甜玉米种质资源种子活力综合评价

毛笈华，陈翰砚，顾鑫硕，于永涛，胡建广（广东省农业科学院作物研究所/广东省农作物遗传改良重点实验室，广州50640；暨南大学生命科学技术学院，广州5063）



甜玉米种质资源种子活力综合评价

毛笈华1，陈翰砚2，顾鑫硕2，于永涛1，胡建广1
（1广东省农业科学院作物研究所/广东省农作物遗传改良重点实验室，广州510640；2暨南大学生命科学技术学院，广州510632）

摘要：旨在为甜玉米种子活力性状评价、鉴定和遗传改良提供参考，以95份甜玉米自交系为材料，通过幼苗生长测定、抗冷测定和人工加速老化试验，调查了标准发芽率（GE）、苗高（SH）、根长（RL）、低温相对发芽率（CRGE）、老化相对发芽率（ARGE）、老化相对根长（ARRL）、老化相对苗高（ARSH）7个指标，运用隶属函数法和多元统计分析方法对种子活力进行了综合评价。结果表明，甜玉米资源种子活力存在丰富的遗传变异，7个指标的遗传变异系数在14.42%～34.46%之间，累计贡献率为71.27%，通过逐步回归建立了种子活力综合评价数学模型Y活力=-2.596+1.626GE+1.07ARGE+0.628CRGE（R2=0.900），预测结果与隶属函数值（L）法的评价结果基本一致。最终基于活力综合评价值将95份自交系分为5个等级，标准发芽率、低温相对发芽率和老化相对发芽率可作为甜玉米种子活力评价的主要指标。

关键词：甜玉米；种子活力；指标；综合评价

0　引言

甜玉米（Zea mays L.）是一种果蔬兼用型特用玉米，种植效益高于普通粮食作物，中国甜玉米种植面积和产量占世界份额的22.7%和24.31%，其中以超甜玉米种植最为广泛［1］。大部分超甜玉米种质由sh2胚乳突变基因控制，籽粒中蔗糖含量极高，在乳熟期含有40%～50%的糖分，为普通玉米的6～9倍，为普通甜玉米的2.5～4.5倍，且适宜采收期更长［2］。而玉米种子出苗率与种子淀粉含量成正相关，与糖分含量成负相关，导致甜玉米种子活力普遍低于普通玉米，甜玉米中超甜玉米（sh2）比普甜、加强甜（su、bt1等基因型）玉米种子活力更差［3-4］。如何保障甜玉米的品质的同时提高种子活力是育种家面临的重要问题。前人研究表明玉米种子活力具有明显的加性遗传效应和正向杂种优势，可以进行选择改良［5-6］。Yousef和Juvik［7］利用QTL和分子辅助选择技术使甜玉米自交系发芽率提高了28.2%～40.8%。因此，鉴定不同玉米自交系种子活力，筛选高活力的甜玉米资源，对种质改良和品种培育具有重要意义。

种子活力是一个非常复杂的综合性状，表现在发芽率、苗长、根长、鲜重、干重、低温发芽能力、耐藏性、抗老化等诸多方面，难以靠单一的测定方法或某一种活力指标准确判断种子活力高低，需要综合评判［8-9］。隶属函数和因子分析等多元统计方法已广泛应用在作物抗逆性鉴定、品质评价和资源筛选等研究领域［10-12］，而多指标综合评价体系在玉米中应用的报道较少。本研究通过幼苗生长测定、抗冷测定和人工加速老化试验，利用隶属函数法和多元统计分析法对95份超甜玉米种质资源种子活力进行综合评价，建立种子活力数学评价模型，为甜玉米种子活力性状的研究和改良提供研究方法和基础材料。

1　材料与方法

1.1试验材料

供试材料共计95份，包括国内外收集的甜玉米种质资源和从育成品种中选育的高代自交系，均为sh2型超甜玉米，由广东省农业科学院作物研究所提供，种质名称等信息见表1。2014年秋季统一播种在广东省农业科学院白云基地，常规管理，单株自交授粉后分别适时采收，经晾晒筛选，保存备用。

