玉米自交系苞叶表型可塑性差异分析

夏浩然，徐涛，贺伟，李建，张敖， 阮燕晔，张立军，贺岩，崔震海，宋波

1.沈阳农业大学生物科学技术学院/辽宁省基因工程技术研究中心/沈阳市玉米全基因组选择育种重点实验室，沈阳 110866;2.辽宁省铁岭市农业科学院,铁岭 112000; 3.铁岭旭日农业技术开发有限公司,铁岭 112000; 4.内蒙古巴彦淖尔市科河种业有限公司,巴彦淖尔 015000;5.中国农业大学国家玉米改良中心,北京 100193；6.辽宁东亚种业有限公司/沈阳农业大学附属实验场，沈阳 110000

玉米作为中国种植面积最大的禾谷类作物，其产量直接影响中国粮食安全、农业生产和畜牧业的发展[1]。目前，我国农村劳动力日趋紧张，玉米籽粒的机械化收获势在必行[2]。然而，较高的玉米籽粒含水量导致在机收时籽粒容易破损[3]，适当的苞叶性状有利于籽粒收获期的物理脱水[4]。但在不同环境下苞叶性状易发生改变[5-6]，这种表型可塑性给宜机收品种选育和苞叶性状的异地引种带来了困难。表型可塑性，即同一个基因型在不同环境中产生表型差异的现象[7]，在植物中普遍存在[8]。表型可塑性的遗传变异与基因型和环境的互作密切关联[9]。产量性状表型可塑性的遗传结构在黑麦[10]、大麦[11]和玉米[12]中都有研究。苞叶是着生于玉米果穗柄并包裹果穗的变态叶鞘[13]。在不同环境下，苞叶长度、苞叶宽度、苞叶层数、苞叶厚度与苞叶松紧度等性状存在显著差异[5-6]。在果穗发育过程中，苞叶不仅具有保湿[14]、保温[15]、防虫[16]和防病[17]等保护果穗的功能，还具有贮存矿质营养和通过有限的光合作用增加碳源的功能[18-19]。但是，苞叶的保湿功能却在玉米收获期成为籽粒脱水的障碍。研究表明，短、窄、薄的苞叶性状有利于降低收获期玉米籽粒的含水量[20-22]。另一方面，苞叶过短会导致果穗露顶，影响灌浆并易受虫噬[23]；过长的苞叶会影响花丝伸出授粉，导致秃尖的形成[24]。因此，合适的苞叶结构是保证玉米果穗正常发育和收获期籽粒快速脱水的基础。但是，适合不同玉米种植生态区的合适苞叶结构不同，如南方收获期温度高、籽粒脱水快，但病虫害严重[25-26]，所以需要较长、较宽和多层的苞叶；而北方收获期温度低，籽粒脱水慢，则需要较短、较窄、少层的苞叶。因此，南北地区育种材料相互引种时，苞叶性状有可能发生不适应当地的改变。我国的玉米种质资源按照杂种优势可分成5大杂优群：兰卡斯特、旅大红骨、瑞德、唐四平头和PB群[27-28]，杂优群间包括苞叶性状在内的表型差异较大[29-30]。但是迄今为止尚未见关于5大杂优群苞叶表型可塑性差异的报道。本研究收集我国玉米5大杂优群50份自交系， 2014年在海南省三亚市、2015年在北京市和2017年在辽宁省铁岭市3种环境下测定各杂优群的苞叶长度、宽度和层数，分析不同杂优群之间苞叶性状可塑性的差异，旨在确定5大杂优群苞叶表型可塑性在异地引种的稳定性和敏感性。

1 材料与方法

1.1 试验材料

参考王懿波等[27]、王元东等[28]与王稼苜等[31]对中国5个骨干自交系的品种分类，分别从兰卡斯特、旅大红骨、唐四平头、瑞德和PB各取10个自交系，共50个自交系构成试验群体，自交系名称和所属杂种优势群见表1。

表1 50份玉米自交系名称及所属杂种优势群 Table 1 List of 50 maize inbred lines and their heterotic groups

1.2 田间试验

选择南方1种环境(2014年在海南省三亚市， 18°39′N，109°20′E，14SY)和北方2种环境(2015年在北京市，40°29′N，116°36′E，15BJ；2017年在辽宁省铁岭市， 42°13′N，123°60′E，17TL)。采用随机区组设计，单行区，行长2.5 m，行间距0.6 m，种植密度为45 000株/hm2。每种环境2个地块重复。田间管理同一般生产。14SY的播种到收获期为2013年11月10日至2014年3月15日，15BJ的播种到收获期为2015年4月20日至2015年9月20日，17TL的播种到收获期为2017年4月28日至2017年10月2日。

1.3 性状测定

籽粒完全成熟后，每个小区选长势一致的5株玉米，于收获期同一时间在田间测定苞叶长度、宽度和层数。通过调查大量自交系，发现第3片以后的苞叶长和宽变化不大，为取样调查方便，单叶水平的研究选取第3片苞叶[5]。

测定方法：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；苞叶宽度，选取测定苞叶长度的同一苞叶，用软绳尺测量苞叶1/2长度处的宽度；苞叶层数，从最外层到最内层调查苞叶总层数。

