張鳳啟，王邑雙，丁 勇，張 君，趙 霞，趙發(fā)欣，唐保軍

（1河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院糧食作物研究所/河南省玉米生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，鄭州450002；2鄲城縣第一高級(jí)中學(xué)，河南周口477150）

0 引言

玉米籽粒脫水速率是決定玉米收獲時(shí)籽粒含水量主要因素之一，也是間接影響玉米機(jī)收籽粒的重要因素。玉米收獲機(jī)械化作業(yè)對于提高生產(chǎn)效率、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度和降低收獲人力成本具有重要的實(shí)踐意義。中國玉米機(jī)械化收獲作業(yè)發(fā)展緩慢，據(jù)報(bào)道，至2013年底，中國玉米機(jī)收率為49%[1]，而美國、德國等國家早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了玉米生產(chǎn)機(jī)械化[2]。分析影響中國玉米機(jī)械化收獲作業(yè)的因素，發(fā)現(xiàn)在諸多因素中就玉米品種而言，收獲時(shí)玉米莖桿嚴(yán)重倒伏和籽粒含水量高是目前主要阻礙因子[3]。其中玉米籽粒含水量在玉米機(jī)械化生產(chǎn)作業(yè)中對機(jī)收籽粒以及籽粒的品質(zhì)、儲(chǔ)藏、運(yùn)輸、加工等環(huán)節(jié)起決定性作用。因此，選擇成熟期含水量低的品種是當(dāng)前玉米機(jī)械化收獲、輕簡化高效栽培的基本要求[4]。

1 玉米籽粒脫水速率測定

玉米籽粒脫水速率是一個(gè)較難測定的性狀，就目前尚未有可以對其進(jìn)行直接測定的儀器或方法，通常利用某一階段含水量變化進(jìn)行間接統(tǒng)計(jì)。如從脫水速率(%/d)公式(1)可以看出，獲得籽粒含水量是統(tǒng)計(jì)玉米籽粒脫水速率前提。籽粒含水量是描述籽粒中某一階段水分變化狀態(tài)的最直接指標(biāo)，顯示了籽粒水分從積累到散失的過程[5]。因此，選擇合適測定方法是準(zhǔn)確評(píng)價(jià)玉米籽粒脫水速率前提。據(jù)Hartand Golumbic分類方法，測定籽粒含水量有直接和間接2種方法。

1.1 直接測定法

直接測定法通常使用國際通用的烘干減重法[6]，進(jìn)一步根據(jù)烘干原理分為直接烘干法，紅外線烘干法和減壓烘干法。作為一種標(biāo)準(zhǔn)法該方法從1931年一直使用至今。隨著近年來儀器或測定技術(shù)不斷更新或完善，為該方法準(zhǔn)確性、重復(fù)性提供了技術(shù)保證。直接烘干法在玉米研究中應(yīng)用較多，籽粒含水量（公式2）。該方法具有操作簡便、準(zhǔn)確性和重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，但也存在明顯缺點(diǎn)如規(guī)模小等。隨著玉米農(nóng)藝性狀研究迅速開展，為了滿足高通量表型數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)需要，急需要一種快速的、可以大規(guī)模操作，且不破壞植株或籽粒的方法在田間對玉米籽粒進(jìn)行直接測定。因此，直接測定法不能滿足目前玉米大規(guī)模研究的需要。

1.2 間接測定法

胡晉等[7]根據(jù)種子水分理化特性與水分含量對應(yīng)關(guān)系，通過基準(zhǔn)法校準(zhǔn)，開發(fā)了一種間接測定種子含水量的方法。其原理即是利用水分介電常數(shù)大于種子中其他組分介電常數(shù)，進(jìn)而通過測量與樣品中水分變化相對應(yīng)的電容變化即為種子含水量[8]。該方法具有操作簡便、快速、易推廣等特點(diǎn)。近年來，新開發(fā)電子探針?biāo)譁y定儀有DC-10、JCs-1、MT808[9]等，被廣泛應(yīng)用。向葵[10]對改裝MT808探針?biāo)譁y定儀和傳統(tǒng)直接法（烘箱法）進(jìn)行對比研究，發(fā)現(xiàn)利用水分測定儀和烘干法測定的各部分含水量均具有顯著相關(guān)性。并發(fā)現(xiàn)使用探針測定時(shí)，苞葉含水量對籽粒含水量測定的影響較小；穗軸對籽粒含水量測定影響在籽粒含水量為20%～60%之間影響較大，但超出這個(gè)范圍后，影響較小。另外，鶴壁市農(nóng)科院利用探針式水分測定儀分別測量了玉米籽粒+苞葉、籽粒水分含量，通過與傳統(tǒng)烘干法測量的籽粒、穗軸、苞葉含水量比較，發(fā)現(xiàn)二者之間呈極顯著正相關(guān)；并在2種測量方法之間建立了回歸模型，進(jìn)一步優(yōu)化了利用探針式水分測定儀對籽粒含水量的測定方法。

