活秆成熟和非活秆成熟玉米自交系的籽粒脱水速率及相关因素分析

李文兰 李文才 孙琦 于彦丽 赵勐 鲁守平 孟昭东

摘要：籽粒机收是我国玉米实现全程机械化的瓶颈，而收获期籽粒含水量则是影响其机收效果的关键因素。加快成熟后期籽粒脱水速率是降低收获期籽粒含水量而不影响产量的有效方式。本研究以5个活秆成熟（SG）和5个非活秆成熟（NSG）自交系为对象，测定其籽粒、叶片和茎秆的含水量，计算其脱水速率。结果显示，活秆成熟自交系的收获期籽粒含水量和叶片含水量均高于非活秆成熟自交系，而茎秆含水量在活秆成熟和非活秆成熟两类自交系间没有明显差异。相关性分析显示叶片脱水速率和籽粒脱水速率呈显著正相关（相关系数0.756，P<0.05）。根据衰老启动标记基因ZmSee1的表达水平，分析叶片衰老启动时间与籽粒脱水速率的相关性，表明：在非活秆成熟的5个自交系中，LH196、PHM10和PH207的ZmSee1基因表达峰值出现在授粉后第4 d，DK517M和Lx9801的ZmSee1基因表达峰值出现在授粉后第8 d;而在活秆成熟的5个自交系中，ZmSee1基因的表达峰值均出现在授粉后第16 d。相关性分析发现，叶片衰老启动时间和籽粒脱水速率之间存在显著负相关，相关系数为-0.733（P<0.05）。

关键词：玉米;自交系;活秆（非活秆）成熟;含水量;脱水速率;ZmSee1

中图分类号：S513.01：Q781  文献标识号：A  文章编号：1001-4942（2019）06-0026-05

Abstract Kernel mechanical harvesting is the bottleneck of the whole mechanization of maize in China. The grain moisture at harvest stage is a key factor influencing the mechanical harvest effect. Increasing the dehydration rate after physiological maturity is an effective way to reduce grain moisture at harvest stage without affecting production. In this study， five stay green （SG） inbred lines and five non-stay green （NSG） inbred lines were used as test materials. The moisture content of kernels， leaves and stem were measured and then the dehydration rate was calculated. The results showed that the moisture of kernels and leaves in SG inbred lines were higher than that of NSG inbred lines. There was no significant difference in stem moisture between SG and NSG inbred lines. Correlation analysis showed that the dehydration rate of leaves was positively related to the dehydration rate of kernels （correlation coefficient as 0.756， P<0.05）. According to the expression level of senescence initiation marker gene ZmSee1， the correlation between senescence initiation time and kernel dehydration rate was analyzed. In the five NSG inbred lines， the peak expression level of ZmSee1 gene in LH196， PHM10 and PH207 occurred on the 4th day after pollination， while the peak expression level of ZmSee1 gene in DK517M and Lx9801 occurred on the 8th day after pollination. In the five SG inbred lines， the peak expression level of ZmSee1 gene occurred on the 16th day after pollination. Correlation analysis showed that the leaf senescence initiation time was negatively related to the dehydration rate of kernel with the correlation coefficient as-0.733（P<0.05）.

Keywords Maize; Inbred line; Stay （or non-stay） green; Moisture; Dehydration rate; ZmSee1

玉米在我國粮食生产中占有重要地位。农业人口分流、土地趋于规模化生产形势下，玉米全程机械化成为必然趋势。籽粒机收是当前我国玉米全程机械化的瓶颈环节，而收获时籽粒含水量居高不下则是影响玉米籽粒机收的关键因素。目前，我国三大玉米生态区都急缺适宜籽粒机收的品种，相关理论研究更是匮乏。黄淮海夏玉米区小麦玉米一年两作，玉米生育期短，籽粒机收的挑战性更大。

