玉米亲本自交系及杂交种机械粒收质量相关指标分析

魏良明，曹丽茹，叶飞宇，张前进，张 新，王振华，庞芸芸，2，马晨晨，金松灿，鲁晓民

（1.河南省农业科学院粮食作物研究所，河南 郑州 450002；2.郑州大学农学院，河南 郑州 450001；3.洛阳市农业技术推广服务中心，河南 洛阳 471000）

在国家提倡积极发展农业现代化的大背景下，农业发展迎来了新的机遇与挑战。玉米属于夏作物，结合天气因素影响，全程机械化将成为黄淮海地区玉米种植的主旋律。然而，在机械化粒收技术推广过程中，农民除了关注玉米品种、收获机具、耕作模式、生产规模等，还会重点关注机械粒收质量问题，如籽粒破碎、果穗掉落等，这些因素严重制约机械化的进一步发展。机械粒收质量与茎秆强度、含水率、破碎率、抗压能力以及脱水速率等密切相关。因此，选育适宜机收的自交系和杂交种对实际生产应用至关重要。

有关玉米抗倒伏性的研究一直是育种专家最关注的问题，植株的抗倒伏性强，能够提高机收效率与产量。玉米植株倒伏根据发生倒伏的位置可分为茎倒和根倒[1⁃2]，茎倒对玉米植株造成的影响较大。研究发现，在华北平原地区有30%～60%的玉米倒伏为茎倒，并且大部分茎折发生在地上倒数第3～5节间[3⁃4]。玉米籽粒破碎率高是我国玉米机械粒收最主要的质量问题[5]，籽粒含水率和抗压能力决定破碎率，其中籽粒收获时含水率在机械化生产作业中对籽粒品质起着决定性作用。王克如等[6]研究表明，籽粒收获时含水率越高，破碎率越大。而玉米籽粒脱水速率是决定玉米收获时籽粒含水量的重要因素[7]，并且影响玉米收获的最佳时间。为此，利用18 个亲本自交系以及组配繁育的10 个玉米杂交种为研究对象，对玉米植株及籽粒的7 个指标进行测定，并对其相关性进行分析，筛选出符合机械粒收标准（破碎率≤5%）[8]或三等玉米破碎率标准（破碎率≤8%）[9]且抗倒伏能力较强的玉米自交系和杂交种，为选育抗倒伏、适宜机收的优良玉米品种提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料及种植

试验于2019—2020 年在河南省新乡市原阳县平原新区河南省农业科学院实验基地进行，以河南省农业科学院粮食作物研究所提供的亲本自交系及杂交种为试验材料（表1），分别于2019 年6 月1日、2020 年6 月8 日进行播种。采用双粒播，行距60 cm，密度75 000 株/hm2。每个材料设置3 个小区，为3次生物学重复。

表1 试验选用的玉米亲本自交系及杂交种Tab.1 Maize parental inbred lines and hybrid varieties selected in the experiment

试验所用氮肥为尿素（含N 46%），磷肥为磷酸氢二铵（含P2O546%），钾肥为硫酸钾（含K2O 60%）。氮肥分3 次施入，分别为播种前30%、拔节期50%、抽穗期20%；磷、钾肥播种前一次性施入。收获机为福田雷沃谷神GE50，配套喜盈盈4YB-4 半喂入玉米籽粒收获割台，割幅4 行，收割速度0.8 m/s。2019年于9月25日收获，2020年于10月3日收获。

1.2 测定项目及方法

1.2.1 茎秆折断力、节间长、节间粗 玉米收获前，每个玉米材料挑选3株健康且长势一致的植株测量玉米地上部分倒数第3、4、5节的折断力、节间长、节间粗。其中，折断力参考潘天遵等[10]方法，使用YYD-1型茎秆强度测定仪测定，在茎秆节间中部将垂直于茎秆方向的弧形测头匀速缓慢压下，至茎秆弯曲部分与地面呈45°夹角，读取最大数值即茎秆的折断力（N）；节间长和节间粗使用量尺测量。