2 玉米籽粒脫水速率與其它相關(guān)農(nóng)藝性狀關(guān)系

玉米籽粒脫水速率在不同種質(zhì)材料或品種之間存在顯著差異，通過對玉米幾大種質(zhì)類群材料籽粒脫水特性比較分析，發(fā)現(xiàn)唐四平頭和蘭卡斯特脫水特性高于其他群[11]。就材料本身而言，其自身具備特征特性或相關(guān)農(nóng)藝性狀，如生理成熟期含水量、穗部特征、籽粒類型以及品質(zhì)性狀等都直接或間接對籽粒脫水速率產(chǎn)生影響[12]。

2.1 玉米生理成熟期含水量與籽粒脫水速率關(guān)系

玉米收獲期籽粒含水量主要由干物質(zhì)積累速度、生理成熟期含水量和脫水速率3個(gè)因素決定[13]。隨著玉米籽粒發(fā)育的進(jìn)程，玉米籽粒含水量逐漸降低。植株授粉后0～16天為籽粒分裂繁殖期，此期干物質(zhì)積累較少，含水量為80%～90%。授粉后16～40天為乳熟期和蠟熟期，籽粒體積和干物質(zhì)迅速增加，含水量為40%～80%。授粉后40～55天為脫水干燥期，籽粒從頂部開始干燥，乳線自頂部向下移動(dòng)，該階段脫水強(qiáng)度最高，含水量為25%～40%[14]，不同品種的籽粒在該階段脫水速度存在差異。當(dāng)乳線消失，黑色層出現(xiàn)為生理成熟期[15]；隨之苞葉變干、蓬松，直到收獲[16-17]。有研究報(bào)道，玉米生理成熟后，粒重處于恒定狀態(tài)，但水分迅速散失，不同材料之間水分散失速度存在明顯差異，因此認(rèn)為這一階段籽粒脫水速率決定收獲時(shí)籽粒含水量[18]。

2.2 穗部特性對玉米籽粒脫水速率影響

在所有與玉米籽粒脫水相關(guān)農(nóng)藝性狀中，最直接影響籽粒脫水速率是穗部性狀[12]。國內(nèi)外自20世紀(jì)初就已開展了玉米籽粒脫水速率研究。據(jù)報(bào)道，玉米籽粒脫水速率與苞葉數(shù)量、苞葉厚度、苞葉長度、穗粗、軸粗等農(nóng)藝性狀關(guān)系密切。Zuber等[19]發(fā)現(xiàn)苞葉厚度是玉米籽粒脫水速率重要影響因素；苞葉含水量和脫水速率是籽粒含水量下降的決定性因素[20]；苞葉數(shù)越多，籽粒脫水越慢[21]；而短苞葉和果皮透性好有助于籽?？焖倜撍甗22]。隨著穗粗和軸粗增加，籽粒含水量增加；穗行數(shù)越少，果穗越細(xì)，穗軸也就越細(xì)，籽粒脫水速率與穗軸脫水速率呈極顯著正相關(guān)，而與穗長、行粒數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)[23]。

