活稈成熟和非活稈成熟玉米自交系的籽粒脫水速率及相關(guān)因素分析

李文蘭 李文才 孫琦 于彥麗 趙勐 魯守平 孟昭東

摘要：籽粒機(jī)收是我國玉米實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化的瓶頸，而收獲期籽粒含水量則是影響其機(jī)收效果的關(guān)鍵因素。加快成熟后期籽粒脫水速率是降低收獲期籽粒含水量而不影響產(chǎn)量的有效方式。本研究以5個(gè)活稈成熟（SG）和5個(gè)非活稈成熟（NSG）自交系為對(duì)象，測(cè)定其籽粒、葉片和莖稈的含水量，計(jì)算其脫水速率。結(jié)果顯示，活稈成熟自交系的收獲期籽粒含水量和葉片含水量均高于非活稈成熟自交系，而莖稈含水量在活稈成熟和非活稈成熟兩類自交系間沒有明顯差異。相關(guān)性分析顯示葉片脫水速率和籽粒脫水速率呈顯著正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)0.756，P<0.05）。根據(jù)衰老啟動(dòng)標(biāo)記基因ZmSee1的表達(dá)水平，分析葉片衰老啟動(dòng)時(shí)間與籽粒脫水速率的相關(guān)性，表明：在非活稈成熟的5個(gè)自交系中，LH196、PHM10和PH207的ZmSee1基因表達(dá)峰值出現(xiàn)在授粉后第4 d，DK517M和Lx9801的ZmSee1基因表達(dá)峰值出現(xiàn)在授粉后第8 d;而在活稈成熟的5個(gè)自交系中，ZmSee1基因的表達(dá)峰值均出現(xiàn)在授粉后第16 d。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，葉片衰老啟動(dòng)時(shí)間和籽粒脫水速率之間存在顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.733（P<0.05）。

關(guān)鍵詞：玉米;自交系;活稈（非活稈）成熟;含水量;脫水速率;ZmSee1

中圖分類號(hào)：S513.01：Q781 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)號(hào)：A ?文章編號(hào)：1001-4942（2019）06-0026-05

Abstract Kernel mechanical harvesting is the bottleneck of the whole mechanization of maize in China. The grain moisture at harvest stage is a key factor influencing the mechanical harvest effect. Increasing the dehydration rate after physiological maturity is an effective way to reduce grain moisture at harvest stage without affecting production. In this study， five stay green （SG） inbred lines and five non-stay green （NSG） inbred lines were used as test materials. The moisture content of kernels， leaves and stem were measured and then the dehydration rate was calculated. The results showed that the moisture of kernels and leaves in SG inbred lines were higher than that of NSG inbred lines. There was no significant difference in stem moisture between SG and NSG inbred lines. Correlation analysis showed that the dehydration rate of leaves was positively related to the dehydration rate of kernels （correlation coefficient as 0.756， P<0.05）. According to the expression level of senescence initiation marker gene ZmSee1， the correlation between senescence initiation time and kernel dehydration rate was analyzed. In the five NSG inbred lines， the peak expression level of ZmSee1 gene in LH196， PHM10 and PH207 occurred on the 4th day after pollination， while the peak expression level of ZmSee1 gene in DK517M and Lx9801 occurred on the 8th day after pollination. In the five SG inbred lines， the peak expression level of ZmSee1 gene occurred on the 16th day after pollination. Correlation analysis showed that the leaf senescence initiation time was negatively related to the dehydration rate of kernel with the correlation coefficient as-0.733（P<0.05）.

Keywords Maize; Inbred line; Stay （or non-stay） green; Moisture; Dehydration rate; ZmSee1

玉米在我國糧食生產(chǎn)中占有重要地位。農(nóng)業(yè)人口分流、土地趨于規(guī)?；a(chǎn)形勢(shì)下，玉米全程機(jī)械化成為必然趨勢(shì)。籽粒機(jī)收是當(dāng)前我國玉米全程機(jī)械化的瓶頸環(huán)節(jié)，而收獲時(shí)籽粒含水量居高不下則是影響玉米籽粒機(jī)收的關(guān)鍵因素。目前，我國三大玉米生態(tài)區(qū)都急缺適宜籽粒機(jī)收的品種，相關(guān)理論研究更是匱乏。黃淮海夏玉米區(qū)小麥玉米一年兩作，玉米生育期短，籽粒機(jī)收的挑戰(zhàn)性更大。

