不同基础群体籽粒中赖氨酸含量的测定

不同基础群体籽粒中赖氨酸含量的测定

玉米是世界和中国的主要粮食和饲料，饲料比例正在增加。特别是随着工业化和畜牧业的快速发展，对玉米质量的要求也越来越高。由于普通玉米籽粒蛋白质含量较低,且氨基酸成分之间不平衡,尤其是缺乏人或单胃动物营养所必需的赖氨酸和色氨酸,使得我国每年依靠大批进口大豆和豆粕以补充饲料蛋白质的不足,大大增加了我国畜禽饲料和产品的成本。利用高赖氨酸玉米配制饲料,无论在肉料比、饲养周期或饲养成本上都具有明显优越性,因此提高玉米籽粒中的赖氨酸含量具有重要的意义。然而,改进品质自然不能以牺牲产量为代价,有报道认为“产量和品质是一对矛盾”,两者似乎不可兼得。自从Mertz等(1964)发现玉米opaque-2(o2)突变可以提高玉米籽粒胚乳赖氨酸含量以来,已经发现了一系列可以提高籽粒赖氨酸含量的基因(o2~o17),然而目前只有o2基因被广泛用于以蛋白质品质改良为目标的育种工作;但由于o2突变属于粉质胚乳,具有质地软、易感病虫、产量低等缺点,进一步从表型上加重了“产量与品质是一对矛盾”的看法。但从遗传学角度看,产量和品质实属不同的相对性状,且是由多基因控制的数量性状,并非一对不可统一的矛盾。迄今,尽管许多学者先后进行了蛋白质、淀粉和油分含量的遗传效应研究,但对赖氨酸的遗传效应以及与产量关系的分析报道尚不多见。本研究以籽粒赖氨酸含量不同的自交系组配了75个杂交组合,通过1年2点的田间试验,借助近红外光谱分析技术,对玉米籽粒赖氨酸含量进行了遗传分析,同时分析了籽粒产量与赖氨酸含量之间的关系,以期为高产、高赖氨酸玉米新品种的选育提供理论依据。1材料和方法1.1基础群体的自交系利用近红外品质分析仪,在对190余份玉米材料籽粒营养成分测定的基础上,从中选出Z512、Z508、SW、M和8822共5个具有代表性的基础群体(分别由郑58×87-1、郑58×808、Suwan杂交种、美国杂交种以及808×K22组成),各个群体的自交系是按系谱法分别从其F2分离群体选株,经多代严格自交而成。每个群体按照赖氨酸含量的相对差异分别选高、中、低3个稳定自交系作为母本(表1);以5个分属于不同杂优类群的常用自交系为父本,于2008年冬在海南采用NCII设计配成75个杂交组合。1.2种植f杂交试验2009年夏分别在河南郑州河南农业大学科教园区和许昌河南农业大学教学试验场进行试验。郑州点为壤质潮土,肥力中上等,常年玉米生长季节光温较充足,但降水分布不均,多集中在8~9月;许昌点也为壤质潮土,但偏黏,肥力中等,玉米生长季节温度与郑州基本相同,但阴雨天、降水略高于郑州,光照较郑州少。按裂裂区设计种植F1杂交组合(作为主试验),以父本为主区,母本不同基础群体材料为副区,群内不同自交系为副副区,每个试点设3次重复,单行区,每行15株,行距66.7cm,株距26.7cm。同时,在临近种植亲本作为辅助试验。开花期在亲本材料中选株自交并按NCII交配设计复配F1当代种子,在主试验每个处理小区中分别随机选3~5株套袋自交获得F2种子,成熟后分别收获、风干、脱粒,测定赖氨酸含量。小区内开放授粉果穗用于计产。1.3抗氧化性ma-i型近红外光谱法从主试验每个小区自交籽粒(F2)中混合取样3次,利用德国BRUKER公司生产的MATRIX-I型近红外光谱仪测定籽粒的赖氨酸含量(%,干基),每样测5次,取平均值;同时测定辅助试验中亲本自交系以及杂交当代F1籽粒的赖氨酸含量。1.4数据统计分析根据主试验各小区籽粒赖氨酸含量的测定结果,按照郭平仲介绍的裂区设计分析方法,利用DPS软件进行联合方差分析和配合力效应分析;采用朱军提出的三倍体种子胚乳-细胞质-母体效应模型及统计分析方法,分析玉米赖氨酸含量的遗传方差,并估算其遗传力;利用MicrosoftExcel2003进行籽粒产量与赖氨酸含量的相关分析。