2.3 籽粒類型對玉米籽粒脫水速率影響

據(jù)研究報(bào)道，籽粒脫水速率與籽粒寬度、籽粒長度呈顯著負(fù)相關(guān)[24]。而劉思齊等[25]研究表明籽粒脫水速率與籽粒長度呈顯著負(fù)相關(guān)，但與寬度、厚度相關(guān)性不顯著。籽粒果皮厚度與籽粒脫水速率呈負(fù)相關(guān)，而與籽粒含水量呈正相關(guān)[26]。就籽粒類型而言，研究結(jié)果不一。有些報(bào)道認(rèn)為籽粒偏硬或中間型、出籽率高的品種含水量低[27]。而金益等[4]、李艷杰等[28]研究認(rèn)為馬齒型品種脫水速度快于硬粒品種。也有研究認(rèn)為在生理成熟后脫水速率硬粒和馬齒之間本質(zhì)上沒有區(qū)別。馬齒型籽粒脫水特性高于硬粒型，其原因可能是籽粒內(nèi)含物質(zhì)差異所致，如淀粉沉淀方式或籽粒表面積大小等[29]。

2.4 籽粒品質(zhì)性狀對玉米籽粒脫水速率影響

有研究認(rèn)為玉米籽粒蠟熟后自身生理活動(dòng)基本停止，影響籽粒脫水快慢主要原因是內(nèi)含物成分[30]，如：籽粒含油量、淀粉、蛋白等參數(shù)。隨著含油量增加，含水量也隨之呈線性增加，而脫水速率下降[31]；淀粉含量、支鏈淀粉與籽粒脫水速率呈極顯著正相關(guān)[32]。谷蛋白、脂肪、胚占體積和清蛋白在籽粒脫水速率上均起負(fù)效應(yīng)[32]。即籽粒清蛋白、谷蛋白、脂肪含量越低及胚體積越小，則籽粒脫水速率表現(xiàn)越快。而雷蕾等[33]研究發(fā)現(xiàn)收獲期籽粒含水量與籽粒中蛋白質(zhì)含量、脂肪含量呈正相關(guān)，與淀粉含量呈負(fù)相關(guān)。在干旱條件下，普遍認(rèn)為籽粒建成能力較弱，干物質(zhì)線性積累能力強(qiáng)，胚乳失水成熟較早，使得籽粒脫水速率較快[34]；但就二者之間遺傳關(guān)系目前尚未有研究報(bào)道。另外，生理成熟后，籽粒灌漿過程越短，后期籽粒脫水越快；若灌漿速度慢，則籽粒脫水慢[35-36]。

2.5 玉米生育期及其他因素對籽粒脫水速率影響

玉米生育期、株高、穗位以及灌漿期綠葉數(shù)與籽粒脫水速率關(guān)系密切。晚熟玉米品種收獲時(shí)籽粒含水量普遍表現(xiàn)較高[37]。李鳳海等[23]研究發(fā)現(xiàn)籽粒自然脫水速率與穗位高、株高均呈顯著負(fù)相關(guān)。譚福忠等[38]研究發(fā)現(xiàn)玉米葉面積指數(shù)、灌漿期綠葉數(shù)、株高、穗長以及單穗產(chǎn)量均與收獲期籽粒含水率呈顯著正相關(guān)。此外，播期、收獲期以及玉米生育后期氣象因子如空氣溫度、濕度、風(fēng)速、日輻射、降雨等對籽粒脫水速率具有重要影響[39-40]，而種植密度、株行距、水肥管理等栽培措施對籽粒脫水也有一定影響[41]。

3 玉米品種籽粒脫水速率遺傳改良及遺傳機(jī)制研究

3.1 玉米品種籽粒脫水速率遺傳改良

玉米籽粒收獲期含水量主要由生理成熟前后籽粒脫水速率控制，并可遺傳[41]，因此可以通過育種手段選育出生理成熟期和收獲時(shí)籽粒含水率低的品種。在中國玉米生產(chǎn)實(shí)踐中，因長期以來以人工收獲為主，高產(chǎn)為育種主要目標(biāo)，又因籽粒脫水性狀復(fù)雜性，因此，相關(guān)研究進(jìn)展緩慢。劉艷秋等[42]分析了1970s—2000s大面積推廣的玉米單交種，通過比較發(fā)現(xiàn)新品種籽粒灌漿速率快于以前老品種；新品種穗軸、苞葉和籽粒含水量均高于老品種。穗軸脫水速率則老品種明顯快于新品種；籽粒、苞葉脫水速率在不同年代品種之間并無明顯差異。

