玉米自交系苞葉表型可塑性差異分析

夏浩然，徐濤，賀偉，李建，張敖， 阮燕曄，張立軍，賀巖，崔震海，宋波

1.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)生物科學(xué)技術(shù)學(xué)院/遼寧省基因工程技術(shù)研究中心/沈陽(yáng)市玉米全基因組選擇育種重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng) 110866;2.遼寧省鐵嶺市農(nóng)業(yè)科學(xué)院,鐵嶺 112000; 3.鐵嶺旭日農(nóng)業(yè)技術(shù)開發(fā)有限公司,鐵嶺 112000; 4.內(nèi)蒙古巴彥淖爾市科河種業(yè)有限公司,巴彥淖爾 015000;5.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)國(guó)家玉米改良中心,北京 100193；6.遼寧東亞種業(yè)有限公司/沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué)附屬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)，沈陽(yáng) 110000

玉米作為中國(guó)種植面積最大的禾谷類作物，其產(chǎn)量直接影響中國(guó)糧食安全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和畜牧業(yè)的發(fā)展[1]。目前，我國(guó)農(nóng)村勞動(dòng)力日趨緊張，玉米籽粒的機(jī)械化收獲勢(shì)在必行[2]。然而，較高的玉米籽粒含水量導(dǎo)致在機(jī)收時(shí)籽粒容易破損[3]，適當(dāng)?shù)陌~性狀有利于籽粒收獲期的物理脫水[4]。但在不同環(huán)境下苞葉性狀易發(fā)生改變[5-6]，這種表型可塑性給宜機(jī)收品種選育和苞葉性狀的異地引種帶來了困難。表型可塑性，即同一個(gè)基因型在不同環(huán)境中產(chǎn)生表型差異的現(xiàn)象[7]，在植物中普遍存在[8]。表型可塑性的遺傳變異與基因型和環(huán)境的互作密切關(guān)聯(lián)[9]。產(chǎn)量性狀表型可塑性的遺傳結(jié)構(gòu)在黑麥[10]、大麥[11]和玉米[12]中都有研究。苞葉是著生于玉米果穗柄并包裹果穗的變態(tài)葉鞘[13]。在不同環(huán)境下，苞葉長(zhǎng)度、苞葉寬度、苞葉層數(shù)、苞葉厚度與苞葉松緊度等性狀存在顯著差異[5-6]。在果穗發(fā)育過程中，苞葉不僅具有保濕[14]、保溫[15]、防蟲[16]和防病[17]等保護(hù)果穗的功能，還具有貯存礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)和通過有限的光合作用增加碳源的功能[18-19]。但是，苞葉的保濕功能卻在玉米收獲期成為籽粒脫水的障礙。研究表明，短、窄、薄的苞葉性狀有利于降低收獲期玉米籽粒的含水量[20-22]。另一方面，苞葉過短會(huì)導(dǎo)致果穗露頂，影響灌漿并易受蟲噬[23]；過長(zhǎng)的苞葉會(huì)影響花絲伸出授粉，導(dǎo)致禿尖的形成[24]。因此，合適的苞葉結(jié)構(gòu)是保證玉米果穗正常發(fā)育和收獲期籽?？焖倜撍幕A(chǔ)。但是，適合不同玉米種植生態(tài)區(qū)的合適苞葉結(jié)構(gòu)不同，如南方收獲期溫度高、籽粒脫水快，但病蟲害嚴(yán)重[25-26]，所以需要較長(zhǎng)、較寬和多層的苞葉；而北方收獲期溫度低，籽粒脫水慢，則需要較短、較窄、少層的苞葉。因此，南北地區(qū)育種材料相互引種時(shí)，苞葉性狀有可能發(fā)生不適應(yīng)當(dāng)?shù)氐母淖?。我?guó)的玉米種質(zhì)資源按照雜種優(yōu)勢(shì)可分成5大雜優(yōu)群：蘭卡斯特、旅大紅骨、瑞德、唐四平頭和PB群[27-28]，雜優(yōu)群間包括苞葉性狀在內(nèi)的表型差異較大[29-30]。但是迄今為止尚未見關(guān)于5大雜優(yōu)群苞葉表型可塑性差異的報(bào)道。本研究收集我國(guó)玉米5大雜優(yōu)群50份自交系， 2014年在海南省三亞市、2015年在北京市和2017年在遼寧省鐵嶺市3種環(huán)境下測(cè)定各雜優(yōu)群的苞葉長(zhǎng)度、寬度和層數(shù)，分析不同雜優(yōu)群之間苞葉性狀可塑性的差異，旨在確定5大雜優(yōu)群苞葉表型可塑性在異地引種的穩(wěn)定性和敏感性。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

