不同遺傳背景玉米RIL家系種子的活力特征

趙博文,王 彬,紀(jì) 坤,薛 浩,趙霖熙,韓贊平

(河南科技大學(xué),河南 洛陽 471023)

0 引言

【研究意義】玉米(ZeamaysL.)種植面積超過水稻、小麥,位居主糧作物之首,在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上占有重要地位[1]。種子質(zhì)量是決定玉米產(chǎn)量的關(guān)鍵因素,而種子活力是判斷種子質(zhì)量高低的關(guān)鍵指標(biāo)。種子活力是指可以決定種子在發(fā)芽與出苗期間的活性程度和行為特征的綜合表現(xiàn)[2]。種子活力是復(fù)雜的綜合指標(biāo),受環(huán)境與遺傳因素的影響,目前常用的種子活力指標(biāo)有發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)等[3]。高活力的種子發(fā)芽整齊快速,植株健壯,為提高單產(chǎn)提供有力的保障。因此,研究玉米種子活力表現(xiàn),對玉米高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)新品種選育具有重要參考意義。【前人研究進(jìn)展】馬守才等[4]對12個(gè)小麥品種的10個(gè)種子活力性狀的遺傳變異進(jìn)行分析表明,種子活力在不同小麥品種間有顯著差異。余四斌等[5]對珍汕97B和明恢63雜交后代的30個(gè)重組自交系種子活力進(jìn)行遺傳分析表明,用活力指數(shù)可反映重組自交系種子活力的基因型差異。孫彩霞等[6]研究表明,玉米種子活力存在基因型差異。孫明濤[7]研究表明,玉米籽粒大小、整齊度和成熟度都會(huì)影響產(chǎn)量。重組自交系(RILs)是利用雜交產(chǎn)生的F2代經(jīng)過多次連續(xù)自交形成的永久性群體,其基因型基本純合,可以更準(zhǔn)確地測定每個(gè)株系的表型性狀[8-9]。【研究切入點(diǎn)】利用RILs群體對種子活力進(jìn)行遺傳變異研究,分析不同基因型差異,可為下一步尋找種子活力相關(guān)QTL基因奠定基礎(chǔ)。目前,使用玉米重組自交系群體對籽粒性狀與種子活力關(guān)系規(guī)律的研究較少。【擬解決的關(guān)鍵問題】通過測定2個(gè)玉米RILs群體的籽粒性狀和發(fā)芽性狀,分析后代種子與雙親的分離特征及各指標(biāo)的相關(guān)性,對不同RILs株系進(jìn)行綜合評價(jià),揭示玉米種子活力性狀遺傳關(guān)系,尋找種子活力高的玉米RIL株系,為玉米雜交育種提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料為豫82×沈137(群體1)和豫537A×沈137(群體2)2個(gè)玉米重組自交系(RILs)各25個(gè)株系(表1)及3個(gè)親本(豫82、豫537A和沈137)的種子。豫82和豫537A均由河南農(nóng)業(yè)大學(xué)選育,沈137由沈陽農(nóng)業(yè)科學(xué)院選育。豫537A和沈137是河南省審定的玉米品種豫玉34號的親本,2個(gè)親本具有不同的遺傳背景,種子活力指標(biāo)差異較大。豫82選自豫綜5號的改良群體,發(fā)芽力好,株型緊湊。河南農(nóng)業(yè)大學(xué)分別以豫537A和豫82為母本、沈137為父本進(jìn)行雜交,獲得F1種子并種植后收獲F2種子,通過單粒傳法連續(xù)多代自交,獲得豫82×沈137(群體1)和豫537A×沈137(群體2)2個(gè)重組自交系(RILs)群體。

1.2 試驗(yàn)方法

以重組自交系豫82×沈137(群體1)和豫537A×沈137(群體2)各25份RIL家系及3個(gè)親本種子為材料,每份材料300粒種子,測定玉米種子的籽粒性狀和發(fā)芽性狀,考察后代與雙親籽粒性狀和發(fā)芽性狀的分離特征及各指標(biāo)的相關(guān)性。

