趙澤群，師趙康，張遠航，王雯，馮萬軍*

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，山西 太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)業(yè)生物工程研究所，山西 太谷 030801)

玉米是世界上主要的糧飼兩用型作物，其產(chǎn)量的提高在很大程度上依賴于新品種的培育[1]。目前，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上的玉米以單交種為主，即通過兩個遺傳背景不同的玉米自交系雜交育成的品種。因此，選育綜合性狀優(yōu)良的玉米自交系為新品種培育奠定重要的材料基礎(chǔ)。在玉米雜交種親本的選育過程中，育種家多關(guān)注株型、光合特性、產(chǎn)量及抗逆性等性狀[2～3]。有關(guān)自交系選育的手段也比較多樣，包括直接選系、回交轉(zhuǎn)育、雜交選育以及單倍體選育等方法或技術(shù)[4～5]。

葉片是植物合成碳水化合物的源器官，在營養(yǎng)和生殖生長過度過程中，最終將光合產(chǎn)物轉(zhuǎn)運至子粒中，從而影響產(chǎn)量的形成[6]。在玉米中，穗位葉和結(jié)實雌穗上下節(jié)的葉片(棒三葉)是其主要的光合層，在干物質(zhì)積累特別是產(chǎn)量形成過程中發(fā)揮主要作用[7～8]。因此，眾多研究圍繞玉米棒三葉的光合特性展開。研究表明，光合速率(Pn)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)、蒸騰速率(Tr)及水分利用效率(WUE)等是鑒定植物光合能力的主要參數(shù)[9]。然而迄今為止，雖然通過利用玉米光合特性分析特定性狀的研究較為廣泛，但是有關(guān)玉米光合特性與產(chǎn)量性狀關(guān)系仍不清楚。

本研究以6個玉米自交系為研究材料，通過對其灌漿盛期的棒三葉的葉片形態(tài)、葉綠素含量、光合特性及其產(chǎn)量性狀進行分析，探討四者的相關(guān)關(guān)系，為篩選高光效玉米種質(zhì)奠定一定基礎(chǔ)，也為培育優(yōu)良的玉米新品種積累有價值的資料。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本研究選用PH6WC、PH4CV、唐65(T65)、鄭58(Z58)、綜3(Z3)和87-1等6個玉米自交系，其中PH6WC、PH4CV和綜3、87-1分別是玉米雜交種先玉335和豫玉22的母本和父本，鄭58為鄭單958的母本，而唐65為自主選育自交系。

1.2 田間設(shè)計

于2016將供試材料在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)作站分小區(qū)點播，每自交系種植6行，株行距分別為30 cm和50 cm。玉米種植區(qū)土質(zhì)為輕壤土，播前施加?xùn)|方紅玉米專用復(fù)合肥750 kg·hm2(含氮、磷、鉀肥的量分別為105 kg·hm-1、120 kg·hm-1和112.5 kg·hm-1)，玉米生長期間在大喇叭口和抽雄期分別澆灌一次，其他管理措施同一般試驗田。

1.3 葉片性狀測定

在各玉米自交系吐絲期15 d，每個玉米自交系選定10株，用直尺測量各自交系棒三葉的長和寬。根據(jù)公式，面積=長×寬×0.75計算3個葉片的面積。隨后對光合特性進行測定，待光合參數(shù)測定完成后，隨機將選定葉片等量分為兩組，分別測定其葉綠素含量和干重。將待稱重葉片放置于鼓風(fēng)干燥箱，120 ℃殺青30 min，隨后80 ℃烘至恒重，而后稱重。

1.4 葉綠素含量測定

將選定的6個玉米基因型新鮮棒三葉剪碎，稱取0.5 g放置于試管中，加95%乙醇10 mL，于陰暗處靜置提取，直到材料變白，再將其過濾，得到葉綠素色素提取液，將其定容至100 mL。取出1 mL葉綠素色素提取液，利用分光光度計，在663 nm和645 nm兩個波長下的測定吸光值，根據(jù)公式：葉綠素a含量(Chla)=12.7(A663)-2.69(A645)，葉綠素b含量(Chlb)=22.9(A645)-4.68(A663)，總?cè)~綠素含量(Total Chl)=葉綠素a含量+葉綠素b含量。分別計算葉片中葉綠素a和葉綠素b含量以及葉綠素總含量和Chla/ Chlb比值。

1.5 光合參數(shù)的測定

在當(dāng)日上午9:00～11:00，采用Li-6400 便攜式光合作用測定儀(LI-COR Inc.Lincoln, Nebraska, USA)測定6個玉米自交系棒三葉光凈光合速率(Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導(dǎo)度(Gs)、胞間CO2濃度(Ci)等4個光合參數(shù)，水分利用率(WUE)依照公式WUE=Pn/Tr計算，測定條件為紅藍光源，光強(PFD)為1200～1 500 μmol·(m2·s)-1，葉室溫度為28±5 ℃，CO2流速在350～400 μmol·s-1之間，每自交系測定5株。

