成熟期玉米自交系籽粒含水量的快速測定方法

李 真, 劉文童, 楊 碩, 郭晉杰, 趙永鋒, 黃亞群, 陳景堂, 祝麗英

(河北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院,國家玉米改良中心河北分中心,河北省作物種質(zhì)資源實驗室, 河北 保定 071000)

隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，我國小麥和水稻生產(chǎn)已全面實現(xiàn)機械化粒收，玉米生產(chǎn)也在快速向此方向推進[1]，實現(xiàn)田間機械化脫粒收獲是玉米生產(chǎn)發(fā)展的必然趨勢。成熟期籽粒含水量是玉米育種中的一個重要性狀[2]，對玉米的產(chǎn)量和品質(zhì)有重要影響[3,4]，同時也是制約玉米田間機械化脫粒收獲的主要因素。籽粒含水量的測定方法可分為直接法和間接法。直接法有烘干法、蒸餾法和化學法等，這些方法的測定結(jié)果相對準確，但操作繁瑣，時間長，還會造成籽粒破損和營養(yǎng)物質(zhì)損失[5-12]；間接法有近紅外反射光譜分析法、中子法和核磁共振法等，這些測定方法相對簡單快捷，適用性強，但其測定結(jié)果沒有直接法精準，有的方法也會破壞籽粒的結(jié)構(gòu)[13-17]。

目前對玉米籽粒含水量、脫水速率進行QTL定位、關聯(lián)分析，鑒定與之相關的基因位點是玉米遺傳研究的熱點。這些研究所用材料多數(shù)是由數(shù)百個玉米自交系組成的關聯(lián)群體、RIL群體、DH群體和回交群體等，試驗中需要大量測定自交系的籽粒含水量，傳統(tǒng)的烘干法測定費時、費力，因此很多研究者都在探索田間快速測定玉米籽粒含水量的方法。探針式水分測定儀是利用帶有2個探針的便攜式電阻表，將探針扎入測量部位，通過電流的變化來測量含水量。近年來，各種類型的探針式水分測定儀在育種中不斷被采用[17]，實現(xiàn)了快速測定玉米籽粒的含水量。但在測定時要將探針扎入籽粒，會造成籽粒結(jié)構(gòu)的破損，不能滿足育種工作的要求。因此，建立一種適于玉米成熟期在田間快速、無損測定籽粒含水量的方法，對開展籽粒含水量的遺傳研究具有重要的意義。本研究分別采用探針式水分測定儀(英國普洛蒂Protimeter測定儀)和烘干法測定玉米自交系的莖稈、苞葉、穗軸和籽粒含水量，明確各部位含水量與籽粒含水量的關系，建立預測籽粒含水量的線性方程，探索利用Protimeter測定儀在田間快速、無損測定成熟期玉米籽粒含水量的方法。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

選用河北農(nóng)業(yè)大學國家玉米改良中心河北分中心提供的297份玉米自交系為試驗材料，這些材料包括我國玉米育種中的骨干自交系及其衍生系、部分國外玉米自交系和部分自選系，其表型變異和遺傳變異均比較豐富。

1.2 試驗方法

1.2.1試驗設計

試驗于2017年和2018年分別在河北農(nóng)業(yè)大學教學實驗場(保定)和河北農(nóng)業(yè)大學辛集試驗站(石家莊)進行。采用完全隨機區(qū)組試驗設計，2次重復。每個自交系種2行，行長4 m，行距0.6 m，密度為67 500株·hm-2。田間管理按照當?shù)卮筇锷a(chǎn)管理進行。

1.2.2含水量測定

對各自交系的生育時期進行調(diào)查，在吐絲前將雌穗套袋隔離。每個系選長勢一致的5個單株，在同一天進行自交授粉，并掛牌標記。生理成熟期，每個系選3個自交授粉單株，在田間用英國普洛蒂Protimeter水分測定儀分別扎入雄穗穗柄、苞葉、穗軸、穗上第一節(jié)莖和穗位莖，待讀數(shù)穩(wěn)定后，記錄其數(shù)值。再將所測植株迅速取回，分別稱量各部位鮮重，并取果穗中部100粒籽粒稱量鮮重，然后迅速轉(zhuǎn)入烘箱內(nèi)，105 ℃下烘30 min殺青，80 ℃下烘干至恒重，稱干重。

