近紅外光譜結(jié)合二維相關(guān)技術(shù)對(duì)玉米F1代雜交種的快速篩選

丁 璐， 李夢(mèng)婷， 劉 洋， 朱文碧， 劉冬梅， 牟美睿， 劉海學(xué)*

1. 天津農(nóng)學(xué)院農(nóng)學(xué)與資源環(huán)境學(xué)院， 天津 300384 2. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)稻作物研究所， 云南 昆明 650201 3. 天津市第一中心醫(yī)院心內(nèi)科， 天津 300192

引 言

我國(guó)是糧食生產(chǎn)大國(guó)。 玉米是我國(guó)重要的糧食和飼料作物， 于2012年成為我國(guó)產(chǎn)量第一的糧食作物。 根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示， 2015年我國(guó)玉米的種植面積約3 812萬(wàn)hm2， 產(chǎn)量2.2億t， 占作物栽培總面積的22.91%， 占作物總產(chǎn)量的36.15%。 玉米生產(chǎn)研究重要的目標(biāo)之一是獲得高產(chǎn)， 雜種優(yōu)勢(shì)是目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上提高產(chǎn)量和改進(jìn)品質(zhì)的重要措施之一。 但雜種優(yōu)勢(shì)的田間檢測(cè)需要耗費(fèi)大量的人力、 物力和時(shí)間， 且限于條件因素的影響， 不能一次測(cè)驗(yàn)多個(gè)組合， 所以雜種優(yōu)勢(shì)的預(yù)測(cè)問(wèn)題一直是育種工作者進(jìn)行探求的問(wèn)題之一。

與傳統(tǒng)檢測(cè)方法相比， 近紅外光譜技術(shù)具有快速、 便捷等優(yōu)點(diǎn)， 已被應(yīng)用于玉米雜交種篩選， 使得玉米育種更加方便、 快捷[1-5]。 Cui等[2]將近紅外光譜與模式識(shí)別相結(jié)合， 實(shí)現(xiàn)了不同玉米種子的識(shí)別， 識(shí)別正確率超過(guò)90%。 Jia等[3]對(duì)帶種衣的玉米種子進(jìn)行近紅外光譜分析， 所建立的SIMCA模型的判別正確率為97.5%。 彭城[5]等應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)雙價(jià)基因玉米的快速鑒別。 李夢(mèng)婷[5]等利用近/中紅外光譜結(jié)合聚類(lèi)分析快速篩選玉米自交系組合。 二維相關(guān)譜技術(shù)具有高的光譜分辨率， 特別適合復(fù)雜體系相似樣品的分析， 已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用于復(fù)雜生物體系的研究中[6-13]。 本文將近紅外光譜技術(shù)與二維相關(guān)譜技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)玉米雜交種的快速篩選， 并通過(guò)田間實(shí)地測(cè)量的玉米農(nóng)藝性狀數(shù)據(jù)驗(yàn)證了方法的有效性， 所提出的方法國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。 本研究對(duì)于玉米雜交種的篩選工作具有重要的參考意義。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)在內(nèi)蒙古奈曼旗享禾種業(yè)有限公司進(jìn)行， 試驗(yàn)田地形規(guī)整、 地勢(shì)平坦、 地力均勻、 排灌方便， 歷年無(wú)異?；蛱厥獾臍庀髼l件。

1.2 材料

對(duì)照品種： 當(dāng)?shù)赝茝V品種 京科958(JK958)。

供試玉米(F1代)： 品系489， 品系9， 品系10， 品系14， 品系16， 品系24， 品系26， 品系57， 品系84， 品系107， 品系109， 品系110， 品系112， 品系121， 品系147， 品系157， 品系263， 品系264， 品系284， 品系314， 品系317， 品系320， 品系542， 品系541， 品系582。

1.3 儀器及方法

1.3.1 光譜分析

室溫下， 從各品系完全成熟的玉米果穗上剝?nèi)?0個(gè)籽粒， 粉碎研磨后過(guò)篩(80目)， 樣品一式兩份存放于密封袋。 使用PE公司的Spectrum GX型FT-IR光譜儀(配置銦砷化鎵檢測(cè)器和穩(wěn)壓空氣冷卻光源)， 儀器自帶積分球附件。 近紅外光譜波數(shù)采集范圍是4 000～10 000 cm-1。 每個(gè)樣品掃描次數(shù)為16， 掃描間隔為4 cm-1。 為減少基線漂移對(duì)分析的影響， 采用OMNIC軟件對(duì)所有的光譜進(jìn)行基線校正、 平滑處理、 歸一化光譜， 然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行多變量分析。

