132份爆裂玉米自交系的相關性狀鑒定及雜種優勢類群劃分

王雪飛 李婷婷 鄭云霄 李召輝 賈曉艷 趙永鋒祝麗英 宋偉彬 郭晉杰*

(1.河北農業大學 農學院/國家玉米改良中心河北分中心/華北作物改良與調控國家重點實驗室,河北 保定 071001;2.中國農業大學 國家玉米改良中心,北京 100193;3.河北兆育種業集團有限公司,石家莊 050035)

爆裂玉米起源于美洲[1-2],是一種具有高膨爆特性的專用玉米。爆裂玉米的角質胚乳占比較大,并且果穗和籽粒比普通玉米小[3-4]。爆裂玉米的種皮比普通玉米的種皮厚,具有更好的熱擴散率和熱傳導性,膨脹的體積也比普通玉米大。作為大眾喜愛的食品,其營養價值非常高[5],具有高蛋白、高纖維素、低熱量的特點,營養豐富,健康美味。美國最早在1880年對爆裂玉米進行商業化生產[6-7]。20世紀80年代,美國爆裂玉米進入我國消費市場,吸引了廣大消費者。爆裂玉米在中國發展的40年里,通過育種家的不斷努力,我國種質資源類型不斷增加,部分爆裂玉米的品質已經超過了進口爆裂玉米品種。隨著玉米多元化的發展,我國爆裂玉米的種植面積不斷增加,其綜合發展水平已和美國相當[8]?，F在,我國已成為爆裂玉米消費大國之一。

當前提高爆裂玉米產量以及品質的主要途徑依舊是利用雜種優勢。利用雜種優勢必須將種質資源劃分清晰準確,才能減少育種選配時的盲目性,從而提高育種效率。目前各國育種者都在研究適應當地生態、生產條件的雜種優勢群,建立具有高配合力類群和雜種優勢模式。Nikolic等[9]對美國玉米組合進行了總結,將其分為四大類;我國的吳景鋒[10]、曾三省[11]根據國內重要玉米雜交種的種質基礎及親緣關系將爆裂玉米劃分為國內和國外類群兩類;劉志齋等[12]把玉米自交系劃分為五大類群;李玉玲等[13]利用SSR標記把來源廣泛的56個爆裂玉米自交系劃分為6個雜種優勢群。這些劃分對玉米自交系親緣關系的認知和雜種優勢組合選配起到了積極的推動作用,提高了玉米育種效率和水平。雜種優勢劃分對研究和掌握親本的配合力并組配出強優勢的雜交組合至關重要。

爆裂玉米的膨爆性狀主要分為膨爆倍數和爆花率,根據市場需求和商品特性來看兩者的指標越大越好[14]。目前玉米膨爆特性的相關性研究報道很多,王慧等[15]研究果穗性狀和膨爆性狀的相關性結果表明,膨爆倍數與穗長、穗行數、行粒數、穗粗均呈正相關,與禿尖長、百粒重均呈負相關。膨爆率與行粒數、穗粗均呈顯著正相關,與穗長、禿尖長、行數、百粒重均呈正相關;鄧金陽等[16]研究了爆花率與主要性狀的相關分析,結果表明各性狀對爆花率而言,穗重、膨爆倍數、蛋白質含量以直接作用為主,穗粗、軸重、軸粗、行粒數、含水量、脂肪含量等以間接作用為主;陳樹賓等[17]研究了爆裂玉米籽粒性狀和膨爆性狀的相關性,結果表明籽粒體積與膨爆體積呈同步變異的趨勢,即籽粒體積的增大,將提高膨爆體積與膨爆倍數,籽粒過大則會導致膨爆倍數的降低;王玉蘭等[18]認為產量與膨爆性狀相關性不大。

當前,我國對爆裂玉米的需求量日益增大[1],但是在爆裂玉米種質資源精準鑒評方面的研究鮮見報道。本研究采用SSR標記技術對來源廣泛、基因型豐富的132份爆裂玉米自交系進行雜種優勢類群劃分、并結合穗部及膨爆相關性狀測定,分析不同雜種優勢類群爆裂玉米的相關性狀差異,旨在篩選出不同類群中性狀優良的種質資源,以期為開展爆裂玉米資源創制和組配新的爆裂玉米品種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試132份爆裂玉米自交系由中國農業大學、西南大學、新疆農業大學、河南農業大學和河北省農科院等多所大學及科研院所提供。

