不同遺傳背景玉米RIL家系種子的活力特征

趙博文,王 彬,紀 坤,薛 浩,趙霖熙,韓贊平

(河南科技大學,河南 洛陽 471023)

0 引言

【研究意義】玉米(ZeamaysL.)種植面積超過水稻、小麥,位居主糧作物之首,在農業生產上占有重要地位[1]。種子質量是決定玉米產量的關鍵因素,而種子活力是判斷種子質量高低的關鍵指標。種子活力是指可以決定種子在發芽與出苗期間的活性程度和行為特征的綜合表現[2]。種子活力是復雜的綜合指標,受環境與遺傳因素的影響,目前常用的種子活力指標有發芽率、發芽勢、發芽指數和活力指數等[3]。高活力的種子發芽整齊快速,植株健壯,為提高單產提供有力的保障。因此,研究玉米種子活力表現,對玉米高產優質新品種選育具有重要參考意義。【前人研究進展】馬守才等[4]對12個小麥品種的10個種子活力性狀的遺傳變異進行分析表明,種子活力在不同小麥品種間有顯著差異。余四斌等[5]對珍汕97B和明恢63雜交后代的30個重組自交系種子活力進行遺傳分析表明,用活力指數可反映重組自交系種子活力的基因型差異。孫彩霞等[6]研究表明,玉米種子活力存在基因型差異。孫明濤[7]研究表明,玉米籽粒大小、整齊度和成熟度都會影響產量。重組自交系(RILs)是利用雜交產生的F2代經過多次連續自交形成的永久性群體,其基因型基本純合,可以更準確地測定每個株系的表型性狀[8-9]。【研究切入點】利用RILs群體對種子活力進行遺傳變異研究,分析不同基因型差異,可為下一步尋找種子活力相關QTL基因奠定基礎。目前,使用玉米重組自交系群體對籽粒性狀與種子活力關系規律的研究較少。【擬解決的關鍵問題】通過測定2個玉米RILs群體的籽粒性狀和發芽性狀,分析后代種子與雙親的分離特征及各指標的相關性,對不同RILs株系進行綜合評價,揭示玉米種子活力性狀遺傳關系,尋找種子活力高的玉米RIL株系,為玉米雜交育種提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為豫82×沈137(群體1)和豫537A×沈137(群體2)2個玉米重組自交系(RILs)各25個株系(表1)及3個親本(豫82、豫537A和沈137)的種子。豫82和豫537A均由河南農業大學選育,沈137由沈陽農業科學院選育。豫537A和沈137是河南省審定的玉米品種豫玉34號的親本,2個親本具有不同的遺傳背景,種子活力指標差異較大。豫82選自豫綜5號的改良群體,發芽力好,株型緊湊。河南農業大學分別以豫537A和豫82為母本、沈137為父本進行雜交,獲得F1種子并種植后收獲F2種子,通過單粒傳法連續多代自交,獲得豫82×沈137(群體1)和豫537A×沈137(群體2)2個重組自交系(RILs)群體。

1.2 試驗方法

以重組自交系豫82×沈137(群體1)和豫537A×沈137(群體2)各25份RIL家系及3個親本種子為材料,每份材料300粒種子,測定玉米種子的籽粒性狀和發芽性狀,考察后代與雙親籽粒性狀和發芽性狀的分離特征及各指標的相關性。

1.2.1 籽粒性狀測定 種子籽粒性狀包括籽粒長、籽粒寬、百粒重、含水量、電導率、蛋白質含量、丙二醛(MDA)含量和可溶性糖含量。取5粒玉米種子,用游標卡尺測量長和寬。隨機數取100粒玉米種子并稱重,重復2次取平均值作百粒重。含水量測定采用高溫烘干法,選取10粒種子稱鮮重,然后在105℃的高溫烘箱中殺青0.5 h,再調至75℃恒溫烘干至恒重。隨機取10粒樣品種子,用蒸餾水沖洗3次,在燒杯里用蒸餾水浸泡24 h,然后用電導儀測定浸出液的電導率。蛋白質含量測定采用考馬斯亮藍法[10]。丙二醛(MDA)、可溶性糖含量測定采用雙組分分光光度計法[11]。

含水量=[(鮮重-干重)/鮮重]×100%

1.2.2 發芽性狀測定 采用砂培法進行標準發芽試驗測定[12]。將細砂放在烘箱中160℃烘2 h,冷卻后加入蒸餾水攪拌至可以握成團不散開、無水在表面即可。每個玉米株系選取均勻一致的種子16粒,重復3次共48粒種子。發芽床用75%酒精擦拭,種子用3%高錳酸鉀溶液浸泡15 min,將種子1穴2粒、呈對角線放入鋪好砂的發芽床中。在25℃光照、日照14 h、黑暗10 h的光照培養箱發芽10 d。每天統計種子發芽數,發芽結束后,計算發芽率(GP)、發芽勢(GE)、發芽指數(GI)、活力指數(VI)。