国内外对玉米籽粒脱水速率和含水量的研究主要集中在籽粒脱水与农艺性状、品质性状、生理指标和环境因素等方面。较高的穗位、较低的株高有助于籽粒快速脱水[1，2];灌浆期绿叶数较少，有助于加快脱水速率[3];穗长和穗粗均影响籽粒脱水速率[4-6]。籽粒品质性状与籽粒脱水速率之间也存在一定的相关性，比如含油率高的籽粒往往含水量也高[7];蛋白质含量、淀粉含量、支链淀粉含量等都与籽粒脱水速率相关[8]。但关于叶片衰老启动时间对籽粒脱水速率的影响尚未见相关报道。本研究根据授粉后50 d的叶片含水量，将10个玉米自交系分成活秆成熟（stay green，简称SG，叶片含水量≥50%）和非活秆成熟（non-stay green，简称NSG，叶片含水量<50%）两类，两者均为5个。通过测定10个自交系的籽粒、叶片和茎秆含水量，继而计算其脱水速率并分析每两个动态脱水过程间的相关性;利用衰老启动标记基因ZmSee1的表达水平寻找叶片衰老启动时间[9]，分析其在两类自交系中的差异，探究叶片衰老启动时间与籽粒脱水的相关性，以期为选育脱水速率快的新品种提供理论依据与技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验材料与种植管理

试验于2017年选用5个SG自交系（Lx08-8、齐319、Lx10-9、昌7-2、478）和5个NSG自交系（LH196、PHM10、PH207、DK517M、Lx9801），播种在山东省农业科学院济南基地。6行区种植，行长5 m，行距70 cm，株距30 cm。田间管理同大田。

1.2 测定项目与方法

1.2.1 含水量 每份材料挂牌，标明授粉时间。对授粉后25～50 d的自交系取样。样品：籽粒取全穗籽粒，叶片为棒三叶混合，茎秆为穗位上下两节。每5 d取样1次。田间样品立即称重，记为鲜重;然后在105℃下烘1 h，使酶失活，再在80℃下烘至恒重，记为干重。样品含水量（%）=（鲜重-干重）/鲜重×100。脱水速率即为两次取样的样品含水量之差再除以取样间隔天数。

1.2.2 ZmSee1基因的实时定量PCR分析 对授粉后0～24 d自交系的棒三叶混合取样，每2 d取1次，田间用液氮处理，后置-80℃冰箱保存。引物序列ZmSee1-F：5′-CTGGACCTTCAGCACTACTGGT-3′;ZmSee1-A：5′-ATTGTTGAATGCCAAACCACAGTC-3′。按照试剂盒说明进行RNA提取和反转录，得到cDNA。按照SYBR Green PCR Master Mix说明书的操作指南进行反应体系的配制，用ABI7500 CFX 96实时定量PCR仪进行PCR扩增。其数据分析采用2-ΔΔCT方法。图片采用Photoshop CS3进行处理。

2 结果与分析

2.1 活秆成熟和非活秆成熟玉米自交系的籽粒、叶片和茎秆含水量

10个玉米自交系的籽粒含水量见表1。从中看出，从授粉后25～50 d，所有自交系的籽粒含水量均直线下降。授粉后50 d，NSG自交系的籽粒含水量为8.97%～22.44%，SG自交系的籽粒含水量为29.52%～36.22%。

10个玉米自交系的叶片和茎秆含水量分别见表2、表3。5个NSG自交系中，除Lx9801是授粉后45 d才開始快速脱水外，其余则在授粉后30～40 d时开始快速脱水，且授粉后50 d时叶片含水量均降至30%以下;而5个SG自交系的叶片含水量始终维持在较高水平（表2）。茎秆含水量在两类自交系间没有明显差别，均始终维持在较高水平，授粉后50 d时达52.65%～78.20%（表3）。

2.2 活秆成熟和非活秆成熟玉米自交系的籽粒、叶片和茎秆脱水速率

10个玉米自交系的籽粒脱水速率的计算结果见表4。籽粒日均脱水速率最快的是PH207，授粉后35～40 d日均脱水速率为3.31%/d;籽粒日均脱水速率最慢的是齐319，授粉后45～50 d时日均脱水速率为0.11%/d。非活秆成熟自交系的籽粒平均脱水速率均高于1.1%/d，而活秆成熟自交系的籽粒平均脱水速率除Lx10-9（1.11%/d）外均等于或低于0.9%/d，前者明显高于后者。