1.2.2 籽粒含水率 收获当天随机取3 个果穗，手工脱粒后，称其鲜质量；烘至恒质量时，称其干质量，计算籽粒含水率。含水率=（鲜质量-干质量）/鲜质量×100%。

1.2.3 籽粒破碎率 收获当天随机取3 个果穗，根据籽粒的完整性手工分拣出完整籽粒和破碎籽粒，并将其称质量，计算籽粒破碎率。破碎率=破碎籽粒质量/（完整籽粒质量+破碎籽粒质量）×100%。

1.2.4 籽粒抗压能力 收获当天随机取3 个果穗，采用破碎测定仪（Wisconsin breakage tester，WBT）对籽粒进行压力冲击，读取数值即代表抗压能力（N）。籽粒压力冲击面为含有胚根的一面。

1.2.5 籽粒脱水速率 籽粒脱水速率是一个较难测定的性状，目前通常利用某一阶段含水率的变化进行间接计算。分别测量授粉后35、44、53 d 及成熟籽粒的含水率，根据这4 个时期的含水率计算脱水速率。脱水速率=（前一次测定含水率-后一次测定含水率）/间隔天数×100%。

1.3 数据处理与分析

使用Excel 2007 软件处理数据；采用Origin 9.0软件进行差异显著性分析，并绘图；利用SPSS Statistics 19.0软件进行聚类分析。

2 结果与分析

2.1 玉米亲本自交系及杂交种茎秆折断力、节间长、节间粗及聚类分析

2.1.1 地上倒3、4、5节的茎秆折断力 随着节间位置的上移，玉米亲本自交系以及杂交种的折断力总体均呈逐渐降低趋势（图1—2），说明从地上倒3 节到地上倒5节茎秆强度越来越弱。玉米亲本自交系茎秆折断力为117.7～252.8 N，表现为E8501>郑7541> 郑 H71> 郑 V89M>HCLl645> 郑 D58M>PH4CV>郑P6=PH6WC>D1798Z=郑689M>昌7-2=ZC12>郑682>郑6541>郑588>郑58=ZC1456，以E8501 茎秆折断力最大，与其他自交系存在显著差异，郑58 和ZC1456 茎秆折断力较小。杂交种茎秆折断力为141.7～364.7 N，表现为郑单6122>郑单6386>DK517>郑单1868>郑单1002>郑单6095>郑单6098>先玉335>存玉10号>郑单958。其中，郑单6122 茎秆折断力最大，与其他杂交种存在显著差异；郑单958茎秆折断力最小。

图1 玉米亲本自交系地上倒3、4、5节的折断力Fig.1 The breaking strength of the aboveground 3rd，4th and 5th nodes from the last of maize parental inbred lines

图2 玉米杂交种地上倒3、4、5节的折断力Fig.2 The breaking strength of the aboveground 3rd，4th and 5th nodes from the last of maize hybrids

2.1.2 地上倒3、4、5节的节间长和节间粗 对玉米植株地上倒3、4、5 节的节间长进行分析发现，玉米亲本自交系以及杂交种的节间长随着节间位置上移总体呈逐渐上升趋势（图3—4）。玉米亲本自交系节间长为8.9～21.0 cm，表现为郑682>PH4CV>郑V89M>郑D58M>郑P6=PH6WC>E8501>郑7541>HCLl645>郑H71>昌7-2=ZC12>D1798Z=郑689M>郑6541>郑58=ZC1456>郑588，以郑682 最长，与其移总体呈逐渐上升趋势（图3—4）。玉米亲本自交系节间长为8.9～21.0 cm，表现为郑682>PH4CV>郑V89M>郑D58M>郑P6=PH6WC>E8501>郑7541>HCLl645>郑H71>昌7-2=ZC12>D1798Z=郑689M>郑6541>郑58=ZC1456>郑588，以郑682 最长，与其他自交系存在显著差异，郑588 最短。杂交种节间长为13.6～28.1 cm，表现为先玉335>郑单6386>郑单1868>郑单6098>郑单6095>存玉10 号>郑单6122>DK517>郑单958>郑单1002，以先玉335 最长，与其他杂交种存在显著差异，郑单1002最短。他自交系存在显著差异，郑588 最短。杂交种节间长为13.6～28.1 cm，表现为先玉335>郑单6386>郑单1868>郑单6098>郑单6095>存玉10 号>郑单6122>DK517>郑单958>郑单1002，以先玉335 最长，与其他杂交种存在显著差异，郑单1002最短。

