玉米自交系维生素含量与F1 杂种优势关系研究

刘孜，贾春兰，崔霞，孙志强，王秀芹，吴承来，兰进好

(1. 青岛农业大学农学院，山东青岛 266109；2. 山东省玉米技术创新中心，山东莱州 261400；3. 山东登海种业股份有限公司，山东莱州 261400；4. 枣庄市农业科学院，山东枣庄 277000；5. 山东农业大学农学院，山东泰安 271018)

杂种优势(heterosis，hybrid vigor)是指双亲杂交后产生的F1代在一种或多种性状上表现出优于双亲的现象[1]。 根据杂种优势的原理，通过育种手段的改进和创新，可以显著提高作物的生长速率和代谢能力，从而提高作物的抗逆力、生存力、产量等。 玉米是世界上最早利用杂种优势并利用得最为彻底的作物之一。 在玉米育种过程中，选育高配合力的自交系是首要任务[2]，只有选育出高配合力的自交系，才能组配出具有强优势的杂交新品种[3，4]。 目前，我国在玉米生产中普遍选用高品质的玉米杂交种[5]，然而玉米品种选育工作仍然存在科研手段落后、品种选育周期长等问题，致使人工和生产成本较高[6]，无法满足市场需求。 因此，如何高效选育高配合力的玉米自交系以促进玉米高产优质这一问题亟待解决。

B 族维生素不但具有较高的营养价值和保健功能[7]，而且对人体神经系统起到营养和保护作用[8]，还在植物生长发育过程中发挥重要作用[9－11]。 玉米B 族维生素含量丰富。 其中烟酸(维生素B3)具有帮助植物代谢和促进胚发育的作用[12]；生物素(维生素B7)是一种能促进植物生长和具有抗病作用的生理活性物质[13]；肌醇可以促进植物细胞壁的合成和提高植物的抗逆能力[14]。 30 余年前曾有育种家提出，配合力强的玉米自交系烟酸和生物素含量较高，而肌醇含量较低[15]，但以此理论进行的研究却未见报道。

玉米株高、穗位高与其产量性状密切相关[16，17]。 玉米穗高系数反映果穗在茎秆上的相对位置[18]，一般情况下，株高、穗位高与其产量呈正相关[19－22]。 因此，研究玉米株高性状对其高产育种具有重要意义。

为了更好地探究3 种B 族维生素对玉米株高及穗位高的影响，本研究以同一骨干亲本自交系郑58 为母本、以不同亲缘关系的自交系为父本配制杂交组合，研究玉米自交系与其F1代间三种维生素含量的遗传关系，研究株高、穗位高和穗高系数的杂种优势，以及亲本自交系维生素含量与F1代株高、穗位高、穗高系数杂种优势的关系，以期为玉米高产育种和杂交组合高效选配提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

本试验以郑58 为母本，HZ1249、HZ0284、HZ1136、HZ0283、昌7－2、HZ0832 和HZ1342 7 个自交系为父本，配制7 个杂交组合(表1)。 全部材料均由山东农业大学玉米育种课题组于2020年在海南育种基地繁育和配制。

表1 7 个玉米杂交组合

1.2 田间试验设计

本试验涉及8 个亲本、7 个F1杂交种，共15个材料。 采用随机区组设计，重复3 次。 每个材料种植2 行，行距60 cm，株距28 cm，每行20 株。为提高土壤均匀程度，试验地冬前翻耕闲置，地势平坦，水肥适宜。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 烟酸含量测定(高效液相色谱法) 称取粉碎过筛籽粒样品5 g，加入25 mL H2O 混匀，之后加入淀粉酶0.5 g，水浴30 min；冷却后，用5 mol/L 盐酸溶液和0.1 mol/L 盐酸溶液调pH 值到1.7±0.1，放置5 min；用5 mol/L 氢氧化钠溶液和0.1 mol/L 氢氧化钠溶液调pH 值到4.5±0.1，加水定容到50 mL，经滤膜加压过滤后得到待测样品。待测样品用Prominence UFLCXR 高效液相色谱仪(日本岛津)测定，重复3 次。

