不同基因型甜玉米遺傳差異及葉酸和糖分含量變化

陳新葉, 高華洋, 王 燦, 陳 晨, 趙仁貴

(吉林農業大學農學院, 長春 130118)

甜玉米(ZeamaysL.saccharataSturt)是玉米的一個亞種,甜玉米起源于南美洲。因其具有較高的營養價值、香甜脆爽的口感深受消費者喜愛,作為水果蔬菜型食品發展迅速[1-2]。甜玉米的糖分含量是普通玉米的1～7倍,籽粒中含有多種有益于人體健康的維生素和氨基酸等營養物質[3-5]。得益于甜玉米市場的不斷發展,使甜玉米的品種選育、種植技術、產品加工和銷售等得到了快速的發展。隨著科技的發展,人們生活水平的提高,市場對甜玉米品質的要求也不斷提高,從風味佳、口感好上升到富含維生素及微量元素等營養物質的新階段。

葉酸(Folates)是一種水溶性B族維生素,也稱為維生素B9,是人體必需的微量元素之一[6]。由于人體自身不能合成葉酸,只能從食物中攝取每日所需的葉酸來維持日常生命活動。成年人每日葉酸攝取量約為400 μg,而孕婦每日需600 μg[7]。葉酸缺乏癥已經是一個全球性健康問題,葉酸缺乏會引發多種疾病,例如胎兒的神經管無法閉合導致腦部和脊柱先天畸形、先天性心臟病等疾病;葉酸攝入不足還會造成巨幼細胞貧血、妊娠高血壓綜合癥等疾病[8-11]。

本試驗以32份甜玉米雜交種為試驗材料,通過對其遺傳差異性的分析,研究不同品種的可溶性總糖、還原糖和葉酸含量的變化規律,為在育種過程中加快甜玉米新品種的鑒定效率提供理論指導,為選育優質、高營養的甜玉米新品種提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以吉林農業大學農學院特用玉米遺傳育種團隊于2020年冬季在海南育種基地組配的32份甜玉米雜交種為基礎材料,材料名稱及親本見表1。

表1 試驗材料名稱及親本自交系編號Table 1 The names of each hybrid of sweet maize and the number of parental inbred lines

1.2 分子標記試驗設計

當幼苗長至3～4片葉時,采集1 g嫩葉片,裝入離心管內液氮浸泡,隨即放入冷凍研磨儀內研磨,采用改良的CTAB法提取DNA,利用微量核酸蛋白濃度測定儀檢測DNA濃度,并用1.5%的瓊脂糖凝膠電泳驗證DNA顯色條帶是否清晰,后續參照GB/T39914-2021[12]標準進行聚丙烯酰胺凝膠電泳。

1.3 田間試驗設計

2021年5月1日在吉林農業大學教研基地種植雜交種,試驗采用隨機區組設計、雙行區,設置3次重復,行長5 m,行距65 cm,株距28 cm,田間管理與大田相同。甜玉米雜交種在花期進行人工套袋授粉,記錄授粉日期。甜玉米籽粒樣品分別取自人工套袋授粉后的15,18,21,24,27 d,采收果穗上飽滿、無病蟲害的籽粒。將取樣的鮮籽粒置于上海精宏實驗設備有限公司生產的電熱鼓風干燥箱(DHG-9246A)中,在55 ℃條件下恒溫烘干至恒重。取出冷卻至室溫后研磨成粉,過100目篩子,用于測定其葉酸、可溶性總糖和還原糖含量[13-14]。

1.4 數據分析

采用Visual C++對電泳成像圖片進行處理,得出數據,采用Excel 2019軟件與R語言對數據進行處理分析。

2 結果及分析

2.1 SSR標記結果

通過對32份甜玉米雜交種的SSR分子標記,分析遺傳距離,其中部分引物在32份甜玉米材料中擴增結果如圖1所示,擴增產物條帶清晰,標記明顯。

圖1 引物umc2105k3在32份甜玉米材料中的擴增圖譜Fig.1 Amplification map of primer umc2105k3 in 32 sweet maize materials

