玉米籽粒脱水速率研究分析及种质改良策略

摘 要：[目的]玉米生理成熟后籽粒脱水速率对中国北方玉米的品质、产量及储藏加工都具有显著影响,脱水速率也是宜机收品种选育上的重要目标性状。[方法]从不同品种间籽粒脱水速率的差异分析、农艺、品质等性状与籽粒脱水速率相关性分析以及玉米籽粒脱水速率遗传研究及QTL定位研究进展3个方面总结了玉米籽粒脱水速率的整体研究情况。[结果]结合玉米籽粒脱水速率研究规律,提出了玉米种质改良选育方向。[结论]研究结果为高产、优质、脱水速率快玉米杂交种选育提供综合的参考依据。     

玉米籽粒快脱水研究进展

玉米机械化生产尤其是机收是提高中国玉米综合生产能力、促进农民增收的重要措施,而玉米籽粒含水量是影响玉米机收尤其是粒收的主要因素。本文基于已发表的文献分析了玉米籽粒脱水速率的概念及其快脱水品种培育的重要性,归纳了快脱水玉米种质的挖掘、快脱水性状的遗传与基因定位以及快脱水性状的表型选择方面的研究进展,最后从加强玉米籽粒快脱水等机收性状遗传机制的研究,重视早熟、抗倒、抗病、快脱水等优异种质的挖掘和创制,同时重视育种材料的大田和室内的表型选择等三个方面对快脱水玉米育种进行了展望。     

玉米生理成熟后籽粒脱水速率与品质性状的相关分析

以黑龙江省10个熟期相近而脱水速率差异较大的优良玉米自交系为试验材料,采用完全双列杂交设计配制杂交组合,对玉米的淀粉等10个品质性状与生理成熟后籽粒脱水速率进行遗传相关和通径分析。结果表明,淀粉等3个性状与生理成熟后籽粒脱水速率之间均表现为极显著正向相关,脂肪等4个性状与生理成熟后籽粒脱水速率之间均表现为显著或极显著负向相关。通径分析表明,淀粉、支链淀粉与生理成熟后籽粒脱水速率直接通径系数为正值,脂肪等5个性状与生理成熟后籽粒脱水速率直接通径系数均为负值。为获得脱水速率快的玉米,应着重选育淀粉、支链淀粉含量高,脂肪、谷蛋白含量少,胚占体积小的基因型杂交种。     

玉米籽粒脱水速率影响因素分析

玉米收获时籽粒含水率是影响机械粒收质量、安全贮藏和经济效益的关键因素,已经成为一个重要的技术与经济问题。当前玉米品种收获期籽粒含水率偏高不仅制约了中国玉米粒收技术的推广、影响到玉米收获及生产方式的转变,也严重影响了玉米品质。从国内外相关文献综述可见,收获期玉米籽粒含水率主要由生理成熟前后籽粒的脱水速率控制,该性状是可遗传的,品种间具有显著的差异;品种间脱水速率与苞叶、穗轴、籽粒特征及果穗大小等许多农艺性状有关;玉米生育后期的空气湿度(环境水分的饱和亏缺程度)、温度、日辐射、风速、降雨等生态气象因子对籽粒脱水速率具有重要影响;播期、种植密度、株行距、水肥管理等栽培措施对籽粒脱水也有一定影响。通过生理成熟时籽粒含水率和生理成熟后籽粒脱水速率参数可预测籽粒的适宜机械收获时间。本文建议,当前选择适当早熟、籽粒发育后期脱水快、成熟与收获时含水量低的品种是中国各玉米产区实现机械粒收技术的关键措施。同时,鉴于籽粒脱水速率受基因型、生态气象因素和栽培措施的共同作用,而中国玉米种植区域广、种植方式与品种类型多,因此,需要深入研究玉米籽粒脱水的生理机制,并在各产区针对籽粒脱水特征开展系统观测,为玉米机械粒收技术的推广和品质改善提供理论依据和技术支撑。     

玉米生理成熟后籽粒快速脱水的意义及其研究进展(综述)

玉米生理成熟后,籽粒快速脱水,对于玉米品种充分利用有利的生长季节,提高籽粒产量和籽粒商用品质,提高种子质量都是很有现实意义的。生理成熟后,籽粒脱水速率品种间有很大差异,遗传上受加性效应基因支配,脱水速率与环境、品种形态特征及农艺特性有关;在广泛的玉米育种群体中,通过在田间对某些相关性状进行直接或间接选择,培育出高产、快速脱水的玉米品种是可能的。     

