不同雜種優(yōu)勢(shì)模式下玉米苞葉和籽粒表型可塑性差異分析

李昕，蔡泉，郭曉明，李樹(shù)軍，李云龍，李思楠，殷躍，王港慶，張建國(guó)

（1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所，哈爾濱 150000；2.東北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，哈爾濱 150000）

0 引言

據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局報(bào)道，2019年我國(guó)玉米種植面積4 128 萬(wàn)hm2，總產(chǎn)2.6億t，是我國(guó)種植面積最大和總產(chǎn)最高的作物。美國(guó)是世界上最早實(shí)現(xiàn)玉米機(jī)械化生產(chǎn)的國(guó)家，德國(guó)、法國(guó)等歐洲國(guó)家的玉米全程機(jī)械化生產(chǎn)也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，雖然我國(guó)玉米機(jī)械播種率已超過(guò)80%，但機(jī)械收獲率仍較低，籽粒直收不足5%[1]。玉米機(jī)械粒收是我國(guó)玉米機(jī)械收獲的發(fā)展方向和今后玉米生產(chǎn)轉(zhuǎn)型方式的重點(diǎn)，粒收水平低是制約我國(guó)玉米全程機(jī)械化發(fā)展的瓶頸[2]，選育推廣適合機(jī)械化粒收的玉米新品種是實(shí)現(xiàn)玉米粒收的有效途徑，而東北地區(qū)此類品種極少[3]。收獲期籽粒含水量是影響籽粒機(jī)收的主要因素[4]，合適的苞葉及籽粒性狀有利于籽粒收獲期的脫水，因此籽粒性狀是選育脫水快玉米新品種的重要指標(biāo)，但在不同環(huán)境下表型性狀易發(fā)生改變[5-6]，這種表型可塑性給育種選擇帶來(lái)了困難。育種效率是個(gè)普遍問(wèn)題，雜種優(yōu)勢(shì)群的劃分具有重要的指導(dǎo)意義，結(jié)合分子生物技術(shù)促進(jìn)類群劃分，再按照雜種優(yōu)勢(shì)模式組配，就可方便地開(kāi)展種質(zhì)擴(kuò)增、改良與創(chuàng)新[7-8]。

表型可塑指的是同一個(gè)基因型在不同的環(huán)境下，表型產(chǎn)生差異的現(xiàn)象，在植物中普遍存在，可以是單一植株，也可以跨越世代，在植物的育種中扮演著重要的角色[9-11]。有關(guān)產(chǎn)量及脫水速率性狀的表型可塑性在玉米、黑麥和大麥中都有研究[12-14]。前人研究了不同苞葉及籽粒性狀對(duì)收獲期籽粒含水量的影響，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為苞葉脫水快、層數(shù)少、長(zhǎng)度短、寬度小等性狀有利于籽粒脫水，而張林等研究認(rèn)為苞葉層數(shù)和厚度與收獲期籽粒含水率沒(méi)有顯著相關(guān)性；籽粒百粒重、粒寬、粒深等籽粒性狀對(duì)脫水速率影響顯著，但是不同學(xué)者的研究結(jié)論也存在差異[15-25]。玉米在長(zhǎng)期的馴化過(guò)程中，表型和基因型水平上都形成了極為豐富的遺傳多樣性[26]，玉米全基因組芯片憑借數(shù)據(jù)共享性高、通量高、適用于多平臺(tái)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，可以快速準(zhǔn)確進(jìn)行玉米聚類分析[27-29]。合理準(zhǔn)確地劃分雜種優(yōu)勢(shì)群，建立相應(yīng)的雜種優(yōu)勢(shì)模式，才能有效地選配雜交組合。東華北早熟春玉米區(qū)種植面積約占全國(guó)的52%，該區(qū)域地勢(shì)相對(duì)平整，種植規(guī)模較大，現(xiàn)有玉米育種材料和雜交種難以實(shí)現(xiàn)全程機(jī)械化，生產(chǎn)迫切需要適合機(jī)械化玉米新品種[30-31]。而苞葉及籽粒的結(jié)構(gòu)與收獲期籽粒含水量密切相關(guān)，因此對(duì)適合機(jī)收玉米新品種選育至關(guān)重要。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外雜優(yōu)群較多，雜優(yōu)模式復(fù)雜，迄今為止尚未見(jiàn)關(guān)于雜優(yōu)模式與苞葉及籽粒表型可塑性差異的報(bào)道[32-34]。因此，本研究將選取本團(tuán)隊(duì)玉米常用自交系69份，基于SNP 芯片的雜優(yōu)群劃分結(jié)果，分3 種雜優(yōu)模式進(jìn)行組配，并分別種植在黑龍江省3 個(gè)市縣。旨在分析不同雜優(yōu)模式下，苞葉及籽粒性狀BLUP值與收獲期籽粒含水量的關(guān)系；比較模式間性狀表型可塑性的差異，明確創(chuàng)制新資源的高效雜優(yōu)模式，為選育收獲期籽粒含水量低的新品種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