1.2.3統(tǒng)計分析

在Excel 2010軟件中對2年2點的表型數(shù)據(jù)進行整理，計算每個自交系各部位的含水量，計算公式如下：

含水量(%)=[(鮮重-干重)/鮮重]×100%。

參照Sa′diyah等[18]的方法，利用R(https://www.r-project.org/)平臺lme1軟件包中的lmer函數(shù)[19]對2年2地點每個自交系各部位含水量的表型值進行最優(yōu)線性無偏預測(Best linear unibiased prediction,BLUP)，獲得各自交系各部位含水量的BLUP值；再利用R平臺中的Performance Analytics軟件包對BLUP值進行相關分析[20]；在SPSS 19.0軟件中對表型數(shù)據(jù)的BLUP值進行t檢驗和通徑分析；參照杜家菊[21]的方法計算籽粒含水量與穗軸和苞葉含水量的直接通徑系數(shù)和間接通徑系數(shù)，然后通過決策系數(shù)的大小，選擇與成熟期玉米籽粒含水量相關的性狀，構(gòu)建預測籽粒含水量的線性回歸方程。

1.2.4回歸方程的驗證

將2017年在河北農(nóng)業(yè)大學清苑試驗站使用水分測定儀測定的30份玉米自交系的苞葉和穗軸含水量分別帶入所建的預測方程中，計算籽粒含水量，將之與烘干法測得的籽粒含水量進行相關分析，對所建方程進行驗證。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同部位含水量的相關分析

對烘干法測得297個自交系的雄穗穗柄、穗上第一節(jié)莖、穗位莖、苞葉、穗軸和籽粒的含水量進行相關性分析，結(jié)果如圖1所示。雄穗穗柄等6個部位的含水量間均呈極顯著正相關，表明各部位的含水量間有相互影響。苞葉、穗軸和雄穗穗柄3個部位的含水量與籽粒含水量的相關系數(shù)分別為0.76、0.76和0.57，均為強相關；穗上第一節(jié)莖和穗位莖的含水量與籽粒含水量的相關系數(shù)僅達0.39，為中度相關。因此，將雄穗穗柄、苞葉和穗軸含水量作為與籽粒含水量密切相關的性狀做進一步研究。

注：下三角為各部位含水量間的相關系數(shù)，上三角表示各部位含水量間的相關性，圓的面積越大顏色越深，其相關性越強；“**”表示0.01水平顯著性檢驗。

2.2 烘干法與水分測定儀測定結(jié)果的比較分析

分別計算297個自交系用烘干法和水分測定儀測定的雄穗穗柄、穗軸、苞葉和籽粒含水量的BLUP值，對其進行統(tǒng)計分析(表1)。從表1可發(fā)現(xiàn)，烘干法測定的各個部位含水量平均值、標準差及變異范圍均大于水分測定儀測定的結(jié)果。t檢驗表明同一部位用烘干法和水分測定儀測得的含水量差異達極顯著水平，而相關分析表明兩者呈極顯著正相關。說明雖然用2種方法測得同一個部位的含水量有極顯著差異，但兩者之間存在密切的相關性，因此在測定一個大群體各部位含水量時，水分測定儀測定的結(jié)果可以反映總體的變化趨勢。

表1 烘干法和水分測定儀測定的不同部位含水量的統(tǒng)計分析

2.3 建立預測籽粒含水量的線性方程

2.3.1雄穗穗柄、苞葉、穗軸和籽粒含水量BLUP值的相關分析

對探針式水分測定儀測定的雄穗穗柄、苞葉和穗軸含水量BLUP值與烘干法測定的籽粒含水量BLUP值進行相關分析，結(jié)果如圖2所示。籽粒含水量的BLUP值與苞葉、穗軸和雄穗穗柄含水量BLUP值呈極顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.39、0.59、0.58，由此可知與籽粒含水量相關性最強的部位為苞葉，其次為穗軸，雄穗穗柄的相關性最弱。該結(jié)果與烘干法測得各部位含水量與籽粒含水量相關分析的結(jié)果相同。

2.3.2預測籽粒含水量的線性方程

利用SPSS 19.0軟件對烘干法測定的297份自交系的籽粒含水量BLUP值進行正態(tài)性檢驗，得到顯著性p值為0.20，說明該群體籽粒含水量BLUP值服從正態(tài)分布。通過通徑分析得到水分測定儀測定的苞葉含水量BLUP值(X1)、穗軸含水量BLUP值(X2)與烘干法測定的籽粒含水量BLUP值(Y)之間的通徑關系(表2)。

由表2可以看出，X1，X2對Y的直接通徑系數(shù)分別是：P1y=0.39、P2y=0.37，P1y>P2y，表明苞葉含水量對籽粒含水量的直接影響更大。間接通徑系數(shù)分別為0.20和0.21，說明苞葉含水量能夠通過影響穗軸含水量進而影響籽粒含水量；同樣穗軸含水量也可以通過影響苞葉含水量而對籽粒含水量產(chǎn)生影響。

