不同雜種優(yōu)勢群玉米籽粒百粒質(zhì)量差異性分析

劉 強(qiáng)， 袁 凡， 王雪飛， 劉伊凡， 李婷婷， 宋偉彬， 郭晉杰

(1.河北農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院/國家玉米改良中心河北分中心/華北作物改良與調(diào)控國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北保定 071001；2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)國家玉米改良中心，北京 100193)

玉米作為我國農(nóng)業(yè)種植面積最大的農(nóng)作物，產(chǎn)量占糧食總產(chǎn)量的1/4[1]。隨著時代的發(fā)展，玉米作為糧飼兼用型作物其產(chǎn)量越來越受到玉米育種者的重視[2]。玉米的百粒質(zhì)量與玉米產(chǎn)量呈正相關(guān)，因此，研究百粒質(zhì)量性狀是增加玉米自交系產(chǎn)量的重要工作之一[3]。研究表明，百粒質(zhì)量是育種家在田間估算產(chǎn)量的重要理論依據(jù)，在育種過程中，育種工作者經(jīng)常會用百粒質(zhì)量的大小作為作物產(chǎn)量高低和籽粒品質(zhì)優(yōu)劣的評判標(biāo)準(zhǔn)[4]。

Huang等通過田間試驗(yàn)提出，間作玉米的產(chǎn)量隨著穗密度和百粒質(zhì)量的增加而增加，單作玉米的產(chǎn)量隨著單穗粒數(shù)和百粒質(zhì)量的增加而增加[5]。孟靜嬌等對12個參試品種的11個性狀進(jìn)行灰色關(guān)聯(lián)度分析發(fā)現(xiàn)，百粒質(zhì)量是對玉米雜交種產(chǎn)量影響較大的主要農(nóng)藝性狀之一，僅次于穗長和株高[6]。余慧明等采用灰色關(guān)聯(lián)分析法對11個玉米雜交種的產(chǎn)量等9個農(nóng)藝性狀進(jìn)行分析，結(jié)果表明，與產(chǎn)量關(guān)聯(lián)度較大的前3個性狀分別是單穗粒質(zhì)量、行粒數(shù)、百粒質(zhì)量，并指出要注重單穗粒質(zhì)量、行粒數(shù)和百粒質(zhì)量的選擇和研究，為玉米高產(chǎn)育種提供了參考[7]。張中偉等指出，粒質(zhì)量是玉米產(chǎn)量構(gòu)成因素之一，較高的粒質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)玉米增產(chǎn)豐收和提高玉米品質(zhì)的重要保證[8]。唐海濤等研究認(rèn)為，選育玉米雜交種時應(yīng)該優(yōu)先注重選育百粒質(zhì)量較高的品種[9]。通過比較前人的研究發(fā)現(xiàn)關(guān)于百粒質(zhì)量的研究主要在農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量的關(guān)系上，而對玉米不同雜種優(yōu)勢群百粒質(zhì)量差異的研究很少。

玉米是一種利用雜種優(yōu)勢的模范作物，利用類群內(nèi)種質(zhì)進(jìn)行遺傳改良和類群間組配雜交種是主要育種途徑[10]。本研究的研究材料為313份遺傳性豐富多樣的玉米自交系，結(jié)合基因型劃分為不同雜種優(yōu)勢群，分析玉米自交系百粒質(zhì)量在不同雜種優(yōu)勢組間的變異幅度、趨勢和變異程度，篩選出不同雜種優(yōu)勢類群百粒質(zhì)量高的自交系，以期為進(jìn)一步提高我國玉米產(chǎn)量提供借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與田間種植

研究材料為中國農(nóng)業(yè)大學(xué)國家玉米改良中心提供的313份遺傳多樣性豐富和來源廣泛的優(yōu)良玉米自交系(表1)[11]。這些自交系包含了我國大部分玉米自交系的品種，廣泛代表了我國主要玉米產(chǎn)區(qū)的種質(zhì)資源基礎(chǔ)。

于2020年5月中旬和2020年11月上旬，分別將所有材料種植于河北農(nóng)業(yè)大學(xué)玉米改良中心河北分中心保定試驗(yàn)基地和三亞南繁試驗(yàn)站。試驗(yàn)區(qū)域周圍種植玉米保護(hù)行，采用常規(guī)肥水管理。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 DNA提取與基因型鑒定 2020年，每個自交系選取5株，采用 十六烷基三甲基溴化銨(CTAB)法[12]提取玉米葉片DNA，經(jīng)過純化與濃度檢測后，放于4 ℃冰箱保存?zhèn)溆?。利用北京市農(nóng)林科學(xué)院玉米研究中心的40對簡單重復(fù)序列(SSR)標(biāo)記引物[13-14]，最后采用PCR儀擴(kuò)增和聚丙烯酰胺凝膠電泳的方法進(jìn)行基因型分析。

