玉米籽粒脱水速率研究进展

张凤启，王邑双，丁 勇，张 君，赵 霞，赵发欣，唐保军

（1河南省农业科学院粮食作物研究所/河南省玉米生物学重点实验室，郑州450002；2郸城县第一高级中学，河南周口477150）

0 引言

玉米籽粒脱水速率是决定玉米收获时籽粒含水量主要因素之一，也是间接影响玉米机收籽粒的重要因素。玉米收获机械化作业对于提高生产效率、减轻劳动强度和降低收获人力成本具有重要的实践意义。中国玉米机械化收获作业发展缓慢，据报道，至2013年底，中国玉米机收率为49%[1]，而美国、德国等国家早在20世纪60年代就已经基本实现了玉米生产机械化[2]。分析影响中国玉米机械化收获作业的因素，发现在诸多因素中就玉米品种而言，收获时玉米茎杆严重倒伏和籽粒含水量高是目前主要阻碍因子[3]。其中玉米籽粒含水量在玉米机械化生产作业中对机收籽粒以及籽粒的品质、储藏、运输、加工等环节起决定性作用。因此，选择成熟期含水量低的品种是当前玉米机械化收获、轻简化高效栽培的基本要求[4]。

1 玉米籽粒脱水速率测定

玉米籽粒脱水速率是一个较难测定的性状，就目前尚未有可以对其进行直接测定的仪器或方法，通常利用某一阶段含水量变化进行间接统计。如从脱水速率(%/d)公式(1)可以看出，获得籽粒含水量是统计玉米籽粒脱水速率前提。籽粒含水量是描述籽粒中某一阶段水分变化状态的最直接指标，显示了籽粒水分从积累到散失的过程[5]。因此，选择合适测定方法是准确评价玉米籽粒脱水速率前提。据Hartand Golumbic分类方法，测定籽粒含水量有直接和间接2种方法。

1.1 直接测定法

直接测定法通常使用国际通用的烘干减重法[6]，进一步根据烘干原理分为直接烘干法，红外线烘干法和减压烘干法。作为一种标准法该方法从1931年一直使用至今。随着近年来仪器或测定技术不断更新或完善，为该方法准确性、重复性提供了技术保证。直接烘干法在玉米研究中应用较多，籽粒含水量（公式2）。该方法具有操作简便、准确性和重复性好等优点，但也存在明显缺点如规模小等。随着玉米农艺性状研究迅速开展，为了满足高通量表型数据统计需要，急需要一种快速的、可以大规模操作，且不破坏植株或籽粒的方法在田间对玉米籽粒进行直接测定。因此，直接测定法不能满足目前玉米大规模研究的需要。

1.2 间接测定法

胡晋等[7]根据种子水分理化特性与水分含量对应关系，通过基准法校准，开发了一种间接测定种子含水量的方法。其原理即是利用水分介电常数大于种子中其他组分介电常数，进而通过测量与样品中水分变化相对应的电容变化即为种子含水量[8]。该方法具有操作简便、快速、易推广等特点。近年来，新开发电子探针水分测定仪有DC-10、JCs-1、MT808[9]等，被广泛应用。向葵[10]对改装MT808探针水分测定仪和传统直接法（烘箱法）进行对比研究，发现利用水分测定仪和烘干法测定的各部分含水量均具有显著相关性。并发现使用探针测定时，苞叶含水量对籽粒含水量测定的影响较小；穗轴对籽粒含水量测定影响在籽粒含水量为20%～60%之间影响较大，但超出这个范围后，影响较小。另外，鹤壁市农科院利用探针式水分测定仪分别测量了玉米籽粒+苞叶、籽粒水分含量，通过与传统烘干法测量的籽粒、穗轴、苞叶含水量比较，发现二者之间呈极显著正相关；并在2种测量方法之间建立了回归模型，进一步优化了利用探针式水分测定仪对籽粒含水量的测定方法。