1.2 試驗設計

試驗于2021年5月上旬種植在河北農業大學國家玉米改良中心河北分中心試驗基地。采用完全隨機試驗設計,單行種植,行長4 m,株距25 cm,行距60 cm,種植區域周邊要種植保護行,水肥管理與大田生產一致。期間進行田間調查,7月中旬進行套袋授粉。10月上旬收獲,自然晾曬,通風干燥后進行試驗室內考種。對爆裂玉米的穗長、禿尖長、穗粗、穗行數、行粒數、百粒重、容重等性狀進行調查,同時對膨爆性狀(膨爆倍數與爆花率)進行測量。

1.3 試驗方法

1.3.1 穗部性狀測定

待玉米成熟之后,收獲自交的全部玉米果穗進行自然晾干,當果穗水分含量≤14 g/100 g時,每個自交系隨機取5個果穗,使用智能考種機分別測量玉米果穗的穗長、穗粗、穗行數、行粒數、禿尖長性狀,求各自交系的平均數。然后將果穗脫粒,用天平稱取每份自交系的百粒重,重復3次,誤差不超過5 g,求平均數。利用谷物水分測定儀測量爆裂玉米籽粒的容重,重復2次,2次結果值相差不超過3 g/L,取兩次結果的平均值為容重的測定值[19]。

1.3.2 膨爆特性測定

爆裂玉米的果穗脫粒后,測定籽粒水分,使爆裂玉米含水量保證在11～14 g/100 g[20]。當達到臨界溫度時,爆裂玉米籽粒胚乳中的水分就會受熱蒸發,籽粒內的壓強達到臨界值就會使籽粒發生膨爆[21]。每個自交系隨機取100粒測量籽粒體積,然后放到爆米花機進行膨爆,取出爆米花,用1 000 mL的量筒測量爆米花的體積后,檢驗爆米花中爆花數和未爆花數并計算爆花率和膨爆倍數。重復3次,求平均值[15]。

1.3.3 DNA提取和基因型鑒定

采取試驗室內培養的方式,幼苗培養到三葉期,取少量幼嫩葉片放入離心管中,倒入液氮后,不斷的用研磨棒進行研磨,用CTAB法[22]提取玉米葉片DNA,經提取與濃度檢測后,于-20 ℃條件下保存備用。40對核心引物對SSR標記進行基因型分析[23]。

1.3.4 數據分析方法

應用軟件Microsoft Excel統計原始數據,計算平均數,同時對膨爆倍數和膨爆率進行計算和整理。計算公式如下:膨爆倍數(V2/V1)=爆花后容積/爆花前容積;爆花率=爆花粒數/試爆粒數[24]。

應用PowerMarkerV 3.25和MEGA 11.0軟件對本試驗爆裂玉米材料進行SSR聚類分析。根據SSR產物銀染結果,有帶記為1,無帶記為0,數據缺失記為9,建立數據庫。采用Nei等[25]的公式計算各自的遺傳相似系數(Genetic similarity,GS)和遺傳距離(Genetic distance,GD)。

GS=2Nij/(Ni+Nj)
GD=1-GS

式中:Nij為第i個材料和第j個基因型間共有的條帶數;Ni和Nj分別為第i個材料和第j個材料各自的特有條帶數。

使用SPSS 26.0對爆裂玉米爆裂性狀與穗部性狀表現進行分析和相關性分析;GraphPad Prism 8.0和Adobe iIIustrator 2020對爆裂性狀進行箱線圖分析和繪圖。

2 結果與分析

2.1 膨爆及穗部性狀表現分析

由表1可知,玉米籽粒容重的標準差最大為28.306,在不同自交系間表現最不穩定,容重作為衡量玉米籽粒品質重要的組成部分,說明自交系間的籽粒品質不一。其次是行粒數、爆花率的標準差,穗粗的最小為0.428,表明不同自交系間的爆裂玉米各個性狀有差異,穗粗差別不大。

表1 爆裂玉米的穗部與膨爆性狀分析Table 1 Analysis of ear and popping characters of popcorn

果穗的禿尖長變異系數最大為42.26%;行粒數的變異系數為32.45%;膨爆倍數的變異系數為31.83%;百粒重的變異系數為26.30%;穗長的變異系數為20.83%;穗粗的變異系數為15.85%;穗行數的變異系數為15.81%;爆花率的變異系數為6.98%;容重的變異系數為3.34%。綜上,不同爆裂玉米自交系的籽粒膨爆特性和穗部性狀均具有豐富的多樣性,其中,果穗禿尖長的多樣性最為豐富。