參考王懿波等[27]、王元東等[28]與王稼苜等[31]對(duì)中國(guó)5個(gè)骨干自交系的品種分類，分別從蘭卡斯特、旅大紅骨、唐四平頭、瑞德和PB各取10個(gè)自交系，共50個(gè)自交系構(gòu)成試驗(yàn)群體，自交系名稱和所屬雜種優(yōu)勢(shì)群見表1。

表1 50份玉米自交系名稱及所屬雜種優(yōu)勢(shì)群 Table 1 List of 50 maize inbred lines and their heterotic groups

1.2 田間試驗(yàn)

選擇南方1種環(huán)境(2014年在海南省三亞市， 18°39′N，109°20′E，14SY)和北方2種環(huán)境(2015年在北京市，40°29′N，116°36′E，15BJ；2017年在遼寧省鐵嶺市， 42°13′N，123°60′E，17TL)。采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，單行區(qū)，行長(zhǎng)2.5 m，行間距0.6 m，種植密度為45 000株/hm2。每種環(huán)境2個(gè)地塊重復(fù)。田間管理同一般生產(chǎn)。14SY的播種到收獲期為2013年11月10日至2014年3月15日，15BJ的播種到收獲期為2015年4月20日至2015年9月20日，17TL的播種到收獲期為2017年4月28日至2017年10月2日。

1.3 性狀測(cè)定

籽粒完全成熟后，每個(gè)小區(qū)選長(zhǎng)勢(shì)一致的5株玉米，于收獲期同一時(shí)間在田間測(cè)定苞葉長(zhǎng)度、寬度和層數(shù)。通過調(diào)查大量自交系，發(fā)現(xiàn)第3片以后的苞葉長(zhǎng)和寬變化不大，為取樣調(diào)查方便，單葉水平的研究選取第3片苞葉[5]。

測(cè)定方法：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；苞葉寬度，選取測(cè)定苞葉長(zhǎng)度的同一苞葉，用軟繩尺測(cè)量苞葉1/2長(zhǎng)度處的寬度；苞葉層數(shù)，從最外層到最內(nèi)層調(diào)查苞葉總層數(shù)。

1.4 氣象數(shù)據(jù)和玉米發(fā)育階段劃分

玉米生長(zhǎng)期內(nèi)當(dāng)?shù)貧庀笳緮?shù)據(jù)降雨量、平均日照時(shí)間、平均濕度、平均溫度由鐵嶺旭日農(nóng)業(yè)技術(shù)開發(fā)有限公司提供。

參考Hanway[32]對(duì)玉米生長(zhǎng)期的劃分，選取9個(gè)典型的階段：一葉期(V1)、三葉期(V3)、拔節(jié)期(V6)、抽雄期(VT)、吐絲期(R1)、灌漿期(R2)、乳熟期(R3)、蠟熟期(R5)和完熟期(R6)。

1.5 數(shù)據(jù)分析

苞葉性狀表型計(jì)算方式是將每種環(huán)境下2個(gè)重復(fù)的均值作為苞葉性狀測(cè)量值，利用SAS軟件計(jì)算最佳無偏線性估計(jì)值(best linear unbiased predication，BLUP)，構(gòu)建的模型為：yi=μ+fi+ei+εi，模型中yi代表第“i”個(gè)家系的表型值，μ代表多種環(huán)境中表型的均值，fi為基因型效應(yīng)，ei是環(huán)境效應(yīng)，εi是殘差。利用不同環(huán)境下苞葉性狀測(cè)量值計(jì)算變異系數(shù)，表示苞葉性狀可塑性，包括苞葉長(zhǎng)度可塑性(phenotypic plasticity of husk length，PHL)、苞葉寬度可塑性(phenotypic plasticity of husk width，PHW)和苞葉層數(shù)可塑性(phenotypic plasticity of husk layer number，PHN)，并分析這些指標(biāo)在種群內(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 苞葉表型描述與方差組成

