150份玉米自交系籽粒及其品質(zhì)性狀的綜合評價

趙海軍，史佳晴，王 彬，郭益洋，胡小麗，韓贊平

（1.河南科技大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，河南 洛陽 471023；2.唐河縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河南 南陽 473400）

玉米（Zea maysL.）是我國重要的糧食作物和飼料作物，具有開發(fā)高營養(yǎng)、高生物學(xué)功能食品的巨大潛力[1‐2]。隨著人們生活水平日益提高，玉米育種目標(biāo)也由過去的高產(chǎn)轉(zhuǎn)變?yōu)楦咂焚|(zhì)[3]。玉米粒形始終是玉米改良育種中的重要參考指標(biāo)，高粒長、粒寬的大體積玉米籽?？煞e累更多的營養(yǎng)物質(zhì)[2]。賈曉艷等[4]研究發(fā)現(xiàn)，玉米籽粒的粒質(zhì)量同營養(yǎng)物質(zhì)組分之間有顯著相關(guān)關(guān)系，同時各品質(zhì)性狀間也存在明顯相關(guān)性。因此，研究玉米籽粒性狀對于高品質(zhì)育種具有重要價值，深入研究玉米籽粒及品質(zhì)性狀是推進(jìn)高品質(zhì)玉米育種工作的必由之路。

在玉米種質(zhì)資源創(chuàng)新方面，隨著育種技術(shù)的不斷提升，以及國際農(nóng)作物種質(zhì)市場的開放，大量的國外優(yōu)質(zhì)雜交種和突變體被引進(jìn)，玉米遺傳變異多樣性得到了極大的豐富，對我國玉米育種起到了巨大的推進(jìn)作用[5]。玉米自交系是配制玉米雜交種的基礎(chǔ)材料，對不同玉米自交系進(jìn)行綜合評價分析，從而篩選出綜合性狀優(yōu)良的自交系材料，是玉米育種中的關(guān)鍵步驟。建立一個客觀、綜合、區(qū)分度高的綜合評價體系意義重大[6]。張正等[7]采用相關(guān)性分析方法對玉米產(chǎn)量與穗部性狀進(jìn)行相關(guān)性分析，從而分析不同耐密型玉米品種農(nóng)藝性狀與產(chǎn)量間的關(guān)系。齊欣等[8]對東歐來源的309 份自交系材料進(jìn)行聚類分析，將材料劃分為了六大類群，為種質(zhì)資源的利用提供了參考。胡樹平等[9]利用主成分分析方法對51 份玉米自交系在正常生長和干旱脅迫下的主要農(nóng)藝性狀進(jìn)行分析，從而對自交系材料的抗旱性進(jìn)行綜合評價。目前，對玉米自交系（品種）的綜合評價研究方法比較單一[7‐9]，同時利用相關(guān)性分析、聚類分析、主成分分析等多種方法的綜合評價研究鮮見報道。為此，對國外種質(zhì)資源與知名品種自交系親本構(gòu)成的150份改良玉米自交系的籽粒（粒長、粒寬、百粒質(zhì)量、容重）及其品質(zhì)性狀（籽粒含水量，油脂、蛋白質(zhì)、淀粉、賴氨酸含量）進(jìn)行分析，采用相關(guān)性分析、聚類分析和主成分分析方法進(jìn)行綜合評價，以篩選出優(yōu)良自交系用于高品質(zhì)玉米育種工作。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試材料為150 份籽粒外觀良好、顆粒規(guī)則均一且病蟲害程度極低的玉米自交系材料，分別為美國孟山都引進(jìn)改良父本、先玉335母本PH6WC與隆平206母本L239雜交改良母本、國外資源融入昌7-2基因改良父本的重組自交系和先玉335 父本PH4CV 改良群體的自交系，詳見表1。對照為自交系B73。所有試驗材料均來自河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院雜糧研究實驗室。

表1 試驗材料編號及來源Tab.1 Serial number and source of maize inbred lines

1.2 測定項目及方法

收獲后，使用DA7250 近紅外分析儀（瑞典波通儀器公司）測定150 份自交系和B73 的籽粒含水量，油脂、蛋白質(zhì)、淀粉、賴氨酸含量和容重，每份材料重復(fù)3 次，計算平均值[10‐11]。同時，每份材料隨機選取20粒籽粒，人工測量粒長、粒寬和百粒質(zhì)量[12]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2020 對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，使用DPS 7.05 軟件進(jìn)行聚類分析，基于聚類分析遺傳距離結(jié)果使用MEGA 11 軟件進(jìn)行作圖。使用SPSS 27軟件進(jìn)行相關(guān)性分析和主成分分析，根據(jù)主成分分析結(jié)果建立模型公式，計算各自交系綜合得分[13‐16]。