图3 玉米亲本自交系地上倒3、4、5节的节间长Fig.3 The internode length of the aboveground 3rd，4th and 5th nodes from the last of maize parental inbred lines

图4 玉米杂交种地上倒3、4、5节的节间长Fig.4 The internode length of the aboveground 3rd，4th and 5th nodes from the last of maize hybrids

对玉米植株地上倒3、4、5节的节间粗进行分析发现，亲本自交系及杂交种的节间粗随着节间位置上移总体呈逐渐降低趋势（图5—6）。玉米亲本自交系节间粗为1.16～1.70 cm，表现为郑P6=PH6WC>HCLl645>郑V89M>郑H71>昌7-2=ZC12>D1798Z=郑689M>郑6541>PH4CV>E8501>郑588>郑58=ZC1456> 郑D58M> 郑7541>郑682，以郑P6 和PH6WC 较粗，与其他自交系存在显著差异，郑682最细。杂交种节间粗为1.32～2.01 cm，表现为DK517>郑单6386>郑单1002>郑单1868>先玉335>郑单958>郑单6095>郑单6122>存玉10 号>郑单6098，以DK517 最粗，与其他杂交种存在显著差异，郑单6098最细。

图5 玉米亲本自交系地上倒3、4、5节的节间粗Fig.5 The internode diameter of the aboveground 3rd，4th and 5th nodes from the last of maize parental inbred lines

图6 玉米杂交种地上倒3、4、5节的节间粗Fig.6 The internode diameter of the aboveground 3rd，4th，and 5th nodes from the last of maize hybrids

2.1.3 茎秆折断力、节间长、节间粗的聚类分析

对玉米亲本自交系植株的地上倒3、4、5节的茎秆折断力、节间长和节间粗的平均值进行聚类分析，将植株的茎秆强度分为4类（图7）：第1类为茎秆强度最强的自交系，为E8501；第2 类为茎秆强度较强的自交系，分别为郑7541、郑H71、郑V89M、郑D58M、HCL1645 和PH4CV；第3 类为茎秆强度中等的自交系，分别为昌7-2、ZC12、D1798Z、郑689M、郑P6、PH6WC、郑682 和郑6541；第4 类为茎秆强度较弱的自交系，分别为郑58、ZC1456和郑588。

图7 玉米亲本自交系茎秆折断力、节间长以及节间粗的聚类分析Fig.7 Cluster analysis of stem breaking strength，internode length and internode thickness of maize parental inbred lines

通过对玉米杂交种植株的地上倒3、4、5节的茎秆折断力、节间长和节间粗的平均值进行聚类分析，将植株的茎秆强度分为3 类（图8）：郑单6386、郑单6122和DK517聚为一类，为茎秆强度较强的玉米杂交种；郑单6095、郑单6098、郑单1868 和郑单1002 聚为一类，为茎秆强度中等的玉米杂交种；郑单958、存玉10 号和先玉335 聚为一类，为茎秆强度较弱的玉米杂交种。

图8 玉米杂交种茎秆折断力、节间长以及节间粗的聚类分析Fig.8 Cluster analysis of stem breaking strength，internode length and internode thickness of maize hybrids

2.2 玉米亲本自交系及杂交种籽粒破碎率分析

籽粒在机械收获时能够保持最大完整性是机收高效率的优良表现之一。而玉米籽粒破碎原因是滚筒内对玉米籽粒施加作用力，籽粒内部产生反作用力，这个力超出其所能承受的限度则破碎。《玉米收获机械技术条件》规定，籽粒破碎率≤5%符合机械粒收标准[8]。三等玉米籽粒破碎率≤8%[9]。

