全 文 ：植物生理学报 Plant Physiology Journal 2011, 47 (3): 293~297 293
收稿 2010-11-29　　修定 2011-01-25
资助 山东省“泰山学者岗位”、青岛市农业科技支撑(09-1-1-70-
nsh)和科技部“粮食丰产科技工程” (2006BAB02A09)。
* 通讯作者(E-mail: songxy@qau.edu.cn; Tel: 0532-86080009)。
玉米抗寒生理指标的遗传效应分析
裴玉贺, 王小丽, 张恩盈, 宋希云*
青岛农业大学农学与植物保护学院, 青岛市主要农作物种质创新与应用实验室, 山东青岛266109
摘要: 以6个不同的玉米自交系为亲本, 按6×6 Griffing I完全双列杂交设计组配36个组合, 测定低温处理后亲子代可溶性蛋
白质、可溶性糖、丙二醛(MDA)和脯氨酸(Pro)含量以及过氧化物酶(POD)活性。结果表明, 除可溶性糖外, 其他生理指标
中的平均中亲优势均表现为正向优势。杂种F1与亲本的相应性状的中亲值关系比较密切, 可利用双亲平均值预测F1表现。
玉米抗寒性受细胞质影响较小, 主要是核遗传。POD活性和脯氨酸含量主要受加性效应的影响, 可溶性蛋白质和MDA含
量主要受非加性效应的影响, 可溶性糖含量受加性与非加性效应的共同作用。5个生理指标的广义遗传力均远远大于狭义
遗传力。
关键词: 玉米; 亲代; 子代; 抗寒性; 生理指标
Genetic Analysis of Physiological Indices Related to Cold Resistance in Maize
PEI Yu-He, WANG Xiao-Li, ZHANG En-Ying, SONG Xi-Yun*
Qindao Key Lab of Germplasm Innovation and Application of Major Crops, College of Agronomy and Plant Protection, Qingdao
Agricultural University, Qingdao, Shandong 266109, China
Abstract: A set of 6×6 full diallel (Griffing I) crosses were made using six different inbred lines of maize (Zea
mays L.). The contents of soluble sugar, soluble protein, malondiadehyde (MDA), proline and peroxidase
(POD) activity of the 36 crosses including 6 parental lines and 30 reciprocal crosses were evaluated after the
low temperature treatment (4 ℃). The results showed that a positive mid-parent heterosis was observed for all
the tested physiological indices except soluble sugar content. Values of the tested physiological indices in the F1
were highly correlated with their respective mid-parent values, thus the performance of F1 could be predicted by
their mid-parent value. Cold resistance of maize was mainly controlled by nucleus genes and was less affected
by the cytoplasm. POD activity and proline content were mainly affected by the additive gene effect, while the
contents of soluble protein and MDA were mainly affected by the non-additive gene effect; however soluble
sugar content was affected by both the additive gene effect and the non-additive gene effect. The broad sense
heritabilities of the tested five physiological indices were greater than the narrow sense heritabilities.
Key words: maize; parents; offspring; cold resistance; physiological indices