2.2 膨爆及穗部性狀相關分析

從表2可知,爆花率與膨爆倍數呈極顯著正相關,與穗行數、行粒數均呈顯著負相關;膨爆倍數與穗行數、行粒數均呈顯著負相關;穗長與穗粗、穗行數、行粒數、禿尖長均呈極顯著正相關;穗粗與穗行數、行粒數均呈極顯著正相關;穗行數與行粒數呈極顯著正相關,與百粒重呈顯著負相關。從相關性強弱來看,爆花率和膨爆倍數相關系數為0.670,在0.300～0.700,是中等程度的相關;爆花率與其他性狀的相關系數均<0.300,為弱相關;膨爆倍數也與其他性狀的相關系數<0.300,為弱相關。綜上,爆裂性狀中的爆花率、膨爆倍數與穗部性狀相關程度不大。

表2 爆裂玉米穗部和膨爆性狀的相關分析Table 2 Correlation analysis between ear and popping characters of popcorn

2.3 SSR標記聚類分析

由圖1可知,選取40對SSR核心引物的擴增帶型均清晰穩定,其基因型片段均<100 bp。不同爆裂玉米自交系根據條帶的基因型位置進行帶型統計歸類,通過帶型統計進行聚類分析。

聚類分析表明,將132個自交系分為5個不同的類群(圖2)。Ⅰ類包括52個自交系;Ⅱ類包含24個自交系;Ⅲ類有40個自交系;Ⅳ類有12個自交系;Ⅴ類共有4個自交系。

M,DL2 000分子標記;XF1～XF66為爆裂玉米自交系編號。M, DL2 000 marker; XF1-XF66 are popcorn inbred line numbers.圖1 引物umc1705在部分爆裂玉米自交系擴增結果Fig.1 Primer umc1705 amplification results in partial popcorn inbred lines

圖2 132個自交系SSR標記聚類圖Fig.2 Cluster analysis of 132 inbred lines based on SSR makers

2.4 不同類群間性狀差異比較

由圖3可知,從爆花率和膨爆倍數2個性狀表現上來看,Ⅱ和Ⅴ類群有顯著性差異,其他類群間無顯著性差異;在穗部性狀表現中,穗行數性狀在Ⅰ和Ⅴ類群間有顯著性差異,其他類群間無顯著性差異;其他6個穗部性狀均無顯著性差異,表明群體結構對穗部性狀的影響不大。

2.5 膨爆特性優良種質資源的篩選

將爆花率和膨爆倍數作為優良自交系篩選的首要條件,對收集的132份爆裂玉米材料進行數據分析,最終篩選出21個優良自交系,分別是類群Ⅰ的‘XF 6’、‘XF 11’、‘XF 12’、‘XF 57’、‘XF 88’、‘XF 95’、‘XF 105’、‘XF 107’、‘XF 110’、‘XF 115’、‘XF 122’、‘XF 125’、‘XF 126’;類群Ⅱ的‘XF 10’、‘XF 127’、‘XF 131’、‘XF 132’、‘XF 133’;類群Ⅲ的‘XF 36’、‘XF 74’、‘XF 137’,見表3。類群Ⅳ和類群Ⅴ自交系數量少且膨爆值都低于均值,不在篩選范圍內。其中類群Ⅱ的‘XF 133’膨爆倍數是最高的。

(a)爆花率;(b)膨爆倍數;(c)穗長;(d)穗粗;(e)行粒數;(f)穗行數;(g)禿尖長;(h)百粒重;(i)容重(a) Popping rate; (b) Popping volume; (c) Ear length; (d) Ear diameter; (e) Kernels per ear; (f) Rows per ear; (g) Bald length; (h) 100-grain weight; (i) Unit weight不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences (P<0.05).圖3 爆裂玉米相關性狀在不同類群中的差異比較Fig.3 Comparison of correlation traits of popcorn in different groups

表3 篩選膨爆特性優良的自交系Table 3 Screening of inbred lines with excellent popping characteristics