1.6 產(chǎn)量測定

在收獲期，在各玉米自交系種植區(qū)內(nèi)，隨機選定長勢均勻一致的10個植株，收獲其雌穗，放入網(wǎng)袋中自然晾曬兩個月后，測定其穗長(ear length，EL)、穗粗(ear diameter，ED)、禿尖長(Bald tip length, BTL)、軸粗(cob diameter,CD)、穗行數(shù)(row number per ear，RN)、行粒數(shù)(kernel number per row，KN)、百粒重(100 kernel weight，KW)、穗重(ear weight,EW)和單穗粒重(kernel weight per ear，KWE)等產(chǎn)量相關(guān)性狀。

1.7 數(shù)據(jù)處理

采用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對測定的所有數(shù)據(jù)進行處理，再利用Excel軟件整理數(shù)據(jù)并繪制相關(guān)圖表，分析不同玉米自交系棒三葉形態(tài)大小、葉綠素含量、光合特性及產(chǎn)量差異，并進行主因子分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 6份玉米自交系棒三葉形態(tài)差異分析

分析結(jié)果顯示，不同自交間同一葉片的大小存在明顯差異，且經(jīng)顯著性分析達到顯著或極顯著水平，而同一自交系穗位及其上下3個葉片的長度差異不大，這也導(dǎo)致自交系間棒三葉的長度具有基本一致的差異表現(xiàn)。在葉長上，以PH6WC葉片最長，達到80 cm，而以PH4CV為最小，僅有60 cm，其他依次排序為唐65、87-1、綜3和鄭58(圖1 A)。對葉寬分析發(fā)現(xiàn)，除87-1和鄭58的穗上葉寬在3個葉片間變化較大外，其他自交系的棒三葉間寬度差異并不明顯，且大小排列順序與長度排序結(jié)果相似(圖1B)。葉面積統(tǒng)計結(jié)果表明，PH6WC的棒三葉面積相較其他自交系均為最大，為600 cm2左右，而PH4CV、綜3和鄭58的相對較小，變化范圍在350～400 cm2，另外兩個居中(圖1C)。進一步對棒三葉的生物量測定后發(fā)現(xiàn)，仍然以PH6WC的3個葉片干重為最大，均在2 g左右，而以PH4CV、綜3和87-1的相對較小，基本都在0.9～1.0 g之間(圖1D)，這與葉面積測定結(jié)果基本吻合，說明不同自交系葉片厚度差異不大。

圖1 6個自交系棒三葉形態(tài)大小及其生物量差異Fig.1 The size and biomass of rod-trefoil in 6 inbred lines注：圖中不同填充圖案的柱狀圖代表不同玉米自交系，與圖A中圖例表示相同；不同大寫和小寫字母分別表示同一部位葉片不同自交系間P<0.01和P<0.05水平的顯著性差異。Note:The histograms containing different filling patterns in all figures represent the different maize inbred lines, which are the same as those in figure A, and the capital and lowercase letters in all figures represent significant differences in P<0.01 and P<0.05 level on the identical leaf of different inbred lines.

2.2 葉綠素含量差異分析

葉綠素含量是反應(yīng)葉片光合能力的重要指標。因此，我們對6個玉米自交系棒三葉中葉綠素a(Chla)和葉綠素b(Chlb)含量進行了測定。結(jié)果顯示，不論Chla和Chlb，除了PH4CV和87-1以穗下葉含量較高外，其他基本呈現(xiàn)穗位葉≥穗上葉>穗下葉的變化規(guī)律。對比不同自交系發(fā)現(xiàn)，唐65的3個葉片Chla含量均為最高，其穗下葉，穗位葉和穗上葉中分別達到2.7 mg· g-1、3.5 mg· g-1和3.6 mg· g-1，而以PH6WC為最低，僅有0.8 mg· g-1、0.3 mg· g-1和0.4 mg· g-1，其他4個玉米基因型棒三葉的CHla含量居中。對CHlb含量測定發(fā)現(xiàn)，仍然以PH6WC的為最小，僅有0.3 mg·g-1左右，而以唐65和PH4CV為最大，分別達到1.5 mg· g-1和1.7 mg·g-1。對Chla和Chlb綜合來看，唐65的總?cè)~綠素含量為最高，這與葉綠素a的結(jié)果相同。進一步對Chla/Chlb比值統(tǒng)計結(jié)果顯示，除鄭58的穗位葉和87-1的穗上葉的比值在3.5左右，其他葉片的Chla/Chlb比值基本在2.5～3.0之間，這與前人研究結(jié)果相似[10]。

