不同遗传背景玉米RIL家系种子的活力特征

赵博文,王 彬,纪 坤,薛 浩,赵霖熙,韩赞平

(河南科技大学,河南 洛阳 471023)

0 引言

【研究意义】玉米(ZeamaysL.)种植面积超过水稻、小麦,位居主粮作物之首,在农业生产上占有重要地位[1]。种子质量是决定玉米产量的关键因素,而种子活力是判断种子质量高低的关键指标。种子活力是指可以决定种子在发芽与出苗期间的活性程度和行为特征的综合表现[2]。种子活力是复杂的综合指标,受环境与遗传因素的影响,目前常用的种子活力指标有发芽率、发芽势、发芽指数和活力指数等[3]。高活力的种子发芽整齐快速,植株健壮,为提高单产提供有力的保障。因此,研究玉米种子活力表现,对玉米高产优质新品种选育具有重要参考意义。【前人研究进展】马守才等[4]对12个小麦品种的10个种子活力性状的遗传变异进行分析表明,种子活力在不同小麦品种间有显著差异。余四斌等[5]对珍汕97B和明恢63杂交后代的30个重组自交系种子活力进行遗传分析表明,用活力指数可反映重组自交系种子活力的基因型差异。孙彩霞等[6]研究表明,玉米种子活力存在基因型差异。孙明涛[7]研究表明,玉米籽粒大小、整齐度和成熟度都会影响产量。重组自交系(RILs)是利用杂交产生的F2代经过多次连续自交形成的永久性群体,其基因型基本纯合,可以更准确地测定每个株系的表型性状[8-9]。【研究切入点】利用RILs群体对种子活力进行遗传变异研究,分析不同基因型差异,可为下一步寻找种子活力相关QTL基因奠定基础。目前,使用玉米重组自交系群体对籽粒性状与种子活力关系规律的研究较少。【拟解决的关键问题】通过测定2个玉米RILs群体的籽粒性状和发芽性状,分析后代种子与双亲的分离特征及各指标的相关性,对不同RILs株系进行综合评价,揭示玉米种子活力性状遗传关系,寻找种子活力高的玉米RIL株系,为玉米杂交育种提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试材料为豫82×沈137(群体1)和豫537A×沈137(群体2)2个玉米重组自交系(RILs)各25个株系(表1)及3个亲本(豫82、豫537A和沈137)的种子。豫82和豫537A均由河南农业大学选育,沈137由沈阳农业科学院选育。豫537A和沈137是河南省审定的玉米品种豫玉34号的亲本,2个亲本具有不同的遗传背景,种子活力指标差异较大。豫82选自豫综5号的改良群体,发芽力好,株型紧凑。河南农业大学分别以豫537A和豫82为母本、沈137为父本进行杂交,获得F1种子并种植后收获F2种子,通过单粒传法连续多代自交,获得豫82×沈137(群体1)和豫537A×沈137(群体2)2个重组自交系(RILs)群体。

1.2 试验方法

以重组自交系豫82×沈137(群体1)和豫537A×沈137(群体2)各25份RIL家系及3个亲本种子为材料,每份材料300粒种子,测定玉米种子的籽粒性状和发芽性状,考察后代与双亲籽粒性状和发芽性状的分离特征及各指标的相关性。

1.2.1 籽粒性状测定 种子籽粒性状包括籽粒长、籽粒宽、百粒重、含水量、电导率、蛋白质含量、丙二醛(MDA)含量和可溶性糖含量。取5粒玉米种子,用游标卡尺测量长和宽。随机数取100粒玉米种子并称重,重复2次取平均值作百粒重。含水量测定采用高温烘干法,选取10粒种子称鲜重,然后在105℃的高温烘箱中杀青0.5 h,再调至75℃恒温烘干至恒重。随机取10粒样品种子,用蒸馏水冲洗3次,在烧杯里用蒸馏水浸泡24 h,然后用电导仪测定浸出液的电导率。蛋白质含量测定采用考马斯亮蓝法[10]。丙二醛(MDA)、可溶性糖含量测定采用双组分分光光度计法[11]。

含水量=[(鲜重-干重)/鲜重]×100%

1.2.2 发芽性状测定 采用砂培法进行标准发芽试验测定[12]。将细砂放在烘箱中160℃烘2 h,冷却后加入蒸馏水搅拌至可以握成团不散开、无水在表面即可。每个玉米株系选取均匀一致的种子16粒,重复3次共48粒种子。发芽床用75%酒精擦拭,种子用3%高锰酸钾溶液浸泡15 min,将种子1穴2粒、呈对角线放入铺好砂的发芽床中。在25℃光照、日照14 h、黑暗10 h的光照培养箱发芽10 d。每天统计种子发芽数,发芽结束后,计算发芽率(GP)、发芽势(GE)、发芽指数(GI)、活力指数(VI)。