1.3.2 生物素含量测定(高效液相色谱法) 籽粒粉碎过筛后，称0.25 g 样品于锥形瓶中，加入3%硫酸25 mL，121℃水浴30 min，冷却后用5 mol/L 氢氧化钠调pH 值到6.8，再加水定容到50 mL，经滤膜加压过滤后得到待测样品。 利用LC－6A 型高效液相色谱仪(日本岛津)测定，重复3次。

1.3.3 肌醇含量测定(微生物法) 将处理好的酵母菌株(北纳生物)调整浓度在0.5 麦氏浊度。籽粒粉碎过筛后，称取5 g 样品于锥形瓶中，加入0.44 mol/L 盐酸溶液80 mL，水解1 h 后取出冷却至室温，调整pH 值至5.2，定容、收集滤液。 将收集到的滤液转移至试管中，再121℃灭菌5 min，冷却后每管接种0.5 麦氏浊度酵母菌株悬液100 μL，继而在恒温培养摇床上培养24 h。 取出后灭菌15 min，测定600 nm 处吸光度，绘制标准曲线，计算各样品的肌醇含量。

1.3.4 株高和穗位高测定 株高:玉米雄穗开花后，花稃有少量干枯时用塔尺测量天穗顶端第一花稃至地面的距离；穗位高:用塔尺量取玉米果穗底端(不计玉米穗柄长度)至地面的距离。 取每行中间连续10 株进行株高和穗位高测量，重复3次。

1.4 F1代杂交优势相关指标计算

以中亲优势(MPH)、超亲优势(HB)来反映亲本和F1代种子维生素含量、株高、穗位高和穗高系数的关系，计算公式如下:

中亲优势(%)＝(F1－MP)/MP×100 ； (1)

超亲优势(%)＝(F1－HP)/HP×100 ； (2)

穗高系数＝穗位高/株高×100 。(3)

式中，MP 为双亲平均值；HP 为高亲值；F1为杂交种某一性状的平均值。

1.5 数据处理与分析

采用Microsoft Excel 2010 和SPSS 软件对试验数据进行统计分析，利用LSD 法进行方差分析。

2 结果与分析

2.1 亲本与F1代种子维生素含量的关系分析

2.1.1 亲本与F1代烟酸含量的关系分析 如表2所示，除杂交组合2 的父本烟酸含量显著高于母本外，其余6 个组合的父本烟酸含量均显著低于母本。 杂交组合1、6、7 的F1代种子烟酸含量与低值亲本差异不显著，表现为近低亲遗传；杂交组合5 的F1代种子烟酸含量位于双亲之间；杂交组合2、3、4 的F1代种子烟酸含量显著低于低值亲本，表现为超低亲遗传。

表2 亲本与F1代种子烟酸含量及杂种优势表现(mg/kg)

由杂种优势表现来看，7 个玉米杂交组合F1代的中亲优势和超亲优势均为负值，呈现负向杂种优势，可见，难以通过杂种优势利用来改善F1代种子烟酸含量。

2.1.2 亲本与F1代生物素含量的关系分析 如表3 所示，除杂交组合4 外，其余6 个杂交组合亲本间生物素含量均存在显著性差异，杂交组合1、3、5 母本种子的生物素含量显著高于父本，杂交组合2、6、7 母本种子的生物素含量显著低于父本。

表3 亲本与F1代种子生物素含量及杂种优势表现(mg/kg)

杂交组合4 的F1代种子生物素含量与双亲间差异不显著；杂交组合1、3、5、7 的F1代种子生物素含量与高值亲本间无显著性差异，表现为近高亲遗传；杂交组合2、6 的F1代种子生物素含量位于双亲之间。 可见，当双亲生物素含量存在显著差异时，有三分之二杂交组合的F1种子生物素含量表现为近高亲遗传，有三分之一组合的F1代种子生物素含量位于双亲之间。