如表2所示，3個(gè)苞葉性狀變異廣泛?；蛐汀h(huán)境以及基因型和環(huán)境的互作都出現(xiàn)了顯著的差異，除HL外重復(fù)之間沒有顯著差異。然而，通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)環(huán)境的差異遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基因型與基因型和環(huán)境互作的差異。因此，苞葉的3個(gè)性狀在不同環(huán)境間變化顯著，受環(huán)境因素影響明顯。

表2 苞葉性狀的表型描述與方差組成 Table 2 Phenotypic performance and variance component of three husk traits

2.2 不同雜優(yōu)群內(nèi)苞葉表型可塑性的相關(guān)分析

為了確定雜優(yōu)群內(nèi)苞葉表型可塑性之間的相關(guān)性，計(jì)算了3個(gè)苞葉性狀的表型可塑性間的皮爾森系數(shù)(表3)。結(jié)果顯示：不同雜優(yōu)群中苞葉性狀表型可塑性之間的相關(guān)系數(shù)變幅為-0.79～0.79。在全部試驗(yàn)材料中，PHL和PHW的相關(guān)性最高；唐四平頭與旅大紅骨群的PHL與PHW也呈顯著相關(guān)；在瑞德群中，PHL與PHN呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)；在旅大紅骨群中，PHW和PHN呈現(xiàn)極顯著正相關(guān)。

表3 不同雜種優(yōu)勢(shì)群中3個(gè)苞葉性狀的表型可塑性相關(guān)分析 Table 3 Correlation analysis of phenotypic plasticity for three husk traits within heterotic groups

2.3 不同雜優(yōu)群間苞葉性狀表型可塑性的差異比較

通過對(duì)比不同雜優(yōu)群間苞葉性狀表型可塑性的差異，可以區(qū)分不同雜優(yōu)群對(duì)苞葉表型可塑性的效應(yīng)。對(duì)比同一苞葉性狀的表型可塑性在不同雜優(yōu)群中的表現(xiàn)(圖1)，結(jié)果顯示：對(duì)于苞葉長(zhǎng)度，變異系數(shù)中值順序?yàn)樘m卡斯特>唐四平頭>瑞德>旅大紅骨>PB，蘭卡斯特群明顯高于后4個(gè)雜優(yōu)群，這表明該群的苞葉長(zhǎng)度可能對(duì)環(huán)境十分敏感；對(duì)于苞葉寬度，變異系數(shù)中值大小順序?yàn)槁么蠹t骨>蘭卡斯特>瑞德>唐四平頭>PB，前4個(gè)雜優(yōu)群明顯大于PB群，這表明PB群的苞葉寬度可能對(duì)環(huán)境不敏感；對(duì)于苞葉層數(shù)，變異系數(shù)的中值在各雜優(yōu)群間差異不大。

圖中不同色塊上不同字母表示雜優(yōu)群間具有顯著性差異。Different letters on the color blocks indicate significant differences among heterotic groups．

對(duì)比同一雜優(yōu)群內(nèi)不同苞葉性狀表型可塑性的表型，蘭卡斯特和唐四平頭群內(nèi)3個(gè)苞葉性狀的變異系數(shù)的中值均差異較小，蘭卡斯特群PHN的分布范圍最大，唐四平頭群苞葉性狀分布范圍差異不大；瑞德群中，變異系數(shù)中值PHN>PHW>PHL，PHN分布的范圍也最大；旅大紅骨群中，變異系數(shù)中值PHW>PHN>PHL，PHL分布的范圍也最小；PB群中，變異系數(shù)中值PHN>PHL>PHW，苞葉性狀分布范圍差異不大。

