糯玉米淀粉RVA黏度性狀配合力與雜種優(yōu)勢分析

宋旭東 章慧敏 張振良 周廣飛 程玉靜 石明亮 薛 林 ， 郝德榮 ，

（1江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，江蘇 南通 226541； 2江蘇省現(xiàn)代作物生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210095）

糯玉米（Zea maysL.ceratina Kulesh）起源于我國，是由普通玉米的Wx基因發(fā)生隱形突變而演變成的一種特用玉米類型，其籽粒胚乳中的淀粉幾乎全為支鏈淀粉，具有黏滯性強、透明度和溶解度高、凍融穩(wěn)定性好、不易凝沉等特點，是食品、紡織、黏合劑等行業(yè)的重要原料［1-3］。隨著農(nóng)業(yè)種植結(jié)構(gòu)調(diào)整及膳食結(jié)構(gòu)變化，鮮食糯玉米因其營養(yǎng)豐富、適口性好、易于消化吸收而成為消費新寵。發(fā)展鮮食糯玉米產(chǎn)業(yè)，對于推動現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和提高農(nóng)民收入具有重要意義。

糯玉米品種的鮮食品質(zhì)優(yōu)劣直接影響商品穗的經(jīng)濟(jì)價值及新品種的推廣與應(yīng)用，國內(nèi)外育種工作者越來越關(guān)注糯玉米鮮食品質(zhì)的改良，品質(zhì)育種已成為糯玉米育種攻關(guān)的焦點。食味品質(zhì)是眾多品質(zhì)評價指標(biāo)中的核心指標(biāo)［4-5］，目前量化評價鮮食糯玉米食味品質(zhì)主要采用快速黏度分析（rapid viscosity analyzer，RVA），利用RVA 特征譜值評價淀粉蒸煮食味品質(zhì)較“品嘗評分”更為科學(xué)、可靠［3，5］。稻米品質(zhì)育種中，利用淀粉RVA 特征譜值分析輔助選擇，可較好地區(qū)分表觀直鏈淀粉含量相似的不同基因型蒸煮食味品質(zhì)差異［6］。前人研究糯玉米RVA性狀發(fā)現(xiàn)，淀粉RVA黏度特征值有顯著的基因型差異，峰值黏度、終值黏度、崩解值等特征值與鮮食品質(zhì)品嘗評分呈顯著或極顯著正相關(guān)［3］，峰值黏度、谷值黏度、崩解值、終值黏度與糯性呈顯著負(fù)相關(guān)［5］；籽粒淀粉黏度性狀，尤其是峰值黏度對品種品嘗評分有重要作用［7］。

糯玉米配合力和雜種優(yōu)勢分析是選配優(yōu)良糯玉米雜交組合的重要依據(jù)之一。國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于鮮食糯玉米產(chǎn)量性狀、植株性狀及主要品質(zhì)性狀的配合力與雜種優(yōu)勢研究報道較多［8-11］，淀粉RVA 黏度性狀的雜種優(yōu)勢也有所研究［12］，但對鮮食糯玉米淀粉RVA 黏度性狀配合力、雜種優(yōu)勢及與親本遺傳距離關(guān)系的研究仍鮮有報道。因此，本研究以江蘇沿江地區(qū)鮮食糯玉米育種中廣泛利用的55 份核心自交系作為親本材料，采用不完全雙列雜交配制156 個雜交組合（F1），分析淀粉RVA 黏度性狀的配合力與雜種優(yōu)勢，同時利用單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphism，SZP）芯片估算親本遺傳距離，探討遺傳距離與配合力、雜種優(yōu)勢之間的關(guān)系，以期為優(yōu)質(zhì)鮮食糯玉米雜交組合的選配及其親本食味品質(zhì)的育種改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為江蘇沿江地區(qū)糯玉米育種中廣泛利用的55 份糯玉米核心自交系（電子附表1）。其中，52 個優(yōu)良自交系（P1～P52）作為被測系，3 個代表不同雜種優(yōu)勢群的骨干自交系T5（P53）、H522（P54）和T2（P55）為標(biāo)準(zhǔn)測驗種，按不完全雙列雜交配制156 個雜交糯玉米組合，以蘇玉糯5號（P53×P27）為對照。

表1 糯玉米淀粉RVA黏度性狀的配合力方差分析Table 1 Variance analysis of starch viscosity characteristics for combining ability in waxy maizes

