云南地方糯玉米品種主要農藝性狀遺傳多樣性

隆文杰 周國雁 武曉陽 陳丹 伍少云 蔡青

(云南省農業科學院生物技術與種質資源研究所/云南省農業生物技術重點實驗室/農業農村部西南作物基因資源與種質創制重點實驗室 云南昆明 650205)

隨著人們生活水平的不斷提高，相對于普通玉米，糯玉米因其適口性良好，營養豐富，用途廣泛，經濟價值更高而成為深受歡迎的食品和工業原料，糯玉米產業也得到了極大的推動和發展［1-2］。糯玉米種質擴增、改良和創新已成為玉米育種研究的重要發展方向［3］。目前糯玉米種質資源遺傳基礎狹窄，糯基因的遺傳脆弱性已成為制約糯玉米育種發展的瓶頸。優異地方種質的挖掘與利用對拓寬糯玉米遺傳基礎、快速提升糯玉米的育種技術和材料水平具有重要意義［3］。云南是糯玉米的遺傳多樣性中心和起源中心［4］，擁有極為豐富的地方種質資源，因此根據農藝性狀和遺傳成分對地方種質進行種族劃分，篩選出符合育種目標的優良種質，綜合評價其利用價值，可為其在育種上的應用提供科學依據。

在種質資源研究中，通常采用相關性分析、主成分分析、聚類分析等方法來分析資源的多樣性和遺傳關系。相關性分析主要用來考察各性狀間的相關關系。鐘開珍［5］對270 個大豆種質資源的農藝性狀與倒伏級別進行相關分析，揭示了與倒伏級別相關的農藝性狀。張振臣［6］對鐵皮石斛種質資源的10 個表型性狀進行了相關分析，發現各性狀之間的相關關系較為復雜。周亞東［7］對105份亞麻材料的脂肪酸各組分含量進行了相關性分析，研究了各組分含量間的相關性。

性狀的變異系數和多樣性指數可以用來描述性狀的變異情況，它們反映的角度不同。變異系數主要反映的是某一性狀變異的范圍，而多樣性指數則是某一性狀的不同表現等級和數量分布，亦即多樣性的豐度和均勻度［8］。張叢卓［9］采用變異系數對45 份山西糯玉米地方品種的表型特征進行了分析，發現經濟性狀的變異程度較農藝性狀的變異程度高。劉新龍等［10］在對甘蔗品種表型遺傳多樣性研究中，采用變異系數分析研究了數量性狀，采用Shannon-Wiener 多樣性指數分析了質量性狀，揭示了各甘蔗各品種群體間的遺傳變異和遺傳多樣性情況。董昕等［11］對129 份重慶玉米地方品種的31 個農藝性狀進行兩年田間鑒定，并對其表型多樣性進行分析，為重慶玉米地方品種資源的保護以及優異資源的進一步開發利用提供了參考。胡德分等［12］利用SSR 分子標記技術和UPMGA方法對84個云南玉米雜交種遺傳多樣性進行分析，發現云南玉米雜交種遺傳基礎較狹窄，雜交種間具有同質化趨勢。

由于糯玉米各農藝性狀多為數量性狀，玉米品種的綜合評價工作困難。應用主成分分析法，可以將多個相互關聯性狀指標轉換成較少的獨立的新指標［13-15］。這一方法有助于理解各性狀指標對優異品種的貢獻，有助于糯玉米育種過程中對目標性狀的選擇。任麗娟等［16］利用主成分分析方法將33 個不同品種的全株玉米青貯飼料的13 個指標綜合為4個獨立因子，篩選出綜合品質排名前五的品種，為東北地區種植和制作青貯飼料提供理論指導。王英成等［17］以引進的16個青貯玉米品種為材料，通過對13 個農藝性狀進行主成分分析，篩選出綜合得分在10 以上的品種6 個，為當地高產的青貯玉米提供技術支撐。

本研究從400 余份云南地方品種糯玉米材料中，篩選出來自于云南全部16 個地州市的共48 份材料，對其31 個農藝性狀的相關性分析、主成分分析和聚類分析和綜合評價，以期為我國糯玉米種質資源創新和育種利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

400 余份云南地方品種糯玉米材料由云南省作物種質資源保存庫提供，從中篩選出來自于云南全部16 個地州市的共48 份材料用于本研究（表1）。

表1 參試的云南省糯玉米地方種質資源及來源地

1.2 方法

1.2.1 試驗設計

試驗在云南省農科院昆明嵩明試驗基地進行，該地海拔為1 896 m，103.11E，25.35N。每份種質種植3 個重復，每個重復種植1 個小區，重復間采用隨機區組設計，小區面積4.2 m2，采用寬窄行種植，行長3 m，窄行距0.4 m，寬行距1 m，塘距0.4 m，每塘種植2 株，28 株/小區，種植密度為5 000 株/hm2，9 月上旬至10 月下旬不同種質成熟時進行收獲。

