李昕，蔡泉，郭曉明，李樹軍，李云龍，李思楠，殷躍，王港慶，張建國

（1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院玉米研究所，哈爾濱 150000；2.東北農(nóng)業(yè)大學農(nóng)學院，哈爾濱 150000）

0 引言

據(jù)國家統(tǒng)計局報道，2019年我國玉米種植面積4 128 萬hm2，總產(chǎn)2.6億t，是我國種植面積最大和總產(chǎn)最高的作物。美國是世界上最早實現(xiàn)玉米機械化生產(chǎn)的國家，德國、法國等歐洲國家的玉米全程機械化生產(chǎn)也已經(jīng)實現(xiàn)，雖然我國玉米機械播種率已超過80%，但機械收獲率仍較低，籽粒直收不足5%[1]。玉米機械粒收是我國玉米機械收獲的發(fā)展方向和今后玉米生產(chǎn)轉型方式的重點，粒收水平低是制約我國玉米全程機械化發(fā)展的瓶頸[2]，選育推廣適合機械化粒收的玉米新品種是實現(xiàn)玉米粒收的有效途徑，而東北地區(qū)此類品種極少[3]。收獲期籽粒含水量是影響籽粒機收的主要因素[4]，合適的苞葉及籽粒性狀有利于籽粒收獲期的脫水，因此籽粒性狀是選育脫水快玉米新品種的重要指標，但在不同環(huán)境下表型性狀易發(fā)生改變[5-6]，這種表型可塑性給育種選擇帶來了困難。育種效率是個普遍問題，雜種優(yōu)勢群的劃分具有重要的指導意義，結合分子生物技術促進類群劃分，再按照雜種優(yōu)勢模式組配，就可方便地開展種質(zhì)擴增、改良與創(chuàng)新[7-8]。

表型可塑指的是同一個基因型在不同的環(huán)境下，表型產(chǎn)生差異的現(xiàn)象，在植物中普遍存在，可以是單一植株，也可以跨越世代，在植物的育種中扮演著重要的角色[9-11]。有關產(chǎn)量及脫水速率性狀的表型可塑性在玉米、黑麥和大麥中都有研究[12-14]。前人研究了不同苞葉及籽粒性狀對收獲期籽粒含水量的影響，大多數(shù)學者認為苞葉脫水快、層數(shù)少、長度短、寬度小等性狀有利于籽粒脫水，而張林等研究認為苞葉層數(shù)和厚度與收獲期籽粒含水率沒有顯著相關性；籽粒百粒重、粒寬、粒深等籽粒性狀對脫水速率影響顯著，但是不同學者的研究結論也存在差異[15-25]。玉米在長期的馴化過程中，表型和基因型水平上都形成了極為豐富的遺傳多樣性[26]，玉米全基因組芯片憑借數(shù)據(jù)共享性高、通量高、適用于多平臺檢測等優(yōu)點，可以快速準確進行玉米聚類分析[27-29]。合理準確地劃分雜種優(yōu)勢群，建立相應的雜種優(yōu)勢模式，才能有效地選配雜交組合。東華北早熟春玉米區(qū)種植面積約占全國的52%，該區(qū)域地勢相對平整，種植規(guī)模較大，現(xiàn)有玉米育種材料和雜交種難以實現(xiàn)全程機械化，生產(chǎn)迫切需要適合機械化玉米新品種[30-31]。而苞葉及籽粒的結構與收獲期籽粒含水量密切相關，因此對適合機收玉米新品種選育至關重要?，F(xiàn)在國內(nèi)外雜優(yōu)群較多，雜優(yōu)模式復雜，迄今為止尚未見關于雜優(yōu)模式與苞葉及籽粒表型可塑性差異的報道[32-34]。因此，本研究將選取本團隊玉米常用自交系69份，基于SNP 芯片的雜優(yōu)群劃分結果，分3 種雜優(yōu)模式進行組配，并分別種植在黑龍江省3 個市縣。旨在分析不同雜優(yōu)模式下，苞葉及籽粒性狀BLUP值與收獲期籽粒含水量的關系；比較模式間性狀表型可塑性的差異，明確創(chuàng)制新資源的高效雜優(yōu)模式，為選育收獲期籽粒含水量低的新品種提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

自交系材料：熟期接近（中、早熟組）的69份常用自交系（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學院玉米研究所提供），血緣來源黃系、旅系、瑞德、蘭卡斯特、Iodent、歐洲硬粒等。