150 份玉米自交系的籽粒（粒長、粒寬、百粒質(zhì)量、容重）及品質(zhì)性狀（含水量，油脂、蛋白質(zhì)、淀粉、賴氨酸含量）詳見表2。相同種植生長條件下的自交系B73 表現(xiàn)為籽粒含水量13.28%、油脂含量3.49%、蛋白質(zhì)含量13.46%、淀粉含量64.34%、容重766.53 g/L、賴氨酸含量0.46%、粒長1.22 cm、粒寬0.97 cm、百粒質(zhì)量33.64 g。150 份自交系上述9 個性狀的變異系數(shù)介于0.03～0.21。其中，賴氨酸含量變異系數(shù)最大，含水量變異系數(shù)最小。150 份自交系上述9 個性狀的平均值表現(xiàn)為含水量11.67%、油脂含量4.50%、蛋白質(zhì)含量11.35%、淀粉含量72.06%、容重701.93 g/L、賴氨酸含量0.42%、粒長0.95 cm、粒寬0.77 cm、百粒質(zhì)量28.13 g。

2 結(jié)果與分析

2.1 150份玉米自交系籽粒及其品質(zhì)性狀分析

職業(yè)化培養(yǎng)模式下的軟件行業(yè)人才應(yīng)該具備軟件、硬件、網(wǎng)絡(luò)等各學(xué)科綜合知識的復(fù)合型人才。軟件行業(yè)人才不僅應(yīng)該具備這些學(xué)科的理論知識，也應(yīng)具備將這些學(xué)科的理論和實際結(jié)合起來的能力。然而，現(xiàn)有的教學(xué)模式則側(cè)重于理論教學(xué)，而忽略了職業(yè)化的軟件行業(yè)人才的培養(yǎng)應(yīng)該是以理論和實踐的有機統(tǒng)一為目的。這種模式過于側(cè)重理論知識的學(xué)習(xí)，而忽略了理論和實際的融合，影響了職業(yè)化的發(fā)展。

表2 150份玉米自交系籽粒及其品質(zhì)性狀分析Tab.2 Analysis of grain and its quality traits of 150 maize inbred lines

2.2 150份玉米自交系籽粒及其品質(zhì)性狀的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析方法具有操作簡便、各性狀關(guān)聯(lián)信息明確等特點，可初步反映試驗材料各性狀間關(guān)聯(lián)情況，在遺傳育種研究中廣泛應(yīng)用于探究農(nóng)作物各性狀間的關(guān)聯(lián)情況[18]。本研究的相關(guān)性分析結(jié)果表明，籽粒含水量與蛋白質(zhì)、淀粉、賴氨酸含量均呈顯著或極顯著正相關(guān)，與容重呈顯著負(fù)相關(guān)。張采波等[19]研究表明，玉米籽粒含水量與容重及出籽率間呈負(fù)相關(guān)，可初步推測低籽粒含水量可能有利于提升產(chǎn)量，但不利于蛋白質(zhì)、油脂和賴氨酸的積累。本研究同時發(fā)現(xiàn)，籽粒油脂含量與淀粉含量、粒長、粒寬、百粒質(zhì)量均呈極顯著負(fù)相關(guān)；蛋白質(zhì)含量與淀粉含量、容重分別呈極顯著、顯著負(fù)相關(guān)；淀粉含量與容重呈極顯著負(fù)相關(guān)，與粒長呈極顯著正相關(guān)；賴氨酸含量與粒寬、百粒質(zhì)量均呈極顯著負(fù)相關(guān)；百粒質(zhì)量與粒長、粒寬均呈極顯著正相關(guān)。綜合分析相關(guān)性結(jié)果可得出以下規(guī)律：高籽粒含水量往往同時具有高蛋白質(zhì)、油脂和賴氨酸含量的特性，但籽粒的粒質(zhì)量會降低。籽粒的淀粉含量與蛋白質(zhì)、油脂含量間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，在有限的籽粒容量中雙方積累可能存在一定的拮抗關(guān)系。同時高淀粉含量會明顯降低籽粒的容重，可能是由于淀粉密度低于油脂與蛋白質(zhì)密度的物理學(xué)特性；粒寬和粒長始終是提升籽粒質(zhì)量的重要因素，這與前人[20‐21]研究結(jié)果相似。