2 玉米籽粒脱水速率与其它相关农艺性状关系

玉米籽粒脱水速率在不同种质材料或品种之间存在显著差异，通过对玉米几大种质类群材料籽粒脱水特性比较分析，发现唐四平头和兰卡斯特脱水特性高于其他群[11]。就材料本身而言，其自身具备特征特性或相关农艺性状，如生理成熟期含水量、穗部特征、籽粒类型以及品质性状等都直接或间接对籽粒脱水速率产生影响[12]。

2.1 玉米生理成熟期含水量与籽粒脱水速率关系

玉米收获期籽粒含水量主要由干物质积累速度、生理成熟期含水量和脱水速率3个因素决定[13]。随着玉米籽粒发育的进程，玉米籽粒含水量逐渐降低。植株授粉后0～16天为籽粒分裂繁殖期，此期干物质积累较少，含水量为80%～90%。授粉后16～40天为乳熟期和蜡熟期，籽粒体积和干物质迅速增加，含水量为40%～80%。授粉后40～55天为脱水干燥期，籽粒从顶部开始干燥，乳线自顶部向下移动，该阶段脱水强度最高，含水量为25%～40%[14]，不同品种的籽粒在该阶段脱水速度存在差异。当乳线消失，黑色层出现为生理成熟期[15]；随之苞叶变干、蓬松，直到收获[16-17]。有研究报道，玉米生理成熟后，粒重处于恒定状态，但水分迅速散失，不同材料之间水分散失速度存在明显差异，因此认为这一阶段籽粒脱水速率决定收获时籽粒含水量[18]。

2.2 穗部特性对玉米籽粒脱水速率影响

在所有与玉米籽粒脱水相关农艺性状中，最直接影响籽粒脱水速率是穗部性状[12]。国内外自20世纪初就已开展了玉米籽粒脱水速率研究。据报道，玉米籽粒脱水速率与苞叶数量、苞叶厚度、苞叶长度、穗粗、轴粗等农艺性状关系密切。Zuber等[19]发现苞叶厚度是玉米籽粒脱水速率重要影响因素；苞叶含水量和脱水速率是籽粒含水量下降的决定性因素[20]；苞叶数越多，籽粒脱水越慢[21]；而短苞叶和果皮透性好有助于籽粒快速脱水[22]。随着穗粗和轴粗增加，籽粒含水量增加；穗行数越少，果穗越细，穗轴也就越细，籽粒脱水速率与穗轴脱水速率呈极显著正相关，而与穗长、行粒数呈显著负相关[23]。

2.3 籽粒类型对玉米籽粒脱水速率影响

据研究报道，籽粒脱水速率与籽粒宽度、籽粒长度呈显著负相关[24]。而刘思齐等[25]研究表明籽粒脱水速率与籽粒长度呈显著负相关，但与宽度、厚度相关性不显著。籽粒果皮厚度与籽粒脱水速率呈负相关，而与籽粒含水量呈正相关[26]。就籽粒类型而言，研究结果不一。有些报道认为籽粒偏硬或中间型、出籽率高的品种含水量低[27]。而金益等[4]、李艳杰等[28]研究认为马齿型品种脱水速度快于硬粒品种。也有研究认为在生理成熟后脱水速率硬粒和马齿之间本质上没有区别。马齿型籽粒脱水特性高于硬粒型，其原因可能是籽粒内含物质差异所致，如淀粉沉淀方式或籽粒表面积大小等[29]。

2.4 籽粒品质性状对玉米籽粒脱水速率影响

有研究认为玉米籽粒蜡熟后自身生理活动基本停止，影响籽粒脱水快慢主要原因是内含物成分[30]，如：籽粒含油量、淀粉、蛋白等参数。随着含油量增加，含水量也随之呈线性增加，而脱水速率下降[31]；淀粉含量、支链淀粉与籽粒脱水速率呈极显著正相关[32]。谷蛋白、脂肪、胚占体积和清蛋白在籽粒脱水速率上均起负效应[32]。即籽粒清蛋白、谷蛋白、脂肪含量越低及胚体积越小，则籽粒脱水速率表现越快。而雷蕾等[33]研究发现收获期籽粒含水量与籽粒中蛋白质含量、脂肪含量呈正相关，与淀粉含量呈负相关。在干旱条件下，普遍认为籽粒建成能力较弱，干物质线性积累能力强，胚乳失水成熟较早，使得籽粒脱水速率较快[34]；但就二者之间遗传关系目前尚未有研究报道。另外，生理成熟后，籽粒灌浆过程越短，后期籽粒脱水越快；若灌浆速度慢，则籽粒脱水慢[35-36]。