1.2.2 百粒質(zhì)量測定 按照陳春俠等的測定方法[15]，對成熟期的果穗收獲后自然風(fēng)干，測定籽粒含水量，使每個果穗的籽粒含水量保持一致，隨機(jī)選取每個果穗中部籽粒，進(jìn)行百粒質(zhì)量測定，即百粒質(zhì)量=每穗正常籽粒的質(zhì)量/每穗正常籽粒的數(shù)量×100。

1.3 數(shù)據(jù)處理

使用STRUCTURE V2.3.4 軟件[16]對 313份自交系進(jìn)行聚類分析。利用軟件Microsoft Excel 2013處理表型數(shù)據(jù)，利用SPSS 22.0軟件對整理的數(shù)據(jù)進(jìn)行描述性統(tǒng)計(jì)分析、方差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 313份玉米自交系雜種優(yōu)勢類群劃分

利用40對玉米核心標(biāo)記在群體中的基因型數(shù)據(jù)，應(yīng)用基于數(shù)學(xué)模型的STRUCTURE v2.3.4軟件對313份玉米自交系進(jìn)行群體結(jié)構(gòu)分析[17]。結(jié)果(圖1、表1)表明，自交系群體可被分為5個類群。參照劉洋等的分群方法和結(jié)果[18-19]進(jìn)行雜種優(yōu)勢類群劃分。以50%作為劃分群體的遺傳相似比例，將313份玉米自交系劃分為6個類群，蘭卡斯特群46份自交系、P群62份自交系、旅大紅骨群56份自交系、塘四平頭群21份自交系、瑞德群83份自交系以及混合群45份自交系。

表1 313份玉米自交系群體結(jié)構(gòu)

表1(續(xù))

表1(續(xù))

表1(續(xù))

表1(續(xù))

表1(續(xù))

表1(續(xù))

表1(續(xù))

2.2 玉米自交系百粒質(zhì)量描述性統(tǒng)計(jì)分析

根據(jù)分析結(jié)果(表2)可知，313份玉米自交系籽粒百粒質(zhì)量的平均值為24.70 g，玉米百粒質(zhì)量范圍為10.11～40.73 g，百粒質(zhì)量最高的自交系是龍抗279，屬于旅大紅骨群；百粒質(zhì)量最低的自交系是HP301，屬于蘭卡斯特群。其中，150份玉米自交系籽粒百粒質(zhì)量在平均值之上，163份玉米自交系的籽粒百粒質(zhì)量在平均值之下。

表2 不同雜種優(yōu)勢群玉米百粒質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果

70份屬于P群的自交系百粒質(zhì)量的平均值為25.45 g，百粒質(zhì)量范圍為15.08～38.82 g，其中最高的自交系是沈137，最低的自交系是宋1145，有36份自交系的百粒質(zhì)量大于25.45 g，34份自交系的百粒質(zhì)量小于25.45 g。

51份屬于蘭卡斯特群的自交系百粒質(zhì)量的平均值為22.57 g，百粒質(zhì)量范圍為10.11～33.45 g，其中最高的自交系是Mo17，最低的自交系是HP301，有25份自交系百粒質(zhì)量大于22.57 g，26份自交系百粒質(zhì)量小于22.57 g。

70份屬于旅大紅骨群的自交系百粒質(zhì)量的平均值為24.82 g，百粒質(zhì)量范圍為15.45～40.73 g，最高的自交系是龍抗279，最低的自交系是M3736，有30份自交系的百粒質(zhì)量大于24.82 g，40份自交系的百粒質(zhì)量小于24.82 g。

27份屬于塘四平頭群的自交系百粒質(zhì)量的平均值為25.82 g，百粒質(zhì)量范圍為13.67～36.23 g，最高的自交系是掖5237，最低的自交系是黃野四，有15份自交系的百粒質(zhì)量大于25.82 g，12份自交系的百粒質(zhì)量小于25.82 g。

95份瑞德群的自交系百粒質(zhì)量的平均值為24.90 g，百粒質(zhì)量范圍為13.90～39.15 g，最高的自交系是WN11H，最低的自交系是鄭32，有45份自交系的百粒質(zhì)量大于24.90 g，50份自交系的百粒質(zhì)量小于24.90 g。

2.3 各雜種優(yōu)勢群玉米籽粒百粒質(zhì)量方差分析

對不同優(yōu)勢群進(jìn)行多重比較，結(jié)果(表3)表明，塘四平頭群玉米籽粒百粒質(zhì)量整體偏高，接下來依次是P群、瑞德、旅大紅骨和蘭卡斯特。然而，P群、旅大紅骨、塘四平頭、瑞德彼此之間在0.05水平上差異均不顯著；P群、旅大紅骨、塘四平頭、瑞德等4個雜種優(yōu)勢群與蘭卡斯特的玉米籽粒百粒質(zhì)量在0.05水平上差異顯著(圖2)。