自交系材料：熟期接近（中、早熟組）的69份常用自交系（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所提供），血緣來(lái)源黃系、旅系、瑞德、蘭卡斯特、Iodent、歐洲硬粒等。

1.2 試驗(yàn)地點(diǎn)與田間管理

試驗(yàn)材料于黑龍江省3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行，分別是哈爾濱市（126.868593° E，45.854272° N）、綏化市（126.993524°E，46.623479°N）、克山縣（125.849019°E，48.025307°N）。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，雙行區(qū)，行長(zhǎng)5 m，行間距0.67 m，種植密度為67 500株/hm2，設(shè)置兩次重復(fù)。秋整地秋施肥，施肥量為：尿素、磷酸二銨、硫酸鉀按N30-P30-K10 600 kg/hm2。試驗(yàn)地播后，芽前封閉除草用藥量為：90%乙草胺1.8 kg/hm2，38%莠去津3.3 kg/hm2，苗后除草用藥量為：35%煙?硝?莠525 g/hm2。

1.3 性狀測(cè)定

記錄出苗期，吐絲期。收獲時(shí)采取全區(qū)收獲方式，用鐵嶺東升測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)測(cè)定小區(qū)產(chǎn)量及收獲期籽粒含水量。脫粒前考種，每個(gè)小區(qū)選取3穗測(cè)定苞葉長(zhǎng)度、苞葉層數(shù)、籽粒寬度、籽粒深度，并取平均值。出苗期：全區(qū)60%以上的兩到三片葉的日期；吐絲期：全區(qū)60%以上的雌穗抽出花絲的日期；苞葉長(zhǎng)度：選取玉米從外向內(nèi)第3 片苞葉，用軟繩尺測(cè)定長(zhǎng)度；苞葉層數(shù)：從最外層到最內(nèi)層調(diào)查苞葉總層數(shù)；粒寬、籽深采用鐵嶺東升考種系統(tǒng)測(cè)量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

基因分型芯片為北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米研究中心（Maize Research Center,Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences）自主研制的Maize6H-60，利用Affy 商業(yè)化軟件Axiom Analysis 進(jìn)行基因型分析，遺傳距離利用TASSEL軟件完成，聚類分析采用UPGMA方法。

TASSEL軟件計(jì)算遺傳距離公式如下：

IBS表示兩個(gè)玉米資源隨機(jī)選擇某個(gè)位點(diǎn)等位變異相同的可能性；對(duì)于具有A 和B 兩個(gè)等位變異的位點(diǎn)，pIBS（AA,AA）=1；pIBS（AA,BB）=0；pIBS（AB,XX）=0.5，其中XX表示任意基因型。對(duì)于兩個(gè)玉米資源，pIBS為全部非缺失位點(diǎn)的pIBS平均值。

以3 種模式為處理，3 個(gè)地點(diǎn)為環(huán)境變量，開(kāi)花日期為協(xié)變量，分為兩次重復(fù)，利用R 語(yǔ)言包計(jì)算數(shù)據(jù)的最佳無(wú)偏線性估計(jì)值（Best linear unbiased predication，BLUP），分別用產(chǎn)量及性狀的BLUP 值與收獲期籽粒含水量計(jì)算皮爾森系數(shù)（Pearson correlation coefficient）進(jìn)行相關(guān)性分析。

