摘 要：【目的】研究玉米-大刍草渗入系群体的品质差异，为选育高品质玉米品种提供依据。
【方法】对玉米-大刍草渗入系群体866份家系，采用主成分分析和聚类分析法综合评价其籽粒（粒长、粒宽、粒厚、百粒重）和品质（蛋白质、淀粉、可溶性糖、赖氨酸、磷、钾）等相关性状。
【结果】10个性状的变异较丰富，变异系数为6.401%～20.451%。籽粒性状普遍与品质性状负相关，而品质性状间除淀粉、蛋白质和可溶性糖呈负相关，其余皆呈正相关。筛选出10份较为良好的自交系，其中第3类群皆包含其中。
【结论】该群体各个家系的籽粒及品质性状均有不同程度的相关性，在后续产量与品质育种时，可依据其相关性定向选择材料。筛选出了在淀粉、可溶性糖与粒重等方向性状表现较好的自交系材料，可作为品质育种的核心种质资源。
关键词：玉米；品质性状；主成分分析；聚类分析
中图分类号：S513 文献标志码：A 文章编号：1001-4330（2024）04-0885-07
0 引 言
【研究意义】玉米（Zea mays ssp. mays）籽粒富含淀粉、蛋白质、各类维生素和微量元素等，可供食用及饲用［1］。玉米可分为籽用玉米、青贮玉米和鲜食玉米。目前在我国籽用玉米的种植量最大，主要用作粮食、饲料和工业原材料等。青贮玉米是将包括玉米穗在内的玉米植株全部收割经过粉碎、加工后，将其发酵制成动物饲料。鲜食玉米与普通玉米相比具有甜、嫩、脆等特点。成熟的玉米中淀粉含量在55%～75%，蛋白质含量为9%左右［2］。大刍草籽粒含有52.92%的淀粉、28.71%的蛋白质，可通过远缘杂交将大刍草的优良性状与玉米重新组合，以达到玉米品质性状定向改良的目的［3］。玉米蛋白质含量大概为8%～11%，虽含量有限，但含有8种必需的氨基酸［4］。世界上大约80%的淀粉来源于玉米，淀粉在玉米中所占比例也最大，玉米淀粉可用于食品加工、造纸、医疗等［5］。玉米籽粒中可溶性糖含量的高低决定着鲜食玉米甜度和口感，同时也是植株光合作用的主要产物和参与植物体内同化物运输的主要形式，为玉米生长发育提供必需的能量［6］。玉米中可溶性糖含量变化与蔗糖和淀粉之间的转化密切相关，授粉后期籽粒中淀粉的积累会不断消耗蔗糖，进而降低可溶性糖的含量［7］。目前我国玉米亲本种类较少且骨干自交系较为集中，遗传基础尚相对狭隘。大刍草具有遗传变异丰富、抗性强等特点，通过将其与玉米自交系W22杂交构建新群体，通过分子手段将大刍草的优良性状定位并克隆，有利于改变我国玉米种质资源基础狭隘的状况［8］。【前人研究进展】目前玉米综合评价以农艺性状［9-10］、品质性状［11-12］较多，徐广海等［13］通过对54个糯玉米自交系的籽粒淀粉物质组成和理化特性进行相关性和聚类分析，筛选出可用于改良糯玉米品质的骨干自交系。赵海军等［14］分析150份改良玉米自交系的籽粒性状和品质性状，筛选出9份在籽粒和品质性状方面表现水平均优于同类群体的自交系。【本研究切入点】应用相关性分析、聚类分析［15］和主成分分析较为广泛，但大多筛选自交系数量较少，且涉及到籽粒性状与品质性状的鲜见报道。需要综合评价玉米-大刍草渗入系群体的品质性状。【拟解决的关键问题】选用866个家系的玉米-大刍草渗入系群体为材料，测定籽粒及品质性状等10项指标，采用聚类及主成分分析综合评价该群体，筛选玉米育种的关键指标，为发掘优良品质等位基因提供基础材料。
1 材料与方法
1.1 材 料
1.1.1 供体亲本
材料为玉米-大刍草渗入系群体，以玉米自交系W22作为受体亲本和轮回亲本，以玉米野生祖先种大刍草作为供体亲本，通过杂交1次、回交2次和自交3次衍生而成，共包含866个家系。
1.1.2 主要仪器设备
谷丰光电数字化考种机：YTS-5D型（谷丰光电科技有限公司）；游标卡尺：内置蓝牙卡尺［0～150］（三和量具仪器有限公司）；高速万能粉碎机：FW-100型（天津泰斯特仪器有限公司）；电热恒温鼓风干燥箱：DHG-9023A型（上海一恒科学仪器有限公司）；紫外可见分光光度计：UV-1200型（翱艺仪器（上海）有限公司）；火焰光度计：M410型（英国SHERWOOD公司）。
