甜玉米種質資源的品質性狀分析

劉新月， 董安憶， 田馨玉， 王亞飛， 李 嬌， 楊亞桐， 段會軍

(河北農業(yè)大學 華北作物種質資源研究與利用教育部重點實驗室， 河北 保定 071001)

甜玉米(ZeamaysL. saccharata Sturt)為玉米屬(ZeamaysL.)的一個亞種，即甜質型玉米亞種，是玉米籽粒胚乳中控制糖分代謝的基因突變而產生的突變體[1]。迄今，已發(fā)現(xiàn)su1、su2、sh1、sh2、bt1、bt2、se等多個玉米胚乳隱性突變體基因，這些突變體基因可使玉米灌漿期和乳熟期籽粒胚乳中碳水化合物的組合發(fā)生變化，增加其乳熟期籽粒中可溶性糖(蔗糖、葡萄糖、果糖等)的含量，并減少淀粉的含量，從而大大改善玉米的食用質量，這些突變體被稱為“甜玉米”[2-4]。甜玉米的乳熟期籽粒不僅營養(yǎng)含量豐富，而且含糖量為普通玉米的2～7倍，特別是含有較高的優(yōu)質蛋白和氨基酸，俗有“水果之王”、“蔬菜之王”的美譽[5]。甜玉米具有較高的營養(yǎng)價值、加工價值和經濟價值，并且其技術含量和遺傳附加值較高，故又被稱為“遺傳增值玉米”[6]。目前，甜玉米主要用于鮮食、生食、餐飲、速凍甜、罐頭、醫(yī)療保健等，是一種具有廣闊發(fā)展空間及良好發(fā)展前景的即食和加工兼用型作物[7]。

豐富的種質資源是甜玉米育種發(fā)展的重要前提條件[8]。甜玉米最早起源于美國，我國甜玉米的育種資源大部分依靠境外引進，甜玉米種質資源在國內較匱乏，且資源間的親緣關系較狹窄，為甜玉米育種工作增加了困難[8-10]。我國甜玉米育種的研究相對較晚，但發(fā)展迅速；甜玉米的產量已有突破性進展，但現(xiàn)有甜玉米品種品質不佳，甜玉米的品質性狀還需進一步提升。甜玉米食用品質主要表現(xiàn)在甜度、柔韌性、風味等方面。營養(yǎng)品質主要包括氨基酸、蛋白質、淀粉、脂肪等營養(yǎng)成分[9]。柔韌性是甜玉米食用品質的一個重要方面，甜玉米的柔韌性與種皮厚度呈負相關[9]。近年來，隨著國民經濟的迅速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，人們對高品質甜玉米的需求量不斷增加，選育高品質、口感好的甜玉米成為甜玉米種植產業(yè)的迫切需求[1，11-12]。

在甜玉米品質性狀研究方面，國內外學者做了大量工作。甜玉米的含糖量是甜玉米品質的重要因素之一[13-14]。sul基因在玉米乳熟期能阻止糖分向淀粉轉化，積累大量水溶性多糖(WSP)，使糖分含量顯著高于普通玉米，形成甜玉米類型[15]。BAILEY等[16]研究認為，玉米的種皮厚度決定其柔韌性，二者呈顯著負相關，種皮越薄，柔韌性越好，直接影響甜玉米食用品質。祁新等[17]研究表明，甜玉米的可溶性糖、蛋白質、淀粉和脂肪的廣義遺傳力均較高，并且顯著相關。因此，在甜玉米育種中，除要提高含糖量外，更要注意各營養(yǎng)成分之間的平衡。

為選育高產優(yōu)質的甜玉米自交系，掌握其種質資源品質性狀是關鍵，鑒于此，以50個甜玉米自交系為材料，測定其氨基酸、蛋白質、淀粉、脂肪、含水量、種皮厚度等品質指標，綜合評價自交系甜玉米品質，并采用SPSS系統(tǒng)聚類分析法對50個甜玉米自交系進行系統(tǒng)聚類分析，以期為提高甜玉米的育種效率及優(yōu)良種質資源的高效利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料

供試的50個甜玉米自交系材料(表1)均由國家玉米改良中心河北分中心提供。于2018年5月將50個甜玉米自交系種植于保定市河北農業(yè)大學試驗基地，其地塊平整方正、肥力均勻、灌溉便利。于2018年7-8月將鮮食甜玉米分收、脫粒后根據(jù)測定所需備用。