表1　95份甜玉米种质信息及种子活力评价

续表1

1.2试验方法

1.2.1标准发芽试验将60cm×60cm的定性滤纸裁剪成15cm×30cm大小，121℃湿热灭菌20 min后做发芽纸备用。甜玉米种子用5%次氯酸钠消毒5 min，自来水冲洗至无味。在2张发芽纸上摆放好50粒种子，上铺1张发芽纸，加入适量自来水使种子附着在发芽纸上，将发芽纸疏松的卷起，做好标记，每个材料重复3次。纸卷统一竖直摆放在60cm×40cm×5cm的不锈钢托盘上，托盘中加入约2cm深自来水以供应种子发芽，然后放入人工气候箱，在25℃、12 h光照条件下发芽7天后统计发芽数，并选取代表性的8～10株幼苗测量根长和芽长。

1.2.2抗冷性测定甜玉米种子按照上述方法制成纸卷后，在人工气候箱4℃处理7天，随后转入25℃进行正常发芽测试，统计7天后的发芽数，计算发芽率和相对发芽率。

1.2.3人工加速老化试验将甜玉米种子放入尼龙网纱袋中，在42℃、相对湿度100%的恒温恒湿箱中处理3天，种子取出风干后，按照上述方法进行标准发芽试验，统计7天后发芽数，测量根长和芽长，计算相对发芽率、相对根长和相对芽长。

发芽率（GE）=（正常萌发种子数/供试种子数）× 100%…………………………………………………（1）

根长（RL）=标准发芽试验中萌发种子主根长度的平均值………………………………………………（2）

芽长（SH）=标准发芽试验中萌发种子芽长的平均值……………………………………………………（3）

低温相对发芽率（CRGE）=（低温处理发芽率/对照发芽率）×100%……………………………………（4）

老化相对发芽率（ARGE）=低温处理发芽率/对照发芽率×100%………………………………………（5）

老化相对根长（ARRL）=老化处理根长/对照根长………………………………………………………（6）

老化相对芽长（ARSH）=老化处理芽长/对照芽长………………………………………………………（7）

1.3数据统计和处理

利用Excel 2007对获得的原始数据进行基本统计和处理，去掉异常值，每个指标的测定值为3个重复的平均数，采用模糊数学隶属函数法［12］进行参试甜玉米种子活力的评价，利用公式X（μ）=（X-Xmin）/（Xmax-Xmin）来计算各测定指标的隶属函数值，其中X为某一指标的测定值，Xmax为该指标的最大值，Xmin为最小值，再将各个活力指标的隶属值累加，求总平均值。

使用SPSS 22.0软件进行描述统计、相关性分析、主成分分析和多元线性回归，其中因子分析选用Kaiser标准化的正交旋转法，活力综合评价值，权重，其中j=1，2，…，n，Fj表示第j个主因子，Pj表示第j个公因子的贡献率。

2　结果与分析

2.1甜玉米种子活力指标的描述统计

甜玉米种子活力存在丰富的遗传变异，各指标的变异系数均超过了10%（表2），其中标准发芽率在33%～100%之间，平均值为86.2%，变异系数为14.42%，低温和老化处理后种子发芽率分别下降至71.14%和69.84%，变异系数为32.46%和27.51%，显著大于标准发芽率，以上结果显示供试材料的抗逆萌发能力存在显著差异。此外，老化种子萌发后幼苗相对苗高和根长的变幅分别为0.45～1.4cm和0.56～1.71cm，但平均值和变异系数与正常萌发的幼苗相比差异不显著，平均相对苗高为0.8，变异系数21.55%，平均相对根长为1.0，变异系数为22.19%，表明总体上幼苗生长势较为稳定。

2.2种子活力指标的相关性分析和主成分分析

种子活力相关指标之间相互独立又紧密联系，如表3所示，标准发芽率与其余各指标间均存在显著或极显著的相关性，相关系数在0.217～0.368之间；幼苗芽长和根长存在极显著相关关系，标准条件下相关系数为0.273，老化后相关性达到0.528；种子低温发芽率与标准发芽条件下的根长相关性0.408，达极显著水平，而未能检测到老化后种子发芽率与幼苗生长能力和抗冷能力间的相关性。