1.4 气象数据和玉米发育阶段划分

玉米生长期内当地气象站数据降雨量、平均日照时间、平均湿度、平均温度由铁岭旭日农业技术开发有限公司提供。

参考Hanway[32]对玉米生长期的划分，选取9个典型的阶段：一叶期(V1)、三叶期(V3)、拔节期(V6)、抽雄期(VT)、吐丝期(R1)、灌浆期(R2)、乳熟期(R3)、蜡熟期(R5)和完熟期(R6)。

1.5 数据分析

苞叶性状表型计算方式是将每种环境下2个重复的均值作为苞叶性状测量值，利用SAS软件计算最佳无偏线性估计值(best linear unbiased predication，BLUP)，构建的模型为：yi=μ+fi+ei+εi，模型中yi代表第“i”个家系的表型值，μ代表多种环境中表型的均值，fi为基因型效应，ei是环境效应，εi是残差。利用不同环境下苞叶性状测量值计算变异系数，表示苞叶性状可塑性，包括苞叶长度可塑性(phenotypic plasticity of husk length，PHL)、苞叶宽度可塑性(phenotypic plasticity of husk width，PHW)和苞叶层数可塑性(phenotypic plasticity of husk layer number，PHN)，并分析这些指标在种群内的相关性和不同杂优群之间的差异。

2 结果与分析

2.1 苞叶表型描述与方差组成

如表2所示，3个苞叶性状变异广泛。基因型、环境以及基因型和环境的互作都出现了显著的差异，除HL外重复之间没有显著差异。然而，通过对比发现环境的差异远远大于基因型与基因型和环境互作的差异。因此，苞叶的3个性状在不同环境间变化显著，受环境因素影响明显。

表2 苞叶性状的表型描述与方差组成 Table 2 Phenotypic performance and variance component of three husk traits

2.2 不同杂优群内苞叶表型可塑性的相关分析

为了确定杂优群内苞叶表型可塑性之间的相关性，计算了3个苞叶性状的表型可塑性间的皮尔森系数(表3)。结果显示：不同杂优群中苞叶性状表型可塑性之间的相关系数变幅为-0.79～0.79。在全部试验材料中，PHL和PHW的相关性最高；唐四平头与旅大红骨群的PHL与PHW也呈显著相关；在瑞德群中，PHL与PHN呈现极显著负相关；在旅大红骨群中，PHW和PHN呈现极显著正相关。

表3 不同杂种优势群中3个苞叶性状的表型可塑性相关分析 Table 3 Correlation analysis of phenotypic plasticity for three husk traits within heterotic groups

2.3 不同杂优群间苞叶性状表型可塑性的差异比较

通过对比不同杂优群间苞叶性状表型可塑性的差异，可以区分不同杂优群对苞叶表型可塑性的效应。对比同一苞叶性状的表型可塑性在不同杂优群中的表现(图1)，结果显示：对于苞叶长度，变异系数中值顺序为兰卡斯特>唐四平头>瑞德>旅大红骨>PB，兰卡斯特群明显高于后4个杂优群，这表明该群的苞叶长度可能对环境十分敏感；对于苞叶宽度，变异系数中值大小顺序为旅大红骨>兰卡斯特>瑞德>唐四平头>PB，前4个杂优群明显大于PB群，这表明PB群的苞叶宽度可能对环境不敏感；对于苞叶层数，变异系数的中值在各杂优群间差异不大。

图中不同色块上不同字母表示杂优群间具有显著性差异。Different letters on the color blocks indicate significant differences among heterotic groups．

对比同一杂优群内不同苞叶性状表型可塑性的表型，兰卡斯特和唐四平头群内3个苞叶性状的变异系数的中值均差异较小，兰卡斯特群PHN的分布范围最大，唐四平头群苞叶性状分布范围差异不大；瑞德群中，变异系数中值PHN>PHW>PHL，PHN分布的范围也最大；旅大红骨群中，变异系数中值PHW>PHN>PHL，PHL分布的范围也最小；PB群中，变异系数中值PHN>PHL>PHW，苞叶性状分布范围差异不大。

由于杂优群间苞叶表型可塑性的分布只能代表整体的差异，为分析个体的差异，进一步对苞叶表型和表型可塑性极大和极小的自交系进行比较。如表4所示，自交系间苞叶表型的极值差异明显，排序为苞叶长度>苞叶宽度>苞叶层数。其中苞叶长度、苞叶宽度和苞叶层数表型值最大的自交系分别是DAN360、QI205与SY3073，最小的为LK11、B73和自330；自交系间苞叶表型可塑性的极值比苞叶表型极值差异更大，苞叶宽度的极值比最大(99.1%)，苞叶长度与苞叶层数的极值比都超过了93%。值得注意的是，自330在全部家系中具有最低的苞叶层数，但其变异系数最大。说明该自交系苞叶层数虽少，但受环境影响很大。

表4 自交系间苞叶性状与苞叶可塑性极值的对比 Table 4 Comparison of extreme values of husk traits and husk plasticity traits in inbred lines