1.2 方 法
1.2.1 籽粒性状
从每个自交系中随机选取100粒种子，使用谷丰光电数字化考种机进行粒长、粒宽、百粒重的测定，每个自交系重复测定5次，取平均值。
从每个自交系中随机选取20粒种子，使用游标卡尺进行粒厚性状的测定，取平均值。
1.2.2 品质性状
参照邓穗生等［16］方法测定蛋白质含量；采用双波长比色法［17］测定淀粉含量；采用砷钼酸比色法［18］测定可溶性糖含量；采用茚三酮比色法［19］测定赖氨酸含量；参照鲍士旦［20］的钼酸铵分光光度法测定磷含量；采用火焰光度计测定钾含量。
1.3 数据处理
用Excel 2019对粒长、粒宽、蛋白质和赖氨酸等性状进行基本数据整理及变异分析；用Origin 2023软件进行各性状间的相关性分析和聚类分析；SPSS 23软件进行主成分分析。
2 结果与分析
2.1 玉米-大刍草渗入系群体籽粒数据及其品质性状变化
研究表明，玉米-大刍草渗入系群体家系数量多、变异幅度大、变异系数高。各自交系的性状差异较大，变异系数范围为6.401%～20.451%。其中，磷含量的变异系数最大，为20.451%；可溶性糖含量、赖氨酸含量、钾含量和百粒重的变异范围处于10%以上；蛋白质含量、淀粉含量、粒长、粒宽、粒厚的变异系数较小，分别为9.802%、7.238%、7.566%、6.401% 。性状平均值表现为蛋白质含量9.156%、淀粉含量75.462%、可溶性糖含量2.479%、赖氨酸含量0.232%、磷含量0.411%、钾含量0.439%、粒长8.325 mm、粒宽6.795 mm、粒厚5.390 mm、百粒质量22.043 g。该渗入系群体表型变异极为丰富，粒长、粒宽和粒厚为4～10 mm，百粒重在10～30 g，蛋白质含量、淀粉含量变幅分别为3.69%～11.58%、56.17%～85.25%。表1，图1
2.2 玉米-大刍草渗入系群体籽粒及其品质性状的相关性
研究表明，蛋白质含量与淀粉含量、钾含量、粒厚呈显著正相关，与赖氨酸含量、磷含量呈极显著正相关，与可溶性糖含量呈显著负相关，与粒长、粒宽、百粒重呈显著负相关；淀粉含量与可溶性糖含量呈极显著负相关；可溶性糖含量与赖氨酸含量、钾含量呈极显著正相关，与磷含量、粒长呈显著正相关；赖氨酸含量与磷含量、钾含量呈极显著正相关，与粒长、粒宽、百粒重呈极显著负相关；磷含量与钾含量呈极显著正相关，与粒长、粒宽、百粒重呈极显著负相关；钾含量与粒厚呈极显著负相关；粒长与粒宽、百粒重呈极显著正相关；粒宽与粒厚、百粒重呈极显著正相关；粒厚与百粒重呈极显著正相关。图2
2.3 玉米-大刍草渗入系群体籽粒及其品质性状的聚类特征
研究表明，所有家系聚为4类。类群1有469个家系，占比66.15%，其淀粉含量较高，百粒重较低；类群2有212个家系，占29.9%，淀粉含量接近平均水平，蛋白质含量、赖氨酸含量偏低、百粒重较高；类群3有4个家系仅占0.64%，具有低蛋白、高淀粉及可溶性糖、高百粒重的特征；类群4有24个家系，具有低百粒重、品质性状偏高于平均水平的特征，占比3.3%。图2
2.4 玉米-大刍草渗入系群体籽粒和品质性状的主成分变化
研究表明，第一主成分的特征值为2.709，贡献率为27.09%，主要反映了对粒长、粒宽、百粒重的影响，其向量值分别为0.824、0.918、0.923，因此将第一主成分因子称为粒重因子。第二主成分的特征值为1.438，贡献率为14.38%，在特征向量中载荷值最大的是可溶性糖，因此将第二成分因子称为可溶性糖因子。第三主成分的特征值为1.248，贡献率为12.48%，主要反映了对蛋白质的影响，其向量值为0.641，因此把第三主成分因子称为蛋白质因子。第四主成分的特征值为1.038，贡献率为10.38%，在特征向量中载荷值最大的是钾，把第四成分因子称为钾因子。表2
利用主成分特征向量值除以特征值根可得到主成分得分系数矩阵。
Y1=-0.167X1-0.014X2+0.023X3-0.165X4-0.142X5-0.108X6+0.501X7+0.558X8+0.190X9+ 0.561X10.