将7个单项指标引入因子分析系统，根据旋转后的因子载荷矩阵结果和初始特征值大于1的要求，得到3个公因子，这3个综合评价指标的贡献率分别为31.18%、24.38%和15.72%，累计贡献率为71.27%（表4），将原来7个单项指标转换为3个新的相互独立的综合指标，第一主成分相当于2.18个原始指标的作用，主要包括低温相对发芽率、标准条件下的根长和标准发芽率，可反映原始数据信息量的31.18%；第二主成分相当于1.71个原始指标的作用，主要包括老化试验中的相对发芽率、相对芽长和根长；第三主成分主要反映了标准发芽条件下芽的生长能力。这3个因子代表了原始指标携带的绝大部分信息。

表2　甜玉米种子活力指标分析

表3　种子活力单项指标间的相关系数矩阵

表4　种子活力各指标的主成分分析

2.3甜玉米种子活力的综合分析与评价

分别利用模糊隶属函数法和综合系数法对活力进行综合评价，首先分别计算7个指标的隶属函数值，最终获得种子活力平均隶属函数值L；随后根据主成分分析获得的3个公因子计算种子活力综合评价值D（表1），2种方法获得的结果基本一致，相关性达到0.974。根据D值排序，数值越大表示种子活力越强，最终将参试材料分为5个等级，1级表示种子活力极弱，包含5份种质，占参试材料的5%，5级代表种子活力极强，包含16份种质，占所用材料的16.8%，较弱（2级）、较强（4级）和中等（3级）材料分别有17（17.9%）、22（36.8%）和35（23.2%）份。

为筛选可靠的种子活力鉴定指标，建立可用于甜玉米种子活力评价的数学模型，把活力综合评价值（D值）作因变量，把各单项指标作自变量，采用逐步回归方法建立最优回归方程：Y活力=-2.596+1.626GE+ 1.07ARGE+0.628CRGE（R2=0.900，P=0.019）。由方程可知，标准发芽率、老化发芽率和低温发芽率3个指标对种子活力的评价有显著影响，在鉴定中可以选择性地测定这些指标使工作简化。用该回归方程对种子活力进行预测，其预测值（Y）与综合评价值（D）和隶属函数值（L）在各参试材料间的次序基本一致，两者高度相关（r=0.949和0.868），达到极显著水平，说明用该回归方程可以对甜玉米种子活力进行准确预测。

3　结论和讨论

本研究对95份具有丰富遗传多样性的甜玉米种质的种子活力进行了检测，结果如下：（1）通过逐步回归建立了甜玉米种子活力评价的数学模型，筛选出标准发芽率、低温相对发芽率和老化相对发芽率3个显著影响种子活力的单项指标，为性状鉴定提供了科学依据；（2）获得萌发耐低温材料25份（相对发芽率超过90%）、耐老化材料18份（相对发芽率均超过90%），利用综合评价值分级筛选出高活力材料14份（5级），可用于活力性状的遗传改良，同时要特别注意22份活力较差（1级和2级）种质的保存和繁育更新。

种子活力是一个非常复杂的性状，受到遗传因素和种子发育、贮藏及萌发期间环境因素的共同影响［13］。目前还没有一个适宜玉米种子活力检测的方法体系。幼苗生长测定、抗冷测定和人工加速老化是国际种子检验协会推荐的种子活力室内测定方法，分别反映了幼苗长势、萌发抗逆性和种子耐储存能力［14］。之前的研究中，蒋作甫等［15］和李春雷等［16］认为老化处理发芽法能够很好预测种子的活力水平，Noli等［17］则认为抗冷测定结果与种子田间的真实表现关系最一致，杜清福等［18］在研究不同类型玉米种子活力时均采用了标准发芽试验，而发芽率是最重要的种子活力评价指标［15-18］。本研究使用上述3种方法鉴定同一批材料，从不同角度对甜玉米种子活力进行评价，结果表明甜玉米种子抗老化能力与幼苗生长能力和低温萌发能力并无显著相关关系，使用单一的测定方法或指标判断种子活力高低存在偏差，需要综合评判［8-9］。另外，本试验中发现4份材料在低温相对发芽率反而高于标准发芽率，这可能由于是低温下种子吸水速率减慢，有利于细胞通过自我修复来提高种子活力和出苗率［19］。以上结果不仅有助于加强甜玉米资源的保存和利用，同时也为种子活力基础研究提供了参考依据。

