不同基因型甜玉米遗传差异及叶酸和糖分含量变化

陈新叶, 高华洋, 王 灿, 陈 晨, 赵仁贵

(吉林农业大学农学院, 长春 130118)

甜玉米(ZeamaysL.saccharataSturt)是玉米的一个亚种,甜玉米起源于南美洲。因其具有较高的营养价值、香甜脆爽的口感深受消费者喜爱,作为水果蔬菜型食品发展迅速[1-2]。甜玉米的糖分含量是普通玉米的1～7倍,籽粒中含有多种有益于人体健康的维生素和氨基酸等营养物质[3-5]。得益于甜玉米市场的不断发展,使甜玉米的品种选育、种植技术、产品加工和销售等得到了快速的发展。随着科技的发展,人们生活水平的提高,市场对甜玉米品质的要求也不断提高,从风味佳、口感好上升到富含维生素及微量元素等营养物质的新阶段。

叶酸(Folates)是一种水溶性B族维生素,也称为维生素B9,是人体必需的微量元素之一[6]。由于人体自身不能合成叶酸,只能从食物中摄取每日所需的叶酸来维持日常生命活动。成年人每日叶酸摄取量约为400 μg,而孕妇每日需600 μg[7]。叶酸缺乏症已经是一个全球性健康问题,叶酸缺乏会引发多种疾病,例如胎儿的神经管无法闭合导致脑部和脊柱先天畸形、先天性心脏病等疾病;叶酸摄入不足还会造成巨幼细胞贫血、妊娠高血压综合症等疾病[8-11]。

本试验以32份甜玉米杂交种为试验材料,通过对其遗传差异性的分析,研究不同品种的可溶性总糖、还原糖和叶酸含量的变化规律,为在育种过程中加快甜玉米新品种的鉴定效率提供理论指导,为选育优质、高营养的甜玉米新品种提供科技支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以吉林农业大学农学院特用玉米遗传育种团队于2020年冬季在海南育种基地组配的32份甜玉米杂交种为基础材料,材料名称及亲本见表1。

表1 试验材料名称及亲本自交系编号Table 1 The names of each hybrid of sweet maize and the number of parental inbred lines

1.2 分子标记试验设计

当幼苗长至3～4片叶时,采集1 g嫩叶片,装入离心管内液氮浸泡,随即放入冷冻研磨仪内研磨,采用改良的CTAB法提取DNA,利用微量核酸蛋白浓度测定仪检测DNA浓度,并用1.5%的琼脂糖凝胶电泳验证DNA显色条带是否清晰,后续参照GB/T39914-2021[12]标准进行聚丙烯酰胺凝胶电泳。

1.3 田间试验设计

2021年5月1日在吉林农业大学教研基地种植杂交种,试验采用随机区组设计、双行区,设置3次重复,行长5 m,行距65 cm,株距28 cm,田间管理与大田相同。甜玉米杂交种在花期进行人工套袋授粉,记录授粉日期。甜玉米籽粒样品分别取自人工套袋授粉后的15,18,21,24,27 d,采收果穗上饱满、无病虫害的籽粒。将取样的鲜籽粒置于上海精宏实验设备有限公司生产的电热鼓风干燥箱(DHG-9246A)中,在55 ℃条件下恒温烘干至恒重。取出冷却至室温后研磨成粉,过100目筛子,用于测定其叶酸、可溶性总糖和还原糖含量[13-14]。

1.4 数据分析

采用Visual C++对电泳成像图片进行处理,得出数据,采用Excel 2019软件与R语言对数据进行处理分析。

2 结果及分析

2.1 SSR标记结果

通过对32份甜玉米杂交种的SSR分子标记,分析遗传距离,其中部分引物在32份甜玉米材料中扩增结果如图1所示,扩增产物条带清晰,标记明显。

图1 引物umc2105k3在32份甜玉米材料中的扩增图谱Fig.1 Amplification map of primer umc2105k3 in 32 sweet maize materials

