成熟期玉米自交系籽粒含水量的快速测定方法

李 真, 刘文童, 杨 硕, 郭晋杰, 赵永锋, 黄亚群, 陈景堂, 祝丽英

(河北农业大学农学院,国家玉米改良中心河北分中心,河北省作物种质资源实验室, 河北 保定 071000)

随着农业现代化的发展，我国小麦和水稻生产已全面实现机械化粒收，玉米生产也在快速向此方向推进[1]，实现田间机械化脱粒收获是玉米生产发展的必然趋势。成熟期籽粒含水量是玉米育种中的一个重要性状[2]，对玉米的产量和品质有重要影响[3,4]，同时也是制约玉米田间机械化脱粒收获的主要因素。籽粒含水量的测定方法可分为直接法和间接法。直接法有烘干法、蒸馏法和化学法等，这些方法的测定结果相对准确，但操作繁琐，时间长，还会造成籽粒破损和营养物质损失[5-12]；间接法有近红外反射光谱分析法、中子法和核磁共振法等，这些测定方法相对简单快捷，适用性强，但其测定结果没有直接法精准，有的方法也会破坏籽粒的结构[13-17]。

目前对玉米籽粒含水量、脱水速率进行QTL定位、关联分析，鉴定与之相关的基因位点是玉米遗传研究的热点。这些研究所用材料多数是由数百个玉米自交系组成的关联群体、RIL群体、DH群体和回交群体等，试验中需要大量测定自交系的籽粒含水量，传统的烘干法测定费时、费力，因此很多研究者都在探索田间快速测定玉米籽粒含水量的方法。探针式水分测定仪是利用带有2个探针的便携式电阻表，将探针扎入测量部位，通过电流的变化来测量含水量。近年来，各种类型的探针式水分测定仪在育种中不断被采用[17]，实现了快速测定玉米籽粒的含水量。但在测定时要将探针扎入籽粒，会造成籽粒结构的破损，不能满足育种工作的要求。因此，建立一种适于玉米成熟期在田间快速、无损测定籽粒含水量的方法，对开展籽粒含水量的遗传研究具有重要的意义。本研究分别采用探针式水分测定仪(英国普洛蒂Protimeter测定仪)和烘干法测定玉米自交系的茎秆、苞叶、穗轴和籽粒含水量，明确各部位含水量与籽粒含水量的关系，建立预测籽粒含水量的线性方程，探索利用Protimeter测定仪在田间快速、无损测定成熟期玉米籽粒含水量的方法。

1 材料与方法

1.1 试验材料

选用河北农业大学国家玉米改良中心河北分中心提供的297份玉米自交系为试验材料，这些材料包括我国玉米育种中的骨干自交系及其衍生系、部分国外玉米自交系和部分自选系，其表型变异和遗传变异均比较丰富。

1.2 试验方法

1.2.1试验设计

试验于2017年和2018年分别在河北农业大学教学实验场(保定)和河北农业大学辛集试验站(石家庄)进行。采用完全随机区组试验设计，2次重复。每个自交系种2行，行长4 m，行距0.6 m，密度为67 500株·hm-2。田间管理按照当地大田生产管理进行。

1.2.2含水量测定

对各自交系的生育时期进行调查，在吐丝前将雌穗套袋隔离。每个系选长势一致的5个单株，在同一天进行自交授粉，并挂牌标记。生理成熟期，每个系选3个自交授粉单株，在田间用英国普洛蒂Protimeter水分测定仪分别扎入雄穗穗柄、苞叶、穗轴、穗上第一节茎和穗位茎，待读数稳定后，记录其数值。再将所测植株迅速取回，分别称量各部位鲜重，并取果穗中部100粒籽粒称量鲜重，然后迅速转入烘箱内，105 ℃下烘30 min杀青，80 ℃下烘干至恒重，称干重。

