玉米-大芻草滲入系群體籽粒及品質性狀的綜合評價

摘 要：【目的】研究玉米-大芻草滲入系群體的品質差異，為選育高品質玉米品種提供依據。

【方法】對玉米-大芻草滲入系群體866份家系，采用主成分分析和聚類分析法綜合評價其籽粒（粒長、粒寬、粒厚、百粒重）和品質（蛋白質、淀粉、可溶性糖、賴氨酸、磷、鉀）等相關性狀。

【結果】10個性狀的變異較豐富，變異系數為6.401%～20.451%。籽粒性狀普遍與品質性狀負相關，而品質性狀間除淀粉、蛋白質和可溶性糖呈負相關，其余皆呈正相關。篩選出10份較為良好的自交系，其中第3類群皆包含其中。

【結論】該群體各個家系的籽粒及品質性狀均有不同程度的相關性，在后續產量與品質育種時，可依據其相關性定向選擇材料。篩選出了在淀粉、可溶性糖與粒重等方向性狀表現較好的自交系材料，可作為品質育種的核心種質資源。

關鍵詞：玉米；品質性狀；主成分分析；聚類分析

中圖分類號：S513 文獻標志碼：A 文章編號：1001-4330（2024）04-0885-07

0 引 言

【研究意義】玉米（Zea mays ssp. mays）籽粒富含淀粉、蛋白質、各類維生素和微量元素等，可供食用及飼用［1］。玉米可分為籽用玉米、青貯玉米和鮮食玉米。目前在我國籽用玉米的種植量最大，主要用作糧食、飼料和工業原材料等。青貯玉米是將包括玉米穗在內的玉米植株全部收割經過粉碎、加工后，將其發酵制成動物飼料。鮮食玉米與普通玉米相比具有甜、嫩、脆等特點。成熟的玉米中淀粉含量在55%～75%，蛋白質含量為9%左右［2］。大芻草籽粒含有52.92%的淀粉、28.71%的蛋白質，可通過遠緣雜交將大芻草的優良性狀與玉米重新組合，以達到玉米品質性狀定向改良的目的［3］。玉米蛋白質含量大概為8%～11%，雖含量有限，但含有8種必需的氨基酸［4］。世界上大約80%的淀粉來源于玉米，淀粉在玉米中所占比例也最大，玉米淀粉可用于食品加工、造紙、醫療等［5］。玉米籽粒中可溶性糖含量的高低決定著鮮食玉米甜度和口感，同時也是植株光合作用的主要產物和參與植物體內同化物運輸的主要形式，為玉米生長發育提供必需的能量［6］。玉米中可溶性糖含量變化與蔗糖和淀粉之間的轉化密切相關，授粉后期籽粒中淀粉的積累會不斷消耗蔗糖，進而降低可溶性糖的含量［7］。目前我國玉米親本種類較少且骨干自交系較為集中，遺傳基礎尚相對狹隘。大芻草具有遺傳變異豐富、抗性強等特點，通過將其與玉米自交系W22雜交構建新群體，通過分子手段將大芻草的優良性狀定位并克隆，有利于改變我國玉米種質資源基礎狹隘的狀況［8］。【前人研究進展】目前玉米綜合評價以農藝性狀［9-10］、品質性狀［11-12］較多，徐廣海等［13］通過對54個糯玉米自交系的籽粒淀粉物質組成和理化特性進行相關性和聚類分析，篩選出可用于改良糯玉米品質的骨干自交系。趙海軍等［14］分析150份改良玉米自交系的籽粒性狀和品質性狀，篩選出9份在籽粒和品質性狀方面表現水平均優于同類群體的自交系?！颈狙芯壳腥朦c】應用相關性分析、聚類分析［15］和主成分分析較為廣泛，但大多篩選自交系數量較少，且涉及到籽粒性狀與品質性狀的鮮見報道。需要綜合評價玉米-大芻草滲入系群體的品質性狀?！緮M解決的關鍵問題】選用866個家系的玉米-大芻草滲入系群體為材料，測定籽粒及品質性狀等10項指標，采用聚類及主成分分析綜合評價該群體，篩選玉米育種的關鍵指標，為發掘優良品質等位基因提供基礎材料。