如图2所示,根据SSR分子标记结果,对32份甜玉米杂交种进行聚类分析。本试验选取遗传距离10.7为阈值时可将32份甜玉米杂交种划分为4类进行分析。类群Ⅰ包含6个杂交种,分别为吉T117、吉T118、吉T310、吉T313、吉T314、吉T315;类群Ⅱ包含5个杂交种,分别为吉T101、吉T116、吉T211、吉T215、吉T131;类群Ⅲ包含10个杂交种,分别为吉T13、吉T15、吉T17、吉T20、吉T102、吉T120、吉T217、吉T341、吉T344、吉T345;类群Ⅳ包含11个杂交种,分别为吉T14、吉T19、吉T103、吉T104、吉T105、吉T119、吉T212、吉T213、吉T216、吉T219、吉T342。

图2 32份甜玉米杂交种SSR分子标记聚类分析Fig.2 SSR molecular marker clustering analysis of 32 sweet maize hybrids

2.2 方差分析

由表2可知,品种×采收期对可溶性总糖含量、还原糖含量的影响存在显著差异,对叶酸含量影响差异不显著;品种对可溶性总糖含量、还原糖含量的影响存在极显著差异,而品种对叶酸含量影响不显著;不同采收期对可溶性总糖含量、还原糖含量存在极显著影响,不同采收期对叶酸含量存在显著影响;综上所述,需进一步对可溶性总糖、还原糖和叶酸的变化与其所划分类群的关系做进一步分析。

表2 试验材料的营养成分方差分析Table 2 Analysis of nutrient content variance for each sweet maize hybrid

2.3 可溶性总糖含量动态变化

由图3可知,类群Ⅰ可溶性总糖含量呈单峰曲线变化,吉T117、吉T118、吉T313与吉T314呈一直下降的趋势,吉T117下降趋势缓慢,变化较小;吉T118在授粉后15 d可溶性总糖含量在类群Ⅰ中最高,但下降趋势缓慢,在授粉后27 d在类群Ⅰ中含量最低,对收获时间变化敏感。吉T310与吉T315呈先升后降趋势,吉T310在授粉后24 d时可溶性总糖含量达到峰值,可溶性总糖含量略高于其他杂交种,综合在授粉后15～27 d的可溶性总糖含量表现,吉T310均保持较高的含量,对收获时间变化不敏感。

图3 类群Ⅰ各甜玉米杂交种的可溶性总糖含量和采收期的变化Fig.3 Changes in total soluble sugar content and harvest period of each sweet maize hybrid in group Ⅰ

由图4可知,类群Ⅱ可溶性总糖含量呈单峰曲线变化,总体为先升后降的趋势。吉T101在授粉后18～24 d,可溶性总糖含量均保持在较高的水平,对收获时间变化不敏感,在21 d达到峰值;吉T215授粉后21～24 d达到峰值,综合含量表现略低于吉T101;吉T116、吉T211与吉T311均在授粉后24 d达到峰值,其中吉T116可溶性总糖含量变化明显,对收获时间变化敏感。

图4 类群Ⅱ各甜玉米杂交种的可溶性总糖含量和采收期的变化Fig.4 Changes in total soluble sugar content and harvest period of each sweet maize hybrid in group Ⅱ

由图5可知,类群Ⅲ中吉T17、吉T20、吉T341、吉T344与吉T345可溶性总糖含量在授粉后15 d开始缓慢下降,其中吉T17在授粉后15～18 d可溶性总糖含量较高,在早期优势明显;吉T13、吉T15、吉T102、吉T120与吉T217可溶性总糖含量呈单峰曲线变化,且峰值均出现在授粉后18～21 d,其中吉T102可溶性总糖含量较高且保持高含量水平时间长,对收获时间变化不敏感。

图5 类群Ⅲ各甜玉米杂交种的可溶性总糖含量和采收期的变化Fig.5 Changes in total soluble sugar content and harvest period of each sweet maize hybrid in group Ⅲ