1.2.2 數據采集整理

1.2.2.1 數據采集

田間調查播種至出苗日數、出苗至抽雄日數、抽雄至散粉日數、散粉至吐絲日數、吐絲至成熟日數、生育日數、株高、穗位高、株型、雄穗護穎顏色、花藥顏色、花絲顏色、上位穗上葉葉色、雌穗包被完整性、幼苗強弱、支持根發達程度、植株整齊度。待種子風干后測定穗長、禿尖長、穗粗、行粒數、軸粗、千粒重、穗行數，同時觀測子粒大小、粒色、軸色，并測定利用近紅外光譜分析儀測定水分含量、蛋白含量（干基）、含油量（干基）、淀粉含量（干基）。玉米農藝性狀記載標準見表2。

1.2.2.2 數據標準化處理及統計分析

對株型、護穎顏色、花藥顏色、花絲顏色、穗上葉葉色、雌穗包被、幼苗強弱、支持根發達程度、植株整齊度、籽粒大小、粒色和軸色12 個質量性狀分別予以賦值（表2），計算其頻率分布和遺傳多樣性指數（I，shan-non index）。試驗數據經Excel 整理后，利用SPSS 22.0 進行描述統計、相關性分析、主成分分析及聚類分析，其中聚類方法采用組間聯接法，遺傳距離為平方歐式距離［18］。

表2 玉米農藝性狀的記載標準

2 結果與分析

2.1 數量性狀遺傳多樣性

結果（表3）表明，19個數量性狀在不同玉米種質資源間變異系數在1.6%～91.4%，其中散粉至吐絲變異系數最大，為91.4%，抽雄至散粉的為55.2%，禿尖長的為47.1%，穗位高的為26.6%，千粒重的為16.7%，穗行數的為13.9%，株高的為12.6%，吐絲至成熟的為11.7%，行粒數的為11.7%，軸粗的為11.3%，穗粗的為10.8%，出苗至抽雄的為10.7%，穗長的為10.2%，蛋白含量的為10.1%，播種至出苗的為7.8%，含油量的為6.0%，生育日數的為5.5%，水分含量的為3.1%，淀粉含量的為1.6%。一般變異系數大于10%表示樣本間差異較大［19］。本研究的數量性狀中，15 個田間農藝性狀有13 個的變異系數均大于10%，說明該批玉米種質之間存在的差異大，資源類型豐富，有利于特異種質材料的比較和篩選。

2.2 質量性狀遺傳多樣性

結果（表4）表明，該批種質的株型以披散型為主，比例為54.2%，其次是中間型，比例為45.8%；雄穗護穎顏色以綠帶紫紋為主，比例為77.1%，其次是綠色，比例為16.7%；花藥顏色以綠色為主，比例為81.3%，其次是淺紫色，比例為12.5%；花絲顏色以淺紅色為主，比例為43.8%，其次是深紅色，比例為29.2%；上位穗上葉葉色以綠色為主，比例為75.0%，其次是深綠色，比例為16.7%；雌穗包被完整性以包被完全為主，比例為91.7%，其次是包被不完全，比例為8.3%；幼苗強弱以強為主，比例為85.4%，其次是中，比例為10.4%；支持根發達程度以無為主，比例為81.3%，其次是弱，比例為18.8%；植株整齊度以較齊為主，比例為68.8%，其次是不齊，比例為20.8%；子粒大小以中粒型為主，比例為91.7%，其次是小粒型，比例為8.3%；粒色以白為主，比例為56.3%，其次是黃，比例為27.1%；軸色以白為主，比例為87.5%，其次是白/紅，比例為12.5%。

表3 四十八份玉米種質資源的數量性狀變異

該批種質12 個質量性狀的遺傳多樣性指數為0.29～1.15，從大到小依次為：花絲顏色（1.15）、粒色（1.02）、植株整齊度（0.82）、上位穗上葉葉色（0.72）、株型（0.69）、雄穗護穎顏色（0.67）、花藥顏色（0.64）、幼苗強弱（0.5）、支持根發達程度（0.48）、軸色（0.38）、雌穗包被完整性（0.29）、子粒大小（0.29）。花絲顏色遺傳多樣性指數最高，表明該性狀遺傳多樣性最豐富。