1.2.3统计分析

在Excel 2010软件中对2年2点的表型数据进行整理，计算每个自交系各部位的含水量，计算公式如下：

含水量(%)=[(鲜重-干重)/鲜重]×100%。

参照Sa′diyah等[18]的方法，利用R(https://www.r-project.org/)平台lme1软件包中的lmer函数[19]对2年2地点每个自交系各部位含水量的表型值进行最优线性无偏预测(Best linear unibiased prediction,BLUP)，获得各自交系各部位含水量的BLUP值；再利用R平台中的Performance Analytics软件包对BLUP值进行相关分析[20]；在SPSS 19.0软件中对表型数据的BLUP值进行t检验和通径分析；参照杜家菊[21]的方法计算籽粒含水量与穗轴和苞叶含水量的直接通径系数和间接通径系数，然后通过决策系数的大小，选择与成熟期玉米籽粒含水量相关的性状，构建预测籽粒含水量的线性回归方程。

1.2.4回归方程的验证

将2017年在河北农业大学清苑试验站使用水分测定仪测定的30份玉米自交系的苞叶和穗轴含水量分别带入所建的预测方程中，计算籽粒含水量，将之与烘干法测得的籽粒含水量进行相关分析，对所建方程进行验证。

2 结果与分析

2.1 不同部位含水量的相关分析

对烘干法测得297个自交系的雄穗穗柄、穗上第一节茎、穗位茎、苞叶、穗轴和籽粒的含水量进行相关性分析，结果如图1所示。雄穗穗柄等6个部位的含水量间均呈极显著正相关，表明各部位的含水量间有相互影响。苞叶、穗轴和雄穗穗柄3个部位的含水量与籽粒含水量的相关系数分别为0.76、0.76和0.57，均为强相关；穗上第一节茎和穗位茎的含水量与籽粒含水量的相关系数仅达0.39，为中度相关。因此，将雄穗穗柄、苞叶和穗轴含水量作为与籽粒含水量密切相关的性状做进一步研究。

注：下三角为各部位含水量间的相关系数，上三角表示各部位含水量间的相关性，圆的面积越大颜色越深，其相关性越强；“**”表示0.01水平显著性检验。

2.2 烘干法与水分测定仪测定结果的比较分析

分别计算297个自交系用烘干法和水分测定仪测定的雄穗穗柄、穗轴、苞叶和籽粒含水量的BLUP值，对其进行统计分析(表1)。从表1可发现，烘干法测定的各个部位含水量平均值、标准差及变异范围均大于水分测定仪测定的结果。t检验表明同一部位用烘干法和水分测定仪测得的含水量差异达极显著水平，而相关分析表明两者呈极显著正相关。说明虽然用2种方法测得同一个部位的含水量有极显著差异，但两者之间存在密切的相关性，因此在测定一个大群体各部位含水量时，水分测定仪测定的结果可以反映总体的变化趋势。

表1 烘干法和水分测定仪测定的不同部位含水量的统计分析

2.3 建立预测籽粒含水量的线性方程

2.3.1雄穗穗柄、苞叶、穗轴和籽粒含水量BLUP值的相关分析

对探针式水分测定仪测定的雄穗穗柄、苞叶和穗轴含水量BLUP值与烘干法测定的籽粒含水量BLUP值进行相关分析，结果如图2所示。籽粒含水量的BLUP值与苞叶、穗轴和雄穗穗柄含水量BLUP值呈极显著正相关，相关系数分别为0.39、0.59、0.58，由此可知与籽粒含水量相关性最强的部位为苞叶，其次为穗轴，雄穗穗柄的相关性最弱。该结果与烘干法测得各部位含水量与籽粒含水量相关分析的结果相同。

2.3.2预测籽粒含水量的线性方程

利用SPSS 19.0软件对烘干法测定的297份自交系的籽粒含水量BLUP值进行正态性检验，得到显著性p值为0.20，说明该群体籽粒含水量BLUP值服从正态分布。通过通径分析得到水分测定仪测定的苞叶含水量BLUP值(X1)、穗轴含水量BLUP值(X2)与烘干法测定的籽粒含水量BLUP值(Y)之间的通径关系(表2)。

由表2可以看出，X1，X2对Y的直接通径系数分别是：P1y=0.39、P2y=0.37，P1y>P2y，表明苞叶含水量对籽粒含水量的直接影响更大。间接通径系数分别为0.20和0.21，说明苞叶含水量能够通过影响穗轴含水量进而影响籽粒含水量；同样穗轴含水量也可以通过影响苞叶含水量而对籽粒含水量产生影响。