表1 50份甜玉米自交系的名稱及代號

1.2 方法

1.2.1 試樣制備 將鮮食甜玉米分收、脫粒后各自交系留5粒鮮籽粒在-20℃冰箱內保存，用于測定種皮厚度；剩下的鮮籽粒用電子天平稱鮮重后放入干燥箱中于108℃殺青，再80℃烘干至恒重備用，其中用于測定蛋白質、氨基酸、淀粉的干籽粒在微型粉碎機中充分粉碎為粉狀樣品備用。

1.2.2 測定方法

1) 氨基酸、蛋白質和淀粉含量。氨基酸、蛋白質和淀粉含量采用近紅外谷物分析儀測定。取適量甜玉米樣品盛入直徑50 mm的樣品杯，用不銹鋼壓樣制樣器在樣品杯內制樣，掃描樣品的近紅外光譜，每個樣品重復裝樣3次。為保證測定結果的準確性和可靠性，在測定過程中，每天均用指定標準樣品校準儀器，工作環(huán)境要求溫度2～40℃，相對濕度0～85%，開機后預熱，一般在25℃下至少預熱30 min。

2) 脂肪含量。脂肪含量采用核磁共振儀測定，具體參照李然等[18]的NMR方法，并加以改進， 3次重復。

3) 含水量。含水量參照張憲政[19]用烘干法測定。

4) 種皮厚度。種皮厚度采用顯微測微尺法測定。用小刀將冷凍后的甜玉米籽?？v向切開再置于顯微鏡下用測微尺測量其種皮厚度，每個自交系測5粒，取均值，3次重復(每粒玉米選取種皮厚度均勻一致部分，分別測量3個不同部位)。

1.2.3 聚類分析 對50個供試甜玉米自交系相關數(shù)據(jù)進行聚類分析，采用歐氏距離對供試甜玉米自交系進行組內聯(lián)接聚類分析得到系統(tǒng)聚類分析的譜系圖，并對聚類分析結果進行差異顯著性檢驗，通過多重比較判斷不同類別各指標平均值間的差異顯著水平(5%)。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用SPSS 25.0進行聚類分析，采用Excel 2007繪制表格。

2 結果與分析

2.1 甜玉米自交系的聚類情況

從圖1看出，當閾值在15～20時將50個供試甜玉米自交系聚成5類，Ⅰ類甜玉米自交系有21個：石17511、XJT1、XJT2、HNS1、HNS2、HNS3-1、超甜8-2、甘黃甜4-1、116394、116385、116379、116375、IE100043、IE100244、IE100246、Myf01、IE100247、超甜玉米3、白Su5-3、超甜玉米1-2和甘紅甜1-1；Ⅱ類自交系有2個：116432和IE100097；Ⅲ類自交系有9個：TAO甜、617、IE100096、IE100242、Mbn02、Myf18、Gb1、M5-C和M928；Ⅳ類自交系有9個：LJS甜、SJZ-2、超甜ZM-2、甘紫甜1號、HHT1、116390、116455、M616和Gb2；Ⅴ類自交系有9個：黃Su7-8、甘黃甜、116359-60、116353、116485、HN01、IE100206、IE100243和IE100248。

2.2 甜玉米自交系的品質

從表2看出，5類甜玉米自交系中，氨基酸含量排在前13位的均屬Ⅲ類和Ⅳ類，其中Ⅲ類的IE100096最高，為25.22%，Ⅳ類的SJZ-2、116390和LJS甜與之接近。蛋白質含量排在前9位的均屬Ⅲ類和Ⅳ類，其中Ⅲ類的617、 TAO甜和IE100096分別位居第1位、第2位和第6位，Ⅳ類的116390、LJS甜、M616、 SJZ-2、超甜ZM-2和Gb2分別位居第3～5位和第7～9位。淀粉含量排在前8位的主要屬Ⅰ類和Ⅴ類，最高的是Ⅰ類的HNS2，Ⅴ類的甘黃甜其次，Ⅱ類的2個自交系分別排在第5位和第27位。脂肪含量排在前8位的均屬Ⅲ類和Ⅳ類，Ⅳ類的116390、Gb2、HHT1、SJZ-2和116455分別位居第1位、第3～5位和第7位；Ⅲ類的IE100096、617和IE100242分別位居第2位、第6位和第8位。含水量排在前11位的除最高的XJT2屬Ⅰ類外，其余均屬Ⅲ類和Ⅳ類，其中Ⅳ類的HHT1排第2位，隨后是Ⅲ類的Gb1、617和Myf18。種皮厚度以Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類的較薄，其中Ⅱ類的116432最薄，為44.87 μm，IE100097其次，為47.9 μm；Ⅳ類和Ⅴ類的較厚，其中Ⅴ類的甘黃甜最厚，為76.67 μm，Ⅳ類的M616其次，為75.01 μm。