1.2 試驗地點與田間管理

試驗材料于黑龍江省3 個試驗點進行，分別是哈爾濱市（126.868593° E，45.854272° N）、綏化市（126.993524°E，46.623479°N）、克山縣（125.849019°E，48.025307°N）。采用隨機區(qū)組設計，雙行區(qū)，行長5 m，行間距0.67 m，種植密度為67 500株/hm2，設置兩次重復。秋整地秋施肥，施肥量為：尿素、磷酸二銨、硫酸鉀按N30-P30-K10 600 kg/hm2。試驗地播后，芽前封閉除草用藥量為：90%乙草胺1.8 kg/hm2，38%莠去津3.3 kg/hm2，苗后除草用藥量為：35%煙?硝?莠525 g/hm2。

1.3 性狀測定

記錄出苗期，吐絲期。收獲時采取全區(qū)收獲方式，用鐵嶺東升測產(chǎn)系統(tǒng)測定小區(qū)產(chǎn)量及收獲期籽粒含水量。脫粒前考種，每個小區(qū)選取3穗測定苞葉長度、苞葉層數(shù)、籽粒寬度、籽粒深度，并取平均值。出苗期：全區(qū)60%以上的兩到三片葉的日期；吐絲期：全區(qū)60%以上的雌穗抽出花絲的日期；苞葉長度：選取玉米從外向內(nèi)第3 片苞葉，用軟繩尺測定長度；苞葉層數(shù)：從最外層到最內(nèi)層調(diào)查苞葉總層數(shù)；粒寬、籽深采用鐵嶺東升考種系統(tǒng)測量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

基因分型芯片為北京市農(nóng)林科學院玉米研究中心（Maize Research Center,Beijing Academy of Agriculture and Forestry Sciences）自主研制的Maize6H-60，利用Affy 商業(yè)化軟件Axiom Analysis 進行基因型分析，遺傳距離利用TASSEL軟件完成，聚類分析采用UPGMA方法。

TASSEL軟件計算遺傳距離公式如下：

IBS表示兩個玉米資源隨機選擇某個位點等位變異相同的可能性；對于具有A 和B 兩個等位變異的位點，pIBS（AA,AA）=1；pIBS（AA,BB）=0；pIBS（AB,XX）=0.5，其中XX表示任意基因型。對于兩個玉米資源，pIBS為全部非缺失位點的pIBS平均值。

以3 種模式為處理，3 個地點為環(huán)境變量，開花日期為協(xié)變量，分為兩次重復，利用R 語言包計算數(shù)據(jù)的最佳無偏線性估計值（Best linear unbiased predication，BLUP），分別用產(chǎn)量及性狀的BLUP 值與收獲期籽粒含水量計算皮爾森系數(shù)（Pearson correlation coefficient）進行相關性分析。

利用不同環(huán)境下4 個表型性狀測量值計算變異系數(shù)值表示表型性狀可塑性，包括苞葉長度表型可塑性（Phenotypic plasticity of husk length，PHL）、苞葉層數(shù)表型可塑性（Phenotypic plasticity of husk layer number，PHN）、籽粒寬度表型可塑性（Phenotypic plasticity of grain width，PGW）、籽粒深度表型可塑性（Phenotypic plasticity of grain depth，PGD），并分析這些指標在模式內(nèi)的相關性和不同雜優(yōu)群之間的差異。

2 結果與分析

2.1 雜優(yōu)群劃分及組合設計

芯片掃面后，獲得69個樣本SNP位點的原始數(shù)據(jù)。將這些數(shù)據(jù)利用Affy商業(yè)化軟件Axiom Analysis進行基因型分析，并計算個體間遺傳距離和遺傳相似度。按計算結果對69份材料進行聚類分析（見圖1），結果顯示69 份常用自交系分為兩大群（母本群A 與父本群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 三個亞群；父本群B 中又分D、F、H 三個亞群。根據(jù)基因分型結果，按雜優(yōu)模式I（mod1）：C×D；模式Ⅱ（mod2）：E×F；模式Ⅲ（mod3）：G×H，組配雜交種，每種模式組配20個組合，共計60份雜交種。