1.3.2 農(nóng)藝性狀

試驗(yàn)于2017年4月—2017年10月進(jìn)行， 實(shí)驗(yàn)區(qū)長(zhǎng)6 m， 寬4 m， 面積24 m2， 采用完全隨機(jī)區(qū)組排列， 設(shè)3次重復(fù)， 共計(jì)78個(gè)實(shí)驗(yàn)小區(qū)， 試驗(yàn)總面積1 872 m2， 試驗(yàn)田按行距60 cm， 株距25 cm進(jìn)行種植， 5 050株/667 m2， 按照當(dāng)?shù)卮筇锷a(chǎn)水平進(jìn)行管理， 四周設(shè)有保護(hù)行。

玉米成熟后收獲前在田間使用卷尺測(cè)量其株高和穗位高， 統(tǒng)計(jì)單株葉數(shù)； 室內(nèi)考種使用直尺測(cè)量穗長(zhǎng)， 使用游標(biāo)卡尺測(cè)量穗粗、 禿尖程度、 軸粗， 統(tǒng)計(jì)穗行數(shù)、 行粒數(shù)； 烘干后脫粒， 統(tǒng)計(jì)軸色(軸色分為紅色和白色)， 使用天平稱(chēng)量穗重、 穗粒重、 百粒重。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同玉米品系的近紅外光譜分析——一級(jí)篩選

26個(gè)玉米品系的近紅外光譜如圖1所示， 所有品系光譜曲線的重合度極高， 在4 327， 4 754， 5 181， 5 630， 6 858以及8 309 cm-1處出現(xiàn)特征峰。 從光譜圖直接得出的信息相當(dāng)粗略， 無(wú)法實(shí)現(xiàn)各品系的鑒別和篩選， 因此需要借助多元統(tǒng)計(jì)方法。

圖1 不同玉米品系的近紅外光譜

對(duì)圖1中26個(gè)玉米品系的近紅外光譜進(jìn)行聚類(lèi)分析， 其結(jié)果見(jiàn)圖2， 當(dāng)類(lèi)間距=10時(shí)， 26個(gè)品系被聚成3類(lèi)。 第一類(lèi)是： 10， 489， 263， 320， 147， 26， 314， 110， 107， JK958(對(duì)照品種)， 24， 84， 14， 112， 109以及541； 第二類(lèi)是9， 542， 16， 121以及57； 第三類(lèi)是317， 582， 284， 264以及157。 根據(jù)對(duì)照品系在品系譜圖中的位置， 可以得到與該品系大致相似的品系， 包括品系320， 26， 107， 34等。

圖2 近紅外光譜聚類(lèi)分析結(jié)果

2.2 二維近紅外相關(guān)分析

二維相關(guān)譜表征的是外擾變化的特征光譜信息， 若兩個(gè)樣品完全相同， 則兩樣品相關(guān)圖譜上不會(huì)體現(xiàn)任何的信息； 兩個(gè)樣品越相似， 其相關(guān)強(qiáng)度就越小， 反之成立， 所以可通過(guò)相關(guān)譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)樣品相似性的判別。

在上述近紅外光譜聚類(lèi)分析不同玉米品系一級(jí)篩選的基礎(chǔ)上， 選出了品系14， 26， 9和157進(jìn)行二維相關(guān)性分析， 對(duì)其進(jìn)行二級(jí)篩選。 其中， 品系14和26是聚類(lèi)分析中與對(duì)照品種JK958相似的品系， 而品系157和541在品系譜圖中與JK958相距相對(duì)較遠(yuǎn)， 即相差比較大的品系。 圖3(a)—(d)分別是品系14， 26與JK958相關(guān)計(jì)算對(duì)應(yīng)的自相關(guān)譜， 圖3(a)中， 品系14和JK958在4 337， 4 701， 5 085和6 270 cm-1等處出現(xiàn)較強(qiáng)的自相關(guān)峰， 其強(qiáng)度的范圍在0.000 0～0.000 2 a.u., 大小為10-4數(shù)量級(jí)； 圖3(b)中， 品系26和JK958在4 010， 5 021， 5 812和8 395 cm-1等處出現(xiàn)較強(qiáng)的自相關(guān)峰， 其強(qiáng)度的范圍為： 0.000 00～0.000 10 a.u., 大小為10-5數(shù)量級(jí)。 圖3(c)中， 品系9與JK958在4 380， 4 754和5 203 cm-1等處出現(xiàn)較強(qiáng)的自相關(guān)峰， 其自相關(guān)強(qiáng)度范圍： 0.000 0～0.001 6， 大小為10-4數(shù)量級(jí)。 圖3(d)中， 品系157與JK958在4 327， 4 711和5 191 cm-1等處出現(xiàn)較強(qiáng)的峰， 其強(qiáng)度約為0.000 4～0.002 0 a.u.， 大小為10-4數(shù)量級(jí)。 故， 相比較之下， 前者的自相關(guān)強(qiáng)度小于后者。 因此， 這兩個(gè)品系中， 品系9可能與對(duì)照組更為相似。 從自相關(guān)強(qiáng)度整體來(lái)看四個(gè)品系與JK958品種的自相關(guān)強(qiáng)度由大到小的排列順序?yàn)?57>9>14>26， 表明： 品系26與對(duì)照品種JK958最相似。