表2 苞葉含水量、穗軸含水量與籽粒含水量之間的通徑系數(shù)

利用SPSS 19.0軟件建立了烘干法測定的籽粒含水量BLUP值與水分測定儀測定的苞葉和穗軸含水量的BLUP值線性方程：Y=-1.864+0.603X1+0.411X2，(p=3.92×10-12)。對X1，X2的偏回歸系數(shù)進行顯著性檢驗，其顯著性p值均小于0.05，說明X1，X2具有統(tǒng)計學意義，都對Y值有顯著影響。

2.4 預測方程的實例驗證

為了進一步驗證所建預測方程的符合度，將30份玉米自交系使用水分測定儀測得的苞葉和穗軸含水量代入建立的線性方程中，計算其籽粒含水量，結(jié)果見表3。將計算的籽粒含水量與烘干法測得的籽粒含水量進行相關性分析，相關系數(shù)為0.73**，達極顯著水平且為強相關，驗證了本試驗構(gòu)建的預測方程的可利用性。

表3 利用線性方程預測的和烘干法測定的30份玉米自交系籽粒含水量的比較 單位：%

3 結(jié)論與討論

成熟期玉米籽粒含水量是決定玉米能否實現(xiàn)機械收獲的重要因素，也是玉米育種中的一個重要性狀，因此建立一種方便、快捷的成熟期玉米籽粒含水量測定方法對進行籽粒含水量的研究具有重要意義。前人的研究中，Kang等[22]發(fā)現(xiàn)玉米苞葉含水量與籽粒含水量呈極顯著正相關；王延召等[23]發(fā)現(xiàn)穗軸含水量與籽粒含水量達極顯著正相關；劉思奇等[24]、張文杰等[25]和郭華等[26]均指出籽粒含水量與苞葉和穗軸含水量呈顯著或極顯著正相關。本研究對成熟期雄穗穗柄、苞葉、穗軸、穗上第一節(jié)莖和穗位莖的含水量與籽粒含水量進行相關分析，發(fā)現(xiàn)這5個部位的含水量與籽粒含水量都呈極顯著正相關。其中雄穗穗柄、苞葉和穗軸的含水量與籽粒含水量為強相關關系，因此選擇成熟期玉米雄穗穗柄、苞葉和穗軸的含水量來預測籽粒的含水量。

1975年，Kang等[17]首先利用電子探針設備測定玉米果穗的水分，1978年他又設計了電子探針水分測定儀DC-10用于玉米籽粒含水量的測定[27]，該水分儀測定范圍在6%～70%之間，測定結(jié)果為指針指示，但因該儀器重量大，不方便攜帶，因此不適合在田間使用。1992年，F(xiàn)reppon等[28]采用JCS-1水分測定儀，其測定結(jié)果為顯示屏數(shù)字顯示，但測定范圍為30%～42%，不能滿足育種的需要。向奎等[6]將加拿大的木材水分測定儀MT 808進行改良，用于玉米苞葉、穗軸和全穗含水量的田間測定。本研究所用的英國普洛蒂Protimeter水分測定儀，原用于木材含水量的測定，探針長度25 mm，測定范圍為7%～99.9%，不需改造可直接用于玉米苞葉、穗軸、莖稈含水量的測定，該測定儀體積小、攜帶方便，操作簡單，測定速度快，更適合田間使用。

在本研究中，對烘干法測得的各性狀含水量與水分測定儀測得的含水量進行t檢驗，發(fā)現(xiàn)2種方法測定的結(jié)果差異極顯著。究其原因可能是由于2種測定方法的測定原理不同，水分測定儀是將探針扎入相應部位，通過電流的強弱來計算籽粒含水量，屬于間接測定方法；而烘干法是利用烘箱將試驗材料烘干至恒重，來測定含水量，屬于直接測定方法[29-31]。高尚等[32]利用高頻電容式水分測定儀測定玉米籽粒含水量時、盧道文等[33]使用4種不同的水分測定儀測定玉米籽粒的含水量時，均發(fā)現(xiàn)由于不同的測定方法而造成的系統(tǒng)誤差，即水分測定儀測得的含水量與烘干法測定的籽粒含水量呈現(xiàn)顯著差異。雖然水分測定儀測定結(jié)果與烘干法相比較，準確度還有待提高，但是兩者相關性達極顯著正相關。本研究構(gòu)建了利用Protimeter水分測定儀測定玉米成熟期苞葉和穗軸含水量預測籽粒含水量的線性方程：Y=-1.864+0.603X1+0.411X2(p=3.92×10-12)，建立了一種快速、便捷的田間無損測定玉米籽粒含水量的方法，并通過30個玉米自交系的驗證，表明了該線性方程的可利用性。