1.2.1 籽粒性狀測定 種子籽粒性狀包括籽粒長、籽粒寬、百粒重、含水量、電導(dǎo)率、蛋白質(zhì)含量、丙二醛(MDA)含量和可溶性糖含量。取5粒玉米種子,用游標(biāo)卡尺測量長和寬。隨機(jī)數(shù)取100粒玉米種子并稱重,重復(fù)2次取平均值作百粒重。含水量測定采用高溫烘干法,選取10粒種子稱鮮重,然后在105℃的高溫烘箱中殺青0.5 h,再調(diào)至75℃恒溫烘干至恒重。隨機(jī)取10粒樣品種子,用蒸餾水沖洗3次,在燒杯里用蒸餾水浸泡24 h,然后用電導(dǎo)儀測定浸出液的電導(dǎo)率。蛋白質(zhì)含量測定采用考馬斯亮藍(lán)法[10]。丙二醛(MDA)、可溶性糖含量測定采用雙組分分光光度計(jì)法[11]。

含水量=[(鮮重-干重)/鮮重]×100%

1.2.2 發(fā)芽性狀測定 采用砂培法進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(yàn)測定[12]。將細(xì)砂放在烘箱中160℃烘2 h,冷卻后加入蒸餾水?dāng)嚢柚量梢晕粘蓤F(tuán)不散開、無水在表面即可。每個(gè)玉米株系選取均勻一致的種子16粒,重復(fù)3次共48粒種子。發(fā)芽床用75%酒精擦拭,種子用3%高錳酸鉀溶液浸泡15 min,將種子1穴2粒、呈對角線放入鋪好砂的發(fā)芽床中。在25℃光照、日照14 h、黑暗10 h的光照培養(yǎng)箱發(fā)芽10 d。每天統(tǒng)計(jì)種子發(fā)芽數(shù),發(fā)芽結(jié)束后,計(jì)算發(fā)芽率(GP)、發(fā)芽勢(GE)、發(fā)芽指數(shù)(GI)、活力指數(shù)(VI)。

發(fā)芽率(GP)=第10天正常發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%

發(fā)芽勢(GE)=發(fā)芽第6天正常發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%

發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑(Gt/Dt)

活力指數(shù)(VI)=GI×s

式中,Gt為不同發(fā)芽天數(shù)(t天)發(fā)芽的種子數(shù),Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù),s為幼苗干重。

1.2.3 幼苗性狀測定 發(fā)芽結(jié)束后選取5株長勢均勻的幼苗,測定苗長和苗干重。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Microsoft Excel 2016和SPSS 24軟件進(jìn)行描述性分析、相關(guān)性分析和主成分分析。主成分綜合得分(F)參照潘天遵等[13]的方法計(jì)算。

2 結(jié)果與分析

2.1 親本發(fā)芽和幼苗性狀與重組自交家系群體分離特征

由表2可看出3個(gè)親本的發(fā)芽和幼苗性狀及其重組自交家系后代群體與雙親的分離特征。

表2 親本和重組自交系群體性狀的表型變異Table 2 Phenotypic variation of kernel and germination traits of parents and recombinant inbred lines

2.1.1 親本發(fā)芽和幼苗性狀 父本沈137的發(fā)芽率和發(fā)芽勢高于群體2母本豫537A,苗長高于群體1母本豫82,其他性狀均低于2個(gè)母本,3個(gè)親本的發(fā)芽和幼苗性狀差別較大。

2.1.2 群體分離特征 在豫82×沈137的群體中(群體1),發(fā)芽勢的變異系數(shù)最大,為56.38%;其次為發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù),變異系數(shù)分別為45.63%和41.86%;最小的是籽粒寬,變異系數(shù)為7.38%。后代群體的百粒重、苗長、苗干重、發(fā)芽率和發(fā)芽勢的變異范圍超過雙親值,呈雙向超親分離特征。根據(jù)群體1各性狀的偏度和峰度,除發(fā)芽率外,其余8個(gè)性狀的偏度和峰度絕對值均小于1,呈近似正態(tài)分布,表現(xiàn)出數(shù)量性狀的特征。

在豫537A×沈137后代群體中(群體2),發(fā)芽勢的變異系數(shù)最大,為68.67%;其次為活力指數(shù)和發(fā)芽指數(shù),變異系數(shù)分別為57.98%和53.42%;變異系數(shù)最小的是籽粒長,為8.27%。后代群體的籽粒寬、百粒重、苗干重和發(fā)芽率的變異范圍超過雙親值,呈雙向超親分離特征。根據(jù)群體2各性狀的偏度值和峰度值,除苗長和發(fā)芽率外,其余7個(gè)性狀的偏度和峰度絕對值均小于1,呈近似正態(tài)分布,表現(xiàn)出數(shù)量性狀的特征。除籽粒長外,群體2其他性狀的變異系數(shù)均高于群體1。