表2 苞叶含水量、穗轴含水量与籽粒含水量之间的通径系数

利用SPSS 19.0软件建立了烘干法测定的籽粒含水量BLUP值与水分测定仪测定的苞叶和穗轴含水量的BLUP值线性方程：Y=-1.864+0.603X1+0.411X2，(p=3.92×10-12)。对X1，X2的偏回归系数进行显著性检验，其显著性p值均小于0.05，说明X1，X2具有统计学意义，都对Y值有显著影响。

2.4 预测方程的实例验证

为了进一步验证所建预测方程的符合度，将30份玉米自交系使用水分测定仪测得的苞叶和穗轴含水量代入建立的线性方程中，计算其籽粒含水量，结果见表3。将计算的籽粒含水量与烘干法测得的籽粒含水量进行相关性分析，相关系数为0.73**，达极显著水平且为强相关，验证了本试验构建的预测方程的可利用性。

表3 利用线性方程预测的和烘干法测定的30份玉米自交系籽粒含水量的比较 单位：%

3 结论与讨论

成熟期玉米籽粒含水量是决定玉米能否实现机械收获的重要因素，也是玉米育种中的一个重要性状，因此建立一种方便、快捷的成熟期玉米籽粒含水量测定方法对进行籽粒含水量的研究具有重要意义。前人的研究中，Kang等[22]发现玉米苞叶含水量与籽粒含水量呈极显著正相关；王延召等[23]发现穗轴含水量与籽粒含水量达极显著正相关；刘思奇等[24]、张文杰等[25]和郭华等[26]均指出籽粒含水量与苞叶和穗轴含水量呈显著或极显著正相关。本研究对成熟期雄穗穗柄、苞叶、穗轴、穗上第一节茎和穗位茎的含水量与籽粒含水量进行相关分析，发现这5个部位的含水量与籽粒含水量都呈极显著正相关。其中雄穗穗柄、苞叶和穗轴的含水量与籽粒含水量为强相关关系，因此选择成熟期玉米雄穗穗柄、苞叶和穗轴的含水量来预测籽粒的含水量。

1975年，Kang等[17]首先利用电子探针设备测定玉米果穗的水分，1978年他又设计了电子探针水分测定仪DC-10用于玉米籽粒含水量的测定[27]，该水分仪测定范围在6%～70%之间，测定结果为指针指示，但因该仪器重量大，不方便携带，因此不适合在田间使用。1992年，Freppon等[28]采用JCS-1水分测定仪，其测定结果为显示屏数字显示，但测定范围为30%～42%，不能满足育种的需要。向奎等[6]将加拿大的木材水分测定仪MT 808进行改良，用于玉米苞叶、穗轴和全穗含水量的田间测定。本研究所用的英国普洛蒂Protimeter水分测定仪，原用于木材含水量的测定，探针长度25 mm，测定范围为7%～99.9%，不需改造可直接用于玉米苞叶、穗轴、茎秆含水量的测定，该测定仪体积小、携带方便，操作简单，测定速度快，更适合田间使用。

在本研究中，对烘干法测得的各性状含水量与水分测定仪测得的含水量进行t检验，发现2种方法测定的结果差异极显著。究其原因可能是由于2种测定方法的测定原理不同，水分测定仪是将探针扎入相应部位，通过电流的强弱来计算籽粒含水量，属于间接测定方法；而烘干法是利用烘箱将试验材料烘干至恒重，来测定含水量，属于直接测定方法[29-31]。高尚等[32]利用高频电容式水分测定仪测定玉米籽粒含水量时、卢道文等[33]使用4种不同的水分测定仪测定玉米籽粒的含水量时，均发现由于不同的测定方法而造成的系统误差，即水分测定仪测得的含水量与烘干法测定的籽粒含水量呈现显著差异。虽然水分测定仪测定结果与烘干法相比较，准确度还有待提高，但是两者相关性达极显著正相关。本研究构建了利用Protimeter水分测定仪测定玉米成熟期苞叶和穗轴含水量预测籽粒含水量的线性方程：Y=-1.864+0.603X1+0.411X2(p=3.92×10-12)，建立了一种快速、便捷的田间无损测定玉米籽粒含水量的方法，并通过30个玉米自交系的验证，表明了该线性方程的可利用性。