基于玉米籽粒脫水速率與其他農(nóng)藝性狀關(guān)系以及遺傳特性，有些專家提出關(guān)于提高玉米籽粒生理成熟后脫水速率的育種策略：（1）穗部及籽粒性狀：選擇苞葉較為松散，苞葉長度與果穗等長，薄果皮（以8 μm取代90～140 μm），穗粗（穗行18～20行）與穗軸均較細(xì)的中間偏硬粒型種質(zhì)（千粒重為300～350 g）[43]；（2）株型性狀：株高較低，株型清秀，通透性好，穗上葉片間距大，葉片窄，長短合理[41]。另外，李淑芳等[35]研究認(rèn)為在選育玉米品種時(shí)，應(yīng)結(jié)合農(nóng)藝性狀、品質(zhì)性狀與籽粒脫水速率相關(guān)性，綜合考慮玉米籽粒發(fā)育進(jìn)程，并注意外部環(huán)境影響，兼顧父母本效應(yīng)。

3.2 玉米籽粒脫水速率遺傳及QTL定位研究

玉米籽粒脫水速率是一個(gè)數(shù)量性狀，受多基因調(diào)控及環(huán)境影響。據(jù)研究報(bào)道，玉米生理成熟后籽粒脫水速率在遺傳上主要表現(xiàn)為加性效應(yīng)，高度遺傳[30]。Killoyko等[44]研究也發(fā)現(xiàn)脫水速率主要受加性效應(yīng)基因控制，可以高度遺傳。其廣義遺傳力為81.24%，狹義遺傳力為72.68%[45]。另外，Magari等[46]研究發(fā)現(xiàn)玉米籽粒脫水速率受環(huán)境影響較大，基因與環(huán)境互作效應(yīng)較強(qiáng)。而Schmidt等[47]發(fā)現(xiàn)生理成熟后籽粒含水量大于或等于30%時(shí)，脫水速率易受空氣溫度影響；而籽粒含水量小于30%時(shí)，與空氣中相對濕度有關(guān)。

近年來，利用分子標(biāo)記對玉米籽粒脫水速率QTL定位研究也取得了一些進(jìn)展。劉顯君等[48]檢測出分布于5條染色體上與生理成熟后籽粒自然脫水速率相關(guān)9個(gè)QTL，其中第2、第6染色體上的QTL在多個(gè)環(huán)境下重復(fù)檢測出，并確定快速脫水等位基因來源于親本吉846。Rodrigo等[49]利用F2:3永久家系檢測出3個(gè)控制成熟前一周籽粒脫水速率QTL。向葵[10]通過匯總有關(guān)玉米籽粒含水量和玉米穗粒腐病抗性QTL定位結(jié)果，基于元分析方法篩選出兩個(gè)性狀的“一致性”QTL重疊區(qū)域14個(gè)。Li等[50]研究檢測出玉米籽粒含水量相關(guān)的QTL40個(gè)，籽粒脫水速率相關(guān)QTL35個(gè)，并認(rèn)為籽粒重量和籽粒含水量可以同時(shí)進(jìn)行遺傳改良。Capelle等[51]利用QTL定位方法檢測出有關(guān)籽粒脫水QTL43個(gè)，籽粒重量15個(gè)，脫落酸含量相關(guān)的20個(gè)，并發(fā)現(xiàn)水通道蛋白基因與籽粒脫水速率有關(guān)。孫樂秀等[3]研究發(fā)現(xiàn)與自然脫水速率相關(guān)SNP23個(gè)，重要標(biāo)記有 4個(gè)，其中 2個(gè) SNP標(biāo)記(SYN13065，PZE-105068038)所連鎖基因主要與籽粒脫水過程中種子活力保持、生物膜保護(hù)、細(xì)胞內(nèi)環(huán)境穩(wěn)態(tài)的維持有關(guān)。