圖1 69份自交系聚類圖Fig.1 The cluster diagram of 69 inbred lines

2.2 產(chǎn)量及各性狀表型數(shù)據(jù)分析

對本研究所有產(chǎn)量（Yield）及主要農(nóng)藝性狀收獲期籽粒含水量（GM）、籽粒寬度（GW）、籽粒深度（GD）、苞葉長度（HL）、苞葉層數(shù)（HN）的表型進行統(tǒng)計分析（表1），得知60份雜交種的產(chǎn)量及主要農(nóng)藝性狀存在廣泛變異，且數(shù)據(jù)滿足正態(tài)分布。方差分析結果表明，產(chǎn)量及主要農(nóng)藝性狀在地點、組合、地點×組合間差異均達極顯著水平（P＜0.01），說明產(chǎn)量及苞葉、籽粒的表型性狀存在顯著差異，此差異主要受自身的遺傳基因控制，同時還受到不同生態(tài)環(huán)境的影響。

表1 性狀描述統(tǒng)計分析Table 1 Descriptive statistics for plant-typetraits of the association population

2.3 各性狀間的相關分析

2.3.1 各性狀與收獲期籽粒含水量的相關性

當不考慮雜優(yōu)模式時，利用整體產(chǎn)量及苞葉、籽粒的BLUP值與收獲期籽粒含水量進行相關分析。由表2 可知，全部雜交種中，產(chǎn)量（Yield）與籽粒收獲期含水量（GM）的相關系數(shù)為0.668**，呈顯著正相關。收獲期籽粒含水量（GM）與苞葉長度（HL）、籽粒深度（GD）均呈現(xiàn)正相關性，相關系數(shù)分別為0.453**和0.560**，均達到顯著差異水平；與苞葉層數(shù)（HN）及籽粒寬度（GW）的相關系數(shù)分別為0.105 和0.270，均接近于0，P>0.05，因而說明收獲期籽粒含水量（GM）和苞葉層數(shù)（HN）、籽粒寬度（GW）之間并沒有相關關系。這些結果表明，針對收獲期籽粒含水量而言，短苞葉可能是優(yōu)先選擇的性狀。

表2 雜交種產(chǎn)量及性狀與收獲期籽粒含水量相關性Table 2 Correlation coefficients of maize yield and character with gain water content during harvest

2.3.2 不同雜優(yōu)模式間表型性狀與收獲期籽粒含水量的相關性

對不同模式下苞葉及籽粒性狀的BLUP 值與收獲期籽粒含水量進行相關分析。由圖2 可知，3 種模式下，苞葉長度均與收獲期含水量有著顯著的正相關關系，相關系數(shù)分別為0.481、0.613、0.675；籽粒深度與收獲期含水量有著顯著的正相關關系，相關系數(shù)分別為0.452、0.587、0.660。而在模式Ⅱ中，4 種性狀均達到了顯著正相關，其中苞葉層數(shù)與收獲期籽粒含水量的相關系數(shù)為0.430，籽粒寬度與收獲期籽粒含水量的相關系數(shù)為0.450。以雜優(yōu)模式Ⅱ進行種質(zhì)創(chuàng)新時，苞葉及籽粒的性狀與雜交種水分的關系可能更復雜。

圖2 不同雜優(yōu)模式下苞葉及籽粒性狀與收獲期籽粒含水量相關性分析Fig.2 Correlation analysis of character and grain water content during harvest in different hybrid modes

2.4 不同雜優(yōu)模式間苞葉及籽粒性狀表型可塑性差異比較

利用不同環(huán)境的苞葉性狀計算其變異系數(shù)，代表苞葉性狀的表型可塑性。通過對比不同雜優(yōu)模式間苞葉及籽粒性狀表型可塑性的差異，可以區(qū)分不同雜優(yōu)模式對表型可塑性的效應。對比同一性狀的表型可塑性在不同雜優(yōu)模式中的表現(xiàn)（圖3）。對于苞葉長度，變異系數(shù)大小順序為：模式Ⅱ>模式I>模式Ⅲ，且模式Ⅱ明顯高于其他兩模式，這表明模式Ⅱ組合的雜交種苞葉長度可能對環(huán)境敏感；對于籽粒寬度，變異系數(shù)大小順序為：模式Ⅱ>模式Ⅲ>模式I，且模式Ⅱ明顯高于其他兩模式，這表明模式Ⅱ組合的雜交種籽粒寬度可能對環(huán)境敏感；對于苞葉層數(shù)、籽粒深度兩個性狀，變異系數(shù)的中值在各雜優(yōu)模式下差異不大。對比同一雜優(yōu)模式下，不同苞葉及籽粒性狀表型可塑性的表型，模式I中籽粒寬度表型可塑性最小，模式Ⅲ中苞葉長度表型可塑性最小，說明不同地點可能對其影響較?。欢谀Ｊ舰蛑?，苞葉長度的表型可塑性最大，說明雜優(yōu)模式Ⅱ組配的雜交種，可能更易因環(huán)境變化而改變。