1.2 田間試驗

2021 年在江蘇沿江地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所糯玉米育種試驗地進(jìn)行雜交組合田間鑒定試驗，以蘇玉糯5 號為對照品種。試驗采用隨機區(qū)組設(shè)計，3 次重復(fù)，3 行區(qū)，行長4.0 m，行距60 cm，株距25 cm。播種期為4月9日，出苗1周后定苗，每穴留1株健壯苗，田間管理與大田生產(chǎn)相同?；ㄆ谠诟餍^(qū)中間行選取長勢相對一致的10 個單株進(jìn)行套袋自交，成熟后分小區(qū)收獲中間行自交果穗，曬干后用于淀粉RVA黏度性狀測定。

1.3 淀粉黏度性狀測定

收獲后的自交穗曬干脫粒后，參照Yan 等［13］的測定方法，采用3D 型RVA 儀（Newport Scientific，澳大利亞）測定淀粉黏度特征譜值，并用配套的TCW 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。測定性狀主要包括峰值黏度（peak viscosity，PV）、谷值黏度（trough viscosity，TV）、崩解值（breakdown，BD）、終值黏度（final viscosity，F(xiàn)V）、回復(fù)值（setback，SB）、峰值時間（peak time，PT）和糊化溫度（pasting temperature，PTP），黏滯性以mPa·s為單位。

1.4 SNP基因分型

選取供試糯玉米自交系4 葉期新鮮葉片，采用改良的十六烷基三甲基溴化銨（cetyl trimethyl ammonium bromide，CTAB）方法提取基因組總DNA［14］。所有55份自交系DNA樣品基因型檢測采用Maize SNP 3K Beadchip基因分型系統(tǒng)（Illumina，美國），由中國農(nóng)業(yè)大學(xué)國家玉米改良中心完成。Maize SNP 3K Beadchip 芯片含隨機分布于玉米基因組上的3 072 個單核苷酸多態(tài)性（single nucleotide polymorphism，SNP）位點，包括1 884個從位于不同基因內(nèi)部的SNPs 和1 188 個基因間的SNPs，選自Ganal 等［15］報道的玉米SNP 基因分型芯片（包含49 585個SNPs）。

1.5 表型數(shù)據(jù)分析

參照宋旭東等［16］的研究方法，估算一般配合力（general combining ability，GCA）和特殊配合力（special combining ability，SCA）。具體計算按下述公式進(jìn)行：

式中，xi和xj分別表示i親本和j親本所配組合的表型平均值，為所有組合總的表型平均值，g表示GCA，S表示SCA。

采用對照雜種優(yōu)勢對測交組合作雜種優(yōu)勢分析［17］，對照雜種優(yōu)勢（control heterosis，CH）按如下公式計算：

其中，F(xiàn)1為測交組合表型值，X為對照品種蘇玉糯5號的表型值，在后續(xù)分析中采用雜種優(yōu)勢對CH進(jìn)行描述。

1.6 基因型數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析采用Excel 2010 和DPS 7.05完成。采用Powermarker 3.25 對供試自交系中SNP 基因型頻率進(jìn)行估算［18］，選取最小等位基因型頻率（minor alleles frequency，MAF）小于5%的2 908 個SNP標(biāo)記用于進(jìn)一步估算供試自交系間Nei’s 遺傳距離［19］，并利用SPSS 18.0 進(jìn)行遺傳距離與配合力、雜種優(yōu)勢間相關(guān)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 配合力方差分析

156 個測試組合（含對照）7 個淀粉RVA 黏度性狀配合力方差分析結(jié)果見表1。7 個性狀表型值組合間差異均達(dá)極顯著水平，表明組合間在不同RVA 黏度性狀上存在顯著的遺傳差異。進(jìn)一步對這7 個性狀做配合力方差分析結(jié)果表明，被測系（母本）GCA 方差除峰值時間和糊化溫度外，其余5 個性狀的GCA 方差達(dá)顯著或極顯著水平；被測系（父本）GCA 方差只有崩解值和消減值GCA 方差達(dá)極顯著水平，其余性狀差異不顯著；所有性狀的SCA 方差均達(dá)極顯著水平，說明RVA黏度性狀主要受非加性效應(yīng)影響。

