132份爆裂玉米自交系的相关性状鉴定及杂种优势类群划分

王雪飞 李婷婷 郑云霄 李召辉 贾晓艳 赵永锋祝丽英 宋伟彬 郭晋杰*

(1.河北农业大学 农学院/国家玉米改良中心河北分中心/华北作物改良与调控国家重点实验室,河北 保定 071001;2.中国农业大学 国家玉米改良中心,北京 100193;3.河北兆育种业集团有限公司,石家庄 050035)

爆裂玉米起源于美洲[1-2],是一种具有高膨爆特性的专用玉米。爆裂玉米的角质胚乳占比较大,并且果穗和籽粒比普通玉米小[3-4]。爆裂玉米的种皮比普通玉米的种皮厚,具有更好的热扩散率和热传导性,膨胀的体积也比普通玉米大。作为大众喜爱的食品,其营养价值非常高[5],具有高蛋白、高纤维素、低热量的特点,营养丰富,健康美味。美国最早在1880年对爆裂玉米进行商业化生产[6-7]。20世纪80年代,美国爆裂玉米进入我国消费市场,吸引了广大消费者。爆裂玉米在中国发展的40年里,通过育种家的不断努力,我国种质资源类型不断增加,部分爆裂玉米的品质已经超过了进口爆裂玉米品种。随着玉米多元化的发展,我国爆裂玉米的种植面积不断增加,其综合发展水平已和美国相当[8]。现在,我国已成为爆裂玉米消费大国之一。

当前提高爆裂玉米产量以及品质的主要途径依旧是利用杂种优势。利用杂种优势必须将种质资源划分清晰准确,才能减少育种选配时的盲目性,从而提高育种效率。目前各国育种者都在研究适应当地生态、生产条件的杂种优势群,建立具有高配合力类群和杂种优势模式。Nikolic等[9]对美国玉米组合进行了总结,将其分为四大类;我国的吴景锋[10]、曾三省[11]根据国内重要玉米杂交种的种质基础及亲缘关系将爆裂玉米划分为国内和国外类群两类;刘志斋等[12]把玉米自交系划分为五大类群;李玉玲等[13]利用SSR标记把来源广泛的56个爆裂玉米自交系划分为6个杂种优势群。这些划分对玉米自交系亲缘关系的认知和杂种优势组合选配起到了积极的推动作用,提高了玉米育种效率和水平。杂种优势划分对研究和掌握亲本的配合力并组配出强优势的杂交组合至关重要。

爆裂玉米的膨爆性状主要分为膨爆倍数和爆花率,根据市场需求和商品特性来看两者的指标越大越好[14]。目前玉米膨爆特性的相关性研究报道很多,王慧等[15]研究果穗性状和膨爆性状的相关性结果表明,膨爆倍数与穗长、穗行数、行粒数、穗粗均呈正相关,与秃尖长、百粒重均呈负相关。膨爆率与行粒数、穗粗均呈显著正相关,与穗长、秃尖长、行数、百粒重均呈正相关;邓金阳等[16]研究了爆花率与主要性状的相关分析,结果表明各性状对爆花率而言,穗重、膨爆倍数、蛋白质含量以直接作用为主,穗粗、轴重、轴粗、行粒数、含水量、脂肪含量等以间接作用为主;陈树宾等[17]研究了爆裂玉米籽粒性状和膨爆性状的相关性,结果表明籽粒体积与膨爆体积呈同步变异的趋势,即籽粒体积的增大,将提高膨爆体积与膨爆倍数,籽粒过大则会导致膨爆倍数的降低;王玉兰等[18]认为产量与膨爆性状相关性不大。

当前,我国对爆裂玉米的需求量日益增大[1],但是在爆裂玉米种质资源精准鉴评方面的研究鲜见报道。本研究采用SSR标记技术对来源广泛、基因型丰富的132份爆裂玉米自交系进行杂种优势类群划分、并结合穗部及膨爆相关性状测定,分析不同杂种优势类群爆裂玉米的相关性状差异,旨在筛选出不同类群中性状优良的种质资源,以期为开展爆裂玉米资源创制和组配新的爆裂玉米品种提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试132份爆裂玉米自交系由中国农业大学、西南大学、新疆农业大学、河南农业大学和河北省农科院等多所大学及科研院所提供。