表4 玉米種質資源質量性狀頻率

2.3 農藝性狀相關性分析

48 份玉米種質的31 個農藝性狀相關性分析，結果（表5）表明，出苗至抽雄日數與生育日數、株高、穗位高呈極顯著正相關，與抽雄至散粉日數、蛋白含量（干基）、花藥顏色、幼苗強弱呈顯著負相關；抽雄至散粉日數與行粒數、幼苗強弱呈顯著正相關；散粉至吐絲日數與千粒重呈極顯著正相關；吐絲至成熟日數與生育日數、千粒重、子粒大小呈極顯著正相關，與株高、穗粗、幼苗強弱呈顯著正相關，與支持根發達程度呈顯著負相關；生育日數與株高、穗位高、子粒大小呈極顯著正相關，與穗長、穗粗、穗行數、軸色呈顯著正相關，與蛋白含量（干基）呈極顯著負相關，與株型、支持根發達程度呈顯著負相關；株高與穗位高、穗長、穗粗、行粒數、軸粗、穗行數、子粒大小呈極顯著正相關，與千粒重呈顯著正相關，與蛋白含量（干基）、株型呈極顯著負相關；穗位高與穗長、淀粉含量（干基）呈顯著正相關，與蛋白含量（干基）、株型呈極顯著負相關；穗長與行粒數呈極顯著正相關，與禿尖長、穗粗、軸粗、穗行數、子粒大小呈顯著正相關；禿尖長與行粒數、穗行數呈顯著正相關，與支持根發達程度呈顯著負相關；穗粗與軸粗、千粒重、穗行數、雄穗護穎顏色、幼苗強弱、子粒大小呈極顯著正相關，與行粒數、上位穗上葉葉色呈顯著正相關，與蛋白含量（干基）呈極顯著負相關；行粒數與穗行數、呈極顯著正相關，與軸粗、雄穗護穎顏色呈極顯著負相關；軸粗與千粒重、穗行數、雄穗護穎顏色、子粒大小呈極顯著正相關，與幼苗強弱呈顯著正相關，與水分含量呈顯著負相關；千粒重與子粒大小呈極顯著正相關，與花藥顏色、上位穗上葉葉色呈顯著正相關；穗行數與幼苗強弱、子粒大小呈極顯著正相關，與蛋白含量（干基）呈顯著負相關；水分含量與含油量（干基）、淀粉含量（干基）呈顯著正相關，與蛋白含量（干基）、幼苗強弱呈顯著負相關；蛋白含量（干基）與淀粉含量（干基）呈極顯著負相關，與子粒大小呈顯著負相關；株型與花絲顏色呈顯著正相關；花藥顏色與與花絲顏色呈顯著正相關；上位穗上葉葉色與子粒大小呈顯著正相關；幼苗強弱與子粒大小呈顯著正相關。以上分析可以說明糯玉米各農藝性狀間是相互影響、相互制約的，在種質創新、利用時應綜合分析。

2.4 農藝性狀主成分分析

對48 份玉米的31 個農藝性狀進行主成分分析，計算出各主成分的特征值和貢獻率，結果（表6）表明，主要信息集中在前11 個主成分中，累計貢獻率為78.56%。第1 主成分特征值為6.306，貢獻率為20.341%，生育日數、株高、穗長、穗粗、行粒數、軸粗、千粒重、穗行數、子粒大小是主要指標，此類性狀主要與穗部和籽粒性狀有關。第2 主成分特征值為3.009，貢獻率為9.707%，出苗至抽雄日數、穗位高、雄穗護穎顏色、花藥顏色是主要指標，此類性狀主要與雄穗有關。第3 主成分特征值為2.514，貢獻率為8.108%，水分含量、蛋白含量（干基）、淀粉含量（干基）、株型、幼苗強弱、植株整齊度是主要指標，此類性狀主要與品質有關。第4主成分特征值為2.054，貢獻率為6.627%。第5主成分特征值為2.003，貢獻率為6.462%，散粉至吐絲日數、支持根發達程度、粒色、軸色是主要指標，此類性狀主要與籽粒顏色有關。第6主成分特征值為1.761，貢獻率為5.681%，抽雄至散粉日數、吐絲至成熟日數、禿尖長是主要指標，此類性狀主要與授粉效率有關。第7 主成分特征值為1.629，貢獻率為5.256%，播種至出苗日數是主要指標。第8主成分特征值為1.454，貢獻率為4.690%，雌穗包被完整性是主要指標。第9 主成分特征值為1.339，貢獻率為4.320% 。第10 主成分特征值為1.264，貢獻率為4.076%，含油量（干基）、花絲顏色、上位穗上葉葉色是主要指標，此類性狀主要與花絲、葉色有關。第11 主成分特征值為1.019，貢獻率為3.286%（詳見表7）。