2.2 2個(gè)玉米RILs群體籽粒性狀與發(fā)芽性狀的相關(guān)性

從表3看出,在群體1中,種子活力指數(shù)、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢、發(fā)芽率4個(gè)發(fā)芽性狀間呈顯著或極顯著正相關(guān),其中,發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)呈極顯著正相關(guān),相關(guān)系數(shù)最高(0.868**)。百粒重、籽粒長、籽粒寬3個(gè)籽粒性狀呈顯著或極顯著正相關(guān),其中,籽粒長與籽粒寬呈極顯著相關(guān),相關(guān)系數(shù)最高(0.508**)。電導(dǎo)率與百粒重呈顯著負(fù)相關(guān)(-0.462*)。整體看,玉米籽粒性狀與發(fā)芽性狀之間無顯著相關(guān)性。

表3 2個(gè)RILs群體種子籽粒性狀與發(fā)芽性狀的相關(guān)系數(shù)Table 3 Correlation analysis of kernel traits and germination traits in two RILs populations

群體2中活力指數(shù)、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢、發(fā)芽率、苗長5個(gè)發(fā)芽性狀間呈顯著或極顯著正相關(guān),其中,發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)相關(guān)系數(shù)最高(0.917**)。百粒重、籽粒長、籽粒寬3個(gè)籽粒性狀間呈顯著或極顯著正相關(guān),其中,籽粒寬與百粒重的相關(guān)系數(shù)最高(0.830**)。電導(dǎo)率與百粒重、籽粒長、籽粒寬呈極顯著負(fù)相關(guān),與含水量呈極顯著正相關(guān)。電導(dǎo)率與苗干重、苗長、發(fā)芽率、活力指數(shù)呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)(-0.654**、-0.452*、-0.428*、-0.505*)。在籽粒性狀與發(fā)芽性狀關(guān)系中,百粒重與發(fā)芽率和活力指數(shù)呈顯著正相關(guān)(0.415*、0.400*)。

2.3 2個(gè)玉米RILs群體籽粒性狀與發(fā)芽性狀的主成分分析

2.3.1 主成分貢獻(xiàn)率 主成分分析認(rèn)為,特征值大于1的為主成分。從表4看出,群體1中有5個(gè)特征值大于1,5個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率分別為28.466%、16.951%、13.177%、12.222%和7.963%,累計(jì)貢獻(xiàn)率為78.778%,可代表原始性狀攜帶的大部分信息。第一主成分中特征向量較高且為正值的性狀為發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、發(fā)芽勢和發(fā)芽率。

表4 2個(gè)玉米RILs群體種子籽粒性狀與發(fā)芽性狀主成分載荷矩陣Table 4 Principal component loading matrix of kernel traits and germination traits of two maize RILs populations

群體2中有4個(gè)特征值大于1,4個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率分別為38.930%、18.841%、10.703%和7.941%,累計(jì)貢獻(xiàn)率為76.414%,可代表原始性狀攜帶的大部分信息。第一主成分中特征向量較高且為正值的性狀為百粒重、苗長、活力指數(shù)和發(fā)芽率。

2.3.2 2個(gè)玉米RILs群體籽粒及發(fā)芽性狀綜合評價(jià) 從表5看出,在群體1的25個(gè)株系中,根據(jù)F值排序,前5名分別是10H2028、10H2060、10H2125、10H2027、10H2055,其F值分別為56.27、54.00、51.49、51.08、51.04,表明5個(gè)株系的種子籽粒性狀與發(fā)芽性狀較好。在群體2的25個(gè)株系中,F值排序前5名的分別是10H1884、10H1948、10H1998、10H1858、10H1996,F值分別為159.71、126.05、123.13、121.07、113.09,表明5個(gè)株系籽粒性狀與發(fā)芽性狀綜合表現(xiàn)較好。

表5 2個(gè)玉米RILs群體籽粒及發(fā)芽性狀的主成分綜合評價(jià)(F值) Table 5 Principal component comprehensive evaluation of kernel traits and germination traits of two maize RILs populations

