玉米自交系苞葉表型可塑性差異分析

夏浩然，徐濤，賀偉，李建，張敖， 阮燕曄，張立軍，賀巖，崔震海，宋波

1.沈陽農業大學生物科學技術學院/遼寧省基因工程技術研究中心/沈陽市玉米全基因組選擇育種重點實驗室，沈陽 110866;2.遼寧省鐵嶺市農業科學院,鐵嶺 112000; 3.鐵嶺旭日農業技術開發有限公司,鐵嶺 112000; 4.內蒙古巴彥淖爾市科河種業有限公司,巴彥淖爾 015000;5.中國農業大學國家玉米改良中心,北京 100193；6.遼寧東亞種業有限公司/沈陽農業大學附屬實驗場，沈陽 110000

玉米作為中國種植面積最大的禾谷類作物，其產量直接影響中國糧食安全、農業生產和畜牧業的發展[1]。目前，我國農村勞動力日趨緊張，玉米籽粒的機械化收獲勢在必行[2]。然而，較高的玉米籽粒含水量導致在機收時籽粒容易破損[3]，適當的苞葉性狀有利于籽粒收獲期的物理脫水[4]。但在不同環境下苞葉性狀易發生改變[5-6]，這種表型可塑性給宜機收品種選育和苞葉性狀的異地引種帶來了困難。表型可塑性，即同一個基因型在不同環境中產生表型差異的現象[7]，在植物中普遍存在[8]。表型可塑性的遺傳變異與基因型和環境的互作密切關聯[9]。產量性狀表型可塑性的遺傳結構在黑麥[10]、大麥[11]和玉米[12]中都有研究。苞葉是著生于玉米果穗柄并包裹果穗的變態葉鞘[13]。在不同環境下，苞葉長度、苞葉寬度、苞葉層數、苞葉厚度與苞葉松緊度等性狀存在顯著差異[5-6]。在果穗發育過程中，苞葉不僅具有保濕[14]、保溫[15]、防蟲[16]和防病[17]等保護果穗的功能，還具有貯存礦質營養和通過有限的光合作用增加碳源的功能[18-19]。但是，苞葉的保濕功能卻在玉米收獲期成為籽粒脫水的障礙。研究表明，短、窄、薄的苞葉性狀有利于降低收獲期玉米籽粒的含水量[20-22]。另一方面，苞葉過短會導致果穗露頂，影響灌漿并易受蟲噬[23]；過長的苞葉會影響花絲伸出授粉，導致禿尖的形成[24]。因此，合適的苞葉結構是保證玉米果穗正常發育和收獲期籽?？焖倜撍幕A。但是，適合不同玉米種植生態區的合適苞葉結構不同，如南方收獲期溫度高、籽粒脫水快，但病蟲害嚴重[25-26]，所以需要較長、較寬和多層的苞葉；而北方收獲期溫度低，籽粒脫水慢，則需要較短、較窄、少層的苞葉。因此，南北地區育種材料相互引種時，苞葉性狀有可能發生不適應當地的改變。我國的玉米種質資源按照雜種優勢可分成5大雜優群：蘭卡斯特、旅大紅骨、瑞德、唐四平頭和PB群[27-28]，雜優群間包括苞葉性狀在內的表型差異較大[29-30]。但是迄今為止尚未見關于5大雜優群苞葉表型可塑性差異的報道。本研究收集我國玉米5大雜優群50份自交系， 2014年在海南省三亞市、2015年在北京市和2017年在遼寧省鐵嶺市3種環境下測定各雜優群的苞葉長度、寬度和層數，分析不同雜優群之間苞葉性狀可塑性的差異，旨在確定5大雜優群苞葉表型可塑性在異地引種的穩定性和敏感性。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

參考王懿波等[27]、王元東等[28]與王稼苜等[31]對中國5個骨干自交系的品種分類，分別從蘭卡斯特、旅大紅骨、唐四平頭、瑞德和PB各取10個自交系，共50個自交系構成試驗群體，自交系名稱和所屬雜種優勢群見表1。