發芽率(GP)=第10天正常發芽種子數/供試種子數×100%

發芽勢(GE)=發芽第6天正常發芽種子數/供試種子數×100%

發芽指數(GI)=∑(Gt/Dt)

活力指數(VI)=GI×s

式中,Gt為不同發芽天數(t天)發芽的種子數,Dt為相應的發芽天數,s為幼苗干重。

1.2.3 幼苗性狀測定 發芽結束后選取5株長勢均勻的幼苗,測定苗長和苗干重。

1.3 數據統計與分析

試驗數據使用Microsoft Excel 2016和SPSS 24軟件進行描述性分析、相關性分析和主成分分析。主成分綜合得分(F)參照潘天遵等[13]的方法計算。

2 結果與分析

2.1 親本發芽和幼苗性狀與重組自交家系群體分離特征

由表2可看出3個親本的發芽和幼苗性狀及其重組自交家系后代群體與雙親的分離特征。

表2 親本和重組自交系群體性狀的表型變異Table 2 Phenotypic variation of kernel and germination traits of parents and recombinant inbred lines

2.1.1 親本發芽和幼苗性狀 父本沈137的發芽率和發芽勢高于群體2母本豫537A,苗長高于群體1母本豫82,其他性狀均低于2個母本,3個親本的發芽和幼苗性狀差別較大。

2.1.2 群體分離特征 在豫82×沈137的群體中(群體1),發芽勢的變異系數最大,為56.38%;其次為發芽指數和活力指數,變異系數分別為45.63%和41.86%;最小的是籽粒寬,變異系數為7.38%。后代群體的百粒重、苗長、苗干重、發芽率和發芽勢的變異范圍超過雙親值,呈雙向超親分離特征。根據群體1各性狀的偏度和峰度,除發芽率外,其余8個性狀的偏度和峰度絕對值均小于1,呈近似正態分布,表現出數量性狀的特征。

在豫537A×沈137后代群體中(群體2),發芽勢的變異系數最大,為68.67%;其次為活力指數和發芽指數,變異系數分別為57.98%和53.42%;變異系數最小的是籽粒長,為8.27%。后代群體的籽粒寬、百粒重、苗干重和發芽率的變異范圍超過雙親值,呈雙向超親分離特征。根據群體2各性狀的偏度值和峰度值,除苗長和發芽率外,其余7個性狀的偏度和峰度絕對值均小于1,呈近似正態分布,表現出數量性狀的特征。除籽粒長外,群體2其他性狀的變異系數均高于群體1。

2.2 2個玉米RILs群體籽粒性狀與發芽性狀的相關性

從表3看出,在群體1中,種子活力指數、發芽指數、發芽勢、發芽率4個發芽性狀間呈顯著或極顯著正相關,其中,發芽指數與活力指數呈極顯著正相關,相關系數最高(0.868**)。百粒重、籽粒長、籽粒寬3個籽粒性狀呈顯著或極顯著正相關,其中,籽粒長與籽粒寬呈極顯著相關,相關系數最高(0.508**)。電導率與百粒重呈顯著負相關(-0.462*)。整體看,玉米籽粒性狀與發芽性狀之間無顯著相關性。

表3 2個RILs群體種子籽粒性狀與發芽性狀的相關系數Table 3 Correlation analysis of kernel traits and germination traits in two RILs populations

群體2中活力指數、發芽指數、發芽勢、發芽率、苗長5個發芽性狀間呈顯著或極顯著正相關,其中,發芽指數與活力指數相關系數最高(0.917**)。百粒重、籽粒長、籽粒寬3個籽粒性狀間呈顯著或極顯著正相關,其中,籽粒寬與百粒重的相關系數最高(0.830**)。電導率與百粒重、籽粒長、籽粒寬呈極顯著負相關,與含水量呈極顯著正相關。電導率與苗干重、苗長、發芽率、活力指數呈顯著或極顯著負相關(-0.654**、-0.452*、-0.428*、-0.505*)。在籽粒性狀與發芽性狀關系中,百粒重與發芽率和活力指數呈顯著正相關(0.415*、0.400*)。

2.3 2個玉米RILs群體籽粒性狀與發芽性狀的主成分分析

2.3.1 主成分貢獻率 主成分分析認為,特征值大于1的為主成分。從表4看出,群體1中有5個特征值大于1,5個主成分的貢獻率分別為28.466%、16.951%、13.177%、12.222%和7.963%,累計貢獻率為78.778%,可代表原始性狀攜帶的大部分信息。第一主成分中特征向量較高且為正值的性狀為發芽指數、活力指數、發芽勢和發芽率。