2结果与分析2.1ssr-fps法检测生理特征对2个地点的赖氨酸含量进行联合方差分析的结果(表2)表明,父、母本各自之间以及母本×父本互作之间的赖氨酸含量差异分别达显著和极显著水平,说明不同材料籽粒赖氨酸含量存在显著遗传差异;同时,地点以及地点×母本×父本互作的赖氨酸含量差异也分别达显著和极显著性水平,说明环境因素对赖氨酸含量存在明显影响。由表3可以看出,杂交当代(F1)籽粒的赖氨酸平均含量高于亲本,表现出明显的正向杂种优势;F2籽粒的赖氨酸平均含量比F1明显下降,但仍高于亲本,说明F2籽粒赖氨酸含量自交衰退比较严重,但仍表现一定的正向杂种优势。郑州点的亲本、F1和F2赖氨酸含量均高于许昌,且F1和F2差异均达极显著水平,进一步说明环境条件对赖氨酸含量的显著影响,优良品种在适宜区域种植更有利于发挥其产量和品质的优势潜力。2.2gca效应的应用由表4看出,父、母本各自及其互作配合力方差均达到极显著水平,且双亲的主效方差是其互作方差的3~4倍,表明不同材料间不仅配合力存在真实性差异,而且以基因加性效应为主。进一步对父、母本一般配合力(GCA)效应分析可知(表5),母本中赖氨酸含量的GCA效应值以P11、P5、P6自交系较高,分别达到0.016、0.012和0.009,而P7、P1、P15自交系较低,分别为–0.016、–0.013和–0.012。父本GCA效应以Pb最高(0.008),Pd最低(–0.009)。就特殊配合力(SCA)而言,P14×Pb(0.024)、P15×Pc(0.022)、P10×Pb(0.021)、P2×Pb(0.021)、P6×Pa(0.015)为效应值较高的5个组合,赖氨酸含量分别为0.360%、0.323%、0.360%、0.331%和0.311%,属中上等水平,极显著或显著高于其他组合,有较高的杂种优势。而P13×Pb(–0.030)、P2×Pa(–0.027)、P6×Pd(–0.025)、P14×Pa(–0.021)、P15×Pe(–0.021)为SCA效应值较低的5个组合。结合表1可以看出,大部分赖氨酸含量高的组合,双亲或至少亲本之一的赖氨酸含量较高。尤其值得注意的是,在赖氨酸含量高的5个组合中,母本赖氨酸含量的绝对值均高于父本,并且组合的双亲多来自不同杂种优势类群,如P14×Pb属于(Synthetic×Reid)×Lancaster群,P15×Pc属于(Synthetic×Reid)×P群等。同时看出,在母本的5个基础群体中,以8822群的赖氨酸含量最高(平均0.416%),其次是M群(平均0.393%),而居前3位的组合,其母本恰恰均出自这2个群体。表明在高赖氨酸育种的亲本选配中,从不同杂优类群中选择高值亲本尤其对母本至关重要。2.3高值亲本配方对氨基酸含量的影响由表6可知,在主效与互作效应中,多数遗传方差分量值达0.01显著水平,说明赖氨酸含量除受种子、细胞质和母体效应3套遗传体系的共同控制之外,还不同程度受环境因素的影响。遗传主效应方差VG(VG=VA+VD+VC+VAm+VDm)占总遗传方差(VG+VGE)的76.3%,说明赖氨酸含量主要受遗传主效应的影响。而在遗传主效应方差中,种子效应方差(VA+VD)、细胞质效应方差(VC)、母体效应方差(VAm+VDm)分别占24.6%、19.7%和55.7%,表明赖氨酸含量主要受母体基因型的影响,结合细胞质效应进一步说明,用高值亲本作为母本更有利于提高后代籽粒的赖氨酸含量。在基因型×环境互作方差中,种子互作(VAE+VDE)和母体互作方差(VAmE+VDmE)占各性状VGE的68.4%和31.6%,说明种子和母体植株均受环境条件的影响,但以种子互作效应为主,未检测出细胞质×环境的互作效应。此外,在遗传主效应方差中,加性方差(VA和VAm)明显高于显性方差(VD和VDm),再次证明赖氨酸含量主要受基因加性效应的影响,可在早(中)代选择。2.4不同广义、狭义分布的遗传性能表6显示,在赖氨酸含量的总遗传率中,遗传主效应遗传率(普通广义遗传率hG2=VG/VP×100%)占72.62%,起主导作用,而遗传主效应与环境互作遗传率(互作广义遗传率h2GE=VGE/VP×100%)占22.62%。