1 材料與方法

1.1 材 料

1.1.1 供體親本

材料為玉米-大芻草滲入系群體，以玉米自交系W22作為受體親本和輪回親本，以玉米野生祖先種大芻草作為供體親本，通過雜交1次、回交2次和自交3次衍生而成，共包含866個家系。

1.1.2 主要儀器設備

谷豐光電數字化考種機：YTS-5D型（谷豐光電科技有限公司）；游標卡尺：內置藍牙卡尺［0～150］（三和量具儀器有限公司）；高速萬能粉碎機：FW-100型（天津泰斯特儀器有限公司）；電熱恒溫鼓風干燥箱：DHG-9023A型（上海一恒科學儀器有限公司）；紫外可見分光光度計：UV-1200型（翱藝儀器（上海）有限公司）；火焰光度計：M410型（英國SHERWOOD公司）。

1.2 方 法

1.2.1 籽粒性狀

從每個自交系中隨機選取100粒種子，使用谷豐光電數字化考種機進行粒長、粒寬、百粒重的測定，每個自交系重復測定5次，取平均值。

從每個自交系中隨機選取20粒種子，使用游標卡尺進行粒厚性狀的測定，取平均值。

1.2.2 品質性狀

參照鄧穗生等［16］方法測定蛋白質含量；采用雙波長比色法［17］測定淀粉含量；采用砷鉬酸比色法［18］測定可溶性糖含量；采用茚三酮比色法［19］測定賴氨酸含量；參照鮑士旦［20］的鉬酸銨分光光度法測定磷含量；采用火焰光度計測定鉀含量。

1.3 數據處理

用Excel 2019對粒長、粒寬、蛋白質和賴氨酸等性狀進行基本數據整理及變異分析；用Origin 2023軟件進行各性狀間的相關性分析和聚類分析；SPSS 23軟件進行主成分分析。

2 結果與分析

2.1 玉米-大芻草滲入系群體籽粒數據及其品質性狀變化

研究表明，玉米-大芻草滲入系群體家系數量多、變異幅度大、變異系數高。各自交系的性狀差異較大，變異系數范圍為6.401%～20.451%。其中，磷含量的變異系數最大，為20.451%；可溶性糖含量、賴氨酸含量、鉀含量和百粒重的變異范圍處于10%以上；蛋白質含量、淀粉含量、粒長、粒寬、粒厚的變異系數較小，分別為9.802%、7.238%、7.566%、6.401% 。性狀平均值表現為蛋白質含量9.156%、淀粉含量75.462%、可溶性糖含量2.479%、賴氨酸含量0.232%、磷含量0.411%、鉀含量0.439%、粒長8.325 mm、粒寬6.795 mm、粒厚5.390 mm、百粒質量22.043 g。該滲入系群體表型變異極為豐富，粒長、粒寬和粒厚為4～10 mm，百粒重在10～30 g，蛋白質含量、淀粉含量變幅分別為3.69%～11.58%、56.17%～85.25%。表1，圖1

2.2 玉米-大芻草滲入系群體籽粒及其品質性狀的相關性

研究表明，蛋白質含量與淀粉含量、鉀含量、粒厚呈顯著正相關，與賴氨酸含量、磷含量呈極顯著正相關，與可溶性糖含量呈顯著負相關，與粒長、粒寬、百粒重呈顯著負相關；淀粉含量與可溶性糖含量呈極顯著負相關；可溶性糖含量與賴氨酸含量、鉀含量呈極顯著正相關，與磷含量、粒長呈顯著正相關；賴氨酸含量與磷含量、鉀含量呈極顯著正相關，與粒長、粒寬、百粒重呈極顯著負相關；磷含量與鉀含量呈極顯著正相關，與粒長、粒寬、百粒重呈極顯著負相關；鉀含量與粒厚呈極顯著負相關；粒長與粒寬、百粒重呈極顯著正相關；粒寬與粒厚、百粒重呈極顯著正相關；粒厚與百粒重呈極顯著正相關。圖2

2.3 玉米-大芻草滲入系群體籽粒及其品質性狀的聚類特征

研究表明，所有家系聚為4類。類群1有469個家系，占比66.15%，其淀粉含量較高，百粒重較低；類群2有212個家系，占29.9%，淀粉含量接近平均水平，蛋白質含量、賴氨酸含量偏低、百粒重較高；類群3有4個家系僅占0.64%，具有低蛋白、高淀粉及可溶性糖、高百粒重的特征；類群4有24個家系，具有低百粒重、品質性狀偏高于平均水平的特征，占比3.3%。圖2