利用不同環(huán)境下4 個(gè)表型性狀測(cè)量值計(jì)算變異系數(shù)值表示表型性狀可塑性，包括苞葉長(zhǎng)度表型可塑性（Phenotypic plasticity of husk length，PHL）、苞葉層數(shù)表型可塑性（Phenotypic plasticity of husk layer number，PHN）、籽粒寬度表型可塑性（Phenotypic plasticity of grain width，PGW）、籽粒深度表型可塑性（Phenotypic plasticity of grain depth，PGD），并分析這些指標(biāo)在模式內(nèi)的相關(guān)性和不同雜優(yōu)群之間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 雜優(yōu)群劃分及組合設(shè)計(jì)

芯片掃面后，獲得69個(gè)樣本SNP位點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)利用Affy商業(yè)化軟件Axiom Analysis進(jìn)行基因型分析，并計(jì)算個(gè)體間遺傳距離和遺傳相似度。按計(jì)算結(jié)果對(duì)69份材料進(jìn)行聚類分析（見(jiàn)圖1），結(jié)果顯示69 份常用自交系分為兩大群（母本群A 與父本群B），其中A 群包括32 份，B 群包括37 份。母本群A 中又分C、E、G 三個(gè)亞群；父本群B 中又分D、F、H 三個(gè)亞群。根據(jù)基因分型結(jié)果，按雜優(yōu)模式I（mod1）：C×D；模式Ⅱ（mod2）：E×F；模式Ⅲ（mod3）：G×H，組配雜交種，每種模式組配20個(gè)組合，共計(jì)60份雜交種。

圖1 69份自交系聚類圖Fig.1 The cluster diagram of 69 inbred lines

2.2 產(chǎn)量及各性狀表型數(shù)據(jù)分析

對(duì)本研究所有產(chǎn)量（Yield）及主要農(nóng)藝性狀收獲期籽粒含水量（GM）、籽粒寬度（GW）、籽粒深度（GD）、苞葉長(zhǎng)度（HL）、苞葉層數(shù)（HN）的表型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析（表1），得知60份雜交種的產(chǎn)量及主要農(nóng)藝性狀存在廣泛變異，且數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布。方差分析結(jié)果表明，產(chǎn)量及主要農(nóng)藝性狀在地點(diǎn)、組合、地點(diǎn)×組合間差異均達(dá)極顯著水平（P＜0.01），說(shuō)明產(chǎn)量及苞葉、籽粒的表型性狀存在顯著差異，此差異主要受自身的遺傳基因控制，同時(shí)還受到不同生態(tài)環(huán)境的影響。

表1 性狀描述統(tǒng)計(jì)分析Table 1 Descriptive statistics for plant-typetraits of the association population

2.3 各性狀間的相關(guān)分析

2.3.1 各性狀與收獲期籽粒含水量的相關(guān)性

當(dāng)不考慮雜優(yōu)模式時(shí)，利用整體產(chǎn)量及苞葉、籽粒的BLUP值與收獲期籽粒含水量進(jìn)行相關(guān)分析。由表2 可知，全部雜交種中，產(chǎn)量（Yield）與籽粒收獲期含水量（GM）的相關(guān)系數(shù)為0.668**，呈顯著正相關(guān)。收獲期籽粒含水量（GM）與苞葉長(zhǎng)度（HL）、籽粒深度（GD）均呈現(xiàn)正相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.453**和0.560**，均達(dá)到顯著差異水平；與苞葉層數(shù)（HN）及籽粒寬度（GW）的相關(guān)系數(shù)分別為0.105 和0.270，均接近于0，P>0.05，因而說(shuō)明收獲期籽粒含水量（GM）和苞葉層數(shù)（HN）、籽粒寬度（GW）之間并沒(méi)有相關(guān)關(guān)系。這些結(jié)果表明，針對(duì)收獲期籽粒含水量而言，短苞葉可能是優(yōu)先選擇的性狀。