对玉米亲本自交系收获时的籽粒破碎率进行统计分析，发现籽粒破碎率均<5%（图9）。玉米亲本自交系籽粒破碎率为3.86%～4.98%，平均值为4.27%。籽粒破碎率表现为郑H71>昌7-2=ZC12>HCLl645> 郑6541>E8501> 郑D58M>D1798Z= 郑689M>郑682>郑V89M>郑58=ZC1456>郑588>郑P6=PH6WC>郑7541>PH4CV，以郑H71 最高，与其他自交系存在显著差异，PH4CV 最低。对杂交种收获时的籽粒破碎率进行分析，发现籽粒破碎率为3.27%～5.67%，均低于三等玉米籽粒破碎率标准[9]，平均值为4.39%（图10）。籽粒破碎率表现为郑单958=郑单1868>郑单1002>存玉10 号>先玉335>郑单6095>郑单6122>郑单6386>郑单6098>DK517，以郑单958、郑单1868、郑单1002 较高，籽粒破碎率均>5%；存玉10 号、先玉335、郑单6095、郑单6122、郑单6386、郑单6098、DK517 的籽粒破碎率均<5%，以DK517最低，为3.26%。

图9 玉米亲本自交系收获时籽粒破碎率Fig.9 Breakage rate of grain of maize parental inbred lines at harvest

图10 玉米杂交种收获时籽粒破碎率Fig.10 Breakage rate of grain of maize hybrids at harvest

2.3 玉米亲本自交系及杂交种籽粒抗压能力分析

对玉米自交系籽粒抗压能力进行测定分析，发现籽粒抗压能力为34.06～46.48 N（图11），平均值为41.72 N。籽粒抗压能力表现为PH4CV>郑7541>郑P6=PH6WC> 郑 58=ZC1456> 郑 588> 郑 V89M>D1798Z=郑689M>郑682>E8501>郑D58M>郑6541>HCLl645>昌7-2=ZC12>郑H71，以PH4CV 最大，郑H71 最小。杂交种籽粒抗压能力为45.66～60.27 N（图12），平均值为51.14N。籽粒抗压能力表现为郑单6122>DK517>郑单6386>郑单6098>存玉10 号>郑单6095>郑单1002>郑单1868>先玉335>郑单958，以郑单6122和DK517较大，与其他杂交种存在显著差异，郑单958最小。

图11 玉米亲本自交系收获时籽粒抗压能力Fig.11 Compressive capacity of grain of maize parental inbred lines at harvest

图12 玉米杂交种收获时籽粒抗压能力Fig.12 Compressive capacity of grain of maize hybrids at harvest

2.4 玉米杂交种籽粒含水率及其与破碎率、抗压能力的关系分析

2.4.1 籽粒含水率 对玉米杂交种收获时籽粒含水率进行分析，发现籽粒含水率为23.5%～27.8%（图13），平均值为25.63%。籽粒含水率表现为郑单958>郑单1002>郑单1868>先玉335>郑单6095>存玉10 号>郑单6386>郑单6098>DK517>郑单6122，以郑单958 和郑单1002 较高，与其他杂交种存在显著差异，郑单6122最低。

图13 玉米杂交种收获时籽粒含水率Fig.13 Moisture content of grain of maize hybrids at harvest

2.4.2 籽粒含水率与破碎率、抗压能力的关系 由图14 可知，玉米杂交种籽粒破碎率（y）随着籽粒含水率（x）的增加呈线性增加，函数公式为y=0.492 5x-8.234 2（R2=0.786 7）。郑单958、郑单1868、郑单1002 的籽粒破碎率均>5%，高于机械粒收标准[8]。因此，若按照该机械粒收标准，玉米籽粒含水率需≤26.87%时收获才能满足要求；若按照三等玉米籽粒破碎率≤8%的标准[9]，在目前的收获条件下，籽粒含水率均可满足该标准。

