不同杂种优势模式下玉米苞叶和籽粒表型可塑性差异分析

李昕，蔡泉，郭晓明，李树军，李云龙，李思楠，殷跃，王港庆，张建国

（1.黑龙江省农业科学院玉米研究所，哈尔滨 150000；2.东北农业大学农学院，哈尔滨 150000）

0 引言

据国家统计局报道，2019年我国玉米种植面积4 128 万hm2，总产2.6亿t，是我国种植面积最大和总产最高的作物。美国是世界上最早实现玉米机械化生产的国家，德国、法国等欧洲国家的玉米全程机械化生产也已经实现，虽然我国玉米机械播种率已超过80%，但机械收获率仍较低，籽粒直收不足5%[1]。玉米机械粒收是我国玉米机械收获的发展方向和今后玉米生产转型方式的重点，粒收水平低是制约我国玉米全程机械化发展的瓶颈[2]，选育推广适合机械化粒收的玉米新品种是实现玉米粒收的有效途径，而东北地区此类品种极少[3]。收获期籽粒含水量是影响籽粒机收的主要因素[4]，合适的苞叶及籽粒性状有利于籽粒收获期的脱水，因此籽粒性状是选育脱水快玉米新品种的重要指标，但在不同环境下表型性状易发生改变[5-6]，这种表型可塑性给育种选择带来了困难。育种效率是个普遍问题，杂种优势群的划分具有重要的指导意义，结合分子生物技术促进类群划分，再按照杂种优势模式组配，就可方便地开展种质扩增、改良与创新[7-8]。

表型可塑指的是同一个基因型在不同的环境下，表型产生差异的现象，在植物中普遍存在，可以是单一植株，也可以跨越世代，在植物的育种中扮演着重要的角色[9-11]。有关产量及脱水速率性状的表型可塑性在玉米、黑麦和大麦中都有研究[12-14]。前人研究了不同苞叶及籽粒性状对收获期籽粒含水量的影响，大多数学者认为苞叶脱水快、层数少、长度短、宽度小等性状有利于籽粒脱水，而张林等研究认为苞叶层数和厚度与收获期籽粒含水率没有显著相关性；籽粒百粒重、粒宽、粒深等籽粒性状对脱水速率影响显著，但是不同学者的研究结论也存在差异[15-25]。玉米在长期的驯化过程中，表型和基因型水平上都形成了极为丰富的遗传多样性[26]，玉米全基因组芯片凭借数据共享性高、通量高、适用于多平台检测等优点，可以快速准确进行玉米聚类分析[27-29]。合理准确地划分杂种优势群，建立相应的杂种优势模式，才能有效地选配杂交组合。东华北早熟春玉米区种植面积约占全国的52%，该区域地势相对平整，种植规模较大，现有玉米育种材料和杂交种难以实现全程机械化，生产迫切需要适合机械化玉米新品种[30-31]。而苞叶及籽粒的结构与收获期籽粒含水量密切相关，因此对适合机收玉米新品种选育至关重要。现在国内外杂优群较多，杂优模式复杂，迄今为止尚未见关于杂优模式与苞叶及籽粒表型可塑性差异的报道[32-34]。因此，本研究将选取本团队玉米常用自交系69份，基于SNP 芯片的杂优群划分结果，分3 种杂优模式进行组配，并分别种植在黑龙江省3 个市县。旨在分析不同杂优模式下，苞叶及籽粒性状BLUP值与收获期籽粒含水量的关系；比较模式间性状表型可塑性的差异，明确创制新资源的高效杂优模式，为选育收获期籽粒含水量低的新品种提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

自交系材料：熟期接近（中、早熟组）的69份常用自交系（黑龙江省农业科学院玉米研究所提供），血缘来源黄系、旅系、瑞德、兰卡斯特、Iodent、欧洲硬粒等。

1.2 试验地点与田间管理

试验材料于黑龙江省3 个试验点进行，分别是哈尔滨市（126.868593° E，45.854272° N）、绥化市（126.993524°E，46.623479°N）、克山县（125.849019°E，48.025307°N）。采用随机区组设计，双行区，行长5 m，行间距0.67 m，种植密度为67 500株/hm2，设置两次重复。秋整地秋施肥，施肥量为：尿素、磷酸二铵、硫酸钾按N30-P30-K10 600 kg/hm2。试验地播后，芽前封闭除草用药量为：90%乙草胺1.8 kg/hm2，38%莠去津3.3 kg/hm2，苗后除草用药量为：35%烟•硝•莠525 g/hm2。

1.3 性状测定

记录出苗期，吐丝期。收获时采取全区收获方式，用铁岭东升测产系统测定小区产量及收获期籽粒含水量。脱粒前考种，每个小区选取3穗测定苞叶长度、苞叶层数、籽粒宽度、籽粒深度，并取平均值。出苗期：全区60%以上的两到三片叶的日期；吐丝期：全区60%以上的雌穗抽出花丝的日期；苞叶长度：选取玉米从外向内第3 片苞叶，用软绳尺测定长度；苞叶层数：从最外层到最内层调查苞叶总层数；粒宽、籽深采用铁岭东升考种系统测量。

