不同雜種優(yōu)勢群玉米莖稈維管束性狀比較分析

王 越, 李小雨, 李青青，王海穎，郭晉杰

（1.河北農業(yè)大學 農學院/國家玉米改良中心河北分中心/河北省作物種質資源實驗室，河北 保定 071001；2. 南京農業(yè)大學 農學院，江蘇 南京 210095 ）

玉米是糧食-經濟-飼料三元作物，是單產和總產最高的作物[1]。玉米維管束主要是由木質部和韌皮部兩部分組成的，水分和無機鹽的運輸由木質部進行，同化物運輸由韌皮部進行。維管束系統連接到植物的各個組織，并進行光合產物、水、礦物質的運輸;除此之外維管束作為莖稈的主要組成部分發(fā)揮主要的機械支持作用[2]。研究表明莖稈維管束數目可作為玉米自交系抗倒伏能力的鑒定重要指標之一，與倒伏密切相關[3-4]。因此，維管束相關性狀是影響玉米的高產穩(wěn)產和玉米的抗逆抗倒關鍵因素[5-6]。張鳳路等[7]認為頂端籽粒的敗育，主要不是源于維管束發(fā)育不良，而是與較低的庫活性有關。崔海巖等[8]研究發(fā)現夏玉米遮光處理使硬皮組織變薄、維管束數量減少以及單個中央大維管束的面積降低，從而降低了莖稈對倒伏的抵抗能力。穆春華等[9]在2個不同時期對維管束相關性狀與抗倒伏性狀進行相關分析，發(fā)現在2個測量時期中節(jié)間抗折強度與莖節(jié)維管束數目呈顯著負相關，而與單個維管束面積為正相關關系。王立新等[10]研究發(fā)現，在同一視野中，抗倒伏性材料的單個維管束面積大于不抗倒伏性材料，抗倒伏性材料的維管束數目少于不抗倒伏性材料，而且維管束的數目與倒伏率具有明顯正相關性。何啟平等[11]發(fā)現利用 GA3和 6-BA處理材料，大維管束的數目及單個大維管束面積可明顯增加。李金才[12]等認為維管束的形成和功能強弱與花絲受精能力的強弱密切相關，發(fā)育良好的輸導組織保證了花絲旺盛生長以及提供大量物質和能量用于受粉過程。通過前人研究發(fā)現關于玉米莖稈維管束的研究主要在維管束系統發(fā)育、生理與穗粒庫容的關系上，而對玉米不同雜種優(yōu)勢群莖稈維管束性狀差異的研究鮮有報道。

由于玉米是利用雜種優(yōu)勢的模式作物，本研究以來源廣、遺傳豐富的玉米自交系群體的莖稈維管束為研究對象，結合基因型劃分雜種優(yōu)勢群，分析不同雜種優(yōu)勢類群內和類群間玉米自交系莖稈維管束性狀顯微結構的變化趨勢和變異程度，為進一步克隆控制莖稈維管束主效基因和組配高產抗逆品種提供借鑒[13]。

1 材料與方法

1.1 材料

研究材料為198份遺傳多樣性豐富和來源廣泛的優(yōu)良玉米自交系。參照劉洋[14]、劉志齋[15]等分群結果，以50%作為劃分群體的遺傳相似比例，將198份自交系劃分為蘭卡斯特群34份自交系，旅大紅骨群14份自交系，P群34份自交系，瑞德群54份自交系，塘四平頭群18份自交系，混合群44份自交系[16]。

1.2 試驗設計

自交系分別于2017年和2018年種植在河北農業(yè)大學/國家玉米改良中心河北分中心實驗基地（保定）和河北農業(yè)大學辛集實驗基地（石家莊）。采用完全隨機區(qū)組的試驗設計方案，水肥管理同大田生產。期間選擇生長一致的玉米植株套袋自交授粉，且采集的樣品為授粉后7～10 d的玉米莖稈雄穗中部。

1.3 方法

1.3.1 玉米莖稈維管束結構特點 玉米莖稈維管束分為兩類：一類是位于組織邊緣部分的1～2層維管束，它們緊密排列，并且大多數未完全發(fā)育，單個維管束面積很小，被厚壁組織包圍，稱為小維管束；另一類位于組織的中央，排列疏松，結構發(fā)育完整，單個維管束具有較大的面積，稱為大維管束。不同材料莖稈維管束的面積及數目存在差異，并且莖稈維管束的染色程度也不同（見圖1）。