圖3 不同雜優(yōu)模式下苞葉及籽粒性狀表型可塑性分析Fig.3 Phenotypic plasticity distribution for husk and gain character in different hybrid modes

3 討論與結論

適宜粒收的玉米新品種欠缺是限制我國全程機械化推廣的主要原因之一，而我國不是玉米起源地，遺傳基礎狹窄問題仍然存在[35]，種質(zhì)資源創(chuàng)新是育種的重要過程?，F(xiàn)國內(nèi)玉米親緣關系復雜，常規(guī)育種效率較慢，因此結合分子輔助手段進行基因分型，已經(jīng)是很多育種團隊的首要任務[36]。依據(jù)分群結果，結合雜種優(yōu)勢模式的原理，優(yōu)先聚積和保持每個群的特征性優(yōu)點，逐漸克服不良性狀，使雙親具有盡可能多的有利等位基因達到優(yōu)良性狀互補[37]。本文結合前人研究基礎，以“兩群理論”為主導思路[7-8]，通過SNP 基因芯片快速將自交系系劃分父本群、母本群兩大類，結合本團隊審定品種效率較高的3 種雜優(yōu)模式，按照基因型結果分成6個亞群，旨在減少組配數(shù)量，縮減田間壓力，提高鑒定精度，進一步提升育種效率。

隨著東華北地區(qū)適宜粒收品種需求程度的提升，無論在雜交種鑒定還是新材料篩選，較低的收獲期籽粒含水量逐漸成為主要的育種目標。如前所述，國內(nèi)外早有研究報道收獲期籽粒含水量與苞葉及籽粒性狀聯(lián)系緊密[15-25]，本文研究發(fā)現(xiàn)，全部測試群體的產(chǎn)量、苞葉長度及籽粒深度對收獲期籽粒含水量有顯著影響，而籽粒寬度與苞葉層數(shù)相關系數(shù)沒有達到顯著水平。王振華等[38]發(fā)現(xiàn)在我國北方地區(qū)，玉米普遍存在籽粒水分和產(chǎn)量相矛盾的問題；李璐璐[24]等眾多學者均發(fā)現(xiàn)苞葉長度對收獲期籽粒含水量影響顯著，這與本研究結果一致。而對苞葉層數(shù)、籽粒大小等，有不同的結果[21]，這可能由于玉米的苞葉松散，可更快速地降低收獲期籽粒含水量；而籽粒的體積、粒型、容重等綜合因素導致結果有差異，所以針對這些性狀有待進一步研究。

關于植株農(nóng)藝性狀、產(chǎn)量及相關性狀與玉米籽粒含水量及脫水速率的關系，前人已做了不少研究，但迄今為止尚未見對不同雜優(yōu)模式間苞葉及籽粒性狀與籽粒含水量的相關研究。本研究結果顯示，在3 種模式下，苞葉長度與收獲期籽粒含水量均達到顯著相關，可為新材料創(chuàng)新的篩選鑒定提供數(shù)據(jù)支撐。而苞葉層數(shù)在模式I與模式Ⅲ中沒有明顯的差異關系，這可能與本團隊近年來對自交系苞葉松緊度的選擇有關。在模式Ⅱ中，4種性狀均與籽粒收獲期含水量呈現(xiàn)正相關趨勢，E、F群中黃旅的血緣占比多，可能導致雜交后代水分大，脫水慢。基因型與環(huán)境之間的互作會導致異地條件下苞葉性狀發(fā)生改變[21]，進而影響苞葉性狀的異地育種與籽粒的機械收獲。

本研究結果表明：（1）苞葉長度與籽粒深度的育種改良有利于控制籽粒收獲期的含水量，但苞葉長度更容易受到環(huán)境的影響而產(chǎn)生差異；（2）對比本研究的3 種雜優(yōu)模式，模式I與模式Ⅲ相對于模式Ⅱ更容易獲得產(chǎn)量高且收獲期含水量低的新品種。