1.4 数据分析

基因分型芯片为北京市农林科学院玉米研究中心（Maize Research Center,Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences）自主研制的Maize6H-60，利用Affy 商业化软件Axiom Analysis 进行基因型分析，遗传距离利用TASSEL软件完成，聚类分析采用UPGMA方法。

TASSEL软件计算遗传距离公式如下：

IBS表示两个玉米资源随机选择某个位点等位变异相同的可能性；对于具有A 和B 两个等位变异的位点，pIBS（AA,AA）=1；pIBS（AA,BB）=0；pIBS（AB,XX）=0.5，其中XX表示任意基因型。对于两个玉米资源，pIBS为全部非缺失位点的pIBS平均值。

以3 种模式为处理，3 个地点为环境变量，开花日期为协变量，分为两次重复，利用R 语言包计算数据的最佳无偏线性估计值（Best linear unbiased predication，BLUP），分别用产量及性状的BLUP 值与收获期籽粒含水量计算皮尔森系数（Pearson correlation coefficient）进行相关性分析。

利用不同环境下4 个表型性状测量值计算变异系数值表示表型性状可塑性，包括苞叶长度表型可塑性（Phenotypic plasticity of husk length，PHL）、苞叶层数表型可塑性（Phenotypic plasticity of husk layer number，PHN）、籽粒宽度表型可塑性（Phenotypic plasticity of grain width，PGW）、籽粒深度表型可塑性（Phenotypic plasticity of grain depth，PGD），并分析这些指标在模式内的相关性和不同杂优群之间的差异。

2 结果与分析

2.1 杂优群划分及组合设计

芯片扫面后，获得69个样本SNP位点的原始数据。将这些数据利用Affy商业化软件Axiom Analysis进行基因型分析，并计算个体间遗传距离和遗传相似度。按计算结果对69份材料进行聚类分析（见图1），结果显示69 份常用自交系分为两大群（母本群A 与父本群B），其中A 群包括32 份，B 群包括37 份。母本群A 中又分C、E、G 三个亚群；父本群B 中又分D、F、H 三个亚群。根据基因分型结果，按杂优模式I（mod1）：C×D；模式Ⅱ（mod2）：E×F；模式Ⅲ（mod3）：G×H，组配杂交种，每种模式组配20个组合，共计60份杂交种。

图1 69份自交系聚类图Fig.1 The cluster diagram of 69 inbred lines

2.2 产量及各性状表型数据分析

对本研究所有产量（Yield）及主要农艺性状收获期籽粒含水量（GM）、籽粒宽度（GW）、籽粒深度（GD）、苞叶长度（HL）、苞叶层数（HN）的表型进行统计分析（表1），得知60份杂交种的产量及主要农艺性状存在广泛变异，且数据满足正态分布。方差分析结果表明，产量及主要农艺性状在地点、组合、地点×组合间差异均达极显著水平（P＜0.01），说明产量及苞叶、籽粒的表型性状存在显著差异，此差异主要受自身的遗传基因控制，同时还受到不同生态环境的影响。

表1 性状描述统计分析Table 1 Descriptive statistics for plant-typetraits of the association population

2.3 各性状间的相关分析

2.3.1 各性状与收获期籽粒含水量的相关性

当不考虑杂优模式时，利用整体产量及苞叶、籽粒的BLUP值与收获期籽粒含水量进行相关分析。由表2 可知，全部杂交种中，产量（Yield）与籽粒收获期含水量（GM）的相关系数为0.668**，呈显著正相关。收获期籽粒含水量（GM）与苞叶长度（HL）、籽粒深度（GD）均呈现正相关性，相关系数分别为0.453**和0.560**，均达到显著差异水平；与苞叶层数（HN）及籽粒宽度（GW）的相关系数分别为0.105 和0.270，均接近于0，P>0.05，因而说明收获期籽粒含水量（GM）和苞叶层数（HN）、籽粒宽度（GW）之间并没有相关关系。这些结果表明，针对收获期籽粒含水量而言，短苞叶可能是优先选择的性状。

表2 杂交种产量及性状与收获期籽粒含水量相关性Table 2 Correlation coefficients of maize yield and character with gain water content during harvest

2.3.2 不同杂优模式间表型性状与收获期籽粒含水量的相关性

对不同模式下苞叶及籽粒性状的BLUP 值与收获期籽粒含水量进行相关分析。由图2 可知，3 种模式下，苞叶长度均与收获期含水量有着显著的正相关关系，相关系数分别为0.481、0.613、0.675；籽粒深度与收获期含水量有着显著的正相关关系，相关系数分别为0.452、0.587、0.660。而在模式Ⅱ中，4 种性状均达到了显著正相关，其中苞叶层数与收获期籽粒含水量的相关系数为0.430，籽粒宽度与收获期籽粒含水量的相关系数为0.450。以杂优模式Ⅱ进行种质创新时，苞叶及籽粒的性状与杂交种水分的关系可能更复杂。