1.2 试验设计

试验于2021年5月上旬种植在河北农业大学国家玉米改良中心河北分中心试验基地。采用完全随机试验设计,单行种植,行长4 m,株距25 cm,行距60 cm,种植区域周边要种植保护行,水肥管理与大田生产一致。期间进行田间调查,7月中旬进行套袋授粉。10月上旬收获,自然晾晒,通风干燥后进行试验室内考种。对爆裂玉米的穗长、秃尖长、穗粗、穗行数、行粒数、百粒重、容重等性状进行调查,同时对膨爆性状(膨爆倍数与爆花率)进行测量。

1.3 试验方法

1.3.1 穗部性状测定

待玉米成熟之后,收获自交的全部玉米果穗进行自然晾干,当果穗水分含量≤14 g/100 g时,每个自交系随机取5个果穗,使用智能考种机分别测量玉米果穗的穗长、穗粗、穗行数、行粒数、秃尖长性状,求各自交系的平均数。然后将果穗脱粒,用天平称取每份自交系的百粒重,重复3次,误差不超过5 g,求平均数。利用谷物水分测定仪测量爆裂玉米籽粒的容重,重复2次,2次结果值相差不超过3 g/L,取两次结果的平均值为容重的测定值[19]。

1.3.2 膨爆特性测定

爆裂玉米的果穗脱粒后,测定籽粒水分,使爆裂玉米含水量保证在11～14 g/100 g[20]。当达到临界温度时,爆裂玉米籽粒胚乳中的水分就会受热蒸发,籽粒内的压强达到临界值就会使籽粒发生膨爆[21]。每个自交系随机取100粒测量籽粒体积,然后放到爆米花机进行膨爆,取出爆米花,用1 000 mL的量筒测量爆米花的体积后,检验爆米花中爆花数和未爆花数并计算爆花率和膨爆倍数。重复3次,求平均值[15]。

1.3.3 DNA提取和基因型鉴定

采取试验室内培养的方式,幼苗培养到三叶期,取少量幼嫩叶片放入离心管中,倒入液氮后,不断的用研磨棒进行研磨,用CTAB法[22]提取玉米叶片DNA,经提取与浓度检测后,于-20 ℃条件下保存备用。40对核心引物对SSR标记进行基因型分析[23]。

1.3.4 数据分析方法

应用软件Microsoft Excel统计原始数据,计算平均数,同时对膨爆倍数和膨爆率进行计算和整理。计算公式如下:膨爆倍数(V2/V1)=爆花后容积/爆花前容积;爆花率=爆花粒数/试爆粒数[24]。

应用PowerMarkerV 3.25和MEGA 11.0软件对本试验爆裂玉米材料进行SSR聚类分析。根据SSR产物银染结果,有带记为1,无带记为0,数据缺失记为9,建立数据库。采用Nei等[25]的公式计算各自的遗传相似系数(Genetic similarity,GS)和遗传距离(Genetic distance,GD)。

GS=2Nij/(Ni+Nj)
GD=1-GS

式中:Nij为第i个材料和第j个基因型间共有的条带数;Ni和Nj分别为第i个材料和第j个材料各自的特有条带数。

使用SPSS 26.0对爆裂玉米爆裂性状与穗部性状表现进行分析和相关性分析;GraphPad Prism 8.0和Adobe iIIustrator 2020对爆裂性状进行箱线图分析和绘图。

2 结果与分析

2.1 膨爆及穗部性状表现分析

由表1可知,玉米籽粒容重的标准差最大为28.306,在不同自交系间表现最不稳定,容重作为衡量玉米籽粒品质重要的组成部分,说明自交系间的籽粒品质不一。其次是行粒数、爆花率的标准差,穗粗的最小为0.428,表明不同自交系间的爆裂玉米各个性状有差异,穗粗差别不大。

表1 爆裂玉米的穗部与膨爆性状分析Table 1 Analysis of ear and popping characters of popcorn

果穗的秃尖长变异系数最大为42.26%;行粒数的变异系数为32.45%;膨爆倍数的变异系数为31.83%;百粒重的变异系数为26.30%;穗长的变异系数为20.83%;穗粗的变异系数为15.85%;穗行数的变异系数为15.81%;爆花率的变异系数为6.98%;容重的变异系数为3.34%。综上,不同爆裂玉米自交系的籽粒膨爆特性和穗部性状均具有丰富的多样性,其中,果穗秃尖长的多样性最为丰富。