如圖2所示,根據SSR分子標記結果,對32份甜玉米雜交種進行聚類分析。本試驗選取遺傳距離10.7為閾值時可將32份甜玉米雜交種劃分為4類進行分析。類群Ⅰ包含6個雜交種,分別為吉T117、吉T118、吉T310、吉T313、吉T314、吉T315;類群Ⅱ包含5個雜交種,分別為吉T101、吉T116、吉T211、吉T215、吉T131;類群Ⅲ包含10個雜交種,分別為吉T13、吉T15、吉T17、吉T20、吉T102、吉T120、吉T217、吉T341、吉T344、吉T345;類群Ⅳ包含11個雜交種,分別為吉T14、吉T19、吉T103、吉T104、吉T105、吉T119、吉T212、吉T213、吉T216、吉T219、吉T342。

圖2 32份甜玉米雜交種SSR分子標記聚類分析Fig.2 SSR molecular marker clustering analysis of 32 sweet maize hybrids

2.2 方差分析

由表2可知,品種×采收期對可溶性總糖含量、還原糖含量的影響存在顯著差異,對葉酸含量影響差異不顯著;品種對可溶性總糖含量、還原糖含量的影響存在極顯著差異,而品種對葉酸含量影響不顯著;不同采收期對可溶性總糖含量、還原糖含量存在極顯著影響,不同采收期對葉酸含量存在顯著影響;綜上所述,需進一步對可溶性總糖、還原糖和葉酸的變化與其所劃分類群的關系做進一步分析。

表2 試驗材料的營養成分方差分析Table 2 Analysis of nutrient content variance for each sweet maize hybrid

2.3 可溶性總糖含量動態變化

由圖3可知,類群Ⅰ可溶性總糖含量呈單峰曲線變化,吉T117、吉T118、吉T313與吉T314呈一直下降的趨勢,吉T117下降趨勢緩慢,變化較小;吉T118在授粉后15 d可溶性總糖含量在類群Ⅰ中最高,但下降趨勢緩慢,在授粉后27 d在類群Ⅰ中含量最低,對收獲時間變化敏感。吉T310與吉T315呈先升后降趨勢,吉T310在授粉后24 d時可溶性總糖含量達到峰值,可溶性總糖含量略高于其他雜交種,綜合在授粉后15～27 d的可溶性總糖含量表現,吉T310均保持較高的含量,對收獲時間變化不敏感。

圖3 類群Ⅰ各甜玉米雜交種的可溶性總糖含量和采收期的變化Fig.3 Changes in total soluble sugar content and harvest period of each sweet maize hybrid in group Ⅰ

由圖4可知,類群Ⅱ可溶性總糖含量呈單峰曲線變化,總體為先升后降的趨勢。吉T101在授粉后18～24 d,可溶性總糖含量均保持在較高的水平,對收獲時間變化不敏感,在21 d達到峰值;吉T215授粉后21～24 d達到峰值,綜合含量表現略低于吉T101;吉T116、吉T211與吉T311均在授粉后24 d達到峰值,其中吉T116可溶性總糖含量變化明顯,對收獲時間變化敏感。

圖4 類群Ⅱ各甜玉米雜交種的可溶性總糖含量和采收期的變化Fig.4 Changes in total soluble sugar content and harvest period of each sweet maize hybrid in group Ⅱ

由圖5可知,類群Ⅲ中吉T17、吉T20、吉T341、吉T344與吉T345可溶性總糖含量在授粉后15 d開始緩慢下降,其中吉T17在授粉后15～18 d可溶性總糖含量較高,在早期優勢明顯;吉T13、吉T15、吉T102、吉T120與吉T217可溶性總糖含量呈單峰曲線變化,且峰值均出現在授粉后18～21 d,其中吉T102可溶性總糖含量較高且保持高含量水平時間長,對收獲時間變化不敏感。

圖5 類群Ⅲ各甜玉米雜交種的可溶性總糖含量和采收期的變化Fig.5 Changes in total soluble sugar content and harvest period of each sweet maize hybrid in group Ⅲ