在普通广义遗传率中,又以母体遗传率为主[hm2=(VAm+VDm)/VP×100%=40.98%],种子遗传力次之[ho2=(VA+VD)/VP×100%=17.86%],细胞质遗传力最低(仅占14.29%);在互作广义遗传率中,种子互作遗传率是母体互作遗传率的2倍。进一步分析可知,赖氨酸含量遗传又以狭义遗传率为主,尤其是母体普通狭义遗传率(hm2=VAm/VP×100%=40.48%)最高,其次是种子狭义遗传率。综合分析赖氨酸含量的配合力效应及遗传特点表明,在自交系选育过程中,应先对单株种子赖氨酸含量进行选择,再对单株后代籽粒作进一步选择;在组配杂交种的亲本选配时,应从不同优势类群中选择亲本,尤其把高值亲本作为母本更有利于高赖氨酸品种的选育。2.5籽粒产量与赖氨酸含量的相关分析分别统计许昌、郑州两试点各组合重复间F2籽粒的平均产量和对应的赖氨酸含量,并利用MicrosoftExcel2003进行籽粒产量与赖氨酸含量的相关分析(数据略),其相关系数分别为0.0641和–0.0256;两点合并分析,相关系数为–0.0269,均未达到显著水平。表明籽粒产量的高低与赖氨酸含量之间不存在明显相关性。因此,通过基因重组,实现对产量和赖氨酸含量同步改良是可能的。3高糖糖凝胶电泳的遗传参数研究籽粒品质是复杂的数量性状,除受基因型控制外,一定程度上还受土壤、气候、栽培管理等环境因素的影响。本研究结果显示,父、母本各自基因型以及基因型与环境互作分别达显著和极显著水平,说明赖氨酸含量与遗传背景存在很大关系,同时受环境因素的影响,这与前人研究结果基本一致。因此,从变异广泛的基础材料中对赖氨酸含量进行选择是有效的。众所周知,配合力是衡量亲本利用价值的重要指标。GCA是由基因加性效应所控制,而SCA是由显性和上位性效应所控制,性状的GCA效应越高,对后代性状选择越有利。Bhatnagar等利用7个白玉米自交系、9个优质蛋白(QPM)黄玉米自交系,通过双列杂交和田间试验,结果表明,不同环境条件下,籽粒产量的GCA效应差异不显著而农艺性状和籽粒品质性状差异达极显著水平。刘仁东研究指出,赖氨酸的加性方差比显性方差重要的多。孔繁玲等也认为品质性状主要表现为一般配合力方差,但特殊配合力方差也很重要。本研究的结果显示(表4),父、母本各自的配合力方差分别是其间互作方差的3~4倍,并且无论主效或互作差异均达极显著水平,这不仅说明赖氨酸含量的GCA方差更为重要,而且也证实SCA方差不可忽视。因此,在高赖氨酸育种中,不仅要重视高值亲本的选择,同时也要重视不同优势类群间的广泛组配,丰富其遗传差异。玉米籽粒蛋白质的80%存在于胚乳中,20%在胚中,且籽粒中赖氨酸含量与蛋白质含量之间又存在显著正相关。因此,从全籽粒赖氨酸含量来看,胚乳中赖氨酸绝对含量高于胚。但对于三倍体胚乳和二倍体胚同时存在的赖氨酸性状来说,由于传统的NCII设计分析方法对母本性状的遗传方差不能进一步细分,不能充分揭示胚乳基因的遗传效应和遗传关系,所以本文结合传统NCII设计和朱军提出的三倍体种子胚乳-细胞质-母体效应模型,分析了玉米全籽粒赖氨酸含量的遗传方差,并作遗传力估计,结果表明,赖氨酸含量除受种子、母体效应和细胞质3套遗传体系的共同控制之外,还不同程度地受到环境因素的影响,在遗传主效应中,以母体植株基因型效应为主。这与魏良明等的观点基本一致。另外,石海春等、祁新等采用不同的方法研究了玉米赖氨酸的遗传规律,都发现赖氨酸的遗传以加性效应为主。本试验对赖氨酸含量的遗传主效应方差分析表明,加性方差(VA和Vm)明显高于显性方差(VD和VDm),进一步证实基因加性效应对赖氨酸含量的重要作用。4环境因素对vg玉米籽粒赖氨酸含量及配合力效应存在显著基因型差异,“8822”和“M”是2个赖氨酸含量较高的优势类群,可优先选用。赖氨酸含量除受