2.2 膨爆及穗部性状相关分析

从表2可知,爆花率与膨爆倍数呈极显著正相关,与穗行数、行粒数均呈显著负相关;膨爆倍数与穗行数、行粒数均呈显著负相关;穗长与穗粗、穗行数、行粒数、秃尖长均呈极显著正相关;穗粗与穗行数、行粒数均呈极显著正相关;穗行数与行粒数呈极显著正相关,与百粒重呈显著负相关。从相关性强弱来看,爆花率和膨爆倍数相关系数为0.670,在0.300～0.700,是中等程度的相关;爆花率与其他性状的相关系数均<0.300,为弱相关;膨爆倍数也与其他性状的相关系数<0.300,为弱相关。综上,爆裂性状中的爆花率、膨爆倍数与穗部性状相关程度不大。

表2 爆裂玉米穗部和膨爆性状的相关分析Table 2 Correlation analysis between ear and popping characters of popcorn

2.3 SSR标记聚类分析

由图1可知,选取40对SSR核心引物的扩增带型均清晰稳定,其基因型片段均<100 bp。不同爆裂玉米自交系根据条带的基因型位置进行带型统计归类,通过带型统计进行聚类分析。

聚类分析表明,将132个自交系分为5个不同的类群(图2)。Ⅰ类包括52个自交系;Ⅱ类包含24个自交系;Ⅲ类有40个自交系;Ⅳ类有12个自交系;Ⅴ类共有4个自交系。

M,DL2 000分子标记;XF1～XF66为爆裂玉米自交系编号。M, DL2 000 marker; XF1-XF66 are popcorn inbred line numbers.图1 引物umc1705在部分爆裂玉米自交系扩增结果Fig.1 Primer umc1705 amplification results in partial popcorn inbred lines

图2 132个自交系SSR标记聚类图Fig.2 Cluster analysis of 132 inbred lines based on SSR makers

2.4 不同类群间性状差异比较

由图3可知,从爆花率和膨爆倍数2个性状表现上来看,Ⅱ和Ⅴ类群有显著性差异,其他类群间无显著性差异;在穗部性状表现中,穗行数性状在Ⅰ和Ⅴ类群间有显著性差异,其他类群间无显著性差异;其他6个穗部性状均无显著性差异,表明群体结构对穗部性状的影响不大。

2.5 膨爆特性优良种质资源的筛选

将爆花率和膨爆倍数作为优良自交系筛选的首要条件,对收集的132份爆裂玉米材料进行数据分析,最终筛选出21个优良自交系,分别是类群Ⅰ的‘XF 6’、‘XF 11’、‘XF 12’、‘XF 57’、‘XF 88’、‘XF 95’、‘XF 105’、‘XF 107’、‘XF 110’、‘XF 115’、‘XF 122’、‘XF 125’、‘XF 126’;类群Ⅱ的‘XF 10’、‘XF 127’、‘XF 131’、‘XF 132’、‘XF 133’;类群Ⅲ的‘XF 36’、‘XF 74’、‘XF 137’,见表3。类群Ⅳ和类群Ⅴ自交系数量少且膨爆值都低于均值,不在筛选范围内。其中类群Ⅱ的‘XF 133’膨爆倍数是最高的。

(a)爆花率;(b)膨爆倍数;(c)穗长;(d)穗粗;(e)行粒数;(f)穗行数;(g)秃尖长;(h)百粒重;(i)容重(a) Popping rate; (b) Popping volume; (c) Ear length; (d) Ear diameter; (e) Kernels per ear; (f) Rows per ear; (g) Bald length; (h) 100-grain weight; (i) Unit weight不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。Different lowercase letters indicate significant differences (P<0.05).图3 爆裂玉米相关性状在不同类群中的差异比较Fig.3 Comparison of correlation traits of popcorn in different groups

表3 筛选膨爆特性优良的自交系Table 3 Screening of inbred lines with excellent popping characteristics