由表5看出，叶片脱水速率在活秆成熟和非活秆成熟两类自交系中存在明显差异。5个非活秆成熟自交系中，PHM10和PH207的日均叶片脱水速率呈逐渐变小趋势，而LH196、DK517M的日均叶片脱水速率最高值（3.62%/d和5.71%/d）出现在授粉后35～40 d，Lx9801的日均叶片脱水速率最高值（5.14%/d）出现在授粉后45～50 d。5个活秆成熟自交系中，除昌7-2授粉后45～50d的日均叶片脱水速率较多（1.14%/d）外，其它各自交系各时段的日均叶片脱水速率都很低，均未超过0.9%/d。非活秆成熟材料的叶片平均脱水速率为（1.13～1.92）%/d，活秆成熟材料的为（0.34～0.78）%/d。

由表6可见，从成熟早期（授粉后25 d）到收获期（授粉后50 d），茎秆日均脱水速率都很慢，平均脱水速率在0.10%/d（Lx9801）到0.72%/d（PHM10）之间。这表明，直到收获期，茎秆的含水量也维持在较高水平。

2.3 玉米自交系籽粒、叶片与茎秆之间脱水速率的相关性分析

对10个玉米自交系籽粒、叶片和茎秆之间的脱水速率作相关性分析，结果（表7）表明，籽粒与叶片间的脱水速率呈显著正相关，相关系数为0.756（P<0.05），其它性状间的相关性不显著。

2.4 玉米叶片衰老启动时间与籽粒脱水速率之间的相关性分析

根据衰老启动标记基因ZmSee1的表达水平寻找叶片衰老启动时间，分析其在两类自交系间的差异，探究叶片衰老启动时间与籽粒脱水速率的相关性，结果如图1所示。NSG自交系中，LH196、PHM10和PH207的ZmSee1基因表达峰值出现在授粉后第4 d，DK517M和Lx9801出现在授粉后第8 d;而在SG自交系中，ZmSee1基因的表达峰值均出现在授粉后第16 d。相关性分析表明，叶片衰老启动时间与籽粒脱水速率之间存在显著负相关，相关系数为-0.733（P<0.05）。

3 讨论与结论

玉米在我国粮食生产中占有重要地位，然而随着劳动力成本的逐年增加，实现玉米全程机械化已成为必然趋势[10]。选育收获时籽粒含水量低、脱水速率快的玉米新品种成为当代育种家的新目标。不同于前人研究，本试验首次探究籽粒脱水、叶片脱水与茎秆脱水这三个动态过程之间的相关性;将5个活秆成熟自交系和5个非活秆成熟自交系进行籽粒、叶片和茎秆含水量的测定以及平均脱水速率的计算。其结果表明，非活秆成熟自交系的籽粒含水量和叶片含水量在收获时明显低于活秆成熟自交系，并且前者的籽粒脱水速率和叶片脱水速率明显高于后者。相关性分析显示，籽粒脱水速率与叶片脱水速率之间存在显著正相关（r = 0.756，P﹤0.05）;而籽粒脱水速率与茎秆脱水速率之间、叶片脱水速率与茎秆脱水速率之间呈不显著负相关。这些结果暗示非活秆成熟自交系较符合新时期的选育目标。

玉米籽粒脱水是一个复杂的生理过程，涉及多个生理生化过程。本研究就叶片衰老启动时间对籽粒脱水速率的影响进行了分析，这也是首次探究叶片衰老与籽粒脱水速率之间的关系。ZmSee1基因的表达峰值在非活秆成熟自交系中出现的时间早，而在活秆成熟自交系中出现的时间晚。将叶片衰老启动时间和籽粒脱水速率进行相关性分析，结果显示叶片衰老启动时间和籽粒脱水速率之间存在显著负相关，相关系数为-0.733（P<0.05）。

本研究结果表明，玉米籽粒脱水与叶片脱水关系密切，非活秆成熟材料的籽粒含水量和脱水性状更接近于籽粒机收目标，或许将为玉米籽粒机收育种提供有益启示。

参 考 文 献：

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