圖1 不同雜種優(yōu)勢群玉米莖稈維管束結構Fig.1 Vascular bundle structure of maize stem in different heterotic groups

1.3.2 玉米莖稈維管結構測定 首先配制5%濃度的間苯三酚溶液，靜置1 d。然后對玉米莖稈雄穗中部進行徒手切片，切片厚度約為0.2～0.4 mm。先滴5%間苯三酚溶液，待浸透后再滴濃硫酸[17]，樣品顯色后，用紙擦去多余染液和水漬，在Zeiss Axioskop 40 Germary型光學顯微鏡下觀察維管束顯微結構并進行拍照，再用Zen(Blue edition)2012圖片處理軟件進行維管束相關顯微結構的測定。大維管束面積、小維管束面積以及莖稈橫截面積以近似橢圓面積的公式計算“S=πab/4”（a為橢圓長軸；b為橢圓短軸）[18]。

1.3.3 數據處理與分析 利用軟件Microsoft Excel 2013處理表型數據，利用R軟件“l(fā)me4”軟件包對2017年及2018年維管束各性狀數據基于混合線性模型進行最優(yōu)線性無偏預測（BLUP），利用SPSS 22.0軟件對整理的數據進行描述性統計分析、方差分析和多重比較。

2 結果與分析

2.1 玉米莖稈維管束性狀描述性統計分析

2017年和2018年對辛集和保定2個環(huán)境的198份玉米自交系的莖稈維管束相關性狀進行描述統計分析。由表1可以得出，玉米莖稈維管束相關性狀基本符合正態(tài)分布，不同自交系間所測性狀差別較大，并且該群體研究的4個性狀變化范圍較為明顯，反映本試驗應用的群體具有廣泛的表型多樣性。其中ASVB的表型變異較大，變異系數在25.59%～54.25%；ALVB變異系數為31.82%～52.60%。NSVB和NLVB在3個環(huán)境下，表型均值差異不大，說明二者受環(huán)境影響較小。

表1 維管束性狀的描述統計分析Table 1 Descriptive statistical analysis of vascular bundle traits

2.2 玉米莖稈維管束性狀聯合方差分析

對玉米莖稈維管束性狀進行聯合方差分析（見表2），結果表明，玉米莖稈小維管束數目、大維管束數目、單個小維管束面積、單個大維管束面積在環(huán)境間、自交系間的差異均達到極顯著水平，大維管束數目、單個小維管束面積在環(huán)境與自交系互作效應顯著。

表2 維管束性狀的聯合方差分析Table 2 Analysis of vascular bundle traits combined with variance

2.3 不同雜種優(yōu)勢群莖稈維管束數目聯合方差分析

各雜種優(yōu)勢群莖稈維管束數目聯合方差分析結果表明（表3），小維管束數目在除旅大紅骨群以外的其他雜種優(yōu)勢群內自交系間、環(huán)境間的差異均達到了較顯著的差異。大維管束數目在各雜種優(yōu)勢群內自交系間存在差異。除塘四平頭群和P群2個類群外，其他雜種優(yōu)勢群環(huán)境與自交系間互作差異顯著。

表3 不同雜種優(yōu)勢群莖稈維管束數目及面積的聯合方差分析Table 3 Joint variance analysis of the number and area of stem vascular bundles of different heterotic groups

續(xù)表：

除旅大紅骨群外其他雜種優(yōu)勢群單個小維管束面積自交系間存在差異；塘四平頭群和混合群這2個類群，其單個小維管束面積在環(huán)境間、環(huán)境與自交系間互作、重復與自交系間互作均存在差異，其他雜種優(yōu)勢群不存在顯著差異。各個雜種優(yōu)勢群單個大維管束面積自交系間均存在差異，其中瑞德群、P群、蘭卡斯特群、混合群差異極顯著；除旅大紅骨群外其他雜種優(yōu)勢群在單個大維管束面積環(huán)境間存在差異；各雜種優(yōu)勢群的單個大維管束面積在重復與自交系間互作及環(huán)境與重復間互作差異均不顯著。

