摘 要:【目的】研究玉米-大芻草滲入系群體的品質(zhì)差異,為選育高品質(zhì)玉米品種提供依據(jù)。
【方法】對(duì)玉米-大芻草滲入系群體866份家系,采用主成分分析和聚類分析法綜合評(píng)價(jià)其籽粒(粒長(zhǎng)、粒寬、粒厚、百粒重)和品質(zhì)(蛋白質(zhì)、淀粉、可溶性糖、賴氨酸、磷、鉀)等相關(guān)性狀。
【結(jié)果】10個(gè)性狀的變異較豐富,變異系數(shù)為6.401%~20.451%。籽粒性狀普遍與品質(zhì)性狀負(fù)相關(guān),而品質(zhì)性狀間除淀粉、蛋白質(zhì)和可溶性糖呈負(fù)相關(guān),其余皆呈正相關(guān)。篩選出10份較為良好的自交系,其中第3類群皆包含其中。
【結(jié)論】該群體各個(gè)家系的籽粒及品質(zhì)性狀均有不同程度的相關(guān)性,在后續(xù)產(chǎn)量與品質(zhì)育種時(shí),可依據(jù)其相關(guān)性定向選擇材料。篩選出了在淀粉、可溶性糖與粒重等方向性狀表現(xiàn)較好的自交系材料,可作為品質(zhì)育種的核心種質(zhì)資源。
關(guān)鍵詞:玉米;品質(zhì)性狀;主成分分析;聚類分析
中圖分類號(hào):S513 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4330(2024)04-0885-07
0 引 言
【研究意義】玉米(Zea mays ssp. mays)籽粒富含淀粉、蛋白質(zhì)、各類維生素和微量元素等,可供食用及飼用[1]。玉米可分為籽用玉米、青貯玉米和鮮食玉米。目前在我國(guó)籽用玉米的種植量最大,主要用作糧食、飼料和工業(yè)原材料等。青貯玉米是將包括玉米穗在內(nèi)的玉米植株全部收割經(jīng)過(guò)粉碎、加工后,將其發(fā)酵制成動(dòng)物飼料。鮮食玉米與普通玉米相比具有甜、嫩、脆等特點(diǎn)。成熟的玉米中淀粉含量在55%~75%,蛋白質(zhì)含量為9%左右[2]。大芻草籽粒含有52.92%的淀粉、28.71%的蛋白質(zhì),可通過(guò)遠(yuǎn)緣雜交將大芻草的優(yōu)良性狀與玉米重新組合,以達(dá)到玉米品質(zhì)性狀定向改良的目的[3]。玉米蛋白質(zhì)含量大概為8%~11%,雖含量有限,但含有8種必需的氨基酸[4]。世界上大約80%的淀粉來(lái)源于玉米,淀粉在玉米中所占比例也最大,玉米淀粉可用于食品加工、造紙、醫(yī)療等[5]。玉米籽粒中可溶性糖含量的高低決定著鮮食玉米甜度和口感,同時(shí)也是植株光合作用的主要產(chǎn)物和參與植物體內(nèi)同化物運(yùn)輸?shù)闹饕问?,為玉米生長(zhǎng)發(fā)育提供必需的能量[6]。玉米中可溶性糖含量變化與蔗糖和淀粉之間的轉(zhuǎn)化密切相關(guān),授粉后期籽粒中淀粉的積累會(huì)不斷消耗蔗糖,進(jìn)而降低可溶性糖的含量[7]。目前我國(guó)玉米親本種類較少且骨干自交系較為集中,遺傳基礎(chǔ)尚相對(duì)狹隘。大芻草具有遺傳變異豐富、抗性強(qiáng)等特點(diǎn),通過(guò)將其與玉米自交系W22雜交構(gòu)建新群體,通過(guò)分子手段將大芻草的優(yōu)良性狀定位并克隆,有利于改變我國(guó)玉米種質(zhì)資源基礎(chǔ)狹隘的狀況[8]?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】目前玉米綜合評(píng)價(jià)以農(nóng)藝性狀[9-10]、品質(zhì)性狀[11-12]較多,徐廣海等[13]通過(guò)對(duì)54個(gè)糯玉米自交系的籽粒淀粉物質(zhì)組成和理化特性進(jìn)行相關(guān)性和聚類分析,篩選出可用于改良糯玉米品質(zhì)的骨干自交系。