玉米是我国主要的粮食和饲料作物, 但低温
常使其产生冷冻害, 影响产量。据统计, 低温冷害
每3~4年发生1次, 玉米减产20%~30%。因此, 玉米
抗寒性研究也越来越受到重视(高桂花等2006; 简
令成等2005; 马凤鸣等2007; 王小丽等2009; 王迎
春等2006; Brandolini等2000; Dolstra等1988;
Fracheboud等2004; Frascaroli等2005; Kościelniak
等2005; Ohta等2006; Rodriguez等2010)。植物的抗
寒性为数量性状, 受微效多基因控制(李先文和袁
正仿2003), 往往环境还会起修饰作用。早在1987
年, 张海明和耿庆汉就对玉米苗期的耐冷性及其
遗传力进行了研究, 发现出苗率、出苗指数等11个
性状可以作为玉米耐冷性育种的改良目标。Landi
等(1992)用轮回选择方法从抗寒性多个指标均不
存在差异的两个自交系的后代群体中, 筛选到比
亲本自交系抗寒性更强和更弱的自交系, 这表明
利用育种方法能有效地改良玉米的抗寒性。本研
究对玉米亲子代低温处理后的5个生理指标进行
测定, 分析杂种优势和配合力并估算遗传参数, 探
讨玉米抗寒性的遗传效应, 为抗寒性育种提供理
论依据。
植物生理学报294
材料与方法
1 实验材料
本研究采用6个不同的玉米(Zea mays L.)自交
系: 墨西哥玉米群体、齐319、陕814、大黄4079、
齐205、P138为试材, 分别以1、2、3、4、5、6表
示(表1)。由青岛农业大学玉米研究室提供。
光度法(赵世杰和李德全1999); 脯氨酸含量测定采
用磺基水杨酸法(章文华2000); 过氧化物酶活性测
定采用愈创木酚法(郝再彬2000)。
5 统计分析
中亲优势(mid-parent heterosis)和超亲优势
(over-parent heterosis)的计算参照潘家驹(1994)介
绍的方法, 公式为: 中亲优势=(F1-MP)/MP×100%;
超亲优势=(F1-HP)/HP×100%。其中F1表示子代测
定值; MP表示双亲测定值的平均值; HP表示双亲
中数值高的测定值。
按Griffing I完全双列杂交分析方法进行方差
分析。分析过程采用DPS统计软件中的遗传育种
分析程序, 在计算机上进行处理。
结果与讨论
1 抗寒性杂种优势分析
表2列出了各抗寒性鉴定指标的平均中亲优
势和超亲优势。5个生理指标的平均中亲优势除
可溶性糖外均表现为正向优势。各指标平均中亲
优势的大小顺序为: POD>Pro>可溶性蛋白质>
MDA>可溶性糖。平均中亲优势变幅的大小顺序
为: Pro>POD>可溶性糖>MDA>可溶性蛋白质。优
势变幅大的性状, 说明不同组合间的杂种优势差
异较大, 选择的范围也较大。由表2可知, 5个生理
指标除POD外, 均表现为负向超亲优势。POD不
仅存在明显的中亲优势 , 而且存在正向超亲优
势。由此可见, F1代较双亲抗寒性有所提高。
2 正反交效应分析
将所测数据按正反交配制成两组成对数据进
行比较(表3)。正反交差异均未达到显著水平, 说明
玉米抗寒性受细胞质影响较小, 主要是核遗传。
表1 亲本自交系主要性状
Table 1 Main characters of parents
材料编号 自交系 来源 吐丝期(月-日) 株高/m
1 墨西哥玉米群体 墨西哥 08-07 2.51
2 齐319 山东 07-26 2.14
3 陕814 陕西 07-24 1.91
4 大黄4079 陕西 07-26 1.87
5 齐205 吉林 08-01 2.12
6 P138 北京 08-01 1.76
2 田间试验方法
2004年5月31日于青岛农业大学试验站播种,
按6×6 Griffing I完全双列杂交设计配制36个组
合。次年播种各杂交组合, 采用随机区组试验设
计, 重复2次, 2行区, 小区行长2.5 m, 宽0.67 m, 株
距0.25 m, 试验田管理同大田生产。
3 胁迫生长实验
将收获的玉米种子于黑暗中萌发72 h, 转移至
光照培养箱中继续培养至三叶期, 4 ℃下冷激处理
12 h后, 取叶片洗净擦干备用。
4 抗寒性指标测定
可溶性蛋白含量测定采用考马斯亮蓝G-250
法(Bradford 1976); 可溶性糖含量测定采用蒽酮比
色法(王玮2000); 丙二醛含量测定采用双组分分光
表2 抗寒性性状平均杂种优势及其变异幅度
Table 2 Heterosis and variation range of cold resistance character
中亲优势/% 超亲优势/%
指标
平均数 变幅 平均数 变幅
可溶性蛋白质 10.307 -28.380~54.790 -5.808 -38.850~34.973
可溶性糖 -23.732 -71.812~36.125 -36.282 -73.802~27.735
MDA 2.459 -35.319~57.574 -9.188 -38.352~39.783
Pro 22.963 -57.376~260.562 -3.105 -67.586~133.093
POD 45.143 -70.909~148.781 22.717 -79.487~104.000
