糯玉米系QCL 5019為父本，雜交獲得三交F1種子。種植三交F1，利用MAS技術(shù)，選擇基因型為雜合型的單株(WXwxO16o16O2o2)，利用QCL 5019回交獲得BC1F1種子。種植BC1F1，利用MAS，選擇基因型為雜合型的單株(WXwxO16o16O2o2)，利用QCL 5019回交獲得BC2F1種子。種植BC2F1，自交獲得BC2F2種子。種植BC2F2，利用MAS，選擇基因型為隱性純合型(wxwxo16o16o2o2)，單株自交獲得BC2F3種子，種植BC2F3，結(jié)合背景分析和品質(zhì)分析，淘汰遺傳背景恢復(fù)率低且賴氨酸含量也低的單株，繼續(xù)自交，直至穩(wěn)定。最終獲得5個聚合有wx、o16和o2三個基因的單株，QCL 8006-1、QCL 8006-2、QCL 8006-3、QCL 8006-4和QCL 8006-5。

2.2 優(yōu)質(zhì)蛋白糯玉米的品質(zhì)分析

本研究獲得的21個優(yōu)質(zhì)蛋白糯玉米自交系，經(jīng)農(nóng)業(yè)部谷物及制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗測試中心(哈爾濱)檢測，檢測結(jié)果如表2。由表2可看出，21個自交系其平均支鏈淀粉含量為99.4%，平均賴氨酸含量為0.53%。 其中，從F群體選育出的2個優(yōu)質(zhì)蛋白糯玉米自交系，平均支鏈淀粉含量為98.80%，平均賴氨酸含量為0.375%，比糯玉米親本自交系賴氨酸含量增加8.82%以上。從C群體中選育出的2個優(yōu)質(zhì)蛋白糯玉米自交系，平均支鏈淀粉含量為99.44%，平均賴氨酸含量為0.375%，比糯玉米親本自交系賴氨酸含量增加5.71%以上。從G群體選育的12個優(yōu)質(zhì)蛋白糯玉米自交系，平均支鏈淀粉含量為99.61%，平均賴氨酸含量為0.57%，比糯玉米親本自交系賴氨酸含量增加17.14%以上。從Ⅰ群體選育的5個優(yōu)質(zhì)蛋白糯玉米自交系，平均支鏈淀粉含量為99.14%，平均賴氨酸含量為0.55%，比糯玉米親本自交系賴氨酸含量增加40%以上。

表2 選育的優(yōu)質(zhì)蛋白糯玉米品質(zhì)

編號名稱支鏈淀粉(占淀粉)(%)賴氨酸(干基)(%)類型來源來源群體1QCL8004-198.950.37含o2和wx基因QCL5013/太系19//QCL5013F群體2QCL8004-298.640.38含o2和wx基因QCL5013/太系19//QCL5013F群體3QCL8007-199.870.38含o16和wx基因QCL3024/QCL5019C群體4QCL8007-299.010.37含o16和wx基因QCL3024/QCL5019C群體5QCL8002-199.130.61含o2、o16和wx基因太系19/QCL3021//QCL5019G群體6QCL8002-299.620.58含o2、o16和wx基因太系19/QCL3021//QCL5019G群體7QCL8002-399.130.57含o2、o16和wx基因太系19/QCL3021//QCL5019G群體8QCL8002-4100.000.56含o2、o16和wx基因太系19/QCL3021//QCL5019G群體9QCL8002-599.560.57含o2、o16和wx因太系19/QCL3021//QCL5019G群體10QCL8002-699.480.41含o2、o16和wx基因太系19/QCL3021//QCL5019G群體11QCL8002-799.500.60含o2、o16和wx基因太系19/QCL3021//QCL5019G群體12QCL8002-899.620.60含o2、o16和wx基因太系19/QCL3021//QCL5019G群體13QCL8002-9100.000.56含o2、o16和wx基因太系19/QCL3021//QCL5019G群體14QCL8002-10100.000.55含o2、o16和wx基因太系19/QCL3021//QCL5019G群體15QCL8002-1199.500.63含o2、o16和wx基因太系19/QCL3021//QCL5019G群體16QCL8002-1299.810.57含o2、o16和wx基因太系19/QCL3021//QCL5019G群體17QCL8006-199.870.49含o2、o16和wx基因太系19/QCL3024//QCL5019Ⅰ群體18QCL8006-299.250.54含o2、o16和wx基因太系19/QCL3024//QCL5019Ⅰ群體19QCL8006-398.760.57含o2、o16和wx基因太系19/QCL3024//QCL5019Ⅰ群體20QCL8006-498.890.56含o2、o16和wx基因太系19/QCL3024//QCL5019Ⅰ群體21QCL8006-598.950.58含o2、o16和wx基因太系19/QCL3024//QCL5019Ⅰ群體