3.3 玉米籽粒脫水速率相關(guān)功能基因研究

功能基因研究方面，近年來，有關(guān)作物籽粒含水量調(diào)節(jié)基因，尤其在玉米上的研究報(bào)道比較有限。研究報(bào)道相對較多，如二族LEA蛋白，又稱為脫水素，在籽粒成熟時(shí)產(chǎn)生，屬于脫水家族蛋白[52]。Capelle等[51]發(fā)現(xiàn)LEA蛋白Emb5、Rab17(Dhn1)和Rab28基因在玉米授粉后60天、80天的籽粒內(nèi)上調(diào)表達(dá)。與籽粒脫水相關(guān)蛋白——水通道蛋白(PIP)[53]，其中PIP1.2、PIP1.3、PIP2.1和PIP2.2分別在玉米授粉后30天、40天、60天、80天的籽粒內(nèi)大幅度上調(diào)表達(dá)。

4 問題及展望

4.1 問題

截至到目前，國內(nèi)外對玉米籽粒脫水速率研究盡管取得了一些進(jìn)展，但也存在一些問題：（1）生產(chǎn)中脫水快的玉米品種較少。自20世紀(jì)90年代以來中國培育出的大多數(shù)為大穗、晚熟、高稈、籽粒脫水慢的玉米品種。而且玉米籽粒脫水性狀屬于復(fù)雜數(shù)量性狀，易受環(huán)境影響，基因難于聚合于一體獲得優(yōu)勢個(gè)體。目前在大多數(shù)玉米主產(chǎn)區(qū)，收獲時(shí)玉米籽粒含水量普遍在30%～40%。因此，為適應(yīng)當(dāng)前及未來玉米高效、穩(wěn)產(chǎn)及機(jī)械化生產(chǎn)目標(biāo)，明確和調(diào)整玉米育種方向是我們當(dāng)前主要工作。（2）缺乏精準(zhǔn)表型鑒定方法。玉米脫水速率是一個(gè)較難測定性狀，且在實(shí)際育種中很難直接測定。田間測定時(shí)不僅考慮品種自身生育期等農(nóng)藝性狀差異，生育后期溫度、日輻射、風(fēng)速、降雨等生態(tài)氣象因子以及播期、種植密度等栽培措施對其測定結(jié)果的影響也不可忽視。（3）遺傳機(jī)制研究進(jìn)展緩慢。近年來有關(guān)玉米籽粒脫水相關(guān)性狀QTL定位研究相對較少，檢測出的QTL數(shù)量少，現(xiàn)今能夠有效利用的也極少。因此，亟需加強(qiáng)對籽粒脫水速率的遺傳研究。

4.2 展望

隨著中國農(nóng)村土地流轉(zhuǎn)政策的實(shí)施，農(nóng)村勞動(dòng)力不斷轉(zhuǎn)移，務(wù)農(nóng)勞動(dòng)力越來越少，使得玉米生產(chǎn)成本不斷增加，因此，全程機(jī)械化是玉米生產(chǎn)不可逆轉(zhuǎn)趨勢。選擇適當(dāng)早熟、籽粒發(fā)育后期脫水快、收獲時(shí)含水量低的品種是中國各玉米產(chǎn)區(qū)實(shí)現(xiàn)機(jī)械粒收技術(shù)的關(guān)鍵措施。截至到目前，中國機(jī)收玉米新品種如‘橋玉8號(hào)’、‘創(chuàng)玉107’、‘云臺(tái)玉39’、‘聯(lián)想98’、‘新單68’等逐步得到推廣。在培育新品種的同時(shí)，加強(qiáng)對新農(nóng)機(jī)或檢測技術(shù)開發(fā)；并結(jié)合利用當(dāng)前高通量分子生物學(xué)技術(shù)如高通量基因組測序以及RNA-seq等技術(shù)深入開展玉米籽粒脫水速率的遺傳研究，進(jìn)一步挖掘有關(guān)玉米籽粒脫水速率相關(guān)功能基因以及培育出脫水速率快、高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)玉米品種是未來玉米遺傳研究熱點(diǎn)。近兩年本課題組致力于玉米籽粒脫水速率及含水量研究，并配置了相關(guān)大田直接測定水分的探針式儀器，已從現(xiàn)有自育或引進(jìn)材料中篩選出籽粒脫水速率快、早熟種質(zhì)材料，下一步將利用RNA-seq以及QTL定位相結(jié)合的方式開展玉米籽粒脫水速率遺傳研究。