裴玉贺等: 玉米抗寒生理指标的遗传效应分析 295
3 各性状的亲子相关和回归分析
杂种F1代抗寒性性状与中亲值、高亲值、低
亲值的相关系数列于表4。杂种F1各性状与亲本的
相应性状的中亲值均达到显著或极显著水平, 除
MDA和POD外, 高亲值和低亲值也均达到显著水
平, 表明杂种F1与其亲本的关系比较密切。除可溶
性糖外, 杂种F1各性状与其相应性状中亲值均达到
显著正相关, 并且相关系数普遍较大, 说明为提高
表3 正反交差异t测验
Table 3 t testing of parents’ cross combination
指标 正交 反交 正反交之差 t t0.05, 14
可溶性蛋白质/mg·g-1 (FW) 12.819 12.568 0.251 0.263 2.144
可溶性糖/mg·g-1 (FW) 26.409 25.320 1.089 0.453 2.144
MDA/μmol·g-1 (FW) 14.425 13.866 0.559 0.575 2.144
Pro/μg·g-1 (FW) 28.435 33.273 -4.838 -1.008 2.144
POD/U·g-1 (FW)·min-1 0.044 0.039 0.005 0.957 2.144
总体 108.244 102.079 6.165 1.009 1.986 (df=89)

表4 各性状的亲子相关和回归
Table 4 Parent-offspring correlation and regression for characters
指标 亲本 r 回归方程 x范围
可溶性蛋白质 MP 0.422** y=0.5775x+4.450 7.500~15.000
HP 0.408* y =0.5772x+4.916 8.517~15.550
LP 0.307* y =0.4087x+8.779 7.308~14.510
可溶性糖 MP -0.489** y =-0.4387x+41.645 22.915~48.500
HP -0.427* y =-0.3388x+40.465 24.420~50.000
LP -0.411* y =-0.3079x+34.742 21.410~47.000
MDA MP 0.147* y =0.2971x+10.002 10.710~16.870
HP 0.06 y =0.1082x+12.459 11.350~18.000
LP 0.005 y =0.003x+14.107 10.060~15.740
Pro MP 0.39* y =1.17x+1.492 13.890~38.250
HP 0.419* y =1.0074x-1.169 16.800~39.025
LP 0.229* y =0.6154x+19.622 10.975~37.460
POD MP 0.018* y =0.0459x+0.04 0.020~0.037
HP 0.003 y =0.0092x+0.041 0.025~0.039
LP 0.068 y =1275x+0.039 0.016~0.035
　　*表示0.05显著水平, **表示0.01显著水平。表7同。MP: mid-parent, 中值亲本; LP: over-low-parent, 低值亲本; HP: over-high-parent, 高
值亲本。
某一性状水平时, 应注重提高双亲相应性状的平
均水平。
4 配合力方差分析
配合力方差分析结果表明, 一般配合力和特
殊配合力均呈极显著差异, 可以认为这些效应之
间均存在真实差异, 可进一步估算各亲本的配合
力效应。
4.1 一般配合力效应值分析
一般配合力(general combining ability, GCA)
效应是由亲本基因型的加性效应基因所决定的,
是可以遗传的部分, 其值的大小和正负表示各性
状加性基因遗传作用的大小和方向。
各性状的GCA效应值见表5, 显著性测验结果
表明 , 不同亲本同一性状的GCA效应值差异较
大。可溶性蛋白含量的GCA效应值以自交系6最
大(0.671), 表现正效应的自交系有3、4、6; 可溶性
糖含量的GCA效应值以自交系1最大(4.783), 其他
自交系均表现为负效应; MDA含量的GCA效应值
以自交系1最大, 为1.04, 表现为正效应的自交系有
1、2; 脯氨酸含量的GCA效应值以自交系6最大
植物生理学报296
(14.293), 表现为正效应的自交系有4和6; POD活性
的GCA效应值以自交系2最大(0.005), 表现正效应
的自交系有2、3、4。
4.2 特殊配合力效应值分析
特殊配合力(special combining ability, SCA)是
指杂交组合与其双亲平均表现基础上预期结果的
偏差, 其高低取决于亲本自交系基因型的非加性
效应(即显性和上位性效应)。特殊配合力受环境
条件影响较大, 不能稳定遗传, 但可以用来指导杂
种优势的利用。表6显示, 不同组合在同一性状上
的SCA效应值差异较大, 例如Pro含量的SCA效应
值变化幅度为-17.5708~15.8822。
5 遗传参数分析
配合力方差分析结果(表7)表明, Pro含量的