國內(nèi)外對(duì)玉米籽粒脫水速率和含水量的研究主要集中在籽粒脫水與農(nóng)藝性狀、品質(zhì)性狀、生理指標(biāo)和環(huán)境因素等方面。較高的穗位、較低的株高有助于籽粒快速脫水[1，2];灌漿期綠葉數(shù)較少，有助于加快脫水速率[3];穗長和穗粗均影響籽粒脫水速率[4-6]。籽粒品質(zhì)性狀與籽粒脫水速率之間也存在一定的相關(guān)性，比如含油率高的籽粒往往含水量也高[7];蛋白質(zhì)含量、淀粉含量、支鏈淀粉含量等都與籽粒脫水速率相關(guān)[8]。但關(guān)于葉片衰老啟動(dòng)時(shí)間對(duì)籽粒脫水速率的影響尚未見相關(guān)報(bào)道。本研究根據(jù)授粉后50 d的葉片含水量，將10個(gè)玉米自交系分成活稈成熟（stay green，簡稱SG，葉片含水量≥50%）和非活稈成熟（non-stay green，簡稱NSG，葉片含水量<50%）兩類，兩者均為5個(gè)。通過測(cè)定10個(gè)自交系的籽粒、葉片和莖稈含水量，繼而計(jì)算其脫水速率并分析每兩個(gè)動(dòng)態(tài)脫水過程間的相關(guān)性;利用衰老啟動(dòng)標(biāo)記基因ZmSee1的表達(dá)水平尋找葉片衰老啟動(dòng)時(shí)間[9]，分析其在兩類自交系中的差異，探究葉片衰老啟動(dòng)時(shí)間與籽粒脫水的相關(guān)性，以期為選育脫水速率快的新品種提供理論依據(jù)與技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與種植管理

試驗(yàn)于2017年選用5個(gè)SG自交系（Lx08-8、齊319、Lx10-9、昌7-2、478）和5個(gè)NSG自交系（LH196、PHM10、PH207、DK517M、Lx9801），播種在山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院濟(jì)南基地。6行區(qū)種植，行長5 m，行距70 cm，株距30 cm。田間管理同大田。

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 含水量 每份材料掛牌，標(biāo)明授粉時(shí)間。對(duì)授粉后25～50 d的自交系取樣。樣品：籽粒取全穗籽粒，葉片為棒三葉混合，莖稈為穗位上下兩節(jié)。每5 d取樣1次。田間樣品立即稱重，記為鮮重;然后在105℃下烘1 h，使酶失活，再在80℃下烘至恒重，記為干重。樣品含水量（%）=（鮮重-干重）/鮮重×100。脫水速率即為兩次取樣的樣品含水量之差再除以取樣間隔天數(shù)。

1.2.2 ZmSee1基因的實(shí)時(shí)定量PCR分析 對(duì)授粉后0～24 d自交系的棒三葉混合取樣，每2 d取1次，田間用液氮處理，后置-80℃冰箱保存。引物序列ZmSee1-F：5′-CTGGACCTTCAGCACTACTGGT-3′;ZmSee1-A：5′-ATTGTTGAATGCCAAACCACAGTC-3′。按照試劑盒說明進(jìn)行RNA提取和反轉(zhuǎn)錄，得到cDNA。按照SYBR Green PCR Master Mix說明書的操作指南進(jìn)行反應(yīng)體系的配制，用ABI7500 CFX 96實(shí)時(shí)定量PCR儀進(jìn)行PCR擴(kuò)增。其數(shù)據(jù)分析采用2-ΔΔCT方法。圖片采用Photoshop CS3進(jìn)行處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 活稈成熟和非活稈成熟玉米自交系的籽粒、葉片和莖稈含水量

10個(gè)玉米自交系的籽粒含水量見表1。從中看出，從授粉后25～50 d，所有自交系的籽粒含水量均直線下降。授粉后50 d，NSG自交系的籽粒含水量為8.97%～22.44%，SG自交系的籽粒含水量為29.52%～36.22%。

10個(gè)玉米自交系的葉片和莖稈含水量分別見表2、表3。5個(gè)NSG自交系中，除Lx9801是授粉后45 d才開始快速脫水外，其余則在授粉后30～40 d時(shí)開始快速脫水，且授粉后50 d時(shí)葉片含水量均降至30%以下;而5個(gè)SG自交系的葉片含水量始終維持在較高水平（表2）。莖稈含水量在兩類自交系間沒有明顯差別，均始終維持在較高水平，授粉后50 d時(shí)達(dá)52.65%～78.20%（表3）。

2.2 活稈成熟和非活稈成熟玉米自交系的籽粒、葉片和莖稈脫水速率

10個(gè)玉米自交系的籽粒脫水速率的計(jì)算結(jié)果見表4。籽粒日均脫水速率最快的是PH207，授粉后35～40 d日均脫水速率為3.31%/d;籽粒日均脫水速率最慢的是齊319，授粉后45～50 d時(shí)日均脫水速率為0.11%/d。非活稈成熟自交系的籽粒平均脫水速率均高于1.1%/d，而活稈成熟自交系的籽粒平均脫水速率除Lx10-9（1.11%/d）外均等于或低于0.9%/d，前者明顯高于后者。