由圖1 和表4 可知，150 份玉米自交系材料分為6 個類群，1 類群僅包括17N0358 一份自交系，其含水量、蛋白質(zhì)含量、淀粉含量、賴氨酸含量和百粒質(zhì)量均最高，同時具備低容重的特點；2 類群僅有17N0443 一份自交系，具有低含水量、蛋白質(zhì)含量、百粒質(zhì)量，高油脂的特點；3 類群包括47 份自交系，具有低百粒質(zhì)量的特點；4 類群包括14 份自交系，具有高容重的特點；5 類群包括34 份自交系，具有較大的粒長和粒寬；6 類群包括52 份自交系，具有低淀粉含量、高賴氨酸含量的特點。

表3 玉米自交系籽粒及其品質(zhì)性狀的相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis of grain and its quality traits of maize inbred lines

2.3 150份玉米自交系籽粒及其品質(zhì)性狀的聚類分析

我國著名教育學(xué)家葉圣陶先生說過：“教學(xué)有法，教無定法，貴在得法?！彼^“有法”，是指不同學(xué)科的教學(xué)有一定規(guī)律可循；所謂“無定法”，是指在具體的教學(xué)中并不存在“放之四海而皆準(zhǔn)”的固定不變的萬能方法，一切都因人、因境而定。所以，教師想要上好一堂課，無論教學(xué)方法如何變化，最終還是要“貴在得法”。

圖1 150份玉米自交系的聚類分析Fig.1 Cluster analysis of 150 maize inbred lines

表4 6個類群籽粒及其品質(zhì)性狀分析Tab.4 Analysis of grain and its quality traits of six groups

2.4 150份玉米自交系籽粒及其品質(zhì)性狀的主成分分析

以4 個主成分的貢獻(xiàn)率為權(quán)數(shù)，構(gòu)建綜合得分（F）評價模型公式：F=0.269X1+0.207X2+0.147X3+0.114X4。計算各自交系的綜合得分，所得結(jié)果如表6。由表6 可知，有8 份玉米自交系綜合得分高于B73，分 別 為 17N0536、17N0560、17N0544、17N0358、17N0373、17N0470、17N0556和17N0540。

表5 玉米自交系籽粒及其品質(zhì)性狀主成分分析Tab.5 Analysis of principal component of maize inbred grain and quality traits

對150 份玉米自交系的9 個籽粒及其品質(zhì)性狀（籽粒含水量、油脂含量、蛋白質(zhì)含量、淀粉含量、容重、賴氨酸含量、粒長、粒寬和百粒質(zhì)量依次標(biāo)定為X1—X9）進(jìn)行主成分分析，結(jié)果詳見表5。由表5 可知，前4 個主成分（Y1—Y4）的特征值大于1，方差累計貢獻(xiàn)率為73.703%。4個主成分分別以百粒質(zhì)量、含水量、蛋白質(zhì)含量和賴氨酸含量載荷值最大，可反映上述4 個性狀的基本信息。4 個主成分的得分計算方程如下：

表6 玉米自交系的綜合得分及排序Tab.6 Comprehensive score and rank of maize inbred lines

3 結(jié)論與討論

種質(zhì)資源創(chuàng)新是高品質(zhì)玉米育種和玉米自交系改良的基礎(chǔ)，挖掘利用外來及新產(chǎn)生種質(zhì)資源有利于改變我國玉米種質(zhì)資源基礎(chǔ)相對薄弱的現(xiàn)狀。在篩選優(yōu)質(zhì)親本時，候選自交系應(yīng)具備高水平的優(yōu)良性狀集中性強、遺傳距離較遠(yuǎn)、籽粒及其品質(zhì)性狀間差異明顯、一般配合力和特殊配合力水平高且不良性狀剔除度高等特點[17]。