表1 50份玉米自交系名稱及所屬雜種優勢群 Table 1 List of 50 maize inbred lines and their heterotic groups

1.2 田間試驗

選擇南方1種環境(2014年在海南省三亞市， 18°39′N，109°20′E，14SY)和北方2種環境(2015年在北京市，40°29′N，116°36′E，15BJ；2017年在遼寧省鐵嶺市， 42°13′N，123°60′E，17TL)。采用隨機區組設計，單行區，行長2.5 m，行間距0.6 m，種植密度為45 000株/hm2。每種環境2個地塊重復。田間管理同一般生產。14SY的播種到收獲期為2013年11月10日至2014年3月15日，15BJ的播種到收獲期為2015年4月20日至2015年9月20日，17TL的播種到收獲期為2017年4月28日至2017年10月2日。

1.3 性狀測定

籽粒完全成熟后，每個小區選長勢一致的5株玉米，于收獲期同一時間在田間測定苞葉長度、寬度和層數。通過調查大量自交系，發現第3片以后的苞葉長和寬變化不大，為取樣調查方便，單葉水平的研究選取第3片苞葉[5]。

測定方法：苞葉長度，選取玉米從外向內第3片苞葉，用軟繩尺測定長度；苞葉寬度，選取測定苞葉長度的同一苞葉，用軟繩尺測量苞葉1/2長度處的寬度；苞葉層數，從最外層到最內層調查苞葉總層數。

1.4 氣象數據和玉米發育階段劃分

玉米生長期內當地氣象站數據降雨量、平均日照時間、平均濕度、平均溫度由鐵嶺旭日農業技術開發有限公司提供。

參考Hanway[32]對玉米生長期的劃分，選取9個典型的階段：一葉期(V1)、三葉期(V3)、拔節期(V6)、抽雄期(VT)、吐絲期(R1)、灌漿期(R2)、乳熟期(R3)、蠟熟期(R5)和完熟期(R6)。

1.5 數據分析

苞葉性狀表型計算方式是將每種環境下2個重復的均值作為苞葉性狀測量值，利用SAS軟件計算最佳無偏線性估計值(best linear unbiased predication，BLUP)，構建的模型為：yi=μ+fi+ei+εi，模型中yi代表第“i”個家系的表型值，μ代表多種環境中表型的均值，fi為基因型效應，ei是環境效應，εi是殘差。利用不同環境下苞葉性狀測量值計算變異系數，表示苞葉性狀可塑性，包括苞葉長度可塑性(phenotypic plasticity of husk length，PHL)、苞葉寬度可塑性(phenotypic plasticity of husk width，PHW)和苞葉層數可塑性(phenotypic plasticity of husk layer number，PHN)，并分析這些指標在種群內的相關性和不同雜優群之間的差異。

2 結果與分析

2.1 苞葉表型描述與方差組成

如表2所示，3個苞葉性狀變異廣泛。基因型、環境以及基因型和環境的互作都出現了顯著的差異，除HL外重復之間沒有顯著差異。然而，通過對比發現環境的差異遠遠大于基因型與基因型和環境互作的差異。因此，苞葉的3個性狀在不同環境間變化顯著，受環境因素影響明顯。

表2 苞葉性狀的表型描述與方差組成 Table 2 Phenotypic performance and variance component of three husk traits

2.2 不同雜優群內苞葉表型可塑性的相關分析

為了確定雜優群內苞葉表型可塑性之間的相關性，計算了3個苞葉性狀的表型可塑性間的皮爾森系數(表3)。結果顯示：不同雜優群中苞葉性狀表型可塑性之間的相關系數變幅為-0.79～0.79。在全部試驗材料中，PHL和PHW的相關性最高；唐四平頭與旅大紅骨群的PHL與PHW也呈顯著相關；在瑞德群中，PHL與PHN呈現極顯著負相關；在旅大紅骨群中，PHW和PHN呈現極顯著正相關。