由于雜優(yōu)群間苞葉表型可塑性的分布只能代表整體的差異，為分析個(gè)體的差異，進(jìn)一步對(duì)苞葉表型和表型可塑性極大和極小的自交系進(jìn)行比較。如表4所示，自交系間苞葉表型的極值差異明顯，排序?yàn)榘~長(zhǎng)度>苞葉寬度>苞葉層數(shù)。其中苞葉長(zhǎng)度、苞葉寬度和苞葉層數(shù)表型值最大的自交系分別是DAN360、QI205與SY3073，最小的為L(zhǎng)K11、B73和自330；自交系間苞葉表型可塑性的極值比苞葉表型極值差異更大，苞葉寬度的極值比最大(99.1%)，苞葉長(zhǎng)度與苞葉層數(shù)的極值比都超過了93%。值得注意的是，自330在全部家系中具有最低的苞葉層數(shù)，但其變異系數(shù)最大。說明該自交系苞葉層數(shù)雖少，但受環(huán)境影響很大。

表4 自交系間苞葉性狀與苞葉可塑性極值的對(duì)比 Table 4 Comparison of extreme values of husk traits and husk plasticity traits in inbred lines

2.4 氣象因子在不同環(huán)境下各生育期的動(dòng)態(tài)變化

為了解不同氣象因子在玉米各生育期的變化規(guī)律，推斷其與苞葉表型可塑性的關(guān)系。本研究對(duì)14SY、15BJ和17TL 3種環(huán)境、玉米9個(gè)典型生長(zhǎng)階段的氣象數(shù)據(jù)(降雨量、平均日照時(shí)間、平均相對(duì)濕度、平均氣溫)進(jìn)行變化趨勢(shì)分析。結(jié)果顯示：14SY降雨量變化不大，15BJ在V6～R1期差異明顯，17TL在VT～R2期差異明顯(圖2A)；但由于14SY全生育期人工灌溉，降雨量不能代表實(shí)際田間水分情況；平均日照時(shí)間14SY和15BJ均出現(xiàn)降-升-降的趨勢(shì)，最高點(diǎn)分別為R2和R3期，17TL從V1-R1-R出現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)(圖2B)； 15BJ和17TL平均相對(duì)濕度變化趨勢(shì)基本一致，在R1和V6期出現(xiàn)2個(gè)峰值，14SY在除R3期外都處于最高且變化較小(圖2C)；15BJ和17TL平均溫度均呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，峰值分別出現(xiàn)在R1和VT期，14SY變化不大(圖2D)；對(duì)比環(huán)境間氣象因子的變異系數(shù)(圖2E)發(fā)現(xiàn)，平均日照時(shí)間的變異系數(shù)在V3～V6期、R1期和R6期出現(xiàn)3個(gè)峰值；平均氣溫的變異系數(shù)在V1～V3期顯著降低，之后變化不大；平均相對(duì)濕度的變異系數(shù)呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì)，R1期達(dá)到低谷； V1和V3期降雨量變異系數(shù)最高，但考慮到14SY是人工灌溉，這一差異對(duì)于田間實(shí)際土壤含水量沒有影響。

A：降雨量； B：平均日照時(shí)間(ST)； C：平均相對(duì)濕度(RH)； D：平均氣溫(RT)；E：氣象因子變異系數(shù)； V1:一葉期； V2:三葉期 ；V6:拔節(jié)期； VT:抽雄期； R1:吐絲期； R2:灌漿期； R3:乳熟期； R5:蠟熟期； R6:完熟期. A:Rainfall; B:Average sunshine time(ST); C:Average relative humidity(RH); D:Average temperature(RT); E:Coefficient of variation of the meteorological data； V1:First leaf stage; V2:Three leaf stage; V6:Jointing stage; VT:Tasseling stage; R1:Silking stage; R2:Blister stage; R3:Milk maturity stage; R5:Dough stage; R6:Physiological stage.