图14 玉米杂交种收获时籽粒含水率与破碎率的关系Fig.14 Relationship between moisture content and breakage rate of grain of maize hybrids at harvest

随着玉米杂交种收获时籽粒含水率的增加，籽粒抗压能力（y）呈现逐渐下降的趋势（图15），函数公式为y=-2.771 9x+122.19（R2=0.732 5）。籽粒含水率为27.8%时，籽粒抗压能力为45.13 N；当籽粒含水率控制在26.87%时，籽粒抗压能力为47.71 N。因此，若想籽粒破碎率≤5%，籽粒收获时的含水率需≤26.87%，籽粒抗压能力≥47.71 N。

图15 玉米杂交种收获时籽粒含水率与抗压能力的关系Fig.15 Relationship between moisture content and compressive capacity of grain of maize hybrids at harvest

2.4.3 籽粒含水率、破碎率、抗压能力的聚类分析

对玉米杂交种收获时籽粒含水率、破碎率和抗压能力的平均值进行聚类分析，籽粒收获质量分为4类（图16）：DK517、郑单6122聚为一类，为收获质量最佳的玉米杂交种；郑单6386、郑单6098 聚为一类，为收获质量较好的玉米杂交种；郑单6095、存玉10 号聚为一类，为收获质量中等的玉米杂交种；郑单1868、郑单1002、郑单958 和先玉335 聚为一类，为收获质量较差的玉米杂交种。

图16 玉米杂交种籽粒含水率、破碎率、抗压能力的聚类分析Fig.16 Cluster analysis of moisture content，breakage rate and compressive capacity of grain of maize hybrids

2.5 玉米亲本自交系及杂交种籽粒脱水速率分析

对授粉后35、44、53 d 以及成熟籽粒的脱水速率平均值进行分析，发现玉米亲本自交系籽粒脱水速率有3 种类型：快-慢型、慢-快-慢型和快-慢-快型（图17）。其中，快-慢型的自交系包括郑58、郑P6、郑7541、郑682、郑588、郑H71 和HCLl645，慢-快-慢型的自交系包括昌7-2、PH4CV、郑V89M、郑6541 和E8501，快-慢-快型的自交系包括郑D58M和D1798Z。

图17 玉米亲本自交系籽粒脱水速率Fig.17 Dehydration rate of grain of maize parental inbred lines

玉米杂交种籽粒脱水速率也有3种类型：慢-快型、快-慢型和慢-快-慢型（图18）。慢-快型的杂交种有DK517，快-慢型的杂交种有郑单958、先玉335、郑单6098、郑单1002、郑单6122 和存玉10 号，慢-快-慢型的杂交种有郑单1868、郑单6386 和郑单6095。

图18 玉米杂交种籽粒脱水速率Fig.18 Dehydration rate of grain of maize hybrids

3 结论与讨论

近年来，玉米机械粒收得到了较快的普及和发展，已逐渐取代传统的收获方式。目前，育种家们已经筛选出许多适宜机收的玉米杂交种。卢海博等[11]对玉米植株的茎秆强度，籽粒收获时的含水率、破碎率以及脱水速率等进行分析，筛选出3 个适宜机械粒收的杂交种，分别为中玉9 号、瑞美216 和正成018。李少昆等[12]通过对收获质量、籽粒含水率和单产进行分析，筛选出华美1 号、晋单73、金9913、MC670、增玉1317 和豫单9953 为密植高产全程机械化绿色生产技术适宜杂交种。然而，真正适宜黄淮海地区机收的玉米杂交种依旧很少。因此，开展适宜机收杂交种的筛选和育种工作具有重要意义。