由图6可知,吉T14可溶性总糖从授粉后15 d开始逐渐下降,在授粉21 d后基本保持不变;吉T19、吉T103、吉T213与吉T342可溶性总糖含量在授粉后15 d逐渐下降,其中吉T19含量较高,下降趋势较慢;吉T104、吉T105、吉T212、吉T216和吉T219可溶性总糖含量呈单峰曲线变化,总体为先升后降的趋势,其峰值大都出现在授粉后21～24 d之间,其中吉T212与吉T216可溶性总糖含量较高且保持时间长,对收获时间变化不敏感;吉T119从授粉后15 d开始其可溶性总糖含量无明显变化,在授粉后24 d开始下降,可溶性总糖含量较低,对收获时间变化不敏感。

图6 类群Ⅳ各甜玉米杂交种的可溶性总糖含量和采收期变化Fig.6 Changes in total soluble sugar content and harvest period of each sweet maize hybrid in group Ⅳ

2.4 还原糖含量动态变化

由图7可知,吉T314还原糖含量在授粉后15 d开始逐渐下降,下降趋势明显较快;吉T117、吉T310与吉T315还原糖含量呈单峰曲线变化,在授粉后18～21 d达到峰值,授粉21 d后还原糖含量迅速下降,对收获时间变化敏感;吉T313还原糖含量呈单峰曲线变化,在授粉后21 d达到峰值,还原糖含量较低且变化趋势不明显,对收获时间变化不敏感。

图7 类群Ⅰ各甜玉米杂交种的还原糖含量和采收期变化Fig.7 Changes in reducing sugar content and harvest period of each sweet maize hybrid in group I

由图8可知,吉T101还原糖含量呈单峰曲线变化,上升趋势较慢,下降趋势较快,在授粉后20 d达到峰值,对收获时间变化敏感;吉T116、吉T211、吉T215与吉T311还原糖含量在授粉后15 d开始逐渐下降,其中吉T215下降趋势较慢,对收获时间变化不敏感;吉T116、吉T211与吉T311下降趋势明显,对收获时间变化敏感。

图8 类群Ⅱ各甜玉米杂交种的还原糖含量和采收期变化Fig.8 Changes in reducing sugar content and harvest period of each sweet maize hybrid in group Ⅱ

由图9可知,类群Ⅲ还原糖含量变化趋势较为一致,呈单峰曲线变化,在授粉后19～21 d达到峰值,之后下降趋势较快,在授粉后24 d下降趋势变缓,对收获时间变化敏感;其中吉T13还原糖峰值含量较高,持续时间较短;吉T120还原糖峰值含量较低,下降趋势较慢,对收获时间变化不敏感。

图9 类群Ⅲ各甜玉米杂交种的还原糖含量和采收期变化Fig.9 Changes in reducing sugar content and harvest period of each sweet maize hybrid in group Ⅲ

由图10可知,吉T14、吉T19、吉T119、吉T212与吉T342还原糖含量变化趋势较小,呈单峰曲线;吉T103、吉T104、吉T105与吉T213还原糖含量呈单峰曲线变化,其峰值出现在授粉后21～24 d,时间较长;吉T216与吉T219还原糖含量在授粉后15 d开始逐渐下降,吉T216还原糖峰值含量较高,下降趋势快,对收获时间变化敏感,吉T219下降趋势较慢,对收获时间变化不敏感。

图10 类群Ⅳ各甜玉米杂交种的还原糖含量和采收期变化Fig.10 Changes in reducing sugar content and harvest period of each sweet maize hybrid in group Ⅳ

2.5 叶酸含量动态变化

由图11可知,类群Ⅰ叶酸含量呈双峰曲线变化,第一次峰值出现在授粉后15 d,第二次峰值出现在授粉后24 d,谷值出现在授粉后19～20 d;吉T314叶酸含量变化不明显;吉T117与吉T313第一次峰值叶酸含量较低,第二次峰值含量较高,吉T313叶酸含量变化明显,其谷值含量较低;吉T310叶酸含量两次峰值相近,谷值含量较高,对收获时间变化不敏感。

图11 类群Ⅰ各甜玉米杂交种的叶酸含量和采收期变化Fig.11 Changes in folic acid content and harvest period of various sweet maize hybrids in group Ⅰ