2.4 玉米-大芻草滲入系群體籽粒和品質性狀的主成分變化

研究表明，第一主成分的特征值為2.709，貢獻率為27.09%，主要反映了對粒長、粒寬、百粒重的影響，其向量值分別為0.824、0.918、0.923，因此將第一主成分因子稱為粒重因子。第二主成分的特征值為1.438，貢獻率為14.38%，在特征向量中載荷值最大的是可溶性糖，因此將第二成分因子稱為可溶性糖因子。第三主成分的特征值為1.248，貢獻率為12.48%，主要反映了對蛋白質的影響，其向量值為0.641，因此把第三主成分因子稱為蛋白質因子。第四主成分的特征值為1.038，貢獻率為10.38%，在特征向量中載荷值最大的是鉀，把第四成分因子稱為鉀因子。表2

利用主成分特征向量值除以特征值根可得到主成分得分系數矩陣。

Y1=-0.167X1-0.014X2+0.023X3-0.165X4-0.142X5-0.108X6+0.501X7+0.558X8+0.190X9+ 0.561X10.

Y2=0.173X1-0.211X2+0.511X3+0.490X4+0.417X5+0.450X6+0.116X7+0.104X8+0.089X9+ 0.125X10.

Y3=0.574X1+0.412X2-0.299X3+0.252X4+0.017X5-0.103X6-0.102X7+0.037X8+0.558X9+ 0.117X10.

Y4=0.148X1+0.438X2-0.348X3-0.228X4+0.303X5+0.512X6+0.227X7+0.104X8-0.444X9+ 0.023X10.

式中，Y表示主成分得分， X1、X2、X3、X4、X5、X6 、X7、X8、X9 、X10分別表示經標準化處理后的蛋白質、淀粉、可溶性糖、賴氨酸、磷、鉀、粒長、粒寬、粒厚、百粒重數值。表3

2.5 玉米-大芻草滲入系群體籽粒和品質性狀綜合評價

研究表明，利用線性方程，以各個成分的貢獻率為權重，建立玉米-大芻草滲入系群體籽粒和品質性狀的綜合得分的數學模型：

Yi=b1Y1+b2Y2+……+bnYn，10個家系的平均蛋白質含量、淀粉含量、可溶性糖含量、賴氨酸含量、磷含量、鉀含量、粒長、粒寬、粒厚、百粒重分別為9.016%、74.885%、2.567%、0.221%、0.590%、0.476%、0.908 cm 、0.771 cm、0.566 cm、27.30 g，其中家系T-625的綜合得分最高，4個因子得分分別為-2.41、8.98、-2.85、11.72，綜合得分為1.5。T-768、T-200、T-072、T-007均為類群3的家系。表4

3 討 論

3.1

相關性分析表明，產量性狀中各性狀間普遍呈現正相關關系，粒長、粒寬、粒厚始終是提升籽粒產量的重要因素［21］，與前人［22-23］研究結果均一致。大部分品質性狀與產量性狀間普遍呈負相關關系，該結果在冬小麥中也有體現［24］。趙海軍等［15］研究指出，玉米籽粒蛋白質、淀粉、賴氨酸含量均呈顯著或極顯著正相關。可溶性糖與淀粉呈極顯著負相關。

3.2

該群體各個家系的籽粒及品質性狀均有不同程度的相關性，在后續產量與品質育種時，可依據其相關性定向選擇材料。篩選到在淀粉、可溶性糖與粒重等性狀表現較好的自交系材料。大芻草與玉米雜交選育可作為改良品質與產量的途徑：通過將玉米野生種大芻草與栽培種自交系雜交，可將大芻草多年經過選擇保留下來的優良基因重新組合，可用于選育表型、產量、品質、抗性等方面表現優異的品系或家系。

4 結 論

玉米-大芻草滲入系群體的886份家系材料分為4個類群，其蛋白質含量、淀粉含量與產量性狀間均有不同程度的相關關系。篩選類群3材料為較好的育種材料，其具有較低蛋白、高淀粉、高可溶性糖、高百粒重等特點。

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