玉米品种穗部性状差异及其对籽粒脱水的影响

【目的】玉米籽粒脱水速率快、收获期含水率低是适宜机械粒收品种的基本要求。穗部性状是玉米遗传基础的直观表现,与籽粒脱水有较紧密的联系,探寻二者之间的关系、明确影响籽粒脱水速率的关键指标,对于适宜机械粒收品种的选育和筛选具有重要意义。【方法】本研究以黄淮海夏玉米区当前主推的22个品种为研究对象,按苞叶、籽粒、穗轴和穗柄等部位将穗部性状分为41个指标参数,于2015—2016年进行连续观测,并与衡量籽粒脱水快慢的5个参数(生理成熟前籽粒脱水速率、生理成熟后籽粒脱水速率、籽粒总脱水速率、生理成熟期籽粒含水率和收获期籽粒含水率)进行相关分析。【结果】41个穗部指标在品种间均存在极显著差异,其中部分指标与籽粒脱水特征密切相关。苞叶长度与生理成熟后籽粒脱水速率显著负相关,与收获期籽粒含水率显著正相关;"苞叶长度/果穗长度"与生理成熟后籽粒脱水速率显著负相关;果穗夹角与籽粒总脱水速率显著正相关;穗轴生理成熟期含水率与籽粒生理成熟期、收获期含水率均呈极显著正相关关系;穗粒数与生理成熟前籽粒脱水速率、总脱水速率分别达到极显著、显著水平的负相关关系;"果穗长度/行粒数"与籽粒生理成熟前、后和总脱水速率分别呈显著或极显著正相关关系,与收获期籽粒含水率呈显著负相关关系;生理成熟期百粒干重与籽粒含水率呈显著负相关关系;而穗部其他性状与籽粒脱水速率、生理成熟期和收获期籽粒含水率均无显著相关性。【结论】黄淮海区域现有玉米品种穗部性状差异较大,苞叶短、穗轴生理成熟期含水率低、果穗夹角大、穗粒数少、籽粒小等穗部特征有利于籽粒脱水,可为适宜机械粒收品种的筛选和选育提供参考。     

玉米生理成熟后籽粒脱水速率与主要农艺性状的相关分析

为选育脱水速率快的玉米新品种,以黑龙江省10个熟期相近而脱水速率差异较大的优良玉米自交系为试验材料,采用完全双列杂交设计配置杂交组合,对玉米的百粒重、穗粗等12个农艺性状与玉米生理成熟后籽粒脱水速率进行遗传相关和通径分析。结果表明:穗粗、穗行数、粒宽和胚重/胚乳重与玉米生理成熟后籽粒脱水速率之间均表现为显著或极显著正向相关;百粒重、穗长、胚占籽粒体积比和果皮厚度与玉米生理成熟后籽粒脱水速率之间均表现为极显著负向相关。通径分析结果表明:穗粗、穗行数、粒宽和胚重/胚乳重与玉米生理成熟后籽粒脱水速率直接通径系数为正值,百粒重、穗长、胚占籽粒体积比和果皮厚度与玉米生理成熟后籽粒脱水速率直接通径系数为负值。为获取脱水速率快的玉米,应主要选育果穗短粗、籽粒宽度较大、果皮薄和百粒重小的基因型的玉米杂交种。     

极早熟玉米重组群体籽粒脱水速率差异的初步研究

为培育生理成熟后籽粒脱水快的玉米品种,解决玉米收获期含水量过高的问题,以德美亚♂(脱水快)×边自30(脱水慢)组配的100个重组自交系群体为材料,对生理成熟后籽粒自然脱水速率进行方差分析和遗传力估计,比较重组自交系生理成熟后籽粒自然脱水速率的差异。结果表明:家系间籽粒自然脱水速率差异达到极显著水平,且籽粒自然脱水速率表现较高的遗传能力,广义遗传力为76.93。同时对籽粒脱水速率进行了正态分布检测,检测结果符合正态分布。     

玉米籽粒生理成熟后脱水速率的研究及应用

收获时籽粒含水量高是我国北方春玉米生产发展的主要障碍因素。选育生理成熟后籽粒脱水速率快的品种,是降低玉米收获时籽粒含水量的有益举措。本文从玉米籽粒生理成熟后脱水速率的研究意义、遗传机制、基因定位、育种策略等方面进行了概述,为相关种质改良工作的开展提供必要的理论依据。     

玉米收获期籽粒含水量与主要农艺性状相关分析

以黑龙江省第一积温带10份熟期相近而收获期含水量差异较大的优良自交系为试验材料,采用完全双列杂交设计配制杂交组合,对田间自然脱水速率、苞叶长等农艺性状与玉米收获期籽粒含水量进行遗传相关和通径分析。相关分析表明,田间自然脱水速率与收获期籽粒含水量表现为极显著负相关(R=-0.4508),苞叶长、粒宽等性状与收获期籽粒含水量表现为极显著正相关;通径分析表明,苞叶长、粒宽等性状对收获期含水量的直接通径系数均为正值,穗长、田间自然脱水速率对收获期含水量的直接通径系数为负值。为选育低收获期含水量的玉米品种,应着重选育田间自然脱水速率快、苞叶长较果穗长略短、穗位稍低、轴细、籽粒偏窄及百粒重稍低的基因型。     