发芽率(GP)=第10天正常发芽种子数/供试种子数×100%

发芽势(GE)=发芽第6天正常发芽种子数/供试种子数×100%

发芽指数(GI)=∑(Gt/Dt)

活力指数(VI)=GI×s

式中,Gt为不同发芽天数(t天)发芽的种子数,Dt为相应的发芽天数,s为幼苗干重。

1.2.3 幼苗性状测定 发芽结束后选取5株长势均匀的幼苗,测定苗长和苗干重。

1.3 数据统计与分析

试验数据使用Microsoft Excel 2016和SPSS 24软件进行描述性分析、相关性分析和主成分分析。主成分综合得分(F)参照潘天遵等[13]的方法计算。

2 结果与分析

2.1 亲本发芽和幼苗性状与重组自交家系群体分离特征

由表2可看出3个亲本的发芽和幼苗性状及其重组自交家系后代群体与双亲的分离特征。

表2 亲本和重组自交系群体性状的表型变异Table 2 Phenotypic variation of kernel and germination traits of parents and recombinant inbred lines

2.1.1 亲本发芽和幼苗性状 父本沈137的发芽率和发芽势高于群体2母本豫537A,苗长高于群体1母本豫82,其他性状均低于2个母本,3个亲本的发芽和幼苗性状差别较大。

2.1.2 群体分离特征 在豫82×沈137的群体中(群体1),发芽势的变异系数最大,为56.38%;其次为发芽指数和活力指数,变异系数分别为45.63%和41.86%;最小的是籽粒宽,变异系数为7.38%。后代群体的百粒重、苗长、苗干重、发芽率和发芽势的变异范围超过双亲值,呈双向超亲分离特征。根据群体1各性状的偏度和峰度,除发芽率外,其余8个性状的偏度和峰度绝对值均小于1,呈近似正态分布,表现出数量性状的特征。

在豫537A×沈137后代群体中(群体2),发芽势的变异系数最大,为68.67%;其次为活力指数和发芽指数,变异系数分别为57.98%和53.42%;变异系数最小的是籽粒长,为8.27%。后代群体的籽粒宽、百粒重、苗干重和发芽率的变异范围超过双亲值,呈双向超亲分离特征。根据群体2各性状的偏度值和峰度值,除苗长和发芽率外,其余7个性状的偏度和峰度绝对值均小于1,呈近似正态分布,表现出数量性状的特征。除籽粒长外,群体2其他性状的变异系数均高于群体1。

2.2 2个玉米RILs群体籽粒性状与发芽性状的相关性

从表3看出,在群体1中,种子活力指数、发芽指数、发芽势、发芽率4个发芽性状间呈显著或极显著正相关,其中,发芽指数与活力指数呈极显著正相关,相关系数最高(0.868**)。百粒重、籽粒长、籽粒宽3个籽粒性状呈显著或极显著正相关,其中,籽粒长与籽粒宽呈极显著相关,相关系数最高(0.508**)。电导率与百粒重呈显著负相关(-0.462*)。整体看,玉米籽粒性状与发芽性状之间无显著相关性。

表3 2个RILs群体种子籽粒性状与发芽性状的相关系数Table 3 Correlation analysis of kernel traits and germination traits in two RILs populations

群体2中活力指数、发芽指数、发芽势、发芽率、苗长5个发芽性状间呈显著或极显著正相关,其中,发芽指数与活力指数相关系数最高(0.917**)。百粒重、籽粒长、籽粒宽3个籽粒性状间呈显著或极显著正相关,其中,籽粒宽与百粒重的相关系数最高(0.830**)。电导率与百粒重、籽粒长、籽粒宽呈极显著负相关,与含水量呈极显著正相关。电导率与苗干重、苗长、发芽率、活力指数呈显著或极显著负相关(-0.654**、-0.452*、-0.428*、-0.505*)。在籽粒性状与发芽性状关系中,百粒重与发芽率和活力指数呈显著正相关(0.415*、0.400*)。

2.3 2个玉米RILs群体籽粒性状与发芽性状的主成分分析

2.3.1 主成分贡献率 主成分分析认为,特征值大于1的为主成分。从表4看出,群体1中有5个特征值大于1,5个主成分的贡献率分别为28.466%、16.951%、13.177%、12.222%和7.963%,累计贡献率为78.778%,可代表原始性状携带的大部分信息。第一主成分中特征向量较高且为正值的性状为发芽指数、活力指数、发芽势和发芽率。