趙海軍等[14]分析150份改良玉米自交系的籽粒性狀和品質(zhì)性狀,篩選出9份在籽粒和品質(zhì)性狀方面表現(xiàn)水平均優(yōu)于同類群體的自交系?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】應(yīng)用相關(guān)性分析、聚類分析[15]和主成分分析較為廣泛,但大多篩選自交系數(shù)量較少,且涉及到籽粒性狀與品質(zhì)性狀的鮮見(jiàn)報(bào)道。需要綜合評(píng)價(jià)玉米-大芻草滲入系群體的品質(zhì)性狀?!緮M解決的關(guān)鍵問(wèn)題】選用866個(gè)家系的玉米-大芻草滲入系群體為材料,測(cè)定籽粒及品質(zhì)性狀等10項(xiàng)指標(biāo),采用聚類及主成分分析綜合評(píng)價(jià)該群體,篩選玉米育種的關(guān)鍵指標(biāo),為發(fā)掘優(yōu)良品質(zhì)等位基因提供基礎(chǔ)材料。
1 材料與方法
1.1 材 料
1.1.1 供體親本
材料為玉米-大芻草滲入系群體,以玉米自交系W22作為受體親本和輪回親本,以玉米野生祖先種大芻草作為供體親本,通過(guò)雜交1次、回交2次和自交3次衍生而成,共包含866個(gè)家系。
1.1.2 主要儀器設(shè)備
谷豐光電數(shù)字化考種機(jī):YTS-5D型(谷豐光電科技有限公司);游標(biāo)卡尺:內(nèi)置藍(lán)牙卡尺[0~150](三和量具儀器有限公司);高速萬(wàn)能粉碎機(jī):FW-100型(天津泰斯特儀器有限公司);電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱:DHG-9023A型(上海一恒科學(xué)儀器有限公司);紫外可見(jiàn)分光光度計(jì):UV-1200型(翱藝儀器(上海)有限公司);火焰光度計(jì):M410型(英國(guó)SHERWOOD公司)。
1.2 方 法
1.2.1 籽粒性狀
從每個(gè)自交系中隨機(jī)選取100粒種子,使用谷豐光電數(shù)字化考種機(jī)進(jìn)行粒長(zhǎng)、粒寬、百粒重的測(cè)定,每個(gè)自交系重復(fù)測(cè)定5次,取平均值。
從每個(gè)自交系中隨機(jī)選取20粒種子,使用游標(biāo)卡尺進(jìn)行粒厚性狀的測(cè)定,取平均值。
1.2.2 品質(zhì)性狀
參照鄧穗生等[16]方法測(cè)定蛋白質(zhì)含量;采用雙波長(zhǎng)比色法[17]測(cè)定淀粉含量;采用砷鉬酸比色法[18]測(cè)定可溶性糖含量;采用茚三酮比色法[19]測(cè)定賴氨酸含量;參照鮑士旦[20]的鉬酸銨分光光度法測(cè)定磷含量;采用火焰光度計(jì)測(cè)定鉀含量。
1.3 數(shù)據(jù)處理
用Excel 2019對(duì)粒長(zhǎng)、粒寬、蛋白質(zhì)和賴氨酸等性狀進(jìn)行基本數(shù)據(jù)整理及變異分析;用Origin 2023軟件進(jìn)行各性狀間的相關(guān)性分析和聚類分析;SPSS 23軟件進(jìn)行主成分分析。
2 結(jié)果與分析
2.1 玉米-大芻草滲入系群體籽粒數(shù)據(jù)及其品質(zhì)性狀變化