图2 不同杂优模式下苞叶及籽粒性状与收获期籽粒含水量相关性分析Fig.2 Correlation analysis of character and grain water content during harvest in different hybrid modes

2.4 不同杂优模式间苞叶及籽粒性状表型可塑性差异比较

利用不同环境的苞叶性状计算其变异系数，代表苞叶性状的表型可塑性。通过对比不同杂优模式间苞叶及籽粒性状表型可塑性的差异，可以区分不同杂优模式对表型可塑性的效应。对比同一性状的表型可塑性在不同杂优模式中的表现（图3）。对于苞叶长度，变异系数大小顺序为：模式Ⅱ>模式I>模式Ⅲ，且模式Ⅱ明显高于其他两模式，这表明模式Ⅱ组合的杂交种苞叶长度可能对环境敏感；对于籽粒宽度，变异系数大小顺序为：模式Ⅱ>模式Ⅲ>模式I，且模式Ⅱ明显高于其他两模式，这表明模式Ⅱ组合的杂交种籽粒宽度可能对环境敏感；对于苞叶层数、籽粒深度两个性状，变异系数的中值在各杂优模式下差异不大。对比同一杂优模式下，不同苞叶及籽粒性状表型可塑性的表型，模式I中籽粒宽度表型可塑性最小，模式Ⅲ中苞叶长度表型可塑性最小，说明不同地点可能对其影响较小；而在模式Ⅱ中，苞叶长度的表型可塑性最大，说明杂优模式Ⅱ组配的杂交种，可能更易因环境变化而改变。

图3 不同杂优模式下苞叶及籽粒性状表型可塑性分析Fig.3 Phenotypic plasticity distribution for husk and gain character in different hybrid modes

3 讨论与结论

适宜粒收的玉米新品种欠缺是限制我国全程机械化推广的主要原因之一，而我国不是玉米起源地，遗传基础狭窄问题仍然存在[35]，种质资源创新是育种的重要过程。现国内玉米亲缘关系复杂，常规育种效率较慢，因此结合分子辅助手段进行基因分型，已经是很多育种团队的首要任务[36]。依据分群结果，结合杂种优势模式的原理，优先聚积和保持每个群的特征性优点，逐渐克服不良性状，使双亲具有尽可能多的有利等位基因达到优良性状互补[37]。本文结合前人研究基础，以“两群理论”为主导思路[7-8]，通过SNP 基因芯片快速将自交系系划分父本群、母本群两大类，结合本团队审定品种效率较高的3 种杂优模式，按照基因型结果分成6个亚群，旨在减少组配数量，缩减田间压力，提高鉴定精度，进一步提升育种效率。

随着东华北地区适宜粒收品种需求程度的提升，无论在杂交种鉴定还是新材料筛选，较低的收获期籽粒含水量逐渐成为主要的育种目标。如前所述，国内外早有研究报道收获期籽粒含水量与苞叶及籽粒性状联系紧密[15-25]，本文研究发现，全部测试群体的产量、苞叶长度及籽粒深度对收获期籽粒含水量有显著影响，而籽粒宽度与苞叶层数相关系数没有达到显著水平。王振华等[38]发现在我国北方地区，玉米普遍存在籽粒水分和产量相矛盾的问题；李璐璐[24]等众多学者均发现苞叶长度对收获期籽粒含水量影响显著，这与本研究结果一致。而对苞叶层数、籽粒大小等，有不同的结果[21]，这可能由于玉米的苞叶松散，可更快速地降低收获期籽粒含水量；而籽粒的体积、粒型、容重等综合因素导致结果有差异，所以针对这些性状有待进一步研究。

关于植株农艺性状、产量及相关性状与玉米籽粒含水量及脱水速率的关系，前人已做了不少研究，但迄今为止尚未见对不同杂优模式间苞叶及籽粒性状与籽粒含水量的相关研究。本研究结果显示，在3 种模式下，苞叶长度与收获期籽粒含水量均达到显著相关，可为新材料创新的筛选鉴定提供数据支撑。而苞叶层数在模式I与模式Ⅲ中没有明显的差异关系，这可能与本团队近年来对自交系苞叶松紧度的选择有关。在模式Ⅱ中，4种性状均与籽粒收获期含水量呈现正相关趋势，E、F群中黄旅的血缘占比多，可能导致杂交后代水分大，脱水慢。基因型与环境之间的互作会导致异地条件下苞叶性状发生改变[21]，进而影响苞叶性状的异地育种与籽粒的机械收获。

本研究结果表明：（1）苞叶长度与籽粒深度的育种改良有利于控制籽粒收获期的含水量，但苞叶长度更容易受到环境的影响而产生差异；（2）对比本研究的3 种杂优模式，模式I与模式Ⅲ相对于模式Ⅱ更容易获得产量高且收获期含水量低的新品种。