表4 2个玉米RILs群体种子籽粒性状与发芽性状主成分载荷矩阵Table 4 Principal component loading matrix of kernel traits and germination traits of two maize RILs populations

群体2中有4个特征值大于1,4个主成分的贡献率分别为38.930%、18.841%、10.703%和7.941%,累计贡献率为76.414%,可代表原始性状携带的大部分信息。第一主成分中特征向量较高且为正值的性状为百粒重、苗长、活力指数和发芽率。

2.3.2 2个玉米RILs群体籽粒及发芽性状综合评价 从表5看出,在群体1的25个株系中,根据F值排序,前5名分别是10H2028、10H2060、10H2125、10H2027、10H2055,其F值分别为56.27、54.00、51.49、51.08、51.04,表明5个株系的种子籽粒性状与发芽性状较好。在群体2的25个株系中,F值排序前5名的分别是10H1884、10H1948、10H1998、10H1858、10H1996,F值分别为159.71、126.05、123.13、121.07、113.09,表明5个株系籽粒性状与发芽性状综合表现较好。

表5 2个玉米RILs群体籽粒及发芽性状的主成分综合评价(F值) Table 5 Principal component comprehensive evaluation of kernel traits and germination traits of two maize RILs populations

群体1的F值波动较小,最高和最低相差43.93,整体水平较低;群体2的F值波动较大,最高和最低相差127.34,整体水平高于群体1。

3 讨论

变异系数是衡量群体中各性状变异程度和遗传稳定性的统计量,群体中某个性状的变异系数越大,说明该性状的变异程度越丰富,在育种上有利于极端株系的选择[14-15]。惠建等[16]对水稻重组自交系进行耐冷性鉴定,利用7个变异系数最大的性状作为水稻苗期耐冷鉴定的主要形态指标筛选出耐冷性强的6个家系。本研究中除玉米籽粒长外,群体2(豫537A×沈137)其他8个性状的变异系数都大于群体1(豫82×沈137),说明群体2的变异程度丰富,在玉米新品种选育中优势比群体1大,可提供更大的选择范围。在2个玉米RIL群体中变异系数较大的均为发芽势、发芽指数、活力指数等种子发芽性状,这些性状是衡量种子活力的重要指标,对高活力种子的选育有重要参考价值。

玉米RIL群体的籽粒和发芽性状间存在极显著或显著相关,其中,2个RIL群体中活力指数与发芽势、发芽指数都成极显著正相关,与发芽率呈显著正相关,与钱慧慧[17]对小麦种子活力的研究结果相似。在2个群体中,种子化学成分(蛋白质含量、可溶性糖含量、MDA含量)与种子发芽性状相关性不显著,说明不能用蛋白质含量、可溶性糖含量和MDA含量对种子活力的高低进行鉴定,该结论与郝奇慧[18]对玉米种子的研究结论一致。群体1中百粒重与发芽性状相关性不显著,而群体2中百粒重与苗干重呈极显著正相关,与发芽率和活力指数呈显著正相关。前人对种子粒重与种子活力的研究得出不同结论,佘宁安等[19-20]对不同玉米进行研究表明,千粒重与种子活力相关性很低;MLATUDI等[21-22]研究认为,玉米种子不同单粒重对种子活力有影响。

主成分分析可将多个性状所含的信息简化,转化为几个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将群体1的14个性状转化为5个主成分,累计贡献率78.778%;将群体2的14个性状转化为4个主成分,累计贡献率76.414%。2个玉米RIL群体第一主成分都反映种子活力。主成分分析得到2个RIL群体50个株系性状的综合得分,得分越高表明该株系的综合性状越好。群体1的25个株系整体表现较差;群体2的表现较优,其中,10H1884、10H1948、10H1998、10H1858和10H1996的综合得分高,籽粒性状及发芽性状表现优异,为选育高活力玉米新品种奠定种质基础。

4 结论

对2个玉米RILs群体(群体1为豫82×沈137,群体2为豫537A×沈137)的籽粒性状和发芽性状进行遗传分析,2个群体的百粒重、苗干重和发芽率呈双向超亲分离,其中,发芽势变异系数最大,群体1为56.38%,群体2为68.67%,2个玉米RILs群体可用于种子活力的QTL定位。活力指数、发芽指数、发芽势和发芽率显著相关。群体1的籽粒性状与发芽性状无显著相关,群体2的百粒重与发芽率、活力指数呈显著正相关。基于主成分分析对2个玉米RILs群体的籽粒性状和发芽性状进行综合评价,群体2的得分明显高于群体1,群体2中得分高的株系(10H1884、10H1948、10H1998、10H1858和10H1996)可用于育种实践。