不同杂种优势群玉米茎秆维管束性状比较分析

王 越, 李小雨, 李青青，王海颖，郭晋杰

（1.河北农业大学 农学院/国家玉米改良中心河北分中心/河北省作物种质资源实验室，河北 保定 071001；2. 南京农业大学 农学院，江苏 南京 210095 ）

玉米是粮食-经济-饲料三元作物，是单产和总产最高的作物[1]。玉米维管束主要是由木质部和韧皮部两部分组成的，水分和无机盐的运输由木质部进行，同化物运输由韧皮部进行。维管束系统连接到植物的各个组织，并进行光合产物、水、矿物质的运输;除此之外维管束作为茎秆的主要组成部分发挥主要的机械支持作用[2]。研究表明茎秆维管束数目可作为玉米自交系抗倒伏能力的鉴定重要指标之一，与倒伏密切相关[3-4]。因此，维管束相关性状是影响玉米的高产稳产和玉米的抗逆抗倒关键因素[5-6]。张凤路等[7]认为顶端籽粒的败育，主要不是源于维管束发育不良，而是与较低的库活性有关。崔海岩等[8]研究发现夏玉米遮光处理使硬皮组织变薄、维管束数量减少以及单个中央大维管束的面积降低，从而降低了茎秆对倒伏的抵抗能力。穆春华等[9]在2个不同时期对维管束相关性状与抗倒伏性状进行相关分析，发现在2个测量时期中节间抗折强度与茎节维管束数目呈显著负相关，而与单个维管束面积为正相关关系。王立新等[10]研究发现，在同一视野中，抗倒伏性材料的单个维管束面积大于不抗倒伏性材料，抗倒伏性材料的维管束数目少于不抗倒伏性材料，而且维管束的数目与倒伏率具有明显正相关性。何启平等[11]发现利用 GA3和 6-BA处理材料，大维管束的数目及单个大维管束面积可明显增加。李金才[12]等认为维管束的形成和功能强弱与花丝受精能力的强弱密切相关，发育良好的输导组织保证了花丝旺盛生长以及提供大量物质和能量用于受粉过程。通过前人研究发现关于玉米茎秆维管束的研究主要在维管束系统发育、生理与穗粒库容的关系上，而对玉米不同杂种优势群茎秆维管束性状差异的研究鲜有报道。

由于玉米是利用杂种优势的模式作物，本研究以来源广、遗传丰富的玉米自交系群体的茎秆维管束为研究对象，结合基因型划分杂种优势群，分析不同杂种优势类群内和类群间玉米自交系茎秆维管束性状显微结构的变化趋势和变异程度，为进一步克隆控制茎秆维管束主效基因和组配高产抗逆品种提供借鉴[13]。

1 材料与方法

1.1 材料

研究材料为198份遗传多样性丰富和来源广泛的优良玉米自交系。参照刘洋[14]、刘志斋[15]等分群结果，以50%作为划分群体的遗传相似比例，将198份自交系划分为兰卡斯特群34份自交系，旅大红骨群14份自交系，P群34份自交系，瑞德群54份自交系，塘四平头群18份自交系，混合群44份自交系[16]。

1.2 试验设计

自交系分别于2017年和2018年种植在河北农业大学/国家玉米改良中心河北分中心实验基地（保定）和河北农业大学辛集实验基地（石家庄）。采用完全随机区组的试验设计方案，水肥管理同大田生产。期间选择生长一致的玉米植株套袋自交授粉，且采集的样品为授粉后7～10 d的玉米茎秆雄穗中部。

1.3 方法

1.3.1 玉米茎秆维管束结构特点 玉米茎秆维管束分为两类：一类是位于组织边缘部分的1～2层维管束，它们紧密排列，并且大多数未完全发育，单个维管束面积很小，被厚壁组织包围，称为小维管束；另一类位于组织的中央，排列疏松，结构发育完整，单个维管束具有较大的面积，称为大维管束。不同材料茎秆维管束的面积及数目存在差异，并且茎秆维管束的染色程度也不同（见图1）。