研究表明,玉米-大芻草滲入系群體家系數(shù)量多、變異幅度大、變異系數(shù)高。各自交系的性狀差異較大,變異系數(shù)范圍為6.401%~20.451%。其中,磷含量的變異系數(shù)最大,為20.451%;可溶性糖含量、賴氨酸含量、鉀含量和百粒重的變異范圍處于10%以上;蛋白質(zhì)含量、淀粉含量、粒長(zhǎng)、粒寬、粒厚的變異系數(shù)較小,分別為9.802%、7.238%、7.566%、6.401% 。性狀平均值表現(xiàn)為蛋白質(zhì)含量9.156%、淀粉含量75.462%、可溶性糖含量2.479%、賴氨酸含量0.232%、磷含量0.411%、鉀含量0.439%、粒長(zhǎng)8.325 mm、粒寬6.795 mm、粒厚5.390 mm、百粒質(zhì)量22.043 g。該滲入系群體表型變異極為豐富,粒長(zhǎng)、粒寬和粒厚為4~10 mm,百粒重在10~30 g,蛋白質(zhì)含量、淀粉含量變幅分別為3.69%~11.58%、56.17%~85.25%。表1,圖1
2.2 玉米-大芻草滲入系群體籽粒及其品質(zhì)性狀的相關(guān)性
研究表明,蛋白質(zhì)含量與淀粉含量、鉀含量、粒厚呈顯著正相關(guān),與賴氨酸含量、磷含量呈極顯著正相關(guān),與可溶性糖含量呈顯著負(fù)相關(guān),與粒長(zhǎng)、粒寬、百粒重呈顯著負(fù)相關(guān);淀粉含量與可溶性糖含量呈極顯著負(fù)相關(guān);可溶性糖含量與賴氨酸含量、鉀含量呈極顯著正相關(guān),與磷含量、粒長(zhǎng)呈顯著正相關(guān);賴氨酸含量與磷含量、鉀含量呈極顯著正相關(guān),與粒長(zhǎng)、粒寬、百粒重呈極顯著負(fù)相關(guān);磷含量與鉀含量呈極顯著正相關(guān),與粒長(zhǎng)、粒寬、百粒重呈極顯著負(fù)相關(guān);鉀含量與粒厚呈極顯著負(fù)相關(guān);粒長(zhǎng)與粒寬、百粒重呈極顯著正相關(guān);粒寬與粒厚、百粒重呈極顯著正相關(guān);粒厚與百粒重呈極顯著正相關(guān)。圖2
2.3 玉米-大芻草滲入系群體籽粒及其品質(zhì)性狀的聚類特征
研究表明,所有家系聚為4類。類群1有469個(gè)家系,占比66.15%,其淀粉含量較高,百粒重較低;類群2有212個(gè)家系,占29.9%,淀粉含量接近平均水平,蛋白質(zhì)含量、賴氨酸含量偏低、百粒重較高;類群3有4個(gè)家系僅占0.64%,具有低蛋白、高淀粉及可溶性糖、高百粒重的特征;類群4有24個(gè)家系,具有低百粒重、品質(zhì)性狀偏高于平均水平的特征,占比3.3%。圖2
2.4 玉米-大芻草滲入系群體籽粒和品質(zhì)性狀的主成分變化
研究表明,第一主成分的特征值為2.709,貢獻(xiàn)率為27.09%,主要反映了對(duì)粒長(zhǎng)、粒寬、百粒重的影響,其向量值分別為0.824、0.918、0.923,因此將第一主成分因子稱為粒重因子。第二主成分的特征值為1.438,貢獻(xiàn)率為14.38%,在特征向量中載荷值最大的是可溶性糖,因此將第二成分因子稱為可溶性糖因子。第三主成分的特征值為1.248,貢獻(xiàn)率為12.48%,主要反映了對(duì)蛋白質(zhì)的影響,其向量值為0.641,因此把第三主成分因子稱為蛋白質(zhì)因子。第四主成分的特征值為1.038,貢獻(xiàn)率為10.38%,在特征向量中載荷值最大的是鉀,把第四成分因子稱為鉀因子。表2
利用主成分特征向量值除以特征值根可得到主成分得分系數(shù)矩陣。
Y1=-0.167X1-0.014X2+0.023X3-0.165X4-0.142X5-0.108X6+0.501X7+0.558X8+0.190X9+ 0.561X10.