群體1的F值波動(dòng)較小,最高和最低相差43.93,整體水平較低;群體2的F值波動(dòng)較大,最高和最低相差127.34,整體水平高于群體1。

3 討論

變異系數(shù)是衡量群體中各性狀變異程度和遺傳穩(wěn)定性的統(tǒng)計(jì)量,群體中某個(gè)性狀的變異系數(shù)越大,說明該性狀的變異程度越豐富,在育種上有利于極端株系的選擇[14-15]?；萁ǖ萚16]對水稻重組自交系進(jìn)行耐冷性鑒定,利用7個(gè)變異系數(shù)最大的性狀作為水稻苗期耐冷鑒定的主要形態(tài)指標(biāo)篩選出耐冷性強(qiáng)的6個(gè)家系。本研究中除玉米籽粒長外,群體2(豫537A×沈137)其他8個(gè)性狀的變異系數(shù)都大于群體1(豫82×沈137),說明群體2的變異程度豐富,在玉米新品種選育中優(yōu)勢比群體1大,可提供更大的選擇范圍。在2個(gè)玉米RIL群體中變異系數(shù)較大的均為發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)等種子發(fā)芽性狀,這些性狀是衡量種子活力的重要指標(biāo),對高活力種子的選育有重要參考價(jià)值。

玉米RIL群體的籽粒和發(fā)芽性狀間存在極顯著或顯著相關(guān),其中,2個(gè)RIL群體中活力指數(shù)與發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)都成極顯著正相關(guān),與發(fā)芽率呈顯著正相關(guān),與錢慧慧[17]對小麥種子活力的研究結(jié)果相似。在2個(gè)群體中,種子化學(xué)成分(蛋白質(zhì)含量、可溶性糖含量、MDA含量)與種子發(fā)芽性狀相關(guān)性不顯著,說明不能用蛋白質(zhì)含量、可溶性糖含量和MDA含量對種子活力的高低進(jìn)行鑒定,該結(jié)論與郝奇慧[18]對玉米種子的研究結(jié)論一致。群體1中百粒重與發(fā)芽性狀相關(guān)性不顯著,而群體2中百粒重與苗干重呈極顯著正相關(guān),與發(fā)芽率和活力指數(shù)呈顯著正相關(guān)。前人對種子粒重與種子活力的研究得出不同結(jié)論,佘寧安等[19-20]對不同玉米進(jìn)行研究表明,千粒重與種子活力相關(guān)性很低;MLATUDI等[21-22]研究認(rèn)為,玉米種子不同單粒重對種子活力有影響。

主成分分析可將多個(gè)性狀所含的信息簡化,轉(zhuǎn)化為幾個(gè)可以概括大部分作物信息的主成分[23]。研究使用主成分分析將群體1的14個(gè)性狀轉(zhuǎn)化為5個(gè)主成分,累計(jì)貢獻(xiàn)率78.778%;將群體2的14個(gè)性狀轉(zhuǎn)化為4個(gè)主成分,累計(jì)貢獻(xiàn)率76.414%。2個(gè)玉米RIL群體第一主成分都反映種子活力。主成分分析得到2個(gè)RIL群體50個(gè)株系性狀的綜合得分,得分越高表明該株系的綜合性狀越好。群體1的25個(gè)株系整體表現(xiàn)較差;群體2的表現(xiàn)較優(yōu),其中,10H1884、10H1948、10H1998、10H1858和10H1996的綜合得分高,籽粒性狀及發(fā)芽性狀表現(xiàn)優(yōu)異,為選育高活力玉米新品種奠定種質(zhì)基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

對2個(gè)玉米RILs群體(群體1為豫82×沈137,群體2為豫537A×沈137)的籽粒性狀和發(fā)芽性狀進(jìn)行遺傳分析,2個(gè)群體的百粒重、苗干重和發(fā)芽率呈雙向超親分離,其中,發(fā)芽勢變異系數(shù)最大,群體1為56.38%,群體2為68.67%,2個(gè)玉米RILs群體可用于種子活力的QTL定位?；盍χ笖?shù)、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢和發(fā)芽率顯著相關(guān)。群體1的籽粒性狀與發(fā)芽性狀無顯著相關(guān),群體2的百粒重與發(fā)芽率、活力指數(shù)呈顯著正相關(guān)?；谥鞒煞址治鰧?個(gè)玉米RILs群體的籽粒性狀和發(fā)芽性狀進(jìn)行綜合評價(jià),群體2的得分明顯高于群體1,群體2中得分高的株系(10H1884、10H1948、10H1998、10H1858和10H1996)可用于育種實(shí)踐。