對150份玉米自交系的籽粒及其品質(zhì)性狀進(jìn)行相關(guān)性分析（表3），發(fā)現(xiàn)籽粒含水量與蛋白質(zhì)含量（0.223）、淀粉含量（0.428）均呈極顯著正相關(guān)，與容重（-0.445）呈極顯著負(fù)相關(guān)，與賴氨酸含量（0.176）呈顯著正相關(guān)；油脂含量與淀粉含量（-0.226）、粒長（-0.228）、粒寬（-0.263）和百粒質(zhì)量（-0.319）均呈極顯著負(fù)相關(guān)；蛋白質(zhì)含量與淀粉含量（-0.337）呈極顯著負(fù)相關(guān)，與容重（-0.173）呈顯著負(fù)相關(guān)；淀粉含量與容重（-0.315）呈極顯著負(fù)相關(guān)，與粒長（0.269）呈極顯著正相關(guān)；賴氨酸含量與粒寬（-0.221）、百粒質(zhì)量（-0.289）均呈極顯著負(fù)相關(guān)；粒長與粒寬（0.429）呈極顯著正相關(guān)；百粒質(zhì)量與粒長（0.473）、粒寬（0.629）均呈極顯著正相關(guān)。

聚類分析方法可以明確區(qū)分品種間的遺傳差異和遺傳相似性，將類群中的多個品系進(jìn)行明確分類，以便剔除劣勢群體[15]。同時，聚類分析基于不同類群可靈活轉(zhuǎn)變分析方法，具有分析結(jié)果精確度較高、所得結(jié)果易于解讀、樣本分類關(guān)系明確、利于比較篩選等特點。張振良等[15]采用系統(tǒng)聚類方法將50 個玉米品種分成4 類，再通過比較類群間優(yōu)劣來篩選范圍。本研究的聚類分析結(jié)果將材料分為了6個類群，各類群性狀差異明顯。其中，1、2 類群的17N0358、17N0443 特異性極強，2 個玉米自交系在品質(zhì)性狀方面有明顯特異性，17N0358 的籽粒含水量、蛋白質(zhì)含量、淀粉含量、賴氨酸含量和百粒質(zhì)量均達(dá)到最高，自交系17N044 具有低籽粒含水量、蛋白質(zhì)含量、百粒質(zhì)量，高油脂的特點。2份特異性自交系材料可作為下一步低含水量高品質(zhì)自交系改良工作的重要材料。

按實驗方法測定了鉛礦石標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW07236、GBW07235中的Ga、In、Tl、Cd、Ge，每個樣品平行制備3份，結(jié)果取平均值，并與認(rèn)定值進(jìn)行比較，結(jié)果見表8。

針對溝道的水文狀況、連續(xù)性和形態(tài)情況進(jìn)行水文地貌調(diào)查，并按照表3的分級標(biāo)準(zhǔn)給予分類定級。具體調(diào)查因子包括水量、溝道束窄情況、橫向水利工程的數(shù)量與結(jié)構(gòu)、溝底狀況及與地下水的聯(lián)系、岸邊地帶結(jié)構(gòu)等。水文地貌在溝道工程建設(shè)前后各監(jiān)測一次，可直接反映建設(shè)效果。實際調(diào)查中，將溝道分為若干段，逐段調(diào)查和記錄水文、連續(xù)性、形態(tài)等各方面特征。根據(jù)表1所示分級標(biāo)準(zhǔn)確定每個溝段水文地貌等級與分值（見表4）。

主成分分析方法在較少損失原有遺傳信息的情況下，將測定樣本的多個相關(guān)聯(lián)的性狀轉(zhuǎn)為少數(shù)獨立且關(guān)聯(lián)性小的指標(biāo)，避免干擾，從而對材料進(jìn)行科學(xué)評分[22]。本研究將150 份玉米自交系的9 個性狀綜合為4 個主成分（賴氨酸含量、百粒質(zhì)量、籽粒含水量、蛋白質(zhì)含量），累計貢獻(xiàn)率為73.703%。進(jìn)一步建立模型公式計算出所有自交系的綜合得分，獲得了17N0536、17N0560、17N0544、17N0358、17N0373、17N0470、17N0556和17N0540共8份綜合得分高于B73 的自交系。結(jié)合聚類分析結(jié)果，最終共 篩 選 出 了9 份（17N0358、17N0443、17N0536、17N0560、17N0544、17N0373、17N0470、17N0556 和17N0540）自交系，這9 份自交系材料在籽粒及品質(zhì)性狀平均表現(xiàn)水平上明顯優(yōu)于同類群體，同時其中的部分材料具有明顯的特異性，可進(jìn)行下一步的雜交組配或自交系改良工作，為玉米育種工作奠定基礎(chǔ)。