3 討 論

玉米雜種優勢類群的劃分和雜種優勢模式的建立推動了玉米育種的發展[26]。本試驗除測定爆裂玉米的性狀之外,同時又進行了不同雜種優勢爆裂類群之間性狀差異的研究,通過差異分析篩選出可用于組配育種的優異種質資源。近年來分子標記技術的發展為評價玉米種質基礎提供了新手段[27]。目前類群劃分最常用的方法是SSR分子標記法,SSR標記是建立在PCR基礎之上的一種遺傳標記,已有研究表明,SSR標記可應用于玉米種質遺傳變異的研究及類群的劃分[20,28]。該方法的特點是DNA用量少、呈共顯性、多態性高、信息豐富等[29]。Taramino[30]1996年開始在玉米種質分析中應用SSR。隨著SSR分子標記技術在普通玉米遺傳分類的成功應用[12,20,23,28],在爆裂玉米的研究中也利用SSR分子標記技術進行了相關研究[13]。李玉玲等[31]利用SSR標記研究爆裂玉米自交系和普通玉米之間的遺傳關系,表明SSR標記技術可以用于爆裂玉米自交系間的遺傳多樣性研究;包和平等[32]利用SSR標記分析45份爆裂玉米自交系遺傳多樣性,試驗證明爆裂玉米具有較高的遺傳多樣性。本研究使用SSR分子標記法,利用40對玉米核心引物將來源廣泛的132份爆裂玉米種質資源種群劃分為5個雜種優勢類群,表明類群間有廣泛的遺傳多樣性。通過雜種優勢類群劃分可以擴增爆裂玉米種質資源,進一步改良自交系和組配雜交種。從而可以提高育種效率,同時保持較高的雜種優勢水平。

爆裂玉米的膨爆性狀與其他性狀的相關性研究已有很多,但結果并不完全相同。李玉玲等[31]認為,之所以結論互不相同,是因為所用的試驗方法、材料以及分析的方式都不一樣,所以得到的研究結果也互不相同。但大多數相關研究指出,爆裂玉米的膨爆倍數與其爆花率之間存在著極顯著的正相關關系,爆裂玉米的膨爆倍數、爆花率與爆裂玉米的穗粗、百粒重、產量、行粒數、穗行數等產量性狀間都存在著顯著的負相關關系[33-36]。本試驗也進行爆裂性狀相關性的研究,研究結果為爆花率與膨爆倍數呈極顯著正相關,與穗行數、行粒數均呈顯著負相關;膨爆倍數與穗行數、行粒數均呈顯著負相關;穗長與穗粗、穗行數、行粒數、禿尖長均呈極顯著正相關;穗粗與穗行數、行粒數均呈極顯著正相關;穗行數與行粒數呈極顯著正相關,與百粒重呈顯著負相關。本研究結果與李玉玲等[33-34]的結果一致。從相關性強弱來看,膨爆性狀與穗部性狀相關性不大,因此在高產育種實踐中要適當協調膨爆性狀與產量的關系。

本研究進行爆裂自交系間性狀多樣性分析和比較類群間的性狀差異,結果表明,爆裂玉米自交系間穗部性狀和膨爆特性均具有豐富的多樣性,不同類群爆裂玉米自交系的膨爆特性差異較大。通過差異分析篩選出21個膨爆性狀優良的自交系,可用于爆裂玉米雜交種和選系基礎材料的組配。

4 結 論

132份爆裂玉米自交系標準差最大為28.306,最小為0.428,表明自交系間各個性狀品質差異大,且籽粒膨爆性狀和穗部性狀遺傳變異系數均在3.34%～42.26%,具有豐富的遺傳多樣性。爆花率與膨爆倍數呈極顯著正相關,與穗行數、行粒數均呈顯著負相關;膨爆倍數與穗行數、行粒數均呈顯著負相關;穗長與穗粗、穗行數、行粒數、禿尖長均呈極顯著正相關;穗粗與穗行數、行粒數均呈極顯著正相關;穗行數與行粒數呈極顯著正相關,與百粒重呈顯著負相關。通過SSR聚類分析將132份自交系分為5個雜種優勢類群,把5大類群的性狀進行差異性比較,綜合膨爆性狀和穗部性狀多樣性分析篩選出21個優異自交系,分別是類群Ⅰ的‘XF 6’、‘XF 11’、‘XF 12’、‘XF 57’、‘XF 88’、‘XF 95’、‘XF 105’、‘XF 107’、‘XF 110’、‘XF 115’、‘XF 122’、‘XF 125’、‘XF 126’;類群Ⅱ的‘XF 10’、‘XF 127’、‘XF 131’、‘XF 132’、‘XF 133’;類群Ⅲ的‘XF 36’、‘XF 74’、‘XF 137’。Ⅱ類群的‘XF 133’可以作為爆裂玉米遺傳改良和雜交種組配的優異種質資源。