圖3 品系14(a)， 26(b)， 9(c)和157(d)的自相關(guān)譜

2.3 農(nóng)藝性狀相關(guān)分析

為了驗(yàn)證上述方法分析結(jié)果的有效性， 采集了田間實(shí)地測(cè)量的玉米15個(gè)主要農(nóng)藝性狀數(shù)據(jù)(見(jiàn)表1)， 15個(gè)主要農(nóng)藝性狀分別為穗長(zhǎng)、 穗行數(shù)、 行粒數(shù)、 穗粗、 禿尖程度、 穗重、 穗粒重、 出籽率、 百粒重、 軸粗、 軸色(軸色分為紅色和白色)、 株高、 穗位高、 單株葉數(shù)、 畝產(chǎn)量。

表1 26個(gè)玉米品系的15個(gè)農(nóng)藝性狀

續(xù)表1

10719.020.038.062.90.0413.0318.577.143.339.8紅250.0120.017.0708.010923.020.048.061.90.5509.5389.376.448.141.9紅280.0120.015.0865.011020.016.042.055.50.0342.1281.482.344.629.4紅260.0134.014.0625.511219.020.040.053.90.0354.6293.582.839.029.7紅270.0120.014.0652.012123.018.048.049.10.5312.1276.788.732.227.4紅275.0125.015.0615.014722.418.043.059.50.5479.4373.677.949.835.0紅276.0146.018.0830.015720.016.041.056.50.0373.0319.385.651.029.5紅260.0100.013.0709.526322.418.037.061.40.0506.3379.775.058.338.1紅260.0120.015.0844.026424.216.045.016.90.0565.5428.375.744.933.5紅295.0135.015.0952.028421.424.047.065.902.2467.8362.777.534.940.9白235.0115.014.0806.031420.022.044.059.90.6388.9324.383.435.934.5紅250.0120.013.0720.531724.018.043.057.20.0508.2381.975.253.836.5白275.0125.015.0848.532024.018.045.060.530.2504.6405.380.353.540.6紅275.0115.015.0900.554119.222.041.060.10.2401.3333.883.242.135.4紅220.0100.016.0742.054219.022.046.063.40.2456.4382.483.837.735.7白260.0150.016.0850.058224.516.052.051.30.0442.5344.377.844.130.3紅260.0130.017.0765.0JK95822.216.051.055.90.0437.0393.990.142.031.5白290.0140.014.0875.5

將統(tǒng)計(jì)所得的農(nóng)藝性狀進(jìn)行系統(tǒng)聚類(lèi)分析。 在系統(tǒng)聚類(lèi)分析的譜系(圖4)中可以看出： 當(dāng)類(lèi)間距=10時(shí)， 26個(gè)玉米品系(品種)被聚類(lèi)2類(lèi)： 第一類(lèi)包含對(duì)照品種JK958以及品系582， 320， 26， 264， 57， 284， 24， 147， 542， 16， 109， 317和263， 第二類(lèi)包括品系110， 121， 112， 489， 10， 541， 14， 314， 157， 9， 107和84。 其中， 品系110， 121， 112和489， 產(chǎn)量在畝產(chǎn)1 200 kg左右， 其單位面積產(chǎn)量在所有品系中最低； 而品系10， 541等8個(gè)品系的株高和穗位高相對(duì)較低。 結(jié)合農(nóng)藝性狀和近紅外光譜分析結(jié)果， 得到品系320， 26， 24， 147， 109和263是二者的交叉結(jié)果。 當(dāng)自相關(guān)強(qiáng)度在10-5時(shí)， 品系26和JK958聚為一類(lèi)， 而品系14， 9和157在10-4時(shí)聚為同一類(lèi)。 上述研究表明， 基于近紅外光譜和二維相關(guān)譜技術(shù)對(duì)玉米品系進(jìn)行初步快速篩選的方法是可行且有效的。

圖4 農(nóng)藝性狀聚類(lèi)分析結(jié)果

3 結(jié) 論

提出了一種基于近紅外光譜結(jié)合二維相關(guān)譜技術(shù)快速篩選玉米雜交種的方法， 并通過(guò)田間26個(gè)品系15個(gè)農(nóng)藝性狀數(shù)據(jù)的聚類(lèi)分析， 驗(yàn)證了所提出快速篩選方法的有效性和可靠性。 所提出的方法可以為其他作物(水稻、 小麥等)的雜交種篩選提供新思路。