就F1代种子生物素含量的杂种优势表现来看，除杂交组合2 的中亲优势为负值外，其余6 个组合均表现出一定的中亲优势，其中组合5、1 的中亲优势达到22.81%、19.43%。 就超亲优势来看，仅有组合1、4 的F1代种子生物素含量表现出较低正向超亲优势，分别为4.99%、2.30%，说明通过杂交优势利用培育超高亲生物素含量杂交种的实践意义不大。

2.1.3 亲本与F1代肌醇含量的关系分析 如表4所示，在7 个杂交组合中，杂交组合1、4、6 的亲本间肌醇含量存在显著性差异。 其中，组合1 的父本种子肌醇含量显著高于母本，组合4、6 的父本种子肌醇含量显著低于母本；杂交组合2、3、5、7的亲本间肌醇含量不存在显著差异。

表4 亲本与F1代种子肌醇含量及杂种优势表现(mg)

从亲本与F1代种子肌醇含量比较来看，杂交组合6 的F1代种子肌醇含量与高值亲本间没有显著性差异，表现为近高亲遗传；杂交组合1 的F1代种子肌醇含量与低值亲本间没有显著性差异，表现为近低亲遗传；杂交组合2、3 的F1代种子肌醇含量显著低于双亲；杂交组合4、5、7 的F1代种子肌醇含量与亲本间差异不显著。 可见，在亲本肌醇含量存在显著差异的杂交组合1、4、6中，仅有组合6 表现为近高亲遗传；在双亲肌醇含量差异不显著时，F1代种子肌醇含量显著低于双亲或与双亲间差异不显著。

从F1代种子肌醇含量的杂种优势表现来看，杂交组合4、6、7 的F1代种子肌醇含量表现出一定程度的正向中亲优势，组合7 的F1代种子肌醇含量表现出较小的正向超高亲优势。

2.2 玉米株高相关性状的杂种优势分析

2.2.1 株高的杂种优势分析 如表5 所示，除杂交组合4、5、7 的双亲间株高表现差异不显著外，其余4 个杂交组合的父本株高均显著高于母本。除杂交组合1 外，各组合F1代株高均显著高于双亲，表现出不同程度的中亲优势和超高亲优势。

表5 7 个玉米杂交组合株高杂种优势表现 (cm)

7 个玉米杂交组合株高的平均中亲优势为23.33%，平均超亲优势为17.46%。 其中杂交组合2的株高中亲优势最高，达到33.93%，超亲优势排第二，为24.38%，仅次于组合3(超亲优势为25.90%)。

2.2.2 穗位高的杂种优势分析 如表6 所示，除杂交组合1、2、6 的父本穗位高显著高于母本外，其余4 个组合的父母本穗位高无显著差异。 就亲本和F1代比较而言，F1代穗位高显著高于双亲。

表6 7 个玉米杂交组合穗位高杂种优势表现(cm)

7 个杂交组合均表现出较强的中亲优势和超亲优势，平均中亲优势为37.50%，平均超亲优势为29.49%。 其中，杂交组合2、3 的杂种优势最强，其中亲优势分别为50.71%、66.76%，超亲优势分别为39.41%、56.03%。

2.2.3 穗高系数的杂种优势分析 如表7 所示，杂交组合1、3 的母本穗高系数显著高于父本，杂交组合2、5、6、7 的母本穗高系数与父本之间差异不显著，杂交组合4 的母本穗高系数显著低于父本。 就亲本与F1代比较而言，除杂交组合4 与高值亲本不存在显著差异外，其余杂交组合的F1代穗高系数均显著高于亲本。

表7 7 个玉米杂交组合亲本及F1代的穗高系数

从F1代穗高系数的杂种优势表现来看，除杂交组合4 的穗高系数超亲优势＜0 外，其余组合的中亲优势、超亲优势均＞0，杂交组合3 的中亲优势最高，达26.63%，杂种优势明显。

