玉米雜交當代籽粒含水率遺傳效應研究

陳 明 陳 琛 劉晨旭 李 偉 李金龍 焦炎炎 張 垚,2 程德荷 劉文欣 陳紹江*

(1.中國農業大學 農學院/國家玉米改良中心，北京 100193；2.四川省農業科學院 水稻高粱研究所，四川 德陽 618000)

收獲期玉米籽粒含水率偏高是影響中國玉米機械化收獲的重要因素之一，籽粒含水率18%～23%時機械粒收為最佳[1]。玉米品種生育期、生理成熟期籽粒含水率及生理成熟后籽粒脫水速率對收獲時籽粒含水率具有重要影響[2-4]。生理成熟期較早的種質籽粒脫水速率較快，其生理成熟后可脫水周期也較長[5]。收獲時的籽粒含水率過高，會導致機械收獲過程籽粒破碎率和后期霉爛比例升高[6]，商品玉米品質下降。因而選育適當早熟、生理成熟期籽粒含水率低、生理成熟后脫水速率快的品種是實現玉米機械化粒收的關鍵[7]。已有研究表明，籽粒的含水率或脫水速率是受遺傳控制的，其程度通常使用廣義遺傳力表示，即單個性狀的遺傳變異占表型總變異的比例[8]。玉米籽粒生理成熟后籽粒脫水速率相關性狀的廣義遺傳力為0.75和0.82[9-10]。鑒于籽粒含水率在機收環節中的重要性，在籽粒脫水的遺傳基礎研究方面有較大進展，已定位了相關QTL位點[11-15]，并克隆了候選基因。此外，基于全基因組選擇的玉米籽粒脫水速率研究也有較大進展，在豐富的群體遺傳背景下，定位了更多的籽粒脫水相關QTL位點[16-19]。

玉米籽粒脫水速率的研究多集中在含水率測試方法研究及相關基因的定位克隆等方面，關于雜交當代籽粒生理成熟時含水率與父本是否有直接關系的研究較少。因此，本研究擬以不同生育期的父本和母本及其雜交當代籽粒為研究對象，利用核磁共振快速測定籽粒含水率，探究父本對雜交當代籽粒含水率的影響以及早熟種質為父本的雜交組合籽粒當代遺傳效應，分析雜交當代籽粒含水率的變化規律及其在宜機收種質遺傳改良上的應用價值，以期為玉米種質脫水性能的改良和選育快速脫水適宜機收的玉米品種提供參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

母本材料選用成熟期含水率較高的中晚熟雜交種和自交系各5 個，雜交種包括鄭單958(ZD958)、浚單20(XD20)、中農大678(ND678)、中農大616(ND616)和中農大高油5580(ND5580)；自交系包括B73、鄭58(Z58)、昌7-2(C7-2)、Mo17、丹598(D598)。上述材料適宜活動積溫2 800 ℃以上的區域。雜交種播種到吐絲時間55～60 d，自交系播種到吐絲的時間60～65 d。

父本材料選用生育期較短、成熟期籽粒含水率低的早熟自交系材料5 個，分別為C898、EH1892、UH306、CC13、CC15。早熟自交系從播種到吐絲的時間為45 d～50 d。

1.2 試驗方法

2018年冬，將上述材料種植于中國農業大學三亞試驗站。種植密度為4 500 株/667 m2，播種順序依次為中晚熟雜交種、中晚熟自交系、早熟自交系。同一熟期內按株高由高到低的順序排列，每個材料播種6 行。所有母本材料同期播種，早熟父本分別在母本播種后的第5、第10、第15天播種，每期播種2 行，確保父母本花期相遇。吐絲前對母本雌穗嚴格套袋。待花絲出齊后嚴格自交作為對照，并同日分別取用5 個早熟父本的花粉進行雜交。考慮父本和母本材料在生育期上的差異，在授粉后第52天選取結實良好、發育均勻的自交和雜交果穗各3 個。上述果穗分別標記后用自封袋密封置于冰盒，帶回實驗室測定籽粒含水率。選取果穗中部30 粒并分別編號，使用天平和核磁共振單粒含水率測定系統分別對單個籽粒的鮮重和含水率進行測定[28]，而后將籽粒置于鼓風干燥箱(130 ℃)烘干至恒重，再次稱重獲得籽粒干重。

試驗設備包括低場核磁共振儀(NMI20-015V-I；磁體類型：永磁體，磁場強度：(0.5±0.08) T，磁體溫度：32 ℃，射頻脈沖頻率：21.3 MHz，上海紐邁電子科技有限公司)、電子天平(型號：FA1004，測量范圍0.01 g～100 g，測量精度：0.1 mg，上海舜宇恒科學儀器有限公司)、電熱鼓風干燥箱(型號：DHG-9030A，上海一恒科學儀器有限公司)、冰箱、塑料托盤、100深孔盒、玻璃試管、鐵篩。