2.5 玉米生育期及其他因素对籽粒脱水速率影响

玉米生育期、株高、穗位以及灌浆期绿叶数与籽粒脱水速率关系密切。晚熟玉米品种收获时籽粒含水量普遍表现较高[37]。李凤海等[23]研究发现籽粒自然脱水速率与穗位高、株高均呈显著负相关。谭福忠等[38]研究发现玉米叶面积指数、灌浆期绿叶数、株高、穗长以及单穗产量均与收获期籽粒含水率呈显著正相关。此外，播期、收获期以及玉米生育后期气象因子如空气温度、湿度、风速、日辐射、降雨等对籽粒脱水速率具有重要影响[39-40]，而种植密度、株行距、水肥管理等栽培措施对籽粒脱水也有一定影响[41]。

3 玉米品种籽粒脱水速率遗传改良及遗传机制研究

3.1 玉米品种籽粒脱水速率遗传改良

玉米籽粒收获期含水量主要由生理成熟前后籽粒脱水速率控制，并可遗传[41]，因此可以通过育种手段选育出生理成熟期和收获时籽粒含水率低的品种。在中国玉米生产实践中，因长期以来以人工收获为主，高产为育种主要目标，又因籽粒脱水性状复杂性，因此，相关研究进展缓慢。刘艳秋等[42]分析了1970s—2000s大面积推广的玉米单交种，通过比较发现新品种籽粒灌浆速率快于以前老品种；新品种穗轴、苞叶和籽粒含水量均高于老品种。穗轴脱水速率则老品种明显快于新品种；籽粒、苞叶脱水速率在不同年代品种之间并无明显差异。

基于玉米籽粒脱水速率与其他农艺性状关系以及遗传特性，有些专家提出关于提高玉米籽粒生理成熟后脱水速率的育种策略：（1）穗部及籽粒性状：选择苞叶较为松散，苞叶长度与果穗等长，薄果皮（以8 μm取代90～140 μm），穗粗（穗行18～20行）与穗轴均较细的中间偏硬粒型种质（千粒重为300～350 g）[43]；（2）株型性状：株高较低，株型清秀，通透性好，穗上叶片间距大，叶片窄，长短合理[41]。另外，李淑芳等[35]研究认为在选育玉米品种时，应结合农艺性状、品质性状与籽粒脱水速率相关性，综合考虑玉米籽粒发育进程，并注意外部环境影响，兼顾父母本效应。

3.2 玉米籽粒脱水速率遗传及QTL定位研究

玉米籽粒脱水速率是一个数量性状，受多基因调控及环境影响。据研究报道，玉米生理成熟后籽粒脱水速率在遗传上主要表现为加性效应，高度遗传[30]。Killoyko等[44]研究也发现脱水速率主要受加性效应基因控制，可以高度遗传。其广义遗传力为81.24%，狭义遗传力为72.68%[45]。另外，Magari等[46]研究发现玉米籽粒脱水速率受环境影响较大，基因与环境互作效应较强。而Schmidt等[47]发现生理成熟后籽粒含水量大于或等于30%时，脱水速率易受空气温度影响；而籽粒含水量小于30%时，与空气中相对湿度有关。