由表5看出，葉片脫水速率在活稈成熟和非活稈成熟兩類自交系中存在明顯差異。5個(gè)非活稈成熟自交系中，PHM10和PH207的日均葉片脫水速率呈逐漸變小趨勢(shì)，而LH196、DK517M的日均葉片脫水速率最高值（3.62%/d和5.71%/d）出現(xiàn)在授粉后35～40 d，Lx9801的日均葉片脫水速率最高值（5.14%/d）出現(xiàn)在授粉后45～50 d。5個(gè)活稈成熟自交系中，除昌7-2授粉后45～50d的日均葉片脫水速率較多（1.14%/d）外，其它各自交系各時(shí)段的日均葉片脫水速率都很低，均未超過0.9%/d。非活稈成熟材料的葉片平均脫水速率為（1.13～1.92）%/d，活稈成熟材料的為（0.34～0.78）%/d。

由表6可見，從成熟早期（授粉后25 d）到收獲期（授粉后50 d），莖稈日均脫水速率都很慢，平均脫水速率在0.10%/d（Lx9801）到0.72%/d（PHM10）之間。這表明，直到收獲期，莖稈的含水量也維持在較高水平。

2.3 玉米自交系籽粒、葉片與莖稈之間脫水速率的相關(guān)性分析

對(duì)10個(gè)玉米自交系籽粒、葉片和莖稈之間的脫水速率作相關(guān)性分析，結(jié)果（表7）表明，籽粒與葉片間的脫水速率呈顯著正相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.756（P<0.05），其它性狀間的相關(guān)性不顯著。

2.4 玉米葉片衰老啟動(dòng)時(shí)間與籽粒脫水速率之間的相關(guān)性分析

根據(jù)衰老啟動(dòng)標(biāo)記基因ZmSee1的表達(dá)水平尋找葉片衰老啟動(dòng)時(shí)間，分析其在兩類自交系間的差異，探究葉片衰老啟動(dòng)時(shí)間與籽粒脫水速率的相關(guān)性，結(jié)果如圖1所示。NSG自交系中，LH196、PHM10和PH207的ZmSee1基因表達(dá)峰值出現(xiàn)在授粉后第4 d，DK517M和Lx9801出現(xiàn)在授粉后第8 d;而在SG自交系中，ZmSee1基因的表達(dá)峰值均出現(xiàn)在授粉后第16 d。相關(guān)性分析表明，葉片衰老啟動(dòng)時(shí)間與籽粒脫水速率之間存在顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.733（P<0.05）。

3 討論與結(jié)論

玉米在我國糧食生產(chǎn)中占有重要地位，然而隨著勞動(dòng)力成本的逐年增加，實(shí)現(xiàn)玉米全程機(jī)械化已成為必然趨勢(shì)[10]。選育收獲時(shí)籽粒含水量低、脫水速率快的玉米新品種成為當(dāng)代育種家的新目標(biāo)。不同于前人研究，本試驗(yàn)首次探究籽粒脫水、葉片脫水與莖稈脫水這三個(gè)動(dòng)態(tài)過程之間的相關(guān)性;將5個(gè)活稈成熟自交系和5個(gè)非活稈成熟自交系進(jìn)行籽粒、葉片和莖稈含水量的測(cè)定以及平均脫水速率的計(jì)算。其結(jié)果表明，非活稈成熟自交系的籽粒含水量和葉片含水量在收獲時(shí)明顯低于活稈成熟自交系，并且前者的籽粒脫水速率和葉片脫水速率明顯高于后者。相關(guān)性分析顯示，籽粒脫水速率與葉片脫水速率之間存在顯著正相關(guān)（r = 0.756，P﹤0.05）;而籽粒脫水速率與莖稈脫水速率之間、葉片脫水速率與莖稈脫水速率之間呈不顯著負(fù)相關(guān)。這些結(jié)果暗示非活稈成熟自交系較符合新時(shí)期的選育目標(biāo)。

玉米籽粒脫水是一個(gè)復(fù)雜的生理過程，涉及多個(gè)生理生化過程。本研究就葉片衰老啟動(dòng)時(shí)間對(duì)籽粒脫水速率的影響進(jìn)行了分析，這也是首次探究葉片衰老與籽粒脫水速率之間的關(guān)系。ZmSee1基因的表達(dá)峰值在非活稈成熟自交系中出現(xiàn)的時(shí)間早，而在活稈成熟自交系中出現(xiàn)的時(shí)間晚。將葉片衰老啟動(dòng)時(shí)間和籽粒脫水速率進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果顯示葉片衰老啟動(dòng)時(shí)間和籽粒脫水速率之間存在顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為-0.733（P<0.05）。

本研究結(jié)果表明，玉米籽粒脫水與葉片脫水關(guān)系密切，非活稈成熟材料的籽粒含水量和脫水性狀更接近于籽粒機(jī)收目標(biāo)，或許將為玉米籽粒機(jī)收育種提供有益啟示。

參 考 文 獻(xiàn)：

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