從4個群體中選育的21個自交系，其支鏈淀粉含量均在98%以上，符合糯玉米對支鏈淀粉含量的要求，且賴氨酸含量也比其糯玉米親本有著不同程度的提高，尤以含有o2和o16雙基因的糯玉米自交系的提高幅度較大。除QCL 8002-6 和QCL 8006-1兩個系的賴氨酸含量低于0.5%外，其余均高于0.5%，而且QCL 8002-1、QCL 8002-7、QCL 8002-8和QCL 8002-11四個系可以到達0.6%以上?？梢詽M足人類食用加工(0.5%以上)和畜禽飼料(0.6%以上)對玉米賴氨酸含量的需求，是優(yōu)質(zhì)蛋白玉米和糯玉米育種的重要素材。

3 結(jié)論與討論

本研究通過常規(guī)育種技術(shù)雜交、回交和自交，獲得了含有o2基因、o16基因、o2和o16雙基因的優(yōu)質(zhì)蛋白糯玉米自交系21份，其支鏈淀粉含量變幅為98.64%～100%，平均為99.4%，符合糯玉米對支鏈淀粉含量的要求(95%以上)(NYT 524—2002，糯玉米)，賴氨酸含量變幅為0.37%～0.63%，平均為0.53%，達到優(yōu)質(zhì)蛋白玉米對賴氨酸含量的要求(0.4%以上)(NYT 520—2002，優(yōu)質(zhì)蛋白玉米)。

張述寬等[13]利用傳統(tǒng)育種技術(shù)結(jié)合分子標(biāo)記輔助選擇技術(shù)，以2個優(yōu)質(zhì)蛋白玉米自交系和4個糯玉米自交系為材料，選育了18個優(yōu)質(zhì)蛋白糯玉米自交系，其賴氨酸含量可以達到0.38%以上。Yang等[14]聚合了o16和wx基因，得到13個家系，其賴氨酸含量比糯玉米系提高了16%以上，支鏈淀粉含量與糯玉米系相似。Zhang等[12]將o2o16基因回交滲入到wx系中，得到3份含有o2基因的糯玉米系，其平均賴氨酸含量為0.555%；得到3份含有o2o16基因的糯玉米系，其平均賴氨酸含量為0.616%，其支鏈淀粉含量與受體親本糯玉米系QCL 5019相似。

可見，將玉米o2和o16基因、o2o16聚合基因?qū)肱从衩紫?，可以提高糯玉米的賴氨酸含量，獲得食味品質(zhì)和營養(yǎng)品質(zhì)均佳的鮮食玉米育種素材，這不僅對促進鮮食玉米育種的發(fā)展有重要意義，而且對人們在食用適口的鮮食玉米的同時攝取充足的賴氨酸營養(yǎng)具有實際意義。

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Quality Analysis and breeding of Maize Inbred Lines with High Quality Protein and Waxy Characteristics

WANGWei1,YANGWenpeng1,2,WANGMingchun1

2016-11-28

貴州省科技計劃項目(黔科合NY[2014]3020號；黔科合重大專項字[2013]6022號)；貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院研究生創(chuàng)新基金項目(黔農(nóng)科合(創(chuàng)新基因)2010001)；貴州省科研機構(gòu)服務(wù)企業(yè)行動計劃項目(黔科合服企[2014]4002)；貴州省產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系項目(GZCYTX 2013-0701)；貴州省農(nóng)業(yè)科學(xué)院自主創(chuàng)新專項(黔農(nóng)科院自主創(chuàng)新科研專項字[2014]006號)。

王 偉(1982—)，男，副研究員，在讀博士研究生，研究方向：玉米分子遺傳學(xué)與育種；E-mail：wwmaize@126.com。

楊文鵬(1957—)，男，博士，研究員，主要從事玉米分子遺傳學(xué)與育種研究；E-mail：YWPmaize@126.com。

10.16590/j.cnki.1001-4705.2017.04.105

S 513

A

1001-4705(2017)04-0105-04