表2 雜交種產(chǎn)量及性狀與收獲期籽粒含水量相關(guān)性Table 2 Correlation coefficients of maize yield and character with gain water content during harvest

2.3.2 不同雜優(yōu)模式間表型性狀與收獲期籽粒含水量的相關(guān)性

對(duì)不同模式下苞葉及籽粒性狀的BLUP 值與收獲期籽粒含水量進(jìn)行相關(guān)分析。由圖2 可知，3 種模式下，苞葉長(zhǎng)度均與收獲期含水量有著顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.481、0.613、0.675；籽粒深度與收獲期含水量有著顯著的正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)分別為0.452、0.587、0.660。而在模式Ⅱ中，4 種性狀均達(dá)到了顯著正相關(guān)，其中苞葉層數(shù)與收獲期籽粒含水量的相關(guān)系數(shù)為0.430，籽粒寬度與收獲期籽粒含水量的相關(guān)系數(shù)為0.450。以雜優(yōu)模式Ⅱ進(jìn)行種質(zhì)創(chuàng)新時(shí)，苞葉及籽粒的性狀與雜交種水分的關(guān)系可能更復(fù)雜。

圖2 不同雜優(yōu)模式下苞葉及籽粒性狀與收獲期籽粒含水量相關(guān)性分析Fig.2 Correlation analysis of character and grain water content during harvest in different hybrid modes

2.4 不同雜優(yōu)模式間苞葉及籽粒性狀表型可塑性差異比較

利用不同環(huán)境的苞葉性狀計(jì)算其變異系數(shù)，代表苞葉性狀的表型可塑性。通過(guò)對(duì)比不同雜優(yōu)模式間苞葉及籽粒性狀表型可塑性的差異，可以區(qū)分不同雜優(yōu)模式對(duì)表型可塑性的效應(yīng)。對(duì)比同一性狀的表型可塑性在不同雜優(yōu)模式中的表現(xiàn)（圖3）。對(duì)于苞葉長(zhǎng)度，變異系數(shù)大小順序?yàn)椋耗Ｊ舰?模式I>模式Ⅲ，且模式Ⅱ明顯高于其他兩模式，這表明模式Ⅱ組合的雜交種苞葉長(zhǎng)度可能對(duì)環(huán)境敏感；對(duì)于籽粒寬度，變異系數(shù)大小順序?yàn)椋耗Ｊ舰?模式Ⅲ>模式I，且模式Ⅱ明顯高于其他兩模式，這表明模式Ⅱ組合的雜交種籽粒寬度可能對(duì)環(huán)境敏感；對(duì)于苞葉層數(shù)、籽粒深度兩個(gè)性狀，變異系數(shù)的中值在各雜優(yōu)模式下差異不大。對(duì)比同一雜優(yōu)模式下，不同苞葉及籽粒性狀表型可塑性的表型，模式I中籽粒寬度表型可塑性最小，模式Ⅲ中苞葉長(zhǎng)度表型可塑性最小，說(shuō)明不同地點(diǎn)可能對(duì)其影響較??；而在模式Ⅱ中，苞葉長(zhǎng)度的表型可塑性最大，說(shuō)明雜優(yōu)模式Ⅱ組配的雜交種，可能更易因環(huán)境變化而改變。

圖3 不同雜優(yōu)模式下苞葉及籽粒性狀表型可塑性分析Fig.3 Phenotypic plasticity distribution for husk and gain character in different hybrid modes