GCA方差较明显大于SCA方差, 说明加性效应对
Pro含量的影响比非加性对其的影响大。可溶性蛋
白质及MDA含量的SCA明显较GCA方差大, 说明
非加性效应对其的影响较加性效应大。可溶性糖
含量的GCA、SCA方差均达到极显著水平, 但二
者差别不大, 说明加性效应和非加性效应对可溶
性糖含量都起作用。由表7可知, 5个生理指标的
表5 亲本各性状的GCA效应值和显著性分析
Table 5 GCA value and significance analysis of
parents’ characters
自交系 可溶性蛋白 可溶性糖 MDA Pro POD
1 -0.791e 4.783a 1.040a -3.831e -0.007e
2 -0.143d -0.094b 0.320b -1.087c 0.005a
3 0.504c -2.524e -0.218d -2.410d 0.001c
4 0.598b -0.139c -0.047c 2.558b 0.003b
5 -0.837f -1.271d -0.146cd -9.520f -0.0008d
6 0.671a -0.754d -0.949e 14.293a -0.0017d
　　同列数据旁不同小写字母表示有显著性差异(P<0.05)。
表6 特殊配合力效应值
Table 6 SCA value of characters
组合 可溶性蛋白 可溶性糖 MDA Pro POD
2×3 -1.5325 -7.9638 4.0553 -1.6477 -0.0076
2×4 0.9866 -3.5255 -0.7609 2.7934 0.0003
2×5 -0.5131 1.9820 -1.7116 -2.3288 0.0014
2×6 0.4151 -3.5633 -0.5755 3.6733 0.0009
2×1 -0.4263 2.8977 -3.1274 -3.5865 0.0057
3×4 -2.3047 -5.3993 0.3466 -12.808 -0.0006
3×5 0.3945 4.4599 -3.1793 -10.1904 -0.0066
3×6 0.3257 -4.7335 -1.2367 9.8792 0.0094
3×1 3.1296 0.2306 3.6898 -8.5009 0.0127
4×5 5.7303 2.6235 4.0688 15.8822 0.0095
4×6 -1.3986 -1.0264 -0.4132 0.4959 0.0030
4×1 -0.3196 0.1874 -1.6748 3.5630 -0.0112
5×6 -2.0781 1.1148 -0.2618 -3.499 -0.0165
5×1 1.3934 3.3543 2.8635 -2.6444 0.0053
6×1 0.2938 -2.3037 -2.4517 -17.5708 -0.0037
表7 组合间配合力方差分析
Table 7 Variance analysis of combining ability among cross
变异来源 GCA方差 SCA方差 加性方差 显性方差 hB
2/% hN
2/%
可溶性蛋白 5.78** 11.75** 0 6.82 100 0
可溶性糖 75.51** 69.18** 1.45 40.17 99.76 3.43
MDA 4.86** 14.72** 0 8.55 98.83 0
Pro 755.45** 244.67** 89.78 142.07 100 38.72
POD 0.0002** 0.00014** 0 0.0001 93.34 11.45
　　广义遗传力(broad-sense heritability, hB
2)=遗传方差/总方差×100%; 狭义遗传力(narrow-sense heritability, hN
2)=基因加性方差/总方差×
100%。
裴玉贺等: 玉米抗寒生理指标的遗传效应分析 297
广义遗传力远远大于狭义遗传力。
Hodges等(1997)利用不完全双列杂交设计, 在
正常温度和低温条件下对与抗寒性有关的性状进
行了配合力分析, 发现玉米的发芽率、三叶期叶
片中CAT和APX活性、四叶期幼苗叶片干物质重
的一般配合力和特殊配合力均存在极显著差异,
但是一般配合力方差占总遗传方差的比重在这2
种条件下明显不同。本研究结果表明, 某一性状,
广义遗传力高, 狭义遗传力低, 但其GCA方差并不
高, 如可溶性蛋白质含量。这可能与采取不同的
模型分析法(固定模型或随机模型)有关, 也有可能
是环境方差引起的。
本研究结果表明, 5个生理指标的广义遗传力
高, 遗传传递能力较强, 因此, 综合运用这些指标
进行苗期鉴定, 能够得到较为可靠的结论。同时,
结果还表明POD活性和脯氨酸含量的广义遗传力
高, 受加性效应影响, POD活性又具超亲优势, 可
以利用这些指标进行优势育种。
参考文献
高桂花, 王瑞兵, 刘艳芳, 靳占忠, 杜金友(2006). 低温胁迫下玉米幼
苗生理变化的研究. 河北农业科学, 10 (4): 16~19
郝再彬(2000). 愈创木酚法测定过氧化物酶活性. 见: 王学奎主编.