表3 不同雜種優勢群中3個苞葉性狀的表型可塑性相關分析 Table 3 Correlation analysis of phenotypic plasticity for three husk traits within heterotic groups

2.3 不同雜優群間苞葉性狀表型可塑性的差異比較

通過對比不同雜優群間苞葉性狀表型可塑性的差異，可以區分不同雜優群對苞葉表型可塑性的效應。對比同一苞葉性狀的表型可塑性在不同雜優群中的表現(圖1)，結果顯示：對于苞葉長度，變異系數中值順序為蘭卡斯特>唐四平頭>瑞德>旅大紅骨>PB，蘭卡斯特群明顯高于后4個雜優群，這表明該群的苞葉長度可能對環境十分敏感；對于苞葉寬度，變異系數中值大小順序為旅大紅骨>蘭卡斯特>瑞德>唐四平頭>PB，前4個雜優群明顯大于PB群，這表明PB群的苞葉寬度可能對環境不敏感；對于苞葉層數，變異系數的中值在各雜優群間差異不大。

圖中不同色塊上不同字母表示雜優群間具有顯著性差異。Different letters on the color blocks indicate significant differences among heterotic groups．

對比同一雜優群內不同苞葉性狀表型可塑性的表型，蘭卡斯特和唐四平頭群內3個苞葉性狀的變異系數的中值均差異較小，蘭卡斯特群PHN的分布范圍最大，唐四平頭群苞葉性狀分布范圍差異不大；瑞德群中，變異系數中值PHN>PHW>PHL，PHN分布的范圍也最大；旅大紅骨群中，變異系數中值PHW>PHN>PHL，PHL分布的范圍也最??；PB群中，變異系數中值PHN>PHL>PHW，苞葉性狀分布范圍差異不大。

由于雜優群間苞葉表型可塑性的分布只能代表整體的差異，為分析個體的差異，進一步對苞葉表型和表型可塑性極大和極小的自交系進行比較。如表4所示，自交系間苞葉表型的極值差異明顯，排序為苞葉長度>苞葉寬度>苞葉層數。其中苞葉長度、苞葉寬度和苞葉層數表型值最大的自交系分別是DAN360、QI205與SY3073，最小的為LK11、B73和自330；自交系間苞葉表型可塑性的極值比苞葉表型極值差異更大，苞葉寬度的極值比最大(99.1%)，苞葉長度與苞葉層數的極值比都超過了93%。值得注意的是，自330在全部家系中具有最低的苞葉層數，但其變異系數最大。說明該自交系苞葉層數雖少，但受環境影響很大。

表4 自交系間苞葉性狀與苞葉可塑性極值的對比 Table 4 Comparison of extreme values of husk traits and husk plasticity traits in inbred lines

2.4 氣象因子在不同環境下各生育期的動態變化

為了解不同氣象因子在玉米各生育期的變化規律，推斷其與苞葉表型可塑性的關系。本研究對14SY、15BJ和17TL 3種環境、玉米9個典型生長階段的氣象數據(降雨量、平均日照時間、平均相對濕度、平均氣溫)進行變化趨勢分析。結果顯示：14SY降雨量變化不大，15BJ在V6～R1期差異明顯，17TL在VT～R2期差異明顯(圖2A)；但由于14SY全生育期人工灌溉，降雨量不能代表實際田間水分情況；平均日照時間14SY和15BJ均出現降-升-降的趨勢，最高點分別為R2和R3期，17TL從V1-R1-R出現先降后升的趨勢(圖2B)； 15BJ和17TL平均相對濕度變化趨勢基本一致，在R1和V6期出現2個峰值，14SY在除R3期外都處于最高且變化較小(圖2C)；15BJ和17TL平均溫度均呈現先升后降的趨勢，峰值分別出現在R1和VT期，14SY變化不大(圖2D)；對比環境間氣象因子的變異系數(圖2E)發現，平均日照時間的變異系數在V3～V6期、R1期和R6期出現3個峰值；平均氣溫的變異系數在V1～V3期顯著降低，之后變化不大；平均相對濕度的變異系數呈現先降后升的趨勢，R1期達到低谷； V1和V3期降雨量變異系數最高，但考慮到14SY是人工灌溉，這一差異對于田間實際土壤含水量沒有影響。

