玉米自交系茎秆穿刺强度评价

摘要 茎秆穿刺强度是评价玉米抗倒性的重要指标之一。以113份玉米自交系为试验材料，在2个环境下鉴定其茎秆穿刺强度。聚类分析显示，113份玉米自交系按茎秆穿刺强度高低可分为4类，属于高茎秆穿刺强度自交系的有9份。利用32 853个SNP标记，将9份高茎秆穿刺强度玉米自交系划分为5个杂种优势群，可为玉米抗倒性的遗传改良及抗倒新品种的选育提供参考。

关键词 玉米自交系；茎秆穿刺强度；杂种优势群

中图分类号 S 513  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2025）01-0016-03

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2025.01.004

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Evaluation of Rind Penetrometer Resistance in Maize Inbred Lines

TANG Ning1，LI Hua-rui1，ZHU Qiu-li2 et al

（1.Jiangsu Zhongjiang Seed Co.，Ltd.，Nanjing，Jiangsu 211500;2.Nantong Crop Cultivation Technique Direction Station，Nantong，Jiangsu 226007）

Abstract Rind penetrometer resistance is one of the main factors affecting maize lodging resistance.A total of 113 maize inbred lines were used to evaluate rind penetrometer resistance in two environments.All the tested inbred lines were divided into four groups via cluster analysis based on the level of rind penetrometer resistance.Nine inbred lines with high rind penetrometer resistance values were selected.These nine inbred lines were divided into five heterotic populations using 32 853 SNP markers.The results provided important references for genetic improvement of maize lodging resistance and breeding novel maize varieties with lodging resistance.

Key words Maize inbred line;Rind penetrometer resistance;Heterotic population

基金项目 江苏省科协青年科技人才托举工程项目（TJ-2023-052）；江苏省种业振兴揭榜挂帅项目（JBGS〔2021〕054）；江苏省重点研发计划项目（BE2022343）；江苏现代农业产业技术体系建设专项资金项目（JATS〔2022〕150）。

作者简介 唐宁（1993—），男，江苏睢宁人，农艺师，从事玉米新品种选育及推广研究。*通信作者，副研究员，博士，从事玉米遗传育种研究。

收稿日期 2023-10-29

玉米是我国第一大粮食作物，常年种植面积在4 500万hm2左右，产量在2.6亿t左右，是我国粮食安全和稳产增产的主力军^［1］。倒伏是玉米生产中常见现象，每年可造成我国玉米近100万t的产量损失，而且也严重影响玉米机械化收获^［2］，严重制约我国玉米健康可持续发展。因此，选育抗倒伏玉米品种是我国玉米育种的重要目标。

玉米倒伏主要受气候条件和栽培措施等外部因素及品种根系结构、茎秆特性等内部因素的影响^［3］。茎秆穿刺强度作为重要的茎秆特性，因其测定简便且能较好反映抗倒性，已成为衡量玉米抗倒性重要指标^［4］。茎秆穿刺强度数值越大表明茎秆硬度越高，玉米抗倒性就越强。前期研究表明，茎秆穿刺强度主要由基因加性效应控制，且具有较高遗传力，通过对高茎秆穿刺强度的种质资源鉴定和创新，有助于抗倒玉米新品种的选育^［3］。目前国内已开展了玉米自交系茎秆穿刺强度评价工作，Zhang等^［5］在257份玉米自交系中，筛选到30份高茎秆穿刺强度优异自交系；周海宇等^［6］通过对110份玉米自交系研究发现，热带种质的茎秆穿刺强度大于温带种质。

为进一步筛选高茎秆穿刺强度的玉米自交系，笔者以国内外生产上常用的113份玉米自交系为研究对象，在2个环境下评价其茎秆穿刺强度；对筛选到的高茎秆穿刺强度自交系，采用Axiom  Maize56K SNP Array进行遗传结构分析，明确其所属杂种优势群，为抗倒玉米品种的选育提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料为113份玉米自交系（表1），由江苏沿江地区农业科学研究所提供。

1.2 试验方法 田间试验于2018年分别在江苏省南通市江苏沿江地区农业科学研究所试验基地（NT）和海南省三亚市江苏南繁中心试验基地（SY）进行。采用完全随机区组设计，2次重复，单行区，行长3.0 m，行距0.6 m，每行定苗12株，田间管理同正常大田。

1.3 表型鉴定和数据分析

茎秆穿刺强度测定参考Flint-Garcia等^［7］的方法，在玉米授粉14 d后，每行选取长势一致的玉米8～10株，利用浙江拓普仪器有限公司生产的植物茎秆强度测定仪YYD-1A，将横截面积为1.0 mm2的测头以茎秆的短轴方向垂直刺入地上部第三节间中部，读取并记录试验数据。数据分析采用R 4.0.2软件（https：/www.r-project.org/）完成。