2.2 配合力效應(yīng)分析

GCA 是同一自交系與多個自交系組配的雜交種表型性狀的平均表現(xiàn)，主要表現(xiàn)為基因加性效應(yīng)［17］。供試自交系一般配合力效應(yīng)分析結(jié)果表明（表2），不同自交系同一RVA 黏度性狀的GCA 效應(yīng)和同一自交系不同RVA 黏度性狀間GCA 效應(yīng)表現(xiàn)出很大差異。對于峰值黏度來說，GCA 效應(yīng)較高的自交系主要有P2、P4、P9、P26 和P38，這些自交系的谷值黏度、崩解值和終值黏度同樣具有較高的GCA 效應(yīng)，而峰值時間和糊化溫度GCA 表現(xiàn)為負(fù)效應(yīng)，消減值GCA 呈現(xiàn)出既有正向也有負(fù)向效應(yīng)；峰值黏度GCA 較差的自交系主要有P7、P30、P39、P51 和P52 等22 個自交系，表現(xiàn)為負(fù)向效應(yīng)。

表2 自交系RVA黏度性狀的一般配合力效應(yīng)Table 2 GCA effects for starch viscosity characteristics among waxy maize inbred lines

育種中以提高某一性狀表型值為育種目標(biāo)時，應(yīng)選擇該性狀GCA 效應(yīng)為正向效應(yīng)的親本，當(dāng)以降低某一性狀表型值為育種目標(biāo)時，應(yīng)選擇GCA 效應(yīng)為負(fù)向的親本為優(yōu)［20］。食味品質(zhì)優(yōu)良的鮮食糯玉米品種具有峰值黏度、谷值黏度、終值黏度、崩解值相對較高，消減值、峰值時間和糊化溫度相對較低等特點［3，5，21］，因此既具有較高的峰值黏度、谷值黏度、崩解值和終值黏度GCA 效應(yīng)，又具有較低的消減值、峰值時間、糊化溫度GCA 效應(yīng)的糯玉米自交系，對于鮮食糯玉米食味品質(zhì)的改良將具有重要的育種利用價值，如P2、P4 和P9等。

SCA指兩個特定自交系所組配雜交組合的表型水平，主要受基因的非加性效應(yīng)決定，用SCA 可以指導(dǎo)雜種優(yōu)勢的利用和雜交種選育［17］。本研究中156個鮮食糯玉米雜交組合SCA 效應(yīng)分析結(jié)果表明，不同雜交組合同一RVA性狀SCA 效應(yīng)差異較大（表3）。與對照蘇玉糯5 號相比，同一自交系所組配不同雜交組合淀粉RVA 性狀的SCA 效應(yīng)差異較大，其中峰值黏度、谷值黏度和終值黏度變幅較大，分別為-398.92～210.08，-353.36～232.31和-421.71～178.96，而峰值時間變幅差異較小，僅為-1.27～0.82。比較不同性狀的對照雜種優(yōu)勢表現(xiàn)發(fā)現(xiàn)，其平均值均為負(fù)值，糊化溫度對照雜種優(yōu)勢平均值最高（-1.53%），變幅為-8.13～24.11個百分點，而崩解值平均值最低（-348.10%），變幅為-2 100.00～44.44 個百分點。該結(jié)果表明，不同糯玉米組合間RVA 粘度性狀差異較大，所以需要在較多組合中進(jìn)行篩選，才可能獲得優(yōu)良的雜交種。

表3 雜交組合RVA黏度性狀特殊配合力效應(yīng)與對照優(yōu)勢綜合表現(xiàn)Table 3 Overall performance of SCA effects and control heterosis for starch viscosity characteristics of hybrids

20 個峰值黏度高的糯玉米組合及對應(yīng)親本的配合力構(gòu)成列于表4。在峰值黏度高的組合中，即對照雜種優(yōu)勢表現(xiàn)（CH）均大于10%的組合，大多數(shù)雙親的Nei’s 遺傳距離相對較遠(yuǎn)，但是也存在組合（P4×P53、P9×P54、P26×P53）遺傳距離較近，但峰值黏度較高的組合。分析優(yōu)勢組合的雙親配合力發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)組合雙親一般配合力效應(yīng)較大，說明優(yōu)勢組合的雙親之一具有較高的GCA 效應(yīng)值或雙親具有較高的GCA 效應(yīng)之和，而特殊配合力效應(yīng)大小不一，大部分組合的峰值黏度SCA效應(yīng)值為負(fù)值。

表4 糯玉米峰值黏度高優(yōu)勢組合的配合力效應(yīng)組成Table 4 Composition of combining ability values in 20 crosses with high peak viscosity in waxy maizes