玉米倒伏是限制其高产和稳产的重要因素之一，造成了非常严重的经济损失。除此之外，倒伏还容易引起病虫害、降低机收效率等。引起玉米倒伏的原因很多，主要有基因型和气候、土壤、栽培技术以及病虫害的影响等[13]。在田间自然状态下的植株倒伏率是判定抗倒伏能力的传统方法，但影响该性状的因素较多，误差较大。因此，研究者需要在未发生倒伏前对植株抗倒能力进行评判。目前，普遍采用测定茎秆机械强度来评价植株的抗倒伏能力，茎秆机械强度反映茎秆的承受力，主要通过茎秆弯折强度、茎秆弯曲强度等指标来评价，指标数值越大表明茎秆硬度越高[14⁃15]。因此，玉米自身的茎秆机械强度是反映植株抗倒伏性的重要评价指标。植株的节间长度和茎粗是影响茎秆强度的重要因素，尤其是基部节间的茎粗与植株的抗倒能力密切相关。王永学等[16]通过对株高、茎秆强度、倒伏率等8 个性状进行配合力效应和通径分析，发现植株的抗倒伏性与茎秆强度、株高、茎粗均呈极显著相关。谷利敏等[17]研究发现，随着种植密度的增加，玉米植株基部3—7 节间均表现为节间伸长、变细，茎粗显著降低；倒伏率与节间长度呈正相关，与茎粗呈负相关；且与基部第3 节间性状达显著水平。因此，在玉米抗倒伏育种的筛选过程中，应选育茎秆强度较大、茎秆较粗、节间中等长度的材料。本研究对玉米植株的折断力、节间长和节间粗进行分析，筛选出7个抗倒伏性较强的亲本自交系，分别为E8501、郑 7541、郑 H71、郑 V89M、郑 D58M、HCL1645 和PH4CV；同时，也筛选出7 个抗倒伏性较强的玉米杂交种，分别为郑单6386、郑单6122、DK517、郑单6095、郑单6098、郑单1868 和郑单1002。

在现代生产中，对适宜机械粒收的玉米品种有较高的要求，主要是破碎率低、抗压能力大、收获期含水率低、脱水速率快等。破碎率主要由抗压能力和收获期含水率决定；同时，收获期籽粒含水率由成熟后籽粒脱水速率决定[18]。因此，选育抗压能力强、收获期籽粒含水率低、脱水速率快的玉米杂交种对机收质量至关重要。目前，已经有大量的研究者对籽粒收获时的含水率进行分析，并找到最适的收获期籽粒含水率范围。宋卫堂等[19]研究发现，北京市夏玉米联合收获时适宜的玉米籽粒含水率应小于30%。李璐璐等[20]调查不同黄淮海夏玉米收获期籽粒含水率、破碎率等机械粒收质量指标，发现籽粒含水率在15.47%～24.78%时，籽粒破碎率<5%；籽粒含水率为20.05%时，籽粒破碎率最低。另外，黄淮海地区夏玉米的籽粒含水率应<26.92%，才能满足三等玉米籽粒破碎率的质量要求[21]。因此，应筛选满足机械粒收标准（破碎率≤5%）[8]或三等玉米籽粒破碎率标准（破碎率≤8%）[9]的玉米杂交种。本研究对玉米收获时籽粒含水率、破碎率以及抗压能力进行测定，发现籽粒含水率≤26.87%就能满足机械粒收标准（破碎率≤5%）[8]要求；并且，在本试验条件下，籽粒含水率≤27.8%可满足三等玉米籽粒破碎率≤8%的要求。同时，将玉米杂交种的上述3 个指标进行聚类分析，筛选到籽粒收获质量较好的4 个玉米杂交种，分别是DK517、郑单6122、郑单6386和郑单6098。

本研究对玉米亲本自交系及杂交种的7个粒收质量相关指标进行分析，筛选出7 个抗倒伏性较强且收获质量佳的亲本自交系，分别为E8501、郑7541、郑H71、郑V89M、郑D58M、HCL1645 和PH4CV。与此同时，筛选出4 个抗倒伏性较强且收获质量佳的玉米杂交种，分别是DK517、郑单6122、郑单6386 和郑单6098。这些优良的玉米亲本自交系及杂交种在今后培育适宜机械粒收玉米新种质方面具有较大的利用价值。