2.4 气象因子在不同环境下各生育期的动态变化

为了解不同气象因子在玉米各生育期的变化规律，推断其与苞叶表型可塑性的关系。本研究对14SY、15BJ和17TL 3种环境、玉米9个典型生长阶段的气象数据(降雨量、平均日照时间、平均相对湿度、平均气温)进行变化趋势分析。结果显示：14SY降雨量变化不大，15BJ在V6～R1期差异明显，17TL在VT～R2期差异明显(图2A)；但由于14SY全生育期人工灌溉，降雨量不能代表实际田间水分情况；平均日照时间14SY和15BJ均出现降-升-降的趋势，最高点分别为R2和R3期，17TL从V1-R1-R出现先降后升的趋势(图2B)； 15BJ和17TL平均相对湿度变化趋势基本一致，在R1和V6期出现2个峰值，14SY在除R3期外都处于最高且变化较小(图2C)；15BJ和17TL平均温度均呈现先升后降的趋势，峰值分别出现在R1和VT期，14SY变化不大(图2D)；对比环境间气象因子的变异系数(图2E)发现，平均日照时间的变异系数在V3～V6期、R1期和R6期出现3个峰值；平均气温的变异系数在V1～V3期显著降低，之后变化不大；平均相对湿度的变异系数呈现先降后升的趋势，R1期达到低谷； V1和V3期降雨量变异系数最高，但考虑到14SY是人工灌溉，这一差异对于田间实际土壤含水量没有影响。

A：降雨量； B：平均日照时间(ST)； C：平均相对湿度(RH)； D：平均气温(RT)；E：气象因子变异系数； V1:一叶期； V2:三叶期 ；V6:拔节期； VT:抽雄期； R1:吐丝期； R2:灌浆期； R3:乳熟期； R5:蜡熟期； R6:完熟期. A:Rainfall; B:Average sunshine time(ST); C:Average relative humidity(RH); D:Average temperature(RT); E:Coefficient of variation of the meteorological data； V1:First leaf stage; V2:Three leaf stage; V6:Jointing stage; VT:Tasseling stage; R1:Silking stage; R2:Blister stage; R3:Milk maturity stage; R5:Dough stage; R6:Physiological stage.

3 讨 论

通过对苞叶性状方差组成进行分析，发现3个苞叶性状均受环境因素影响显著，说明不同环境下苞叶变化明显。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[23]，进而影响苞叶性状的异地引种与籽粒的机械收获。本研究通过分析国内玉米五大杂优群在3种环境下苞叶性状的可塑性，发现在全部家系中，PHL与PHW显著正相关，这种表型可塑性的相关性与原始表型的相关性一致[5,32]。说明PHL和PHW可能具有协同调控的特点，因此，育种材料异地引种时关注其中一个性状的表型可塑性，即可预知另外一个性状的变化。

对比不同杂优群，发现兰卡斯特群PHL的中值明显高于其他杂优群，说明不同环境下该杂优群的苞叶长度较为敏感，可能出现较大的变化。贺文姝等[30]发现南方兰卡斯特群苞叶长度明显长于北方，符合南北引种对苞叶长度的需求；PB群PHW的中值明显低于其他杂优群，说明不同环境下该杂优群的苞叶宽度较为稳定。这可能是因为PB群含有热带血缘，对南方的环境具有较好的适应性。另外，兰卡斯特群PHN的中值相对较小。但有趣的是，该群内的自330在所有家系中苞叶层数最少，但表型可塑性却最大，且南方显著少于北方，这种表型可塑性不符合“南多北少”的要求，因此，在其异地引种时需格外谨慎。这种现象的发生可能是因为自330属于兰卡斯特群中一个特殊的家系，与兰卡斯特群内其他家系的亲缘关系较远[33]。对比不同苞叶性状的可塑性，苞叶层数受环境影响更明显，苞叶宽度只有旅大红骨群显著受环境影响，这些杂优群的相关苞叶性状在异地引种时需要谨慎对待。

玉米在发育过程中受降雨量、日照时间、气温、相对湿度等气象因素影响[34-35]。本研究调查的3种环境条件下，平均温度和湿度都在玉米生长前期差异较大，日照时间在生长的前、中和后期均有一个差异大的时段。Wang等[36]发现玉米苞叶在苞叶原基形成期(～30 d)和苞叶伸长期(～60 d)基因表达有很大的差异。因此，推测苞叶性状在生长前期受到平均温度、湿度和日照时间的影响，而中后期主要受日照时间影响较大。在大田栽培过程中，高温地区适时早播，低温地区适时晚播，减少异地间苞叶原基形成期的温差，可以降低表型可塑性获得稳定的苞叶表型。

综上，苞叶性状受环境影响显著。PHL和PHW具有协同调控的特点。对比五大杂种优势群的苞叶表型可塑性，发现旅大红骨群的苞叶长度和PB群的苞叶长度、宽度对环境不敏感，异地引种时这2个苞叶性状保持稳定。兰卡斯特群苞叶长度的环境可塑性大，且符合南长北短的苞叶长度要求，这类育种材料适合南北方相互引种。