2.4 不同雜種優(yōu)勢群莖稈維管束性狀多重比較

根據不同雜種優(yōu)勢群維管束數目及面積箱線圖（圖2），可以得出在小維管束數目、大維管束數目、單個小維管束面積及單個大維管束面積上蘭卡斯特群、P群、瑞德群和旅大紅骨群、塘四平頭群和混合群分別都在0.05水平上存在顯著差異。綜合小維管束數目和大維管束數目結果，塘四平頭群的小維管束數目為69.90，大維管束數目為79.18，在6種雜種優(yōu)勢群中均是最大值，并且塘四平頭群的小維管束數目和大維管束數目均與瑞德群、P群、混合群及蘭卡斯特群有明顯差異；蘭卡斯特群的均值均最小，分別為57.20和55.75。旅大紅骨群單個小維管束面積和單個大維管束面積均最大，分別為0.021 4和0.032 1，其單個維管束面積均與塘四平頭群、瑞德群有明顯差異。

圖2 不同雜種優(yōu)勢群維管束數目及面積的箱線圖Fig.2 Box plot of the number and area of vascular bundles in different heterotic groups

圖3 不同雜種優(yōu)勢群莖稈單個維管束面積分布雷達圖Fig.3 The radar map of the area distribution of the single vascular bundle in different heterotic groups

3 討論

玉米莖稈維管束不僅是重要的機械組織，而且還是運輸無機和有機物質的重要系統。玉米莖稈維管束的發(fā)育直接影響植物源與庫的協同作用以及實現高產目標。同時，玉米莖稈維管束與抗推力有相關性[19]，與玉米莖稈倒伏性息息相關。國內外對玉米不同雜種優(yōu)勢群維管束性狀的研究鮮見，因此本研究將198份玉米自交系劃分雜種優(yōu)勢群，觀察不同雜種優(yōu)勢群莖稈維管束性狀的情況。聯合方差分析表明，維管束性狀在不同自交系間均存在顯著差異，具有豐富的遺傳變異，體現研究群體豐富的遺傳多樣性。本研究中不同環(huán)境維管束相關性狀存在差異，表明環(huán)境條件對小維管束數目、大維管束數目、單個小維管束面積、單個大維管束面積的影響都較大。

對玉米不同雜種優(yōu)勢群的莖稈維管束數目進行聯合方差分析，在小維管束數目性狀上，除旅大紅骨群、塘四平頭群和混合群外其他雜種優(yōu)勢群在自交系間和環(huán)境間的0.001水平上存在極顯著差異，這一結果表明瑞德群、P群和蘭卡斯特群較其他雜種優(yōu)勢群的小維管束數目受環(huán)境影響較大。在大維管束數目性狀上，不同雜種優(yōu)勢群在自交系間存在0.001水平上的極顯著差異，在不同環(huán)境中，除了瑞德群和蘭卡斯特群不存在差異，其他雜種優(yōu)勢群存在顯著差異，尤其塘四平頭群和混合群在0.001水平表現極顯著差異。

在單個小維管束面積性狀上，除旅大紅骨群外其他雜種優(yōu)勢群在不同自交系間的0.01或0.001水平上存在顯著差異，這一結果說明旅大紅骨群單個小維管束面積受環(huán)境影響較小。在單個大維管束面積性狀上，旅大紅骨群和塘四平頭群在自交系間存在0.05水平上的顯著差異，其他雜種優(yōu)勢群在自交系間存在0.001水平上的極顯著差異。在不同環(huán)境中，除了旅大紅骨群不存在差異，其他雜種優(yōu)勢群在不同環(huán)境間存在顯著差異，更進一步說明了旅大紅骨群單個大維管束面積受環(huán)境影響較小。

對不同雜種優(yōu)勢群的莖稈維管束數目和面積進行差異性分析，蘭卡斯特群、P群和瑞德群分別與塘四平頭群的小維管束數目在0.05水平上差異顯著。瑞德群、P群、蘭卡斯特群與混合群的大維管束數目在0.05水平上差異顯著。大維管束數目的平均值由大到小依次為：塘四平頭群、旅大紅骨群、混合群、瑞德群、P群和蘭卡斯特群。綜合小維管束數目和大維管束數目結果，來源于蘭卡斯特群的均值均最小，說明該類群大、小維管束數目均較少。塘四平頭群的均值均最大，表明含有較多維管束數目。旅大紅骨群單個維管束面積均最大，說明該類群大、小維管束均較大。

任佰朝等[20]研究發(fā)現維管束性狀會對玉米倒伏產生影響。鄭云霄[21]等研究發(fā)現維管束數目與抗倒伏之間呈負相關關系，單個維管束面積與抗倒伏之間呈正相關關系。因此維管束數目少、單個維管束面積大的自交系在抗倒伏育種有重要作用，應重視利用旅大紅骨和蘭卡斯特雜種優(yōu)勢群的種質資源，為玉米雜交種的組配提供借鑒。