圖2 6個自交系棒三葉葉綠素含量差異Fig.2 The chlorophyll content of rod-trefoil in 6 inbred lines注：圖中不同填充圖案的柱狀圖代表不同玉米自交系，與圖A中圖例表示相同；不同大寫和小寫字母分別表示同一部位葉片不同自交系間P<0.01和P<0.05水平的顯著性差異。Note:The histograms containing different filling patterns in all figures represent the different maize inbred lines, which are the same as those in figure A, and the capital and lowercase letters in all figures represent significant differences in P<0.01 and P<0.05 level on the identical leaf of different inbred lines.

2.3 光合參數(shù)差異比較

統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，Pn、Tr、Gs、Ci及WUE這5個光合參數(shù)在不同自交系相同葉片間均存在較大變異，且差異達到顯著或極顯著水平。例如，PH6WC的Pn值在穗位葉為最大，達到15.11 umol· m-2·s-1，而穗上葉的值則最小，僅有6.65 umol· m-2·s-1，而唐65穗上葉的Pn值最大，穗位葉的值為最小。有意思的是，同一自交系3個葉片所有光合參數(shù)的變化趨勢基本一致。例如，PH6WC穗位葉的Pn、Tr、Gs、Ci及WUE數(shù)值均比另外兩個葉片要大，而唐65穗上葉的上述5個參數(shù)具有最大值(圖3,4)。上述說明，不同玉米自交系的光合能力存在差異，而且3個葉片間光合特性并不一致，這可能是由于植株構(gòu)型差異影響自然光照射所致。

進一步依照Pn、Tr、Gs、Ci及WUE順序排列，在6個玉米自交系中，穗上葉5個光合參數(shù)數(shù)值最大的分別為唐65、唐65、87-1、87-1和綜3；穗位葉以綜3、PH6WC、綜3、87-1和綜3分別具有最大值；而穗下葉則分別以綜3、唐65、綜3、綜3和綜3的5個光合參數(shù)值為最大(圖3,圖4)。綜合來看，綜3棒三葉的WUE值均為最大，其Pn值除穗上葉較低外，穗位葉和穗下葉都較大，表明其光合作用能力也較強，且Gs和Ci數(shù)值也較大，這說明該自交系光合能力較強，水分利用率較高，綜3為光合特性較，綜3為光合特性較為突出的育種材料。

2.4 不同玉米自交系產(chǎn)量差異及其與葉片性狀的相關(guān)分析

在分析葉片形態(tài)、葉綠素含量及光合特性的基礎(chǔ)上，我們又對6個玉米自交系的9個產(chǎn)量性狀進行了統(tǒng)計分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，禿尖長、行粒數(shù)、穗重和穗粒重這4個性狀在6個自交系間變異較大，而其他5個參數(shù)變化幅度不大。其中，以PH6WC的單株產(chǎn)量為最大，達到116.63 g，而以鄭58為最小，僅有92.80 g，其他依次排序為綜3、唐65、PH4CV和87-1(表1)。

圖3 6個自交系棒三葉光和參數(shù)差異Fig.3 The photosynthetic parameters of rod-trefoil in 6 inbred lines注：圖中不同填充圖案的柱狀圖代表不同玉米自交系，與圖A中圖例表示相同；不同大寫和小寫字母分別表示同一部位葉片不同自交系間P<0.01和P<0.05水平的顯著性差異。Note:The histograms containing different filling patterns in all figures represent the different maize inbred lines, which are the same as those in figure A, and the capital and lowercase letters in all figures represent significant differences in P<0.01 and P<0.05 level on the identical leaf of different inbred lines.

圖4 6個玉米自交系棒三葉水分利用效率的差異Fig.4 Water use efficiency (WUE) of rod-trefoil in 6 inbred lines注：圖中不同填充圖案的柱狀圖代表不同玉米自交系，不同大寫和小寫字母分別表示同一部位葉片不同自交系間P<0.01和P<0.05水平的顯著性差異。Note:The histograms containing different filling patterns in all figures represent the different maize inbred lines, and the capital and lowercase letters in the figure represent significant differences in P<0.01 and P<0.05 level on the identical leaf of different inbred lines.