Y2=0.173X1-0.211X2+0.511X3+0.490X4+0.417X5+0.450X6+0.116X7+0.104X8+0.089X9+ 0.125X10.
Y3=0.574X1+0.412X2-0.299X3+0.252X4+0.017X5-0.103X6-0.102X7+0.037X8+0.558X9+ 0.117X10.
Y4=0.148X1+0.438X2-0.348X3-0.228X4+0.303X5+0.512X6+0.227X7+0.104X8-0.444X9+ 0.023X10.
式中,Y表示主成分得分, X1、X2、X3、X4、X5、X6 、X7、X8、X9 、X10分別表示經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化處理后的蛋白質(zhì)、淀粉、可溶性糖、賴氨酸、磷、鉀、粒長(zhǎng)、粒寬、粒厚、百粒重?cái)?shù)值。表3
2.5 玉米-大芻草滲入系群體籽粒和品質(zhì)性狀綜合評(píng)價(jià)
研究表明,利用線性方程,以各個(gè)成分的貢獻(xiàn)率為權(quán)重,建立玉米-大芻草滲入系群體籽粒和品質(zhì)性狀的綜合得分的數(shù)學(xué)模型:
Yi=b1Y1+b2Y2+……+bnYn,10個(gè)家系的平均蛋白質(zhì)含量、淀粉含量、可溶性糖含量、賴氨酸含量、磷含量、鉀含量、粒長(zhǎng)、粒寬、粒厚、百粒重分別為9.016%、74.885%、2.567%、0.221%、0.590%、0.476%、0.908 cm 、0.771 cm、0.566 cm、27.30 g,其中家系T-625的綜合得分最高,4個(gè)因子得分分別為-2.41、8.98、-2.85、11.72,綜合得分為1.5。T-768、T-200、T-072、T-007均為類群3的家系。表4
3 討 論
3.1
相關(guān)性分析表明,產(chǎn)量性狀中各性狀間普遍呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系,粒長(zhǎng)、粒寬、粒厚始終是提升籽粒產(chǎn)量的重要因素[21],與前人[22-23]研究結(jié)果均一致。大部分品質(zhì)性狀與產(chǎn)量性狀間普遍呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,該結(jié)果在冬小麥中也有體現(xiàn)[24]。趙海軍等[15]研究指出,玉米籽粒蛋白質(zhì)、淀粉、賴氨酸含量均呈顯著或極顯著正相關(guān)??扇苄蕴桥c淀粉呈極顯著負(fù)相關(guān)。
3.2
該群體各個(gè)家系的籽粒及品質(zhì)性狀均有不同程度的相關(guān)性,在后續(xù)產(chǎn)量與品質(zhì)育種時(shí),可依據(jù)其相關(guān)性定向選擇材料。篩選到在淀粉、可溶性糖與粒重等性狀表現(xiàn)較好的自交系材料。大芻草與玉米雜交選育可作為改良品質(zhì)與產(chǎn)量的途徑:通過(guò)將玉米野生種大芻草與栽培種自交系雜交,可將大芻草多年經(jīng)過(guò)選擇保留下來(lái)的優(yōu)良基因重新組合,可用于選育表型、產(chǎn)量、品質(zhì)、抗性等方面表現(xiàn)優(yōu)異的品系或家系。
4 結(jié) 論
玉米-大芻草滲入系群體的886份家系材料分為4個(gè)類群,其蛋白質(zhì)含量、淀粉含量與產(chǎn)量性狀間均有不同程度的相關(guān)關(guān)系。篩選類群3材料為較好的育種材料,其具有較低蛋白、高淀粉、高可溶性糖、高百粒重等特點(diǎn)。
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