Y2=0.173X1-0.211X2+0.511X3+0.490X4+0.417X5+0.450X6+0.116X7+0.104X8+0.089X9+ 0.125X10.
Y3=0.574X1+0.412X2-0.299X3+0.252X4+0.017X5-0.103X6-0.102X7+0.037X8+0.558X9+ 0.117X10.
Y4=0.148X1+0.438X2-0.348X3-0.228X4+0.303X5+0.512X6+0.227X7+0.104X8-0.444X9+ 0.023X10.
式中，Y表示主成分得分， X1、X2、X3、X4、X5、X6 、X7、X8、X9 、X10分别表示经标准化处理后的蛋白质、淀粉、可溶性糖、赖氨酸、磷、钾、粒长、粒宽、粒厚、百粒重数值。表3
2.5 玉米-大刍草渗入系群体籽粒和品质性状综合评价
研究表明，利用线性方程，以各个成分的贡献率为权重，建立玉米-大刍草渗入系群体籽粒和品质性状的综合得分的数学模型：
Yi=b1Y1+b2Y2+……+bnYn，10个家系的平均蛋白质含量、淀粉含量、可溶性糖含量、赖氨酸含量、磷含量、钾含量、粒长、粒宽、粒厚、百粒重分别为9.016%、74.885%、2.567%、0.221%、0.590%、0.476%、0.908 cm 、0.771 cm、0.566 cm、27.30 g，其中家系T-625的综合得分最高，4个因子得分分别为-2.41、8.98、-2.85、11.72，综合得分为1.5。T-768、T-200、T-072、T-007均为类群3的家系。表4
3 讨 论
3.1
相关性分析表明，产量性状中各性状间普遍呈现正相关关系，粒长、粒宽、粒厚始终是提升籽粒产量的重要因素［21］，与前人［22-23］研究结果均一致。大部分品质性状与产量性状间普遍呈负相关关系，该结果在冬小麦中也有体现［24］。赵海军等［15］研究指出，玉米籽粒蛋白质、淀粉、赖氨酸含量均呈显著或极显著正相关。可溶性糖与淀粉呈极显著负相关。
3.2
该群体各个家系的籽粒及品质性状均有不同程度的相关性，在后续产量与品质育种时，可依据其相关性定向选择材料。筛选到在淀粉、可溶性糖与粒重等性状表现较好的自交系材料。大刍草与玉米杂交选育可作为改良品质与产量的途径：通过将玉米野生种大刍草与栽培种自交系杂交，可将大刍草多年经过选择保留下来的优良基因重新组合，可用于选育表型、产量、品质、抗性等方面表现优异的品系或家系。
4 结 论
玉米-大刍草渗入系群体的886份家系材料分为4个类群，其蛋白质含量、淀粉含量与产量性状间均有不同程度的相关关系。筛选类群3材料为较好的育种材料，其具有较低蛋白、高淀粉、高可溶性糖、高百粒重等特点。
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