2.5 農藝性狀聚類分析

48 份玉米種質的11 個主成分進行系統聚類，分析結果見圖1。在遺傳距離為11.5 時，48 份玉米種質可以分為3 類。從圖1 和表8 可以看出，第Ⅰ類群包含45份種質，這類種質主要特征為晚熟，株高較高，穗位高較高，穗粗較粗，千粒重較重，籽粒較大，其中34 號（材料編號）生育期最長，可作為晚熟種質進一步篩選，6號穗粗較粗，13號千粒重較重，可作為高產種質進一步篩選。第Ⅱ類群包含2 份種質（1.材料編號16，種質名稱勐海四路玉米，2.材料編號42，種質名稱漾濞黃糯玉米），這類種質主要特征為蛋白質含量較高，支持根較發達，株高較低，穗位高較低，禿尖長較短，植株較為整齊，小粒型，籽粒白色，可作為矮桿或鮮食玉米種質進一步篩選。第Ⅲ類群包含1份種質（材料編號27，種質名稱：南華糯玉米），這類種質主要特征為穗長較長，禿尖長較長，行粒數較多，軸粗較粗，穗行數較多，淀粉含量較高，小粒型，籽粒白色，可作為高產種質進一步篩選。

表5 玉米主要農藝性狀相關性分析

續表5 玉米主要農藝性狀相關性分析

續表5 玉米主要農藝性狀相關性分析

續表5 玉米主要農藝性狀相關性分析

表6 玉米主要農藝性狀的主要成分分析

續表6 玉米主要農藝性狀的主要成分分析

表7 參試材料各主成分得分值

續表7 參試材料各主成分得分值

2.6 特異種質篩選

根據主成分分析結果，第1 主成分主要涉及生育日數、株高、穗長、穗粗、行粒數、軸粗、千粒重、穗行數、子粒大小等性狀，此類性狀主要包括了主要的穗部及籽粒性狀，可命名為單穗產量因子。該因子得分值較高的前5 份（表7）資源材料編號分別為26、23、11、21 和34（表9），這5份資源可作為高產種質繼續進行鑒定篩選。

根據田間表現、考種數據及聚類分析，初步篩選出晚熟，矮桿，穗長、禿尖長、穗粗、穗行數、行粒數、千粒重等產量相關指標較高的種質6份（表9）。其中，晚熟1 份，高產種質3 份，矮桿種質2份。

3 討論與結論

本研究對48 份糯玉米地方品種材料的31 個性狀進行了多樣性、相關性、主成分和聚類分析，并對其綜合評價。

多樣性分析表明，該批資源的多樣性豐富，可作為拓寬糯玉米育種的遺傳基礎的種質材料。數量性狀中，15 個田間農藝性狀有13 個的變異系數均大于10%，質量性狀中，花絲顏色遺傳多樣性指數最高，子粒大小遺傳多樣性指數最低。

圖1 參試糯玉米材料聚類圖

相關分析發現株高和穗位高、穗粗成極顯著正相關，穗位高和穗長成顯著正相關，穗長和行粒數成極顯著正相關，這與孫開利、賈曉軍、陳冰潔［20-22］的研究結果基本一致。在本研究中，顯著或極顯著相關的性狀較多，因此，在這批材料中進行優異資源篩選時，不能只關注單一性狀，應考慮各性狀之間的關聯，進行綜合篩選。

表8 聚類后3 類玉米種質的主要農藝性狀統計

主成分分析表明，主要信息集中在前11 個主成分中，其中第1 主成分主要與穗部及籽粒性狀有關，該主成分得分值高的種質具有果穗大、穗粒數多，千粒重較大的特點，能夠在一定程度上體現材料的的單穗產量。根據第1 主成分得分值排名，篩選出5 份材料作為高產種質進行今后進一步的鑒定篩選。

表9 十一份玉米優異種質

聚類分析表明，48份材料中，42號和16號材料聚在一類，結合田間觀測和室內考種數據，這2 份種質都具有原始玉米資源四路糯的特征［23］，其中，16 號材料是2007 年在勐海地區考察收集的四路糯玉米，而42 號材料是在大理市漾濞縣收集到的。根據資料記載，此前四路糯主要發現于云南“勐海—孟連—瑞麗”一帶，即云南與緬甸接壤地區［4，24］，42 號材料收集地并未處于上述地區，與之前發現的四路糯的遺傳關系尚未確定，還需進一步研究。

聚類后各性狀均值統計發現，該批地方品種在主要農藝性狀，特別是產量等主要經濟性狀上不具優勢，另外，根據測定的蛋白含量、含油量和淀粉含量來看，地方品種在品質上也不具優勢。當然，由于研究材料統一是在昆明進行鑒定，而不是在來源地或與來源地有相似生態氣候特點的地點進行鑒定，所以，鑒定結果不一定能全面客觀地反映出材料的特性及利用潛力。本研究選取了分別在株高，熟期等指標比較突出的種質作為優異資源進行后續鑒定和利用。

由于地方品種是在其原生地長期馴化形成的，從而對一定的生態氣候環境有較強的適應性［25］，因此，今后從地方品種中尋找優異資源的工作，除了關注主要經濟性狀外，還應更多關注適應性、抗性方面的指標，或是關注在某個單一性狀具有特異性的種質，或許能發掘出更多有用的優異資源。