由图12可知,类群Ⅱ叶酸含量变化不明显,从授粉后15 d开始叶酸含量有小幅下降,对收获时间变化不敏感;其中吉T311叶酸含量存在优势,显著高于其他4个品种。

图12 类群Ⅱ各甜玉米杂交种的叶酸含量和采收期变化Fig.12 Changes in folic acid content and harvest period of various sweet maize hybrids in group Ⅱ

由图13可知,类群Ⅲ中吉T120与吉T217叶酸含量从授粉后15 d开始缓慢下降,叶酸含量较低,含量变化小,对收获时间变化不敏感;其他8个品种的叶酸含量均呈单峰曲线变化,吉T13、吉T15、吉T20、吉T341、吉T344与吉T345其峰值均出现在授粉后21 d前后,其中吉T13与吉T341叶酸含量变化较小,峰值最高,对收获时间变化不敏感,优势明显。

图13 类群Ⅲ各甜玉米杂交种的叶酸含量和采收期变化Fig.13 Changes in folic acid content and harvest period of various sweet maize hybrids in group Ⅲ

由图14可知,类群Ⅳ中吉T14、吉T19、吉T104、吉T105、吉T212与吉T213叶酸含量从授粉后15 d开始缓慢下降,对采收时间变化不敏感,吉T213叶酸含量较高,存在一定优势;吉T103、吉T119、吉T216、吉T219与吉T342叶酸含量均呈单峰曲线变化,其峰值出现在授粉后21 d前后,其中吉T119叶酸含量最高,对采收时间变化较敏感。

图14 类群Ⅳ各甜玉米杂交种的叶酸含量和采收期变化Fig.14 Changes in folic acid content and harvest period of various sweet maize hybrids in group Ⅳ

3 讨论与结论

甜玉米因具有口感甜脆和营养丰富的特点深受人们喜爱,甜玉米品种选育也受到育种家们重视,越来越多的品种逐渐推向市场。随着生活水平提高,市场对甜玉米的品质和营养有了更高的要求,目前对甜玉米的口感和甜度方面的研究较多,对不同基因型甜玉米的糖分、叶酸含量及其变化规律研究的报道较少。因此,采用现代生物技术手段与常规育种方法相结合,鉴定改良甜玉米种质对提升甜玉米品质有重要意义[15-16]。本研究通过SSR分子标记,确定了32份不同基因型甜玉米杂交种的相似系数和遗传距离,并分为4个类群,选取人工套袋授粉后不同时期的甜玉米果穗的烘干籽粒,检测其可溶性总糖、还原糖与叶酸含量,并对其进行统计分析,发现不同类群,即基因型差异较大的甜玉米糖分变化存在一定差异,可溶性总糖和还原糖含量的变化均为先升后降或持续下降,为单峰曲线变化,这与刘萍等[17]研究结论一致。可溶性总糖和还原糖含量变化峰值出现在授粉后21 d,这与卢柏山等[18]关于甜玉米糖分积累动态变化趋势相一致;不同品种间可溶性总糖、还原糖和叶酸含量变化呈持续下降趋势,这可能与其生育期长短有关,生育期较短的甜玉米峰值出现较早。不同类群品种间叶酸含量变化趋势差异明显,类群Ⅰ的叶酸含量在授粉后15～27 d出现两次峰值,为双峰曲线变化;类群Ⅱ、类群Ⅲ与类群Ⅳ,其叶酸含量变化为先升后降或一直下降,仅出现一次峰值,为单峰曲线变化;甜玉米叶酸含量峰值出现的时间没有表现出一定规律,还需进一步研究。甜玉米的品质对采收时间变化敏感,籽粒品质达到顶峰后迅速下降,最佳收获时间短,严重影响了甜玉米商业价值,这与本研究结论一致[19-22]。类群Ⅲ中吉T13可溶性总糖、还原糖和叶酸的综合含量较高,品种优势明显,最佳采收期在授粉后21 d左右;卢柏山等[23]认为,甜玉米采收期直接关系到其品质优劣、产量高低,采收期长的甜玉米品种对提升甜玉米商业价值有重要意义。在本试验类群Ⅰ中的吉T310对采收时间变化不敏感,适宜采收期长,且可溶性总糖、还原糖和叶酸综合含量较高,符合甜玉米的市场生产需求,具有良好的推广应用前景。