進一步對不同自交系單株產(chǎn)量與棒三葉葉面積大小、葉綠素含量及光合參數(shù)進行相關(guān)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，葉綠素含量與光合特性均與產(chǎn)量不相關(guān)(結(jié)果未呈現(xiàn))，僅棒三葉葉面積大小與產(chǎn)量顯著相關(guān)，且穗下葉、穗位葉和穗上葉與單株產(chǎn)量的相關(guān)系數(shù)(r)分別為0.076 3，0.079 2，0.104 2。

3 討論與結(jié)論

目前，玉米生產(chǎn)上以種植單交種為主，因此雜交種親本的選育則顯得尤為關(guān)鍵。只有當(dāng)遺傳背景不同的兩個表現(xiàn)優(yōu)良的玉米自交系通過雜交，生成的雜交種才更有可能具有較大的雜種優(yōu)勢，從而對于玉米高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。本研究選用PH6WC、PH4CV、唐65、鄭58、綜3和87-1這6個玉米自交系為研究對象，其中，PH6WC、PH4CV和綜3、87-1分別為先玉335和豫玉22的兩個親本，鄭58為鄭單958的母本，由這幾個自交系培育的雜交種過去或現(xiàn)在均在我國玉米生產(chǎn)上發(fā)揮重要作用，而唐65為自主選育自交系，經(jīng)過配合力測定發(fā)現(xiàn)，其具有較高的一般配合力。因此，圍繞這幾個自交系進行研究，對玉米種質(zhì)創(chuàng)新甚至是新品種培育具有借鑒意義。

表1 6個自交系產(chǎn)量性狀統(tǒng)計結(jié)果Table 1 six inbred lines yield traits results

注：表中數(shù)字后面的字母代表不同基因型同一性狀在P<0.05水平下的顯著性差異。

Note:The letters behind the data in the table represent significant differences at theP<0.05 level for the same trait of different genotypes.

圖5 玉米自交系棒三葉面積和單穗粒重的線性關(guān)系Fig.5 Linear Relationship between the Area of Stick Clover and the Per Capsgrain Weight in Maize Inbred Lines注：圖中**表示葉片面積大小和單穗粒重之間達到顯著相關(guān)性。Note: The figure ** indicates a significant correlation between leaf area size and grain weight per spike.

光合參數(shù)是反應(yīng)葉片光合能力的重要指標，現(xiàn)常用于檢測植物對營養(yǎng)匱乏、干旱等脅迫的反應(yīng)過程中[11～12]。研究發(fā)現(xiàn)，玉米葉片的光合特性在一天內(nèi)以上午9～11點較為穩(wěn)定，而不同玉米品種的葉片光合特性并不一致，且在玉米不同的生長發(fā)育時期呈現(xiàn)動態(tài)變化[13]。本研究表明，6個玉米自交系的棒三葉在Pn、Tr、Gs、Ci及WUE這5個光合參數(shù)上具有較大的差異，但是同一自交系3個葉片所有光合參數(shù)的變化趨勢基本一致，這可能與植株構(gòu)型差異影響自然光照射有關(guān)。自交系綜3的所有光合參數(shù)均較高，是光合能力強、水分利用效率高的育種材料。由此說明，不同玉米基因型間的光合能力存在差異，即使對于同一基因型的不同生長發(fā)育時期的光合效率也不一致。

玉米產(chǎn)量的形成是一個漸變過程，主要取決于葉片將同化產(chǎn)物轉(zhuǎn)運至子粒中的能力和數(shù)量以及時間長短。因此，并非光合能力強則同化產(chǎn)物轉(zhuǎn)運的效率就一定會高，只有當(dāng)“源”、“庫”、“流”相互協(xié)調(diào)時，產(chǎn)量的形成才會有所保證，而單純分析“源”而不考慮“流”，則不利于清晰解釋“源”與“庫”的關(guān)系。本研究發(fā)現(xiàn)，6個玉米自交系間棒三葉的形態(tài)大小、葉綠素含量、光合參數(shù)以及產(chǎn)量性狀上存在一定變異，不過除了葉片面積與產(chǎn)量外，葉綠素含量和光合特性均與產(chǎn)量不相關(guān)，這可能因為產(chǎn)量形成是長期累積的結(jié)果，單獨某一天的光合作用效果不足以對產(chǎn)量造成多大影響，也可能涉及較為復(fù)雜的轉(zhuǎn)運機制。最近，華鶴良等[14]研究發(fā)現(xiàn)，在特定發(fā)育時期，玉米莖稈含糖量高低同光合速率大小并不一致，這可能與植株自身消耗量等因素相關(guān)，也暗示這兩者之間存在較為復(fù)雜的關(guān)系。由此，我們推定，僅僅針對單一玉米生長發(fā)育階段的光合特性分析，不能滿足對其產(chǎn)量的預(yù)測，而究竟研究玉米哪些生長發(fā)育階段的光合特性，對產(chǎn)量的預(yù)測較為關(guān)鍵值得進一步深入研究。