玉米杂交当代籽粒含水率遗传效应研究

为研究不同父本自交系对杂交当代籽粒含水率的影响,以籽粒脱水速率较慢的5个杂交种和5个自交系为母本,以脱水性能较好的5个早熟自交系为父本,10个母本分别人工授粉进行自交及与父本杂交,并对授粉后52天(DAP,d)的杂交当代籽粒及所有亲本材料的自交籽粒含水率进行了测试分析。结果表明:在早熟自交系授粉后,母本杂交授粉当代的籽粒含水率均值下降3.04个百分点,单粒干重比自交增加5.63%;母本自交系籽粒含水率均值下降2.85个百分点,单粒干重增加7.18%;当代杂交籽粒的含水率与父本呈正相关,表明玉米籽粒脱水性能具有父本效应,早熟父本可降低杂交当代籽粒的含水率。本研究可为玉米种质脱水性能的改良和选育快速脱水适宜机收的玉米品种提供参考。     

宁夏玉米机械粒收适宜时期研究与预测模型构建

【目的】 在宁夏地区不同播期条件下,对不同脱水类型玉米品种籽粒含水率降至适宜机械粒收含水率的日期进行预测,为区域品种选择、适宜收获期的确定及低水分粒收技术提供支撑。【方法】 本研究以38个主栽玉米品种为材料,以生理成熟期平均含水率（30.1%）和播种至生理成熟≥0℃的平均积温（3 274℃·d）为指标,采用双向平均法将38个品种分为晚熟脱水慢（Ⅰ类）、早熟脱水慢（Ⅱ类）、早熟脱水快（Ⅲ类）和晚熟脱水快（Ⅳ类）4种类型,结合宁夏生产实际,在每类型品种中选择出生理成熟期籽粒含水率和积温需求居中的品种作为各类型的代表品种;采用Logistic Power非线性增长模型构建玉米品种脱水方程,结合近10年（2008—2017年）气象数据,分始播期、盛播期和终播期对各类型品种与区域热量资源进行定量匹配。【结果】 适期早播可以争取162—230℃·d的积温。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ类品种由播种至籽粒水分降至25%所需积温分别为3 615、3 291、3 138和3 427℃·d,在宁夏北部和中部区域所有类型品种均可满足含水率降至25%的要求,在南部山区,Ⅲ类品种在始播期和盛播期播种也能基本满足。4类品种籽粒水分降至16%所需积温依次为4 321、3 816、3 633和4 024℃·d,其中,早熟脱水快的Ⅲ类品种,在宁夏北部区域于始播期—终播期播种含水率均可降低至16%;在中部地区始播期和盛播期播种积温也可得到满足。【结论】 在宁夏地区,通过合理配置区域热量资源和脱水类型不同的品种,采用早播种植技术,可以实现高质量的玉米机械粒收,其中,在宁夏北部与中部区域选择早熟、脱水快（Ⅲ类）的品种,可以较好地实现低水分收获,将区域热量资源转变为现实生产力。     

Starch Accumulation and Enzyme Activities Associated with Starch Synthesis in Maize Kernels

The filling rate and the starch accumulation in developing maize kernel were analyzed. The changes of enzyme activities associated with sucrose metabolism and starch biosynthesis were investigated. The purpose is to discuss the enzymatic mechanisms responsible for starch synthesis. Two types of maize cultivars （Zea mays）, high starch maize （Feiyu 3） and normal maize （Yuyu 22）, were grown in a corn field. The factors involved in starch synthesis were performed during the growth period. The kernel filling rate, the sucrose content, the starch accumulating rates and the activities of SS （sucrose synthase）, GBSS （granule-bound starch synthase）, SBE （starch branching enzyme） of Feiyu 3, which has high starch content, were significantly higher than those of Yuyu 22, which has low starch content, after 10 DAP （days after pollination）. Correlation analysis indicated that ADPGPPase （ADP-glucose pyrophosphorylase） and DBE （starch debranching enzyme） were not correlated with the starch accumulating rates and the kernel filling rate, but the SS activity at the middle and late period were highly significantly correlated with the starch accumulating rates and the kernel filling rate. The GBSS activity was highly significantly correlated with the amylose accumulating rate, but not correlated with the kernel filling rate. The SBE activity was highly significantly correlated with the amylopectin accumulating rate and the kernel filling rate. It was not ADPGPPase and DBE, but SS was the rate-limiting factor of starch biosynthesis in developing maize kernels. GBSS had an important effect on amylose accumulation, and SBE had a significant effect on amylopectin accumulation.     