1.4 基因型分析和杂种优势群划分

利用天根生化科技（北京）有限公司提供的植物基因组DNA提取试剂盒（DP305），按照产品说明书提取玉米自交系叶片DNA，委托中玉金标记（北京）生物技术股份有限公司，利用Axiom  Maize56K SNP Array分析玉米自交系的基因型，利用TASSEL 5.0软件^［8］过滤掉最小等位基因频率小于5%和缺失率大于20%的SNP分子标记，最终获得了32 853个高质量SNP分子标记。利用MEGA X软件^［9］计算Nei’s遗传距离^［10］，构建neighbor-joining进化树，划分杂种优势群。

2 结果与分析

2.1 玉米自交系茎秆穿刺强度分析

113份玉米自交系茎秆穿刺强度分析表明，供试材料表型变异丰富，不同自交系间茎秆穿刺强度有明显差异（表1）。由表2可知，在南通试验点，茎秆穿刺强度平均值为41.16 N/mm2，变异范围为2335～63.30 N/mm2，变异系数为19.85%；在三亚试验点，茎秆穿刺强度平均值为44.13 N/mm2，变异范围为25.93～66.40 N/mm2，变异系数为15.00%。虽然2个试验点的表型数据显著正相关（ P <0.01），但相关系数较小（ r2 =0.44），且不同试验点间、自交系与试验点互作的差异极显著，说明环境对茎秆穿刺强度的影响较大（表3）。

为减小环境的影响，利用R语言lme4包估算每个自交系2个试验点表型数据的最佳线性无偏预测（best linear unbiased prediction，BLUP）值，通过K-means法对113份玉米自交系进行聚类分析，按照茎秆穿刺强度高低分为4类。Group 1为高茎秆穿刺强度自交系，包含9份自交系，分别为T75、T877、N21、R4、N24、N26、T3015、T3018和T3019，占供试自交系的7.96%，茎秆穿刺强度平均为（50.73±2.37）N/mm2；Group 2为较高茎秆穿刺强度自交系，包含28份自交系，占供试自交系的24.78%，茎秆穿刺强度平均为（45.59±1.20） N/mm2；Group 3为较低茎秆穿刺强度自交系，包含48份自交系，占供试自交系的42.48%，茎秆穿刺强度平均为（42.00±1.01） N/mm2；Group 4为低茎秆穿刺强度自交系，包含28份自交系，占供试自交系的24.78%，茎秆穿刺强度平均为（38.21±1.44） N/mm2（图1）。

2.2 高茎秆穿刺强度自交系杂种优势群分析

选择9份高茎秆穿刺强度自交系以及我国玉米主要杂种优势群代表系，包括PA群代表系铁7922、PB群代表系齐319、塘四平头群代表系黄早四、兰卡斯特群代表系Mo17和旅大红骨群代表系丹340^［11］，利用Axiom  Maize56K SNP Array进行基因型分析。利用MEGA X软件，通过计算Nei’s遗传距离，构建14份玉米自交系的neighbor-joining进化树。结果表明，9份高茎秆穿刺强度自交系可分为5个杂种优势群（图2），其中，N26属于PA群，T75和T877属于PB群，R4属于塘四平头群，N21、N24和T3015属于兰卡斯特群，T3018和T3019属于1个新的杂种优势群。

3 结论与讨论

玉米茎秆由节和节间组成，具有支持地上部的功能，也有贮藏和运输养料的作用。茎秆穿刺强度与茎秆倒伏性和压碎强度高度相关，在轮回选择中，通过提高茎秆穿刺强度，可以显著降低玉米的倒伏率^［12-13］。优异种质资源在作物遗传改良和品种选育中具有重要价值^［14］，该研究通过鉴定国内外生产中常用的113份玉米自交系的茎秆穿刺强度，筛选到9份高茎秆穿刺强度的自交系，表明这9份自交系中聚合了多个调控玉米茎秆穿刺强度的优异等位基因^［5］，可作为玉米抗倒性状遗传改良的优异种质资源，在今后基因克隆、种质创新和品种选育中应重点利用。

玉米育种是杂种优势利用的过程，在长期玉米育种实践中，研究学者根据玉米自交系的生态类型、血缘关系和个体表现等，将其划分为不同的杂种优势群，可为组配杂交组合提供参考，进而提高育种效率。周广飞等^［11］利用玉米3 K芯片数据将13份脱水速率快的玉米自交系划分到我国主要的5个杂种优势群。章慧敏等^［15］利用玉米56 K芯片数据将9份糯玉米抗纹枯病种质划分成4个类群。赵久然等^［16］利用MaizeSNP 3072芯片将344份玉米自交系划分为8个类群，探明了京科968系列品种的杂优模式为“X群×黄改群”，指出该杂优模式将成为我国玉米生产中的主要杂优模式。该研究利用玉米56K芯片数据，将9份高茎秆穿刺强度的自交系划分为5个杂种优势群，其中有2份自交系属于我国5个主要杂种优势群之外的1个新杂种优势群，可为玉米自交系的有效利用和新品种选育提供参考。