近年来，利用分子标记对玉米籽粒脱水速率QTL定位研究也取得了一些进展。刘显君等[48]检测出分布于5条染色体上与生理成熟后籽粒自然脱水速率相关9个QTL，其中第2、第6染色体上的QTL在多个环境下重复检测出，并确定快速脱水等位基因来源于亲本吉846。Rodrigo等[49]利用F2:3永久家系检测出3个控制成熟前一周籽粒脱水速率QTL。向葵[10]通过汇总有关玉米籽粒含水量和玉米穗粒腐病抗性QTL定位结果，基于元分析方法筛选出两个性状的“一致性”QTL重叠区域14个。Li等[50]研究检测出玉米籽粒含水量相关的QTL40个，籽粒脱水速率相关QTL35个，并认为籽粒重量和籽粒含水量可以同时进行遗传改良。Capelle等[51]利用QTL定位方法检测出有关籽粒脱水QTL43个，籽粒重量15个，脱落酸含量相关的20个，并发现水通道蛋白基因与籽粒脱水速率有关。孙乐秀等[3]研究发现与自然脱水速率相关SNP23个，重要标记有 4个，其中 2个 SNP标记(SYN13065，PZE-105068038)所连锁基因主要与籽粒脱水过程中种子活力保持、生物膜保护、细胞内环境稳态的维持有关。

3.3 玉米籽粒脱水速率相关功能基因研究

功能基因研究方面，近年来，有关作物籽粒含水量调节基因，尤其在玉米上的研究报道比较有限。研究报道相对较多，如二族LEA蛋白，又称为脱水素，在籽粒成熟时产生，属于脱水家族蛋白[52]。Capelle等[51]发现LEA蛋白Emb5、Rab17(Dhn1)和Rab28基因在玉米授粉后60天、80天的籽粒内上调表达。与籽粒脱水相关蛋白——水通道蛋白(PIP)[53]，其中PIP1.2、PIP1.3、PIP2.1和PIP2.2分别在玉米授粉后30天、40天、60天、80天的籽粒内大幅度上调表达。

4 问题及展望

4.1 问题

截至到目前，国内外对玉米籽粒脱水速率研究尽管取得了一些进展，但也存在一些问题：（1）生产中脱水快的玉米品种较少。自20世纪90年代以来中国培育出的大多数为大穗、晚熟、高秆、籽粒脱水慢的玉米品种。而且玉米籽粒脱水性状属于复杂数量性状，易受环境影响，基因难于聚合于一体获得优势个体。目前在大多数玉米主产区，收获时玉米籽粒含水量普遍在30%～40%。因此，为适应当前及未来玉米高效、稳产及机械化生产目标，明确和调整玉米育种方向是我们当前主要工作。（2）缺乏精准表型鉴定方法。玉米脱水速率是一个较难测定性状，且在实际育种中很难直接测定。田间测定时不仅考虑品种自身生育期等农艺性状差异，生育后期温度、日辐射、风速、降雨等生态气象因子以及播期、种植密度等栽培措施对其测定结果的影响也不可忽视。（3）遗传机制研究进展缓慢。近年来有关玉米籽粒脱水相关性状QTL定位研究相对较少，检测出的QTL数量少，现今能够有效利用的也极少。因此，亟需加强对籽粒脱水速率的遗传研究。

4.2 展望

随着中国农村土地流转政策的实施，农村劳动力不断转移，务农劳动力越来越少，使得玉米生产成本不断增加，因此，全程机械化是玉米生产不可逆转趋势。选择适当早熟、籽粒发育后期脱水快、收获时含水量低的品种是中国各玉米产区实现机械粒收技术的关键措施。截至到目前，中国机收玉米新品种如‘桥玉8号’、‘创玉107’、‘云台玉39’、‘联想98’、‘新单68’等逐步得到推广。在培育新品种的同时，加强对新农机或检测技术开发；并结合利用当前高通量分子生物学技术如高通量基因组测序以及RNA-seq等技术深入开展玉米籽粒脱水速率的遗传研究，进一步挖掘有关玉米籽粒脱水速率相关功能基因以及培育出脱水速率快、高产稳产玉米品种是未来玉米遗传研究热点。近两年本课题组致力于玉米籽粒脱水速率及含水量研究，并配置了相关大田直接测定水分的探针式仪器，已从现有自育或引进材料中筛选出籽粒脱水速率快、早熟种质材料，下一步将利用RNA-seq以及QTL定位相结合的方式开展玉米籽粒脱水速率遗传研究。