植物生理生化实验原理和技术. 第2版. 北京: 高等教育出版
社, 167~168
简令成, 卢存福, 李积宏, LI Paul H (2005). 适宜低温锻炼提高冷敏
感植物玉米和番茄的抗冷性及其生理基础. 作物学报, 31 (8):
971~976
李先文, 袁正仿(2003). 植物寒冻抗性的分子机理研究进展. 信阳师
范学院学报(自然科学版), 16 (4): 492~495
马凤鸣, 王瑞, 石振(2007). 低温胁迫对玉米幼苗某些生理指标的影
响. 作物杂志, (5): 41~45
潘家驹编(1994). 作物育种学总论. 北京: 中国农业出版社, 84
王玮(2000). 蒽酮比色法测定可溶性糖. 见: 李合生主编. 植物生理
生化实验原理和技术. 北京: 高等教育出版社, 195~197
王小丽, 裴玉贺, 郭新梅, 张恩盈, 宋希云(2009). 低温胁迫下玉米
幼苗的几种生理生化指标的变化. 植物生理学通讯, 45 (5):
487~490
王迎春, 褚金翔, 孙忠富, 王道龙(2006). 玉米对低温胁迫的生理
响应及不同品种间耐低温能力比较. 中国农学通报, 22 (9):
210~212
张海明, 耿庆汉(1987). 玉米苗期的耐冷性状及其遗传力的研究. 华
北农学报, 2 (4): 44~51
章文华(2000). 脯氨酸含量的测定. 见: 李合生主编. 植物生理生化
实验原理和技术. 北京: 高等教育出版社, 258~260
赵世杰, 李德全(1999). 丙二醛的测定. 见: 中国科学院上海植物生
理研究所和上海市植物生理学会编. 现代植物生理学实验指
南. 北京: 科学出版社, 305~306
Bradford MM (1976). A rapid and sensitive method for the quantita-
tion of microgram quantities of protein utilizing the principle of
protein-dye binding. Anal Biochem, 72: 248~254
Brandolini A, Landi P, Monfredini G, Tano F (2000). Variation among
Andean races of maize for cold tolerance during heterotrophic
and early autotrophic growth. Euphytica, 111: 33~41
Dolstra O, Jongmans MA, de Jong K (1988). Improvement and sig-
nificance of resistance to low-temperature damage in maize (Zea
mays L.). I. Chlorosis resistance. Euphytica, S: 117~123
Fracheboud Y, Jompuk C, Ribaut JM, Stamp P, Leipner J (2004). Ge-
netic analysis of cold-tolerance of photosynthesis in maize. Plant
Mol Biol, 56: 241~253
Frascaroli E, Casarini E, Conti S (2005). Response of maize inbred
lines to a defoliation treatment inducing tolerance to cold at ger-
mination. Euphytica, 145: 295~303
Hodges DM, Andrews CJ, Johnson DA, Hamilton RI (1997). Sensi-
tivity of maize hybrids to chilling and their combining abilities
at two developmental stages. Crop Sci, 37: 850~856
Kościelniak J, Janowika F, Kurczych Z (2005). Increase in photosyn-
thesis of maize hybrids (Zea mays L.) at suboptimal temperature
(15 ºC) by selection of parental lines on the basis of chlorophyll
a fluorescence measurements. Photosynthetica, 43 (1): 125~134
Landi P, Frascaroli E, Lovato A (1992). Divergent full-sib recurrent
selection for germination at low temperature in a maize popula-
tion. Euphytica, 64: 21~29
Ohta S, Ishida Y, Usami S (2006). High-level expression of cold-
tolerant pyruvate, orthophosphate dikinase from a genomic clone
with site-directed mutations in transgenic maize. Mol Breeding,
18: 29~38
Rodriguez VM, Romay MC, Ordas A, Revilla P (2010). Evaluation
of European maize (Zea mays L.) germplasm under cold condi-
tions. Genet Resour Crop Evol, 57: 329~335