表3 不同雜種優(yōu)勢群玉米籽粒百粒質(zhì)量方差分析結(jié)果

2.4 各雜種優(yōu)勢群中玉米籽粒百粒質(zhì)量優(yōu)異自交系篩選

正常條件下，玉米籽粒的百粒質(zhì)量為26.00～28.00 g，品種特性優(yōu)良的玉米籽粒百粒質(zhì)量可以達(dá)到30.00 g以上[20]。P群中，玉米籽粒百粒質(zhì)量大于30.00 g的有9份，分別為遵90110、E200、R31、78599、8701、811A、D869和沈137；旅大紅骨群中，玉米籽粒百粒質(zhì)量大于30.00 g的有12份，分別為中741、關(guān)17-1、L473、天77、吉846、絞3、掖515、綜3、H大-5、85黃14、太1/Lg和龍抗279；蘭卡斯特群中，玉米籽粒百粒質(zhì)量大于30.00 g的有5份，分別為CT52C、Ay3566、Va26、Mo24W和Mo17；塘四平頭群中，玉米籽粒百粒質(zhì)量大于 30.00 g 的有7份，分別為昌D、武126、D619、中黃64、20837、文黃31413和掖5237；瑞德群中，玉米籽粒百粒質(zhì)量大于30.00 g的有15份，分別為邢230、Maxa、d140、SS99、蘇75、寧55、98F1、Lo415、綜31、PH6WC、吉4112、A632、丹9046、9702和WN11H(表4)。

表4 不同雜種優(yōu)勢群中玉米籽粒百粒質(zhì)量大于30.00 g的自交系

3 討論

百粒質(zhì)量可以用于測定作物種子飽滿度，是檢測種子品質(zhì)的主要內(nèi)容，也是產(chǎn)量的組成因素之一，通常用于大粒種子比如玉米、大豆等[21]。同時，玉米籽粒百粒質(zhì)量還與蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉、賴氨酸這些營養(yǎng)成分有相關(guān)性，與玉米品質(zhì)有著密不可分的關(guān)系[22]。國內(nèi)外對不同雜種優(yōu)勢群玉米籽粒百粒質(zhì)量的研究比較少見。本研究將313份玉米自交系分為5個雜種優(yōu)勢群，并分析來自不同雜種優(yōu)勢群的玉米自交系百粒質(zhì)量的情況。

結(jié)合雜種優(yōu)勢類群劃分和表型數(shù)據(jù)分析，313份玉米自交系中篩選出的籽粒百粒質(zhì)量大于 30.00 g 的資源有48份，其中P群有9份、旅大紅骨群有12份、蘭卡斯特群中有5份、唐四平頭類群中有7份和瑞德群中15份，可以利用每個類群內(nèi)部百粒質(zhì)量高的種質(zhì)資源作為供體親本進(jìn)行遺傳改良。不同雜種優(yōu)勢群玉米籽粒百粒質(zhì)量的平均值變化規(guī)律為塘四平頭群>P群>瑞德群>旅大紅骨群>蘭卡斯特群。方差分析結(jié)果表明，當(dāng)顯著性水平為0.05時，塘四平頭群、P群、瑞德群、旅大紅骨群與蘭卡斯特群具有顯著性差異，說明蘭卡斯特類群中存在控制玉米百粒質(zhì)量的優(yōu)異等位基因。因此，育種實(shí)踐中注重蘭卡斯特優(yōu)異種質(zhì)的利用可以提升玉米籽粒的產(chǎn)量。

玉米的產(chǎn)量構(gòu)成因素有很多，其中百粒質(zhì)量占有很大一部分比重[23-24]，而且與玉米產(chǎn)量有極大的相關(guān)性[25]。除了百粒質(zhì)量以外，其他農(nóng)藝性狀也或多或少影響著玉米產(chǎn)量。王新濤等研究指出，玉米籽粒的粒長與粒寬與百粒質(zhì)量在不同環(huán)境下呈正相關(guān)[26]。楊世民等研究指出，玉米種植密度對玉米百粒質(zhì)量影響很大[27]。因此，育種工作者在培育玉米過程中，除了選擇合適的雜種優(yōu)勢群外，還應(yīng)充分認(rèn)識百粒質(zhì)量與其他農(nóng)藝性狀的緊密相關(guān)性，重視對百粒質(zhì)量和其他農(nóng)藝性狀的協(xié)同改良。

本研究探究了我國玉米種質(zhì)資源中不同雜種優(yōu)勢群的籽粒百粒質(zhì)量關(guān)系，并對各雜種優(yōu)勢群內(nèi)優(yōu)良的玉米自交系進(jìn)行了篩選鑒定，并篩選出48份優(yōu)質(zhì)種質(zhì)資源。研究結(jié)果為減少育種盲目性和提高育種效率，以及組配出品質(zhì)優(yōu)良的強(qiáng)優(yōu)勢雜交種提供了一定依據(jù)。