2.3 F1代株高相关性状间及其与自交系(父本)维生素含量间的相关分析

对7 个杂交组合父本的3 种维生素含量及F1代株高、穗位高、穗高系数进行相关性分析，结果如表8 所示。 其中，株高与穗位高呈极显著正相关；穗位高与穗高系数呈显著正相关。 烟酸含量与F1代株高、F1代穗位高均呈显著正相关，与穗高系数相关不显著；生物素、肌醇含量与株高、穗位高、穗高系数之间的相关性不显著。

表8 F1代株高相关性状间及其与自交系(父本)维生素含量间的相关性

2.4 F1代株高相关性状杂种优势间及其与自交系(父本)维生素含量间的相关分析

对7 个杂交组合父本的3 种维生素含量及F1代株高、穗位高、穗高系数杂种优势之间的相关性进行分析，结果如表9 所示。 其中，父本烟酸含量与F1株高中亲优势呈显著正相关，父本肌醇含量与F1代穗高系数超亲优势呈显著正相关，株高中亲优势与株高超亲优势、穗位高中亲优势呈显著正相关，穗位高中亲优势与穗高系数中亲优势、穗位高超亲优势呈极显著正相关，穗高系数中亲优势与穗位高超亲优势呈显著正相关，穗高系数中亲优势与穗高系数超亲优势呈极显著正相关，其余性状两两间相关性不显著。

表9 F1代株高相关性状杂种优势间及其与自交系(父本)维生素含量间的相关性

3 讨论与结论

杂种优势是生物遗传的普遍现象，也是作物品种改良工作中增强抗性、改进品质、提高产量的一条重要途径[23]。 作物的维生素含量影响着其配合力和杂交组合的杂种优势表现。 本研究选取具有代表性的玉米株高、穗位高、穗高系数3 个性状，测定玉米自交系与其F1代种子3 种维生素含量的关系，以及亲本自交系3 种维生素含量与F1代株高、穗位高、穗高系数性状表现和杂种优势的关系，以期为高效测定玉米自交系配合力提供理论依据。

杂种优势分析表明:7 个玉米杂交组合的F1代烟酸含量中亲和超亲优势均为负值，表现为超低亲遗传；生物素含量往往倾向于表现为近高亲遗传，存在一定的杂种优势；肌醇含量往往倾向于表现为近低亲或低于亲本遗传，杂种优势较弱。以上结果说明通过利用杂种优势来显著提高杂交种的烟酸和肌醇含量难度较大。 7 个玉米杂交组合的F1代株高及穗位高的中亲优势和超亲优势均＞0 且部分超过20%，存在较强杂种优势，这与严建兵等[24]的研究结果一致:七分之六玉米杂交组合的穗高系数中亲优势和超亲优势＞0，具有一定的杂种优势。

相关性分析表明:F1代株高与穗位高呈极显著正相关，株高中亲优势与穗位高中亲优势呈显著正相关，表明玉米株高与穗位高具有同向遗传效应，这与前人的研究结果基本一致[25，26]。 穗位高和穗高系数中亲优势与超亲优势均呈显著或极显著正相关，说明穗高系数受穗位高影响较大。自交系烟酸含量与F1代株高、穗位高、株高中亲优势呈显著正相关，表明通过测定亲本种子烟酸含量可以预测F1代株高和穗位高，这在一定程度上提高了组合选配的可预见性。 自交系肌醇含量与穗高系数超亲优势呈显著正相关。 自交系生物素和肌醇含量与株高、穗位高、穗高系数的相关性不显著。

本试验发现，玉米亲本自交系种子的烟酸含量影响其F1代株高及穗位高表现，烟酸含量越高的自交系其F1代株高和穗位高越高，株高杂种优势越强，因此，可以通过测定亲本自交系种子的烟酸含量来提前预测F1代株高相关性状的表现，这在一定程度上提升了预测杂交组合后代株高的效率，可加快育种进程。 下一步将扩大组合数量、分析产量结构性状，为进一步研究3 种B 族维生素对玉米自交系配合力的影响提供理论依据。