表4 2個玉米RILs群體種子籽粒性狀與發芽性狀主成分載荷矩陣Table 4 Principal component loading matrix of kernel traits and germination traits of two maize RILs populations

群體2中有4個特征值大于1,4個主成分的貢獻率分別為38.930%、18.841%、10.703%和7.941%,累計貢獻率為76.414%,可代表原始性狀攜帶的大部分信息。第一主成分中特征向量較高且為正值的性狀為百粒重、苗長、活力指數和發芽率。

2.3.2 2個玉米RILs群體籽粒及發芽性狀綜合評價 從表5看出,在群體1的25個株系中,根據F值排序,前5名分別是10H2028、10H2060、10H2125、10H2027、10H2055,其F值分別為56.27、54.00、51.49、51.08、51.04,表明5個株系的種子籽粒性狀與發芽性狀較好。在群體2的25個株系中,F值排序前5名的分別是10H1884、10H1948、10H1998、10H1858、10H1996,F值分別為159.71、126.05、123.13、121.07、113.09,表明5個株系籽粒性狀與發芽性狀綜合表現較好。

表5 2個玉米RILs群體籽粒及發芽性狀的主成分綜合評價(F值) Table 5 Principal component comprehensive evaluation of kernel traits and germination traits of two maize RILs populations

群體1的F值波動較小,最高和最低相差43.93,整體水平較低;群體2的F值波動較大,最高和最低相差127.34,整體水平高于群體1。

3 討論

變異系數是衡量群體中各性狀變異程度和遺傳穩定性的統計量,群體中某個性狀的變異系數越大,說明該性狀的變異程度越豐富,在育種上有利于極端株系的選擇[14-15]。惠建等[16]對水稻重組自交系進行耐冷性鑒定,利用7個變異系數最大的性狀作為水稻苗期耐冷鑒定的主要形態指標篩選出耐冷性強的6個家系。本研究中除玉米籽粒長外,群體2(豫537A×沈137)其他8個性狀的變異系數都大于群體1(豫82×沈137),說明群體2的變異程度豐富,在玉米新品種選育中優勢比群體1大,可提供更大的選擇范圍。在2個玉米RIL群體中變異系數較大的均為發芽勢、發芽指數、活力指數等種子發芽性狀,這些性狀是衡量種子活力的重要指標,對高活力種子的選育有重要參考價值。

玉米RIL群體的籽粒和發芽性狀間存在極顯著或顯著相關,其中,2個RIL群體中活力指數與發芽勢、發芽指數都成極顯著正相關,與發芽率呈顯著正相關,與錢慧慧[17]對小麥種子活力的研究結果相似。在2個群體中,種子化學成分(蛋白質含量、可溶性糖含量、MDA含量)與種子發芽性狀相關性不顯著,說明不能用蛋白質含量、可溶性糖含量和MDA含量對種子活力的高低進行鑒定,該結論與郝奇慧[18]對玉米種子的研究結論一致。群體1中百粒重與發芽性狀相關性不顯著,而群體2中百粒重與苗干重呈極顯著正相關,與發芽率和活力指數呈顯著正相關。前人對種子粒重與種子活力的研究得出不同結論,佘寧安等[19-20]對不同玉米進行研究表明,千粒重與種子活力相關性很低;MLATUDI等[21-22]研究認為,玉米種子不同單粒重對種子活力有影響。

主成分分析可將多個性狀所含的信息簡化,轉化為幾個可以概括大部分作物信息的主成分[23]。研究使用主成分分析將群體1的14個性狀轉化為5個主成分,累計貢獻率78.778%;將群體2的14個性狀轉化為4個主成分,累計貢獻率76.414%。2個玉米RIL群體第一主成分都反映種子活力。主成分分析得到2個RIL群體50個株系性狀的綜合得分,得分越高表明該株系的綜合性狀越好。群體1的25個株系整體表現較差;群體2的表現較優,其中,10H1884、10H1948、10H1998、10H1858和10H1996的綜合得分高,籽粒性狀及發芽性狀表現優異,為選育高活力玉米新品種奠定種質基礎。

4 結論

對2個玉米RILs群體(群體1為豫82×沈137,群體2為豫537A×沈137)的籽粒性狀和發芽性狀進行遺傳分析,2個群體的百粒重、苗干重和發芽率呈雙向超親分離,其中,發芽勢變異系數最大,群體1為56.38%,群體2為68.67%,2個玉米RILs群體可用于種子活力的QTL定位。活力指數、發芽指數、發芽勢和發芽率顯著相關。群體1的籽粒性狀與發芽性狀無顯著相關,群體2的百粒重與發芽率、活力指數呈顯著正相關。基于主成分分析對2個玉米RILs群體的籽粒性狀和發芽性狀進行綜合評價,群體2的得分明顯高于群體1,群體2中得分高的株系(10H1884、10H1948、10H1998、10H1858和10H1996)可用于育種實踐。