由圖6可知,吉T14可溶性總糖從授粉后15 d開始逐漸下降,在授粉21 d后基本保持不變;吉T19、吉T103、吉T213與吉T342可溶性總糖含量在授粉后15 d逐漸下降,其中吉T19含量較高,下降趨勢較慢;吉T104、吉T105、吉T212、吉T216和吉T219可溶性總糖含量呈單峰曲線變化,總體為先升后降的趨勢,其峰值大都出現在授粉后21～24 d之間,其中吉T212與吉T216可溶性總糖含量較高且保持時間長,對收獲時間變化不敏感;吉T119從授粉后15 d開始其可溶性總糖含量無明顯變化,在授粉后24 d開始下降,可溶性總糖含量較低,對收獲時間變化不敏感。

圖6 類群Ⅳ各甜玉米雜交種的可溶性總糖含量和采收期變化Fig.6 Changes in total soluble sugar content and harvest period of each sweet maize hybrid in group Ⅳ

2.4 還原糖含量動態變化

由圖7可知,吉T314還原糖含量在授粉后15 d開始逐漸下降,下降趨勢明顯較快;吉T117、吉T310與吉T315還原糖含量呈單峰曲線變化,在授粉后18～21 d達到峰值,授粉21 d后還原糖含量迅速下降,對收獲時間變化敏感;吉T313還原糖含量呈單峰曲線變化,在授粉后21 d達到峰值,還原糖含量較低且變化趨勢不明顯,對收獲時間變化不敏感。

圖7 類群Ⅰ各甜玉米雜交種的還原糖含量和采收期變化Fig.7 Changes in reducing sugar content and harvest period of each sweet maize hybrid in group I

由圖8可知,吉T101還原糖含量呈單峰曲線變化,上升趨勢較慢,下降趨勢較快,在授粉后20 d達到峰值,對收獲時間變化敏感;吉T116、吉T211、吉T215與吉T311還原糖含量在授粉后15 d開始逐漸下降,其中吉T215下降趨勢較慢,對收獲時間變化不敏感;吉T116、吉T211與吉T311下降趨勢明顯,對收獲時間變化敏感。

圖8 類群Ⅱ各甜玉米雜交種的還原糖含量和采收期變化Fig.8 Changes in reducing sugar content and harvest period of each sweet maize hybrid in group Ⅱ

由圖9可知,類群Ⅲ還原糖含量變化趨勢較為一致,呈單峰曲線變化,在授粉后19～21 d達到峰值,之后下降趨勢較快,在授粉后24 d下降趨勢變緩,對收獲時間變化敏感;其中吉T13還原糖峰值含量較高,持續時間較短;吉T120還原糖峰值含量較低,下降趨勢較慢,對收獲時間變化不敏感。

圖9 類群Ⅲ各甜玉米雜交種的還原糖含量和采收期變化Fig.9 Changes in reducing sugar content and harvest period of each sweet maize hybrid in group Ⅲ

由圖10可知,吉T14、吉T19、吉T119、吉T212與吉T342還原糖含量變化趨勢較小,呈單峰曲線;吉T103、吉T104、吉T105與吉T213還原糖含量呈單峰曲線變化,其峰值出現在授粉后21～24 d,時間較長;吉T216與吉T219還原糖含量在授粉后15 d開始逐漸下降,吉T216還原糖峰值含量較高,下降趨勢快,對收獲時間變化敏感,吉T219下降趨勢較慢,對收獲時間變化不敏感。

圖10 類群Ⅳ各甜玉米雜交種的還原糖含量和采收期變化Fig.10 Changes in reducing sugar content and harvest period of each sweet maize hybrid in group Ⅳ

2.5 葉酸含量動態變化

由圖11可知,類群Ⅰ葉酸含量呈雙峰曲線變化,第一次峰值出現在授粉后15 d,第二次峰值出現在授粉后24 d,谷值出現在授粉后19～20 d;吉T314葉酸含量變化不明顯;吉T117與吉T313第一次峰值葉酸含量較低,第二次峰值含量較高,吉T313葉酸含量變化明顯,其谷值含量較低;吉T310葉酸含量兩次峰值相近,谷值含量較高,對收獲時間變化不敏感。

圖11 類群Ⅰ各甜玉米雜交種的葉酸含量和采收期變化Fig.11 Changes in folic acid content and harvest period of various sweet maize hybrids in group Ⅰ