玉米籽粒形成的分子生物学基础

玉米单穗籽粒产量由穗粒数和粒重两因子组成。单个果穗上所着生的籽粒数与雌花序建成和小花分化密切相关,因此,控制花序形态建成和小花发育的基因可能直接或间接地参与穗粒数调控。玉米成熟籽粒主要由源于母本组织的种皮和经双受精产生的胚和胚乳组成,且胚和胚乳占成熟籽粒的绝大部分,直接影响粒重。文中主要从“CLAVATA（CLV）-WUSCHEL（WUS）负反馈调控途径、激素及其信号途径、花器官发育和小花性别决定”等方面总结了花序和小花发育相关基因及其与穗粒数的关系,描述了CLV-WUS途径中各基因在玉米雌花序上特异性表达的分生组织和基因间的调控关系,总结了生长素、赤霉素、细胞分裂素和独脚金内酯等植物激素的相互作用网络,以及已克隆的玉米花器官发育相关基因及其功能。从“线粒体基因转录本的加工和编辑、质体基因的转录和翻译及细胞核RNA转录与加工”3个方面总结了已克隆的影响胚和胚乳发育的相关基因,其中,大部分基因编码线粒体或质体定位的PPR蛋白。值得关注的是,近年来,研究发现了通过调节细胞核内RNA转录和加工而影响玉米籽粒发育的新途径。文章作者在基因水平上对玉米籽粒形成的分子生物学基础进行了简要总结,为进一步深入解析玉米产量形成的分子调控网络提供参考。同时,也就该研究领域今后可能的研究方向进行了讨论。     

玉米果穗出籽率遗传效应分析

采用朱军包括基因型×环境互作效应的加性.显性.母体遗传模型(ADM模型)分析方法,研究玉米果穗出籽率性状遗传主效应及其与环境互作遗传效应.结果表明:玉米果穗出籽率主要受显性效应遗传体系控制,其次受加性效应遗传效应控制,同时还受加性×环境互作效应、显性×环境互作效应、母体×环境互作效应等不同遗传控制体系基因型×环境互作效应显著影响.对果穗出籽率性状的选择效果受环境影响较大,宜在较晚世代进行选择.育种中根据亲本果穗出籽率在不同环境中遗传效应预测值组配杂交组合,育成适应不同地区或某一特定地区的新品种,提高育种效率.     

水分亏缺对玉米籽粒形成的影响

在人工控水条件下,研究了不同时期水分亏缺后复水对玉米穗部性状及籽粒形成的影响。结果表明,不同时期水分亏缺对玉米穗行数和穗粗影响不显著,但对玉米秃尖长、瘪粒数、行粒数影响显著;4～9叶期水分亏缺对玉米穗部性状及籽粒形成影响不显著;随着土壤水分亏缺时间的延长,玉米雌雄穗开花间隔延长,花丝伸长速率降低,上部花丝抽出困难,籽粒灌浆速率降低,籽粒败育率显著提高。土壤水分亏缺对玉米穗上部籽粒发育的影响大于对中下部籽粒的影响。     

干旱胁迫下春玉米冠层吐丝动态及籽粒数模拟研究

【目的】为实现干旱胁迫下玉米冠层吐丝动态的模拟,建立开花—吐丝间隔(anthesis-silking interval,ASI)和吐丝百分率与单位面积籽粒数的关系,改善干旱胁迫条件下玉米籽粒数的模拟效果。【方法】本研究基于锦州农业气象试验站干旱胁迫控制试验,测定了不同水分处理下玉米开花前后植株平均生长速率(PGR)、玉米冠层逐日吐丝百分率动态、ASI、开花后果穗生物量累积和株籽粒数等指标,利用上述数据确定了玉米冠层吐丝动态模型参数;进行了模拟吐丝百分率对植株生长速率平均值(PGR_AVE)和标准差(PGR_SD)两个输入参数的敏感性分析;基于果穗生物量累积过程,考虑干旱胁迫条件下冠层内植株个体间PGR的差异,开展开花前后不同干旱胁迫条件下冠层吐丝动态过程模拟;建立ASI与株结实率(株籽粒数占株最大潜在籽粒数的百分比)的定量关系;基于冠层吐丝动态模型模拟的开花后吐丝植株百分率、单株最大潜在籽粒数和株结实率,构建了基于冠层吐丝动态的籽粒数模型,进行了干旱胁迫下的籽粒数模拟与检验。【结果】冠层吐丝动态模型对PGR_AVE和PGR