本研究主成分分析中3个主因子包含了所有的7个指标，但只能解释71%的差异，这可能是由于除本研究所用的指标，仍存在其他一些影响种子活力的因素。细胞内氧化和抗氧化系统的平衡在种子活力保持和修复过程中起着至关重要的作用，与之相关的抗氧氧化酶活性、脯氨酸含量、丙二醛含量、电导率等生理指标常用来评价种子活力［18，20］。李春雷等［16］研究表明，过氧化物酶、过氧化氢酶、脱氢酶活力与老化玉米种子活力指数、发芽率的相关系数达到显著或极显著水平，均能够很好的预测种子的活力水平。笔者将在后续工作中开展相关研究，以期完善和优化种子活力的评价体系。

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Comprehensive Evaluation of Seed Vigor in Sweet Corn Germplasm

Mao Jihua1，Chen Hanyan2，Gu Xinshuo2，Yu Yongtao1，Hu Jianguang1
（1Crop Research Institute，Guangdong Academy of Agricultural Sciences/
Guangdong Provincial Key Laboratory of Crops Genetics and Improvement，Guangzhou 510640，Guangdong，China；2College of Life Science and Technology，Jinan University，Guangzhou 510632，Guangdong，China）

Abstract：The study aims to provide reference for evaluating and identifying seed vigor，and genetic improvement of sweet corn.95 sweet corn inbred lines were tested with seedling growth test，cold resistance test and artificial aging treatment.7 indexes，including germination rate（GE），seedling height（SH），root length（RL），relative germination rate in CT（CRGE），relative germination rate（ARGE），relative seedling height after AA（ARSH）and relative root length after AA（ARRL），were measured.The comprehensive evaluation of seed vigor was done by membership function method and multiple statistic analysis.The results showed that abundant genetic variation of seed vigor existed in sweet corn germplasm.The coefficient of variation of the seven indexes ranged from 14.42%to 34.46%，and the total contribution rate reached 71.27%.A mathematical evaluation model for seed vigor was established by stepwise regression equation：Yvigor=-2.596+1.626GE+1.07ARGE+ 0.628CRGE（R2=0.900），and the predictive values（Y）were basically consistent with the mean value of subordinate function（L）.Finally，95 sweet corn lines were divided into 5 grades based on comprehensive seed vigor value.GE，ARGE and CRGE could be used as main indexes to evaluate seed vigor of sweet corn.

Key words：Sweet Corn；Seed Vigor；Vigor Index；Comprehensive Evaluation

中图分类号：S521.04

文献标志码：A论文编号：cjas15120003

基金项目：广东省科技厅科研团队项目“旱地作物品种改良技术研究”（2011A020102010）；广东省科技计划项目“甜玉米种质资源育种潜力的分子解析及优异基因的发掘”（2014A030304043），“抗病、耐寒甜糯玉米种质资源创新平台建设与育种研究”（2014B070706012）。

第一作者简介：毛笈华，女，1987年出生，河北秦皇岛人，研究实习员，硕士，研究方向为甜玉米抗逆育种。

通信地址：510640广东省广州市五山路金颖西二街18号，Tel：020-85514234，E-mail：maoer08@163.com。 510640广东省广州市五山路金颖西二街18号，Tel：020-85514234，E-mail：jghu2003@263.net。

通讯作者：胡建广，男，1963年出生，河南信阳人，研究员，博士，研究方向为甜玉米遗传育种。

收稿日期：2015-12-02，修回日期：2016-02-24。