图1 不同杂种优势群玉米茎秆维管束结构Fig.1 Vascular bundle structure of maize stem in different heterotic groups

1.3.2 玉米茎秆维管结构测定 首先配制5%浓度的间苯三酚溶液，静置1 d。然后对玉米茎秆雄穗中部进行徒手切片，切片厚度约为0.2～0.4 mm。先滴5%间苯三酚溶液，待浸透后再滴浓硫酸[17]，样品显色后，用纸擦去多余染液和水渍，在Zeiss Axioskop 40 Germary型光学显微镜下观察维管束显微结构并进行拍照，再用Zen(Blue edition)2012图片处理软件进行维管束相关显微结构的测定。大维管束面积、小维管束面积以及茎秆横截面积以近似椭圆面积的公式计算“S=πab/4”（a为椭圆长轴；b为椭圆短轴）[18]。

1.3.3 数据处理与分析 利用软件Microsoft Excel 2013处理表型数据，利用R软件“lme4”软件包对2017年及2018年维管束各性状数据基于混合线性模型进行最优线性无偏预测（BLUP），利用SPSS 22.0软件对整理的数据进行描述性统计分析、方差分析和多重比较。

2 结果与分析

2.1 玉米茎秆维管束性状描述性统计分析

2017年和2018年对辛集和保定2个环境的198份玉米自交系的茎秆维管束相关性状进行描述统计分析。由表1可以得出，玉米茎秆维管束相关性状基本符合正态分布，不同自交系间所测性状差别较大，并且该群体研究的4个性状变化范围较为明显，反映本试验应用的群体具有广泛的表型多样性。其中ASVB的表型变异较大，变异系数在25.59%～54.25%；ALVB变异系数为31.82%～52.60%。NSVB和NLVB在3个环境下，表型均值差异不大，说明二者受环境影响较小。

表1 维管束性状的描述统计分析Table 1 Descriptive statistical analysis of vascular bundle traits

2.2 玉米茎秆维管束性状联合方差分析

对玉米茎秆维管束性状进行联合方差分析（见表2），结果表明，玉米茎秆小维管束数目、大维管束数目、单个小维管束面积、单个大维管束面积在环境间、自交系间的差异均达到极显著水平，大维管束数目、单个小维管束面积在环境与自交系互作效应显著。

表2 维管束性状的联合方差分析Table 2 Analysis of vascular bundle traits combined with variance

2.3 不同杂种优势群茎秆维管束数目联合方差分析

各杂种优势群茎秆维管束数目联合方差分析结果表明（表3），小维管束数目在除旅大红骨群以外的其他杂种优势群内自交系间、环境间的差异均达到了较显著的差异。大维管束数目在各杂种优势群内自交系间存在差异。除塘四平头群和P群2个类群外，其他杂种优势群环境与自交系间互作差异显著。

表3 不同杂种优势群茎秆维管束数目及面积的联合方差分析Table 3 Joint variance analysis of the number and area of stem vascular bundles of different heterotic groups

续表：

除旅大红骨群外其他杂种优势群单个小维管束面积自交系间存在差异；塘四平头群和混合群这2个类群，其单个小维管束面积在环境间、环境与自交系间互作、重复与自交系间互作均存在差异，其他杂种优势群不存在显著差异。各个杂种优势群单个大维管束面积自交系间均存在差异，其中瑞德群、P群、兰卡斯特群、混合群差异极显著；除旅大红骨群外其他杂种优势群在单个大维管束面积环境间存在差异；各杂种优势群的单个大维管束面积在重复与自交系间互作及环境与重复间互作差异均不显著。