由圖12可知,類群Ⅱ葉酸含量變化不明顯,從授粉后15 d開始葉酸含量有小幅下降,對收獲時間變化不敏感;其中吉T311葉酸含量存在優勢,顯著高于其他4個品種。

圖12 類群Ⅱ各甜玉米雜交種的葉酸含量和采收期變化Fig.12 Changes in folic acid content and harvest period of various sweet maize hybrids in group Ⅱ

由圖13可知,類群Ⅲ中吉T120與吉T217葉酸含量從授粉后15 d開始緩慢下降,葉酸含量較低,含量變化小,對收獲時間變化不敏感;其他8個品種的葉酸含量均呈單峰曲線變化,吉T13、吉T15、吉T20、吉T341、吉T344與吉T345其峰值均出現在授粉后21 d前后,其中吉T13與吉T341葉酸含量變化較小,峰值最高,對收獲時間變化不敏感,優勢明顯。

圖13 類群Ⅲ各甜玉米雜交種的葉酸含量和采收期變化Fig.13 Changes in folic acid content and harvest period of various sweet maize hybrids in group Ⅲ

由圖14可知,類群Ⅳ中吉T14、吉T19、吉T104、吉T105、吉T212與吉T213葉酸含量從授粉后15 d開始緩慢下降,對采收時間變化不敏感,吉T213葉酸含量較高,存在一定優勢;吉T103、吉T119、吉T216、吉T219與吉T342葉酸含量均呈單峰曲線變化,其峰值出現在授粉后21 d前后,其中吉T119葉酸含量最高,對采收時間變化較敏感。

圖14 類群Ⅳ各甜玉米雜交種的葉酸含量和采收期變化Fig.14 Changes in folic acid content and harvest period of various sweet maize hybrids in group Ⅳ

3 討論與結論

甜玉米因具有口感甜脆和營養豐富的特點深受人們喜愛,甜玉米品種選育也受到育種家們重視,越來越多的品種逐漸推向市場。隨著生活水平提高,市場對甜玉米的品質和營養有了更高的要求,目前對甜玉米的口感和甜度方面的研究較多,對不同基因型甜玉米的糖分、葉酸含量及其變化規律研究的報道較少。因此,采用現代生物技術手段與常規育種方法相結合,鑒定改良甜玉米種質對提升甜玉米品質有重要意義[15-16]。本研究通過SSR分子標記,確定了32份不同基因型甜玉米雜交種的相似系數和遺傳距離,并分為4個類群,選取人工套袋授粉后不同時期的甜玉米果穗的烘干籽粒,檢測其可溶性總糖、還原糖與葉酸含量,并對其進行統計分析,發現不同類群,即基因型差異較大的甜玉米糖分變化存在一定差異,可溶性總糖和還原糖含量的變化均為先升后降或持續下降,為單峰曲線變化,這與劉萍等[17]研究結論一致。可溶性總糖和還原糖含量變化峰值出現在授粉后21 d,這與盧柏山等[18]關于甜玉米糖分積累動態變化趨勢相一致;不同品種間可溶性總糖、還原糖和葉酸含量變化呈持續下降趨勢,這可能與其生育期長短有關,生育期較短的甜玉米峰值出現較早。不同類群品種間葉酸含量變化趨勢差異明顯,類群Ⅰ的葉酸含量在授粉后15～27 d出現兩次峰值,為雙峰曲線變化;類群Ⅱ、類群Ⅲ與類群Ⅳ,其葉酸含量變化為先升后降或一直下降,僅出現一次峰值,為單峰曲線變化;甜玉米葉酸含量峰值出現的時間沒有表現出一定規律,還需進一步研究。甜玉米的品質對采收時間變化敏感,籽粒品質達到頂峰后迅速下降,最佳收獲時間短,嚴重影響了甜玉米商業價值,這與本研究結論一致[19-22]。類群Ⅲ中吉T13可溶性總糖、還原糖和葉酸的綜合含量較高,品種優勢明顯,最佳采收期在授粉后21 d左右;盧柏山等[23]認為,甜玉米采收期直接關系到其品質優劣、產量高低,采收期長的甜玉米品種對提升甜玉米商業價值有重要意義。在本試驗類群Ⅰ中的吉T310對采收時間變化不敏感,適宜采收期長,且可溶性總糖、還原糖和葉酸綜合含量較高,符合甜玉米的市場生產需求,具有良好的推廣應用前景。