1.3 數據處理

本研究對10個母本材料、5個父本材料各90個自交籽粒，50個雜交組合各90個籽粒，合計5 850個籽粒的核磁測水數據、單粒鮮重數據和烘干驗證數據的統計分析。

當代遺傳效應估計，根據叢滋金[29]的計算方法：

F0=mP1+(1-m)P2

采用最小二乘估計，可知m的計算公式為：

式中：P1和P2分別為母本和父本的含水率；F0為雜交當代的含水率；m為母本效應；1-m為父本效應。

2 結果與分析

2.1 親本材料的籽粒含水率

早熟父本的籽粒平均值為23.06%±0.70%，變異范圍為24.91%～21.55%。雜交種自交籽粒的含水率平均值為40.98%，變異范圍為42.58%～39.25%(表1)，雜交種材料使用早熟父本授粉后得到的籽粒含水率均有所降低，平均值為(37.66%±1.57%)～(38.05%±1.75%)。自交系自交的籽粒含水率平均值為39.52%，變異范圍為42.30%～36.19%(表2)。中晚熟雜交種自交籽粒平均含水率比早熟父本高17.92 個百分點，中晚熟自交系自交籽粒的平均含水率比早熟父本高16.46個百分點。

表1 雜交種自交及雜交當代籽粒含水率Table 1 Moisture content of selfing and crossing kernels of hybrids %

表2 雜交種自交及雜交當代單粒干重Table 2 Dry weight of selfing and crossing kernels of hybrids g

2.2 雜交種雜交當代籽粒含水率及單粒干重

雜交種接受早熟自交系授粉后的籽粒含水率均值為37.94%±1.64%，較自交對照籽粒含水率均值下降3.04 個百分點(表1)。其中：ZD958含水率為37.90%±1.52%，較對照降幅達4.68 個百分點；XD20的含水率為36.88%±1.69%，較對照降幅為2.37 個百分點；其他組合平均含水率降幅為2.37～4.68 個百分點。不同早熟父本授粉雜交種后的籽粒含水率均值存在差異：以C898為父本得到的籽粒平均含水率最低，為37.66%±1.57%；以UH306為父本所得籽粒平均含水率最高，為38.07%±1.81%。不同早熟父本授粉后，同一母本雜交種的當代籽粒含水率均值存在顯著差異，將不同組合比較發現：ZD958×EH1892當代籽粒含水率降低幅度最大，平均值為36.06%±1.68%，較自交籽粒降幅達6.52個百分點；XD20×UH306當代籽粒含水率降幅最小，平均值為38.34%±2.00%，較自交籽粒降幅為0.91個百分點；其余組合降幅為0.91～6.52個百分點。說明早熟父本可以提高中晚熟材料當代籽粒脫水速度，具有較為普遍的當代遺傳效應。

在單粒干重方面，雜交籽粒較其自交對照籽粒有所增加(表2)。自交單粒干重最高為0.35 g、最低為0.25 g，平均單粒干重為0.32 g，早熟父本雜交籽粒的單粒干重最高為0.37 g、最低為0.26 g、平均值為0.33 g，較自交籽粒平均干重增加0.01 g，增幅為5.63%，可見單粒干重有超父本優勢，具有一定的當代遺傳效應。

2.3 自交系雜交當代籽粒的含水率及單粒干重

自交系接受早熟父本授粉的籽粒含水率均值為36.67%±1.11%，較自交系自交籽粒含水率均值下降2.85個百分點(表3)。早熟父本與代表性母本自交系B73和Mo17雜交當代籽粒的含水率分別為37.98%±1.28%和36.88%±1.05%，較自交籽粒分別降低4.32個百分點和1.89個百分點；其它材料降幅為1.89～4.32個百分點。不同早熟父本授粉自交系后的籽粒含水率均值存在差異：以C898為父本得到的籽粒平均含水率最低，為35.87%±1.12%；以CC15為父本得到的籽粒平均含水率最高，為37.17%±0.76%。不同早熟父本授粉后，同一母本自交系的當代籽粒含水率均值存在顯著差異，不同組合比較，B73×CC13當代籽粒含水率降低幅度最大，平均值為37.56%±1.33%，較自交籽粒降幅達4.74個百分點；D598×CC13當代籽粒含水率降幅最小，平均值為40.43%±0.74%，較自交籽粒降幅為0.55個百分點；其余組合降幅為0.55～4.74個百分點。亦說明早熟父本可以加快中晚熟材料當代籽粒脫水速度，具有較為普遍的當代遺傳效應。

表3 自交系自交及雜交當代籽粒含水率Table 3 Moisture of selfing and crossing kernels of inbred lines %

在早熟父本與自交系的雜交組合中，當代籽粒含水率降幅最大為B73×CC13，下降4.74個百分點；Mo17×CC13降幅最小，為1.21個百分點。其余組合的籽粒含水率降幅為1.21～4.74個百分點。說明早熟父本授粉自交系后，能夠顯著降低籽粒的含水率，亦表明籽粒含水率和脫水速度受父本影響，表現較強的當代遺傳效應。