A：降雨量； B：平均日照時間(ST)； C：平均相對濕度(RH)； D：平均氣溫(RT)；E：氣象因子變異系數； V1:一葉期； V2:三葉期 ；V6:拔節期； VT:抽雄期； R1:吐絲期； R2:灌漿期； R3:乳熟期； R5:蠟熟期； R6:完熟期. A:Rainfall; B:Average sunshine time(ST); C:Average relative humidity(RH); D:Average temperature(RT); E:Coefficient of variation of the meteorological data； V1:First leaf stage; V2:Three leaf stage; V6:Jointing stage; VT:Tasseling stage; R1:Silking stage; R2:Blister stage; R3:Milk maturity stage; R5:Dough stage; R6:Physiological stage.

3 討 論

通過對苞葉性狀方差組成進行分析，發現3個苞葉性狀均受環境因素影響顯著，說明不同環境下苞葉變化明顯?；蛐团c環境之間的互作會導致異地條件下苞葉性狀發生改變[23]，進而影響苞葉性狀的異地引種與籽粒的機械收獲。本研究通過分析國內玉米五大雜優群在3種環境下苞葉性狀的可塑性，發現在全部家系中，PHL與PHW顯著正相關，這種表型可塑性的相關性與原始表型的相關性一致[5,32]。說明PHL和PHW可能具有協同調控的特點，因此，育種材料異地引種時關注其中一個性狀的表型可塑性，即可預知另外一個性狀的變化。

對比不同雜優群，發現蘭卡斯特群PHL的中值明顯高于其他雜優群，說明不同環境下該雜優群的苞葉長度較為敏感，可能出現較大的變化。賀文姝等[30]發現南方蘭卡斯特群苞葉長度明顯長于北方，符合南北引種對苞葉長度的需求；PB群PHW的中值明顯低于其他雜優群，說明不同環境下該雜優群的苞葉寬度較為穩定。這可能是因為PB群含有熱帶血緣，對南方的環境具有較好的適應性。另外，蘭卡斯特群PHN的中值相對較小。但有趣的是，該群內的自330在所有家系中苞葉層數最少，但表型可塑性卻最大，且南方顯著少于北方，這種表型可塑性不符合“南多北少”的要求，因此，在其異地引種時需格外謹慎。這種現象的發生可能是因為自330屬于蘭卡斯特群中一個特殊的家系，與蘭卡斯特群內其他家系的親緣關系較遠[33]。對比不同苞葉性狀的可塑性，苞葉層數受環境影響更明顯，苞葉寬度只有旅大紅骨群顯著受環境影響，這些雜優群的相關苞葉性狀在異地引種時需要謹慎對待。

玉米在發育過程中受降雨量、日照時間、氣溫、相對濕度等氣象因素影響[34-35]。本研究調查的3種環境條件下，平均溫度和濕度都在玉米生長前期差異較大，日照時間在生長的前、中和后期均有一個差異大的時段。Wang等[36]發現玉米苞葉在苞葉原基形成期(～30 d)和苞葉伸長期(～60 d)基因表達有很大的差異。因此，推測苞葉性狀在生長前期受到平均溫度、濕度和日照時間的影響，而中后期主要受日照時間影響較大。在大田栽培過程中，高溫地區適時早播，低溫地區適時晚播，減少異地間苞葉原基形成期的溫差，可以降低表型可塑性獲得穩定的苞葉表型。

綜上，苞葉性狀受環境影響顯著。PHL和PHW具有協同調控的特點。對比五大雜種優勢群的苞葉表型可塑性，發現旅大紅骨群的苞葉長度和PB群的苞葉長度、寬度對環境不敏感，異地引種時這2個苞葉性狀保持穩定。蘭卡斯特群苞葉長度的環境可塑性大，且符合南長北短的苞葉長度要求，這類育種材料適合南北方相互引種。