2.3 雜種優(yōu)勢與配合力、遺傳距離的相關(guān)性

通過對供試材料雜種優(yōu)勢、配合力和遺傳距離進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)（表5），峰值黏度、谷值黏度和終值黏度的遺傳距離與GCA 呈顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系，與其他性狀均無顯著相關(guān)性；研究特殊配合力與遺傳距離發(fā)現(xiàn)，崩解值、消減值、峰值時間和糊化溫度的遺傳距離與SCA 呈極顯著相關(guān)關(guān)系；所有性狀的雜種優(yōu)勢與遺傳距離均呈顯著或極顯著相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)較低；除消減值和糊化溫度外，SCA 與GCA 效應(yīng)與遺傳距離均無顯著的相關(guān)性；此外，在所有RVA 黏度性狀中，雜種優(yōu)勢表現(xiàn)與雙親的一般配合力和特殊配合力均呈極顯著相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)系數(shù)較高。

表5 RVA黏度性狀雜種優(yōu)勢、配合力及Nei’s遺傳距離間相關(guān)系數(shù)Table 5 Correlation between heterosis，combining ability and genetic distance of RVA traits in waxy maize

3 討論

3.1 糯玉米籽粒淀粉RVA黏度性狀配合力分析

玉米自交系作為選育雜交種的基礎(chǔ)，其配合力是評價自交系優(yōu)劣的重要依據(jù)。篩選和利用高配合力自交系一直是育種家關(guān)注的熱點問題。本研究發(fā)現(xiàn)P2（ZFF）、P4（XH55）、P9（NFHH）、P26（T5V）和P38（NM）等自交系在RVA 黏度性狀上具有較高的GCA 效應(yīng)。此外，以峰值黏度指標(biāo)為依據(jù)，在排名前20 的優(yōu)勢雜交組合中有13 個組合的親本之一來自這些GCA 效應(yīng)較高的自交系，說明在強優(yōu)勢組合中，即在RVA 黏度性狀較好的組合中，親本之一應(yīng)具有較高的GCA 效應(yīng)，這與馮宣軍等［10］、田樹云等［22］的研究結(jié)果相似。在未來糯玉米品質(zhì)育種實踐中，為產(chǎn)生強優(yōu)勢雜交組合，應(yīng)在一般配合力高的基礎(chǔ)上，選擇特殊配合力高的親本，可增加創(chuàng)造優(yōu)勢雜交組合的機率。

本研究還發(fā)現(xiàn)在排名前20 的優(yōu)勢雜交組合的雙親GCA 效應(yīng)之和差距較大，盡管大多數(shù)強優(yōu)勢組合雙親GCA 效應(yīng)之和為正值，但有些組合的雙親GCA 效應(yīng)為負(fù)值。魯俊田等［23］研究產(chǎn)量性狀配合力分析發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)量較高的雜交組合雙親GCA 效應(yīng)均為正值，且雙親GCA 效應(yīng)較高，與本研究結(jié)果不一致，可能是研究材料不同和研究性狀不同導(dǎo)致。本研究選用糯玉米自交系作為試驗材料，研究性狀是品質(zhì)性狀中的RVA 黏度性狀。在RVA 黏度性狀育種改良過程中，強優(yōu)勢雜交組合配制并不能完全依靠親本的GCA 效應(yīng)，還要結(jié)合品質(zhì)性狀各因素及相關(guān)性狀的綜合表現(xiàn)來決定。本試驗選用的55 個被測系中，ZFF、XH55 和NFHH 是RVA黏度性狀GCA 表現(xiàn)最好的3 個自交系，后續(xù)利用這些自交系組配出RVA 黏度性狀較高的組合可能性較大，在未來育種實踐中可將這3 個自交系作為核心親本加以利用。

3.2 糯玉米籽粒淀粉RVA 黏度性狀配合力、遺傳距離與雜種優(yōu)勢的關(guān)系

做好雜種優(yōu)勢的早期預(yù)測，可有效提高玉米育種效率。關(guān)于雜種優(yōu)勢預(yù)測方法的研究很多，其中最為普遍的是利用分子遺傳距離進(jìn)行雜種優(yōu)勢預(yù)測。從上世紀(jì)80年代開始，育種工作者已開始利用限制性片段長度多態(tài)性（restriction fragment length polymorphism，RFLP）、隨機擴增多態(tài)性DNA（random amplified polyrnorphism DNA，RAPD）和簡單重復(fù)序列（simple sequence repeat，SSR）等分子標(biāo)記遺傳距離的方法預(yù)測玉米的雜種優(yōu)勢，但研究結(jié)果卻不盡相同［24］。隨著分子標(biāo)記的不斷發(fā)展，SNP 標(biāo)記作為新型的分子標(biāo)記類型，具有密度高、分布范圍廣、分型簡單等優(yōu)點［25］。近年來，利用SNP分子標(biāo)記測定親本間的遺傳距離預(yù)測雜種優(yōu)勢，已在許多作物中得到應(yīng)用。在油菜中，研究發(fā)現(xiàn)利用SNP芯片估算遺傳距離預(yù)測農(nóng)藝性狀的雜種優(yōu)勢效果明顯優(yōu)于RFLP、RAPD 和SSR［26］。在玉米中，研究發(fā)現(xiàn)SNP芯片標(biāo)記預(yù)測雜種優(yōu)勢的準(zhǔn)確性在0.72～0.8，這也間接證明SNP芯片能夠高效的預(yù)測雜種優(yōu)勢［27］。