3 討論與結(jié)論

適宜粒收的玉米新品種欠缺是限制我國(guó)全程機(jī)械化推廣的主要原因之一，而我國(guó)不是玉米起源地，遺傳基礎(chǔ)狹窄問(wèn)題仍然存在[35]，種質(zhì)資源創(chuàng)新是育種的重要過(guò)程?，F(xiàn)國(guó)內(nèi)玉米親緣關(guān)系復(fù)雜，常規(guī)育種效率較慢，因此結(jié)合分子輔助手段進(jìn)行基因分型，已經(jīng)是很多育種團(tuán)隊(duì)的首要任務(wù)[36]。依據(jù)分群結(jié)果，結(jié)合雜種優(yōu)勢(shì)模式的原理，優(yōu)先聚積和保持每個(gè)群的特征性優(yōu)點(diǎn)，逐漸克服不良性狀，使雙親具有盡可能多的有利等位基因達(dá)到優(yōu)良性狀互補(bǔ)[37]。本文結(jié)合前人研究基礎(chǔ)，以“兩群理論”為主導(dǎo)思路[7-8]，通過(guò)SNP 基因芯片快速將自交系系劃分父本群、母本群兩大類，結(jié)合本團(tuán)隊(duì)審定品種效率較高的3 種雜優(yōu)模式，按照基因型結(jié)果分成6個(gè)亞群，旨在減少組配數(shù)量，縮減田間壓力，提高鑒定精度，進(jìn)一步提升育種效率。

隨著東華北地區(qū)適宜粒收品種需求程度的提升，無(wú)論在雜交種鑒定還是新材料篩選，較低的收獲期籽粒含水量逐漸成為主要的育種目標(biāo)。如前所述，國(guó)內(nèi)外早有研究報(bào)道收獲期籽粒含水量與苞葉及籽粒性狀聯(lián)系緊密[15-25]，本文研究發(fā)現(xiàn)，全部測(cè)試群體的產(chǎn)量、苞葉長(zhǎng)度及籽粒深度對(duì)收獲期籽粒含水量有顯著影響，而籽粒寬度與苞葉層數(shù)相關(guān)系數(shù)沒(méi)有達(dá)到顯著水平。王振華等[38]發(fā)現(xiàn)在我國(guó)北方地區(qū)，玉米普遍存在籽粒水分和產(chǎn)量相矛盾的問(wèn)題；李璐璐[24]等眾多學(xué)者均發(fā)現(xiàn)苞葉長(zhǎng)度對(duì)收獲期籽粒含水量影響顯著，這與本研究結(jié)果一致。而對(duì)苞葉層數(shù)、籽粒大小等，有不同的結(jié)果[21]，這可能由于玉米的苞葉松散，可更快速地降低收獲期籽粒含水量；而籽粒的體積、粒型、容重等綜合因素導(dǎo)致結(jié)果有差異，所以針對(duì)這些性狀有待進(jìn)一步研究。

關(guān)于植株農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量及相關(guān)性狀與玉米籽粒含水量及脫水速率的關(guān)系，前人已做了不少研究，但迄今為止尚未見(jiàn)對(duì)不同雜優(yōu)模式間苞葉及籽粒性狀與籽粒含水量的相關(guān)研究。本研究結(jié)果顯示，在3 種模式下，苞葉長(zhǎng)度與收獲期籽粒含水量均達(dá)到顯著相關(guān)，可為新材料創(chuàng)新的篩選鑒定提供數(shù)據(jù)支撐。而苞葉層數(shù)在模式I與模式Ⅲ中沒(méi)有明顯的差異關(guān)系，這可能與本團(tuán)隊(duì)近年來(lái)對(duì)自交系苞葉松緊度的選擇有關(guān)。在模式Ⅱ中，4種性狀均與籽粒收獲期含水量呈現(xiàn)正相關(guān)趨勢(shì)，E、F群中黃旅的血緣占比多，可能導(dǎo)致雜交后代水分大，脫水慢?；蛐团c環(huán)境之間的互作會(huì)導(dǎo)致異地條件下苞葉性狀發(fā)生改變[21]，進(jìn)而影響苞葉性狀的異地育種與籽粒的機(jī)械收獲。

本研究結(jié)果表明：（1）苞葉長(zhǎng)度與籽粒深度的育種改良有利于控制籽粒收獲期的含水量，但苞葉長(zhǎng)度更容易受到環(huán)境的影響而產(chǎn)生差異；（2）對(duì)比本研究的3 種雜優(yōu)模式，模式I與模式Ⅲ相對(duì)于模式Ⅱ更容易獲得產(chǎn)量高且收獲期含水量低的新品種。