3 討 論

通過對(duì)苞葉性狀方差組成進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)3個(gè)苞葉性狀均受環(huán)境因素影響顯著，說明不同環(huán)境下苞葉變化明顯?；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[23]，進(jìn)而影響苞葉性狀的異地引種與籽粒的機(jī)械收獲。本研究通過分析國(guó)內(nèi)玉米五大雜優(yōu)群在3種環(huán)境下苞葉性狀的可塑性，發(fā)現(xiàn)在全部家系中，PHL與PHW顯著正相關(guān)，這種表型可塑性的相關(guān)性與原始表型的相關(guān)性一致[5,32]。說明PHL和PHW可能具有協(xié)同調(diào)控的特點(diǎn)，因此，育種材料異地引種時(shí)關(guān)注其中一個(gè)性狀的表型可塑性，即可預(yù)知另外一個(gè)性狀的變化。

對(duì)比不同雜優(yōu)群，發(fā)現(xiàn)蘭卡斯特群PHL的中值明顯高于其他雜優(yōu)群，說明不同環(huán)境下該雜優(yōu)群的苞葉長(zhǎng)度較為敏感，可能出現(xiàn)較大的變化。賀文姝等[30]發(fā)現(xiàn)南方蘭卡斯特群苞葉長(zhǎng)度明顯長(zhǎng)于北方，符合南北引種對(duì)苞葉長(zhǎng)度的需求；PB群PHW的中值明顯低于其他雜優(yōu)群，說明不同環(huán)境下該雜優(yōu)群的苞葉寬度較為穩(wěn)定。這可能是因?yàn)镻B群含有熱帶血緣，對(duì)南方的環(huán)境具有較好的適應(yīng)性。另外，蘭卡斯特群PHN的中值相對(duì)較小。但有趣的是，該群內(nèi)的自330在所有家系中苞葉層數(shù)最少，但表型可塑性卻最大，且南方顯著少于北方，這種表型可塑性不符合“南多北少”的要求，因此，在其異地引種時(shí)需格外謹(jǐn)慎。這種現(xiàn)象的發(fā)生可能是因?yàn)樽?30屬于蘭卡斯特群中一個(gè)特殊的家系，與蘭卡斯特群內(nèi)其他家系的親緣關(guān)系較遠(yuǎn)[33]。對(duì)比不同苞葉性狀的可塑性，苞葉層數(shù)受環(huán)境影響更明顯，苞葉寬度只有旅大紅骨群顯著受環(huán)境影響，這些雜優(yōu)群的相關(guān)苞葉性狀在異地引種時(shí)需要謹(jǐn)慎對(duì)待。

玉米在發(fā)育過程中受降雨量、日照時(shí)間、氣溫、相對(duì)濕度等氣象因素影響[34-35]。本研究調(diào)查的3種環(huán)境條件下，平均溫度和濕度都在玉米生長(zhǎng)前期差異較大，日照時(shí)間在生長(zhǎng)的前、中和后期均有一個(gè)差異大的時(shí)段。Wang等[36]發(fā)現(xiàn)玉米苞葉在苞葉原基形成期(～30 d)和苞葉伸長(zhǎng)期(～60 d)基因表達(dá)有很大的差異。因此，推測(cè)苞葉性狀在生長(zhǎng)前期受到平均溫度、濕度和日照時(shí)間的影響，而中后期主要受日照時(shí)間影響較大。在大田栽培過程中，高溫地區(qū)適時(shí)早播，低溫地區(qū)適時(shí)晚播，減少異地間苞葉原基形成期的溫差，可以降低表型可塑性獲得穩(wěn)定的苞葉表型。

綜上，苞葉性狀受環(huán)境影響顯著。PHL和PHW具有協(xié)同調(diào)控的特點(diǎn)。對(duì)比五大雜種優(yōu)勢(shì)群的苞葉表型可塑性，發(fā)現(xiàn)旅大紅骨群的苞葉長(zhǎng)度和PB群的苞葉長(zhǎng)度、寬度對(duì)環(huán)境不敏感，異地引種時(shí)這2個(gè)苞葉性狀保持穩(wěn)定。蘭卡斯特群苞葉長(zhǎng)度的環(huán)境可塑性大，且符合南長(zhǎng)北短的苞葉長(zhǎng)度要求，這類育種材料適合南北方相互引種。