本研究基于SNP標(biāo)記估算遺傳距離與F1雜種優(yōu)勢的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，糯玉米親本遺傳距離與淀粉RVA黏度性狀雜種優(yōu)勢間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)系數(shù)普遍偏低。進(jìn)一步對20 個強優(yōu)勢組合峰值黏度的雜種優(yōu)勢與遺傳距離研究發(fā)現(xiàn)，并不是遺傳距離越大，其雜種優(yōu)勢效應(yīng)越強。本研究結(jié)果表明，SNP 遺傳距離在一定程度上反映雜交種RVA 黏度性狀的高低，但還不足以準(zhǔn)確預(yù)測雜交組合的RVA 黏度性狀，這與飼用玉米［25］、油菜［26］、甘藍(lán)［28］等作物的研究結(jié)果一致。但是，姜獻(xiàn)玲等［29］研究甜玉米遺傳距離與雜種優(yōu)勢關(guān)系發(fā)現(xiàn)，分子遺傳距離越大，雜種優(yōu)勢越強。不同研究得出不同的研究結(jié)論，可能是因為分子標(biāo)記遺傳距離預(yù)測雜種優(yōu)勢的效果與所用標(biāo)記多少、研究性狀的不同、選用群體的數(shù)量和親本的遺傳多樣性有關(guān)。糯玉米的品質(zhì)性狀是復(fù)雜的數(shù)量性狀，其調(diào)控基因眾多且存在復(fù)雜的互作關(guān)系，僅以本研究選用的2 908個SNP可能還不足以準(zhǔn)確預(yù)測糯玉米淀粉RVA 黏度性狀雜種優(yōu)勢，需結(jié)合其他指標(biāo)做進(jìn)一步研究。

本研究對糯玉米RVA 黏度性狀配合力與雜種優(yōu)勢的相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，雙親一般配合力和特殊配合力與RVA 黏度性狀雜種優(yōu)勢呈顯著相關(guān)關(guān)系，且大多數(shù)指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)較高，說明親本材料的配合力在預(yù)測雜種優(yōu)勢和指導(dǎo)親本選擇中仍具有重要的實用價值。Amelework 等［30］和王黎明等［31］研究高粱遺傳遺傳距離與產(chǎn)量之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，遺傳距離與籽粒產(chǎn)量雜種優(yōu)勢的相關(guān)性雖然不顯著，但和一般配合力效應(yīng)顯著相關(guān)，因而在雜種優(yōu)勢的預(yù)測上，基于配合力的預(yù)測方法可能比基于分子標(biāo)記的預(yù)測方法更有效。

綜上所述，本研究發(fā)現(xiàn)SNP 分子標(biāo)記遺傳距離與RVA 黏度性狀雜種優(yōu)勢呈顯著相關(guān)關(guān)系，但相關(guān)程度偏低，說明遺傳距離僅可在一定程度上反映雜交組合黏度性狀的高低，在親本選擇時不能只依靠遺傳距離，還應(yīng)重點考慮親本的配合力，增加創(chuàng)造優(yōu)異雜交種的機率，提高育種效率。此外，比較不同的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在不同作物和不同農(nóng)藝性狀上研究分子遺傳距離與雜種優(yōu)勢的關(guān)系得到的結(jié)果不盡相同，因此關(guān)于分子標(biāo)記遺傳距離與雜種優(yōu)勢的關(guān)系仍需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

SNP分子標(biāo)記遺傳距離在一定程度上能反映糯玉米雜交種RVA 黏度性狀的高低，但遺傳距離與雜交組合之間的相關(guān)性小于與配合力之間的相關(guān)性，因此在預(yù)測雜交種雜種優(yōu)勢時，可將配合力和遺傳距離相結(jié)合，以增加創(chuàng)造優(yōu)異雜交種的機率，提高育種效率。自交系ZFF、XH55 和NFHH 可作為鮮食糯玉米品質(zhì)改良和高品質(zhì)糯玉米培育的理想親本材料。