表2 50個甜玉米自交系的各品質指標含量及種皮厚度

續(xù)表2

2.3 自交系類別間的差異顯著性

從表3看出，氨基酸含量和含水量居前2位的均是Ⅲ類和Ⅳ類，與其他3類差異顯著。蛋白質含量最高的是Ⅳ類，與Ⅰ類和Ⅱ類差異顯著，與Ⅲ類和Ⅴ類差異不顯著；Ⅱ類的蛋白質含量最低，與Ⅲ類和Ⅳ類差異顯著。淀粉含量最高的是Ⅱ類，與Ⅳ類差異顯著，與其他3類無顯著差異。脂肪含量Ⅳ類最高，Ⅲ類其次，二者均顯著高于Ⅰ類和Ⅱ類；Ⅱ類的脂肪含量最低。種皮厚度最高的是Ⅴ類，Ⅳ類次之，二者與其他3類差異顯著；Ⅱ類最低。

表3 不同類別甜玉米自交系各品質指標的差異顯著性

3 結論與討論

近紅外光譜分析法(Near infrared spectroscopy，NIRS)建立在數(shù)學模型之上，其準確性取決于定標曲線的精確度，定標曲線的高精確度和穩(wěn)定性確保了試驗結果的可靠性[20]。近紅外谷物分析儀具有快速、簡便、準確、樣品用量少、不破壞籽粒，且能同時測定作物的氨基酸、蛋白質、淀粉等優(yōu)點[21-22]。核磁共振技術(Nuclear magnetic resonance，NMR)基于原子核磁性技術，可用于快速定量分析檢測樣品脂肪，其對待測樣品無破壞性，而且測定簡便、快速、靈敏度高[23-24]。二者被廣泛應用于小麥、大豆、油菜等農作物品質性狀分析[25-27]中。

試驗通過SPSS系統(tǒng)聚類分析法，按品質相似性采用歐氏距離對50個甜玉米自交系進行組內聯(lián)接的聚類，將甜玉米自交系分為5類：Ⅳ類為高氨基酸、高蛋白、低淀粉、高脂肪、較高含水量、種皮厚度較厚的甜玉米自交系；Ⅲ類為較高氨基酸、較高蛋白、較低淀粉、較高脂肪、高含水量、種皮厚度較薄的甜玉米自交系；Ⅱ類甜玉米自交系的品質性狀整體較差，但種皮厚度最?。虎耦惡廷躅愄鹩衩鬃越幌档钠焚|性狀整體處于居中水平。各類甜玉米自交系間各品質指標有顯著差異，其中，親緣關系較近的IE100043、IE100244、IE100246、IE100247和HNS1、HNS2、HNS3-1聚到Ⅰ類，說明系統(tǒng)聚類分析得到的結果具有準確性和客觀性。較高水平類的IE100096、IE100242與低水平類的IE100097、中等水平類的IE100043、IE100244、IE100246、IE100247、IE100206、IE100243、IE100248親緣關系較近，卻被分在不同類別，可能是地點、季節(jié)、基因型及地點與基因型互作、季節(jié)與基因型互作對甜玉米品質性狀產生較大影響，導致自交系品質性狀發(fā)生改變，自交系差異變化較大[28-29]?？傊ㄟ^聚類分析的方法可較快速準確地對甜玉米品質進行類群劃分，對甜玉米種質資源的親緣關系研究的劃分具有重要作用[28，30]。

甜玉米品質研究成為甜玉米育種發(fā)展的瓶頸和重點，今后相當長的一段時間內，應重點加強對甜玉米種質資源的引進與發(fā)掘，以此拓寬甜玉米種質資源多樣性。依據(jù)50個甜玉米自交系各品質的測定與聚類分析，揭示了50個甜玉米品質性狀間的相互關系，育種材料選擇時可根據(jù)其關系進行選擇，從而簡化甜玉米育種程序，加快甜玉米育種進程，進而為提高甜玉米的育種效率及優(yōu)良種質資源的高效利用提供參考。