2.4 不同杂种优势群茎秆维管束性状多重比较

根据不同杂种优势群维管束数目及面积箱线图（图2），可以得出在小维管束数目、大维管束数目、单个小维管束面积及单个大维管束面积上兰卡斯特群、P群、瑞德群和旅大红骨群、塘四平头群和混合群分别都在0.05水平上存在显著差异。综合小维管束数目和大维管束数目结果，塘四平头群的小维管束数目为69.90，大维管束数目为79.18，在6种杂种优势群中均是最大值，并且塘四平头群的小维管束数目和大维管束数目均与瑞德群、P群、混合群及兰卡斯特群有明显差异；兰卡斯特群的均值均最小，分别为57.20和55.75。旅大红骨群单个小维管束面积和单个大维管束面积均最大，分别为0.021 4和0.032 1，其单个维管束面积均与塘四平头群、瑞德群有明显差异。

图2 不同杂种优势群维管束数目及面积的箱线图Fig.2 Box plot of the number and area of vascular bundles in different heterotic groups

图3 不同杂种优势群茎秆单个维管束面积分布雷达图Fig.3 The radar map of the area distribution of the single vascular bundle in different heterotic groups

3 讨论

玉米茎秆维管束不仅是重要的机械组织，而且还是运输无机和有机物质的重要系统。玉米茎秆维管束的发育直接影响植物源与库的协同作用以及实现高产目标。同时，玉米茎秆维管束与抗推力有相关性[19]，与玉米茎秆倒伏性息息相关。国内外对玉米不同杂种优势群维管束性状的研究鲜见，因此本研究将198份玉米自交系划分杂种优势群，观察不同杂种优势群茎秆维管束性状的情况。联合方差分析表明，维管束性状在不同自交系间均存在显著差异，具有丰富的遗传变异，体现研究群体丰富的遗传多样性。本研究中不同环境维管束相关性状存在差异，表明环境条件对小维管束数目、大维管束数目、单个小维管束面积、单个大维管束面积的影响都较大。

对玉米不同杂种优势群的茎秆维管束数目进行联合方差分析，在小维管束数目性状上，除旅大红骨群、塘四平头群和混合群外其他杂种优势群在自交系间和环境间的0.001水平上存在极显著差异，这一结果表明瑞德群、P群和兰卡斯特群较其他杂种优势群的小维管束数目受环境影响较大。在大维管束数目性状上，不同杂种优势群在自交系间存在0.001水平上的极显著差异，在不同环境中，除了瑞德群和兰卡斯特群不存在差异，其他杂种优势群存在显著差异，尤其塘四平头群和混合群在0.001水平表现极显著差异。

在单个小维管束面积性状上，除旅大红骨群外其他杂种优势群在不同自交系间的0.01或0.001水平上存在显著差异，这一结果说明旅大红骨群单个小维管束面积受环境影响较小。在单个大维管束面积性状上，旅大红骨群和塘四平头群在自交系间存在0.05水平上的显著差异，其他杂种优势群在自交系间存在0.001水平上的极显著差异。在不同环境中，除了旅大红骨群不存在差异，其他杂种优势群在不同环境间存在显著差异，更进一步说明了旅大红骨群单个大维管束面积受环境影响较小。

对不同杂种优势群的茎秆维管束数目和面积进行差异性分析，兰卡斯特群、P群和瑞德群分别与塘四平头群的小维管束数目在0.05水平上差异显著。瑞德群、P群、兰卡斯特群与混合群的大维管束数目在0.05水平上差异显著。大维管束数目的平均值由大到小依次为：塘四平头群、旅大红骨群、混合群、瑞德群、P群和兰卡斯特群。综合小维管束数目和大维管束数目结果，来源于兰卡斯特群的均值均最小，说明该类群大、小维管束数目均较少。塘四平头群的均值均最大，表明含有较多维管束数目。旅大红骨群单个维管束面积均最大，说明该类群大、小维管束均较大。

任佰朝等[20]研究发现维管束性状会对玉米倒伏产生影响。郑云霄[21]等研究发现维管束数目与抗倒伏之间呈负相关关系，单个维管束面积与抗倒伏之间呈正相关关系。因此维管束数目少、单个维管束面积大的自交系在抗倒伏育种有重要作用，应重视利用旅大红骨和兰卡斯特杂种优势群的种质资源，为玉米杂交种的组配提供借鉴。