自交系當代雜交籽粒較其自交對照增加(表4)，自交系的單粒干重最高為0.30 g、最低為0.15 g，平均單粒干重為0.23 g；早熟父本授粉后單粒干重最高為0.32 g，最低為0.16 g，平均值為0.25 g，較對照增加0.02 g，增幅為7.18%，亦表明單粒干重有超母本優勢，具有一定的當代遺傳效應。

表4 自交系自交及雜交當代單粒干重Table 4 Dry weight of selfing and crossing kernels of inbred lines g

2.4 玉米籽粒含水率的當代遺傳效應

對父本在雜交當代籽粒含水率遺傳效應分析結果見表5。以雜交種為母本時，雜交當代籽粒含水率的父本效應平均值為0.172，UH306的當代遺傳效應平均值最低，為0.161；EH1892的當代遺傳效應最高，為0.189。以自交系為母本時，雜交當代籽粒含水率的父本效應平均值為0.173，C898的當代遺傳效應最大，效應值為0.202；CC15的當代遺傳效應最小，為0.144。比較自交系與雜交種2 種母本類型的當代遺傳效應發現，早熟父本在不同母本類型上的效應存在一定差異，EH1892在雜交種上表現出的當代遺傳效應最高，但其在自交系上較低，為0.168。UH306授粉雜交種得到的籽粒含水率遺傳效應最低，但授粉自交系得到的籽粒含水率遺傳效應則較高，達到0.199，說明籽粒含水率當代遺傳效應受父母本遺傳背景及其互作效應的影響。

表5 玉米籽粒含水率的當代遺傳效應Table 5 Genetic effects of maize kernel moisture upon pollination by early-maturing male parents

2.5 雜交當代籽粒與親本籽粒間含水率的相關性

為進一步剖析父母本對雜交當代籽粒含水率的影響，本研究對早熟父本的自交籽粒含水率與其對應的雜交種和自交系雜交當代籽粒含水率均值進行了相關性分析，結果表明，雜交種和自交系的當代籽粒含水率與父母本均存在正相關關系，決定系數R2分別為0.815 9和0.692 9(圖1)。通過分別比較父本、母本自交籽粒的含水率與其相應雜交籽粒的含水率相關性發現，在相關系數上及回歸方程的斜率上，母本籽粒含水率與雜交籽粒的含水率指標上均高于父本。說明母本自身的脫水性能對雜交當代籽粒含水率的影響更大。

圖1 雜交當代籽粒含水率與親本自交籽粒含水率的關系Fig.1 Correlations of moisture contents between crossing kernels and selfing kernels of bi-parents

3 討論與結論

本研究探討了玉米雜交當代籽粒含水率的遺傳效應，發現以早熟父本授粉后能顯著降低當代籽粒的含水率。玉米籽粒含水率表現出較為明顯的父本遺傳效應，說明存在花粉直感現象，且在不同遺傳背景的材料之間具有普遍性。同時，母本自身的脫水性能對雜交當代籽粒的脫水性能影響較大，這可能與當代籽粒胚乳基因組的倍性有關。胚乳細胞中含有兩套母本染色體和一套父本染色體，且胚乳占據的比重最大，而胚乳中的淀粉等主要成分的水合狀態能夠影響籽粒的脫水性能。另外，玉米籽粒含水率影響因素較多[30]，雜交當代籽粒含水率降低的效應是由于籽粒發育速度加快還是由于籽粒脫水速率加快所致或者是二者共同作用的結果，尚需進一步的研究。

雜交當代籽粒干重則較母本自交粒重顯著提高，對玉米種子生產有應用價值。利用籽粒含水率和粒重的當代遺傳效應，使用早熟父本可降低制種田種子收獲時的籽粒含水率，有利于節約烘干成本，提高種子發芽率、發芽勢和產量，進而提高大田玉米的生產水平。

生育期是影響玉米籽粒脫水的重要因素之一，成熟時籽粒含水率與出苗至吐絲散粉時間呈顯著正相關[33-34]，花期早的材料脫水快，不同熟期玉米籽粒脫水速率差異顯著[5]。灌漿速率增大會加快成熟后籽粒脫水速率，降低收獲時籽粒含水率[35]。早熟種質材料的育種改良實踐證實了早熟材料脫水快的特點，即以歐洲早熟種質材料對黃旅系種質進行改良可提高脫水速度，脫水速度改良后的“黃歐系”抽雄期、吐絲期提早，生育期縮短，表現出良好的早熟性[36]。可見早熟種質在玉米籽粒脫水性能改良方面具有重要價值。生育期、成熟期含水率、成熟后脫水速度以及當代遺傳效應表現的有機結合將可能成為玉米種質脫水性能改良的重要手段。同時，本研究采用的低場核磁共振單粒無損精準測試技術，也有助于加快籽粒宜機收種質材料的篩選及品種選育，促進玉米生產的全程機械化。