3 讨 论

玉米杂种优势类群的划分和杂种优势模式的建立推动了玉米育种的发展[26]。本试验除测定爆裂玉米的性状之外,同时又进行了不同杂种优势爆裂类群之间性状差异的研究,通过差异分析筛选出可用于组配育种的优异种质资源。近年来分子标记技术的发展为评价玉米种质基础提供了新手段[27]。目前类群划分最常用的方法是SSR分子标记法,SSR标记是建立在PCR基础之上的一种遗传标记,已有研究表明,SSR标记可应用于玉米种质遗传变异的研究及类群的划分[20,28]。该方法的特点是DNA用量少、呈共显性、多态性高、信息丰富等[29]。Taramino[30]1996年开始在玉米种质分析中应用SSR。随着SSR分子标记技术在普通玉米遗传分类的成功应用[12,20,23,28],在爆裂玉米的研究中也利用SSR分子标记技术进行了相关研究[13]。李玉玲等[31]利用SSR标记研究爆裂玉米自交系和普通玉米之间的遗传关系,表明SSR标记技术可以用于爆裂玉米自交系间的遗传多样性研究;包和平等[32]利用SSR标记分析45份爆裂玉米自交系遗传多样性,试验证明爆裂玉米具有较高的遗传多样性。本研究使用SSR分子标记法,利用40对玉米核心引物将来源广泛的132份爆裂玉米种质资源种群划分为5个杂种优势类群,表明类群间有广泛的遗传多样性。通过杂种优势类群划分可以扩增爆裂玉米种质资源,进一步改良自交系和组配杂交种。从而可以提高育种效率,同时保持较高的杂种优势水平。

爆裂玉米的膨爆性状与其他性状的相关性研究已有很多,但结果并不完全相同。李玉玲等[31]认为,之所以结论互不相同,是因为所用的试验方法、材料以及分析的方式都不一样,所以得到的研究结果也互不相同。但大多数相关研究指出,爆裂玉米的膨爆倍数与其爆花率之间存在着极显著的正相关关系,爆裂玉米的膨爆倍数、爆花率与爆裂玉米的穗粗、百粒重、产量、行粒数、穗行数等产量性状间都存在着显著的负相关关系[33-36]。本试验也进行爆裂性状相关性的研究,研究结果为爆花率与膨爆倍数呈极显著正相关,与穗行数、行粒数均呈显著负相关;膨爆倍数与穗行数、行粒数均呈显著负相关;穗长与穗粗、穗行数、行粒数、秃尖长均呈极显著正相关;穗粗与穗行数、行粒数均呈极显著正相关;穗行数与行粒数呈极显著正相关,与百粒重呈显著负相关。本研究结果与李玉玲等[33-34]的结果一致。从相关性强弱来看,膨爆性状与穗部性状相关性不大,因此在高产育种实践中要适当协调膨爆性状与产量的关系。

本研究进行爆裂自交系间性状多样性分析和比较类群间的性状差异,结果表明,爆裂玉米自交系间穗部性状和膨爆特性均具有丰富的多样性,不同类群爆裂玉米自交系的膨爆特性差异较大。通过差异分析筛选出21个膨爆性状优良的自交系,可用于爆裂玉米杂交种和选系基础材料的组配。

4 结 论

132份爆裂玉米自交系标准差最大为28.306,最小为0.428,表明自交系间各个性状品质差异大,且籽粒膨爆性状和穗部性状遗传变异系数均在3.34%～42.26%,具有丰富的遗传多样性。爆花率与膨爆倍数呈极显著正相关,与穗行数、行粒数均呈显著负相关;膨爆倍数与穗行数、行粒数均呈显著负相关;穗长与穗粗、穗行数、行粒数、秃尖长均呈极显著正相关;穗粗与穗行数、行粒数均呈极显著正相关;穗行数与行粒数呈极显著正相关,与百粒重呈显著负相关。通过SSR聚类分析将132份自交系分为5个杂种优势类群,把5大类群的性状进行差异性比较,综合膨爆性状和穗部性状多样性分析筛选出21个优异自交系,分别是类群Ⅰ的‘XF 6’、‘XF 11’、‘XF 12’、‘XF 57’、‘XF 88’、‘XF 95’、‘XF 105’、‘XF 107’、‘XF 110’、‘XF 115’、‘XF 122’、‘XF 125’、‘XF 126’;类群Ⅱ的‘XF 10’、‘XF 127’、‘XF 131’、‘XF 132’、‘XF 133’;类群Ⅲ的‘XF 36’、‘XF 74’、‘XF 137’。Ⅱ类群的‘XF 133’可以作为爆裂玉米遗传改良和杂交种组配的优异种质资源。